El premi Nobel premia els científics dels forats negres

Traducció de

Black holes and the Milky Way’s darkest secret

Els forats negres i el secret més fosc de la Via Làctia

Tres guardonats comparteixen el Premi Nobel de Física d’aquest any pels seus descobriments sobre un dels fenòmens més exòtics de l’univers, el forat negre. Roger Penrose va demostrar que els forats negres són una conseqüència directa de la teoria general de la relativitat. Reinhard Genzel i Andrea Ghez van descobrir que un objecte invisible i extremadament pesat governa les òrbites de les estrelles al centre de la nostra galàxia, la Via Làctia. Un forat negre supermassiu és l’única explicació coneguda actualment.

Roger Penrose va inventar mètodes matemàtics enginyosos per explorar la teoria general de la relativitat d’Albert Einstein. Va demostrar que la teoria condueix a la formació de forats negres, aquells monstres en el temps i l’espai que capturen tot el que els entra. Res, ni tan sols la llum, pot escapar.

Reinhard Genzel i Andrea Ghez lideren cadascun d’ells un grup d’astrònoms que s’han centrat en estudiar una regió al centre de la Via Làctia des de principis dels anys noranta. Amb una precisió creixent, han cartografiat les òrbites de les estrelles més brillants i més properes al centre. Ambdós grups van trobar quelcom que alhora era invisible i pesat, cosa que va obligar aquest remenat d’estrelles a remolinar-se. Aquesta massa invisible té prop de quatre milions de masses solars reunides en una regió no més gran que el nostre sistema solar. Què és el que fa que les estrelles del cor de la Via Làctia giren a velocitats tan sorprenents? Segons la teoria actual de la gravetat, només hi ha un candidat: un forat negre supermassiu.

Un avanç més enllà d’Einstein

Ni tan sols Albert Einstein, el pare de la relativitat general, va pensar que els forats negres podrien existir. Tanmateix, deu anys després de la mort d’Einstein, el teòric britànic Roger Penrose va demostrar que es poden formar forats negres i va descriure les seves propietats. Al fons, els forats negres amaguen una singularitat, una frontera en què es trenquen totes les lleis conegudes de la natura.

Per demostrar que la formació de forats negres és un procés estable, Penrose necessitava ampliar els mètodes utilitzats per estudiar la teoria de la relativitat: abordar els problemes de la teoria amb nous conceptes matemàtics. L’article innovador de Penrose es va publicar el gener de 1965 i encara es considera la contribució més important a la teoria general de la relativitat des d’Einstein.

La gravetat manté l’univers a l’abast

Els forats negres són potser la conseqüència més estranya de la teoria general de la relativitat. Quan Albert Einstein va presentar la seva teoria el novembre de 1915, va renunciar a tots els conceptes anteriors d’espai i temps. La teoria va proporcionar una base completament nova per entendre la gravetat, que configura l’univers a la major escala. Des de llavors, aquesta teoria ha proporcionat la base per a tots els estudis sobre l’univers i també té un ús pràctic en una de les nostres eines de navegació més habituals, el GPS.

La teoria d’Einstein descriu com tot i tothom a l’univers es manté a l’empunyadura de la gravitació. La gravetat ens manté a la Terra, governa les òrbites dels planetes al voltant del Sol i l’òrbita del Sol al voltant del centre de la Via Làctia. Condueix al naixement d’estrelles de núvols interestel·lars i, finalment, a la seua mort en un col·lapse gravitatori. La gravitació dóna forma a l’espai i influeix en el pas del temps. Una massa pesada doblega l’espai i alenteix el temps; una massa extremadament pesada pot fins i tot tallar i encapsular un tros d’espai, formant un forat negre.

La primera descripció teòrica del que ara anomenem forat negre va arribar poques setmanes després de la publicació de la teoria general de la relativitat. Malgrat les equacions matemàtiques extremadament complicades de la teoria, l’astrofísic alemany Karl Schwarzschild va ser capaç de proporcionar a Einstein una solució que descrivia com les masses pesants poden doblegar l’espai i el temps.

Estudis posteriors van demostrar que, un cop s’ha format un forat negre, està envoltat per un horitzó d’esdeveniments que rodeja la massa al centre com un vel. El forat negre roman amagat per sempre dins del seu horitzó d’esdeveniments. Com més gran és la massa, més gran és el forat negre i el seu horitzó. Per a una massa equivalent al Sol, l’horitzó d’esdeveniments té un diàmetre de gairebé tres quilòmetres i, per a una massa com la de la Terra, el seu diàmetre és de només nou mil·límetres.

Una solució més enllà de la perfecció

El concepte de “forat negre” ha trobat un nou significat en moltes formes d’expressió cultural, però, per als físics, els forats negres són el punt final natural de l’evolució de les estrelles gegants. El primer càlcul del dramàtic col·lapse d’una estrella massiva es va fer a finals dels anys 30, pel físic Robert Oppenheimer, que més tard va dirigir el Projecte Manhattan que va construir la primera bomba atòmica. Quan les estrelles gegants, moltes vegades més pesades que el Sol, es queden sense combustible, primer exploten com a supernoves i després s’enfonsen en restes molt denses, tan pesades que la gravetat ho atrau tot, fins i tot la llum.

La idea de les ‘estrelles fosques’ es va considerar ja des de finals del segle XVIII, en les obres del filòsof i matemàtic britànic John Michell i del reconegut científic francès Pierre Simon de Laplace. Tots dos havien raonat que els cossos celestials podrien arribar a ser tan densos que serien invisibles, ni tan sols la velocitat de la llum seria prou ràpida per escapar de la seva gravetat.

Una mica més d’un segle després, quan Albert Einstein va publicar la seva teoria general de la relativitat, algunes de les solucions a les equacions notòriament difícils de la teoria descrivien tan sols estrelles fosques. Fins als anys seixanta, aquestes solucions es consideraven especulacions purament teòriques, que descrivien situacions ideals en què les estrelles i els seus forats negres eren perfectament rodons i simètrics. Però res a l’univers no és perfecte i Roger Penrose va ser el primer a trobar amb èxit una solució realista per a tota la matèria que s’enfonsa, amb els seus forts, clots i imperfeccions naturals.

El misteri dels quàsars

La qüestió de l’existència de forats negres va ressorgir el 1963, amb el descobriment dels quàsars, els objectes més brillants de l’univers. Durant gairebé una dècada, els astrònoms havien estat desconcertats pels raigs de ràdio procedents de fonts misterioses, com el 3C273, a la constel·lació de la Verge. La radiació de la llum visible finalment va revelar la seva autèntica ubicació: el 3C273 està tan lluny que els raigs viatgen cap a la Terra durant més de mil milions d’anys.

Si la font de llum és tan llunyana, ha de tenir una intensitat igual a la llum de diversos centenars de galàxies. Se li va donar el nom de ‘quàsar’. Els astrònoms aviat van trobar quàsars tan distants que havien emès la seva radiació a la primera infància de l’univers. D’on ve aquesta increïble radiació? Només hi ha una manera d’obtenir tanta energia dins del volum limitat d’un quàsar: des de la matèria que cau en un forat negre massiu.

Les superfícies atrapades resolien l’enigma

Una qüestió que va desconcertar Roger Penrose sobre si es podrien formar forats negres en condicions realistes. La resposta, com va recordar més tard, va aparèixer a la tardor de 1964 durant una passejada amb un company a Londres, on Penrose era professor de matemàtiques al Birkbeck College. Quan van deixar de parlar un moment per creuar un carrer lateral, se li va ocórrer una idea. Més tard, aquella tarda, el va buscar a la seua memòria. Aquesta idea, que va anomenar superfícies atrapades, era la clau que havia estat buscant inconscientment, una eina matemàtica crucial necessària per descriure un forat negre.

Una superfície atrapada obliga a tots els raigs a apuntar cap a un centre, independentment de si la superfície es corba cap a fora o cap a dins. Mitjançant superfícies atrapades, Penrose va ser capaç de demostrar que un forat negre sempre amaga una singularitat, un límit on acaben el temps i l’espai. La seva densitat és infinita i, fins ara, no hi ha teoria sobre com abordar aquest fenomen tan estrany de la física.

Les superfícies atrapades es van convertir en un concepte central en la realització de la prova de Penrose del teorema de la singularitat. Els mètodes topològics que va introduir ara són inestimables en l’estudi del nostre univers corbat.

Un carrer de sentit únic fins al final dels temps

Quan la matèria comença a col·lapsar i es forma una superfície atrapada, res no pot impedir que continuï el col·lapse. No hi ha camí enrere, com en la història explicada pel físic i premi Nobel Subrahmanyan Chandrasekhar, des de la seva infància a l’Índia. La història tracta sobre les libèl·lules i la seva larva, que viuen sota l’aigua. Quan una larva està preparada per desplegar les ales, promet que dirà als seus amics com és la vida a l’altra banda de la superfície de l’aigua. Però un cop la larva passa per la superfície i s’allunya com una libèl·lula, no hi ha retorn. Les larves de l’aigua mai no escoltaran la història de la vida de l’altra banda.

Figura 2. Com es forma un forat negre.

De la mateixa manera, tota la matèria només pot travessar l’horitzó d’un esdeveniment d’un forat negre en una direcció. Aleshores, el temps substitueix l’espai i tots els camins possibles apunten cap a l’interior, el flux de temps ho porta tot cap a un final ineludible a la singularitat (figura 2). No sentiràs res si caus per l’horitzó d’esdeveniments d’un forat negre supermassiu. Des de fora, ningú no us pot veure caure i el vostre viatge cap a l’horitzó continua per sempre. Mirar un forat negre no és possible dins de les lleis de la física; els forats negres amaguen tots els seus secrets darrere dels seus horitzons d’esdeveniments.

Els forats negres governen els camins de les estrelles

Tot i que no podem veure el forat negre, és possible establir-ne les propietats observant com la seva colossal gravetat dirigeix ​​els moviments de les estrelles circumdants.

Reinhard Genzel i Andrea Ghez lideren grups de recerca separats que exploren el centre de la nostra galàxia, la Via Làctia. Amb forma de disc pla d’uns 100.000 anys llum de diàmetre, està format per gas i pols i uns quants centenars de milions d’estrelles; una d’aquestes estrelles és el nostre Sol (figura 3). Des del nostre mirador a la Terra, enormes núvols de gas i pols interestel·lar enfosquen la major part de la llum visible que prové del centre de la galàxia. Els telescopis d’infrarojos i la tecnologia de ràdio van ser el que va permetre als astrònoms veure per primera vegada a través del disc de la galàxia i imaginar les estrelles del centre.

Utilitzant les òrbites de les estrelles com a guies, Genzel i Ghez han produït les proves més convincents que hi ha un objecte supermassiu invisible amagat allà. Un forat negre és l’única explicació possible.

Centreu-vos al centre

Durant més de cinquanta anys, els físics sospiten que pot haver-hi un forat negre al centre de la Via Làctia. Des que es van descobrir els quàsars a principis dels anys seixanta, els físics van raonar que es podrien trobar forats negres supermassius dins de la majoria de galàxies grans, inclosa la Via Làctia. Tot i això, actualment ningú no pot explicar com es van formar les galàxies i els seus forats negres, entre uns quants milions i molts milions de masses solars.

Fa cent anys, l’astrònom nord-americà Harlow Shapley va ser el primer a identificar el centre de la Via Làctia, en direcció a la constel·lació de Sagitari. Amb observacions posteriors, els astrònoms hi van trobar una forta font d’ones de ràdio, que va rebre el nom de Sagitari A *. Cap al final dels anys seixanta, es va fer evident que Sagitari A * ocupa el centre de la Via Làctia, al voltant de la qual orbiten totes les estrelles de la galàxia.

No va ser fins a la dècada de 1990 que telescopis més grans i un millor equipament van permetre estudis més sistemàtics de Sagittarius A *. Reinhard Genzel i Andrea Ghez van iniciar projectes per intentar veure a través dels núvols de pols el cor de la Via Làctia. Juntament amb els seus grups de recerca, van desenvolupar i perfeccionar les seves tècniques, construint instruments únics i apostant per la investigació a llarg termini.
Via Làctea

Figura 3. La Via Làctia, la nostra galàxia, vista des de dalt. Té la forma d’un disc pla d’uns 100.000 anys llum de diàmetre. Els seus braços espirals estan formats per gas i pols i uns quants centenars de milions d’estrelles. Una d’aquestes estrelles és el nostre Sol.

Només els telescopis més grans del món seran suficients per contemplar estrelles llunyanes; com més grans millor és absolutament cert en astronomia. L’astrònom alemany Reinhard Genzel i el seu grup van utilitzar inicialment NTT, el telescopi de noves tecnologies a la muntanya de La Silla, a Xile. Finalment, van traslladar les seves observacions a la instal·lació del Very Large Telescope, VLT, a la muntanya Paranal (també a Xile). Amb quatre telescopis gegants el doble que NTT, el VLT té els miralls monolítics més grans del món, cadascun amb un diàmetre de més de 8 metres.

Als Estats Units, Andrea Ghez i el seu equip d’investigació utilitzen l’Observatori Keck, situat a la muntanya hawaiana de Mauna Kea. Els seus miralls tenen gairebé 10 metres de diàmetre i actualment són dels més grans del món. Cada mirall és com un panal, format per 36 segments hexagonals que es poden controlar per separat per enfocar millor la llum de les estrelles.

Les estrelles mostren el camí

Per grans que siguen els telescopis, sempre hi ha un límit en el detall que poden resoldre perquè vivim al fons d’un mar atmosfèric de gairebé 100 quilòmetres de profunditat. Les grans bombolles d’aire sobre el telescopi, més calentes o més fredes que el seu entorn, actuen com a lents i refracten la llum en el seu camí cap al mirall del telescopi, distorsionant les ones de llum. És per això que les estrelles brillen i també les seves imatges es difuminen.

L’aparició de l’òptica adaptativa va ser crucial per millorar les observacions. Ara els telescopis estan equipats amb un prim mirall extra que compensa la turbulència de l’aire i corregeix la imatge distorsionada.

Durant gairebé trenta anys, Reinhard Genzel i Andrea Ghez han seguit les seves estrelles en el llunyà embolic estel·lar al centre de la nostra galàxia. Continuen desenvolupant i perfeccionant la tecnologia, amb sensors de llum digitals més sensibles i una millor òptica adaptativa, de manera que la resolució de la imatge ha millorat més de mil vegades. Ara són capaços de determinar amb més precisió les posicions de les estrelles, seguint-les nit per nit.

Els investigadors fan un seguiment d’una trentena de les estrelles més brillants de la multitud. Les estrelles es mouen més ràpidament en un radi d’un mes llum del centre, dins del qual realitzen una dansa atrafegada com la d’un eixam d’abelles. Les estrelles que es troben fora d’aquesta zona, en canvi, segueixen les seves òrbites el·líptiques d’una manera més ordenada (figura 4).

Una estrella, anomenada S2 o S-O2, completa una òrbita del centre de la galàxia en menys de 16 anys. Aquest és un temps extremadament curt, de manera que els astrònoms van poder cartografiar tota la seva òrbita. Ho podem comparar amb el Sol, que triga més de 200 milions d’anys a completar una volta al centre de la Via Làctia; els dinosaures passejaven per la Terra quan vam començar la nostra volta actual.

Figura 4. Les òrbites de les estrelles van revelar que alguna cosa invisible i pesat governava els seus camins al cor de la Via Làctia.

La teoria i les observacions se succeeixen

L’acord entre les mesures dels dos equips va ser excel·lent, cosa que va portar a la conclusió que el forat negre al centre de la nostra galàxia hauria de ser equivalent a uns 4 milions de masses solars, empaquetades en una regió de la mida del nostre sistema solar.

Aviat podrem veure directament Sagitari A *. Aquest és el següent de la llista perquè, fa poc més d’un any, la xarxa d’astronomia Event Horizon Telescope va aconseguir imaginar l’entorn més proper d’un forat negre supermassiu. El més llunyà de la galàxia coneguda com Messier 87 (M87), a 55 milions d’anys llum de nosaltres, és un ull més negre que negre envoltat per un anell de foc.

El nucli negre de M87 és gegantí, més de mil vegades més pesat que Sagittarius A *. Els forats negres que van causar les ones gravitacionals recentment descobertes eren força més lleugers. Igual que els forats negres, les ones gravitatòries només existien com a càlculs de la teoria general de la relativitat d’Einstein, abans de ser capturades per primera vegada a la tardor del 2015, pel detector LIGO dels EUA (Premi Nobel de Física, 2017).

El que no sabem

Roger Penrose va demostrar que els forats negres són una conseqüència directa de la teoria general de la relativitat, però, en la gravetat infinitament forta de la singularitat, aquesta teoria deixa d’aplicar-se. S’està realitzant un treball intensiu en el camp de la física teòrica per crear una nova teoria de la gravetat quàntica. Això ha d’unir els dos pilars de la física, la teoria de la relativitat i la mecànica quàntica, que es troben a l’exterior de forats negres.

Al mateix temps, les observacions s’acosten als forats negres. El treball pioner de Reinhard Genzel i Andrea Ghez ha obert el camí a noves generacions de proves precises de la teoria general de la relativitat i de les seves prediccions més estranyes. El més probable és que aquestes mesures també puguin proporcionar pistes per a noves idees teòriques. L’univers té molts secrets i sorpreses per descobrir.

Traducció de

Black holes and the Milky Way’s darkest secret

Science Editors: Ulf Danielsson, Ariel Goobar, David Haviland and Gunnar Ingelman, the Nobel Committee for Physics
Text: Joanna Rose
Translator: Clare Barnes
Illustrations: ©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
Editor: Sara Gustavsson
© The Royal Swedish Academy of Sciences

Peebles, Mayor i Queloz, premiats amb el Nobel de Física 2019

Com cada any a primers d’octubre les mirades es giren cap a Estocolm per descobrir quins seran els mereixedors dels premis Nobel de Física. Enguany, James Peebles, Michel Mayor i Didier Queloz, pioners en Cosmologia i en la cerca de planetes fora del Sistema Soler, respectivament, són els qui han estat guardonats amb el Nobel de Física  “ per les contribucions al nostre coneixement de l’evolució de l’univers i del lloc de la Terra en el cosmos” . Tots tres són referents en l’astrofísica actual i el premi que rebran de mans del rei de Suècia el pròxim desembre és ben merescut.

El professor Peebles de Princeton University, que rebrà la meitat del guardó, ha estat, juntament amb altres persones, el constructor del marc teòric de la cosmologia moderna des dels anys 60 del segle passat ençà.

L’origen de l’univers des dels primers instants s’explica actualment amb el model del Big Bang. Fa gairebé 14 mil milions d’anys, l’univers era extremadament petit, calorós i dens i formava una sopa de partícules de protons, neutrons, electrons i fotons, que interactuaven entre ells. Des de llavors, l’univers s’ha anat expandint, fent-se més gran i més fred. Poc abans dels 400.000 anys després del Big Bang, es formaren els primers àtoms d’hidrogen i d’heli, amb la qual cosa moltes d’aquestes partícules quedaren lligades, l’univers es va fer transparent i els raigs de llum van poder viatjar per l’espai sense interacció. Encara avui, aquesta antiga radiació ens envolta i el seu estudi detallat ens mostra molts dels secrets de l’univers. Arno Penzias i Robert W. Wilson, allà pel 1967, descobriren aquella radiació fòssil que James Peebles va poder interpretar i descobrir, a partir d’ella, nous processos físics. Tots ells van aconseguir la primera prova experimental que l’univers actual prové d’una explosió inicial calenta. La història apassionant d’aquest descobriment ja la vaig contar fa deu anys en conéixer personalment Robert W. Wilson.

Aquesta radiació del fons de microones és la imatge més primitiva del nostre univers, les primeres mesures de la qual valgueren el Nobel de Física de 1978 per als seus descobridors. Amb la base teòrica adient, aportació de James Peebles, les mesures d’aquest fons de radiació primitiu s’han anat refinant al llarg dels anys amb diversos satèl·lits dedicats. El 1992, el professor Smoot i el seu equip, després de diversos anys de mesuraments i anàlisis de les dades arreplegades pels detectors de microones a bord del satèl·lit COBE de la NASA, van produir mapes del cel que mostraven regions “calentes” i “fredes” amb diferències de temperatura d’una cent mil·lèsima de grau. Aquestes inhomogeneitats en la temperatura, observades per COBE tal com eren quan l’Univers tenia uns 400.000 anys, es consideren les petjades d’aquelles fluctuacions primordials i la confirmació del model del Big Bang. A partir d’aquestes fluctuacions es creu que es formaren les galàxies i els cúmuls de galàxies tal com els coneixem avui dia.

Finalment els resultats obtinguts a partir de les dades recollides per la missió europea Planck amb una resolució espectacular d’aquesta radiació primitiva ens van mostrar un univers del que es coneix només el cinc per cent del seu contingut, la matèria ordinària que constitueix estrelles, planetes, arbres, flors i nosaltres. La resta, el 95%, és matèria fosca i energia fosca desconeguda. Aquest és un misteri i un repte per a la física moderna.

La visió de James Peebles sobre la cosmologia física ha enriquit tot el camp de la investigació i ha posat les bases per a la transformació de la cosmologia durant els darrers cinquanta anys, des de l’especulació fins a la ciència. El seu marc teòric, desenvolupat des de mitjan anys seixanta, és la base de les nostres idees contemporànies sobre l’univers.

Les aportacions dels altres dos premiats, Michel Mayor i Didier Queloz, de la Universitat de Ginebra, són ben diferents. Actualment sabem que més enllà del sistema solar hi ha més de 4000 planetes descoberts que orbiten les seues estrelles. La mítica missió Kepler i l’actual TESS, han estat detectant els darrers 10 anys les subtils variacions de brillantor de les estrelles causades pel trànsit d’un dèbil planeta per damunt del seu disc.

Els guardonats, que rebran l’altra meitat del guardó, van ser els primers que descobriren que una estrella de tipus solar, 51 Pegasi, tenia un planeta al seu voltant, encara que utilitzaren el mètode de les variacions de les velocitats radials.

A l’octubre de 1995, Michel Mayor i Didier Queloz anunciaren el descobriment d’aquest planeta fora del nostre sistema solar, un exoplaneta, que orbitava una estrella de tipus solar a la nostra galàxia, la Via Làctia. A l’Observatori de l’Alta Provença al sud de França, amb instruments a mida, van poder veure com l’estrella 51 Pegasi oscil·lava lleugerament. Aquesta variació de velocitat radial, només podia explicar-se per la presència d’un planeta, anomenat posteriorment 51 Pegasi b, una bola gasosa comparable amb el gegant més gran del sistema solar, Júpiter, que estirava gravitatòriament l’estrella.

Aquest descobriment va iniciar una revolució en astronomia i des de llavors s’han trobat més de 4.000 exoplanetes a la Via Làctia. Encara s’estan descobrint nous mons estranys, amb una increïble riquesa de mides, formes i òrbites. Repten les nostres idees preconcebudes sobre sistemes planetaris i obliguen els científics a revisar les seues teories dels processos físics que hi ha darrere dels orígens dels planetes. Amb nombrosos projectes previstos per començar a buscar exoplanetes, segurament en pocs anys podrem trobar una resposta a l’eterna pregunta de si hi ha vida fora de la Terra.

Els premiats d’aquest any han transformat les nostres idees sobre el cosmos. Mentre que els descobriments teòrics de James Peebles van contribuir a la comprensió de com va evolucionar l’univers després del Big Bang, Michel Mayor i Didier Queloz van explorar els nostres barris còsmics a la recerca de planetes desconeguts. Els seus descobriments han canviat per sempre les nostres concepcions del món.

Més informació:

New perspectives on our place in the universe, Nobel Prize in Physics, 2019

Imatges de ”© Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences”. Imatges lliures per propòsits no comercials.

El Nobel de Medicina pel descobriment dels mecanismes moleculars que controlen el rellotge biològic

Fa uns dies l’Institut Karolinska, a Estocolm, anuncià la concessió del premi Nobel de Medicina 2017 a Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash i Michael W. Young “pels seus descobriments dels mecanismes moleculars que controlen el ritme circadià.

És a dir, ells van ser els pioners en estudiar i comprendre com les nostres cèl·lules ajusten el seu ritme vital amb la cadència natural dia/nit, fet decisiu per entendre com la contaminació lumínica és un potent pertorbador d’aquest ritme i, possible causant d’efectes sobre la salut.

Com expressa el comunicat de premsa del Comitè Nobel:

El rellotge biològic està involucrat en molts aspectes de la nostra fisiologia complexa. Ara sabem que tots els organismes multicel·lulars, inclosos els humans, utilitzen un mecanisme similar per controlar els ritmes circadians. Una gran proporció dels nostres gens està regulada pel rellotge biològic i, per tant, un ritme circadià acuradament calibrat adapta la nostra fisiologia a les diferents fases del dia. Des dels descobriments pioners dels tres guardonats, la biologia circadiana s’ha convertit en un camp de recerca molt dinàmic i amb implicacions per a la nostra salut i benestar.

Pel seu interès us reproduesc en català la nota de premsa del Comité Nobel:


Sumari

La vida a la Terra s’adapta a la rotació del nostre planeta. Durant molts anys hem sabut que els organismes vius, inclosos els humans, tenen un rellotge intern i biològic que els ajuda a anticipar-se i adaptar-se al ritme habitual del dia. Però, com funciona aquest rellotge? Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash i Michael W. Young van poder mirar dins del nostre rellotge biològic i dilucidar el seu funcionament intern. Els seus descobriments expliquen com les plantes, els animals i els humans adapten el seu ritme biològic de forma que es sincronitze amb les revolucions de la Terra.

Amb la mosca del vinagre (Drosophila melanogaster) com a model d’organisme, els premiats Nobel d’aquest any van aïllar un gen que controla el ritme biològic normal del dia. Van demostrar que aquest gen codifica una proteïna que s’acumula a la cèl·lula durant la nit i que es degradarà durant el dia. Posteriorment, van identificar components de proteïnes addicionals d’aquesta maquinària, exposant el mecanisme que regeix el rellotge auto-sostingut dins de la cèl·lula. Ara reconeixem que els rellotges biològics funcionen amb els mateixos principis en cèl·lules d’altres organismes multicel·lulars, inclosos els humans.

Amb precisió exquisida, el nostre rellotge interior adapta la nostra fisiologia a les radicalment diferents fases del dia. El rellotge regula funcions crítiques com ara el comportament, els nivells hormonals, la son, la temperatura corporal i el metabolisme. El nostre benestar es veu afectat quan hi ha un desajust temporal entre el nostre entorn extern i aquest rellotge biològic intern, per exemple quan viatgem per diferents zones horàries i experimentem “jet lag”. També hi ha indicis que els desajustos crònics entre el nostre estil de vida i el ritme dictat pel nostre cronometrador intern s’associen amb un major risc de diverses malalties.

El nostre rellotge interior

La majoria dels organismes vius anticipen i s’adapten als canvis diaris en el medi ambient. Durant el segle XVIII, l’astrònom Jean Jacques d’Ortous de Mairan va estudiar plantes mimoses, i va trobar que les fulles s’obren cap al sol durant el dia i es tanquen al vespre. Es va preguntar què passaria si la planta es col·loqués en una foscor constant. Va descobrir que sense de la llum solar diària, les fulles continuaven seguint la seua oscil·lació diària normal (Figura 1). Les plantes semblaven tenir el seu propi rellotge biològic.

Altres investigadors van trobar que no només les plantes, sinó també animals i humans, disposen d’un rellotge biològic que ajuda a preparar la nostra fisiologia per les fluctuacions del dia. Aquesta adaptació habitual es coneix com a ritme circadià, provinent de les paraules llatines circa que significa “al voltant” i  dies segons el significat “dia”. Però la manera com el nostre rellotge biològic circadià funcionava era un misteri.

Figura 1. Un rellotge biològic intern. Les fulles de la planta de mimosa s’obren cap al sol durant el dia, però tanquen prop del capvespre (part superior). Jean Jacques d’Ortous de Mairan va col·locar la planta en una foscor constant (part inferior) i va trobar que les fulles seguien el seu ritme diari normal, fins i tot sense fluctuacions diàries.

Identificació d’un gen rellotge

Durant la dècada de 1970, Seymour Benzer i el seu estudiant Ronald Konopka es van preguntar si seria possible identificar els gens que controlen el ritme circadià en les mosques del vinagre. Van demostrar que les mutacions en un gen desconegut alteren el rellotge circadià de les mosques. Van nomenar aquest gen period. Però, com podria aquest gen influir en el ritme circadià?

Els premiats Nobel d’aquest any, que també estudien les mosques del vinagre, van intentar descobrir com funciona el rellotge. El 1984, Jeffrey Hall i Michael Rosbash, treballant en estreta col·laboració a la Universitat Brandeis de Boston, i Michael Young a la Universitat Rockefeller de Nova York, van aconseguir aïllar el gen period. Jeffrey Hall i Michael Rosbash després van descobrir que PER, la proteïna codificada per period, s’acumulava durant la nit i es degradava durant el dia. Per tant, els nivells de proteïna PER oscil·len durant un cicle de 24 hores, en sincronia amb el ritme circadià.

Mecanisme de mecanisme d’auto-regulació

El següent objectiu clau era comprendre com es podrien generar i mantenir aquestes oscil·lacions circadianes. Jeffrey Hall i Michael Rosbash van plantejar la hipòtesi que la proteïna PER bloquejava l’activitat del gen period. Van raonar que per un bucle de retroalimentació inhibidora, la proteïna PER podria prevenir la seua pròpia síntesi i, per tant, regular el seu propi nivell en un ritme continu i cíclic (Figura 2A).

Figura 2A. Una il·lustració simplificada de la regulació retroalimentada del gen period. La figura mostra la seqüència d’esdeveniments durant una oscil·lació de 24 hores. Quan el gen period està actiu, es produeix ARNm period. L’ARNm es transporta al citoplasma de la cèl·lula i serveix de plantilla per a la producció de proteïna PER. La proteïna PER s’acumula en el nucli de la cèl·lula, on es bloqueja l’activitat del gen period. Això dóna lloc al mecanisme inhibidor de retroalimentació que subjau en un ritme circadià.

El model era temptador, però faltaven algunes peces del trencaclosques. Per bloquejar l’activitat del gen period, la proteïna PER, que es produeix en el citoplasma, hauria d’arribar al nucli cel·lular on es troba el material genètic. Jeffrey Hall i Michael Rosbash havien demostrat que la proteïna PER es reforça en el nucli durant la nit, però com va arribar fins allà? El 1994, Michael Young va descobrir un segon gen rellotge, timeless, que codifica la proteïna TIM que es requeria per a un ritme circadiari normal. En un treball elegant, va demostrar que quan TIM s’uneix a PER, les dues proteïnes són capaces d’ingressar al nucli cel·lular on bloquegen l’activitat del gen period per tancar el bucle de retro-alimentació inhibidoria (Figura 2B).

Figura 2B. Una il·lustració simplificada dels components moleculars del rellotge circadià.

Aquest mecanisme de retroalimentació reguladora explicava com va sorgir aquesta oscil·lació dels nivells de proteïnes cel·lulars, però les preguntes van romandre. Què controlava la freqüència de les oscil·lacions? Michael Young va identificar un altre gen, doubletime, que codificava la proteïna DBT que retardava l’acumulació de la proteïna PER. Això proporcionava informació sobre com s’ajusta una oscil·lació per aproximar-se més a un cicle de 24 hores.

El paradigma de canvi descobert pels guardonats van establir principis mecanícistes clau per al rellotge biològic. Durant els  anys següents es van esbrinar altres components moleculars del mecanisme del rellotge, explicant la seua estabilitat i funció. Per exemple, els guardonats d’aquest any van identificar proteïnes addicionals necessàries per a l’activació del gen period, així com per al mecanisme pel qual la llum pot sincronitzar el rellotge.

Mantenir el temps en la nostra fisiologia humana

El rellotge biològic està involucrat en molts aspectes de la nostra fisiologia complexa. Ara sabem que tots els organismes multicel·lulars, inclosos els humans, utilitzen un mecanisme similar per controlar els ritmes circadians. Una gran proporció dels nostres gens està regulada pel rellotge biològic i, per tant, un ritme circadià acuradament calibrat adapta la nostra fisiologia a les diferents fases del dia (Figura 3). Des dels descobriments pioners dels tres guardonats, la biologia circadiana s’ha convertit en un camp de recerca molt dinàmic i amb implicacions per a la nostra salut i benestar.


Figura 3. El rellotge circadià anticipa i adapta la nostra fisiologia a les diferents fases del dia. El nostre rellotge biològic ajuda a regular els patrons de son, el comportament de l’alimentació, l’alliberament hormonal, la pressió arterial i la temperatura corporal.

Bibliografia:

1 The 2017 Nobel Prize in Physiology or Medicine – Press Release. (n.d.). Retrieved October 02, 2017,  https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2017/press.html

2 Nobel Prize Awarded for Discovery of Molecular Mechanisms Controlling the Circadian Rhythm, http://www.darksky.org/nobel-prize-awarded-for-discovery-of-molecular-mechanisms-controlling-the-circadian-rhythm/

Imatges: Del Comité Nobel, 2017.

Estem fet de matèria d’estels per Jocelyn Bell

Bell-Sala-Darwin

L’astrofísica Jocelyn Bell ens deleità amb una magnífica conferència dirigida sobretot als estudiants de ciències del Campus de Burjassot. Amb molts recursos expressius i unes grans dots didàctiques, la professora Bell ens contà com el nostre cos, la vida en definitiva, és el resultat de l’evolució química de l’Univers. Les estrelles són el forn on es cuinen els elements de la vida. Durant la xarrada tractà de contestar la pregunta: d’on ve la matèria de la qual estem fets?

La veritat és que Jocelyn Bell és una gran comunicadora i és molt interessant reveure la seua dissertació per aprendre com s’ha d’explicar astronomia al gran públic. Amb humor però sense perdre el rigor.

La conferència de l’astrofísica Jocelyn Bell ‘We are made of star stuff” (Estem fets de material d’estels) es pot veure en la gravació que va fer la televisió de la Universitat de València. Malauradament el format de vídeo de MediaUni és incompatible amb WordPress i no puc encabir-ho directament en el post. Per veure-ho caldrà que aneu a

MediaUni: Conferència de l’astrofísica Jocelyn Bell ‘We are made of star stuff” (Estem fets de material d’estels).

Per si no podeu obrir aquest enllaç o va molt lent, en la xarxa he trobat una conferència TED de la doctora Bell que parla del mateix tema. És més curt i resumit però igual d’interessant. Ah! I no patiu per l’anglés que parla. És dels més clars i sense accents que he escoltat mai.

Jocelyn Bell, descobridora dels púlsars, ens visita

JBell_portrait

L’astrofísica nord-irlandesa Jocelyn Bell va descobrir els púlsars, una nova classe d’objectes celestes que giren molt ràpidament, mentre treballava en la seua tesi l’any 1967. Dimecres i dijous d’aquesta setmana tindrem l’honor d’escoltar-la en dues conferencies que ens oferirà en el campus de Burjassot de la Universitat de València.

Jocelyn treballava en la seua tesi l’any 1967 essent el seu director Antony Hewish. Tots dos formaven part d’un equip que havia acabat de construir un nou detector en un  radiotelescopi amb el que estudiar els quàsars, objectes en aquella època misteriosos però que ara se sap que són galàxies actives. Cada dia Jocelyn havia de repassar totes les dades recollides en uns 50 metres de  paper continu. Entre aquesta paperassa, un dia descobrí un senyal que es repetia de manera periòdica aproximadament cada segon. (El senyal durava 0.04 segons amb un període de 1.337302088331 segons). El seu director Hewish, incrèdul davant les dades mostrades per la seua estudiant de doctorat, ho atribuïa a problemes del detector o a un senyal humà (una emissora de ràdio o un satèl·lit artificial). Tanmateix el senyal persistia i provenia clarament d’un punt de l’espai  situat en la constel·lació de Vulpecula. Així que, com que no tenien idea de quina classe d’objecte podria ser, van considerar seriosament la possibilitat que fora un senyal d’una civilització extraterrestre. De fet, la font del senyal de ràdio polsant va rebre provisionalment les sigles LGM1 (Little Green Men 1).

Com varen comentar més tard:

JBell_M1_chandraNosaltres realment no creiem que havíem recollit senyals d’una altra civilització, però és evident que la idea ens havia passat pel cap i que no teníem proves de que es tractava d’una emissió de ràdio totalment natural. És un problema interessant – si un pensa que podem haver detectat la vida en altres llocs de l’univers, com s’anuncien els resultats de manera responsable? 

Tanmateix poc dies després es descobriren tres senyals periòdics més i va quedar clar que aquests senyals havien de ser objectes naturals. Més endavant van resultar ser emissions ràdio d’estels formades exclusivament de neutrons (estels de neutrons), residus de l’explosió d’una supernova, girant en una rotació ultraràpida.

L’article que anuncià al món el descobriment, Observation of a Rapidly Pulsating Radio Source, està signat per cinc persones i Jocelyn Bell és la segona signant.

Pocs anys després, Antony Hewish, juntament amb Martin Ryle guanyaren el premi Nobel de Física l’any 1974 per aquest descobriment, mentre que Jocelyn Bell no meresqué cap reconeixement, ni tan sols se l’anomenà en el l’anunci del premi. Es considerà que un estudiant de doctorat no n’era mereixedor. Molts astrònoms consideren que aquest menyspreu a la veritable descobridora dels púlsar ha estat una de les més gran injustícies dels Nobels.

jocelyn-bell-poster-1Jocelyn Bell no va guanyar el Nobel però ha tingut nombrosos reconeixements des d’aleshores. Al 2015 rebé la Medalla d’Or del CSIC a proposta de la comissió “Mujeres y Ciencia” d’aquesta institució. Dimecres ens contarà la història del descobriment dels púlsars en una sessió més acadèmica mentre que dijous la podrem escoltar a la Sala Darwin del Campus de Burjassot de la Universitat de València. La seua xarrada ens recordarà que som Pols d’estels, o millor encara que estem fets de matèria estel·lar.

Imatges:

1.- Jocelyn Bell en l’època del descobriment amb les dades en paper continu.
2.- Nebulosa del Cranc on se superposa una imatge del púlsar interior. Hubble i Chandra. NASA.
3.- Invitació a la xarrada de Jocelyn Bell de dijous.

Nobel de Física 2015: la camaleònica partícula fantasma

NobelPrize2015

Avui s’ha donat a conéixer el Premi Nobel de Física. Els guardonats d’enguany han estat el físic japonés Takaaki Kajita i el canadenc Arthur B. McDonaldpel descobriment de les oscil·lacions del neutrino, que ha portat a demostrar que els neutrinos tenen massa“.

Segurament la majoria de la gent no sabrà que són els neutrinos.  Els neutrinos o neutrins són una mena de partícula fantasma, sense càrrega elèctrica (neutra) i, amb molt poca capacitat d’interacció amb la matèria. La conseqüència de tot açò és que són partícules molt difícils de caçar pels detectors. Tot i això, els neutrinos són, llevat de les partícules lluminoses, els fotons, les partícules més abundant de l’univers.

Els neutrinos es creen com a subproducte de les reaccions nuclears en l’interior de les estrelles, en l’explosió final de les estrelles massives en forma de supernova, en les centrals nuclears terrestres o en l’alta atmosfera terrestre a causa dels raigs còsmics. Cada segon milers de milions de neutrinos que provenen del Sol travessen el nostre cos, o fins i tot el planeta Terra, sense cap interacció. Com podríem caçar-los?

L’any 1967 Raymond Davis va idear un mètode de detecció. El clor-37 (l’isòtop 37Cl) és capaç de captar un neutrino per convertir-se en argó-37 (l’isòtop 37Ar), d’acord amb l’equació següent:

{}^{37}\mathrm{Cl}+\nu_e \rightarrow {}^{37}\mathrm{Ar}+\mathrm{e}^- \,

L’37Ar és radioactiu i, això permet detectar la seua presència després de la interacció amb un neutrino. Tanmateix, la interacció del 37Cl amb els neutrinos és molt baixa.

Per augmentar la possibilitat de captació de neutrinos se situà en una antiga mina d’or de Dakota del Sud, un immens tanc de 38000 litres de tetracloroetilè, un líquid amb quatre àtoms de clor, barat i utilitzat en tintoreries.

Per altra banda, des dels anys seixanta ja es tenia una teoria bastant sòlida de com es genera l’energia del Sol en el seu interior. Just en el cor de la nostra estrella, una reacció de fusió nuclear converteix un gas lleuger, l’hidrogen, en un gas més pesant, l’heli, amb l’emissió de fotons de gran energia (raigs gamma), neutrinos i d’altres partícules. Aquest cicle protó-protó és el procés energètic més important en estrelles de la grandària del Sol o menors. Els científics han calculat teòricament el nombre de neutrinos creats en aquestes reaccions nuclears que són la causa de la brillantor del Sol.

Però quan es comptaren els neutrinos capturats en el tanc de la mina d’or se n’adonaren que només s’hi detectava la tercera part dels esperats. Alguna cosa havia fallat. Potser no era correcta la teoria de les reaccions de fusió del nucli del Sol? És el que va rebre el nom del Problema dels neutrinos solars, un veritable mal de cap per als astrofísics i físics nuclears durant els anys 80 del segle passat.

L’experiment de la detecció dels neutrinos en tancs subterranis s’ha repetit arreu del món, al detector del Gran Sasso, a Itàlia, al Caucas, a Rússia, als detectors japonesos Kamiokande i Super-Kamiokande i sempre han mostrat una manca de neutrinos. Qué és el que fallava? Era un problema d’astrofísica, en que no s’havien explicat correctament les reaccions nuclears solars o era un problema de la física de partícules?

neutrinoD’acord amb el Model Estàndard de la física de partícules hi ha tres tipus de neutrinos, neutrinos electrònics νe, neutrinos muònics νμ i neutrinos taònics ντ. Cadascun d’ells està relacionat amb una partícula carregada, l’electró, el muó i el taó.
El Sol només produeix neutrinos electrònics i per això tots els detectors terrestres estaven dissenyats per detectar aquests i no els altres.

Donat que a la Terra només es detectava un terç dels neutrinos solars (neutrinos electrònics, νe), ¿no podria ser que els neutrinos variaren de sabor, passant d’electrònic a muònic i taònic en el seu llarg viatge cap al nostre planeta? ¿No podrien oscil·lar entre els distints tipus de neutrinos?

SudburySi s’acceptava que aquesta idea de les oscil·lacions era correcta, això implicava que el neutrino tenia massa, petita però apreciable. Però caldria demostrar-ho experimentalment. Això és el que han fet el físic japonés Takaaki Kajita i el canadenc Arthur B. McDonald en els seus respectius treballs.

El japonés Takaaki Kajita ha treballat en el detector Super-Kamiokande estudiant els neutrinos muònics (νμ) produïts per la radiació còsmica en l’alta atmosfera terrestre. I demostrà que els que venen de la part de davant del detector eren més nombrosos que els que venien per la part de darrere, els que havien travessat tota la Terra i han tingut més temps per a oscil·lar. Per tant, part dels neutrinos muònics (νμ) s’havien convertit en un altre tipus de neutrino.

El canadenc Arthur B. McDonald ha treballat al Sudbury Neutrino Observatory. El detector tanc està ple d’aigua pesada, una aigua amb un isòtop de l’hidrogen més massiu i està dissenyat per detectar els neutrinos electrònics que provenen del Sol. Les reaccions entre els neutrinos solars i l’aigua pesada dóna la possibilitat de mesurar no només els neutrinos electrònics sinó la combinació dels tres tipus de neutrinos. En els experiments realitzats, com era d’esperar, els nombre de neutrinos electrònics eren només un terç dels esperats però la suma total dels neutrinos s’ajustava exactament als valors teòrics. La conclusió va ser que els neutrinos van canviant de sabor, canvien d’identitat durant el seu temps de vol des del Sol.

Així que els neutrinos no són només unes partícules fantasma sinó que també són camaleòniques.

Més informació en aquest video en anglés. La primera part (0:00 a 11:00) parla del problema de l’oscil·lació dels neutrinos.

Neutrino, Measuring the unexpected from Javier Diez on Vimeo.

Lectura complementaria: Text en anglés molt complet del Comité Nobel: The chameleons of space.

Imatges:
1.- Premiats.
2.- Oscil·lació dels neutrinos.
2.- L’experiment dels neutrino al Sudbury Neutrino Observatory.

Nobel de Física 2014, un premi enverinat

Winners of the 2014 Nobel Prize in PhysicsJa tenim el Nobel de Física d’enguany anunciat i aquest any amb polèmica.

L’Acadèmia Real Sueca de Ciències ha decidit atorgar el premi als investigadors japonesos Isamu Akasaki, Hiroshi Amano, i al nord-americà, encara que d’origen japonés, Shuji Nakamura per haver inventat, com diu la nota de premsa del Comité Nobel, una font de llum eficient energèticament i mediambientalment amigable: el LED de llum blava.

Com continua dient, la nota: En el esperit d’Alfred Nobel, el premi reconeix un invent d’un gran benefici per a la humanitat. Amb l’ús dels LEDs blaus, va ser possible crear la llum blanca. Amb l’arribada de les làmpades de llum blanca tenim ara una alternativa més duradora i més eficient a les velles fonts de llum. Des d’ací la meua enhorabona als guanyadors del Nobel de Física. És un bon invent que mereixia el premi i que ha permés un altre ús de la il·luminació.

Però com passa moltes vegades en ciència, els resultats aconseguits no s’apliquen correctament i així és com els LEDs de llum blanca s’estan generalitzant per a il·luminació exterior. En aquest sentit, cal remarcar que en tota la nota de premsa no es fa referència als efectes nocius de l’invent. Les societats de lluita contra la contaminació lumínica (IDA, Cel Fosc, etc…) i els grups d’investigació en cronobiologia no estan, a hores d’ara, massa contents en la forma de vendre el guardó, perquè no s’ha considerat la cara fosca de la llum. Ja que de mediambientalment amigable no en té res. Al meu bloc podeu trobar multitud d’apunts en què explique com la llum blanca dels LEDs té incidència en els animals nocturns i en la salut humana a causa de l’intens pic d’emissió en la zona del blau (veieu gràfic). Podeu llegir aquest o aquest apunt, però sobretot el nostre Informe sobre la LEDs blancs per a la Universitat de València. A més a més, una ràpida cerca per la xarxa troba perles com aquesta, The Mixed Blessing of Phosphor-Based White LEDs:  que, entre altres coses, comenta:ehp.119-a472.g001

Abraham Haim, director del Centre Israelí d’Estudis Interdisciplinaris en Cronobiologia, no portarà a sa casa LEDs blancs ni d’altres llums de longitud d’ona curta, per la seua preocupació dels efectes sobre la salut.  Per què? La llum blava que emet els LEDs suprimeix la producció de l’hormona melatonina en un grau superior a la d’altres llums visibles emeses a la mateixa intensitat. S’ha demostrat que la supressió de la melatonina provoca la desrupció dels cicles vigilia/son i ha estat relacionada amb un augment del risc de càncer de pit. Haim diu “Les llums modernes que emeten en el rang de  460 nm a 500 nm s’han de considerar “llums dolentes.””

Els efectes de la llum blanca han estat estudiats sobretot en animals. Aquests mostren una clara correlació entre l’exposició a la llum a la nit i la incidència de càncer. Actualment s’estan fent estudis a tot el món per confirmar-ho en humans. De moment l’Organització Mundial de la Salut ha adoptat una actitud de prudència i diu que “la disrupció circadiana és probablement carcinogènica en humans” També podeu llegir aquest text en anglés.

Però les llums blanques tambe afecten els ecosistems nocturns. Així, els insectes nocturns, que són la immensa majoria, són els més afectats. A l’article Light Pollution in Ultraviolet and Visible Spectrum: Effect on Different Visual Perceptions s’estudia l’efecte de diferents tipus de llums sobre el comportament de diferents espècies d’insectes.

I és que els insectes nocturns tenen un espectre visible diferent dels humans. Veuen els colors des del groc fins a l’ultraviolat. Per això un llum groc és totalment innocu per a ells, ja que no el veuen.Color-vision Però una llum blanca és molt atractiva per a aquests animals ja que queden atrets de forma irresistible pel color blau (que veuen molt bé) i queden atrapats al voltant de les faroles fins que moren fatigats o depredats per altres animals. Aquests llums blancs, per tant, tenen un efecte xuclador de la biomassa de zones fosques a zones il·luminades i minven recursos als animals que s’alimenten d’ells. Per tant, els llums blancs afecten la biodiversitat reduint el nombre de membres de les diferents espècies animals.

Però a banda de tot això, els LEDs tenen el problema que han estat introduïts en l’enllumenat públic només des d’un punt de vista economicista. Cert sector de la indústria d’aquests productes vol vendre els LEDs blancs només com a “làmpades de baix consum” sense tindre en compte que la possibilitat de regulació en potència per a diversos horaris nocturns i situacions és el seu principal avantatge. De moment, i fins que la cosa no millore, la seua eficiència no és major que la de les làmpades tradicionals. (Alejandro Sánchez, 2014).

Ah! I també caldria parlar de la incidència en la contaminació lumínica i el problema del reciclatge dels LEDs al final de la seua vida útil, ja que tenen multitud de metalls pesats, altament tòxics. Però aquest apunt es fa molt llarg i ja en parlaré en una altra ocasió.

Per tot això no puc estar d’acord amb les meravelles de l’invent que es poden llegir a la nota de premsa del comité Nobel d’avui. La credibilitat dels Nobel està sobrevalorada. Recordeu alguns premis de la Pau, per exemple o de Literatura. Però no esperava que l’ona arribara també al Nobel de Física. Un Nobel per als LEDs blancs a les portes de l’Any Internacional de la Llum. Caldrà continar fent molta pedagogia.

Figura 1: Els premiats en un dibuix del comité Nobel.

Figura 2: La llum dels LED de llum blanca consta d’un fort pic, de llum d’ona curta en l’interval de 460 nm (en la zona del blau) i un segon pic d’emissió, més ampli en la part més llarga longitud d’ona de l’espectre . Ben Warfield i George Brainard / Universitat Thomas Jefferson.

Figura 3: Espectre visible per a humans i insectes. De Insect Vision.

L’expansió accelerada de l’univers mereix el Nobel de Física d’enguany

Nobel Fisica 2011

No és fàcil mesurar distàncies a l’Univers. De fet llevat dels planetes i estels pròxims que es calculen per mitjà de mètodes geomètrics, el càlcul, ni que fos aproximat de la llunyania d’una nebulosa o galàxia, no va ser possible fins el treball abnegat i callat d’Henrietta Swan Leavitt que descobrí les estrelles cefeides i la seua utilitat per determinar distàncies.

Aquest descobriment fonamental per a l’astronomia va permetre, per primera vegada, determinar la grandària correcta de la nostra galàxia i l’existència d’altres galàxies separades, com la d’Andròmeda. Amb l’ús de les cefeides, Edwin Hubble va poder determinar la distància de milers de galàxies i a més, l’any 1929, va descobrir un fet sorprenent: quan més lluny es troba una galàxia més sembla allunyar-se de nosaltres. Un fet que plasmà en l’anomenada Llei de Hubble i que portà rapidàment a la idea d’un origen més comprimit i més dens de l’Univers en un passat llunyà.

Si les galàxies s’expandeixen vol dir que abans estan juntes i que ha hagut una gran explosió, o Big Bang, en expressió sorneguera de Fred Hoyle i que ha fet fortuna.Si bé la teoria de l’expansió està totalment acceptada, a finals dels anys 70, el descobriment de la rotació peculiar de les galàxies espirals va portar al descobriment de l’anomenada matèria fosca, una matèria desconeguda, sense emissió de llum però amb massa que és capaç de frenar la rotació esperable de les galàxies. L’Univers tenia, a més de matèria ordinària, lluminosa i massiva, una part no menyspreable d’un tipus de matèria estranya amb massa.

L’any 1998, però, els treballs de dos grups d’astrònoms diferents, un d’ells liderats per Saul Perlmutter (el Supernova Cosmology Project) i altre per Brian Schmidt (>High-Z supernova Research Team), en el que Adam G. Riess té un paper important, portaren a un descobriment sensacional.

Els equips es dedicaven a estudiar la lluminositat d’explosions d’estels en galàxies molt llunyanes, les anomenades Supernoves tipus Ia. Recordant el que he dit al principi, aquest tipus d’explosions estel·lars pot ser utilitzat com a patró de lluminositat per a calcular distàncies a galàxies molt remotes. La sorpresa de tots dos equips, de manera independent, va ser observar que aquestes supernoves llunyanes brillaven aproximadament un 25% menys del que s’esperava. L’única explicació possible era que les estrelles estaven realment molt més lluny del que semblava.

Aquest fet, entés dins de la teoria estàndar del Big Bang, indica clarament que l’univers no només s’expandeix sinó que a més a més està accelerat. I el causant d’aquesta acceleració és una força de repulsió, una mena d’antigravetat que separaria els components de l’univers. Aquesta seria el que s’anomena energia fosca, una energia que s’associa a l’espai buit i que actua com la constant cosmològica que predir Einstein. L’energia fosca ni brilla ni té massa però dóna compte del 70% del contingut total de matèria i energia i seria, per tant, la component dominant de l’univers.

Ben donat està doncs el Nobel de Fisica d’enguany. Bons són aquells reconeixements per als que obrin nous camins de la ciència. I ausades que aquests ho han fet.

Imatge: Saul Perlmutter, posant en front d’una imatge d’una supernova. Mesurant la brillantor d’un gran nombre de supernoves tipus 1a en galàxies llunyanes Perlmutter, Schmidt i Riess van ser capaços de mostrar que l’Univers s’expandeix més ràpidament del que es pensava abans. Crèdit: Lawrence Berkeley National Laboratory. De la web Optics.org

Robert W. Wilson, un nobel a Granada

Wilson Granada

Les activitats de l’Any Internacional de l’Astronomia m’han suposat molta faena amb tots els actes, conferències, exposicions i observacions populars que hem organitzat i que els lectors d’aquest bloc han pogut seguir però m’han reportat també,  és clar, moltes satisfaccions.

Si el novembre obriem les activitats de l’Any a la Universitat de València amb la visita  i conferència multitudinària de George Smoot, Nobel de Física 2006, el que descobrí les anisotropies de la radiació de fons de l’Univers, el passat dissabte vaig conéixer personalment Robert W. Wilson, guardonat amb el premi Nobel de Física 1978, per justament descobrir aquesta radiació que impregna tot l’Univers.

Els actes de finalització de l’Any Internacional de l’Astronomia a nivell de l’estat es van realitzar a Granada. I allí vaig escoltar la conferència d’un dels astrònoms vius més influents de l’astronomia del segle XX. Robert W. Wilson, juntament amb Arno Penzias, van donar la primera prova experimental que l’univers actual prové d’una explosió inicial calenta.

Segueix…

La idea que ha tingut la humanitat sobre com és l’Univers ha anat variant al llarg dels segles. Si a l’època clàssica i l’edat mitjana l’Univers era equivalent al sistema solar en el qual la Terra era al seu centre, Copèrnic i sobretot els descobriments de Galileo, portaren a pensar en un univers heliocèntric amb el Sol regint les òrbites planetàries.

El descobriment per Hubble als anys vint del segle XX que moltes de les nebuloses visibles eren en realitat altres galàxies independents de la nostra va eixamplar el nostre univers fins a límits fora de la comprensió intuitiva humana.

Tanmateix Einstein mateix va introduir la Constant Cosmològica a les seues equacions de la Relativitat General per permetre un univers estàtic, sense principi ni fi només per raons estètiques.

Aquest era el sentir de molts dels astrònoms d’aquell moment. L’univers sempre era igual i com a molt, si evolucionava, s’anava creant matèria i destruint, en el que s’anomenà la Teoria de l’Estat Estacionari. Els científics Bondi, Gold i el més conegut Hoyle eren els principals valedors d’aquest model.

Tanmateix, l’estudi del moviment de les galàxies va permetre a Hubble concloure que aquestes s’allunyen unes d’altres, en el que s’anomena expansió de l’Univers. Aquesta expansió havia de provindre d’un moment anterior en el que la matèria i l’energia estiguera tota concentrada, el moment de l’explosió inicial o Big Bang.

Conferencia Granada

En un principi, la matèria i l’energia formaven una mena de sopa, on les partícules formades, protons, electrons, fotons, etc.. estaven tan junts i amb tanta energia que no es podien formar cap àtom estable. Fins que la temperatura no va baixar fins a uns 3000 graus no va ser possible que els protons i els electrons s’ajuntaren per formar els primers àtoms d’hidrogen. Els fotons de llum, ja lliures, pogueren escapar i ja sense xocar amb les altres partícules inundaren tot l’Univers de llum d’alta energia. És el que rep el nom del Desacoblament i ocorregué quan l’Univers tenia uns 380 000 anys de vida.

Aquesta primera llum de l’Univers ha viatjat durant els últims 13700 milions anys i com l’Univers mateix s’ha anat refredant, minvant la seua energia. Aquesta llum fòssil té ara una temperatura de 3 K (-270 ºC) i és pot detectar en qualsevol direcció de l’Univers.

El descobriment d’aquesta radiació extremadament freda va ser obra de Robert W. Wilson i Arno Penzias, dos físics i radioastrònoms, que l’observaren de manera accidental, a la seua antena de l’empresa Bell Labs a Holmdel, New Jersey, l’any 1965.

Aquests experimentats astrònoms, que havien fet les seues tesis doctorals en altres antenes, estudiant les emissions en ràdio de la nostra galàxia, treballaven en una empresa privada que estava interessada en les comunicacions per satèl·lit. Els primers satèl·lits Echo eren simplement enormes globus inflats que reflectien les ones de ràdio. L’interés de l’empresa era conèixer l’efecte de la Galàxia sobre les comunicacions i com minimitzar-ne l’efecte.

Bob Wilson, que havia estudiat amb Hoyle, i com va dir a la conferència, “m’agradava la teoria de l’estat estacionari“, juntament amb Arno Penzias, van estar provant una antena nova, la famosa antena Holmdel Horn a New Jersey (foto), construïda per al projecte del satèl·lit Echo. Estudiaven la font de ràdio més intensa de la Galàxia, Cassiopeia A (Cas A) i sempre trobaven un excés de soroll o radiació extra. Res a l’equip o a l’entorn no ho explicava.

És ben coneguda l’anècdota que els científics també hagueren de traure de l’antena un niu de coloms i netejaren les seues cagades no fora cas que foren els responsables de l’excés de radiació en les mesures. Però res a fer. El soroll extra era persistent.

Repassaren totes les juntes d’alumini de l’antena per veure si les mesures eixien més netes però res de res. L’excés de radiació estava sempre ahí.

A final no van tindre més remei que demanar ajuda a Robert H. Dicke de Princeton que confirmà amb els seus col·laboradors el descobriment i li donà l’explicació teòrica.

La publicació dels articles de Dicke i col·laboradors i de Penzias i Wilson van ser una autèntica bomba. El New York Times publicava en primera pàgina el descobriment. Com va dir Robert Wilson a la xerrada: “Es prenien seriosament la cosmologia!“.

La confirmació de la radiació fòssil de l’origen de l’Univers va arribar molt ràpidament. I els honors també. El 1978 Penzias i Wilson reberen el premi Nobel de Física.

Wilson

Tanmateix Wilson va reconéixer que “la ciència no sempre funciona com els llibres de text diuen. Fins a cinc vegades van estar a punt de descobrir la radiació de fons de l’Univers abans que nosaltres”, va reconéixer. “I si algun d’aquests grups hagués reeixit aleshores jo no estaria ara ací.

Amb aquest descobriment la Teoria de l’Estat Estacionari estava ja tocada de mort i ja no va tornar a aixecar el cap.

El coneixement de la radiació de fons ha fet molts avanços des d’aleshores amb satèl·lits dedicats a aquesta finalitat com el COBE de George Smoot, el WMap o el Planck llençat el passat mes de maig. Però això ja és una altra història.

Vaig tindre l’oportunitat de parlar una mica amb el premi Nobel Robert Wilson i expressar-li la meua admiració pel seu treball. Es va mostrar molt amable i amb bon sentit de l’humor. Gràcies Bob, per fer-nos entendre una mica millor l’Univers.

Web de l’Any Internacional de l’Astronomia. Entrevista a Robert W. Wilson.

Fotos:

1. Organització de l’Any Internacional
2. Durant la xerrada. Enric Marco
3. Posant amb Robert Wilson. Enric Marco

Nobel de Física 2009 per als inventors de la CCD

CCD

Aquesta setmana s’han lliurat els premis Nobel de l’any 2009 i el que correspon a la Física ha estat realment justificat. Enguany l’inventor de la fibra òptica, Charles K. Kao, i els del dispositiu CCD, Willard S. Boyle i George E. Smith, han estat els guardonats amb el premi Nobel de Física, la quantitat econòmica del qual correspon la meitat per al primer i l’altra meitat per als altres dos.

De la fibra òptica, tot i reconéixer la seua importància en les comunicacions actuals, no en vaig a parlar. Tanmateix del dispositiu CCD no puc deixar d’explicar la seua importància i el seu ús extens en tan gran mesura que sense aquest dispositiu la societat actual seria ben diferent. No només el seu us és general en astronomia, i per això en parle en aquest bloc, sinó que també ho és a la societat.

Però que és un dispositiu CCD o més usualment CCD? Algú sap que és això? A primera vista sembla algun artilugi tecnològic que pocs fan servir però res més allunyat de la realitat. Estic segur que a casa en teniu 2 o 3  ja que la CCD és el sensor digital que converteix les imatges en corrents elèctrics i permet obtenir fotografies digitals. Està, per tant, a tots els telèfons mòbils amb càmera, a les càmeres digitals i a les càmera de vídeo, tant domèstiques com professionals.

Tot va començar amb un efecte inexplicat pel qual la llum és capaç d’arrancar electrons d’un metall. I Albert Einstein ho va solucionar l’any 1905…
Segueix…

A finals del segle XIX i principis del XX un efecte desconcertava els físics. Una llum incident sobre la superfície d’un material, normalment metall, és capaç d’arrancar electrons. Mirant la llum com una ona, que ho és, no hi havia explicació possible. Einstein ho explicà proposant que la llun consisteix de petites partícules, que ara anomenem fotons, que porten energia que és proporcional a la seua freqüència.
Els electrons de la matèria absorbeixen aquesta energia que necessiten per escapar-se del material.

Einstein publicà els seus resultats aquell any miraculós (per a ell) de 1905. L’efecte fotoelèctric només s’explica si la llum es comporta com a partícula, no com a ona. Tanmateix altres efectes indiquen que també és una ona…  Quin gran misteri és la llum…

L’efecte fotoelèctric s’aplica a tota mena de detectors, el més conegut dels quals és el que fa tancar les portes dels ascensors. També és a la base de la fotosíntesi per la qual les plantes s’alimenten del carboni del CO2 de l’aire mitjançant la llum solar.

Albert Einstein rebé el Premi Nobel de Física de 1921 “pels seus serveis a la física teòrica i, especialment, pel seu descobriment de la llei de l’efecte fotoelèctric“.

I que passaria si aquests electrons ejectats es pogueren comptar i transportar per un cable elèctric? A primer cop d’ull està clar que quan més fotons incidents més electrons tindrem i per tant més corrent elèctric.

Si construïm una malla amb elements suficientment petits d’un material capaç d’ejectar electrons amb la llum incident, cada element de la qual anomenarem píxel, i sobre aquesta malla projectem una imatge formada per un element òptic (càmera, telescopi, etc…), la llum de la imatge provocarà un allau d’electrons en cada píxel. Els més allumenats tindran molts electrons, el que no s’allumenen no en produiran cap o molt pocs.

Si som capaços de treure aquest electrons produïts en cada píxel individual sense mesclar-los amb els dels altres píxels, serem capaços de reproduir digitalment la imatge lluminosa. I això és el que van aconseguir George Smith i Willard Boyle dels Laboratoris Bell l’any 1969. Mitjançant un ingeniós sistema de variació de voltatge amb els píxels contigus, la càrrega elèctrica és transportada cap a fora de la matriu de píxels per finalment combinar-se per formar una imatge digital. És el que s’anomena procés de lectura, necessita un temps i és el causant que en les primers càmeres es trigara una mica en poder fer una segona foto. El dispositiu s’anomena Charge Coupled Device (CCD), en català, Dispositiu de Càrrega Acoblada.

buckets

Ací dalt teniu un esquema que és un símil d’una CCD amb pluja (que fa de llum), pots (píxels) i el transport de l’aigua recollida (electrons) cap a la línea de transferència de càrrega.

En astronomia, la CCD ha substituït totalment la fotografia analògica, la de rodet,  des de principis dels anys 90. Els astrònoms van estant provant i millorant la CCD durant tota la passada dècada fins que finalment la tecnologia va passar a l’àmbit domèstic. I ara les càmeres digitals són ja a l’abast de tothom. I a més fa poc va eixir la nova tecnologia CMOS que és semblant a l’explicat anteriorment però el corrent elèctric produït en cada píxel es recull directament sense transport pels altres píxels. Això fa el dispositiu molt més ràpid amb un temps de lectura sensiblement menor.

Sense la contribució dels guardonats George Smith i Willard Boyle, avui encara faríem les fotos amb les càmeres de rodet. I el món seria molt menys digital….

Imatge:
1.- CCD.
2.- Simulació amb aigua del funcionament d’una CCD. Cornell University