Objectiu: exoplanetes

Com ja és conegut, el primer exoplaneta va ser descobert el 1995 per  Queloz i Major. Des d’aquell moment va començar una cursa frenètica per aconseguir anar ampliant la llista.

A data de gener 2023 estan confirmats per la NASA 5.470 exoplanetes, la major part d’ells en sistemes planetaris, o sigui, amb més d’un planeta per cada estrella. De fet, la mitjana és de més de quatre exoplanetes per cada estrella. 

Com sempre, ha estat la limitació tècnica, la capacitat de detecció, el que ha impedit progressar més ràpidament. Inicialment només es trobaven exoplanetes de la massa de Júpiter -1.300 cops més gran que la Terra. Al 2005 ja es va aconseguir identificar un planeta 5,5 cops més gran que la Terra. A l’octubre de 2021 es va informar de la possible detecció d’un exoplaneta a una galàxia fora de la Via Làctia. Està pendent de confirmació.

Els candidats actuals a exoplanetes són majoritàriament a menys de 3.000 anys-llum de nosaltres. Des del 1980 ja s’estudiaven mitjançant telescopis terrestres, ja fossin a Arizona, Hawai, Atacama o Canàries. Properament també es podran estudiar amb el Extremely Large Telescope (ELT) o Telescopi Extremadament Gran que es situarà a Cerro Armazones a Atacama amb una mirall de 39 metres de diàmetre. O el Thirty Meter Telescope (TMT) Telescopi de Trenta Metres que s’instal·larà a Hawai.

A partir del 1990, amb el Telescopi Hubble, va començar l’observació des de l’espai, no a terra. Així es guanya lluminositat en evitar que la llum travessi l’atmosfera. Aquesta va ser una col·laboració entre la NASA i l’ESA. El 2003 la NASA va llançar el telescopi espacial Spitzer que va continuar detectant exoplanetes. El 2006 l’ESA va enlairar el Corot, que encara que només tenia un mirall de 27 cm de diàmetre va descobrir 557 nous exoplanetes. Va ser el primer dedicat a caçar exoplanetes per la tècnica del trànsit.

El 2009 la NASA en va llançar un de nou, el Kepler amb un mirall de 1,4 metres de diàmetre. Ha descobert més de 3.000 nous exoplanetes en 69 sistemes estel·lars. A partir de les seves dades es va establir que a la Via Làctia podien existir 17.000 milions d’exoplanetes de la mida de la Terra. Va ser el primer en detectar una exolluna, un satèl·lit d’un exoplaneta.

L’ESA, el 2013, va llançar l’observatori espacial Gaia amb un mirall de 3,0 m. El seu objectiu és fer un nou catàleg amb dades de mil milions d’estrelles. Però estimen que descobreixi fins a 35.000 nous exoplanetes. El següent va ser el 2018, quan la NASA va llançar el TESS, un telescopi dissenyat per detectar exoplanetes de la mida de la Terra pel mètode del trànsit. Està previst que arribi a descobrir uns 20.000 exoplanetes, dels que 300 podrien ser com el nostre planeta.

l 2019 l’ESA va llançar el Cheops per caracteritzar millor els exoplanetes ja coneguts. El Nadal de 2021 es va enlairar el Telescopi James Webb amb un mirall de 6,5 m i els propers anys ho faran el Plato i l’Ariel de l’ESA i el WFIRST de la NASA. Ha nascut l’exoplanetologia, una nova branca de la ciència.

Publicat a la revista "Els Colors del Pla de l'Estany" en el seu nº 284 de l'agost de 2023

On són tots?

Aquesta era la pregunta que es formulava el físic italià Enrico Fermi l’any 1950 a la cafeteria del laboratori nacional de Los Álamos on estava treballant.

La pregunta també podria haver estat: Estem sols a l’univers?.

De ben segur que nosaltres també ens hem fet aquesta pregunta. Cada cop coneixem millor l’univers que ens envolta, sabem que la Via Làctia conté mig bilió d’estrelles i que existeix un altre mig bilió de galàxies com la nostra. També sabem que com el Sol hi ha un 5% del total d’estrelles i que d’aquestes al voltant d’un 20% tenen planetes similars a la Terra.

Barrejant aquestes dades surt que podria haver de l’ordre de cent mil trilions de planetes habitables. La contradicció sorgeix quan contrastem la quantitat de llocs on es podria haver desenvolupat vida intel·ligent i l’absència total de contacte amb cap d’elles. Això és el que es coneix com la paradoxa de Fermi.

Per intentar-ho explicar ens plantejarem una sèrie de preguntes.

- La vida és un fet poc comú? Podria ser que fos un fenomen tan poc usual que fóssim l’únic planeta amb vida? De fet, l’aparició de vida ha sigut gràcies a un conjunt d’accidents i que tots ens han sigut favorables. Si Júpiter no ens hagués aturat alguns asteroides, si no tinguéssim camp magnètic, etc...

- Barreres evolutives. Podria ser que existís vida a d’altres llocs, però que no sigui  intel·ligent. Que no hagin passat de simples microorganismes o bé, animals o plantes, però sense capacitat tecnològica per enviar o rebre missatges. També hi ha l’opció de que l’hagin desenvolupada, com nosaltres o més, i que s’hagin autodestruït.

Missatge d'Arecibo. Institut SETI

- Barreres socials. Podria ser que les altres vides intel·ligents no ens vulguin contactar. També podria ser que visquéssim a un racó de la galàxia i que aquells ens protegissin com en un zoo, apartats de tothom. També s’ha plantejat l’opció de que estiguem en un univers virtual, dins d’un holograma còsmic creat per aquelles vides molt superiors, sense opcions de sortir.

- Estem a una zona de la galàxia poc transitada. El sistema solar es troba al braç d’Orió de la Via Làctia. Som com un barri allunyat del centre, estem a l'extraradi i ningú busca vida per aquestes zones, fer-ho per la zona central és més interessant. Només fa una mica més de cent anys que estem emetent senyals electromagnètiques cap a l’exterior- la ràdio es va inventar el 1895 per en Nicola Tesla. O sigui que els senyals que hem emès només estan a uns cent anys-llums de distància, potser hauran arribat a un miler d’estrelles, evidentment totes de la nostra galàxia.

- Tenim capacitat de detecció? Quants anys fa que estem escoltant l'Univers? Potser vam rebre les senyals quan hi havien els dinosaures i no les van saber interpretar. Potser les estem rebent ara però tampoc les sabem interpretar.

- No existeix intenció de contactar. Seria altra opció. La nostra experiència indica que quan dues civilitzacions es troben acaba en desastre. Potser seria millor estar calladets i no enviar cap senyal.

Poc ho sabem.

Publicat a la revista "Els Colors del Pla de l'Estany" en el seu nº 283 de juliol de 2023

Dues exploradores bessones a Mart

Des del gener del 2004 hi ha dos vehicles exploradors -rovers en anglès- damunt la superfície del planeta Mart. Es van enlaire des de Cap Canyaveral el juny de 2003, amb quasi un mes de diferència, i van trigar sis mesos en arribar al seu objectiu.

Els objectius eren purament geològics, no pretenien trobar si hi havia vida o si n’hi havia hagut. Encara no estem prou avançats tecnològicament per a fer-ho, no podem garantir encara que no contaminarem res per part nostre. El que volien saber era si, antigament, podia haver-hi hagut aigua. Només si hi podia haver aigua, podia haver existit vida.

Durant tot el viatge, la nau espacial que el transporta girava a 2 rpm i feia actualitzacions periòdiques de la seva posició per mantenir l’eix de rotació, i l’antena, apuntant cap a la Terra i els panells solars cap al Sol, ja que amb el vol canvien les posicions relatives. 

Uns 45 dies abans de la seva entrada a l’atmosfera marciana començaren els preparatius, és la fase d’aproximació. Quan la nau és a uns 3.500 km del centre del planeta i s’inicia la fase d’entrada, descens i aterratge. Abans d’iniciar aquesta última etapa, li ha calgut adaptar els rellotges a l’hora marciana. El dia marcià, anomenat sol, dura uns 40  minuts més que el dia terrestre i cal sincronitzar els equips amb l’horari marcià.

Abans de l’aterratge la nau viatja a uns 19.000 km/h i el seu escut tèrmic s’escalfarà fins més de 1.400ºC. En aquest període de sis minuts en què redueix la velocitat fins a 0 km/h, quan impacta, es perd la comunicació amb la base i no es té cap senyal, i es coneix amb el nom dels 6 minuts del terror. Durant l’aterratge van embolicats en bosses inflables, a l’estil dels coixins de seguretat dels cotxes. Quan paren de rodar es desinflen i s’obren. Al cap de poc comencen a fer i enviar fotos, tot buscant objectius interessants des del punt de vista geològic.

Spirit. Foto: NASA

Les dues naus van anar a punts oposats del planeta, però amb el mateix objectiu científic, buscar i caracteritzar roques i sòls per trobar pistes d’una possible antiga activitat per part de l’aigua. Opportunity va anar a Meridium Planum, un antic llac gegant causat per l’impacte d’un meteorit i Spirit va anar a estudiar el cràter Gusev, on hi podia haver dipòsits minerals relacionats amb un passat aquós.

Tan l’una com l’altra van evidenciar que fa molt de temps, Mart era molt més humit que actualment i que les condicions existents en aquells temps podien haver sostingut vida marciana, si hi va arribar a existir.

Ambdós vehicles van superar de llarg la durada planificada, que era d’uns tres mesos, 90 sols. L’Spirit va treballar 20 vegades més, fins el 2010. L’Opportunity va durar gairebé 15 anys, la seva darrera comunicació amb la Terra va ser el 10 de juny de 2018, quan una tempesta de pols a nivell de tot el planeta la va cobrir amb una capa de pols. Ara les dues reposen damunt del planeta vermell.

Publicat a la revista "Els Colors del Pla de l'Estany" en el seu nº 282 del juny de 2023

La fusió nuclear, més a prop? (2)

Si a l’anterior article intentàvem explicar en què consistia la fusió nuclear, en aquest explicarem en quin punt es troba la ciència en aquesta cursa.

Per tal que sigui un procés rendible, cal obtenir més energia de la que s’injecta. Un altre problema que tenen els científics és com mantenir l’hidrogen que es vol fusionar, o el deuteri o el triti, en un lloc que resisteixi la temperatura a la què es produeix la fusió, 100 milions de graus.

Aquí hi ha dos camins, el confinament magnètic i l’inercial. El primer comprimeix la matèria mitjançant un camp magnètic, el segon amb raigs làser. Evidentment, no hi ha cap material al planeta capaç de suportar aquesta temperatura tan elevada.

Els centres d’investigació que utilitzen el confinament magnètic són: 

- JET, projecte europeu posat en marxa el 1978 a Culham (Regne Unit)

- ITER, projecte liderat per Europa, amb la Xina, Japó, Corea del Sud, Índia, Rússia i EUA. Funciona a Cadarache (França) des del 2007.

Els que utilitzen el confinament inercial són:

- HB11 Energy, australiana

- US National Igniton Facility (Instal·lació Nacional per la Ignició), a EUA.

En l’actualitat altres empreses investiguen altres vies d’obtenció de la fusió nuclear.

La darrera notícia al respecte, desembre 2022, la va donar la NIF, on informaven que per primer cop s’havia aconseguit alliberar més energia de la que s’havia injectat per impulsar-la. En xifres seria el següent:

-Energia aportada, uns 2 megajoules (MJ)

-Energia obtinguda, uns 3 MJ. Amb aquest energia es pot tenir encesa una bombeta de 100 w durant 3 hores.

-Durada de la reacció de fusió, fraccions de nanosegon (10-9 s)

-Temperatura assolida, 100 milions de graus

-Làsers emprats, 192

-Energia necessària per engegar els làsers, 300 MJ

-Quantitat de combustible fusionat, 9,3 micrograms

-Fracció de combustible que va reaccionar, 4%

Realment analitzant aquestes xifres, es veu que sí, que s’ha aconseguit un 50% més d’energia de la que es va injectar, 3 MJ pels 2 aportats. Però no es tenen en compte els 300 MJ que es necessiten per engegar els làsers. Resumint, la reacció aporta energia però encara s’en necessita molta més per a iniciar-la. Encara estem lluny de què sigui una forma comercial d’obtenir energia.

No acaben aquí les notícies, la Xina també investiga, en col·laboració amb ITER, amb el projecte EAST de confinament magnètic des del 2006. Els resultats publicats el maig de 2021 indiquen que va mantenir el plasma a temperatures de fins a 160 milions de graus durant 100 segons. Al desembre va aconseguir pujar el temps a 17 minuts, encara que només a 100 milions de graus. En cap del dos casos es va iniciar la reacció nuclear.

D’altra banda, segons el calendari de l’ITER, no s’espera arribar a produir la fusió nuclear fins el 2035.

Publicat a la revista "Els Colors del Pla de l'Estany" en el seu nº 281 de maig de 2023 

La fusió nuclear, més a prop? (1)

Abans de començar cal explicar què és la fusió nuclear i, sobretot, diferenciar-la de la fissió nuclear.

Els àtoms són matèria composta d’un munt de partícules: protons i neutrons en el nucli i electrons a la part exterior. Els protons tenen càrrega elèctrica positiva i el fet d’estar tots junts formant el nucli fa que es repel·leixin. Aquí intervé una de les forces bàsiques de la naturalesa, la força nuclear forta, que actua com una pega i els força a mantenir-se units. Aquest nucli i la seva transformació, per fusió/unió o fissió/trencament, és el que produeix energia.

Actualment només podem obtenir energia atòmica de les reaccions de fissió nuclear, les que es produeixen a les centrals nuclears. Aquesta s'obté quan es bombardeja un nucli radioactiu amb neutrons, es trenca i s’allibera energia. Aquesta forma d’obtenir-la té dues objeccions molt fortes. Primera, genera residus radioactius que es mantenen així durant milers d’anys i que cal emmagatzemar en llocs segurs per evitar contaminacions. Segona, és una reacció en cadena. Això vol dir que cal una intervenció externa per aturar-la. No és una reacció que es produeixi a la naturalesa de forma habitual, només es coneix el cas de les mines d’urani d’Oklo (Gabon).

Per contra les reaccions de fusió nuclear són molt més segures, s’aturen soles si no se les alimenta amb combustible i no produeixen residus nuclears. Es tracta d’unir àtoms com els d’hidrogen ˗no pas trencar-los˗ i formar heli. Aquestes reaccions transformen una petita part de la seva massa en energia, un 0,7%, segons l’equació d’Einstein (E=mc²). 

Però, existeix un greu problema encara no solucionat. Per engegar aquestes reaccions calen temperatures altíssimes de l’ordre de milions de graus centígrads. Són les reaccions que es produeixen a les estrelles, com el Sol, i que proporcionen l’energia necessària per desenvolupar la vida. 

La matèria del nucli d’una estrella (plasma) està a uns 15 milions de graus, però a una pressió de milions de vegades superior a la que es pot assolir als nostres laboratoris. De fet, els científics intenten reproduir les condicions del nucli estel·lar, però no arriben a aconseguir-les. Fins al moment han arribat a temperatures de 100 milions de graus, unes sis vegades superiors a les de les estrelles. És l’única forma que tenen de compensar la falta de pressió necessària ja que cal apropar molt i molt els protons per facilitar que es fusionin.

També cal saltar-se alguns passos de les reaccions que ocorren al Sol. Així, en lloc de protons i àtoms d’hidrogen, es fan servir àtoms de deuteri o de triti, isòtops de l’hidrogen, que tenen un o dos neutrons al seu nucli. D’aquesta manera el salt per esdevenir un àtom d’heli és més petit. Recordeu que l’àtom d’heli està format per dos protons i dos neutrons.

Fa 50 anys que deien que en 50 anys tindríem la fusió nuclear com una forma d’energia comercial, però sembla que en la pràctica, encara n’haurem d’esperar 50 més.

Publicat a la revista "Els Colors del Pla de l'Estany" en el seu nº 280 de l'abril de 2023

La revolució astronòmica del James Webb

Fa ja un any que es va enlairar aquest telescopi que va substituir al vell i conegut Hubble. Si aquest ja ens havia fet gaudir amb les seves espectaculars imatges, el nou telescopi espacial James Webb (JWST) encara ho farà més i millor.

El Hubble es troba en òrbita al voltant de la Terra des del 1990 i fins el 2030 no està previst que s’acabi la seva missió. Per contra el JWST es troba a un lloc conegut com punt de Lagrange 2, situat a 1,2 milions de quilòmetres de nosaltres, on es troba en equilibri gravitatori entre la Terra i el Sol. Aquí esperem que ens revolucioni l’astronomia.

Podrà fer-ho perquè:

1- Veurà més lluny que mai en el passat

La combinació del seu gran mirall primari de 6,5 metres i la seva especialització en visió en infraroig (que el Hubble no tenia), ens permetrà veure galàxies més llunyanes i anteriors, en formació, permetent comprendre com es van formar. El Hubble havia detectat galàxies a 400 milions d’anys després del Big Bang, ara el JWST ja n’ha trobat a 280 i espera arribar als 200 milions d’anys.

2- Descobrirà què va il·luminar l’univers

Després del Big Bang l’univers era fosc i envoltat de boira formada per hidrogen neutre. Una mica més endavant una radiació ultraviolada va ionitzar aquesta boira i es va acabar l’època fosca. Però d’on venia aquesta radiació?

3- Mesurarà l’atmosfera dels exoplanetes

Coneixem més de 5.000 exoplanetes, però el JWST no està dissenyat per descobrir-ne de nous. Però sí per conèixer millor els existents. Quan un exoplaneta transita per davant de la seva estrella, si té atmosfera, la seva llum es barreja amb la de l’estrella. Per comparació amb la llum de la pròpia estrella es pot deduir si té o no atmosfera.

4- Cercarà pistes de vida i habitabilitat

Una part del seu temps el dedicarà a la recerca de biosignatures, com ara la presència tant d’oxigen com de metà. També buscarà possibles reaccions fotoquímiques, que són les que impulsen la formació dels blocs moleculars de la vida basada en el carboni.

Imatge del telescopi abans de desplegar-se (NASA)

5- Estudiarà la química còsmica i l’evolució de les galàxies

Actualment existeix una discrepància sobre si les estrelles i les galàxies es van formar més ràpidament dels que ens pensàvem. Caldrà estudiar l’abundància dels elements més pesats.

6- Posarà la seva mirada en el Sistema Solar

Podrà estudiar en infraroig i alta resolució els planetes exteriors i les seves llunes.

7- Aprendrà sobre la formació de les estrelles

La visió infraroja i de ràdio és capaç de penetrar la pols espacial i veure què hi passa dintre. Fins ara era impossible accedir de forma tan detallada.

8- Va canviar com es construeixen els telescopis espacials

El seu mirall primari format pel desplegament de 18 segments hexagonals va ser una enginyeria totalment nova. El seu disseny inspirarà la propera generació de grans telescopis espacials.

Extracte d’un article de Keith Cooper a Space.com

Publicat a la revista "Els Colors del Pla de l'Estany" en el seu nº 279 de març de 2023

Brossa espacial

Avui en dia, les escombraries espacials són un de les majors amenaces pels satèl·lits. Les infraestructures basades en aquests satèl·lits són essencials per una multitud de serveis sobre els quals es basa la nostra vida diària, des de la meteorologia i les finances fins a la comunicació o el transport global de mercaderies i passatgers.

L’era espacial va començar el 1957 amb el llançament del primer satèl·lit Sputnik per part de la URSS. A partir d’aquell moment s’han llançat -amb data de març de 2022-, 6.180 coets, sense comptar-hi les fallades. Tenim en òrbita de la Terra 12.720 satèl·lits, dels quals 5.200 encara estan en funcionament. La xarxa de seguiment espacial controla vora 30.000 peces susceptible d’originar impactes, originats per les més de 630 col·lisions, explosions o altre fet anòmal que hagi pogut causar la fragmentació de les peces.

Amb aquestes xifres s’estima que existeixen més de 750.000 objectes majors d’1 cm en òrbita de la Terra que podrien originar danys en cas de xocs. Es mouen a una velocitat al voltant dels 30.000 km/h, o sigui, entre 8 i 9 km/s, per tant cal conèixer les seves trajectòries per calcular possibles punts de col·lisió per tenir temps de fer les maniobres d’escapatòria convenients. Els objectes entre 1 mm i 1 cm passen dels 130 milions, total unes 10.000 tones en pes.

Tan la NASA com l’ESA i altres ens espacials intenten promoure mètodes per capturar i destruir els objectes existents, però és una feina inabastable. Hem estat llançant coets i satèl·lits a l’espai durant tant anys que ara no podem desfer la feina. Ningú havia previst que l’òrbita de la Terra fos una deixalleria de unes mides tant impressionants.

Recreació artística (NASA)

I no anem per bon camí, succeeix el mateix amb el coets que enviem a la Lluna, també l’estem convertint en una deixalleria. El 1959 ja es va estavellar el primer, la nau Moon 2  de l’URSS i fa poc el Chang’e 5 de la Xina a la cara oculta.

La forma ideal de treballar a l’òrbita terrestre, seria deixar caure les peces inservibles de tal manera que es cremessin a la reentrada i contacte amb l’atmosfera, però això no estava previst i encara estan donant voltes al planeta. A la llarga cauran, però caldrà esperar molts anys.

No és aquest l’únic problema de contaminació a l’espai, ara les grans empreses tecnològiques en comunicació volen posar milers de nous satèl·lits en òrbita, com els 12.000 de l’Starlink d’Elon Musk per fer una internet global. El resultat serà que contaminarem l’espai i ja no el tornarem a veure net mai més.

Publicat a la revista "Els Colors del Pla de l'Estany" en el seu nº 278 del febrer de 2023