Pluges d'estels

Segur que durant les nits d’estiu no heu pogut evitar aixecar la vista al cel i us heu meravellat amb una Lluna plena impressionant o amb l’increïble espectacle de més estrelles molt brillants que durant la resta de l’any sobre la bòveda celest. Ara bé, se’ns dubte l’espectacle celestial més impressionant de totes les nits d’estiu (deixant de banda els castells de focs artificials de les festes majors d’arreu de Catalunya) són les pluges d’estels. Ara bé, què són?

La resposta la trobem en els cometes, visitants de les fronteres del nostre Sistema Solar i més enllà.

Els cometes són petits aglomerats de gel de diversa composició (aigua, monòxid de carboni, diòxid de carboni, metanol, etc.) barrejats amb pols de metalls i silicats, amb una grandària d’unes desenes de quilòmetres.

Els cometes es mouen en òrbites molt excèntriques al voltant del Sol, amb períodes (un període és el temps en que el cometa torna a passar per el mateix punt de la seva òrbita) que poden anar des d’uns quants anys fins a uns milers d’anys. Alguns presenten òrbites hiperbòliques i, per tant, només passen una vegada per el periheli.

Els gels del nucli del cometa (mesclats amb impureses com el metà i l’amoníac) quan són a gran distància del Sol es troben inerts. Sotmesos a les baixes temperatures del Sistema Solar exterior, els gels es mantenen sense transformació. Ara bé, en aproximar – se al Sol, els gels comencen a vaporitzar – se, arrossegant partícules de pols amb els gasos resultants. Es forma, aleshores, una dèbil atmosfera al voltant del nucli del cometa que rep el nom de cua, cabellera o coma segons el lloc de Catalunya on ens trobem.

A causa de la seva petita massa, el nucli és incapaç de retenir aquesta atmosfera que es dispersa en l’espai interplanetari.

L’acció del Sol sobre aquesta atmosfera acaba determinant la formació de dues cues: la cua de pols i la cua iònica.

La cua de pols és formada per grans de pols arrossegats per la sublimació dels gels que són accelerats pels impactes amb els fotons de la radiació solar. Presenta un color groguenc, causat pel reflex de la llum solar sobre aquests grans. L’acció del Sol fa que l’aspecte d’aquesta cua sigui molt corbat.

La cua iònica és formada per ions que procedeixen de la dissociació de les molècules de l’atmosfera cometària, causada per la radiació ultraviolada solar. En ser partícules carregades, són arrossegades pel camp magnètic solar, que condueix el vent solar, en direcció oposada al Sol.

Totes aquestes partícules es van quedant enrere, flotant per l’espai interplanetari de l’interior del Sistema Solar. En alguns casos aquestes partícules es queden per una zona que forma part de la òrbita de la Terra al voltant del Sol. És en el moment en el que la Terra passa per aquesta zona que les partícules de pols interaccionen amb la atmosfera del nostre planeta i podem gaudir de l’espectacle de la pluja d’estels; visible tot l’any, però d’un especial atractiu les nits d’estiu.

Classificació de les Galàxies

Des de 1845 fins als primers anys de la dècada dels anys vint del segle XX hi havia una important disputa entre els astrònoms: les nebuloses són objectes que pertanyen a la nostra Galàxia o es tracta d’altres “Universos Illa” o galàxies?

L’any 1924, l’astrònom americà Edwin Hubble tancà aquesta disputa en mesurar la distància a la nebulosa M31, que avui dia coneixem amb el nom de galàxia M31 o galàxia d’Andromeda.

Dos anys més tard, el 1926, Hubble proposà una classificació de les galàxies en funció de la seva morfologia, en tres tipus diferents: el·líptiques, espirals i irregulars.

Galàxies el·líptiques

Les galàxies el·líptiques tenen forma esferoïdal o d’el·lipsoide. La distribució de la llum que emeten és força uniforme. Es classifiquen amb la notació E_n depenent de la excentricitat que presentin. Així doncs tenim galàxies: E₀, E₃ i E₇.

Les estrelles pertanyents a aquest tipus de galàxies segueixen trajectòries aleatòries.

Galàxies espirals

Les galàxies espirals són formades per una prominència central anomenada bulb i un disc aplanat d’estrelles, gas i pols, que presenta unes línies espirals arquejades anomenades braços espirals. En alguns casos es presenta disc, però no braços, és el cas de les galàxies lenticulars, també anomenades galàxies espirals S₀.

La resta de galàxies espirals es presenten en dos tipus diferents:

• Espirals normals: les classifiquem com a Sa, Sb i Sc.
• Espirals barrades: presenten una barra sobre el disc que travessa el bulb de la qual neixen els braços espirals. Es classifiquen segons el criteri: SBa, SBb i SBc.

Galàxies irregulars

Les galàxies irregulars no presenten cap tipus de forma espiral ni simetria.

Queden dividies en dos subgrups:

• Irr I: estan constituïdes, fonamentalment, per una mescla d’hidrogen ionitzat i electrons.
• Irr II: tenen major quantitat de pols que les Irr I i tenen formes irregulars a causa de col·lisions amb altres galàxies.

Apart d’aquesta classificació introduïda per Edwin Hubble, avui en dia es coneixen altres objectes celestes que anomenem galàxies actives o galàxies de nucli actiu (AGN, sigles en anglès). Aquests objectes es van descobrir a la dècada dels anys seixanta del segle XX i s’observen, majoritàriament, en longitud d’ona de ràdio, tot i que també emeten un xic en el visible. Són, depenent de la orientació amb la qual els observem, els quàsars i els blàzars. Que no són més que el mateix tipus d’objecte observat de formes diferents.

Com es forma una aurora polar?

La aurora polar és un curiós fenomen atmosfèric que pot observar – se als pols del nostre planeta, tot i que a vegades podem observar – la en altres regions del planeta durant curts períodes de temps. Al pol nord es coneix com aurora boral mentre que al pol sud es coneix com aurora austral.

La aurora es produeix quan una ejecció de massa solar xoca amb la regió de la magnetosfera terrestre corresponent als pols del planeta.

El Sol produeix uns fenòmens eruptius coneguts com a tempestes solars que expulsen radiació electromagnètica i partícules carregades a l’espai.

La radiació i les partícules carregades elèctricament es dirigeixen a gran velocitat cap a la Terra. Al arribar a prop de la magnetosfera terrestre, el vent solar, comprimeix el camp magnètic de la Terra.

Durant aquesta compressió es genera una gran quantitat d’energia que impulsa als electrons (partícules carregades) cap a l’atmosfera, al llarg de les anomenades línies de camp.

Al entrar en contacte amb l’atmosfera, els electrons exciten els gasos atmosfèrics del nostre planeta i aquests emeten llum i color. Acaba de néixer una aurora!

Les proves experimentals del Big Bang

“Equipat amb els seus cinc sentits, l'home explora l'Univers que l'envolta i a aquesta aventura l'anomena Ciència".

Edwin Hubble, astrònom

Tota teoria científica es construeix a partir d’un entramat de conceptes, models i observacions, capaços d’explicar adequadament els fenòmens estudiats.

La teoria del Big Bang és la millor aproximació científica per a explicar l’origen de l’Univers: va néixer a partir d’una gran explosió.

El fonament matemàtic d’aquesta teoria el constitueix la teoria de la relativitat general desenvolupada per el físic Albert Einstein a principis del segle XX. Ara bé, com ja s’ha dit, tota teoria científica s’ha de reforçar amb observacions de la natura per a considerar – se vàlida, en el cas del Big Bang tenim tres punts de verificació experimental:

1. L’expansió de l’Univers
2. Les proporcions (relatives) dels elements primordials
3. La radiació del fons de microones

L'expansió de l’Univers

L’any 1916, Albert Einstein, va fer els primers passos fonamentals cap a la teoria del Big Bang amb el desenvolupament de la teoria de la relativitat general i la construcció d’un model (primerament estàtic) de l’Univers.

Darrera d’Einstein, l’any 1922, el matemàtic i meteoròleg rus Alexander Friedmann va proposar un model d’Univers en expansió, basant – se en que l’Univers aparenta ser el mateix des de qualsevol punt d’observació.

L’any 1929 l’astrònom nord – americà Edwin Hubble, a partir dels treballs d’Henrietta Leavitt, i de les observacions del fenomen astronòmic conegut amb el nom de desplaçament cap al roig comparades amb el conegut Efecte Doppler, va constatar que les galàxies s’allunyen les unes de les altres a una velocitat proporcional a la distància que les separa. Aquest fet es coneix avui dia com la Llei de Hubble i va ser la explicació d’un model d’Univers en expansió verificat experimentalment.

Els elements primordials

L’any 1948, l’estudiant de doctorat Ralph Alpher, conjuntament amb el seu tutor George Gamow, va proposar una imatge d’un Univers calent inicial. Aquest model permetia explicar, a partir de la teoria del Big Bang, l’aparició d’elements lleugers (com ara l’hidrogen i l’heli) com a conseqüència de processos entre electrons, protons i neutrons. Podent predir quines havien estat les proporcions inicials per a poder explicar la seva abundància en un Univers primordial.

L’any 1965 el físic Jim Peebles va fer un càlcul aproximat que concordava satisfactòriament amb els valors experimentals.

Poc desprès dels càlculs de Peebles, Ralph Alpher i Robert Herman van predir que la radiació provinent d’aquestes primeres etapes de l’Univers hauria de ser present encara en forma de radiació de fons amb un valor de pocs graus per sobre del zero absolut (0 graus Kelvin), corresponent a – 273,15ºC.

La radiació de fons de microones

La teoria prediu que hauríem de ser capaços de detectar la radiació provinent dels instants inicials de la formació de l’Univers en forma de radiació de microones (tal i com van predir Alpher i Herman).

L’any 1965, els físics nord – americans Arno Penzias i Robert Wilson, que treballaven per a la Bell Telephone, van provar el funcionament d’un detector de microones extremament sensible. El que van enregistrar va ser una proporció molt més gran de soroll de la esperada que, a més, provenia de totes les direccions i era constant.

Aquesta radiació equivalia a una temperatura de – 270ºC, exactament la predita amb la teoria del Big Bang tenint en compte el fet de la expansió de l’Univers i del temps transcorregut des de l’instant inicial fins al dia de l’observació de Penzias i Wilson.

Penzias i Wilson van rebre el premi Nobel de Física l’any 1979 per el seu gran descobriment, decisiu en l’acceptació de la teoria del Big Bang.

Per saber – ne més:

• Sobre Edwin Hubble: http://www.visionjournal.es/visionmedia/article.aspx?id=3722&rdr=true&LangType=1034
• Sobre Henrietta Leavitt: http://cienciacarrer.blogspot.com.es/2012/08/henrietta-leavitt.html
• Sobre la Teoria del Big Bang: Llibre: Historia del Tiempo, del Big Bang a los agujeros negros. Autor: Stephen W. Hawking. Editorial: Alianza Editorial.

Henrietta Leavitt

“Equipat amb els seus cinc sentits, l'home explora l'Univers que l'envolta i a aquesta aventura l'anomena Ciència".

Edwin Hubble, astrònom

Henrietta Swan Leavitt (1868 – 1921) va ser una astrònoma americana que va descobrir que la lluentor de les estrelles depenia de la intensitat de la llum i de la distància. A partir dels seus estudis es van poder determinar les distàncies d’objectes molt llunyans, com ara, les galàxies.

Nascuda a Lancaster (Massachusets) va realitzar els seus estudis al Radcliffe College a la edat de 24 anys. Un anys més tard va entrar a treballar com a treballadora voluntària, de calculadora, a l’Observatori del Harvard College.

Treballava per a l’astrònom Edward Charles Pickering com tantes altres dones feien a l’Observatori del Harvard College.

Va haver de treballar de calculadora perquè, l’any 1892, l’Astronomia encara era considerada una ciència d’homes, i se li pagava el que vindrien a ser uns vuit euros la hora.

No obstant aquesta dificultat Henrietta va realitzar grans descobriments en Astronomia. Duent a terme l’estudi de les plaques fotogràfiques que analitzava (ja que aquesta era part de la feina de les “calculadores”) va observar cert patró repetit en el comportament de les Cefeides (unes estrelles variables).

L’any 1912 va publicar un article titulat Períodes de 25 estrelles variables en el petit núvol de Magallanes on s’explicava que, segons les dades que havia estudiat, les estrelles del Núvol de Magallanes emetien una llum intermitent i tenien major lluminositat quan més gran era el seu període, la qual cosa semblava succeir d’una manera força predictible.

A partir d’aquest article es va poder calcular la distància entre les Cefeides: existia, per fi, una manera força precisa de mesurar la distància entre estrelles molt llunyanes.

L’astrònom Edwin Hubble va utilitzar el treball de Leavitt per als seus estudis i poder afirmar l’any 1924 que l’Univers no estava format només per la nostra galàxia, la Via Làctia, sinó per moltes galàxies molt llunyanes. A partir d’aquest fet, es va poder treballar en l’estudi de la mida de l’Univers i en el de l’expansió d’aquest.

Va morir de càncer l’any 1921, als 53 anys. Desprès de la seva mort, el matemàtic Gösta Mittag – Leffler va proposar – la per al Premi Nobel, però no se li va atorgar perquè el Premi Nobel només es concedeix en vida.

Per saber – ne més:

• Llibre: Una breu història de gairebé tot. Autor: Bill Bryson. Editorial: RBA
• Llibre: Antes de Hubble, Miss Leavitt. Autor: George Johnson. Editorial: ???
• Pàgina web (en anglès) sobre dones que s’han dedicat a l’Astronomia: http://www.womanastronomer.com/hleavitt.htm

Raigs còsmics: la pluja de neutrins

“A curt termini no tinc proposat aturar-me. Vull entendre l’Univers i respondre les grans preguntes. Això és el que em fa seguir endavant”.

Stephen W. Hawking

Estimat/ada lector/a, mentre llegeixes aquestes paraules, milions de partícules estan creuen els teus ulls, les mans amb les que sostens aquesta revista, el teu cos. Aquestes partícules venen de les galàxies més llunyanes, de la nit dels temps. Són els raigs còsmics.

Quan acabis de llegir aquesta frase, el nostre Sol haurà emès més neutrins (una partícula elemental) que la suma de tots els grans de sorra de totes les platges i deserts del nostre petit planeta. Mentre segueixis llegint, aquesta quantitat superarà el nombre d’àtoms que composen tots els organismes humans vius del moment (i dels que ara mateix estan veient la llum!!).

Has de saber que, als teus ulls, no només entren els fotons (les partícules que formen la llum) que et permeten llegir aquestes línies. Una increïble pluja de partícules els travessa i, també, a la resta del teu organisme i a tot el planeta Terra.

Aquesta constant pluja microscòpica esta formada per una gran varietat de partícules (un zoològic de partícules, millor dit!!) de noms tant exòtics com ara neutrins, muons, pions, etc.

No obstant això, dins d’aquest ampli i “particular” (perdó per el joc de paraules) ventall, les partícules més importants i significatives per a l’estudi científic són els neutrins.

Aquestes estranyes i “fantasmagòriques” partícules han portat de cap als físics de partícules des de que es va intuir la seva existència a principis del segle XX de la mà del físic Wolfang Pauli (foren Frederick Reines –premi Nobel de física l’any 1995 –i el seu col·lega Clyde Cowan els qui varen observar aquestes estranyes partícules), el seu origen encara ens és parcialment desconegut, són guardianes dels grans secrets de l’origen del nostre Univers i de la situació actual d’aquest.

D’on venen aquestes curioses partícules sense càrrega? 

Doncs provenen de l’interior de les estrelles, són producte de les reaccions que es donen a l’interior d’aquestes, com també succeeix amb la reacció d’anihilació d’un electró amb la seva antipartícula, el positró (el contacte/anihilació d’un electró i un positró produeix dos fotons), d’aquí prové una de les explicacions sobre la llum que generen les estrelles.

Aquestes partícules viatgen des de les profunditats de l’espai fins a nosaltres, sent portadors i testimonis dels successos més violents de l’univers, com ara la mort d’una estrella.

Capturar aquestes partícules “trapelles” pot ajudar a revelar-nos els majors secrets de l’Univers, és per això que als físics els hi resulten tan interessants.

En general, els neutrins no interactuen amb gairebé res (tenen una massa molt petita – es necessiten aproximadament uns 100.000 neutrins per a igualar la massa d’un electró –i no tenen càrrega elèctrica, fet que fa que sigui impossible detectar-los amb aparells i instruments convencionals sensibles al camp electromagnètic). Creuen impertorbables les grans distàncies de l’Univers com si no hi hagués matèria en tot aquest tram, i arriben a la Terra, on prossegueixen amb el seu ancestral viatge.

 

La part positiva de tot això és que, tot i que estem contínuament submergits en un “mar” de neutrins, són totalment innocus, amb prou feines interactuen amb el nostre cos.

Ara bé, només ens arriben neutrins a la Terra? No! Tal i com ja he dit abans, hi ha un ventall immens de partícules “plovent” sobre els nostres caps. El 98% de les partícules que arriben a l’atmosfera terrestre, la travessen, creuen l’escorça terrestre i prossegueixen el seu viatge còsmic, són protons i partícules alfa (àtoms d’Heli) d’alta energia.

Partícules primàries

Al conjunt de protons i de partícules alfa, se’l coneix amb el nom de “partícules primàries”. 

Aquestes partícules primàries, al arribar a la nostra atmosfera, interaccionen amb ella i amb el camp magnètic de la Terra.

Aquesta interacció produeix les anomenades “partícules secundàries”, les quals, a diferencia dels seus germans (els neutrins), podem observar.

A nivell del mar s’observa (en xifres aproximades): un 72% de muons, un 15% de fotons i un 9% de neutrons (que no són pas com els neutrins anteriorment esmentats).

Què ens diuen?

L’observació de totes aquestes partícules ens ajuda a entendre i comprendre la constitució bàsica de l’Univers a un nivell, diguem-ne, més “íntim”.

La investigació en cosmologia i en física de partícules ens aporta una quantitat de coneixement sorprenent sobre el nostre Univers i, alhora, ens suposa l’obertura a més i més noves incògnites en la comprensió de la fuga còsmica.

Malauradament, tot i que se n’estiguin produint de nous contínuament, molts neutrins són antiquíssims (alguns estaven a primera fila observant els esdeveniments del Big Bang!!) i resulta una autèntica llàstima no ésser capaços d’estudiar-los com és degut, ja que ens aportarien una informació d’incalculable valor per al coneixement humà sobre l’Univers; òbviament, tal i com va dir el físic Stuart Clark: “Alguns astrònoms fingeixen tenir totes les respostes, però no les tenim, i el públic aprecia la nostra honestedat. A la ciència li queden moltes coses per a descobrir i un gran camí a recórrer”.

Tal i com va dir Albert Einstein: “Aquestes observacions i noves teories em semblen molt interessants i prometedores. Tot i així em temo que no responen a la més antiga”. A la humanitat ens queda un llarg camí per recórrer en la nostre comprensió d’un indret tant immens com és el nostre Cosmos.

Per saber – ne més:

• Article del número 101 (Juny de 2011) de Ciència i Societat de la revista: l’Ametlla d’Arenys. Autor: Tony Marzoa Domínguez.

• Articles de la web Materia:

http://esmateria.com/?s=neutrinos&submit.x=0&submit.y=0