Combustible, microorganismos, y el final de Cassini

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Después de casi 20 años en el espacio y de 13 desde que se insertara en órbita alrededor de Saturno, la sonda Cassini verá su final programado el 15 de septiembre de este año mediante la colisión intencionada de la nave con el planeta si no perece antes en el transcurso de alguno de los vuelos que efectuará hasta entonces entre el planeta y sus anillos.

Algunas personas me han preguntado por qué se ha puesto una fecha específica al final de la misión de Cassini mediante su destrucción contra Saturno, ¿por qué no operarla hasta que se extinga su combustible y dejar que vague a partir de ahí en el entorno del planeta? 

La contestación está relacionada con el hecho de no desear que Cassini, una vez agotado su combustible, permanezca abandonada a su suerte en el entorno de Saturno. Sin capacidad para corregir su órbita o su trayectoria en el espacio, ésta se deterioraría de forma impredecible con el tiempo y Cassini podría acabar colisionando con alguna de las lunas del planeta, como Titán o Encélado, mundos de interés para el estudio de la química prebiótica, de la formación de condiciones que podrían considerarse favorables para la subsistencia de algunas formas de vida o que, en el caso de Encélado, ha sido incluso considerado por algunos como candidato a albergarla.  

La razón por la que se desea evitar la posibilidad de una colisión con estas lunas de Saturno tiene que ver con los microorganismos que la nave transporta con seguridad a bordo y con el deseo de evitar la remota posibilidad de contaminar estos mundos con ellos, algo que, más allá de poder alterar su entorno natural, también podría resultar, si bien con pequeñísima probabilidad, en que futuras misiones que los visitasen para su estudio se encontraran con formas de vida o procesos con origen en formas de vida transportadas allí desde la Tierra con anterioridad.

Han sido varios los experimentos llevados a cabo hasta la fecha que han revelado que ciertas variedades de microorganismos pueden sobrevivir a exposiciones relativamente prolongadas a las hostiles condiciones del espacio exterior. Por lo general, la alta dosis de radiación ultravioleta es la principal causa de mortandad para los microorganismos en el espacio; sin embargo, estos pueden viajar en lugares en el interior de las naves que no estén expuestos a la radiación, se podrían ver protegidos por capas más exteriores de microorganismos, y podrían incluso habitar en lugares donde podrían experimentar cierta protección ante las altas temperaturas que sufriría la nave en una hipotética entrada no planeada en un mundo con atmósfera.

Diversos tipos de microorganismos han sido expuestos al medio espacial en este dispositivo, el EuTEF, de la Agencia Espacial Europea en la Estación Espacial Internacional. Fuente: DLR, Institute of Aerospace Medicine/Dr. Gerda Horneck.

Para evitar la contaminación de otros cuerpos del Sistema Solar con microorganismos de origen terrestre (así como para evitar la contaminación terrestre con hipotéticas formas de vida en muestras que fueran traídas a nuestro planeta en futuras misiones), las agencias espaciales aplican, con mayor o menor grado de adhesión, las directivas llamadas de 'protección planetaria', consensuadas y propuestas por COSPAR, el Comité de Investigación Espacial dentro del Consejo Internacional para la Ciencia.

Las medidas de protección planetaria estipuladas se establecen de acuerdo a cinco categorías dentro de las que se puede clasificar una nave espacial en función del tipo de misión y del cuerpo celeste que visite. En este sentido, una misión en la que una nave tuviera como objetivo aterrizar en Marte estaría sujeta a estrictas medidas de protección que serán innecesarias en una misión en la que una nave tuviera como objetivo sobrevolar la luna Io, por ejemplo.

Un aterrizador para Marte debe cumplir requisitos por los que la población de microorganismos que porte no debe superar un cierto número que puede ser de 300 por metro cuadrado (para comparar, pensemos que los microorganismos en la Tierra se pueden encontrar por miles de millones en superficies pequeñas e incluso limpias). Esto implica someter a la nave y a sus instrumentos a procesos de esterilización que pueden ser bastante complejos ya que distintos componentes de la nave no pueden tolerar cualquier medida de esterilización.

Cassini es una nave de categoría II dentro de las directivas de protección planetaria, categoría en la que se encuadran, entre otras, naves de sobrevuelo de mundos donde hay un interés significativo relativo a los procesos de evolución química y al origen de la vida pero para los que existe una probabilidad muy remota de que contaminantes transportados a bordo puedan afectar a futuras misiones de exploración. De acuerdo a esta categoría, Cassini no precisó ser esterilizada aunque sí precisó cumplir requisitos de documentación por los que se especificaba cuál sería la estrategia a seguir para evitar la colisión con mundos de interés como Encélado.

Por otra parte, es imposible saber con absoluta certeza cuál es la cantidad de combustible que va quedando en los sistemas de propulsión a bordo, encargados de cambiar la orientación de la nave en el espacio así como de conseguir los cambios de velocidad que precisa para alterar su trayectoria. Conocer con precisión cuál es la cantidad disponible de combustible según avanza la misión resulta ser una tarea compleja debido a que éste se encuentra flotando en el interior de los tanques y reaccionando dinámicamente a toda la suerte de movimientos y cambios de velocidad que experimenta la nave. Por esta razón, la cantidad de combustible a bordo debe ser estimada a través de complejos modelos de consumo de combustible. 

Estos modelos combinan principalmente los efectos dinámicos medidos en la nave que son producidos por la activación de elementos propulsores con medidas termodinámicas de presión y temperatura en el sistema de propulsión. Sin embargo, ningún modelo y medida está desprovisto de pequeños errores de muy diversa naturaleza y nunca pueden ser perfectos. De hecho, a veces incluso pueden divergir ligeramente en el tiempo debido a problemas de calibración, a derivas en los equipos de medida, a la electrónica, etc.

En la actualidad, un cierto margen de seguridad en la estimación de la cantidad de combustible a bordo de Cassini dicta que la nave vea su final el día programado, mientras que el deseo de evitar la remota posibilidad de contaminar algunas de las lunas de Saturno en un futuro impredecible dicta que la nave vea su destrucción mediante su colisión contra el planeta.

¿Por qué se dedicaron 9 científicos, 2 supercomputadoras y montañas de ecuaciones a crear esta imagen?

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"Noche estrellada estrellada / Flores de fuego que llamas brillantes / remolinos de nubes de bruma violeta"...

- "Me recuerda a Van Gogh".

- "Sí, eso nos han dicho", contesta Robert Grand, del grupo de Astrofísica Teórica en el Instituto para Estudios Teóricos de Heidelberg (HITS).

Sin embargo, esta imagen es fruto de un tipo de genialidad distinta a la del pintor postimpresionista neerlandés.

Es una hazaña épica de física computacional que requirió miles de procesadores, terabytes de data, meses de tiempo de computadoras y la sabiduría de nueve científicos.

El resultado: 30 de las más detalladas simulaciones que hayan sido creadas de la formación de galaxias como nuestra Vía Láctea.

"La de Van Gogh", señala Grand, "es impresionante porque los campos magnéticos son históricamente difíciles de simular en las galaxias, y esta imagen demuestra un éxito impresionante de nuestras simulaciones".

La creación de la creación

De las galaxias espirales como la nuestra sabemos que tienen un agujero negro masivo en el centro, rodeado por el bulbo galáctico (un grupo de estrellas viejas) y brazos que giran hacia el exterior donde se encuentran las estrellas relativamente jóvenes como el Sol.

Sin embargo, la comprensión de cómo esos sistemas llegaron a existir sigue siendo una cuestión clave en la historia del cosmos.

"Estas imágenes me gustan porque son hermosas", nos dijo Grand al mandarlas. "Ésta muestra la estructura del disco de gas en detalle, y está coloreada de acuerdo a la temperatura del gas: azul es frío, verde es cálido y rojo es caliente".

Es por eso que en 2014, los científicos Volker Springel, Carlos Frenk y Simon White se plantearon el reto de crear una galaxia utilizando todos los conocimientos que hemos acumulado sobre ellas.

Y reto es la palabra indicada: se estima que las galaxias espirales contienen varios cientos de millones de estrellas así como abundantes cantidades de gas y polvo.

Contando en estrellas

"Queremos entender cómo se forman las galaxias, y la mejor manera es hacer estas simulaciones. Empezamos al puro principio del Universo -el Big Bang- y luego nos enfocamos en el desarrollo de la Vía Láctea", le cuenta Grand, el líder del proyecto, a BBC Mundo.

"Incluimos todas las fórmulas posibles para incorporar todos los efectos posibles -es uno de los modelos más completos en términos de Física-, para ver si efectivamente la podíamos crear".

Las imágenes resultantes son muy especiales, subraya el científico, porque "no se habían hecho tantas con una resolución tan alta".

Y cuando habla de resolución, no se refiere precisamente a pixeles.

"No podemos modelar todas y cada una de las estrellas, por la limitación computacional, así que las agrupamos y representamos unos pocos miles como una partícula, de manera que tendríamos unos 10 millones de estas partículas y luego calculamos la fuerza gravitacional entre cada una de ellas".

"Cuando hablamos de resolución estamos hablando de cuántas estrellas representa cada partícula, así que a más alta es la resolución, menos estrellas", explica.

La idea es acercarse lo más posible al 1:1.

Enormes escalas

- "La Vía Láctea mide unos 230 kilopársecs, si hablamos del halo de materia oscura que habita...".

- "¿Kilo qué?"

- "Como las distancias son tan grandes, usamos kilopársecs. Un kilopársec es 3.262 años luz"

La enormidad de las escalas y la complejidad de la física implicada presentaban un desafío formidable para cualquier modelo de computador.

Así que tuvieron que utilizar dos supercomputadoras en Alemania y el código "AREPO", desarrollado por Springel, investigador de HITS, que le permite a los científicos simular una amplia gama de formas y tamaños de galaxias con una precisión única e incluye uno de los modelos más completos de la física.

El código tiene en cuenta fenómenos como la gravedad, la formación de estrellas, hidrodinámica del gas, explosiones de supernovas y, por primera vez, los campos magnéticos que impregnan el medio interestelar, más precisamente, el gas y el polvo que hay entre las estrellas.

El equipo dejó que las simulaciones de 30 Vías Lácteas se desarrollaran durante meses, todas en alta resolución, y seis de ellas en una resolución aún más alta, para lograr más detalles.

La densidad de la materia oscura 500 millones de años después del Big Bang, centrada en lo que se convertiría en la Vía Láctea. Los colores rojo, azul y amarillo indican regiones de intensidad baja, intermedia y alta.

Confirmaciones y revelaciones

Entonces, los nueve expertos pasaron dos años alimentando a las supercomputadoras con enormes cantidades de información sobre las galaxias, lo que las componen, los fenómenos y reglas, crearon un Big Bang y observaron cómo se desarrollaba una Vía Láctea.

Al final, además de la satisfacción de terminar efectivamente con una galaxia espiral con forma de disco, este trabajo, cuyo nombre es Proyecto Auriga, les dejó una gran cantidad de datos esperados e inesperados para estudiar.

Y no sólo a ellos.

"Los astrónomos ahora podrán usar nuestro trabajo para acceder a una gran cantidad de información", señala Grand.

Por el momento, los científicos del Proyecto Auriga -Robert J. J. Grand, Facundo A. Gomez, Federico Marinacci, Ruediger Pakmor, Volker Springel, David J. R. Campbell, Carlos S. Frenk, Adrian Jenkins y Simon D. M. White-combinarán los resultados con datos de estudios de observatorios como la misión Gaia, para comprender mejor cómo las fusiones y colisiones formaron galaxias como la nuestra.

¿Por qué científicos están llevando pedazos de un glaciar de Bolivia a la Antártica?

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Derechos de autor de la imagenGETTY IMAGES

Una singular biblioteca está empezando a tomar forma en la base franco-italiana en la Antártica.

En ella no habrá libros sino muestras de hielo de todos los glaciares amenazados del mundo.

La última muestra fue tomada recientemente por un equipo internacional de investigadores en el glaciar Illimani, a unos 80 kilómetros de La Paz, en Bolivia.

El objetivo del proyecto, bautizado "Memoria del hielo", es estudiar y preservar el hielo antes de que desaparezcan los glaciares por el cambio climático.

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Antártica es el lugar obvio para albergar las muestras ya que, incluso con el aumento de las temperaturas, se mantendrá muy fría por mucho tiempo.

"Nosotros queremos guardar este tipo de muestras de glaciar porque son una enciclopedia sobre el clima y el medioambiente", le dijo a la agencia Reuters Patrick Ginot, uno de los glaciólogos que trabaja en esta iniciativa.

Los glaciares acumulan capas de nieve durante miles de años y, el Illimani, por ejemplo, tienen acumulados 18.000 años de hielo.

Contaminantes

Para extraer el hielo en el glaciar boliviano, a más de 6.200 metros de altura, los investigadores utilizaron un taladro especial que les permitió obtener dos cilindros de hielo, uno de 137 metros y otro de 134.

Derechos de autor de la imagenREUTERS

Además de servirles para descifrar la historia del clima, estos trozos de hielo permitirán trazar los cambios en las emisiones contaminantes de La Paz desde hace cientos de años, dicen los investigadores.

Según augura el equipo, los glaciares que están a menos de 5.500 metros "van a desaparecer completamente en los próximos 20 años".

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Esto, afirman, tendrá consecuencias directas en la sequía que está afectando al país.

Antes que el próximo Niño

La extracción de hielo en Bolivia fue la segunda que hizo el equipo, cuya administración está a cargo de la universidad francesa Grenoble Alpes.

STEPHEN HUDSON WIKICOMMONS

La primera tuvo lugar en agosto del año pasado, cuando el equipo tomó muestras del macizo del Mont Blanc, en los Alpes franceses.

Los próximas expediciones serán a Rusia y a Nepal.

Pero la prioridad este año fue Bolivia por que se teme que otro años El Niño pueda ser más fuerte.

En ese caso, habría un deshielo más pronunciado y se perdería mucha de la información contenida en el hielo.

China consigue la primera comunicación cuántica entre un satélite y la Tierra

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Por primera vez en la historia, un equipo de científicos chinos ha conseguido transmitir pares de partículas de luz vinculadas por la propiedad cuántica del entrelazamiento entre un satélite y la Tierra. Este logro otorga a China una clara ventaja en el uso de la tecnología cuántica, que en el futuro puede servir para construir una red de comunicaciones globales imposibles de ser hackeadas.

El entrelazamiento cuántico es una forma de vincular partículas, en este caso fotones (partículas de luz), que algunos científicos comparan con el caso de los gemelos que son seperados al nacer. No importa la distancia que los separe, forman un sistema indivisible y siempre hay algo que los mantiene unidos, por lo que si algo le pasa a uno se refleja inmediatamente en el otro.

Por eso, el entrelazamiento de estos fotones permite el envío de información de manera segura, ya que es imposible interceptar uno de ellos sin que el ataque altere el otro fotón, una tecnología que sirve para garantizar la comunicación secreta de gobiernos, ejércitos, empresas o ciudadanos.

En el pasado ya se han realizado con éxito transmisiones de información con partículas entrelazadas a través de cables de fibra óptica o del aire de la atmósfera entre puntos separados por unos cien kilómetros, una distancia a partir de la cual la calidad de la señal se degrada en tierra por la pérdida de fotones durante el trayecto. Sin embargo, esta pérdida de información apenas se produce en el espacio, lo que permite extender las comunicaciones cuánticas entre puntos separados por miles de kilómetros.

De acuerdo con los resultados publicados este jueves por la revista Science, el equipo chino fue capaz de enviar pares de fotones entrelazados desde el satélite de telecomunicaciones cuántico Micius a dos ciudades chinas separadas entre sí por 1.203 kilómetros. Al llegar a estos puntos se confirmó que los pares seguían entrelazados y que no habían perdido información por el camino.

"Es un primer paso, un paso importante hacia la creación de una red cuántica global", aseguró el líder del grupo de trabajo de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hefei, Jian-Wei Pan. "Todos los métodos anteriores se limitan a unos 100 kilómetros, por lo que solo pueden funcionar dentro de una ciudad. Si (con estas pruebas) una futura red cuántica puede ser establecida, la seguridad está garantizada por las leyes de la física, que son incondicionalmente seguras. Será beneficioso para todos los seres humanos", agregó.

Asunto capital para China

En los últimos años, la mejora de los sistemas de ciberseguridad se ha convertido en un asunto capital para China, que incluso ha introducido nuevas normativas destinadas a limitar la importación de tecnología proveniente de Estados Unidos después de que Edward Snowden revelara que el país americano realizaba tareas de vigilancia globales a través del hardware que venden sus empresas.

Desde hace tiempo, el gigante asiático ha invertido ingentes recursos materiales y humanos en investigar la tecnología cuántica y sus aplicaciones. Fruto de ellos fue el lanzmiento el pasado agosto del primer satélite cuántico, Micius, nombrado así en honor a un científico y óptico de la civilización oriental que hace 2.500 años inventó la primera cámara oscura. El satélite se encuentra a unos 500 kilómetros de altitud y sobrevuela los detectores de fotones construidos en tres ciudades chinas -Delingha, Lijian y Urumqi- una sola vez al día durante unos minutos.

El éxito de estas pruebas pone a China por delante de Europa y Estados Unidos en este área de investigación, lo que ratifica el hecho de que el país no sólo es una potencia económica, sino también espacial y tecnológica.

En su informe anual sobre el Ejército de China presentado la semana pasada en el Congreso, el Pentágono estadounidense describió el lanzamiento del satélite cuántico en agosto como "un notable avance en la criptografía". Aunque Washington también ha invertido en la investigación de este campo, ha concentrado más su atención y recursos en el estudio de la computación cuántica. Mientras, los físicos europeos han desarrollado muchas de las teorías y prácticas que subyacen al cifrado cuántico, pero sus homólogos chinos están financiados con muchos más recursos por parte de sus gobierno, lo que les está dando ventaja.

"Este tipo de experimentos no son fáciles de hacer, incluso dentro de los confines controlados de un entorno de laboratorio. Hacerlo entre dos ubicaciones remotas de tierra y un satélite volando por encima a una velocidad de miles de kilómetros por hora es alucinantemente difícil", alabó el físico del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de Boulder, Martin Stevens, al diario The Guardian.

Está previsto que, en los próximos meses, el equipo liderado por Jian presente los resultados de un segundo experimento de comunicación intercontinental con información encriptada en fotones entrelazados entre China y Europa. Si el resultado es positivo, el país asiático tiene en mente poner en marcha una red global de satélites de comunicación cuántica que podría estar operativa hacia 2030.