Pensamientos respecto a la ciencia y el Universo.

Hace aproximadamente un mes, recibí una invitación: participar del curso de astronomía "Acercándonos a las estrellas" dictado por la plataforma EduAbierta http://eduabierta.uchile.cl/ de la Universidad de Chile. Como astronómo, dudé en un principio del impacto o el provecho que podría obtener de mi participación. A pesar de mis dudas iniciales, decidí participar con el fin de conocer los temas que se tratarían y por la oportunidad acceder a material pedagógico que nunca está de más para una persona que gusta de la docencia. 

Los temas tratados durante el curso avanzan progresivamente en la escala del universo, pudiendo observar temas desde nuestro sistema solar hasta la evolución de las estrellas, galaxias e inclusive un acercamiento a la cosmología. En general, considero que los temas y materiales son correctos para despertar el interés de los alumnos y sin introducir leyes físicas complejas o matemática avanzada, permiten informarse y hablar con propiedad de muchos temas.

Si bien durante mi introducción he hablado mucho del curso y no dejo de invitarlos a hacerse parte de este en un futuro u otro disponible en la plataforma; el fin de esta entrada es reflexionar en torno a la actividad final de evaluación del curso.

Dado el carácter informativo de muchos temas del curso, dudaba de cómo sería dicha actividad, al término del curso. Al finalizar la última semana pude encontrarme entonces con el siguiente enunciado:

"¿Qué fenómenos astronómicos abordados durante el curso cambian nuestra manera de entender el universo, y nos obligarían a modificar nuestro comportamiento como especie humana? Refiérete a dos fenómenos, fundamenta su inclusión según los contenidos del curso, y relaciona cada uno con cambios que debiésemos adoptar en nuestra cotidianidad en la Tierra, con los debidos argumentos en cada caso. "

¿Mi primera impresión? Lo encontré fantástico! y no dejé de ver el sello social que impregna a "la Chile". Esta pequeña pregunta permite que cada alumno participante no sólo cuestione el conocimiento en sí, sino que medite en cómo influye en nuestra apreciación del mundo y qué pensamientos despiertan en cuanto a nuestro comportamiento como especie. En este contexto, quisiera dejarles algunas de mis cavilaciones al respecto, parte de mi respuesta a tal pregunta, en condensadas 500 palabras.

Ensayo: Pensamientos respecto a la ciencia y el Universo.

Sin lugar a duda, el ser humano como especie es un actor privilegiado en el Universo, capaz de observarlo, cuestionarlo y maravillarse con las infinitas posibilidades que oculta. En este sentido, podría referirse un sin número de fenómenos que nos invita a preguntarnos el sentido o nuestro papel en este escenario. En este ensayo me referiré a dos: la evolución de las estrellas y el fin del Universo. Las estrellas cambian a lo largo de su vida y cuentan con un tiempo fijo de existencia, el constante proceso de fusión de elementos llegará a su fin cuando elementos pesados como el hierro ya no sean posibles de unir sin la necesidad de energía externa. El tiempo de vida está intrínsecamente relacionado con la masa de la estrella. Nuestro Sol, como el resto de las estrellas del Universo también morirá. ¿Cuándo? En mucho más tiempo del que cualquier ser humano pueda contar, no obstante, pasará. ¿Qué ocurrirá cuando el Sol se apague? Es la pregunta que muchos se podrían hacer, más mi inquietud principal es ¿Cuál será la huella que esta especie privilegiada dejará? Si el ritmo de desarrollo tecnológico continúa avanzando con la velocidad que hoy se nos presenta, es muy probable que para ese entonces el humano haya podido salir de su hogar primigenio (la Tierra), pero acaso ¿Nos alcanzará el tiempo hasta ese día? El constante desarrollo tecnológico nos ha hecho sentir que todo puede ser desechable, inclusive nuestro hogar parece un bien de utilidad. El uso y abuso de nuestros recursos naturales es el peor enemigo que como especie tenemos al mirar al futuro. Si la humanidad no deja de mirar sus pantallas sin cuestionar su realidad y evoluciona socialmente tanto como su tecnología; su mismo hogar desaparecerá antes que pueda darse la libertad de soñar con otros mundos. En la misma línea, ¿qué pasará cuando seamos capaces de llegar a otros planetas? El Universo mismo parece tener un fin. Cada segundo e incluso ahora mientras lee estas líneas el Universo se expande de manera acelerada, haciendo que todos los objetos que existen sobre sí se alejen unos de otros. En un futuro distante, la Vía Láctea quedará absolutamente solitaria, perdida de lo que alguna vez fue el grupo local. A medida que las estrellas se apaguen, los agujeros negros se evaporen y la expansión haga menos probable la colisión de galaxias; lo que hoy conocemos como Universo desaparecerá. Por más que esto suene desalentador para las ambiciones de la vida humana, considero que muy por el contrario, conocer este oscuro futuro nos invita a reflexionar ¿Vale la pena los conflictos, crímenes, egoísmo? El Universo tendrá un fin y con ello muchas cosas pierden sentido, más como especie nuestra existencia tiene sentido y nosotros se lo damos ¿Cómo puede ser que aún cuestionemos derechos básicos, permitamos la hambruna y abusos? Como diría Carl Sagan mucho atrás “La vida es sólo un vistazo momentáneo de las maravillas de este asombroso universo”, que resulta vergonzoso que solo algunos tengamos la oportunidad de soñar.

...

Estas apreciaciones son a título propio y resultan personales ¿Qué pensamientos despierta en ti?

Entendiendo el Trabajo Astronómico: El diagrama Hertzsprung-Russell

No cabe duda que el trabajo astronómico es intenso y muchas veces hay que ingeniárselas de sobremanera para obtener resultados. Hoy quiero acercarlos un poco al conocimiento astronómico puro y en sí al trabajo de un astrónomo. Esta entrada podrá no resultar tan entretenida sobretodo por el marco teórico inicial, no obstante, si sigues leyendo hasta el final te aseguro que habrás aprendido demasiado y no te arrepentirás de haber seguido.
 

Resulta evidente que cada vez que miramos al cielo y vemos una estrella lo logramos gracias a que nos llega su luz. Dicha luz a atravesado un sin fin de cosas y viajado durante años para llegar hasta nuestros ojos. Esa luz es la única fuente de información directa y "confiable" que tenemos del cielo y justamente sólo gracias a ella podemos estudiarlas. ¿A qué quiero llegar? Un astrónomo cuando empieza a estudiar estrellas se basa siempre en la única magnitud física detectable directamente desde la estrella: su luz y por decirlo de otra manera la pregunta que se hace es: ¿qué tan brillante es? De este modo es que llegamos a definir el concepto de Magnitud, la magnitud es qué tan brillante es una estrella respecto a otra. Es una escala de tipo logarítmica por lo cual si dos estrellas se diferencian en una magnitud igual a 1 quiere decir que una de las estrellas es ¡10 veces más brillante que la otra! si la diferencia fuera un 2 quiere decir que es 100 veces, y si es 3 quiere decir que es 1000 veces y así sucesivamente. Matemáticamente existe una relación entre la magnitud y la cantidad de luz que me llega de la estrella definida por:

Donde F_v es el Flujo de luz que me llega desde la estrella y m_v su magnitud. ¡Ojo con el signo negativo! En astronomía las cosas no son ni tan ordenadas ni evidentes. Para un astrónomo mientras una estrella tenga una magnitud más negativa quiere decir que brilla aún más. Por ejemplo, una estrella de magnitud -10 brilla muchísmo más que una estrella de magnitud 20. La magnitud que acabamos de definir se conoce como magnitud aparente ya que suponemos que no todas las estrellas están a la misma distancia y aquello puede influir en el valor de la magnitud medida. El Flujo es una magnitud que contiene implicitamente la distancia d a la cual se encuentra la estrella; mediante la expresión:

Donde L_v es la Luminosidad de la estrella. Hasta ahora y si se ha fijado he puesto el índice v, ¿qué significa? pues es un índice que está denotando en qué frecuencia quiero recibir la luz. El astrónomo al tomar datos pone delante del CCD (parte del telescopio) un filtro. Este filtro tiene la propiedad de dejar pasar solamente la luz de una banda o por decirlo más simple: ¡deja pasar luz de un solo color! ¿Y para qué sirve? Pues las estrellas poseen distintas propiedades y no todas emiten la misma luz en el mismo color, debido a ello es interesante medir qué tan brillantes son en un color o en otro.

El trabajo del astrónomo en este punto consiste en responderse una pregunta ¿Qué tanto brillarían las estrellas si las pongo todas a una distancia fija? este concepto se conoce como Magnitud Absoluta y es la magnitud que tendría la estrella si estuviera a una distancia de exactamente 10 parsec, esta distancia es sencillamente una convención en Astronomía (se designa por M). Para la magnitud absoluta también son válidas las expresiones anteriores y se puede comprobar que si restamos ambas magnitudes, aparecerá la relación:

Ecuación que es conocida como el módulo de distancia y de ella queremos obtener M_v.  Ojo que es una magnitud Absoluta en una banda específico (filtro). Pues tenemos todo pero ¿de donde sacamos la distancia d? Actualmente el astrónomo cuenta con un sin fin de método directos e indirectos para medir y/o suponer la distancia a la que se encuentra una estrella (dichos métodos no serán tocados en esta entrada). Con ello es muy simple obtener la magnitud absoluta de la estrella en una banda fija. A continuación el astrónomo hace lo siguiente: Mide la magnitud aparente en una banda roja y otra azul; las resta y grafica dicha resta vs la magnitud absoluta en la banda que escoja. ¿Suena complicado? Pues tranquilos, la verdad es que es algo sumamente fácil de hacer una vez que le tomas el pulso. A continuación pongo de ejemplo datos que yo mismo he usado para que noten como trabajamos:

ID	X	Y	V	EV	I	EI
2385	-778.560	154.525	14.088	0.004	13.187	0.002
2669	-766.608	239.522	17.225	0.002	16.480	0.003
2706	-764.930	86.703	18.150	0.004	17.448	0.005
2786	-761.293	959.774	16.780	0.003	15.740	0.004
2819	-759.741	9.784	17.324	0.004	16.611	0.004
2848	-758.134	79.512	17.248	0.002	16.496	0.003
2874	-757.087	65.738	17.336	0.004	16.618	0.002
2913	-755.561	225.746	14.959	0.003	13.954	0.003
2914	-755.557	49.338	18.052	0.003	17.344	0.005
2942	-754.768	120.228	17.358	0.003	16.635	0.003

Cada fila en el archivo representa una estrella y esto solo representa una mínima parte de todos los datos que hay que estudiar. ¡Es necesario estudiar la población completa! Ustedes dirán: "es un trabajo de chinos obtener tantos datos!" pues la verdad que con el desarrollo de softwares hoy el astrónomo debe sencillamente tomar imágenes del telescopio, hacerles un tratamiento (reducciones por bias, dark y flat que son más engorrosas) y luego el software le extrae los datos que el astrónomo le pida (aunque el detectar las estrellas es algo manual y no automático). En la tabla anterior es importante entender a qué se refiera cada columna, para ello nos valemos de la descripción de la primera fila. Según esta, la primera columna es un número de identificación, la segunda la posición X (eje horizontal) dentro de los píxeles de la imagen tomada, la tercera es la posición Y (eje vertical) de los píxeles en la imagen. Las últimas cuatro filas son las que nos interesan y la cuarta y la sexta las más importantes ya que ellas representan la Magnitud aparente de la estrella en las bandas V (visual) e I (infrared), las otras filas son los errores asociados a las mediciones respectivas.

¿Para que toda esta explicación? Pues con estos datos un astrónomo puede finalmente construir el diagrama de Hertzsprung-Russell o sencillamente, un diagrama HR también conocido como diagrama Color-Magnitud. ¿Les dice algo el último nombre? Justamente es lo que queríamos graficar anteriormente. El Color se define como la diferencia de magnitudes aparentes en dos bandas distintas y la Magnitud se refiere a la magnitud abosulta en una de las dos bandas escogidas. ¡Alto! tenemos magnitudes aparentes, como les dije anteriormente con un dato extra, la distancia a la población estelar podemos pasar dicha magnitud a absoluta. Con ello y graficando cada dato se llega a un diagrama como este:
 

Arreglar diagrama

Este gráfico lo he construído yo mismo a partir de datos reales tomados en el observatorio. En él cada punto representa una estrella. Vaya que resulta bonito ahora ¿o no? El meollo de esta entrada es entender qué información me entrega un diagrama HR y como se entiende en ella la evolución de una estrella! ¿Y cómo logro esto? pues hemos llegado a darnos cuenta que existe una relación clara entre la ubicación de una estrella en el diagrama HR y sus características físicas como la temperatura, luminosidad e incluso su edad. Existe una correlación directa entre el eje de color y la temperatura de la estrella: La temperatura crece de derecha a izquierda, o sea, las estrellas de color más rojo son más frías y las estrellas azules las más calientes; de igual manera, existe una relación mucho más evidente entre la magnitud absoluta de su estrella y su luminosidad, esto lo entendemos como: estrellas de magnitud más negativa son más brillantes y las de magnitud más positiva lo son menos (creanme que para todo alumno es complicado acostumbrarse a esta forma de pensar la astronomía donde lo negativo es más y lo positivo es menos, incluso hoy a veces tiendo a confundirme jaja). Las relaciones anteriores las presento en el siguiente diagrama HR tipo.


//Agregar diagrama.

¿Les llama algo la atención? En ambos diagramas presentados existe una línea principal diagonal que se repite. Pues esta línea se ha denominado "Secuencia Principal" o MS (Main Sequence en inglés), esta línea representa la etapa de vida de una estrella que en su núcleo "quema" (fusiona) Hidrógeno. Luego, toda estrella que se encuentra dentro de esta línea está quemando hidrógeno ¡Ya estamos aprendiendo a interpretar el diagrama! 

Según la relación que definimos anteriormente serían las estrellas azules (calientes) de alta luminosidad y rojas (frías) de baja luminosidad, o sea todas las estrellas al formarse habitan la Secuencia Principal y a medida que envejecen van moviéndose a través de ella ¿de qué manera se mueven? pues eso es lo que le interesa saber al astrónomo.
En general las estrellas tienen una relación directa entre su masa y su tiempo de vida, en principio, esto es un tema muy importante pero para efectos de esta entrada basta con saber que las estrellas de gran masa son las más luminosas y cuando son jóvenes son de color azul y que viven menos que las estrellas rojas de baja masa y poco luminosas. El por qué de esto se discutirá a fondo en entradas futuras.

//Por terminar