Conjunciones planetarias.

Finalizando el mes tendremos un par de hermosas conjunciones planetarias, la primera de ellas tendrá lugar a la madrugada del día 27 de noviembre de 2012. El brillante lucero del alba, el planeta Venus se encontrara a una distancia angular de poco más de medio grado del planeta Saturno, el señor de los anillos. Ambos astros ya se observan cercanos en el cielo pero durante el 27 la cercanía será máxima. 

Para ubicarlos deberemos buscar un horizonte este despejado de obstáculos, poco antes del amanecer. Dichos planetas los podremos observar sobre la constelación de Virgo.

Al comienzo de la noche del día 28 de noviembre tendremos otra conjunción (en realidad se trata de un ocultamiento), en esta ocasión los participantes serán nuestro satélite natural, la Luna, y el mayor planeta de nuestro sistema solar, Júpiter.

La luna aparece sobre el horizonte ya ocultando a Júpiter, por lo que desde gran parte del Paraguay solo podremos observar la reaparición  hacia las 21:00 hs. (hora paraguaya, actualmente -3 GMT) donde veremos como el planeta sale por detrás de la luna.

Para la observación de estos fenómenos se recomienda el uso de prismáticos o telescopios a bajos aumentos, aunque pueden ser observados a simple vista. Es también una oportunidad para obtener hermosas fotografías del cielo.

La ecuación del cohete.

El vuelo espacial no es nada fácil, eso lo sabe casi cualquiera. Utilizando complejos vehículos que muchas veces no son más que prototipos la humanidad explora el cosmos, pero muchos de sus miembros ignoran por completo las leyes universales que rigen sus movimientos. Esta entrada no profundizará sobre los aspectos más "técnicos" del viaje espacial, simplemente es mi intención tratar de explicar de la forma más sencilla posible algunos de los conceptos más básicos. Y que mejor inicio que la ley fundamental que rige el viaje espacial, la ecuación del cohete de Tsiolkovski.

Pero antes de hablar de ella conozcamos a sus variables empezando por la principal la conocida "delta-V" (Δv).

Llamamos delta-v al cambio de velocidad que debe experimentar un vehículo para llegar a un destino en el sistema solar. Es una manera de medir el "esfuerzo" necesario para cambiar una trayectoria por otra haciendo una maniobra orbital. Tiene la misma definición de variación de velocidad en mecánica, es decir velocidad final menos velocidad inicial (ΔV =Vf - Vo) pero lo veremos mejor con un ejemplo.

Si un cohete se encuentra en la superficie de la tierra consideremos que su velocidad inicial es Cero (0), para que el cohete alcance la órbita terrestre le es necesario "cambiar su velocidad" de 0 a unos 8 Km/s, es decir que su velocidad final sea de 8 kilómetros por segundo. Si aplicamos la formula antes vista (ΔV =Vf - Vo) vemos que ΔV =8,2 - 0, lo que nos da una delta-V de 8,2 Km/s.

Distintos objetivos en el sistema solar junto con la Delta-V necesaria para alcanzarlos.

En otras palabras alcanzar la órbita de la tierra cuesta 8,2 Km/s, esto es a manera de ejemplo ya que se requiere una Delta-V de 9,3 km/s para llegar a la órbita baja (la velocidad orbital es de unos 8 km/s, pero tenemos que tener en cuenta la energía necesaria para vencer el campo gravitatorio terrestre, de ahí la discrepancia en las cifras). Nuestro cohete sea del tipo que sea necesita alcanzar esa delta-V para llegar a la órbita. Se puede decir que la delta-V es como un medidor de distancias en el sistema solar (solo que en términos de cambios de velocidad).

Nave marciana de la NASA.

Si digo que un viaje a Marte de un tipo en particular tiene una ΔV de 10,4 Km/s, significa que mi cohete/nave espacial debe llevar el suficiente propergol (combustible más oxidante) para realizar ese cambio de velocidad. Podemos observar entonces que la dificultad en alcanzar un cuerpo del Sistema Solar no depende de la distancia, sino de la energía necesaria para realizar las maniobras orbitales.Por eso se mide el coste de una misión en términos de los cambios de velocidad necesarios para llegar al objetivo.

Continuando con el ejemplo, viajar desde la órbita baja terrestre (LEO) hasta la órbita marciana necesitamos una delta-v de solo 4,1 Km/s, es decir que ir a marte desde la órbita necesita menos gasto de combustible que despegar del suelo. Poco importa que la órbita baja esté a unos cientos de kilómetros mientras que Marte se encuentre a muchos millones de kilómetros. Esto se debe al poderoso pozo gravitatorio de la tierra.

Pozo gravitatorio de diversos cuerpos del sistema solar.

Pero volvamos a la ecuación del cohete, ahora vemos que la misma expresa la delta-v en términos del cohete.

Donde

es la masa total inicial.

la masa total final

la velocidad de los gases de salida con respecto al cohete (impulso específico).

La hace referencia a la masa inicial formada en su mayor parte por el combustible. Esta variable es directamente proporcional a la delta-V, es decir cuando es más grande mayor será nuestra Delta-v. Por eso construimos cohetes gigantes para alcanzar grandes cambios de velocidad.

Futuro cohete SLS de la NASA, para alcanzar una gran Delta-V una opción es construir cohetes más grandes.

La se refiere a la masa final, es decir a la carga útil más el cohete vacío Como vemos es inversamente proporcional es decir al aumentar la masa final disminuye nuestra delta-v y viceversa El truco consiste en reducir lo más posible nuestra masa final y una de las formas de hacerlo es construir cohetes con varias etapas para hacerlo más liviano (la desventaja de esto es que vuelve más complejo al vehículo y por ende más costoso). 

Construimos los cohetes por etapas para minimizar la masa final y así obtener una mayor delta-V.

Por último la velocidad de escape de los gases , se mide por el impulso específico (es el período en segundos durante el cual 1 kg de masa del propergol producirá un empuje de 1 kg de fuerza) esto depende de la eficiencia de nuestro motor cohete y/o del tipo de combustible empleado. también es directamente proporcional a la delta-V, por lo que si queremos elevarla utilizamos cohetes mucho más eficientes como los criogénicos, o los iónicos.

Nave térmica-nuclear, la utilización de nuevos sistemas de propulsión más eficientes permitirá obtener una mayor Delta-V. 

Propuesta de nave de propulsión eléctrica de la General Electric de finales de los años 60 con gravedad artificial .

aquí debemos hacer una pausa y explicar la diferencia entre impulso específico y empuje. El primero se refiere a lo eficiente que es un cohete y el segundo a la aceleración experimentada por el funcionamiento del mismo. Son dos términos independientes, ya que existen motores con un muy alto empuje pero bajo rendimiento (cohetes químicos) y  los hay de bajísimo empuje con alto rendimiento (moteres iónicos). 

Conjunción: Luna - Júpiter 1/11/2012

El mes de noviembre nos recibe con una bonita conjunción entre nuestro satélite natural y el planeta Júpiter, observables desde Paraguay pasadas las 10 de la noche en dirección noreste. Al elevarse sobre el horizonte la separación entre ambos cuerpos celestes será de alrededor de 45 minutos de arco, aumentando a medida que pasa la noche.

Para los poseedores de binoculares o pequeños telescopios equipados con un filtro lunar (la luna estará muy brillante) sera esta una buena oportunidad de observar un hermoso espectáculo. También es una buena ocasión para intentar obtener imágenes fotográficas del cielo.

Destinos estelares

Planetas extrasolares.

Si la humanidad intentará alguna vez surcar el oscuro vacío entre las estrellas, deberá hacerlo con la certeza de encontrar un destino, un mundo habitable. A medida que se perfeccionen nuestras capacidades de detección astronómica es muy probable que la lista de planetas potencialmente alcanzables por nuestra tecnología se incremente. veamos pues cuales son (actualmente) los principales objetivos de un viaje interestelar.

Existen 59 sistemas estelares conocidos a menos de 20 años luz de la tierra, conteniendo en total a 81 estrellas. No sabemos si todas tienen planetas, otras aunque no los tengan pueden ser interesantísimos objetivos científicos. La siguiente desde luego no es una lista completa y podría ampliarse en el futuro.

Potenciales destinos de un viaje interestelar.

I-Alpha Centauri

Se encuentra a unos 4,3 años luz (4,2 en el caso de próxima centauri) siendo el sistema estelar más cercano a la tierra. Está formado por tres estrellas, alpha centauri A (tipo G2) una estrella muy similar al sol, la anaranjada- amarillenta alpha centauri B (tipo K1) y una enana roja de tipo M5 (próxima centauri). 

Además de tener la posibilidadad de explorar tres distintos tipos de estrellas, se ha confirmado muy recientemente la existencia de un planeta orbitando alpha centauri B, el mismo posee alrededor de 113% la masa de la tierra y describe una órbita a 6 millones de kilómetros de la estrella, estimandose una temperatura superficial de 1200ºC, muy caliente como para ser habitable.

Planeta descubierto en el sistema Alpha Centauri.

No se descarta la existencia de otros planetas alrededor de estas estrellas, pero al encontrarse frente a la Vía láctea al observarlas desde la tierra, se dificulta el obtener medidas precisas.

Al encontrarse más cerca, y poseer planetas es evidente que este sistema triple es un objetivo primario de cara a un vuelo interestelar, los demás objetivos quedan más lejos.

II- La estrella de Barnard

Es una pequeña y poco luminosa estrella enana roja (tipo M5) es la siguiente más cercana al sol, y se encuentra a 5,9 años luz. Esta estrella ha sido muy estudiada, más que otras enanas rojas, por la posibilidad de que pudiera tener planetas, ninguno descubierto hasta el momento. 

En esta estrella aparentemente se estan produciendo descomunales llamaradas solares como las que fueron detectadas desde la tierra en 1998. Fue originalmente el destino del Proyecto "Dedalo" para enviar una sonda interestelar.

III- Sirio

Sirio A y Sirio B.

La estrella más brillante desde los cielos oscuros de la tierra en el siguiente objetivo. Ubicada a unos 8,7 años, nos encontraremos con una grande y muy brillante estrella blanca de tipo A1, se encuentra acompañada de Sirio B la estrella enana blanca más cercana al sistema solar. La posibilidad de estudiar los restos de una antigua gigante roja serian motivo suficiente como para enviar un explorador robótico.

Órbita de Sirio B.

IV- Epsilon Eridani

Una estrella ubicada a 10,8 años luz de nosotros, más anaranjada, fría y pequeña que nuestro sol.

Comparación de tamaños entre el Sol (derecha) y Épsilon Eridani (izquierda)

Esta una estrella muy joven, posee dos cinturones de materiales uno a la distancia de nuestros cinturón de asteroides y el otro a una distancia similar a la nube de Oort.

Comparación de los cinturones de Épsilon Eridani con nuestro sistema solar

 En el año 2000 se confirmó la presencia de un planeta (Epsilon Eridani b), el cual aparenta estar limpiando de restos los alrededores de su órbita, demás las perturbaciones observadas en los cinturones hacen sospechar la existencia de otros nuevos planetas Épsilon Eridani c y Épsilon Endriani e.

Épsilon Eridani B

Todo un sistema solar cuyo proceso de formación no ha terminado. 

V-Tau Ceti

Una solitaria estrella de tipo G8 ubicada a unos 11,8 años luz de distancia, sus características la hacen candidata a tener un sistema planetario.

Nube cometaria.

En 2004 se descubrió que esta estrella posee aproximadamente 10 veces la cantidad de cometas que el sol, si existen planetas es muy probable que se vean sometidos a un intenso bombardeo cometario que limite las formas de vida, aunque un planeta gigante gaseoso podría proteger a los mundos internos.

La gran cantidad de cometas podría ser un impedimento para formas de vida superiores.

VI- Gliese 581

Incluyo a Gliese 581 (se pronuncia glise) debido a que posee a los primeros y más cercanos mundos potencialmente habitables conocidos (hasta ahora).

Comparación de tamaños entre el Sol (izquierda) y Gliese 581 (derecha)

Ubicada mas lejos, a 20,3 años luz se encuentra esta enana roja con al menos 4 planetas, quizás 6, orbitandola. Los planetas Gliese 581 g y Gliese 581 d se hallan en la zona habitable de su estrella, lo que los vuelve potencialmente colonizables. Dichos mundos se hallan a pocos millones de kilómetros de su estrella madre, pero al ser la misma una fría enana roja, la zona donde podría existir el agua liquida también se encuentra mucho más cerca. 

Estos son solo algunos de los potenciales objetivos para un viaje interestelar, como mencioné anteriormente al irse aumentando la sensibilidad de nuestros instrumentos es más que probable que la lista se vaya incrementando. En una próxima entrada hablaré acerca de como podríamos visitar a estos destinos estelares.

Ondas Gravitatorias

Ondas Gravitatorias.

Actualización del 11 de febrero 2016: 

Hace unas horas se anunció que por primera vez se detectaron ondas gravitacionales.

El equipo de LIGO (Observatorio de interferometría láser de ondas gravitacionales), junto con decenas de colaboradores alrededor del mundo, anunció que han detectado ondas gravitacionales generadas por la colisión de dos agujeros negros de aproximadamente 36 y 29 masas solares. Dicho evento tomó lugar hace más de 1,300 millones de años, por lo que las señales recién llegaron a la Tierra hace unos meses. Este descubrimiento marca el comienzo de una nueva era en la astrofísica, donde ahora también podremos explorar y estudiar el universo mediante telescopios especializados en detectar ondas gravitacionales.

Uno de los mayores retos de la física moderna consiste en la detección de las llamadas ondas gravitatorias (o gravitacionales, como prefieran) que supondría una muy importante validación de la Teoría general de la relatividad. Pero vayamos por partes, primeramente veamos que son o que creemos que son estas furtivas entidades.

Ondas Gravitatorias.

En primer lugar definamos que es el "espacio-tiempo". La definición estándar nos dice que es la entidad geométrica en la cual se desarrollan todos los eventos físicos del Universo, de acuerdo con la teoría de la relatividad y otras teorías físicas. En otras palabras estamos hablando del vacio o espacio que contiene a todo lo que existe. Su nombre (espacio-tiempo) nace de la necesidad de considerar unificadamente la ubicación geométrica en el tiempo y el espacio, ya que la diferencia entre componentes espaciales y temporales es relativa según el estado de movimiento del observador. Bueno, para no rompernos la cabeza con tantas cuestiones físicas imaginemos que el espacio-tiempo es como una tela bidimensional donde ocurren las cosas.

Curvatura en el espacio-tiempo provocada por la tierra.

Un cuerpo masivo como un planeta o estrella crea una curvatura en dicha tela, siendo la curvatura mucho mayor al aumentar la masa del cuerpo creando pozos gravitatorios intensos. Una nave espacial que este dentro de la influencia de estos pozos deberá generar una determinada cantidad de energía para salir del mismo. En el caso de un agujero negro el pozo gravitatorio es sus cercanías es tan intenso que ni la propia luz puede escapar, pero hablaremos de ellos en una próxima entrada.

Agujero negro.

Entonces una onda gravitacional es una pequeña fluctuación en la curvatura de la tela del espacio-tiempo, la cual se propaga en forma de ola, viajando hacia a fuera a partir de un objeto o un sistema de objetos en movimiento. Fueron predichas por Einstein, y su estudio podría contestar el gran interrogante sobre cuál es la naturaleza de la gravedad. La radiación gravitacional se genera cuando dichas ondas son emitidas por ciertos objetos o por sistemas de objetos que gravitan entre sí.

Son muy débiles. Las más fuertes que se podría esperar observar en la Tierra serían generadas por acontecimientos muy distantes y antiguos, como la colisión de dos estrellas de neutrones o la colisión de dos agujeros negros súper masivos, en los cuales una gran cantidad de energía se movió violentamente. Muchas teoría sobre el universo podrían ser confirmadas o rechazadas dependiendo de la naturaleza de estas ondas.

Los sistemas binarios supermasivos son principales candidatos a producir ondas gravitatorias.

Aunque estas ondas no ha sido aún detectadas directamente, hay evidencia indirecta significativa de su existencia. En una gran cantidad de estudios, astrofísicos de todo el mundo han podido observar, en grupos de estrellas súper masivas, fenómenos que sólo pueden ser explicados con la existencia de dicha teoría. Una de las mayores evidencias se presentaron cuando los físicos Russell Alan Hulse y Joseph Hooton Taylor Jr. descubrieron en 1974 el primer púlsar binario (PSR1913+16). Las observaciones durante varios años han confirmado que el período de rotación de ambos objetos aumenta con el tiempo de la manera predicha por la teoría de la relatividad general, perdiendo energía en forma de ondas gravitacionales. Aunque las ondas gravitarorias no fueron detectadas, el comportamiento de estas estrellas binarias corresponde al propuesto si estuvieran emitiendo ondas gravitacionales.

Pulsares binarios.

Si existen estas ondas, su amplitud y efectos detectables deben ser muy débiles, haciendo extremadamente difícil su detección, por lo tanto solo podríamos detectar aquellas producidas por los fenómenos más violentos del universo como pueden ser: una supernova, formación de un agujero negro, choques entre estrellas de neutrones o agujeros negros, y remanentes del Big Bang.

Estrella de Neutrones.

Supernova.

Agujeros negros binarios.

Todo muy bonito pero, ¿cómo podríamos detectarlas? Una onda gravitatoria que pase por un lugar debería hacer variar la distancia entre dos objetos que se encuentre en ese lugar, claro la variación será muy pequeña. Pues bien debemos diseñar experimentos y dispositivos que puedan detectar estas variaciones.

Estrellas binarias en colisión

LIGO es un experimento de detección de ondas gravitacionales. La sigla proviene de Laser Inteferometer Gravitational-Wave Observatory (Observatorio de interferometría láser de ondas gravitacionales) consiste de un sistema inteferométrico de dos brazos perpendiculares y en condiciones de vacío con un recorrido óptico de 4 km. 

Instalaciones de LIGO.

Pretende detectar las ondas gravitacionales a través de los minúsculos movimientos que deben producir en los espejos Mediante un láser se miden constantemente las distancias entre los espejos, al pasar una onda gravitatoria esta debería variar.

Instalaciones de LIGO.

Las variaciones que el experimento puede medir son del orden de 10-18 m (un átomo de hidrógeno tiene un tamaño 5x10-11 m). LIGO podría detectar a las ondas gravitatorias, aunque quizás la amplitud sea tan pequeña que ni siquiera este instrumento pueda confirmar su existencia.

Los más pesimistas insisten que solo podrían detectarse dichas ondas desde el espacio y para eso existe el proyecto LISA

LISA

Conocida formalmente como "Laser Interferometer Space Antenna" (LISA) es una misión propuesta para detectar ondas gravitatorias desde el espacio. Este era un proyecto apasionante y digo era porque actualmente ninguna agencia espacial lo esta desarrollando. Originalmente era un proyecto conjunto de la NASA y la ESA pero en 2011 la NASA se retiró del proyecto, luego La agencia espacial europea (ESA) revisó el concepto de la nave, con la expectativa de que pudiera ser desarrollada solo por dicha agencia llamandola ahora "The New Gravitational wave Observatory" (NGO), y fue una de las tres candidatas a ser la próxima gran misión de la ESA, pero perdió ante la Jupiter Icy Moon Explorer (JUICE) misión que estudiaría las lunas heladas de Júpiter. Tal vez sea nuevamente candidata para otra misión en el futuro.

Si alguna vez es lanzada LISA sería una formación de tres satélites separados por 5 millones de kilómetros, formando un interferómetro que mediante láser será capaz de detectar ondas gravitatorias con frecuencias de 0,1-0,0001 Hz. Estas frecuencias son inferiores a las observadas por observatorios terrestres como el anteriormente citado LIGO, lo que permitiría estudiar sistemas de agujeros negros binarios supermasivos. Estaría situada en una órbita solar a 50 millones de km detrás de la Tierra y su inclinación sería de 20º con respecto a la eclíptica. 

Parámetros orbitales de LISA.

Este proyecto es increíblemente interesante, lastima que la NASA tiene cada vez menos dinero para misiones científicas. Pero no está todo perdido, el estudio de las ondas gravitatorias figura como una prioridad en ambas agencias espaciales lo que podría revivir este proyecto, u otro similar, en un un futuro próximo.