Francis en ¡Eureka!: Marte fue habitable porque fluyó agua potable en su superficie

Dibujo20130317 Curiosity Rover Collects Martian Bedrock Sample

Ya está disponible el audio de mi sección ¡Eureka! en el programa La Rosa de los Vientos de Onda Cero. Sigue este enlace para oír el audio. Como siempre, una transcripción libre del audio.

El pasado martes 12 de marzo, la NASA dio una rueda de prensa sobre la misión Curiosity en Marte. Se afirmó que uno de los objetivos más importantes del rover Curiosity ya se ha cumplido. ¿Cuál era este objetivo? Una de las grandes preguntas sobre el planeta Marte que se pretende responder con la misión Curiosity es si Marte fue un planeta habitable en el pasado. Misiones marcianas anteriores han descubierto que ahora mismo hay agua helada enterrada en el subsuelo marciano, e incluso que en el pasado fluyó agua líquida por la superficie de Marte, que hubo mares y lagos en diferentes crácteres marcianos. Otro rover de la NASA llamado Opportunity, que lleva en Marte desde 2004 y aún sigue en activo, descubrió que el agua líquida fluyó en la superficie marciana; pero parece ser que era agua muy ácida (con un pH muy alto bajo), parecida a un mar muy salado, poco propicio para la aparición de la vida. Uno de los objetivos más importantes del rover Curiosity, un laboratorio físicoquímico móvil de casi una tonelada de peso que se encuentra en el cráter Gale en el planeta Marte, era encontrar huellas de agua potable, agua con condiciones ideales para la aparición de la vida. Dos instrumentos de Curiosity, llamados SAM y ChemIn, han descubierto que en el cráter Gale hubo un lago de agua “dulce”, agua con un pH neutro y con muy pocas sales minerales. Un ambiente ideal para la aparición de la vida.

Más información en Daniel Marín, “¡Marte fue habitable en el pasado! (Bitácora de Curiosity 24),” Eureka, 12 Mar 2013, y en inglés en “NASA Rover Finds Conditions Once Suited for Ancient Life on Mars,” NASA News, 12 Mar 2013.

Esto significa que Marte fue habitable en el pasado, lo que no significa que fuera un planeta “con vida” ni siquiera bacteriana. ¿Podría detectar Curiosity la presencia de bacterias vivas en Marte? No, Curiosity no puede detectar vida bacteriana, incluso si las bacterias estuvieran presentes en alguna de las muestras de suelo que se han analizado. El instrumento SAM (Sample Analysis at Mars), de unos 5 kg, a bordo del rover Curiosity, posee un espectrómetro de masas y un cromatógrafo de gases capaz de descubrir moléculas orgánicas tras calentar las muestras se suelo marciano en un horno hasta los 835º C. El instrumento SAM puede detectar moléculas orgánicas, como los aminoácidos, los componentes de las proteínas, pero no puede detectar vida. De hecho, en el universo se han encontrado moléculas orgánicas en muchos lugares (meteoritos, cometas, nubes gas de interestelar, etc.). Descubrir bacterias vivas requiere incubarlas y verificar que pueden reproducirse. Las sondas espaciales Viking en 1976 portaban tres experimentos para detectar vida en Marte. En uno de ellos se incubó una porción de suelo de Marte con nutrientes (marcados con isótopos radiactivos) y se observaron los productos de una reacción química. Al principio se pensó que se trataba de una señal positiva de vida marciana, pero estudios posteriores demostraron que se trató de una catálisis inorgánica por compuestos de hierro. Curiosity es un laboratorio físicoquímica que no está preparado para descubrir seres vivos en Marte.

El agua en Marte es un tema recurrente y aparecen noticias constantemente. Ya en diciembre de 2012 se publicó que Curiosity había encontrado agua en Marte, ¿cuál es la diferencia entre el anuncio de esta semana y el anterior? En diciembre el rover Curiosity descubrió gracias al instrumento SAM que al calentar unas muestras de arena a varios cientos de grados se producían pequeñas cantidades de vapor de agua. Este agua es muy ácida, contiene azufre y cloro, y es más pesada que el agua en la Tierra, es decir, sus moléculas contienen más deuterio. El agua, H2O, está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. El átomo de hidrógeno está formado por un protón y un electrón; el deuterio es un isótopo pesado del hidrógeno cuyo núcleo atómico contiene un neutrón, además del protón. En los oceános terrestres el 0,015% del agua es pesada, es decir, 150 de cada millón de moléculas de agua contiene deuterio en lugar de hidrógeno. Aunque se sabe que hay bacterias que pueden vivir en concentraciones altas de agua pesada, si además resulta que es muy ácida se ponen fuertes trabas para que pueda aparecer la vida (al menos vida como en la Tierra).

Los nuevos datos indican que en el cráter Gale hubo un lago de agua “dulce”. ¿Cómo se ha descubierto que había agua potable?  La noticia de esta semana es el resultado de un análisis mineralógico de unas muestras de roca recogidas tras taladrar el suelo del crácter Gale el 8 de febrero. Dichas muestras de roca contienen hasta un 30% de un mineral arcilloso de tipo esmectita (similar al talco mineral), un filosilicato que sólo se puede formar en presencia de agua líquida con un pH neutro y baja concentración en sales. Las esmectitas son los componentes fundamentales de las bentonitas, cuya minería en España se explota en la cuenca de Madrid (al norte de la ciudad de Toledo, y entre Pinto y Valdemoro en Madrid) y en la región de Cabo de Gata en Almería. Se estima una producción de unas 190.000 toneladas al año con un valor de 2 M€/año. Volviendo a las esmectitas en Marte, la clave del nuevo análisis ha sido el intrumento ChemIn (Chemistry and Mineralogy), de unos 10 kg, capaz de realizar análisis de muestras del suelo marciano mediante difracción de rayos X, lo que permite identificar la presencia de determinados minerales, no sólo elementos. Este instrumento ha observado la presencia de sulfatos de calcio, en lugar de los sulfatos de magnesio y de hierro que fueron observados por el rover Opportunity. Por tanto, se puede asegurar que hubo un lago de agua potable en el cráter Gale y que Marte fue habitable en el pasado.

¿Se sabe hace cuánto tiempo corría agua potable por la superficie de Marte y durante cuánto tiempo? Las hipótesis actuales apuntan a que Marte fue húmedo y capaz de albergar vida hace unos 4000 millones de años. Los planetas del Sistema Solar se formaron hace unos 4500 millones de años, junto al Sol. Se cree que hace unos 4000 millones de años, en plena era Noeica, Marte tenía una atmósfera que contenía gases de efecto invernadero suficientes para que el agua fluyese por la superficie y se formaran arcillas. La era Noeica duró unos 1000 millones de años y dio paso a una segunda era que duró poco, unos 300 millones de años, en la que ocurrió un cambio climático brusco que dio lugar a la era actual, con un Marte frío y seco. Por tanto se cree que el cráter Gale pudo albergar un lago de agua “dulce” hace unos 4000 millones de años, lago que se heló y se secó hace unos 3500 millones de años. Pero los detalles están aún pendientes de respuesta y se espera que Curiosity logre aportar nuevos datos que aclaren esta cuestión.

Para acabar, Curiosity ha tenido un problema con su ordenador de a bordo, ¿se ha resuelto ya dicho problema? El miércoles 27 de febrero se comprobó que el ordenador principal de Curiosity no estaba enviando los datos grabados a la Tierra. Se había corrompido su memoria y había quedado inútil. Por suerte Curiosity va equipado con dos ordenadores principales redundantes para evitar este tipo de problemas. El jueves 28 de febrero el control de Tierra dio la orden de cambiar de ordenador (el otro ordenador fue empleado para controlar la nave durante el viaje desde la Tierra hasta Marte). Los dos ordenadores de Curiosity pueden controlar todos los sistemas de la nave. Durante varios días se comprobó que todo funcionaba a la perfección con el otro ordenador. Estos ordenadores usan procesadores PowerPC modificados para soportar altos niveles de radiación. Funcionan a 200 MHz y posee 2,5 GB de memoria; puede parecer poco, pero están preparados para aguantar dosis de radiación un millón de veces superior a las consideradas peligrosas para un ser humano y temperaturas de entre -55º C y 70º C. Se espera que la misión Curiosity dure varios años y que no haya más problemas con el ordenador. Curiosity se dirigirá a la base del Monte Aeolis, donde en teoría se encuentran más minerales arcillosos del tipo de los filosilicatos, es decir, más pruebas de la existencia de agua potable en el pasado de Marte.

Sigue este enlace para oír el audi, si no lo has hecho ya

Nota dominical: La “bola de cristal” que descubrió el bosón de Higgs en 1984

Dibujo20130310 crystal ball collaboration 1984 higgs boson fake signal

El detector “Bola de Cristal” instalado en el anillo DORIS de DESY descubrió a principios de 1984, con más de 5 sigmas, un bosón de Higgs con una masa de 8,32 GeV/c² gracias a la desintegración de la partícula úpsilon en fotones; en concreto, con 4,2 sigmas tras analizar 10,7 /pb (inversos de picobarn) de eventos de desintegración de la partícula Υ(1S)→γH, y con 3,3 sigmas tras analizar 64,5 /pb de eventos de desintegración de la partícula Υ(2S)→γH. La señal presentaba un exceso (μ=2) respecto a las predicciones del modelo estándar, lo que hizo que muchos teóricos buscaran de forma urgente una explicación. La señal no fue confirmada por CESR en Cornell. A finales de 1984, cuando DORIS acumuló más colisiones, la señal despareció. Todo quedó en una falsa alarma. ¡¡Una falsa alarma de 5 sigmas!! Para los curiosos, el artículo es Crystal Ball Collaboration, “Evidence for a Narrow Massive State in the Radiative Decay8 of the Upsilon,” SLAC-PUB-3380, DESY 84-064, July 1984.

Dibujo20130311 upsilon decay into photon and higgs via bottom vertex

Muchos físicos teóricos trataron de entender el exceso respecto al modelo estándar, como S.L. Glashow, M. Machacek, “Can ζ (8.3 GeV) be one of two Higgs bosons,” Physics Letters B 145: 302–304, 20 Sep 1984Howard E. Haber, G.L. Kane, “Implications of a Higgs interpretation of the ζ(8.3),” Nuclear Physics B 250: 716–728, 1985; Michael Shin, Howard Georgi, Minos Axenides, “ζ(8.3 GEV) as the lightest scalar in a three-Higgs-doublet model,” Nuclear Physics B 253: 205–215, 1985; James Pantaleone, Michael E. Peskin, S.-H.Henry Tye, “Bound-state effects in ϒ→γ+ resonance,” Physics Letters B 149: 225–233, 13 December 1984; etc.

Más información sobre la historia de la búsqueda del Higgs en Sau Lan Wu (Univ. Wisconsin-Madison), “Historic review of Higgs searches. The long road to the Higgs discovery,” Higgs Quo Vadis, Aspen Center for Physics, 10-15 March, 2013 [slides pptx].

PS (15 Ago 2013): Sau Lan Wu, “Higgs search History,” ISHP, 12 Aug 2013.

Atención, pregunta: La realidad de la función de onda cuántica, ¿es un problema para filósofos o para físicos?

Las recientes medidas débiles de la función de onda cuántica han puesto de actualidad la cuestión de si la función de onda es real o no lo es. Muchos físicos opinan que esta cuestión debe ser resuelta por los filósofos especialistas en metafísica, ya que la respuesta no afecta de forma directa a la labor de interpretar los resultados de los experimentos utilizando la mecánica cuántica. En mi opinión, decidir si un fotón es real puede que sea una cuestión propia de la filosofía natural, pero decidir si la función de onda cuántica es tan real como un fotón solo puede ser resuelta por los físicos gracias a los experimentos. Ningún filósofo (y ningún físico) utilizando lápiz y papel puede resolver esta cuestión. Los filósofos pueden estudiar si un electrón es real, o no, en función del significado de la palabra “real,” pero saber si la función de onda cuántica es tan real como un electrón creo que debe ser resuelto por los físicos. Más aún, si la función de onda es real su colapso tiene que ser dinámico y los detalles íntimos de la física del colapso de la función de onda deben ser dilucidados por los físicos mediante experimentos. La figura que abre esta entrada está extraída de Heiko Bauke, Noya Ruth Itzhak, “Visualizing quantum mechanics in phase space,” arXiv:1101.2683, 11 Jan 2011.

Te recomiendo leer Angel Luis Rubio Moraga, “¿Es real la función de onda?,” RSEF, 07 Mayo 2012; que se hace eco de Matthew F. Pusey, Jonathan Barrett, Terry Rudolph, “On the reality of the quantum state,” Nature Physics 8: 476 (2012) [arXiv:1111.3328]; también recomiendo leer a Daniel Nigg, Thomas Monz, Philipp Schindler, Esteban A. Martinez, Michael Chwalla, Markus Hennrich, Rainer Blatt, Matthew F. Pusey, Terry Rudolph, Jonathan Barrett, “Can different quantum state vectors correspond to the same physical state? An experimental test,” arXiv:1211.0942, 5 Nov 2012, y Philipp Schindler, Thomas Monz, Daniel Nigg, Julio T. Barreiro, Esteban A. Martinez, Matthias F. Brandl, Michael Chwalla, Markus Hennrich, Rainer Blatt, “Undoing a quantum measurement,” arXiv:1211.1791, 8 Nov 2012.

Photo and caption by Don Chamblee [streetcar in New Orleans, Louisiana, USA].

Me gustaría conocer tu opinión sobre este asunto. ¿Crees que la realidad de la función de onda es un problema filosófico o físico? ¿Crees que es un problema que puede ser resuelto mediante experimentos mentales y herramientas de física teórica, sin recurrir a resultados experimentales?

Turbulencia gravitacional en el espaciotiempo Anti-de Sitter

Dibujo20130316 Horizon radius vs amplitude for initial data - number reflections off the AdS boundary before collapse

Me ha llamado la atención el concepto de turbulencia gravitacional, el estado turbulento en un espaciotiempo AdS (Anti-de Sitter). Los espaciotiempos de Minkowski (M), de Sitter (dS) y Anti-de Sitter (AdS) son estables ante perturbaciones infinitesimales (lineales); sin embargo,sólo son estables a perturbaciones finitas (no lineales) los espaciotiempos de M y dS, siendo AdS inestables no linealmente, es decir, una perturbación finita en un AdS crece hasta formar agujeros negros vía una cascada energética similar a la que produce la turbulencia en un fluido (los modos de baja frecuencia evolucionan a modos de alta frecuencia como vórtices en un fluido se descomponen en vórtices más pequeños a todas las escalas). La turbulencia gravitacional en un espacio AdS es un concepto muy sugerente, pues implica una turbulencia cuántica del espaciotiempo. La correspondencia AdS/CFT relaciona una teoría cuántica de campos conforme (CFT) en (d-1) dimensiones con una teoría gravitacional (cuántica) en un espacio AdS en d dimensiones. Nació en el contexto de la teoría de cuerdas (una teoría CFT de acoplamiento débil aparece en el régimen no perturbativo de toda teoría de cuerdas), pero hoy en día tiene vida propia, junto a las ideas holográficas, prometiendo aplicaciones en física de la materia condensada, teorías de campos con acoplamiento fuerte, plasmas de quarks y gluones, turbulencia cuántica, etc. Recomiendo a los físicos la consulta de las transparencias de la charla de Óscar Dias (with Gary Horowitz, Don Marolf, and Jorge Santos), “Gravitational turbulent instability of AdS,” XVIII IFT UAM/CSIC-Madrid Xmas Workshop Dec. 2012 [slides], así como Oscar J. C. Dias, Gary T. Horowitz, Don Marolf, Jorge E. Santos, “On the Nonlinear Stability of Asymptotically Anti-de Sitter Solutions,” arXiv:1208.5772, 28 Aug 2012, y Oscar J.C. Dias, Gary T. Horowitz, Jorge E. Santos, “Gravitational Turbulent Instability of Anti-de Sitter Space,” arXiv:1109.1825, 8 Sep 2011. También es interesante la consulta de Tadashi Takayanagi, “Holographic Entanglement Entropy and Emergent Spacetime,” Entangle This: Strings, Fields and Atoms @ IFT UAM-CSIC Madrid Nov. 19-21, 2012 [slides]; y Masahiro Nozaki, Shinsei Ryu, Tadashi Takayanagi, “Holographic Geometry of Entanglement Renormalization in Quantum Field Theories,” JHEP 10 (2012) 193, arXiv:1208.3469.