COMO ES ARRIBA ES ABAJO
Analogías entre átomos y sistemas estelares
Primera Parte
Por Andrea Macchiarini
Comparación de analogías visuales a través de imágenes reales entre un átomo y un sistema estelar. A la izquierda, la primera "fotografía" tomada en 2013 con un microscopio electrónico de un átomo de hidrógeno real, a la derecha, el sistema estelar Fomalhaut fotografiado en 2023 por el flamante telescopio espacial James Webb (créditos: Stodolna et al. / Physical Review Letters , NASA, ESA, CSA, A. Gáspár, A. Pagan).
Según información recogida en numerosos textos medievales y renacentistas, también citados y relatados por ilustres hombres de ciencia como Isaac Newton, el grabado de la "tableta de esmeralda" fue atribuido a Hermes Trismegisto. Este antiguo texto, que ha llegado hasta nuestros días, comienza así:
"Es verdad sin mentir, cierta y más verdadera. Lo de abajo es como lo de arriba, y lo de arriba es como lo de abajo para obrar el milagro de una sola cosa".
Hoy que hemos superado el umbral de los primeros veinte años del tercer milenio, a partir de los últimos descubrimientos técnicos y tecnológicos veremos las evidencias que sustentan y avalan las famosas palabras "como es arriba, es abajo": la similitud entre lo macroscópico dimensión y lo microscópico.
El objetivo será resaltar analogías, relaciones de similitud, igualdad de relaciones, igualdad en proporciones y comportamientos. Usando palabras simples, se resaltará la relación que capta la mente entre dos o más cosas que tienen, en su constitución, su comportamiento o sus procesos, algún rasgo en común.
La primera "fotografía" de un átomo de hidrógeno
Hace más de diez años, un grupo de científicos e investigadores pertenecientes al Instituto FOM de Física Atómica y Molecular (AMOLF) de Holanda lograron capturar la primera fotografía de las órbitas en las que el electrón "transita" dentro de un átomo de hidrógeno. , gracias a una nueva técnica de microscopía única.
Ver el interior de los bloques de construcción más pequeños que componen la materia es un gran desafío, no sólo por la escala infinitesimal del tamaño atómico: cosas extremadamente pequeñas operan de maneras extremadamente particulares. Una rama de la ciencia llamada física cuántica se ocupa del estudio de esto.
Desde el nacimiento de esta disciplina, alrededor de 1920, se descubrió inmediatamente que el simple hecho de observar partículas tan diminutas puede influir en su propia existencia: concepto conocido como principio de incertidumbre.
Para sortear este límite impuesto por el comportamiento de las partículas que componen la materia, a lo largo de décadas los científicos han formulado hipótesis de comportamiento, seguidas de intentos experimentales de confirmarlas: de este proceso han surgido ecuaciones matemáticas complejas que se aproximan a predecir dónde y cuando los electrones giran en su órbita alrededor del núcleo de protones de un átomo.
Tras el experimento del que hablamos, cuyos resultados se publicaron en la revista Physical Review Letters, esto cambió. Gracias a un "microscopio cuántico" recientemente desarrollado, inventado por Aneta Stodolna, investigadora principal del grupo que logró esta empresa, fue posible fotografiar la función de onda de un átomo de hidrógeno. El hidrógeno es especialmente adecuado para esta nueva técnica fotográfica porque es esencialmente el átomo más simple: según la física clásica su núcleo está formado por un único protón y normalmente tiene un único electrón orbitando a su alrededor. En función de la cantidad de energía que posee el átomo de hidrógeno examinado, el electrón se mueve de un orbital atómico a otro: en palabras simples, un orbital atómico es un área del espacio alrededor del núcleo del átomo en la que hay una alta probabilidad. de encontrar el electrón.
Para entender qué se entiende por "cantidad de energía que posee" un átomo, podemos hacer una comparación con el agua que todos conocemos (y de la que está compuesto nuestro cuerpo físico):
- un vaso de agua con poca energía aparece en forma de hielo;
- un vaso de agua con mayor cantidad de energía que se posee viene en forma líquida;
- un vaso de agua con mucha energía parecería vacío, porque el agua se ha convertido en vapor.
No está mal que los seres humanos concibamos y comparemos la cantidad de energía que posee la materia con lo que conocemos como calor. O mejor dicho, el calor que percibimos es efecto de la energía que posee la materia. De manera similar, volviendo a hablar del átomo de hidrógeno:
- un átomo de hidrógeno con poca energía tiene su electrón orbitando en zonas más cercanas al núcleo;
- un átomo de hidrógeno con mayor energía tiene su electrón orbitando en zonas más alejadas del núcleo;
Toda esta explicación es necesaria para entender la imagen que veremos más adelante.
Volviendo al experimento, el científico Stodolna golpeó el átomo con pulsos láser, lo que obligó al electrón a escapar del átomo de hidrógeno por trayectorias directas e indirectas; el electrón en esta fase se dice que está ionizado, dado que adquiere carga negativa y ya no forma parte del átomo (también se ioniza convirtiéndose en un solo protón con carga positiva). Al registrar la diferencia entre estas trayectorias fue posible crear un patrón de interferencia, que Stodolna amplió con una lente electrostática. De esta forma se logró crear la primera fotografía de este tipo, en la que los diferentes colores del más frío al más caliente simplemente indican la diferente presencia del electrón en función de las mediciones: azul/verde menos detección, amarillo/rojo mayor detección. .
Algunas de las últimas imágenes detalladas de estrellas tomadas por telescopios espaciales.
El sistema estelar de Fomalhaut
A principios de 2023, los astrónomos utilizaron el telescopio espacial James Webb de la NASA para fotografiar polvo caliente alrededor de una estrella joven cercana, Fomalhaut, para estudiar el primer cinturón de asteroides jamás visto fuera de nuestro sistema solar en luz infrarroja. Recuerda que la luz infrarroja es exactamente lo que nuestra piel percibe como calor.
Para su sorpresa, las estructuras de polvo espacial vistas en esta estrella son mucho más complejas que las del cinturón de asteroides principal y el cinturón de Kuiper pertenecientes a nuestro Sistema Solar. En total, hay tres cinturones anidados alrededor de Fomalhaut que se extienden a unos 23 mil millones de kilómetros de la estrella; Esto es aproximadamente 150 veces la distancia de la Tierra al Sol. Los cinturones de polvo del espacio interior, que nunca antes se habían visto, fueron revelados por Webb por primera vez.
Fomalhaut es una estrella brillante a unos 25 años luz de nosotros y puede verse fácilmente a simple vista como la estrella más brillante de la constelación austral de Piscis Australis. Se supone que los cinturones de polvo descubiertos están compuestos de escombros producidos por colisiones de cuerpos más grandes, análogos a los asteroides y cometas, y a menudo se describen como "discos de escombros".
"Yo describiría a Fomalhaut como el ejemplo perfecto de discos de escombros encontrados en otras partes de nuestra galaxia, porque tiene componentes similares a los que tenemos en nuestro sistema planetario", dijo András Gáspár de la Universidad de Arizona en Tucson. "Al observar los patrones en estos anillos, podemos comenzar a tener una idea aproximada de cómo sería un sistema planetario, si realmente pudiéramos tomar una fotografía lo suficientemente profunda como para ver los planetas sospechosos que orbitan alrededor de la estrella".
Lo más probable es que estos cinturones de polvo y desechos espaciales estén formados por fuerzas gravitacionales producidas por planetas que no vemos actualmente. De manera similar, dentro de nuestro Sistema Solar, el planeta Júpiter a través de su poderoso campo gravitacional impone el límite exterior del cinturón de asteroides principal y el campo gravitacional del planeta Neptuno influye en el borde interior del cinturón de Kuiper. El borde exterior de este podría verse influenciado por cuerpos situados más allá, que todavía son invisibles para nosotros.
El disco protoplanetario que rodea la estrella HL Tauri
HL Tauri es el nombre asignado por los astrónomos a una joven perteneciente a la constelación de Tauro, a unos 450 años luz de nosotros. Esta imagen publicada el 6 de noviembre de 2014 por el observatorio astronómico A.L.M.A. (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) muestra detalles extraordinariamente delicados y nunca antes vistos en el disco protoplanetario de una estrella joven. Estas son las primeras observaciones realizadas por ALMA en su configuración casi final y las fotografías más nítidas jamás tomadas en longitudes de onda submilimétricas. Los nuevos resultados representan un gran paso adelante en la observación del desarrollo de los discos que conducen a la formación de planetas y en el estudio de cómo se forman realmente los planetas.
Para este tipo de observaciones, los investigadores apuntaron las antenas hacia la estrella HL Tauri, una estrella joven a unos 450 años luz de nosotros, rodeada por un disco de polvo espacial. La imagen resultante supera todas las expectativas y revela detalles inesperadamente minúsculos en el disco de materia que quedó después del nacimiento de la estrella: muestra una serie de anillos concéntricos brillantes separados por discontinuidades.
"Es casi seguro que estas características son el resultado de la presencia de cuerpos planetarios jóvenes que se están formando en el disco. Esto es sorprendente porque no se esperaba que estas estrellas jóvenes tuvieran una gran cantidad de cuerpos planetarios capaces de producir las estructuras que vemos en esta imagen", comenta Stuartt Corder, subdirector de ALMA.
"Cuando vimos esta fotografía por primera vez nos sorprendió el excepcional nivel de detalle. HL Tauri no tiene más de un millón de años, pero el disco parece estar lleno de planetas en formación. Esta imagen por sí sola revolucionará las teorías sobre la formación de planetas", explica Catherine Vlahakis, científica adjunta del proyecto ALMA y líder científica de la campaña "ALMA Long Baseline".
El disco HL Tauri está mucho más desarrollado de lo que cabría esperar dada la antigüedad del sistema. Así, la imagen de ALMA sugiere que el proceso de formación de planetas es más rápido de lo que se pensaba anteriormente.
La imagen del sistema de basura espacial descubierto alrededor de la estrella Vega
El 31 de octubre de 2024 se descubrió que incluso la brillante estrella Vega, situada a unos 25 años luz de nosotros y perteneciente a la constelación de Lira, está realmente rodeada por su disco de polvo espacial. El sistema de escombros es notablemente simétrico y suave, y está centrado con precisión en la estrella. Existe un gran anillo análogo al cinturón de Kuiper de nuestro Sistema Solar a unas 80-170 unidades astronómicas de distancia, que coincide con el cinturón planetesimal detectado por ALMA.
El interior de la banda ancha está lleno de desechos calientes que brillan con mayor eficacia en la longitud de onda del infrarrojo medio.
Los astrónomos-investigadores han descubierto que cualquier planeta que transite por el borde interior del cinturón exterior probablemente tenga una masa inferior a 6 masas terrestres.
El perfil de brillo de la superficie del disco junto con la fotometría infrarroja disponible sugiere un tamaño del borde interior del disco cercano a 3-5 unidades astronómicas. La brecha entre la zona caliente más cercana a la estrella y el borde interior de los escombros calientes podría ser causada por un planeta de masa modesta, aproximadamente del tamaño de Neptuno.
Estos tres sistemas estelares anteriores son sólo un ejemplo. Hasta la fecha conocemos unas ochenta estrellas alrededor de las cuales hay discos circunestelares de escombros descubiertos, detectados y fotografiados. También se ha descubierto que cientos de estrellas más tienen un disco circunestelar de desechos más pequeños. Y estos datos crecen y se actualizan constantemente: cuanto más pasa el tiempo, más aumenta su número.
El límite lo impone únicamente nuestra capacidad de observar desde lejos los detalles del espacio presentes en las inmediaciones de las estrellas de nuestra galaxia.
Los invito a consultar esta página en el sitio web en.wikipedia.org donde hay una lista simple de sistemas estelares alrededor de los cuales hay un disco de polvo. La peculiaridad de esta lista es que junto al nombre de cada estrella se asocia una fotografía real de su sistema descubierto de polvo y escombros.
En el próximo artículo se abordarán las analogías existentes entre el átomo de hidrógeno y los sistemas estelares existentes en nuestra galaxia: veremos cómo las evidencias obtenidas en los años contemporáneos y divulgadas a través de publicaciones científicas han sido ampliamente anticipadas por los escritos divulgados por el famoso contactado. y el contactado siciliano Eugenio Siragusa.
Andrea Macchiarini