Solar Orbiter, la desafiante misión que viaja al Sol

Publicado en Cosmotales .
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Las investigaciones en física solar llevan varios años profundizando en el estudio de nuestra estrella y develando innumerables interrogante sobre ella. Dentro de la nueva generación de misiones espaciales la Solar Orbiter, planeada hace casi dos décadas, será la primera que pueda tener una visión nueva del Sol, al ser capaz de observar sus polos. Estas regiones nunca antes han sido examinadas debido a que nos encontramos girando alrededor del Sol en un plano desde el cual lo vemos lateralmente, denominado plano de la eclíptica. Para lograrlo, la nave equipada con sensores y detectores deberá salir del plano de la eclíptica, y lograr la tan anhelada visión privilegiada de estas regiones en donde se espera encontrar algunas claves de la generación del campo magnético en el Sol. Sus mediciones permitirán también entender mejor algunos de los procesos que ocurren en la atmósfera solar y en la burbuja generada por el viento solar y su campo magnético que encierra a todo el sistema solar, la heliosfera.

Solar Orbiter viajará en dirección al Sol, hasta llegar a una distancia de 40 millones de kilómetros, más cerca de lo que se encuentra el planeta Mercurio. A esa distancia se encontrara en la capa de la atmósfera solar que se denomina la corona, expuesta a temperatura de unos 600 grados centígrados, bajo extremos niveles de radiación.

El Sol es el principal actor en lo que se conoce como el clima espacial. Las condiciones físicas y actividad solar tienen impacto sobre el medio interplanetario, en el que nos encontramos también nosotros. Estos fenómenos pueden representar un riesgo sobre la tecnología desarrollada por los seres humanos, y de la cual ahora dependemos profundamente para infinidad de labores en nuestra vida cotidiana. Los satélites en particular, están directamente expuestos a partículas energéticas que son lanzadas por el Sol en potentes estornudos de material. Durante las etapas más activas del ciclo solar, que tiene una duración aproximada de 11 años, los fenómenos explosivos en la atmósfera solar son más frecuentes, y el riesgo aumenta. Entre las consecuencias de estas emisiones están la formación de auroras, que no tienen consecuencias negativas, pero visibilizan el efecto de la llegada de partículas del Sol. En 1859 tuvo lugar el más potente de estos eventos, el Evento Carrington, que produjo aurora en lugares tan inusuales como Colombia, y causo en varias ciudades del mundo la caída de redes de telégrafo, en ese momento el medio de comunicación más moderno. Uno de los objetivos de las investigaciones en física solar, es ser capaces de predecir algún día el comportamiento del Sol y anticiparnos a la generación de estos fenómenos de actividad solar que posteriormente pueden causar tormenta geomagnéticas y afectarnos directamente. De esta manera podremos proteger, no solamente a los satélites, sino también a los astronautas en misiones espaciales que están expuestos a tales eventos.

Las misiones para estudiar el Sol han ido progresando de la mano con los avances tecnológicos. La estación espacial Skylab a comienzos de la década de los 70, ya contaba con un telescopio solar en luz visible, ultravioleta y rayos X, teniendo una observación excepcional del Sol, fuera de la atmósfera terrestre que afecta las imágenes registradas. En las décadas posteriores nuevas misiones siguieron mejorando sus capacidades para observar con más detalle las características de la superficie y atmósfera solar, y ya en el nuevo milenio se lanzaron sofisticados telescopios (Rhessi, Stereo, Hinode, Solar Dynamics Observatory,  con los cuales hemos podido seguir la evolución solar día tras día y descubrir muchos detalles de su comportamiento. Las nuevas misiones solares, son parte de la última generación de telescopios con nuevas y fascinantes capacidades. La misión Solar Parker, lanzada a finales del 2018, ya se encuentra orbitando el Sol a una distancia cercana, pero con Solar Orbiter se complementa el estudio de la estrella y en particular de sus regiones polares. Estas dos, sumadas al nuevo telescopio solar más grande del mundo ubicado en Hawaii, el Daniel K. Inouye Solar Telescope (DKIST), que ya vio su primera luz, nos darán piezas fundamentales para seguir completando el rompecabezas del entendimiento de lo que ocurre en el Sol.  Una de las preguntas que aun buscan respuesta tiene que ver con explicar la alta temperatura de la estrella en la corona solar, que supera en más de un millón de grados la temperatura de su superficie, denominada  fotósfera.

Las misiones espaciales traen consigo desarrollos y avances que no solamente benefician las investigaciones concretas en un área. Gran parte de tales adelantos tienen aportes directos e indirectos en tecnologías que tienen aplicación en sectores industriales y que tarde o temprano pueden beneficiar otros aspectos de la sociedad. En Solar Orbiter hay desarrollos en materiales para proteger a la nave de la inclemencia de las condiciones a esas distancias tan cercanas al Sol. Pero una de las mayores implicaciones esta directamente relacionada con entender muchos procesos en el Sol que afectan las condiciones del ambiente espacial, y su relación con la Tierra. De poder entender tales condiciones depende incluso que podamos adentrarnos a explorar otras regiones del sistema solar, como por ejemplo una misión tripulada a Marte que durante meses esta expuesta a las condiciones del clima espacial.

La distancia que nos separa del Sol es de 150 millones de kilómetros, lo que equivale a darle casi 4000 vueltas a la Tierra. Sumado a ello, el viaje no es en línea recta porque entonces la nave pasaría de largo, cuando lo que se quiere es ponerla a dar vueltas alrededor del Sol. Esto hace que se requiera de una compleja serie de órbitas, alteradas por maniobras de asistencia gravitatoria, esa decir tirones del planeta Venus, y otro más alrededor de la Tierra, para cambiar la trayectoria de la nave y dirigirla hacia las regiones interiores del sistema solar.

La misión Solar Orbiter viene equipada con cerca de 200 kilogramos de sofisticados instrumentos para conseguir lograr su objetivos científicos. Un total de 10 instrumentos científicos, de los cuales 4 registran datos in situ en la vecindad de la nave, y otros seis realizan observaciones del Sol de forma remota. Entre ellos hay detectores de partículas para medir la condiciones del ambiente en la corona solar, el viento solar y un magnetógrafo que mediría los campos magnéticos locales alrededor de la nave. Tiene sensores y analizadores de ondas de radio y plasma, y un instrumento para realizar medidas del todo el disco solar del campo magnético en la superficie del Sol. Un espectrómetro y telescopio de rayos X permitirá estudiar la emisión de este tipo de luz solar. Con un coronografo se podrá eclipsar artificialmente al Sol para poder estudiar la emisión más débil de la corona solar sin deslumbrarse con el intenso brillo del disco del Sol. Dos paneles solares alimentaran a los instrumentos de la carga útil de la nave.

Los fenómenos explosivos que ocurren en el Sol, equivalentes a decenas de miles de bombas atómicas detonando al tiempo, envían un bombardeo de partículas cargadas con muchísima energía que, cuando llegan a la Tierra, tienen efectos sobre el campo magnético terrestre, la magnetosfera, y pueden alterarlo, causando tormentas geomagnéticas. Los satélites, instrumentos, e incluso astronautas en misiones, están expuestos a este bombardeo que genera pérdida de millones de dólares a empresas del sector espacial, y consecuencias sobre la sociedad que depende de la tecnología para infinidad de labores. Las tormentas generadas pueden interrumpir también redes eléctricas y de comunicación, y generar una especie de caos global.

Poder tener la temperatura controlada dentro de la nave para la correcta operación de sus instrumentos, fue uno de los puntos más importantes de la misión. Para controlar las altas temperaturas tiene radiadores que disipan el exceso de calor al espacio. Un escudo solar de casi 150 kilogramos hecho de titanio y con un compuesto que e fabrica a partir de huesos de animales en una especie de sandwich, protegerá a la nave de las altísimas temperaturas en sus momentos de mayor aproximación al Sol.

Por el momento un viaje tripulado a esas regiones es imposible, hasta que no tengamos mas conocimiento sobre la condiciones a las cuales estarían expuestos seres humanos y como protegerlos. Es justamente lo que pretende la misión, poder entender los detalles de lo que sucede en el Sol a esas distancias y cuál es su comportamiento, lo que significará poder llevar a cabo futuras misiones de exploración humana a diversos lugares de sistema solar.

Sin la protección de la atmósfera y el campo magnético de la Tierra estaríamos expuestos a la alta radiación solar, y probablemente la vida como la conocemos no hubiera podido desarrollarse. El Sol tiene emisión en varios tipos de luz, el llamado espectro electromagnético, emitiendo, aparte de la luz visible, en infrarrojo, ondas de radios, rayos X, ultravioleta. En particular esta última es detenida en gran parte por la atmósfera, y sin ese bloqueo, esta radiación podría ser nefasta para los seres humanos. Gran cantidad de órganos son afectados por la radiación ultravioleta, de alta energía. Las afectaciones sobre la piel son las más conocidas, produciendo alteraciones y trastornos que pueden desencadenar en melanoma y carcinomas, pero también tiene consecuencias en los ojos, produciendo cataratas e incluso ceguera, y en el debilitamiento del sistema inmunológico.

Una misión se planea muchos años antes de poder ser lanzada. Primero se concibe la idea y se van organizando equipos de decenas o cientos de investigadores en diferentes centros de investigación en el mundo. Cada equipo tiene la tarea de desarrollar un instrumento en particular en sus laboratorios, y luego se integran todos en lo que será la misión que viaje al espacio. En el caso de Solar Orbiter, las etapas de diseño conceptual comenzaron al inicio del nuevo milenio, y ya entrada la segunda década se empezaron a fabricar los instrumentos. La parte final incluye pruebas de verificación de cada uno de ellos, y de su desempeño en conjunto. El lanzamiento de Solar Orbiter se aplazó en varias oportunidades, debido a retraso en el desarrollo de algunos instrumentos.  Finalmente el 10 de febrero de este año tuvo lugar el exitoso lanzamiento desde Cabo Canaveral en la Florida, a bordo de un cohete Atlas V de la Nasa.

Estudiando el Sol, podremos entender mejor sus conexiones con todo el entorno planetario y su influencia sobre la Tierra. Entre más conozcamos al Sol, más profundizaremos en aspectos sobre nuestra propia existencia y el futuro de nuestra civilización que cada vez más depende de lo que pasa en el espacio.

Aplanar la curva Coronavirus

Publicado en el blog de Martín Monteiro .
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Algunos comentarios sobre conceptos clave en relación al #Coronavirus #COVID19:
 “Lavarse las manos”
 “Distanciamiento social”
 “Aplanar la curva”

COVID-19 ya está entre nosotros y se va a diseminar inevitablemente. Lo que sí debemos y podemos, es controlar la velocidad con la que se dispersa la enfermedad. No es lo mismo que el sistema de salud deba atender mil casos en una semana que atender esos mismos mil casos a lo largo de tres meses. De eso se trata el “aplanar la curva”, no solo reducir la cantidad total de casos sino evitar colapsar el sistema de salud.
En una nota muy leída del Washington Post, Harry Stevens utiliza un modelo hiper-simplificado pero muy correcto en su idea fundamental, para mostrar cómo es el mecanismo básico de crecimiento de una epidemia y por qué se consigue “aplanar la curva” con medidas como la cuarentena y el “distanciamiento social”, que reducen la interacción y el contacto entre personas.
Estas gráficas muestran la evolución de una población simulada ante diferentes escenarios. En un extremo, cuando no se aplican controles, las personas continúan con sus actividades normales, interactuando como siempre. De ese modo el virus pasa de una persona a otra con fluidez, los contagios son muchos de modo que la cantidad de infectados aumenta rápidamente y alcanza a casi toda la población en un período relativamente breve. En el otro extremo, con “distanciamiento social”, la cantidad de contactos entre personas es menor y por lo tanto la enfermedad de dispersa de forma mucho más lenta, con lo que se logra “aplanar la curva”.
Lavarse la manos es clave también para “aplanar la curva”, pues reduce la efectividad de los contactos sociales, reduciendo de ese modo la velocidad con la que se propaga la enfermedad.
Recomiendo leer el artículo de Harry Stevens en el Washington Post, al menos para apreciar cómo funcionan las simulaciones en los cuatro escenarios propuestos. El artículo se puede leer gratis en español en este enlace:

Créditos:
El GIF de “Aplanar la curva” es de @XTOTL @TheSpinoffTV @SiouxsieW y traducido por @rusosnith

#LavateLasManos
#DistanciamientoSocial
#AplanarLaCurva

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Newton en cuarentena

Publicado en el blog de Martín Monteiro .
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Entre abril de 1665 y setiembre de 1666, Londres sufrió la Gran Peste, que acabó con la quinta parte de sus habitantes. Se trató de una epidemia de peste bubónica transmitida por pulgas que estaban en contacto con ratas contaminadas, muy similar a la Peste Negra, que a fines de la Edad Media acabó con un tercio de la población europea.
Algunas de las medidas tomadas para contener la epidemia de 1665 fueron el aislamiento y la cuarentena. La Universidad de Cambridge cerró sus puertas, incluido el Trinity College al que pertenecía Newton, lo que obligó a un joven Isaac, de 22 años, a ingresar en cuarentena, regresando a su casa materna, Woolsthorpe Manor, en el condado de Lincolnshire, Inglaterra.

Fue durante este período de cuarentena, a veces denominado Anni mirabile (años maravillosos), cuando Newton sentó las bases de varias innovaciones notables en las que ya venía trabajando desde hacía un tiempo, como el cálculo diferencial e integral, la mecánica clásica y la ley de gravitación universal.
Así lo relata el propio Isaac Newton:
“A comienzos de 1665, descubrí el método de las series aproximativas y la regla para reducir cualquier dignidad de todo binomio en dichas series. En el mes de mayo del mismo año, descubrí el método de las tangentes de Gregory & Slusius, y, en noviembre, obtenía el método de las fluxiones. En enero del año siguiente, desarrollé la teoría de los colores, y en mayo, había comenzado a trabajar en el método inverso de las fluxiones. Ese mismo año, comencé a pensar en la gravedad extendida a la órbita lunar y (habiendo descubierto cómo estimar la fuerza con la cual [un] globo, que gira dentro de una esfera, presiona la superficie de ésta) a partir de la regla de Kepler, según la cual los tiempos periódicos de los planetas guardan una proporción sesquiáltera de sus distancias con respecto al centro de sus órbitas, deduje que las fuerzas que mantienen a los planetas en sus órbitas deben [ser] recíprocas a los cuadrados de sus distancias de los centros alrededor de los cuales giran: por lo cual, comparé la fuerza necesaria para mantener la Luna en su órbita con la fuerza de gravedad en la superficie de la Tierra, y descubrí que éstas eran muy parecidas. Todo esto corresponde al periodo de 1665-1666, los años de la epidemia. Porque en aquel tiempo, me encontraba en la plenitud de mi ingenio, y las matemáticas y la filosofía me ocupaban más de lo que lo harían nunca después.”
Muchas de estas ideas sobre cálculo y mecánica que florecieron durante la cuarentena serían ampliadas en los años siguientes para constituirse en la base de su obra máxima, Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica, que fuera publicada recién en 1687, a instancias de Edmund Halley. Es probable que sin la intervención de Halley esta obra hubiera quedado sin editar hasta después de su muerte.
El “método de las fluxiones” al que Newton se refiere es nada menos que la base del cálculo infinitesimal. Fluxion es el término empleado por Newton para lo que hoy denominamos Derivada, es decir la tasa instantánea de cambio de una cierta cantidad o función. El “método inverso de las fluxiones” es el cálculo integral. Estos notables desarrollos intelectuales de Newton fueron publicados en su libro The method of fluxions and infinite series, terminado en 1671, pero publicado póstumamente recién en 1736.

Sir Isaac Newton
The method of fluxions and infinite series; with its application to the geometry of curve-lines.
London, 1736
Se puede leer aquí: https://archive.org/details/methodoffluxions00newt/page/n4/mode/2up

Sir Isaac Newton
Philosophiae Naturalis Principia Mathematica
London, 1687
Se puede leer aquí: https://archive.org/details/philosophiaenatu00newt_0/page/n9/mode/2up

Woolsthorpe Manor, la casa donde nació Isaac Newton, en el condado de Lincolnshire, Inglaterra.
Allí pasó su cuarentena durante la Gran Peste de Londres entre 1665 y 1667.

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Los libros del niño Einstein

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“¿Qué aspecto tendría la luz si estuviera ‘en reposo’ respecto a un observador?”
Albert Einstein

Los libros que inspiraron al niño Einstein, o la importancia de la buena y oportuna divulgación científica.

En 1893, con 14 años de edad, “Einstein empezó a leer libros de divulgación científica que le compraba un estudiante de medicina sin recursos económicos, Max Talmud, a quien los padres de Einstein invitaban a comer cada semana (una de las pocas costumbres judías que los Einstein ponían en práctica). El libro Kraft und Stoff (Fuerza y materia) de Ludwig Büchner y la serie Naturwissenschaftliche Volksbücher (Ciencia para el pueblo) de Aaron Bernstein fueron los principales responsables de que Einstein quisiera convertirse en científico. Estas obras contribuyeron a que, con sólo dieciséis años, tuviera una idea fascinante que acabaría desembocando, según él mismo afirmó, en su teoría especial de la relatividad. Se trataba de la idea de perseguir un haz de luz y alcanzarlo. ¿Qué aspecto tendría la luz si estuviera ‘en reposo’ respecto a un observador? Diez años después, en 1905, Einstein finalmente aceptó que una situación así era físicamente imposible y que los conceptos newtonianos de tiempo y espacio absolutos, que en principio permitirían que esto ocurriera, debían ser erróneos.”
“Resulta irónico que un efecto secundario de la lectura de los libros de ciencia comprados por Talmud fuera erradicar la creencia incipiente de Einstein en la religión judía ortodoxa. En el período inmediatamente anterior, Einstein se había vuelto de repente una persona muy religiosa. Había dejado de comer cerdo, empezó a entonar cánticos con fervor (incluso llegó a componer unos cuantos) y empezó a prepararse con un rabino para convertirse en bar mitzvah el Sabbat posterior a su decimotercer aniversario. Pero los libros de ciencia —a pesar de que no atacaban la religión como tal— le convencieron de que buena parte de lo que contaba la Biblia era falso y le hicieron ‘desconfiar de todo tipo de autoridad’, un sentimiento que le acompañaría hasta el día de su muerte.”

Andrew Robinson en Einstein, Cien años de relatividad (Editorial Blume, 2010).

Albert Einstein en 1883, a la edad de 14 años.
Aaron Bernstein
Naturwissenschaftliche Volksbücher

Ludwig Büchner
Kraft und Stoff: Empirisch-naturphilosophische Studien in allgemein-verständlicher Darstellung
Versión traducida al inglés:
Force and matter: or, Principles of the natural order of the universe. With a system of morality based thereon. A popular exposition

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