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Estrellas de neutrones: pequeñas, densas y superfluidas

 
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Dany Pierre Page Rollinet, del Instituto de Astronomía de la UNAM.
Dany Pierre Page Rollinet, del Instituto de Astronomía de la UNAM.

2 de junio de 2011
• Con una masa hasta dos veces mayor que la del Sol, tienen apenas 20 kilómetros de diámetro, y una de ellas, cabría en una ciudad, afirmó Dany Page, del Instituto de Astronomía de la UNAM
• En su interior tienen un singular estado de la materia, superfluido, donde no hay viscosidad ni fricción
• De ellas, escapan los neutrinos, partículas elementales sin carga eléctrica, cuya masa es tan pequeña que no ha podido medirse

Las estrellas de neutrones son pequeñas, densas, muy energéticas y dentro de ellas, la materia tiene un singular estado: la superfluidez, donde no hay viscosidad ni fricción, afirmó Dany Page, investigador del Instituto de Astronomía (IA) de la UNAM.

Tienen una masa hasta dos veces mayor que la del Sol, pero son del tamaño de una urbe, como de 20 kilómetros de diámetro.

Page hizo un cálculo para explicar la densidad de estos objetos celestes. “Podríamos tomar todos los edificios de la Ciudad de México, Puebla, Toluca y Cuernavaca, y concentrarlos a esa densidad: cabrían en una cucharita sin llenarla. Estamos seguros que las estrellas de neutrones existen y alcanzan estos niveles. Pero ¿de qué está hecha la materia a esas densidades?”, cuestionó.

Fascinado por su singularidad, el universitario viró de la física de altas energías, a la astrofísica, en el momento en que, el 23 de febrero de 1987, se observó una supernova, la primera visible al ojo desde el tiempo de Kepler, y el nacimiento de una nueva estrella de neutrones.

“Fue un mensaje del cielo”, dijo, tras confirmar que actualmente se conocen alrededor de dos mil 500 de ellas, aunque los astrónomos estiman que en la Vía Láctea hay cientos de millones, es decir, que cerca del uno por ciento de las estrellas de nuestra galaxia son de neutrones.

“Unas dos mil se conocen porque emiten ondas de radio, y hay otras, entre 300 y 500, que no emiten en radio y se captan con rayos X porque son muy energéticas”, indicó.

Composición

Respecto a su conformación, algunas estrellas de neutrones están solas, otras tienen una compañera y acrecientan material de ella. Algunas son jóvenes y todavía emiten radiación por su alta temperatura, o emiten pulsos en ondas de radio, por lo que se llaman pulsares. Las que acrecientan materia de su estrella compañera se vuelven tremendamente calientes, y comúnmente el material acrecentado produce explosiones termonucleares, llamados estallidos de rayos X, explicó.

Estos astros nacen si muere una estrella masiva. “Una estrella normal está principalmente formada con hidrógeno y helio, y durante su vida transforma estos en elementos cada vez más pesados. Las que tienen una masa superior a unas 10 veces la del Sol, alcanzan a producir hierro en su núcleo, que crece cada vez más, y llega un momento en que la gravedad que produce este núcleo denso es tan fuerte, que la materia no aguanta la fuerza y se empieza a colapsar. Este colapso del núcleo de hierro produce una estrella de neutrones e induce una gigantesca explosión del resto de la estrella”.

Este último proceso se observa como supernovas, pero el desplome forma la característica concentración muy energética en pocos kilómetros, algo muy pequeño para su densidad y el tamaño habitual de esos cuerpos celestes. “Una vez formadas, son casi indestructibles”, afirmó Page.

La revelación de Cassiopeia A

En su tesis doctoral, Page se percató de la importancia de la superfluidez en la evolución de las estrellas de neutrones. “Son las únicas que presentan ese fenómeno, que también se puede reproducir en laboratorio, pero a muy bajas temperaturas, a unos pocos grados Kelvin, muy cerca del cero absoluto”, abundó.

Si se reproduce en un laboratorio, un superfluido capturado en un tubo cerrado corre ininterrumpidamente sin perder energía por fricción, pues no es viscoso.

En altas temperaturas, ese estado se produce en sistemas de enorme densidad y alta energía, como la estrella de neutrones Cassiopeia A, con la que Page y sus colaboradores del IA, por un lado, y un grupo de colegas rusos, por otro, comprobaron la superfluidez a inicios de este 2011.

La revelación de Cassiopeia A significó para el investigador pasar de la teoría a la práctica, pues la superfluidez se estudia teóricamente hace más de 50 años, pero ahora Dany Page, en la UNAM, y sus colaboradores, y el grupo de Peter S. Shternin, del Instituto Físico-Tecnológico Ioffe de San Petersburgo, Rusia, observaron el singular fenómeno en Cassiopeia A, una estrella de neutrones ubicada a 11 mil años luz de distancia, en la vecindad del Sistema Solar.

Cassiopeia A, que se observó con el telescopio de rayos X del satélite Chandra, se ubica en el centro del remanente de una supernova, es decir, una estrella en agonía que para morir explotó hace 330 años (muy poco tiempo en términos astronómicos), y es la estrella de neutrones más joven conocida.

Estudio de neutrinos

La superfluidez de las estrellas de neutrones acentúa la emisión de neutrinos, partículas elementales sin carga eléctrica, cuya masa es tan pequeña que no ha podido medirse. Los neutrinos se originan en condiciones muy especiales y, una vez producidos, no interactúan con la materia, por lo que el Universo es casi transparente para ellos.

Las reacciones nucleares que proporciona la energía del Sol (fusión del hidrógeno en helio) también produce neutrinos: millones de ellos nos atraviesan cada segundo sin que nos enteremos, y luego la Tierra, sin que ellos se den cuenta.

Los neutrinos son una fuga de energía en las estrellas, pues una vez producidos se escapan y se llevan energía.

En algunos casos, como en las estrellas de neutrones jóvenes, la pérdida de energía por neutrinos, desde el interior de la estrella, supera mucho la pérdida de energía debida a la emisión de fotones, desde la superficie de la estrella. “Para explicar el enfriamiento rápido observado en Cassiopeia A, necesitamos una pérdida que supere a la de los fotones por una factor 10 mil: sólo los neutrinos pueden hacer esto”, comentó Page.

Para formar un superfluido, los neutrones tienen que aparearse; forman “pares de Cooper”. Se puede comparar este proceso a un baile en una fiesta de adolescentes: las parejas se forman, se separan, y otras lo vuelven a hacer. Si un “par de Cooper” de neutrones se forma puede emitir un par de neutrinos y la repetición del proceso resulta en una enorme pérdida de energía, que explica el enfriamiento rápido observado en esta joven estrella de neutrones en Cassiopeia A.

Para mayor información, visitar las siguientes ligas: APS (American Physical Society), artículo “A Stellar Superfluid” http://physics.aps.org/viewpoint-for/10.1103/PhysRevLett.106.081101

RAS (Royal Astronomical Society), artículo “Superfluid and Superconductor discovered in a star’s core”
http://www.ras.org.uk/news-and-press/217-news2011/1925-superfluid-and-superconductor-discovered-in-a-stars-core

NASA, artículo “NASA’s Chandra Finds Superfluid in Neutron Star’s Core”
http://chandra.harvard.edu/photo/2011/casa/

Science@NASA en YouTube, artículo “ScienceCasts: Superfluids”

Créditos: UNAM-DGCS-325-2011/unam.mx

Luis Felipe Rodríguez Jorge, iniciador en México de la radioastronomía

 
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Luis Felipe Rodríguez Jorge, investigador emérito de la UNAM, y académico y fundador del CRyA de esta casa de estudios.
Luis Felipe Rodríguez Jorge, investigador emérito de la UNAM, y académico y fundador del CRyA de esta casa de estudios.

20 de mayo de 2011

• Otorga la UNAM emeritazgo al fundador del CRyA

La UNAM distinguió como investigador emérito a Luis Felipe Rodríguez Jorge (Mérida, 1958), académico y fundador del Centro de Radioastronomía y Astrofísica (CRyA).

Interesado en el nacimiento y juventud de las estrellas es el iniciador en México de la radioastronomía, disciplina basada en el estudio con ondas de radio, que se inició en el mundo en la década de los 30, y que él trajo al país en 1979, al regreso de su doctorado.

Para impulsar esa área y participar en la descentralización de esta casa de estudios, el universitario encabezó un equipo de expertos, que se separó del Instituto de Astronomía (al que estuvo adscrito desde el inicio de su carrera académica, y que dirigió entre 1980 y 1986), para crear el CRyA, en el campus Morelia.

Hace unos meses, el astrónomo recibió otro honor de esta casa de estudios, el doctorado honoris causa. “Me siento muy contento, pues es la Universidad Nacional la que me reconoce como miembro distinguido de una comunidad de por sí distinguida. Me llena de gusto no sólo a mí, también a mis colegas del CRyA y a mi familia”, dijo.

En Estados Unidos, el concepto de emérito es distinto, es una manera decorosa de jubilarse, “pero en la UNAM el emérito todavía está activo, así que es muy grato recibirlo aquí”, comentó Rodríguez Jorge, que cursó la licenciatura en Física en la Facultad de Ciencias, y el doctorado en Astronomía en la Universidad de Harvard.

Edad de oro

En el siglo XXI, la astronomía avanza a pasos agigantados, en especial la radioastronomía y la interferometría, rama de esa disciplina que se desarrolla en el CRyA, que utiliza muchas antenas de manera simultánea y que experimenta el inicio de lo que será una “edad de oro”, indicó.

Este crecimiento se impulsa con dos grandes proyectos mundiales: el interferómetro ALMA o Gran Arreglo Milimétrico de Atacama, que se construye en el Desierto de Atacama, en Chile, y el interferómetro VLA (Very Large Array), ubicado en Nuevo México, Estados Unidos, y que despliega un nuevo alcance como VLA expandido.

En ambos equipos, los expertos de la UNAM podrán realizar investigación. “Estos instrumentos permitirán un gran avance en los próximos 20 ó 30 años”, consideró.

La radioastronomía, muy recurrida para estudiar el nacimiento de estrellas y fenómenos como el origen del cosmos, atraviesa a donde la astronomía óptica no puede llegar, “si se interpone entre el objeto y nosotros, una nube opaca a la luz”.

“También, con el uso de la astronomía óptica se ven cosas que en radioastronomía no podemos captar. Por ello, la astronomía se concibe ahora como una empresa multibanda o multifrecuencia, donde un mismo fenómeno se aborda con todos los instrumentos posibles y nos ofrece un panorama más completo de lo que es el Universo”, abundó.

Origen de estrellas gigantes

ALMA es el equipo de radioastronomía más grande del mundo, con una inversión sin precedente para telescopios en la superficie de la Tierra, de mil 400 millones de dólares, aportados por un conglomerado de países (Norteamérica con Estados Unidos, Canadá y México; el Observatorio Austral Europeo con casi todas las naciones del viejo continente, y un consorcio de Japón y Taiwán con representación de Asia).

Rodríguez Jorge utilizará el interferómetro ALMA (que en diciembre estará disponible con 16 de las 60 antenas de 12 metros cada una, que lo conformarán a fines de 2012) para estudiar el origen de las estrellas gigantes.

“Me interesa entender cómo es su formación. En los últimos 20 ó 30 años se ha avanzado mucho en entender cómo se crean cuerpos celestes como el Sol, que son medianos o pequeños. Se sabe que provienen de nubes de gas, que se contraen gravitacionalmente, forman un disco (llamado de acreción) y en el centro está lo que será la estrella, que crece gracias al gas que cae al disco y de ahí a la estrella”, explicó.

En cuanto a las gigantes, la primera idea señala que se generan mediante el mismo mecanismo, pero “a lo grande”, aunque esa idea no es clara. No se ha podido demostrar que estén rodeadas de esos discos, quizá porque no hay los instrumentos adecuados para este estudio. En nuestro proyecto buscaremos discos alrededor de estrellas enormes en formación, detalló.

Amplia trayectoria

Miembro de El Colegio Nacional, Luis Felipe Rodríguez Jorge ha recibido múltiples premios, entre ellos, el Nacional de Ciencias y Artes (máximo galardón que otorga el gobierno mexicano; el Robert J. Trumpler de la Astronomic Society of Pacific; el Bruno Rossi de la American Astronomic Society, y el Premio en Física de la Third World Academy of Sciences (TWAS).

Investigador nacional nivel III del SNI, es autor de cerca de 400 artículos científicos arbitrados y ha recibido más de 13 mil citas en la literatura especializada.

Sus trabajos han merecido en dos ocasiones la portada de la revista Nature. Es el único astrónomo iberoamericano que aparece en la lista de los científicos más citados del mundo. Ha dado más de 200 conferencias de astronomía, tanto a nivel profesional como de divulgación. De ellas, 27 han sido reseñas plenarias en conferencias internacionales.

Créditos: UNAM-DGCS-296-2011/unam.mx

Enrique Anzures Becerril, con la vista puesta en las estrellas

 
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Por su actividad constante, el joven es conocido en el Instituto de Astronomía como Spin Boy.
Por su actividad constante, el joven es conocido en el Instituto de Astronomía como Spin Boy.

6 de marzo de 2011

• El estudiante de 25 años obtuvo el segundo lugar en el Premio de la Juventud 2010, de la Asamblea Legislativa del DF, por sus múltiples iniciativas de promoción de la ciencia

Enrique Anzures Becerril estudia el sexto semestre de Física en la Facultad de Ciencias de la UNAM, es técnico en sistemas computacionales, ayudante de investigador en el Instituto de Astronomía (IA), becario del Conacyt y, por si fuera poco, hace unos días recibió el segundo lugar en el Premio de la Juventud 2010, otorgado por la Asamblea Legislativa del DF, en reconocimiento al impacto social que han tenido sus múltiples iniciativas de promoción de la ciencia.

A sus 25 años, ha impulsado diversos proyectos relacionados con el conocimiento científico. De los más recientes, destacan el desarrollo del programa de divulgación científica, Cosmowiki, una página web sobre los trabajos de astronomía desarrollados en el país, “una especie de sección amarilla del rubro”, explicó.

Como miembro de la Sociedad Mexicana de Astronomía (SMA), Enrique se ha dedicado a organizar cursos y conferencias, y recientemente ha hecho gestiones para que el IA, la presidencia municipal de Chapa de Mota y la SMA desarrollen un plan de “ecoturismo astronómico”. Además, en esa jurisdicción hay dos preparatorias públicas para las que ha negociado la donación de 30 telescopios.

En total, ha logrado que las empresas hayan otorgado más de 300 aparatos para distintas instituciones de educación pública a nivel bachillerato, tanto en estados de la República como en el DF, y que así los jóvenes se asomen al cosmos.

En las ediciones de la Noche de las Estrellas, Enrique ha apoyado a los capacitadores de los voluntarios que atienden al público.

Suele decir que desde pequeño era muy inquieto, “y aún sigo dando lata, tanto, que en el Instituto de Astronomía la doctora Irene Cruz (miembro de la Junta de Gobierno de la UNAM) me puso por apodo Spin Boy”.

Esta capacidad de “moverse”, en todos los sentidos, lo ha llevado a reclutar para sus iniciativas a miembros destacados de la comunidad académica, muchos de los cuales le doblan la edad. “No tengo temor de hablarle a un niño o a un académico mucho mayor que yo. Siento un respeto profesional por lo que hacen, pero también los veo como son, humanos, ni mejores ni peores como personas”.

¿Los jóvenes deben esperar a que les den las oportunidades? Al respecto, Enrique considera que “debemos entender que la competencia es cada vez más dura. Hay que estar mejor preparado, participar más, construir tu propio futuro. Si quieres alcanzar aquello que más te gusta, no puedes estar tirado en el sillón sin hacer nada”.

Sí, Enrique va a antros, le gusta pasear y las chicas. “Si administras tu tiempo puedes realizar todo”, explica, pero hay que tener paciencia, pensar y luego actuar. “Le doy su tiempo a los estudios, a mis proyectos y a mi vida social”.

Después de recibir el reconocimiento de la Asamblea Legislativa del DF se dice feliz, ¿por el premio?, “¡no!, sino porque mi mamá, Carmen, mi cómplice, se acaba de recibir de licenciada en Economía”.
Créditos: UNAM-DGCS-131-2011/unam.mx

Discos y chorros participan en el nacimiento de estrellas

 
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Como parte del centenario de la Universidad Nacional, Luis Felipe Rodríguez Jorge, quien recibirá por parte de esta casa de estudios el doctorado honoris causa, ofreció una conferencia magistral en el auditorio París Pishmish del Instituto de Astronomía.
Como parte del centenario de la Universidad Nacional, Luis Felipe Rodríguez Jorge, quien recibirá por parte de esta casa de estudios el doctorado honoris causa, ofreció una conferencia magistral en el auditorio París Pishmish del Instituto de Astronomía.

22 de septiembre de 2010

• Previo a la recepción del doctorado honoris causa por la UNAM, Luis Felipe Rodríguez Jorge ofreció la conferencia magistral Desarrollos recientes en formación estelar, ofrecida en el Instituto de Astronomía (IA)

Las estrellas nacen de enormes nubes de gas y polvo que abundan en el Universo; una parte de nube se contrae lentamente, a lo largo de millones de años, hasta condensarse y formar un nuevo objeto celeste.

En el proceso de formación, a la protoestrella la rodea un disco, llamado de acreción, que alimenta al objeto central y transporta gas y polvo, afirmó Luis Felipe Rodríguez Jorge, investigador y fundador del Centro de Radioastronomía y Astrofísica (CRyA) de la UNAM.

En la conferencia magistral Desarrollos recientes en formación estelar, ofrecida en el Instituto de Astronomía (IA) con motivo de su investidura como doctor honoris causa por la UNAM, Rodríguez añadió que en la formación estelar también participan chorros que remueven flujo magnético, producen flujos moleculares y permiten que continúe la acreción, o desarrollo del cuerpo celeste.

Ambos elementos, discos y chorros, se han detectado en la formación de estrellas de baja masa, pero en sus nuevos estudios, el astrónomo universitario, miembro de El Colegio Nacional, busca identificarlos en las estrellas de alta masa.

“Una pregunta importante es si las estrellas de alta masa se forman como una simple extensión del proceso de disco-chorro que forma a las de baja masa o si otros elementos están presentes”, señaló en el auditorio Paris Pishmish de Astronomía.

Por ello, desde que regresó de su doctorado en la Universidad de Harvard en la década de 1970, ha impulsado la investigación sobre formación estelar mediante la radioastronomía, área en la que es precursor en México y la que utiliza ondas de radio capaces de atravesar las zonas opacas a la óptica, para detectar diversos procesos astronómicos.

“Afortunadamente, las décadas recientes han presenciado un crecimiento notable en las astronomías que captan ondas infrarrojas y de radio y esto ha mejorado el trabajo observacional. Si bien el polvo que existe en las nubes de las cuales se forman las estrellas es muy opaco a la luz, resulta bastante transparente a las ondas infrarrojas y de radio”, añadió.

En sus estudios recientes, Luis Felipe Rodríguez analiza nuevos elementos en la formación de estrellas de alta masa, entre ellos flujos de ángulo ancho y una posible emisión polarizada de chorros.

Créditos: UNAM. DGCS-559/unam.mx

Estudian estrellas jóvenes con simulaciones matemáticas

 
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Alejandro Raga Rasmussen, investigador del Instituto de Ciencias Nucleares de la UNAM.
Alejandro Raga Rasmussen, investigador del Instituto de Ciencias Nucleares de la UNAM.

4 de mayo de 2010

• El modelo numérico de Alejandro Raga Rasmussen, del Instituto de Ciencias Nucleares, analiza flujos de gas y discos de acreción en una matriz con dos mil celdas, donde se representan mil iones por centímetro cúbico
• Su abordaje computacional indaga cómo interactúa el gas eyectado de esos cuerpos celestes con el medio interestelar

Estudiar objetos gigantes, de la dimensión de una estrella y hasta de una galaxia, es un reto para los científicos, pero lo es más, si los astros no se analizan observándolos directamente con un telescopio, sino indagando algunos de sus elementos con matemáticas y computación.

Por un atajo original y complejo, el astrónomo Alejandro Raga Rasmussen, investigador del Instituto de Ciencias Nucleares (ICN) de la UNAM, ha encontrado en las simulaciones matemáticas un abordaje novedoso para “tomarle el pulso” a dos elementos característicos de las estrellas nacientes y jóvenes: los discos de acreción y los flujos bipolares.

Un disco de acreción es una estructura que rodea a una estrella en formación; su función es nutrir al cuerpo central y contribuir al aumento de su masa.

En tanto, los flujos bipolares (o jets) son chorros de gases que la estrella lanza al medio interestelar mientras se forma. Parte de la materia que constituye a un nuevo cuerpo celeste es expulsada en forma de chorros bipolares, que salen simultáneamente del centro del astro hacia dos lados opuestos.

La simetría entre ambos flujos, y su relación entre dos astros que componen un sistema llamado de “estrellas binarias”, son parte de la materia de trabajo de Raga, quien analiza estas características en cuadrículas matemáticas.

Del espacio a la simulación

En el Departamento de Física de Plasmas y de Interacción de Radiación con la Materia, Alejandro Raga y su grupo abordan las formas, simetrías y direcciones de esos flujos bipolares para indagar la formación de las estrellas a través de la dinámica de gases.

En la conferencia “Simetrías especulares y de punto en flujos bipolares”, ofrecida en el auditorio Tlayólotl del Instituto de Geofísica (IGf), Raga explicó que, desde 1995, ha desarrollado simulaciones numéricas para estudiar esos flujos astrofísicos.

Con su modelo aborda, por ejemplo, la teoría del transporte radiativo, o teoría de la radiación, herramienta matemática que ayuda a entender la interacción de la materia y la energía.

“Desde 1995, en mi grupo desarrollamos el Código Coral, para estudiar la dinámica de gases, la química y el transporte radiativo. Para el año 2000 avanzamos con Yguazú, modelo que incluyó malla adaptativa en dos y tres dimensiones”, recordó.

A partir de 2008, Raga y sus colaboradores utilizan varios códigos, como MHD y Walicxe para indagar, con nuevos algoritmos y transporte radiativo, problemas astrofísicos de alto nivel.

“Nuestros códigos funcionan como una cuadrícula con dos mil celdas, donde se representan mil iones por centímetro cúbico”, señaló.

Para su investigación, que requiere gran capacidad de cómputo, el astrónomo utiliza un grupo de computadoras que trabajan de manera paralela con 100 cores y memoria RAM distribuida.

Con la teoría de la dinámica de gases, el investigador del ICN explica varios fenómenos que involucran fluidos con velocidades altas.

“Para entender las propiedades de estos flujos hemos desarrollado un modelo analítico para poder comparar el modelo con las observaciones. Para eso utilizamos simulaciones numéricas”, finalizó Raga, mientras mostraba representaciones gráficas del momento de la eyección de chorros de gas durante la formación de una estrella.

Créditos: UNAM. DGCS -272/unam.mx