Discos protoplanetaris

Tal com comenta la revista Astronomia al seu número de l'abril 2018, «els discos protoplanetaris són fàbriques de planetes en acció». I segueix, «Poques àrees de l'astrofísica han progressat tant en tan poc temps. En pocs anys hem passat de només intuir la presència d'aquests discos, utilitzant mesures indirectes, a obtenir fotografies».

Segons la teoria vigent, les estrelles es formen al medi interestel·lar per contracció, degut a la força de la gravetat, del gas i la pols existents. Aquest material va formant grumolls que quan siguin prou grans donaran lloc a la protoestrella. Al nostre Sol, aquest procés de contracció o col·lapse gravitatori li va durar 10 milions d'anys. Durant aquest període el gas es va contraient i escalfant, però no es capaç de produir, encara, reaccions nuclears. La temperatura seria de 3.000ºC, la meitat del Sol, però emetria 700 vegades la quantitat d'energia solar.

Si durant aquesta etapa, arribés a rebre l'ona de xoc, originada per l'explosió d'una supernova, tots aquests terminis es podrien escurçar.

Els discos protoplanetaris són una conseqüència natural d'aquest procés. Segons les lleis de la física quan hi ha cossos en rotació al voltant d'un centre, cal mantenir el moment angular. Penseu en el patinador que gira amb els braços i una cama desplegats i de cop els tanca. Resultat: gira més de pressa sense haver fet gairebé res.

Però no tot el gas i pols al voltant de la protoestrella cau atrapat per la gravetat. Una part es queda donant voltes a l'exterior, on l'atracció de la gravetat és menor. Aquí es formaran els discos protoplanetaris i, a la llarga, els planetes. O sigui la matèria exterior roman allà mateix, per la força centrípeta, i, al temps, va agafant velocitat.

Qui primer va proposar aquesta solució per la formació d'un sistema planetari va ser el filòsof alemany Immanuel Kant (1724-1804) l'any 1755 a la seva obra Història general de la natura i teoria del cel.

En aquesta zona exterior també es van formant grumolls, que amb les voltes aniran creixent i netejant el lloc per on passen. formaran la seva òrbita i la deixaran ben neta. Una de les condicions per ser acceptat com planeta és que sigui l'únic objecte a la seva òrbita.

Els primers discos que es van poder observar van ser amb la càmera de camp ampli del telescopi Hubble, la WFPC2, l'agost de 1991 a la zona de la nebulosa d'Orió (C.R. O'Dell - Rice University). El novembre de 1995 es va aconseguir millorar la qualitat de les fotos per (McCaughrean & O’Dell 1995). Ara ja hem aconseguit imatges molt més bones amb els nous telescopis d'Atacama, amb els VLT de 8,2 m de mirall i una càmera Sphere instal·lat el 2014 a Cerro Paranal (ESO) (Stolker et al.).

Aquests 4 VLT observen en el visible i l'infrarroig i ens donen una anàlisi de la superfície de la pols. Ara bé, per entrar a les regions internes calen altres aparells, els radiotelescopis com els d'ALMA a Atacama (Xile) o IRAM a Granada.

Publicat a la revista "Els Colors del Pla de l'Estany" en el seu nº 233 del maig de 2019

Bepi Colombo, una sonda cap a Mercuri

L’octubre de 2018 es va llançar a l’espai des de la Guaiana francesa una nau espacial en direcció a Mercuri, un dels planetes més propers però, al temps, més desconeguts. El seu nom Bepi Colombo és un reconeixement al científic italià (1920-1984) qui va treballar per la ESA i la NASA com matemàtic i enginyer.

El seu viatge serà complicat pel fet de que és en direcció al Sol. Així que haurà de, primer sobrevolar la Terra, després dos cops Venus i, finalment, sis cops Mercuri abans d’entrar a la seva òrbita. Això implicarà que per a còrrer algunes dotzenes de milions de quilòmetres, que el separen en línia recta del planeta, acabarà fent més de mil milions.

Després d’accelerar per escapar-se de l’atracció gravitatòria de la Terra haurà d’anar-se’n frenant per evitar caure cap al Sol, per aquesta raó utilitzarà les òrbites als planetes que voltarà per frenar-se, així com un motor de propulsió elèctrica. Curiosament, frenarà per no anar cap el Sol, però li caldrà accelerar per entrar a l’òrbita de Mercuri.

Anteriorment, només havien visitat Mercuri les sondes Mariner 10, a mitjans del 1970, i la Messenger entre 2011 i 2015. La primera el va cartografiar en un 45% i la segona un altre 30%. L’objectiu d’aquesta sonda serà saber com es va originar i evolucionar. També intentarà esbrinar si existeix gel d’aigua a les ombres perpètues dels cràters polars i el motiu perquè el camp magnètic es troba desplaçat 400 km respecte del centre del planeta. Igualment, cartografiar la resta de l’hemisferi sud, pendent de fer, i intentar esbrinar perquè Mercuri s’ha encongit 7 km entre aquelles dues visites.

Quan arribi l’any 2025, es separarà en dos orbitadors diferents, l’MPO (Mercury Planetary Orbiter) de l’ESA i l’MMO (Mercury Magnestospheric Orbiter) de l’agència espacial japonesa JAXA. Una tercera sonda que havia d’aterrar a la superfície es va cancel·lar. La seva durada prevista serà d’un any.

Una de les curiositats d’aquestes sondes seran que els seus panells solars hauran de refrigerar-se per evitar el fort escalfament produït per la seva proximitat al Sol. Així, portaran un radiador per a dissipar l’escalfor i giraran a 15 voltes per minut per distribuir de forma uniforme l’escalfor. El 85% de la tecnologia a bord de la sonda s’ha dissenyat específicament per a ella.

El planeta Mercuri és menys d’un 40% de la mida de la Terra. És el més petit de tots els del sistema solar, més petit, inclús que Ganímedes de Júpiter i Tità de Saturn. Té unes temperatures d’entre -180 i 427ºC. El seu dia dura 58,7 dels nostres i la seva òrbita al Sol, 88 dies. O sigui que rota sobre sí mateix 3 cops mentre fa dues òrbites al Sol. No té cap satèl·lit. Vist des de la Terra, presenta fases com la Lluna i, es pot veure, com a molt, entre una hora i dues abans de la sortida del Sol o després de la posta. És visible a simple vista però cal triar un lloc amb un horitzó net, sense obstacles, doncs habitualment es troba baix.

Publicat a la revista "Els Colors del Pla de l'Estany" en el seu nº 232 de l'abril de 2019

Gaia

Aquest és el nom d’una sonda de l’ESA que vol definir les coordenades de mil milions d’estrelles, gràcies als seus telescopis. Així de senzill, l’anterior catàleg l’havia fet la sonda Hipparcus sobre duescentes mil estrelles el 1993.

El Gaia va ser llançat de la Guyana francesa el desembre de 2013. Tal com la defineix la pròpia ESA és una ambiciosa missió per crear un mapa tridimensional de la nostra galàxia, en un procés per revelar la composició, formació i evolució de la mateixa.

Durant el seu treball observarà cada estrella, només dins de l’espectre visible, 70 vegades, escombrant el cel amb les seves dues càmeres. Del tros de cel que observa, un 1% del total d’estrelles, selecciona la part de la foto on hi ha l’estrella sobre la que fa el seguiment per reduir el consum de memòria i també li fa el càlcul de la brillantor i espectre. Aquesta informació l’envia després a una de les tres antenes situades a la Terra, on s’emmagatzema i, posteriorment, s’avalua. També donarà dades de moviment propi (velocitat radial) de 150 milions d’estrelles. L’anàlisi abarcarà fins a estrelles de magnitud 20 i tindrà una precisió de 20 microarcsegon.

Totes aquestes dades seran públiques pel servei de tota la comunitat d’astrofísics. El primer bolcat d’informació va ser el setembre de 2016. La segona l’abril de 2018.

Es troba en el punt, conegut com de Lagrange L2, a 1,5 milions de quilòmetres de la Terra. Tindrà una vida de 5 anys, encara que es pensa que es podrà prorrogar fins el 2024 quan se li acabarà el combustible de forma definitiva.

Segons la informació recollida de les primeres dades, s’ha pogut detectar que fa, entre 300 i 900 milions d’anys, es va produir una aproximació de la galàxia nana de Sagitari, que pertany al nostre grup local. Després d’estudiar la posició i el moviment de 6 milions d’estrelles van aparèixer unes estructures en espiral, com de closca de cargol, que indiquen l’existència d’aquesta important pertorbació. La imatge que han trobat és com la d’una pedra quan cau a sobre de l’aigua d’un estany amb aigua tranquil·la. Això ha estat possible gràcies a la precisió de les dades obtingudes per Gaia.

Gaia genera uns 40 Gb diaris d’informació que cal processar en supercomputadors com el BSC de Barcelona. Tota aquesta informació sobre el paralax de les estrelles i el seu moviment propi ha permès conèixer la seva trajectòria dins la galàxia així com la seva metal·licitat, és a dir, la seva composició en elements químics que no siguin ni hidrogen ni heli, o sigui, tots els altres.

També ha permès el seguiment d’asteroides i els descobriment d’una vintena de’estrelles que es mouen molt ràpidament prop del nucli galàctic com si estiguessin entrant a la nostra galàxia, provenint de l’exterior o estiguin sent expulsades de la nostra vers l’exterior.

Dintre del mateix anàlisi també permetrà conèixer millor 14.000 asteroides i descobrir milers d’exoplanetes i de l’ordre de mig milió de quàsars.

Publicat a la revista "Els Colors del Pla de l'Estany" en el seu nº 231 del març de 2019

ICFO

L’ICFO (Institut de Ciències Fotòniques) es troba a Castelldefels (Barcelona), al tocar del Canal Olímpic i on està la UPC. El lema d’ells diu: Connectar, explorar, crear.

L’ICFO va ser creat l’any 2002 per la Generalitat de Catalunya amb la col·laboració de la UPC i es centra, segons expliquen, en la investigació, tant bàsica com aplicada, de les diferents branques de les ciències i tecnologies de la llum.

Segons les seves explicacions la llum serveix per: veure, olorar, tallar, enganxar, escriure, esborrar, refredar, diagnosticar, curar, comunicar,...

Olorar: és reconèixer alguns composts químics, cada compost químic té la seva "firma" de llum (espectre) i doncs podem fer servir la llum per reconèixer diferents químics

Enganxar: pot ser soldar o per exemple solidificar alguns materials que es fan servir a algunes impressores 3D, per exemple

Escriure/esborrar: pot ser fent incisions en materials (fotolitografia) o per exemple per posar informació a CDs; també podem fer servir la llum per posar informació (quàntica) a dins de àtoms, que en un cert sentit també és escriure

Refredar: les pinces òptiques agafen una partícula i la paren (quan anem a nivell macroscòpic, velocitat és sinònim de temperatura: quan més fred, més lent); podem fins i tot agafar i atrapar àtoms (els anomenats àtoms freds)

Diagnosticar: la llum és a la base de algunes tècniques hospitalàries de rutina (endoscòpia, pulsioxímetre)

Curar: podem fer operacions quirúrgiques amb làser

Comunicar: enviar informació en forma de polsos de llum a dins de una fibra òptica

En conseqüència les seves línies són: salut, comunicació i energia.

Indiquen que: el seu objectiu és empènyer la frontera de la nostra comprensió de la naturalesa i de la nostra capacitat per manipular-la, fent front als reptes de la societat i del progrés industrial.

Tenen 350 investigadors i 26 línies d’investigació en 60 laboratoris. Toquen temes com: Grafè, bionanotecnologia (microscopia), utilitzant nanopartícules per reconeixement del càncer, fent servir or recobert per poder escalfar i matar cèl·lules cancerígenes a freqüència de ressonància.

També plaques solars flexibles. Dins de la física quàntica estudien noves aplicacions basades en idees contra intuïtives de la física quàntica amb temes com teoria de la informació, dinàmica ultraràpida en sòlids quàntics, òptica atòmica, nanomecànica, nanofotònica, gasos ultrafreds. També formen part del Quantum Flagship, programa europeu sobre quàntica.

Al grup d’Astrobanyoles que vàrem visitar el centre, ens van mostrar un parell de laboratoris i vam participar en les seves demostracions de la interacció de la llum amb els humans. També ens van mostrar una màquina que generava fotons un a un, dosificats en el temps per a veure com reaccionaven amb el grafè. Una visita per despertar curiositats, tant de joves com no tant joves.

Publicat a la revista "Els Colors del Pla de l'Estany" en el seu nº 230 del febrer de 2019

ITER, l’energia del Sol a la Terra

Les necessitats energètiques d’una ciutat desenvolupada d’1 milió de persones es pot cobrir mitjançant el consum de 250.000 tones de cru, un petrolier sencer, o bé, 400.000 tones de carbó, 40 trens plens. Altre alternativa seria cremar 60 grams d’una barreja de deuteri i triti (isòtops de l’hidrogen) i recuperar l’energia produïda segons la fórmula d’Einstein E = m · c²

La quantitat d’energia obtinguda en tots tres casos seria la mateixa.

Les dues primeres formes, petroli i carbó, són actualment les més habituals. La tercera és la més vella de totes, doncs és el que fan les estrelles, la fusió nuclear.

Però a nivell planetari és la més moderna, doncs es va començar a entendre com es produïa dins del mateix Sol l’any 1929 gràcies a Fritz Houtermans. La fusió nuclear consisteix en unir 4 àtoms d’hidrogen en heli, passant per unes etapes intermèdies de deuteri i triti. Aquesta reacció ocorre al nucli del Sol on la temperatura es de l’ordre de 15 milions de graus centígrads i transforma un 0,7% de la massa dels àtoms directament en energia.

El que pretén l’ITER (Reactor Experimental Termonuclear Internacional) és reproduir a la Terra la mateixa forma d’obtenció d’energia que es fa a les estrelles. Es va començar a parlar el 1958, però no va ser fins el 2007 en que 35 països diferents, el 60% de la població mundial, van firmar l’acord per tirar-lo endavant. Està clar que necessitem una nova font d’energia que substitueixi els combustibles fòssils, permeti satisfer la demanda creixent i estigui a l’abast de tothom. ITER intentarà reproduir el fenomen a escala industrial.

No devem confondre la fissió i la fusió nuclear. La primera és la que es produeix a les centrals nuclears i és radioactiva i la segona és la de les estrelles i, en comparació, és neta.

Ara, com fer-ho?, hem dit que la temperatura al nucli del Sol és de 15 milions de graus, aquí a la Terra, per arribar a aquesta fusió cal pujar fins els 150 milions de graus. Deu cops més. Per contenir aquesta temperatura no existeix cap material que ho permeti i cal fer-ho per un mètode anomenat confinació magnètica. Cal portar l’hidrogen a estat de plasma i escalfar-lo per ràdiofreqüència i mantenir-lo dins d’un recipient conegut com tokamak, una espècie de donut de 6 metres de diàmetre.

Actualment s’aconsegueix obtenir rendiments positius en el balanç d’energia, és a dir, entre l’energia que aportes per escalfar el sistema i la que obtens com resultat de la fusió.

L’any 2025 es faran les primeres proves industrials en petita escala i s’espera poder arribar a tenir una instal·lació a gran escala el 2060. En el primer pas s’injectaran 50 MW d’energia i s’obtindran 500 MW. Pel 2060 s’espera poder obtenir una potència de 4.000 MW.

A Barcelona existeix la seu de Fusion for Energy que és la responsable europea per donar suport al projecte ITER per tal d’arribar a la fita del 2060 en els terminis programats.

Publicat a la revista "Els Colors del Pla de l'Estany" en el seu nº 229 del gener de 2019

LHC

Aquets acrònim correspon a les inicials de Large Hadron Collider, o sigui, Gran Col·lisionador d’Hadrons. Aquest últim substantiu és molt especialitzat i segur que poca gent el coneix. Els hadrons són unes partícules subatòmiques, formades per quarks, una altra partícula encara més petita, i que són sensibles a la força nuclear forta, una de les forces fonamentals de la naturalesa.

El que pretén aquest gran aparell, situat entre França i Suïssa, és el de fer xocar aquestes partícules subatòmiques entre elles per trencar-les i estudiar els seus components. Així es van descobrir una gran quantitat d’elles.

Les partícules s’acceleren fins a una velocitat propera a la de la llum i es fan col·lidir dos feixos de partícules que viatgen en sentits oposats. Al xocar es trenquen i es descomposen en els seus components més elementals. Els feixos estan gairebé a -271,3ºC gràcies a l’heli líquid i en condicions d’un buit quasi absolut, com el de l’atmosfera de la lluna. La direcció del feix es guia per imants, més de 1.600 unitats, uns que el fan agafar el sentit corbat de l’aparell i altres l’acceleren.

L’entitat que l’aixopluga és el CERN, Centre Europeu de Recerca Nuclear, fundat el 1954. L’LHC es va inaugurar el 2008 i consisteix en un anell de 27 km de circunferència dedicat a fer xocar partícules amb molt alta energia per intentar reproduir els moments inicials del Big Bang, la gran explosió inicial, amb l’objectiu de conèixer les partícules que el formaven en aquell moment. Així estudia l’univers primitiu, la matèria fosca, l’antimatèria, tot per confirmar la validesa del Model Cosmològic Estandar. El seu darrer gran èxit va ser identificar el bosó de Higgs, l’any 2012, el qual dona massa a totes les partícules.

Cada protó dona més d’11.000 voltes a l’anell cada segon. Els dos feixos de protons a la màxima energia serien equivalents a un tren d’alta velocitat amb un pes de 400 tones movent-se a 150 km/h. 

L’energia equivalent dels feixos de protons és de 7 TeV, per tant l’energia màxima actual és el doble, quan xoquen dos feixos. 1 TeV equival a l’energia que porta un mosquit volant, però l’energia està concentrada en una superfície un bilió de vegades més petita.

La gran quantitat de dades que es generen en els xocs i la necessitat de comunicar-se entre sí de tots els científics els va portar a crear la base de la xarxa Internet, originada al CERN el 1989 pel britànic Tim Berners-Lee.

Les dades originades pels milions d’impactes originen 50.000 discs dur d’1Tb cada any. Els seus imants contenen 10.000 tones de ferro, més que la torre Eiffel.

Actualment, en les condiciones d’energia en les que es treballa estan estudiant el moment en que l’univers tenia una vida de 10 ^-12 segons després del Big Bang, quan l’univers visible era un plasma de quarks i gluons, tenia un radi de 300 milions de km i una temperatura de 10¹⁶ ºC. Esperem continuin els bons resultats.

Publicat a la revista "Els Colors del Pla de l'Estany" en el seu nº 228 del desembre de 2018

Mart

Ara que fa poc que Mart va estar en oposició (juliol 2018), que vol dir la mínima distància a la Terra, vam poder observar clarament el puntet vermell que fa destacar aquest planeta en el cel.

Encara i això es trobava més enllà del 57 milions de quilòmetres de distància, però, vaja, estava més a prop que gairebé mai, doncs pot arribar a allunyar-se fins a 400 milions de quilòmetres.

Els grans astrònoms com Brahe, Kepler, Galileu, Herschel o Cassini, ja el van observar i dibuixar. Però no va ser fins el 1877 que Giovanni Schiaparelli no va fer el millor mapa fins a l’època i va batejar nombroses zones del planeta. També va ser ell qui va començar a parlar de canali, que va comportar, per una mala traducció a l’anglès a pensar que eren canals fets per l’home en lloc de naturals. Tema que va defensar, amb deler, l’astrònom americà Percival Lowell, convençut de l’existència de vida marciana intel·ligent.

Observacions posteriors van desmuntar aquesta teoria i les sondes enviades el segle XX van confirmar la total normalitat dels accidents geogràfics trobats. Per ara no s’ha trobat cap rastre de vida, encara, que fa poc, es va confirmar l’existència d’un llac d’aigua salada de 20 km de llargada, soterrat a un 1,5 km sota la superfície. D’altre banda, dos robots de la NASA fa temps que hi circulen per la seva superfície, així com altres sondes estan en òrbita permanent.

La seva superfície és vermellosa per l’existència de derivats d’òxid de ferro. Presenta una clara dicotomia entre l’hemisferi nord, pràcticament pla, i el sud escarpat. Ambdues part es troben separats per una mena de divisòria abrupta de diversos quilòmetres de desnivell que separa els hemisferis. Va ser conseqüència de l’activitat volcànica de fa 3.000 milions d’anys. Cal destacar el Mont Olimp de 22 km d’alt i una base de 600 km de diàmetre.

Altre accident geogràfic notable és el Valles Marineris, un canó de 4.000 km de llarg, fins a 600 d’ample i d’entre 2 i 7 km de fondària.

En quant a similituds amb el nostre planeta, també en tenim. El dia marcià dura 24 h 37 m i degut a la seva inclinació també posseeix estacions, encara que aquestes duren el doble que a la Terra, doncs el seu any és de 687 dies. Per contra la temperatura mitjana és de -55ºC, amb mínimes de -133º i màximes de +20ºC a pocs centímetres del sòl.

L’atmosfera marciana actual és molt tènue, amb un 95 % de CO2, un 2,7% de nitrogen molecular i un 2,3% d’altres gasos, com argó o oxigen. D’aigua només hi ha un 0,03% en forma de vapor. La pressió atmosfèrica 0,07% la terrestre. El 1999 es van descobrir traces de metà, però encara s’està discutint si és d’origen mineral o biològic. Igualment el 2018 s’han descobert altres molècules orgàniques complexes, de les quals tampoc es coneix l’origen.

Al voltant de Mart giren dos petits satèl·lits, Fobos i Deimos. Es creu que són dos asteroides capturats pel planeta, degut al seu albedo i densitat, més similars a asteroides del grup C, del cinturó extern.