¿Cómo encontrar un anillo alrededor de un asteroide?

Este 26 de marzo se ha anunciado el descubrimiento de un sistema de anillos alrededor de un asteroide. Este es un descubrimiento bastante sorprendente, puesto que representa el primer espécimen de su especie que hemos encontrado. Hasta ahora, los sistemas de anillos estaban reservados solo para los planetas gigantes gaseosos del sistema solar: Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno; pero ahora, el asteroide Cariclo se suma al selecto grupo. Dado que hay bastante información sobre este descubrimiento en sí en otros sitios, vamos a aprovechar este espacio para comentar sobre algunos conceptos generales para entender mejor este hallazgo.

¿Qué es un asteroide?

Según la última clasificación de la Unión Astronómica Internacional, un asteroide debiese llamarse “cuerpo menor del sistema solar” (que abreviaremos “CMSS” en esta entrada). Estos objetos se distinguirían por dos características claves: I) su masa no es lo suficientemente grande para que su propia gravedad lo haya moldeado como un objeto esférico o casi esférico (cosa que sí pasa con los planetas y con los planetas menores); y II) estos objetos no han sido capaces de “barrer” a otros objetos fuera de su propia órbita, porque no tienen una masa suficiente para hacerlo (esto diferencia a los planetas de los planetas menores junto con los CMSS). Además, es requisito que los CMSS, junto con los planetas y los planetas menores, orbiten alrededor del Sol.

Por otro lado, podemos clasificar a los CMSS en varias clases, según el tipo de órbita que siguen alrededor del Sol. La mayoría de estos objetos orbitan en el “Cinturón de Asteroides”, entre las órbitas de Marte y Júpiter. Otros CMSS orbitan alrededor del Sol acompañando a planetas, como es el caso de los CMSS “Troyanos” y “Griegos”, que se mueven en los puntos de Lagrange conocidos como L4 y L5 de la órbita de Júpiter. Incluso nuestro planeta es acompañado por un CMSS troyano. En particular, Cariclo es un CMSS de un grupo llamado “Centauros”. Los CMSS Centauros orbitan entre Júpiter y Neptuno. Sus órbitas tienen una mayor elipticidad (o sea, su aspecto es más parecido a un óvalo en vez de un círculo), y por ello cruzan las órbitas de estos planetas a medida que orbitan alrededor del Sol. Podríamos decir que esta no es una buena práctica, ya que la gravedad de los gigantes gaseosos perturbará y eventualmente cambiará la órbita de los Centauros con el paso del tiempo.

Cariclo es el mayor CMSS del grupo de los Centauros que conocemos. Fue descubierto el 15 de febrero de 1997 por James V. Scotti. Generalmente, no podemos observar detalles de objetos de este tipo por medio de los telescopios, ya que lucen como puntos “no resueltos” (es decir, el telescopio no es capaz de distinguir ningún detalle, solo vemos un puntito de luz cuyo tamaño lo dicta la combinación entre la óptica del telescopio y la turbulencia atmosférica durante la observación); pero sí podemos inferir sus tamaños. Por ejemplo, podemos estimar la distancia a Cariclo (ya que es posible conocer su órbita) y también su brillo (en las imágenes de telescopio); luego, estimamos qué porcentaje de la luz solar recibida por cuerpo similar a Cariclo es reflejada de vuelta al espacio, y comparamos esta magnitud con el brillo que hemos observado. Sin embargo, pueden notar que tenemos algunos problemas, y es que estamos estimando un parámetro. Entonces ¿cómo podemos conocer la forma y tamaño reales de objetos como Cariclo? Acá entra en juego una idea muy ingeniosa, que es el método de las ocultaciones estelares.

¿Qué es una ocultación, qué podemos aprender de ella y cómo extraemos información útil?

Una ocultación es un fenómeno astronómico en que un objeto celeste cruza por delante de otro, ocultando el primero la luz del segundo. Podríamos decir que es una especie de eclipse, pero el objeto que se oculta no es ni el Sol ni la Luna. La semejanza con un eclipse viene en que ocurre una alineación perfecta entre un observador (generalmente en la Tierra) y dos objetos del sistema solar (por ejemplo, la Luna ocultando a Júpiter); o entre un observador en la Tierra, un objeto del sistema solar y una estrella lejana (como fue el caso de Cariclo ocultando a la estrella UCAC4 248-108672).

Dado que entendemos los efectos de la gravedad sobre los cuerpos con bastante precisión, podemos predecir cuándo ocurrirán estas alineaciones entre observadores en la Tierra, cuerpos del sistema solar y estrellas lejanas. ¿Para qué? se preguntarán. Bueno, por medio de una ocultación podemos derivar parámetros como la forma y el tamaño de objetos como Cariclo. ¿Cómo? Simple, midiendo el tamaño y forma de su sombra. Imaginen que estiran su mano frente a ustedes, y a lo lejos hay un farol. Vamos a mover nuestra mano de un lado a otro, de manera de ocultar el farol con la palma mano. Comenzamos ocultando el farol por un lado de nuestra mano, y movemos el brazo para que el farol aparezca por el otro lado. Mientras hacemos esto, mediremos el tiempo que transcurre entre que dejamos de ver el farol y cuando aparece nuevamente. Lo interesante es que si sabemos a qué distancia está nuestra mano de nuestro ojo, y a qué velocidad se mueve, entonces podemos usar el tiempo que acabamos de medir para conocer el tamaño de nuestra mano. Si se fijan bien, lo que estamos haciendo es medir el tamaño de la sombra que proyecta nuestra mano gracias al farol. Suena bastante simple. Si queremos tener más información sobre la forma y tamaño de nuestra mano, simplemente necesitamos medir el tamaño de la sombra, por medio del tiempo que tarda la ocultación del farol, vista desde otros ángulos. Por ejemplo, si subimos nuestra cabeza levemente con respecto a nuestra mano (dejando fija nuestra mano), y repetimos el experimento, vamos a medir la zona de los dedos en vez de la palma; si bajamos nuestra cabeza y repetimos el experimento, lo más probable es que midamos la zona de la muñeca. Este es el “truco” para estudiar asteroides con este método: tener observadores en diferentes lugares de la Tierra, para medir la sombra del objeto en diferentes partes de este. Mientras más observaciones realicemos, más información sobre la forma del objeto tendremos. Para graficarlo de otra manera, imaginemos cómo veríamos esto desde el espacio, mientras observadores en la Tierra miden una ocultación. La “sombra” de un CMSS (producto de bloquear la luz de la estrella de fondo), aparece proyectada sobre una zona de la Tierra en un momento dado. Como el CMSS y la Tierra se mueven, veríamos que la sombra se desplaza sobre la superficie de nuestro planeta.

Figura 1: Representación de una ocultación estelar producida por un asteroide, para tres observadores situados en la Tierra.

Figura 1: Representación de una ocultación estelar producida por un asteroide, para tres observadores situados en la Tierra. Obviamente, los observadores en la Tierra debiesen estar en el lado del planeta que está de noche, pero lo importante acá es entender la ocultación estelar.

La figura 1 muestra una ilustración de esto, con tres observadores (“1″, “2″ y “3″). Los trazos rojos muestran qué zona del CMSS ocultará a la estrella según cada observador, a medida que este se desplaza, aparentemente, sobre la estrella. El observador en el lugar “1″ medirá la ocultación más breve de los tres; la persona en “2″ medirá la ocultación más larga; y el que está en “3″ medirá un tiempo de ocultación entre los resultados de “1″ y “3″. Debemos notar que no importa que los observadores estén alineados o posicionados de alguna manera en particular sobre la Tierra, sólo importa saber el movimiento relativo de la sombra del objeto sobre el observador y que este mida la duración de la ocultación. En el caso de Cariclo, su sombra se proyectó sobre América del Sur, y la duración de las ocultaciones fue registrada por 11 observatorios diferentes en Chile, Argentina, Uruguay y Brasil (de hecho, se realizan varias campañas de observación de ocultaciones ¡en las que la participación de aficionados a la astronomía es muy valiosa! (sitio en español)). Al igual que con el ejemplo de nuestra mano, conocemos la distancia entre la Tierra y Cariclo, y las velocidades de ambos alrededor del Sol. Usando el método que hemos descrito, cada observador puede determinar el tamaño de la sección de Cariclo que ocultó a la estrella de fondo desde su perspectiva; y si juntamos los datos obtenidos por los 11 observatorios, tendremos una mejor idea de su forma y tamaños verdaderos. Pero aún nos queda una duda:

¿Cómo se encontró que existía un anillo alrededor de Cariclo?

Como acabamos de ver, a mayor número de observadores, más detalles podemos inferir de la forma de un objeto por el método de ocultaciones estelares. ¡Pero eso no fue todo! En el caso de Cariclo, los astrónomos observaron disminuciones en el brillo de la estrella algunos segundos antes, y algunos segundos después de la ocultación de Cariclo propiamente tal.

Este es el video de la ocultación, que también muestra un gráfico de intensidad de la luz de la estrella vs tiempo (este tipo de gráfico se llama curva de luz). Lo más interesante, es que durante estas disminuciones secundarias aún detectamos algo de luz de la estrella, lo que nos dice que el objeto que está pasando entre la estrella y nosotros no es completamente opaco o un sólido compacto (en el sentido de macizo). Los astrónomos aplicaron el método que discutimos anteriormente (recordemos que tenían más de 10 estaciones de observación), y determinaron que la forma corresponde a las ocultaciones secundarias es ¡un sistema de dos anillos! Otra cosa a notar, al margen, es que la imagen de la estrella pareciera estar “bailando” en todo momento. Esto se debe a la turbulencia que constantemente experimentan las capas de la atmósfera, y que distorsiona las imágenes que obtenemos con nuestros telescopios desde la Tierra (¡y es una de las razones para enviar telescopios al espacio!). Este es el mismo fenómeno que percibimos como el “titilar de las estrellas”, cuando las miramos a simple vista.

[Actualización 27/03/2014 - 6:32 UTC]

El lector perspicaz habrá notado que hemos mencionado que se ha descubierto un sistema de dos anillos, pero en la curva de luz del video pareciese haber solo un anillo (el mínimo secundario inicial, cuando pasa un extremo del anillo; y el final, cuando pasa el otro extremo del anillo). Jorge encontró la curva de luz real (en este tuit) observada con el telescopio Danés de 1.54 metros en el observatorio La Silla, en Chile. Este gráfico (Figura 2) nos entrega la información clave para “ver” los dos anillos del sistema (no quise mencionar este detalle anteriormente, dado que no tenía esta información crucial para explicar este punto, y es lo que luego motivó esta actualización). El tiempo de observación de la curva de luz se encuentra en la abscisa del gráfico (eje horizontal), y la intensidad relativa de la estrella más la de Cariclo en la ordenada (eje vertical).

Curva de luz de la ocultación observada con el telescopio Danés de 1.54 metros en La Silla, Chile. Imagen de @astroprofhoff en Twitter.

Figura 2: Curva de luz de la ocultación observada con el telescopio Danés de 1.54 metros en La Silla, Chile. Imagen de @astroprofhoff en Twitter.

 

Podemos ver que el ingreso del anillo externo (y que se supone más tenue o fino por lo que muestra este gráfico) ocurre justo antes del segundo 23.121 (2013CR2) con un valor mínimo de 0,9. Por esto, se espera que el objeto que absorvió la luz de la estrella de fondo en ese momento no sea sólido macizo, pues alrededor del 90 % de la luz de la estrella pasó a través (esto concuerda muy bien con lo observado en la composición de los anillos de los planetas gaseosos, pequeñas partículas). Menos de un segundo después cruza el anillo interno, y más prominente, (2013CR1) (pues absorbe alrededor de un 75 % de la luz de la estrella de fondo). Alrededor de siete segundos después (23.128), ocurre el mínimo producido por Cariclo (que dura unos 5 segundos y que bloquea toda la luz de la estrella de fondo). Otros siete segundos más (23.140) y “veremos” el paso del otro extremo del anillo interno y prominente (2013C1R), seguido menos de un segundo después por el paso del anillo externo y más débil (2013C2R). Notemos que el mínimo de la curva de luz no es precisamente cero, pues Cariclo también refleja luz solar, pero es muy tenue comparado con la estrella. Un ejercicio que queda para el lector es imaginar la sombra que proyectaría Cariclo y sus anillos sobre el planeta Tierra, si fuese el observador de la figura 1, y aplicando lo que ya explicamos en la sección anterior. Dejamos también la recreación de un artista de Cariclo y sus anillos, en la figura 3.

Recreación artística de Cariclo y su sistema de dos anillos. Noten que el anillo externo fue representado más tenue que el anillo interno.  Crédito ESO/L. Calçada/M. Kornmesser/Nick Risinger (skysurvey.org)

Figura 3: Recreación artística de Cariclo y su sistema de dos anillos. Noten que el anillo externo fue representado más tenue que el anillo interno.
Crédito: ESO/L. Calçada/M. Kornmesser/Nick Risinger (skysurvey.org)

[Fin actualización.]

Para finalizar, creo que este descubrimiento trae entretenidas preguntas. Por ejemplo, ¿cómo se formó este anillo?, o lo que encuentro más curioso, ¿por cuánto tiempo, y cómo puede sobrevivir un sistema de anillos alrededor de un objeto con una masa así de pequeña?, o ¿qué tan frecuentes son los sistemas de anillos en planetas menores y CMSS? Creo que el firmamento nos sorprendió nuevamente, y esta no será la última vez que lo haga.

Bibliografía:

http://www.eso.org/public/news/eso1410/

http://www.iau.org/public_press/news/release/iau0603/questions_answers/

También recomiendo leer las entrada en el blog de nuestras amigas de Star tres, con más detalles sobre Cariclo; y el blog de nuestros amigos de Cosmonoticias con la información sobre este descubrimiento de la ESO en español.

 

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Descubrimiento de modos B en la polarización del CMB

modo-bEl título no es muy atractivo, pero su significado es muy profundo. Los medios hablan de CMB, polarización, ondas gravitacionales, inflación, modos B… son varios conceptos bastante técnicos y aunque ya hay muchos artículos sobre este tema, intentaré mostrar algunos detalles para dimensionar la importancia del descubrimiento anunciado esta mañana.
Hace un año el satélite Planck de la Agencia Espacial Europea anunció sus esperados resultados de la medición de la radiación cósmica de microondas (CMB), ese llamado ruido de fondo que llena todo el Universo y es a veces también llamado el eco del Big Bang (aunque nada tiene que ver sonido). Los resultados de Planck mostraron una precisión espectacular en las mediciones del CMB y un casi perfecto acuerdo con la teoría del Big Bang. Uno de los resultados que no fue anunciado fue la esperada medición de la polarización del CMB, una propiedad muy importante y que la colaboración Planck presentará a mediados de 2014. Habría que es esperar para conocer los resultados de esa medición, sin embargo Planck no es el único experimento observando el CMB. Aunque es el más moderno telescopio de microondas en el espacio, existen varios telescopios de este tipo en la Tierra. Uno de ellos llamado BICEP2 ha estado en boca de todos desde el viernes cuando se propagó el rumor que sus resultados serían anunciados en una conferencia de prensa en el Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. Para comprender el significado de este histórico descubrimiento intentaré explicar un par de conceptos relevantes. Explicar el Higgs es fácil comparado con esto, lamentablemente el nivel de complejidad es elevado, pero trataré de usar un par de analogías para dimensionar lo espectacular de este descubrimiento.

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Materia oscura e impactos de cometas

extincionLa semana pasada se anunció un paper recién aceptado en la prestigiosa revista Physical Review Letters en el que sus autores plantean una relación entre materia oscura y una posible periodicidad en impactos de cometas con nuestro planeta (periodicidad se refiere a algo que se repite regularmente cada cierto tiempo). Sin pasar a los detalles del paper, la idea puede entenderse como la suma de hechos conocidos y ciertas ideas especulativas, los que presento a continuación.

Hecho #1: el Sol se mueve en torno al centro de nuestra galaxia pero además oscila en torno al disco galáctico con un período de unos 32 millones de años. Es decir, el Sol no sólo orbita la galaxia, también se mueve (por usar lenguaje coloquial) hacia arriba y abajo cruzando el disco de la Vía Láctea como ilustra la imagen a continuación Sigue leyendo

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Un espectro vale más que mil imágenes

El otro día llegué algo tarde a la universidad por lo que encontrar estacionamiento fue difícil. Mientras recorría los varios pisos del estacionamiento frente al Departamento de Física noté algo poco común: había un puesto disponible en el primer piso. Después de exclamar YEAH! estacioné allí mi auto y salí camino a mi oficina con una sonrisa, es un gusto encontrar un espacio tan bien ubicado; probablemente alguien que llegó temprano tuvo que irse por un motivo imprevisto, porque los pocos espacios en los primeros pisos se ocupan temprano. Esto me dejó pensando sobre la similitud entre los espacios en el estacionamiento y los estados que los electrones ocupan en un átomo.Espectro0

Dada la gran cantidad de profesores, administrativos y estudiantes, existen varios estacionamientos de varios pisos. Cada mañana decenas de vehículos ocupan los muchos espacios disponibles. Los primeros en ocuparse son obviamente aquellos en el primer nivel, ya que eso permite salir del estacionamiento en forma rápida y sin necesidad de usar las escaleras. Luego se llenan los pisos superiores, por este motivo llegar tarde implica un ejercicio bajando largas escaleras en la mañana y luego subirlas en la tarde porque sólo habrá espacios disponibles en los pisos superiores. Dada la comodidad del primer nivel los estacionamientos disponibles son muy apetecidos, sin embargo como en toda institución existe una jerarquía y las personas con altos rangos tienen estacionamientos reservados, por ejemplo el presidente de la universidad y el entrenador del equipo de fútbol tienen Sigue leyendo

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La masa del neutrino: una crisis y el futuro

Neutrino_scaleNeutrinos, esas pequeñas y fantasmales partículas creadas en reacciones nucleares que atraviesan todo objeto material a su paso (gatos, personas, planetas) como si fuesen transparentes, son mis partículas favoritas. En este blog me he referido a ellos una y otra vez ya que son fundamentales en en muchos procesos en nuestro universo, muchos de ellos relevantes en nuestras vidas. Desde las reacciones nucleares en el Sol que nos proporciona energía en nuestro planeta hasta los procesos radiactivos usados en hospitales alrededor del mundo. Sin embargo, uno de los más grandes aportes de neutrinos a nuestras vidas es su rol protagónico en los procesos tempranos del universo, justo después del Big Bang, incluso podríamos deber nuestra existencia y la del universo a estos pequeñines, como una vez les llamó Leon Lederman.

Portada del New York Times del 5 de Junio de 1998

Portada del New York Times del 5 de Junio de 1998

Una de las grandes sorpresas de estos pequeños neutros fue revelada en 1998: los neutrinos tienen masa. Este descubrimiento llegó a ocupar la portada del New York Times. ¿Cuál es la sorpresa dirá usted? Bueno, el problema es que el Modelo Estándar, esa exitosa teoría física que explica el comportamiento de todas las partículas elementales con lujo de detalles predice que los neutrinos no pueden tener masa! Este descubrimiento es una prueba clara de que el Modelo Estándar tiene una falla. Siempre escuchamos que el bosón de Higgs era la última pieza para completar el puzzle que describe todas las partículas y que su descubrimiento en 2012 cerró este capítulo de la física de partículas, sin embargo algo que no se dice muy a menudo (al menos fuera de la comunidad de neutrinos) es que Modelo Estándar tiene una falla y los neutrinos son los culpables.

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Estación Espacial a fines de enero

ISSFinalizamos el 2013 anunciando el paso brillante de la Estación Espacial (ISS) sobre Chile y la respuesta de la gente ha sido tremenda. La idea de aquel post era iniciar una serie de anuncios para motivar a la gente a maravillarse con el cielo. Agradezco a todos quienes desde Arica hasta Chiloé salieron unos minutos a disfrutar este espectáculo, además de agradecimiento especial a los amigos de El Trasnoche en radio Biobio por ayudarnos a difundir esta actividad.

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Observando la Estación Espacial

ISSLa Estación Espacial Internacional (ISS) es la más grande estructura construida por el hombre en órbita en torno a la Tierra. Con aproximadamete el tamaño de una cancha de fútbol, la ISS es una obra de arte e ingeniería que lleva más de 10 años “allá arriba”. Mucha gente se ha especializado en fotografiarla a su paso, lo que ha dado para imágenes espectaculares, incluyendo la ISS pasando frente al Sol y la Luna gracias a equipos especializados, talento y mucha paciencia. Sin embargo mucha gente no está enterada que ver la ISS a ojo desnujo es muy simple, además de ser una entretenida y fascinante actividad. Es importante mencionar que la ISS a simple vista se ve como una estrella muy grande y brillante que se mueve lentamente cruzando el cielo, lo que permite fotografiarla fácilmente. Muy comunes son fotografías de larga exposición (un par de segundos) donde puede verse su brillante trayectoria en el cielo.

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