Estudiar Ciencia

Es bien cierto que la ciencia se estudia porque se tiene mucho interés en ella. La vieja dicotomía, la separación entre ciencia y humanidades existe desde hace mucho tiempo; pero incluso así, las humanidades aplican el método científico (¿las ciencias, aplican recíprocamente el método humanístico? ¡Yo creo que no!).

La vieja dicotomía entre ciencia y humanidades, no existe realmente, salvo en la mente de aquellos que tienen que realizar clasificaciones y en los catálogos necesarios de las cosas. Hacer ciencia con el conocimiento significa, ante todo, ordenarlo, tal vez establecer sus relaciones intrínsecas y externas y hacerlo catalogable para su uso por otros. Sin embargo, como he dicho ya otras veces, estoy convencido de que para amar a las llamadas humanidades de verdad, es muy útil ser científico.

Una afirmación sorprendente. Y sin embargo el que conoce las ciencias, el se mueve entre ellas y las utiliza para racionalizar, para investigar, para descubrir o para comprender, no tarda demasiado en darse cuenta de que las ciencias son frías. Es lo que tiene el trasegar con los hechos cuantificables, eso sí. Se apega uno a las magnitudes conmensurables y fundamentales y a las esencias primordiales de las cosas en alma y mente y algo de ello se nos  pega, la verdad. Pero tal vez un ejemplo pueda ilustrar mejor lo que queremos decir:

Partitura orquestal de "El Cisne de Tuonela" de Sibelius (Breitkopf & Härtel).

Jean Sibelius, el músico finlandés autor de obras como "El Cisne de Tuonela", el "Vals Triste" o "Finlandia", organizaba veladas musicales a las que invitaba... a financieros. No invitaba a artistas, y de entre ellos, mucho menos invitaba a músicos. Un amigo de Sibelius, le espetó:

–"Pero Jean, ¿cómo es que invitas a tus veladas a banqueros y economistas? ¿Qué tienes en común con ellos? ¿De qué puedes hablar, con ellos, Jan?"

La respuesta de Sibelius es algo clásico:

-"De música, naturalmente. Y de arte. Con los músicos y los artistas sólo se puede hablar de dinero".

El compositor finlandés Jean Sibelius (1865-1957)

Puedo decir que algo similar me sucede a mí con respecto de las humanidades. Desde mi infancia, amo sinceramente las ciencias y he llegado a apreciarlas de verdad; las he estudiado a nivel de universidad, terminando mis estudios de ciencias en tres ocasiones; pero son, en mi caso, demasiado frías por sí mismas y he encontrado en las humanidades un bálsamo eficaz. Como mi amiga que llegó a la licenciatura en Química Industrial porque deseaba conocer la naturaleza de las cosas, de todo, como motor principal, así tal vez he estudiado yo la ciencia: movido por un intenso afan de conocer, un afan incesante basado en la necesidad de descubrir, de indagar el equivalente a qué es lo que hay detrás de aquella montaña; un afan basado en la necesidad de comprender mejor el universo lejano y el cercano. Lector, verás mejor lo que quiero decir si te muestro esto:

La fórmula de campo de la teoría de la relatividad general de Albert Einstein. Incluye la Constante Cosmológica.

Por explicarlo de otra manera, existe una gran belleza en la simplicidad de la ecuación anterior, que es ni más ni menos que la conocida fórmula de campo de la teoría de la relatividad general. En ella, el espacio-tiempo tiene curvatura, del mismo modo que la superficie de una pelota de playa la posee si la comparamos con la superficie plana de una mesa, que no la posee. La curvatura es una función de la métrica g_μν y de su primera y segunda derivadas. En la ecuación anterior, la curvatura del espacio-tiempo, (representada por R_μν y por R) es determinada por la energía total presente y por el momento T_μν del "conjunto" presente en el mismo, como los planetas, estrellas, radiación, polvo y gas interestelar... Y todo ello, para representar el que fue conocido como "Universo de Einstein - de Sitter". En la ecuación anterior, existe un error "que no lo fue"

El término central, Λg_μν representa a la llamada "Constante Cosmológica", que fue introducida posteriormente por Einstein en sus ecuaciones de campo de la Relatividad General para conseguir un universo estacionario. Si el valor de Λ es distinto de cero (o lo que es lo mismo: si dicho término no existiese, como así estaba en la ecuación original), el universo no es en absoluto estacionario. Einstein, pues, llegó a pensar que no lo era e incluyó, de segunda intención, dicho término en su ecuación de campo. Un término que, como idea primordial, no estaba allí.

Posteriormente, Einstein llegó a reconocer que el universo no era estacionario y que se equivocó al introducir el término Λg_μν; pero se descubrió aún después de eso que el universo, además, estaba en expansión, (lo que se consigue en la ecuación variando el signo y el valor de Λ). Ahora sabemos que, además, en expansión acelerada con lo que la constante cosmológica llegó a tomar un valor significativo. Como se dice usualmente, Einstein acertaba... hasta cuando se equivocaba.

Albert Einstein, en una de sus fotos menos usuales.

Pero... ¿qué puede llegar a significar lo que acabo de exponer? (muy resumidamente, la verdad). Pues depende de quién lo lea y de cuales sean sus intereses. Para mí, llegó a significar mucho cuando estudiaba Cosmología y debo confesar, que en alguna ocasión, por unos instantes, tuve una fugaz comprensión de las cosas como fueron pensadas por Albert Einstein. Tuve que hacer trabajos y responder a preguntas en exámenes ralacionadas con la métrica de la cosa y de la densidad del universo. Para un observador diferente, mirado todo soslayadamente, es tan sólo fría ciencia, aunque para mí no lo sea.

(Nota intercalada: Es curioso, ahora que lo pienso, ver cuantos de los que se dedican a la Astronomía, a la Astrofísica y a las ciencias relacionadas, como las matemáticas, son excelentes músicos. El número de los que lo son es enorme. Enorme de verdad. Pero creo que mayor ha de ser aún el de aquellos que, dedicándose a estas cosas, no saben que son músicos. O peor: cuántos excelentes músicos que conozco no saben que son astrofísicos. Es una observación recíprocamente válida... ;)

Las ciencias necesitarán siempre de las humanidades y las humanidades necesitarán siempre de las ciencias. Son un complemento las unas de las otras y si le falta una de ellas, el ser humano está incompleto.

También, por supuesto, estas cosas son también un asunto de escalas, rangos, proporciones y necesidades.

Lector, llevo estudiando toda mi vida y ello me ha servido para establecer muy bien el inventario de las cosas que desconozco. No creo que deje de estudiar jamás; el hábito está, profundamente arraigado. Ya no es mérito mío, no; es como el que se ha acostumbrado a beber un vaso entero de agua fría como la primera cosa que hace tras levantarse por las mañanas. Así estudio yo. Es un placer, exige trabajo y exige método. Además, lo que desconozco es mucho mayor que lo que conozco. Sé también que la vida humana es un plazo demasiado corto, que no me va a permitir a lo largo de élla siquiera conocer una mínima parte de lo que todavía ignoro... Pero eso no debe ser motivo para desanimarse:

Si a algo me ha enseñado el estudio de las ciencias y de las humanidades, amable lector, es sobre todo a tener esperanza. Una gran esperanza.

Rafa P.

Interludio 1: La exploración del cielo.

El caballero chino parece que va a tener algún que otro problemilla muy pronto.

La señal que vino a cenar (II)

En 1967 los satélites Vela 4a y 4b captaron lo que se considera el primer destello de rayos gama detectado por los humanos (aunque los investigadores que analizaban los datos no se dieron cuenta de esto sino posteriormente). En la entrada anterior, mostramos algo de la naturaleza de dicho destello.

Las consecuencas del mismo bién pudieran haber sido desvastadoras. La desconfianza era la norma en las relaciones bilaterales de las grandes potencias al más alto nivel y un "¿Eso? No sé, ¿qué es?" sólo hubiera servido para acercar el estado de alerta nuclear a DEFCON 1.

Si algo no disparó las alertas, fue el que se conocían bían las firmas registradas en los detectores de lo que era un ensayo con una bomba nuclear o termonuclear, y lo registrado no entraba dentro de la tipología de dichas firmas. Si algo las activó, fue que después de todo, eso eran rayos gamma, tal vez enmascarados o no por algún medio para burlar la detección, pero eso eran.

Lo que salvó a todos fue que Ray Klebedasel, Roy Olsen e Ian Strong eran científicos del campo de la astronomía buscando determinar radiación de supernovas, aprovechando la oportunidad que se tenía de explorar el cielo desde fuera de la atmósfera.

Debemos hacer aquí una pausa necesaria: ¿Por qué hay que buscar cosas desde fuera de la atmósfera? No tenemos ya excelentes dispositivos de observación ubicados en lugares muy idóneos como Cerro Paranal, el Mauna Kea o en Canarias? ¿Por qués, pues, hay que buscar desde fuera?

Para entender mejor las cosas, se hace necesario ver la -clásica- imagen siguente. En ella se aprecia lo que es el espectro electromagnético, desde las longitudes de onda más cortas, hasta las más largas.

Representación de la atenuación atmosférica del espectro electromagnético a diferentes longitudes de onda.

Mientras más corta sea la longitud de onda, más elevada es su frecuencia. Esta reciprocidad inversa se comprende mejor si se piensa que la velocidad de fase de una onda, esto es, la velocidad a la que ésta se propaga, es igual al producto de su longitud de onda por su frecuencia, esto es:

Siendo λ el valor de la longitud de onda y f el de la frecuencia. Como estamos hablando del espectro electromagnético, esto es de fotones, su velocidad de propagación será siempre la velocidad de la luz, que se representa por c. De la ecuación (1), se deduce rápidamente que

En (1a) y (1b), siendo c un valor constante, se aprecia perfectamente que λ y f son inversamente proporcionales, por lo que si aumenta el valor de uno de ellos, el otro debe disminuir para mantener la proporcionalidad.

La figura anterior se ha dividido en cinco zonas, de a hasta e, en las que mostramos la atenuación de la atmósfera a las diferentes longitudes de onda. La región a muestra el dominio de las ondas ultracortas, región de las ondas con una longitud de onda pequeñísima y por lo tanto de frecuencias muy elevadas: Gigahercios, Terahercios y más. En el extremo opuesto, en la región e, encontramos la región de las ondas ultralargas en las que las longitudes de onda pueden llegar a alcanzar las centenas de metros y aún más.

Como puede verse, la atmósfera terrestre presenta un bloqueo total a ondas ultracortas (ondas de frecuencias elevadas): Esto es y entre otras cosas, a los rayos X y a los rayos Gamma. Algo muy bueno, porque dichos rayos son extremádamente mutágenos (provocan alteraciones en los núcleos celulares) y además provocan una rápida muerte celular masiva, dependiendo de su exposición a los mismos. En suma, son letales para la vida tal como la conocemos. Afortunadamente la atmósfera los bloquea y gracias a ello, podemos vivir.

Si observamos bien la figura anterior, veremos que la atmósfera se abre en su opacidad en la región del denominado espectro visible, esto es, lo que normalmente va desde el ultravioleta hasta el infrarrojo, en b: gracias a éllo, podemos, realizar observaciones astronómicas en el óptico.

Satélites utilizados para la exploración astronómica del cielo, con sus rangos de trabajo.

Lector, te lo prometo: tan sólo con la luz y su estudio basta para amar profundamente a la física. Es algo interrelacionado con todas las cosas, con leyes clásscas, rotundas y magistrales; con profundas aventuras de investigación y que constantemente lleva más, aún más allá... El estudio de la luz nos lleva al estudio de los fotones, de los cuanta, de las paradojas, al estudio de las constantes universales, como la de Planck o la de Stephan-Boltzmann; al estudio de las leyes que relacionan temperaturas y frecuencias para el color, como la ley de Wien... y en suma, las cosas más aparentemente abstrusas, las matemáticas mas extrañas cobran vida propia y se hacen comprensibles cuando son tocadas... por la Luz. Y aún esto, sería apenas arañar la superficie, un superficie de misterios maravillosos, que cobran vida para aquel que ha osado pagar su precio y levantar sus velos. Te lo vuelvo a prometer, lector: si te lo propones, la física cobrará vida delante de tus ojos y te ofrecerá una visión maravillosa, con sólo que desees y sepas ver. Muchos ya son los que han comprobado esto.

Las longitudes de onda se van alargando cada vez más, a partir del infrarrojo hasta las ondas más largas; vemos como se abren ventanas de permeabilidad atmosférica hasta llegar a las ondas de radio, a las que la atmósfera se hace transparente. Esto, de modo relativo, puesto que la atmósfera puede volverse reflectora para las ondas de radio, como un espejo a la luz, de acuerdo a determinadas condiciones.

Pues bien; de todo esto anterior, ahora entenderás una cosa y es que la atmósfera bloquea la radiación de altas energías, como los rayos Gamma y los rayos X. No pueden observarse desde la superficie de la Tierra, porque simplemente, no la traspasan. Esto las hacía muy atractivos para los astrónomos, que buscaban fuentes de radiación de esta clase en los estudios de los satélites.

Lo que se encontró en los resultados de 1967 no se había producido en la Tierra. ¿En el Sol? Tampoco. ¿En alguna estrella? Tal vez... ¿En nuestra galaxia? No sólo en nuestra galaxia.

En 1967 los satélites Vela 4a y 4b captaron lo que se considera el primer destello de rayos gamma generado en el espacio profundo jamás detectado por el ser humano.

Sí, un destello, estallido o como se dice en inglés, un Gamma Ray Burst (GRB). Una violentísima erupción de radiación que atraviesa el universo, la cual tiene su origen en fenómenos violentos de naturaleza más allá de lo imaginable por aquel entonces.

En los años posteriores a su descubrimiento se propusieron cientos de modelos teóricos para explicar estos brotes, tales como las colisiones entre cometas y estrellas de neutrones. En el campo de las altas energías, la ciencia se mueba a partir de modelizaciones a las que se tratan de ajustar los datos. Si estos se ajustan a una serie de modelos dados, es que el origen de los datos sigue dichos modelos.

GRB o Gamma-Ray Burst de más de 30000 cuentas

Había escasa información disponible para verificar estos modelos hasta la detección en 1997 de los primeros rayos X. Los estudios posteriores de las galaxias y supernovas asociados con los GRBs, clarificaron la distancia y luminosidad de estos fenómenos, corroborando definitivamente que tenían lugar en galaxias distantes y que estaban estrechamente relacionados con la muerte de estrellas masivas.

Emisión de materia en M87. En dicha galaxia existe una poderosa fuente de Rayos-X en su centro.

Pronto quedó claro que, provenientes de distintos puntos en el cielo y aparentemente sin ton ni son, llegan a la Tierra breves "chubascos" de rayos gama. Estos son de corta duración, generalmente entre una décima de segundo y 100 segundos y se les comenzó a denominar como destellos de rayos gama. Por razones de seguridad militar, el descubrimiento se mantuvo secreto hasta 1976, cuando finalmente los científicos involucrados publicaron un artículo describiendo a sus colegas el nuevo fenómeno astronómico: los destellos de rayos gama. 

Los detectores de rayos gama colocados en los satélites Vela y otros, eran en aquel entonces bastante limitados en cuanto a su capacidad de determinar de qué punto exacto del cielo provenía el estallido, el destello de rayos gama. Para mejorar esto, en abril de 1991, la NASA (National Aeronautics and Space Agency) puso en órbita un satélite destinado a estudiar los rayos gama provenientes del Cosmos. De hecho, se trataba de un verdadero observatorio de rayos gama en órbita y se le conoció como el Observatorio Compton de Rayos Gama. El satélite honraba la memoria de Arthur H. Compton (1892-1962), quien fue uno de los físicos más importantes de la primera mitad del siglo XX, de los primeros en trabajar con partículas y fotones de rayos gama en el laboratorio. Entre los instrumentos a bordo de este observatorio estuvo de manera prominente uno diseñado para detectar fuentes variables y destellos (en inglés se llamaba BATSE). BATSE fue mucho más sensitivo que cualquier otro instrumento previo y desde su puesta en órbita detectó destellos de rayos gama con una tasa de aproximadamente uno al día.

Mapa de los GRBs detectados por la misión BATSE.

 

Pronto quedó muy claro que los destellos parecen provenir de cualquier parte del cielo, lo cual descalificaba a varios tipos de cuerpos celestes (que no están distribuidos uniformemente por todo el cielo), como los posibles responsables. Después de su honroso desempeño, el 4 de junio del 2000, el satélite Compton fue hecho caer en el océano Pacífico, habiendo registrado 2,704 GRBs en los nueve años que estuvo en órbita. 

Hay una cosa sobre la que quisiéramos llamar la atención: Los rayos Gamma y los X los forman fotones de alta energía. de GEv y de TEv (Gigavoltios y Teraelectronvoltios, respectivamente. En suma, atraviesan la materia con relativa facilidad. Si ello es así, ¿cómo se les puede observar, si atraviesan los instrumentos comunes de observación?

En una próxima entrada nos acercaremos a ésto y a algo revolucionario: la observación de rayos Gamma... ¿en la atmósfera Terrestre?

 

La señal que vino a cenar

La historia, para algunos, es conocida. Corría el año de 1963, de tan infausta memoria, por el pleno recrudecimiento de la Guerra Fría y la crisis de los misiles cubanos. El enfrentamiento entre las dos potencias, Estados Unidos y la Unión Soviética por la supremacía mundial, sea lo que fuere ello, había llegado a niveles muy altos de fricción política.

No confiando demasiado en sus antagonistas y con el objetivo de detectar pruebas nucleares de cualquier clase (y también los lanzamientos de misiles balísticos intercontinentales, los famosos ICBMs), los Estados Unidos comienzan, ese mismo mes de Octubre de 1963, el despliegue de una constelación de satélites muy particular: la serie Vela.

Pero tal vez estamos adelantando algo los acontecimientos. En ese mismo año de 1963, precisamente por el alcance inusitado de las fricciones entre ambas potencias, que llegó a un punto muy cercano del desencadenamiento de hostilidades termonucleares, estas acuerdan, con otros países, la firma de un Tratado Sobre Ensayos de Explosiones Nucleares, el Partial Test Ban Treaty. (Dicho tratado puede consultarse en su totalidad, en su página del Partial Nuclear Test Ban Treaty).

Dicho tratado incluía la limitación de pruebas de artefactos de explosiones nucleares en la Tierra o en el espacio cosa que, independientemente de los riesgos potenciales que implicaba para la vida en el planeta, ponía muy nerviosas a las potencias implicadas.

En la imagen, una de las famosas pruebas nucleares en el Atolón de Bikini, en los años 50.

La constelación de satélites Vela (sí: del español "velar") tenía como propósito fundamental vigilar cualquier aparición de estallidos de radiación en la Tierra o en el espacio. Sus bases operativas son muy simples: Si se produce una explosión nuclear en cualquier parte de la Tierra o del espacio cercano a la misma, el pico de radiación será detectado por satélites dispuestos por parejas en extremos opuestos de su órbita terrestre, poseyendo los detectores adecuados. De este modo, los Estados Unidos tenían un método para determinar si sus adversarios estaban cumpliendo con su parte del tratado.

Las parejas de satélites Vela fueron puestos en órbitas situadas a 250000 kilómetros de la Tierra (antes de que se diga nada: en órbitas de 4 días), de modo que ningún lugar de la Tierra estaba libre de observación constante. Dichos satélites poseían a bordo los adecuados juegos de detectores de rayos X, de rayos gamma y de neutrones. Incluso (por si acaso…), poseían los adecuados detectores de Pulsos Electromagnéticos (EMP) y en suma, de todo lo necesario para monitorizar radiaciones de aparición brusca en la Tierra o en el espacio.

Satélite Vela en su puesto de operaciones. Al fondo, arriba a la izquierda, su compañero.

Fascinante. Los satélites fueron diseñados por personal de la NASA en el laboratorio de Los Alamos en Albuquerque. El propósito de los detectores de rayos X era la detección de dichos rayos provenientes de una explosión nuclear. Pero para una mayor certeza en el diagnóstico, la detección adicional de rayos Gamma  permitiría confirmar la firma auténtica de una explosión nuclear. Para estar aún más seguros, los detectores de neutrones permitirían establecer un diagnóstico definitivo del evento.

Dice una frase popular que "No se puede construir nada a prueba de tontos, porque los tontos son tan listos..." No era éste el caso, no; pero se consideraron muchos escenarios en los que se podría tratar de ocultar los ensayos nucleares por medios ingeniosos, como por ejemplo, realizándolos en la cara oculta de la Luna o utilizando, esto... escudos de blindajes para enmascarar la radiación (sic. Así estaba en los papeles). Por tal razón, los diseñadores de los Vela se aseguraron que los detectores de rayos Gamma en los satélites fueran capaces de buscar radiación Gamma dura, la cual es el resultado a posteriori en la nube radioactiva subsecuente a la explosión. Dicha nube no podría ser "blindada" de la detección y se expandería rápidamente por lo que, incluso si se realizaba en la cara oculta de la Luna, podría ser detectada aún fuera de la visión directa de los satélites.

Pareja de satélites Vela lista para su inspección final. En este caso, el Vela-5b.

Los registros de datos de las parejas de los satélites Vela, como no, sufrían dos clases de escrutínio: el científico, por un lado y el político por otro. Después de todo, quién pagaba, quería los datos para fines muy concretos: espiar si su contraparte (o cualquiera) estaba realizando pruebas nucleares fuera del tratado. Al parecer, todo iba sobre ruedas y la contraparte (y todos) parecía que no estaban haciendo trampas. Así pasaron varios años, hasta que en una revisión científica de los datos, Ray Klebesadel y Roy Olsen, del Los Alamos Scientific Laboratory y en 1972, Ian Strong, descubrieron en los datos de los satélites algo que parecía habérse pasado por alto. Un error, un inmenso error.

Los científicos, para su sorpresa e impresión, descubrieron esto:

Un "burst" inesperado de rayos Gamma. De nada a 1500 cuentas por segundo.

Alguien parecía haber estado haciendo trampas con las pruebas y las explosiones nucleares. Unas trampas muy gordas. Mucho más grandes e impresionantes de lo que todos imaginaban.

(Continuará)

La señal desconocida - II

"PAA-PAA/PII-PII, PAA-PAA/PII-PII…" Ese era el sonido que durante varios días, mientras sus baterías aguantaron, pudieron escuchar quienes sintonizaban las frecuencias de 20.005 MHz y 40.002 MHz. Estas señales provenían de la primera astronave puesta en órbita girando a unos 900 kilómetros de altura alrededor de la Tierra. La astronave era el "Compañero de viaje", o por su nombre en ruso, el Sputnik-1:

Lanzado el 4 de Octubre de 1957, con unas dimensiones de un tamaño doble al de una pelota de baloncesto, el Sputnik-1 fue el primero de todos los dispositivos puestos por el hombre en órbita alrededor de la Tierra. La carrera que ello desató... se hubiera desatado, de todos modos.

Aparte de ser el primer satélite artificial, su señal (a la que remitimos en el video de arriba), fue la primera señal desconocida proveniente desde el espacio, que además creó intensas preocupaciones para muchos. No porque se desconociera su origen, que era conocidísimo (la CCCP); sino que probó la validez de emitir para toda la Tierra desde objetivos difícilmente alcanzables y en unas condiciones inmejorables.

El Sputnik-1 en las etapas previas al lanzamiento.

En efecto, el Sputnik-1 era uno de los satélites orbitales conocidos como de baja cota, pues su altura operativa no llegaba ni a los 1000 km. Por tal razón  y por su baja masa (83.6 kilogramos), su velocidad orbital era elevada. ¿Cómo lo calculamos?

Sabemos que la velocidad orbital de un satélite es aquella que ésta debe tener para que a).- su órbita sea estable (esto es relativo, pero de momento lo despreciaremos) y b).- que la atracción gravitatoria ejercida sobre este por la Tierra produzca una compensación centrípeta que equilibre la energía centrífuga generada por el giro orbital. Esto es, que se cumpla la igualdad:

Ecuaciones que se igualan en el movimiento orbital.

En (1) y (2), r representa al radio de la órbita medida desde el centro de la Tierra (el radio orbital r es igual al de la tierra, Rt, más la altura h, del satélite sobre el suelo); m es la masa del satélite y mT la masa de la Tierra.  El resto de los valores van como:

Siendo, además G el valor de la constante gravitatoria y rT el radio de la Tierra.

Lo anterior, lector, si no te interesan demasiado los cálculos, te diré que puedes obviarlos si lo deseas. Pero realizando los cálculos con cierta precisión, obendríamos que ese pequeño satélite de 83.6 kgs, a una altura promedio de unos 609 kilómetros de altura sobre la superficie de la Tierra, se desplazaba a una velocidad apoximada de 7,558 km/s. De hecho, esta velocidad es la velocidad orbital apropiada para la altura a la que dicho satélite se mueve.

Conociendo el radio de la tierra, de aproximadamente 6400 km y aplicando la fórmula del perímetro de la circunferencia = 2πr, obtendríamos que nuestro planeta tiene un perímetro aproximado de 6.28 · 6400 = 40192 km y si nuestro satélite se desplaza a una velocidad aproximada de 7 kilómetros y medio por segundo (7.558 km/s), el Sputnik-1 daría la vuelta a la Tierra en 5317.8 segundos, o lo que es lo mismo, 5317.8 / 60 = 88.6 minutos.

Esto no es del todo exacto, debido a fluctuaciones en el periodo orbital, a que la Tierra no es un esfera sino un geoide y a que los números que hemos estado utilizando son aproximaciones en beneficio de la claridad; el valor exacto promedio está más cerca de los 100 minutos que de los 90; pero en cualquier caso, puede verse que el Sputnik-1 daba una vuelta alrededor de la Tierra aproximadamente en hora y media.

Lector, no te dejes apabullar por los cálculos. No son tan difíciles y en todo caso, se ponen con un fin particular, aparte del puramente científico: Que pueda verse cómo, con pequeños razonamientos, con "trucos" si lo prefieres ver así y partiendo de cosas conocidas, pueden obtenerse conclusiones, datos y resultados sobre cosas lejanas e inalcanzables. Así funcionan muchas cosas en la Astronomía, muchas.

Cuando era (más) joven, me preguntaba cómo era posible que se conocieran las distancias a las estrellas, o su tamaño, o su composición, si nadie podía recorrer el camino para medirlo o tomar un pedacito de la estrella para analizarlo, siendo las distancias y los tamaños tan, pero tan inabarcables. Con el tiempo aprendí que la historia y la evolución de las ciencias hacen que el hombre aprenda a partir de lo conocido para llegar a lo desconocido partiendo de exóticas y curiosas aplicaciones de lo que sí sabe.

En ese sentido, el universo, el cosmos entero, no deja de enviarnos "señales desconocidas". Éstas lo son hasta que aprendemos a conocerlas e integrarlas con las que sí conocemos. Y se hace de un modo similar al que he explicado. Con orden y método, con paciencia  precisión. Y sobre todo, con un buen ánimo (y a veces un sentido del humor) envidiable.

Despegue del R-7 que transportaba al Sputnik-1

 La serie Sputnik fue primariamente puesta en órbita por cohetes de la clase R-7, también usados como ICBMs en la guerra fría (paradojas de la ciencia...). El 1, al transmitir en la banda de 20 Megahercios, fue perfectamente escuchado por estaciones de radioaficionados de todo el mundo, las cuales dieron testimonio del lanzamiento y del buen funcionamiento de toda la misión, para inquietud del rival en la carrera espacial que acababa de comenzar. Tras el 1, vinieron el 2, con la perra Laika (que falleció a las seis horas del lanzamiento, por fallo de los sistemas de soporte vital), el 3 y todos los demás.

La señal desconocida del Sputnik-1 no era tan simple como parecía: codificados en la duración de sus pitidos y su ritmo, se transmitián los elementos de telemetría. pero para muchos, esta señal era tan sólo un enigma más.

Dejamos, para terminar esta entrada, el video anterior, con los primeros lanzamientos de la serie Sputnik. El espacio poco a poco, desde la Tierra, se estaba llenando de pequeños misterios. Los grandes misterios, estaban y están aún por descubrir.

A Strelka y Belka.

La señal desconocida

Los lectores probablemente no conozcan mi interés por los acertijos, por la electrónica, por la ciencia y por la tecnología. Ello me llevó a estudiar e investigar en muchos campos de dichas áreas, las cuales comparten muchas cosas entre sí.

Una de mis pasiones es la radio. Pero no la habitual radiodifusión de música eventos y noticias (que también), sino la radio desde la onda larga hasta las microondas de Gigahercios. En la onda corta pueden hallarse tesoros, tesoros misteriosos que requieren que su investigador viaje sin moverse. Viajando por entre las frecuencias de radio, dejando atrás a otros compañeros de viaje, un día me topé con algo inesperado, que no había oído antes.

Era esto:  Señal desconocida (pulsar para oir)

Conozco y yo mismo he utilizado, muchos tipos de señales digitales de las empleadas para las telecomunicaciones. Muy pocos saben que entre los precursores del Internet que todos conocen y usan, un grupo reducido de personas ya enviábamos y recibíamos ficheros, datos y en el que chateábamos... por radio. No demasiado deprisa; a 300 baudios, 1.2 Kbd o a 9.6 Kbd. Hoy, un internet "malo" funciona a 1 Mbd y nuestras señales eran mil veces más lentas o más.. Pero funcionaba y nos comunicábamos a largas distancias utilizando la radio, con un protocolo de siete capas llamado AX-25. Utilizábamos otros sistemas, como el morse, el radioteletipo, las señales SITOR...

La tipología de las señales digitales existentes para telecomunicación por radio es muy amplia; pero en todas ellas existe una ley: a mayor densidad de información por unidad de tiempo, mayor ancho de banda ocupa la señal: La radio, al ser sólo sonido, ocupa menos ancho de banda que la televisión, la cual incluye imagen. Dentro de la radio, la telegrafía ocupa mucho menos ancho de banda que la voz hablada: la señal de telegrafía consiste en un único tono de portadora, en una única frecuencia que es entrecortada para conformar puntos y rayas; la voz, sin embargo, es un conjunto de frecuencias y ocupa, por lo tanto un ancho de banda mayor.

Esto nos lleva a otro problema, derivado del anterior: Si nuestra estación transmisora tiene, digamos 100 W de potencia, esta se repartirá sobre todo el ancho de banda en el que tiene que emitirse la señal de información. Es algo lógico y puede verse que la potencia se concentra mucho mejor al emitir una señal de información que ocupe poco ancho de banda que al emitir una con mucho ancho, porque toda la señal de transporte se aplica sobre una información muy concreta. Explicado de otra manera, podemos decir que un sastre que confeccione un traje necesitará menos tela para hacérselo a una persona muy delgada que si se lo hace a una persona muy obesa y corpulenta. En resumen: para transmitir mayor cantidad de información por unidad de tiempo, se requiere más potencia.

Volviendo a nuestra señal misteriosa, tras hacerle un análisis en cascada, la señal desconocida resultó presentar este aspecto como éste:

 El ver el desarrollo de la señal en relación frecuencias-tiempo nos ayudó a confirmar... que seguíamos completamente a oscuras. Durante varios días estuvimos realizando análisis de comparación entre la señal desconocida de referencia y los modos de transmisión digital de señales más usuales. Una tarea minuciosa y necesaria que nos llevó a descubrir que nuestra señal no tenía nada en común con las señales digitales habituales. El proceso nos llevó varios días.

Dado que nuestro enfoque inicial no fue fructífero, probamos al revés: Buscamos los esquemas de análisis de cascada (Waterfall) para ver si nuestra señal de referencia se ajustaba a alguno de los modelos existentes. (Este es el mismo proceso que se lleva a cabo para el análisis de los espectros de Rayos X estelares: compararlos con modelos conocidos y ajustarlos hasta obtener una mínima desviación).

Al hacer ésto, descubrimos que de todas las señales posibles,nuestra señal misteriosa paracía ajustarse como un guante a un tipo de codificación digital llamado JT65, el cual se utiliza para hacer rebotar señales de radio en la Luna, un sistema conocido como emisión EME (Earth-Moon-Earth), el cual es conocido desde hace muchos años. En la imagen siguiente se ve el sistema de antenas en UHF/VHF de la estación EA3BB dispuesto, con motores y sistemas de seguimiento y apuntado a la Luna para comenzar a transmitir.

Estación de EA3BB dispuesta para Rebote Lunar (EME).

Este sistema se utiliza para comunicar dos puntos de la Tierra  normalmente incomunicables. Las ondas de radio sólo se propagan en línea recta y es en las frecuencias más bajas que pueden rebotar en las capas activas de la ionosfera, rebotando entre ésta y el suelo para alcanzar grandes distancias. A partir de determinadas frecuencias más elevadas, la ionosfera es transparente y las ondas de radio la atraviesan, perdiéndose en el espacio.

Para obviar este problema, se ideó el utilzar alguna clase de reflector posible que rebotara desde el espacio la señal hasta la Tierra. Y este "espejo" fue... la Luna.

Las pérdidas de este procedimiento son enormes. Toda energía radiante decrece de forma proporcional al cuadrado con la distancia, por lo que las pérdidas son muy elevadas. Se requiere una señal de poco ancho de banda, como la telegrafía, para que toda la potencia disponible pueda aplicarse sobre la misma. Más modernamente se incorporó un sistema de codificación basado en tonos múltiples, emitidos a una frecuencia muy, muy lenta, al que se le conoció como JT65.

La información completa sobre este modo puede encontrarse en The JT65 Digital Mode.

Con esta pequeña historia, abrimos algo mucho más interesante: Que sucede cuando esas señales de radio que no sabemos lo que son, vienen del espacio? ¿Es posible?

En alguna ocasión no demasiado lejana, esas señales del espacio estuvieron muy cerca de desencadenar una terrible crisis nuclear en medio de la guerra fría.

Pero eso será otra historia. Otra entrada, de la que hablaremos muy pronto.

Rafa Padilla.

Comienzo - Principia

Los finales de unas cosas suelen ser los comienzos de otras. Hoy termina, con la última sesión de defensas el Máster de Astronomía y Astrofísica que yo terminé el pasado octubre.

Este día de finales de cosas, es también el día del principio de otras cosas, como este blog. En el pretendo reflejar hechos, acontecimientos, eventos e ideas relacionados con el mundo que me ha tenido inmersamente ocupado a lo largo de los últimos dos años.

Bueno, no; a lo largo de toda mi vida desde que tengo recuerdos. La ciencia siempre me pareció una herramienta muy atractiva y una manera de conocer el por qué las cosas son como son.

Una vez, conocí a una mujer que había estudiado la carrera de Química, con su correspondiente especialización porque había llegado a la conclusión de que no conocía nada del universo ni de la naturaleza y quería conocer en profundidad todas las cosas. ¿Una motivación equivocada? Muchos diríamos que no lo era. Al terminar su carrera, se hallaría en un buen punto de partida para lograr su propósito. Y esa es precisamente nuestra visión de este blog.

Querido lector: deseamos y esperamos que este blog sea también para tí una herramienta de conocimiento que te acerque a un mundo enormemente bello. Que te motive a participar, a hacerte preguntas y a buscar respuestas. Si siquiera conseguimos esto en una pequeña parte, podemos en verdad llegar a darnos por satisfechos.

Terminado en el día del final y del comienzo.