Los misterios del universo asimétrico

LA MATERIA Y LA ANTIMATERIA
Una incógnita de la física: ¿Es nuestro universo el sobrante de la aniquilación de materia y antimateria? La investigación antimateria ha hecho grandes progresos en los últimos tiempos

Por Tomás Unger

Aunque difícil de imaginar, todo el universo que conocemos consta de átomos, los que son, en más del 90% de su volumen, espacio vacío. No importa si son de hidrógeno o de uranio*, constan de solo tres clases de partículas: protones y neutrones, que forman el núcleo, y electrones que giran alrededor de él. El protón tiene carga positiva y el electrón carga negativa. Las galaxias más lejanas contienen los mismos elementos que forman nuestro sistema solar y constan de las mismas partículas subatómicas.

EL SIGNO CONTRARIO
Se van a cumplir 80 años de la fecha en que el físico inglés Paul Dirac, tras formular una ecuación para el electrón, que lleva su nombre, postuló la existencia de antimateria, el positrón, un electrón con carga positiva. En 1932, el físico Carl Anderson detectó, en la colisión de rayos cósmicos, electrones con carga positiva. Ese año, Dirac recibió el Premio Nobel de Física. La teoría de Dirac preveía cargas eléctricas diversas de antimateria, lo que se confirmó en 1955 cuando los físicos Emilio Segré y Owen Chamberlain detectaron, en el laboratorio de la Universidad de California, el antiprotón.

Hace 10 años, los científicos del Laboratorio CERN, de la Comunidad Europea, lograron crear 11 átomos de antihidrógeno, el elemento más liviano, cuyo núcleo es un antiprotón orbitado por un antielectrón (positrón). Esta fue la primera evidencia de la antimateria, un elemento con la misma masa del hidrógeno, pero con carga inversa. En aquella ocasión, el átomo de antihidrógeno sobrevivió solo 40 millonésimas de segundo.

COLISIÓN Y ANIQUILAMIENTO
En los 10 años transcurridos desde que se lograron producir los primeros átomos de antihidrógeno, la investigación en el campo de la antimateria ha hecho grandes progresos. Se ha confirmado que las antipartículas se producen en todo el universo cuando hay colisiones. Las producen los rayos cósmicos, y los choques de partículas a gran velocidad también producen rayos gamma. La materia y la antimateria, al encontrarse, se anulan mutuamente liberando una gran cantidad de energía. A igualdad de peso este aniquilamiento libera 10.000 millones de veces más energía que una reacción química y más de 100 veces más que una nuclear.

Un kilo de antimateria que choca con un kilo de materia libera 134 veces más energía que la fusión del mismo peso de hidrógeno, el equivalente de 43 millones de toneladas de dinamita, 134 veces más que una bomba nuclear de hidrógeno del mismo peso. La mitad de esta energía se la llevan los neutrinos emitidos en el evento, partículas sin carga que atraviesan la materia a velocidades cercanas a las de la luz.

Aunque sería una fuente de energía poderosa, la antimateria es muy difícil de obtener. Hasta ahora se han producido solo unos cientos de átomos, que se han logrado mantener hasta 10 segundos. Se cree que con el nuevo acelerador lineal del Cern se podrá producir más. Aun así, produciendo 10 millones de antiprotones por segundo demoraría mil millones de años producir un gramo de antihidrógeno. Por el momento no parece que la antimateria sería una alternativa a la crisis energética.

FALTA DE SIMETRÍA
Desde el descubrimiento del positrón, uno de los temas favoritos de la ciencia ficción es un antiuniverso, paralelo al nuestro, formado por antipartículas. Hoy una de las preguntas no resueltas de la física es por qué el universo consta casi exclusivamente de materia. De acuerdo con la teoría del origen del universo, durante los primeros instantes del Big Bang la simetría, o 'paridad' de carga, llamada CP, debió producir igual número de partículas con carga positiva y negativa. Al encontrarse ambas, se cancelarían y el universo constaría hoy solo de fotones (luz sin carga eléctrica). Como este no es el caso, las leyes de la física debieron actuar en otra forma, creando la asimetría que hace posible el universo que conocemos.

En una serie de experimentos sobre la forma en que decaen las partículas subatómicas, los físicos James Croning y Val Fitch descubrieron que esta paridad o simetría no se mantiene, descubrimiento que les valió el Premio Nobel de Física de 1980. Esta asimetría explicaría por qué una pequeña parte de las partículas generadas por el Big Bang sobrevivió el aniquilamiento mutuo de materia y antimateria formando el universo que conocemos. Esta explicación supone que el Universo actual es solo la pequeña fracción residual de lo originado en el Big Bang.

EL UNIVERSO PARALELO
A muchos no les satisface la idea de que nuestro universo es el residuo de un aniquilamiento masivo de partículas, que no conservó la simetría. La alternativa serían dos universos; uno, el nuestro, con átomos formados por protones y electrones y otro con átomos de antiprotones y positrones. El problema es que este universo no podría compartir el espacio con el nuestro porque, al encontrarse, los átomos con signos opuestos se aniquilarían. Esto no ha impedido que se especule sobre la existencia en algún lugar (¿otra dimensión?) del antiuniverso.

A esta interrogante, que aún no tiene una respuesta satisfactoria, la cosmología debe añadir la materia y energía oscura (ver esta página del martes 26 de setiembre del 2006), que compone más del 90% del universo, cuya naturaleza desconocemos. Por el momento, no se ha encontrado una relación entre ambas interrogantes. El avance de nuestros conocimientos y el progreso de la física experimental nos han permitido comprobar que la antimateria existe, y crear --aunque solo por unos segundos-- átomos de antimateria que fueron pronosticados teóricamente 70 años antes.

Sin embargo, paralelamente a nuestros conocimientos, surgen nuevas incógnitas. A medida que contamos con más medios para observar el universo, descubrimos fenómenos para los cuales la física actual no tiene explicación. Por el momento la teoría del Big Bang sigue en pie y las cifras sobre la edad, densidad y velocidad de expansión del universo son congruentes. Lo que no sabemos es por qué está ahí, desafiando la ley de la simetría, por qué se expande más rápido de lo que debiera y de qué consta en el 96%. No es poco lo que nos falta saber.

* El hidrógeno tiene un electrón y peso atómico 1. El uranio tiene 92 electrones, es siete veces más grande y tiene un peso atómico 235.

Encuentro muy cercano con Apofis

 ¿IMPACTO PROFUNDO?
Dentro de 23 años el asteroide Apofis pasará muy cerca de la Tierra y de ello depende si será un peligro en el 2036. Astrónomos seguirán con atención las evoluciones de este cuerpo celeste

Por Tomás Unger

Alrededor de la Navidad del 2004 los astrónomos habían trazado con bastante precisión la órbita y ya no cabía duda de que el asteroide pasaría cerca de la Tierra. Entonces todavía no se conocía su tamaño, que se estimaba entre 200 y 1.500 m., con el potencial de crear una catástrofe mundial. Esto no causó gran revuelo, pues por una parte los astrónomos fueron muy prudentes con la información y, por otra, el devastador tsunami del 26 de diciembre acaparó los titulares. Con observaciones posteriores se fueron afinando los datos y en esta página, el 10 de mayo del 2005, publicamos la información obtenida hasta entonces.

EL DESTRUCTOR
En el tiempo transcurrido las observaciones han aumentado y el asteroide 2004MN4 ha sido rebautizado Apofis, nombre griego del dios destructor egipcio Apep. Mientras tanto, se han llevado a cabo observaciones que permitieron conocer mejor la naturaleza de Apofis y ajustar su órbita.

El laboratorio de física del MIT ha analizado las vistas tomadas en el espectro cercano al infrarrojo, llegando a la conclusión de que Apofis es un meteorito. Esto es, un meteorito típico que no ha sufrido fusión y que consta de gránulos de aproximadamente un milímetro (como arena), acumulados en el espacio. Por lo general, los asteroides llamados condríticos contienen el mineral olivina (silicato de hierro y magnesio) y piroxena (silicato de aluminio con otros metales).


Este descubrimiento ha permitido calcular con bastante precisión la cantidad de luz solar que refleja el asteroide (albedo) y con esto su tamaño. El Apofis no es una esfera; se cree que su forma es ovoide y su diámetro mayor es de unos 320 m. Por su tamaño y constitución, el asteroide debe tener una consistencia muy frágil, ya que la gravedad es mínima. Esto hace pensar que al pasar junto a un planeta masivo puede romperse en pequeños fragmentos, como fue el caso del cometa Shoemaker-Levy 9 que al pasar junto a Júpiter se desintegró y cayó sobre el planeta. Se cree que la Tierra no es lo suficientemente grande para desintegrar ni hacer caer al Apofis.

AJUSTE DE ÓRBITA
Cuando publicamos la información sobre el entonces asteroide 2004MN4, los últimos datos obtenidos eran por astronomía óptica. Más tarde se logró hallar fotografías astronómicas tomadas con anterioridad y durante el 2005 el gran radiotelescopio de Arrecibo, en Puerto Rico, logró ubicar al Apofis con radar. Esto demostró que algunos puntos de las posiciones obtenidas por observaciones ópticas estaban errados. Al calcular nuevamente la órbita de Apofis resulta que las cifras originales estaban equivocadas. Ahora sabemos que el 13 de abril del 2029 el Apofis pasará a solo 37.000 km de la Tierra, esto es a menos de seis radios terrestres, cerca de nuestros satélites de comunicaciones.

MARGEN DE ERROR
De acuerdo con todos los cálculos hechos hasta ahora, el margen de error sobre la distancia a la cual pasará Apofis en el 2029 es de 3.357 km. En todo caso cruzará Europa Central hacia el este y la noche del 13 de abril del 2029 se verá durante una hora como una estrella de tercera magnitud, durante su mayor acercamiento a la Tierra. Con el margen de error existente hoy no sabemos exactamente a qué altura pasará Apofis. De esto depende su órbita cuando regrese en el 2036.


En su paso por la Tierra en el 2029, nuestro campo gravitacional alterará su curso en unos 28º, lo que hará que su órbita aumente. Actualmente el Apofis orbita al Sol en 323 días, cruzando dos veces la órbita terrestre. Después de su encuentro con la Tierra en el 2029, su órbita se extenderá a 426 días, lo cual postergará su segundo cruce con la órbita terrestre al 13 de abril del 2036. El punto exacto por donde pase el asteroide en el 2029 determinará la órbita precisa por la que volverá siete años más tarde.


Si dentro del margen de error de 3.357 km, el Apofis pasara por un pequeño "ojo de cerradura" de 610 m, su órbita se alteraría de tal modo que chocaría con la Tierra en el 2036. Por el momento, los astrónomos calculan que la probabilidad de que esto suceda es de 1 en 48.000; pero aun así consideran que vale la pena tomar algunas medidas preventivas en caso de que ocurra. Estas medidas deberían tomarse antes del 2029, previo al siguiente paso cercano del Apofis.


TRANSPONDER EN ASTEROIDE
Por lo pronto, la NASA ha determinado que la próxima oportunidad de ubicar con precisión el Apofis con radar será en el 2013. Para entonces sería posible enviar una misión al asteroide para que coloque un transponder, un artefacto que recibe y envía señales de radio (ver esta página con fecha 31 de octubre del 2006). Esto permitiría seguir con precisión su órbita durante todo el período previo a su siguiente paso cercano a la Tierra.

Eso es de suma importancia, porque la influencia del campo gravitacional de otros planetas o asteroides podría alterar su órbita. En caso de que nada la altere, sería posible calcular, con más precisión, su paso por la Tierra en el 2029, con lo que se sabría si va a pasar por el ojo de cerradura que lo pondría en un curso de colisión en el 2036. Aun en el caso poco probable de que esto sucediera y que el Apofis estuviera destinado a chocar con la Tierra en el 2036, quedan recursos para evitar la catástrofe.

PARA DESVIAR UN ASTEROIDE
A pesar de que las probabilidades de una órbita de colisión son uno en 48.000; el impacto de un asteroide de 320 m sería catastrófico y habría que hacer lo posible por evitarlo. Si se desarrolla el proyecto de instalar un transponder en el Apofis, antes del 13 de abril del 2029 sabríamos si el asteroide pasará por la pequeña zona que lo pondría en curso de colisión. Para entonces habrá suficiente tiempo para enviar una misión a desviar su órbita.

Los astronautas Edward Lu y Stanley Love han diseñado un sistema por el cual una nave relativamente pequeña podría desviar un asteroide lo suficiente para evitar una colisión. Si tomamos en cuenta que un impacto de asteroide importante se produce en promedio cada 1.500 años, y consideramos el de Tunguska de 1908, las estadísticas deberían poner al Apofis fuera de una órbita de colisión. De todas maneras, aun cuando las probabilidades no sean altas, los astrónomos seguirán con atención las evoluciones del Apofis y, aunque no estaré para comprobarlo, no me cabe duda de que la tecnología del 2029 estará en condiciones de manejar una emergencia de esa magnitud. Probablemente, para entonces, más críticos que la amenaza del asteroide serán los problemas causados por el cambio climático y la alteración del medio ambiente.

El cambio climático y las especies

 DISPERSIÓN Y MIGRACIÓN
El calentamiento global altera los ciclos reproductivos y trastorna los sistemas ecológicos, lo que sin duda pone en peligro el futuro de las diversas especies que hoy conocemos


Por Tomás Unger


A partir del reconocimiento del registro fósil como tal, en el siglo XVIII, nuestro conocimiento sobre la vida en el planeta tomó un nuevo rumbo. Un siglo más tarde, a partir de Darwin, descubrimos que las especies evolucionan, unas se extinguen mientras aparecen otras. Los cambios en el medio ambiente crean nuevas condiciones y la habilidad para adaptarse a ellas determina la supervivencia de la especie. Cuando los cambios son bruscos, hay extinciones masivas, pues no dan tiempo para la adaptación.


Dentro de los muchos medios que han desarrollado diversas especies para adaptarse y sobrevivir están las migraciones. Aquí hay que distinguir entre las migraciones exploratorias, con las que las especies extienden o tratan de extender su hábitat, y las migraciones cíclicas. A las primeras se les llama dispersión y se llevan a cabo constantemente, generalmente por miembros menos privilegiados que buscan establecerse donde es menor la competencia. En las plantas las dispersiones son pasivas, pues dependen de elementos externos. Para dispersar sus esporas, semillas o frutos, las plantas necesitan del viento, agua, o animales.


De manera similar a los refugiados senegaleses que llegan en sus botes a las Islas Canarias en busca de una vida mejor, desde las plantas hasta los grandes mamíferos tratan de extender su territorio a donde encuentran condiciones de vida adecuadas. Este es un proceso permanente, que generalmente está limitado por las condiciones físicas: las plantas no prosperan donde no hay tierra adecuada o agua y los animales no van donde no hay plantas para comer. A su vez, aquellos animales que comen a los herbívoros tampoco tendrán interés en ese territorio.




ÉXITOS Y FRACASOS
A través del registro fósil y del histórico hemos observado éxitos y fracasos. Abundan ejemplos de especies que se han encontrado repentinamente con un predador de grandes recursos, el hombre, que los ha exterminado. El búfalo americano casi sigue el destino del dodo, un ave de las islas del Índico, extinguido por el hombre. Antes de que apareciéramos como grandes predadores, fueron otros los agentes de las extinciones. Hace 65 millones de años, al parecer, un cometa que impactó la Tierra fue el que acabó con los dinosaurios.


Anteriormente hubo otras grandes extinciones y entre ellas constantemente se han extinguido especies para dar lugar a otras. Por breve tiempo existieron animales que hoy nos parecen extraños, como armadillos del tamaño de un toro y caballos del tamaño de un perro, tigres con dientes de medio metro y aves con garras en las alas, por mencionar solo algunos. Todos tuvieron su momento y, por razones que en la mayoría de los casos desconocemos, desaparecieron para ser reemplazados por otros más adecuados a las condiciones vigentes.


Los más exitosos pertenecen a los artrópodos. La cucaracha, la hormiga (insectos) y la araña (arácnido) son artrópodos y algunas especies tienen 300 millones de años. Entre los vertebrados, la tortuga y el cocodrilo --con sus primos, el caimán y el gavial-- son contemporáneos de los dinosaurios. En el mar, además de corales, esponjas y moluscos, el tiburón es un pez antiguo, a diferencia de otros nadadores más hábiles, como el delfín y la orca, mamíferos que entraron al mar hace relativamente poco.


Entre las estrategias de supervivencia que desarrollaron diversas especies, una de las más admirables es la migración. Al acentuarse la diferencia climática entre las estaciones, la vida desarrolló ciclos para adecuarse al cambio. Las plantas en las zonas de climas extremos producen sus frutas y semillas en la época de calor, para luego enterrarlas y esperar que pase el invierno para empezar de nuevo el ciclo.


Los animales acumulan comida y grasa durante la época de calor y de abundancia y se reproducen en un ciclo que permite reducir la alimentación y ahorrar energía durante el invierno.


El cambio de estaciones ha dudo lugar a diversas adaptaciones. A un extremo están los que se pasan el invierno durmiendo, mientras que otros han desarrollado pelaje blanco para cazar en la nieve. Una solución más drástica, de los que tienen recursos para hacerlo, es cambiar de clima. Este es el caso de muchas aves y especies marinas que recorren grandes distancias en busca del clima propicio. La migración, de acuerdo con la distancia, presenta diversos problemas que la evolución ha ido enfrentando con recursos asombrosos. Una característica de las migraciones es que se producen cíclicamente, en el mismo período del año y por las mismas rutas.




LOS VIAJEROS
La lista de animales que migran con las estaciones es larga y abarca desde insectos hasta ballenas. Entre todas las especies que pueden volar, nadar o caminar largos trechos, hay aquellas que migran. Las migraciones obedecen casi siempre a cambios climáticos que coinciden con la abundancia de alimento o con condiciones propicias para la reproducción. Desde las mariposas mexicanas que cruzan EE.UU. en verano, pasando por las diversas clases de aves y tortugas, hasta las ballenas viajan grandes distancias para reproducirse en el lugar más conveniente, el que abandonan cuando el clima no es propicio.


Son miles los ejemplos, pero aquí cabe mencionar al campeón absoluto de las migraciones, el llamado sarapito ('Limosa lappónica'), una especie de gaviota de pico y patas muy largas de unos 44 centímetros de largo, con una envergadura de ala de hasta 82 centímetros y un peso de 350 gramos. Esta ave viaja entre Alaska y Nueva Zelanda 11.000 km, cruzando el Océano Pacífico. Para hacerlo, al partir, el 55% de su peso consiste en grasa almacenada como combustible. El viaje de regreso lo hace por etapas. Una variante de esta especie viaja del noroeste de Asia a Tierra del Fuego, pero todavía no se sabe si se detiene en el camino, cuántas veces o dónde. La tortuga Laúd ('Dermochellys coriacea') del Caribe es otra gran viajera, de gran tamaño --mide hasta 2,70 metros y pesa 900 kg--, recorre el Caribe, llega hasta el noreste de EE.UU. en el verano y regresa a las costas de Sudamérica o África cuando empieza el invierno del hemisferio norte. Son muchos los sistemas por los que se guían los animales migratorios, pero en el caso de la tortuga, uno de los factores es la temperatura del mar.




NUEVOS PELIGROS
Hemos dado algunos ejemplos de animales migratorios que ilustran su modo de vida y su dependencia de las estaciones. Por ello, el cambio climático que está ocurriendo representa una seria amenaza para diversas especies, aun cuando el hombre no intervenga directamente alterando su hábitat o interfiriendo con su alimento. Este es el caso de ciertas aves y de la tortuga Laúd, entre otros. Al subir la temperatura y adelantarse el verano en el hemisferio norte, algunas aves llegan con su itinerario normal para encontrarse que las orugas de mariposa, su principal alimento, ya no están, porque han iniciado más temprano su mutación debido al calentamiento global.


El cambio en las temperaturas del mar, también debido al calentamiento global, está desorientando a las tortugas Laúd. Animales de sangre fría, extremadamente sensibles a los cambios de temperatura, las tortugas siguen al agua más caliente. Ahora, los mismos cambios de temperaturas en el Caribe que han intensificado los huracanes las desorientan. Como consecuencia se ha encontrado tortugas Laúd en lugares donde normalmente no llegan, y las condiciones no son favorables para el desove. Lo más probable es que si logran regresar, encontrarán que sus huevos han sido víctimas de predadores. Este es solo un ejemplo de los muchos efectos del calentamiento global detectados por los biólogos. Próximamente describiremos los ingeniosos sistemas que se han diseñado para estudiar las migraciones de diversos animales y tratar de impedir su extinción.