Ciencia Kanija

El destino de las estrellas que se aventuran demasiado cerca de los agujeros negros podría ser incluso más violento de lo que se pensaba previamente. No sólo son destrozadas por la tremenda gravedad del agujero negro, sino que el proceso puede disparar una explosión nuclear que destroza a la estrella desde dentro, según un nuevo estudio.

Los científicos han comprendido desde hace tiempo que los agujeros negros supermasivos que pesan millones o miles de millones de veces la masa de nuestro Sol pueden destrozar estrellas que se acerquen demasiado.

Una estrella destrozada por un agujero negro en esta impresión artística (Ilustración: NASA/CXC/M Weiss)

La gravedad del agujero negro tira con fuerza de la parte más cercana de la estrella, un desequilibrio que destroza la estrella en un periodo de horas o minutos, una vez ue está lo bastante cerca. Observa esta animación de una estrella siendo destrozada y tragada por un agujero negro.

Ahora, un par de físicos dicen que este tirón irregular no es el único peligro al que se enfrenta la estrella. La tensión de estas fuerzas desequilibradas pueden disparar también una explosión nuclear los bastante fuerte como para destruir la estrella desde el interior.

Matthieu Brassart y Jean-Pierre Luminet del Observatorio de París en Meudon, Francia, llevaron a cabo simulaciones por ordenador de los momentos finales de la vida de tan desfortunada estrella, cuando se aparta hacia un agujero negro supermasivo.

Cayendo en el remolino

Cuando las estrellas se acercan lo suficiente, las irregulares fuerzas se aplastan en la forma de un crepe. Algunos estudios previos habían sugerido que este aplastamiento incrementaría la densidad y temperatura del interior de la estrella lo suficiente como para disparar unas intensas reacciones nucleares que la destrozarían.

Pero otros estudios habían sugerido que la descripción se complicaría por las ondas de choque generadas durante el proceso de aplastamiento y que no tendría lugar ninguna explosión nuclear.

Las nuevas simulaciones investigaron los efectos de las ondas de choque en detalle, y encontraron que incluso cuando se incluyen sus efectos, las condiciones favorecen la explosión nuclear.

“Habrá una explosión de la estrella – será completamente destruida”, dijo Brassart a New Scientist. Aunque la explosión destruya la estrella, parte de la materia estelar se salva de ser devorada por el agujero negro. La explosión es lo bastante potente para arrojar gran parte de la materia de la estrella fuera del alcance del agujero negro, dice.

La absorción de las estrellas por los agujeros negros puede haber sido ya observada, aunque en una etapa muy posterior. Se piensa que varios meses después del evento que desgarra la estrella, su materia – que ha estado cayendo en espiral hacia el agujero negro – comienza a caer en el propio agujero. Conforme cae se calienta, liberando luz ultravioleta y rayos-X.

Fuegos artificiales estelares

La nave GALEX de la NASA puede haber visto tales eventos. Otro evento que podría haber sido recogido por el Observatorio de rayos-X Chandra y la nave XMM-Newton de la ESA.

Si las estrellas trastornadas cerca de los agujeros negros explotan de verdad, entonces podrían en principio permitir la detección de estos eventos en una etapa anterior, dice Jules Halpern de la Universidad de Columbia en Nueva York, Estados Unidos. “Puede ser posible ver el trastorno de la estrella inmediatamente si está lo bastante caliente”, dijo a New Scientist.

Brassart está de acuerdo. “Tal vez pueda observarse en rayos-X y rayos gamma, pero es algo que necesita más estudio”, dice.

El investigador de supernovas Chris Fryer del Laboratorio Nacional de Los Álamos en Los Álamos, Nuevo México, Estados Unidos, dice que la muerte de estas estrellas es algo difícil de simular, y que no está seguro de si los investigadores han probado su caso de que explote en el proceso.

Pero si ocurren estas explosiones, observatorios futuros, Como el Gran Telescopio Investigador Sinóptico (LSST), que detectará un gran número de supernovas, podría resolver algunas explosiones de este tipo. “Entonces estos objetos podrían pasar a un primer plano”, dijo a New Scientist.

Los investigadores han identificado una región central del cerebro como la maquinaria del efecto placebo — el fenómeno a menudo controvertido en el que la creencia de la persona en la eficacia de un tratamiento tal como una medicina analgésica influye sobre su efecto.

Los investigadores dijeron que sus hallazgos en sujetos humanos ofrecen el potencial de medir el efecto placebo e incluso modularlo para propósitos terapéuticos. También dijeron que sus hallazgos podrían permitir medidas de la función cerebral que “ayudarían a determinar disfunciones en los mecanismos cerebrales que podrían perjudicar la recuperación mediante un número de condiciones”.

Jon-Kar Zubieta y sus colegas publicaron sus descubrimientos en el ejemplar del 19 de julio de 2007 de la revista Neuron, publicada por Cell Press.

Sus estudios se concentraron en un área del cerebro conocida como núcleo accumbens (NAC), una región profunda del cerebro, que se sabe que desempeña un papel en la espera de una recompensa. Estudios anteriores han indicado un papel del NAC en el efecto placebo, pero la naturaleza del mismo es desconocida, dicen los investigadores.

En sus experimentos, los investigadores dijeron a los voluntarios que se iba a investigar el efecto de un nuevo analgésico y que los sujetos recibirían la medicina o un placebo. Sin embargo, en los experimentos, los investigadores dieron sólo una inyección de placebo con una solución salina. Los experimentos involucraban preguntar a los sujetos para estimar sus expectativas sobre los efectos analgésicos de la “medicina” y también el nivel de dolor con o sin la “medicina” que sintieron a partir de una inyección de dolor moderado de una solución salina en el músculo de la mandíbula.

En un conjunto de experimentos, los investigadores usaron una técnica de escaneo por rastreo molecular conocida como Espectroscopía por Emisión de Positrones para medir las liberaciones del neurotransmisor dopamina desde el NAC — un disparador químico cerebral en respuesta a la recompensa. Encontraron que cuanta mayor expectación del sujeto al beneficio analgésico del placebo, mayor cantidad de dopamina liberada desde el NAC. También, los sujetos que informaron de un mayor alivio del placebo cuando experimentaron dolor mostraron mayor actividad del NAC cuando recibieron el placebo antes del dolor.

En experimentos separados, los investigadores estudiaron si la activación del NAC de los sujetos durante el proceso de recompensa está correlacionado con la magnitud del efecto placebo. Dijeron a los sujetos que recibirían recompensas monetarias de distintas cantidades, cuando sus cerebros estaban siendo escaneados usando una Cámara de Resonancia Magnética Funcional. Los investigadores hallaron que la gente que mostraba mayor activación del NAC durante este tarea de espera de recompensa también mostraban una mayor expectación a la efectividad del placebo.

Los investigadores conlcuyeron que “Estos hallazgos son consistentes con la hipótesis de que este sistema está involucrado en la codificación del “valor incentivo” del placebo, posiblemente actuando como una puerta de sistema permisivo para la formación de efectos placebo”.

Escribieron que “El efecto placebo surge entonces como un mecanismo de resistencia con amplias implicaciones que, dada su activación de circuitos y mecanismos específicos, pueden ser examinados y modulados para propósitos terapéuticos”.

Durante casi un siglo, los científicos intentaron descubrir los temblores de Einstein creyendo que eran producidos por ondas en el tejido del espacio y el tiempo.

Al principio, Albert Einstein creía que las ondas gravitatorias existían, grandes y pequeñas ondulaciones del espacio y el tiempo. Pero cambió repetidamente su idea, al principio dudando de su existencia, luego creyendo, y volviendo de nuevo a la diea original.

Viajando a la velocidad del pensamiento

Al final, tras décadas de debate, los científicos confirmaron cada punto principal de la primera teoría de Einstein de las ondas gravitatorias. En su nuevo libro, Traveling at the Speed of Thought: Einstein and the Quest for Gravitational Waves (Viajando a la Velocidad del Pensamiento: Einstein y la Búsqueda de las Ondas Gravitatorias), publicado por Princeton University Press, el profesor visitante Daniel Kennefick rastrea la historia de una teoría que los investigadores creen que ayudará algún día a comprender mejor algunos de los mayores misterios del universo.

La historia de la enojada respuesta de Einstein cuando un colega anónimo intentó corregirlo forma la parte central del libro. Al final, Einstein admitió que las ondas gravitatorias podrían existir después de todo de la forma que predijo en sus inicios.

La idea de las ondas gravitatorias tiene sólo 100 años de antigüedad, pero desde el día en que se propuso por primera vez, la teoría levantó una gran controversia entre algunos de los científicos más notables del siglo, incluyendo a John Wheeler, Richard Feynman y Hermann Bondi.

“En el amplio universo estas ondas pueden desempeñar un papel en el desarrollo final de los sistemas estelares”, dijo Kennefick. “Es posible que cuando los púlsar, cuya estrella gira muy rápido después de crearse a partir del colapso de una estrella normal, pierden gran cantidad de giro con el tiempo, la razón sea que están perdiendo energía en las ondas gravitatorias que emiten. Comprender estas ondas podría llevarnos a una gran cantidad de conocimiento sobre la naturaleza de estas estrellas moribundas”.

Más importante, dijo Kennefick, es que los investigadores podrían revelar el misterio de los agujeros negros que se piensa que existen en el centro de las galaxias. Cuando la Tierra orbita alrededor del Sol, produce pequeñas ondas gravitatorias, completamente imperceptibles, de forma análoga a las diminutas ondas que se forman cuando se arroja un guijarro a un estanque. Pero un agujero negro masivo puede contener millones o miles de millones de soles, difícil de ver con telescopios corrientes, y cada vez que uno se traga una estrella, las ondas gravitatorias creadas son más fuertes aún, como lanzar una piedra pesada en un estanque.

“Los astrónomos han visto estrellas de neutrones binarias emitiendo ondas gravitatorias que portan energía con ellas cuando se apagan”, dijo Kennefick. “Cuando las estrellas binarias pierden energía y decaen, podemos ver que sus periodos orbitales decrecen debido a que las dos estrellas están acercándose una a la otra. Cada órbita necesita cada vez menos tiempo, y cuando medimos tal cambio, vemos que encaja con precisión con los cálculos de Einstein de 1918″.

El libro debería ser de interés para cualquiera que quiera leer más sobre la historia de la ciencia, así como para los profesores en sus aulas. Un capítulo ya ha sido traducido al japonés, y Princeton University Press planea traducir el libro completo.

Kennefick dejó el Instituto Tecnológico de California para volver a la Universidad de Arkansas en 2004.

Los matemáticos calcularon por fin la forma de la musa de Escher.

Conocido desde hace tiempo como un objeto matemático curioso que carece de una separación entre “dentro” y “fuera”, las bandas de Möbius también han capturado la imaginación de artistas como M. C. Escher, cuya pintura Banda de Möbius II muestra a hormigas gateando por esta curiosa superficie sin final. De fácil construcción retorciendo una banda de papel y uniendo ambos extremos, es un objeto que tiene una sola superficie y un solo borde; las hormigas de Escher gatean por la cara inversa de la superficie son atravesar nunca un borde.

Imagen: Nature Materials La musa de Escher Representación en falso color de la densidad de energía de la curva en una banda de Möbius, yendo del azul al rojo.

Hace casi 150 años de que se descubriesen las bandas de Möbius, los científicos del Colegio Universitario de Londres (UCL) informan en Nature Materials que pueden calcular la forma exacta de este extraño objeto si se le da su razón de aspecto (la razón entre la anchura y la longitud) junto con las propiedades elásticas del material con el que está hecho. Aparte de su significado puramente matemático, las bandas de Möbius se usan a veces en maquinaria para transmitir energía entre dos poleas usando correas de dirección en las que “ambos lados” son iguales. A pesar de su larga historia, sin embargo, nadie podía predecir a priori qué forma tendría una de estas bandas si hacemos una de, digamos, un plástico transparente de 8 centímetros de ancho y 50 centímetros de longitud. Los científicos de la UCL no sólo han resuelto el misterio, sino que también han comprendido el ancho máximo de una de tales bandas dada la longitud, poniendo final a una pregunta que se realizó por primera vez hace más de 80 años.

Su resultado es un conjunto de ecuaciones diferenciales que pueden resolverse dando las propiedades elásticas del material y la razón del aspecto del papel. Usando el principio general de mínima energía (que explica, por ejemplo, que doblar una barra de acero sea un trabajo difícil debido a que la barra doblada tiene más energía elástica que la misma barra derecha), los científicos pueden resolver las ecuaciones para predecir la forma de una banda de Möbius cuando está en reposo. Además de la satisfacción matemática de comprender un problema tan antiguo, el estudio también ha pavimentado el camino para que los científicos analicen las propiedades estructurales de las macromoléculas crecimiento y cristales en forma de bandas de Möbius, un proceso desarrollado en 2002.

Haz tus propias bandas de Möbius

Hacer una banda de Möbius

Toma una hoja de papel tamaño folio, y corta una banda de unos tres centímetros de ancho por el lado más largo. Dibuja una línea a lo largo del centro de la banda. Ahora dale medio giro y une ambos extremos. Los ángulos diagonalmente opuestos de la banda original deberían estar juntos, mientras que los dos extremos del centro de la línea deberían encontrarse.

¿Cómo es esta unicara?

Intenta tomar un rotulador o una cera y empieza a colorear un lado de la banda, y sigue coloreando sin cruzar ningún borde. Pronto te darás cuenta de que ¡estás coloreando ambos lados del papel! O, empieza a colorear un borde de la banda y sigue; terminarás coloreando ambos bordes sin cortar ningún ángulo.

Ahora, usando unas tijeras, corta a lo largo de la línea central. ¿Esperabas lo que has obtenido?

Ejemplos de bandas de Möbius

Junto a las pinturas de M.C. Escher banda de Möbius I y banda de Möbius II, el símbolo universal del reciclaje es una banda de Möbius. La forma también se usa en joyería decorativa y arquitecturas.

Nuevos fósiles de una mandíbula podrían sugerir una línea directa de descendencia entre dos especies de los primeros humanos, incluyendo la que pertenecería a “Lucy”.

Lucy, con una antigüedad de 3,2 millones de años, el primero homínido adulto conocido, se encontró en Etiopía en 1974 por los paleontólogos estadounidenses Donald Johanson y Tom Gray. Lucy y su tipo, Australopithecus afarensis, se mantenían erguidos y andaban sobre dos piernas, aunque también podrían haber sido ágiles trepadores de árboles.

Una mandíbula inferior completa de Australopithecus de una localidad llamada Nefuraytu situada en el área de estudio de Woranso-Mille. Este especimen es una de las madíbulas completas de lugares de hace más de 3,0 millones de años. Crédito: Copyright – Museo de Historia Nbatural de Cleveland

Los antropólogos han sospechado una relación ancestro-descendiente entre la especie de Lucy y un predecesor –Australopithecus anamensis– basado en los fósiles similares, aunque escasos, de un periodo intermedio.

Ahora, los fósiles de Australopithecus hallados en el área de Woranso-Mille en la región de Afar, Etiopía, rellena el hueco entre A. Anamensis (4,2 a 3,9 millones de años) — y la especie de Lucy (3,0 a 3.6 millones de años). La identificación de especies de todos los huesos permanece incierta, aunque parece que algunos son de A. Afarensis.

Yohannes Haile-Selassie, antropólogo físico del en el Museo de Historia Natural de Cleveland, dice que la sesión de campo de 2007 de su equipo en la región de Woranso-Mille descubrió la prueba clave.

“Hemos recuperado un fósil de homínido que data de entre 3,5 y 3,8 millones de años”, dijo Haile-Selassie en una declaración preparada. “Estas especies muestran la época adecuada para buscar la relación entre Australopithecus anamensis y Australopithecus afarensis y desempeñará un papel principal en la prueba de la hipótesis de ancestro-descendiente”.

El equipo ha encontrado dientes de esta ventana de tiempo en el lugar durante los últimos años, pero los nuevos materiales incluyen mandíbulas más completas que permitirán mejores comparaciones, dijo.

Tenemos unos 35 especímenes, mayormente dientes aislados, pero incluyen un esqueleto parcial que se piensa que nos dará una gran cantidad de información sobre la morfología post-craneal de los ancestros de los primeros humanos”, dijo Haile-Selassie a LiveScience.

Al menos 40 especímenes de homínidos se han recuperado en este lugar hasta el momento, incluyendo las mandíbulas completas y el esqueleto parcial. El último fue descubierto en 2005. El equipo comenzó a trabajar en la región de Woranso-Mille en 2004 y rápidamente empezaron a encontrar fósiles de los primeros homínidos con una antigüedad de 3,7 millones de años, dijo Haile-Selassie.

“Estamos seguros de su importancia”, dijo, “debido a que sabemos bien desde el principio lo antiguos que son estos huesos. Usamos lo que se conoce como bioestratigrafía para estimar la edad de los fósiles. Ahora, tenemos fechas radiométricas de rocas volcánicas que tomamos como muestra en el área de estudio, y ahora tenemos una edad mínima de 3,5 millones de años y un máximo de 3,8″.

Etiopía, Kenia y Tanzania han producido muchos de los primeros homínidos y fósiles de simios que han permitido a los antropólogos unir las piezas de la historia de la evolución humana.

Si los aliens visitaron nuestro Sistema Solar, sólo les habría llevado un momento imaginar en qué planeta es en el que hay vida. Esto es debido a que nuestra atmósfera tiene un alto porcentaje de oxígeno. La presencia de oxígeno en nuestra atmósfera ha dado a los científicos la clave para buscar vida en otros mundos. Pero qué pasaría si existieran procesos puramente naturales, que pudieran confundir la búsqueda de la vida, engañando a los nuevos y potentes observatorios espaciales como el Buscador de Planetas Terrestres y Darwin.

No te preocupes. Una nueva simulación de un equipo de investigadores estadounidenses demuestra que ningún proceso natural en un mundo habitable con agua líquida podría mantener altos niveles de oxígeno y ozono presentes en la atmósfera alienígena. Si hay oxígeno, hay vida.

La mayoría del oxígeno (O₂) en la atmósfera de la Tierra se pensaba que había sido generado a través de la fotosíntesis. Las plantas usan la energía del Sol, tomando dióxido de carbono y liberando O₂ como subproducto. A lo largo del tiempo, este oxígeno ha crecido en nuestra atmósfera hasta su razón actual de un 21% con el resto de nitrógeno y otros gases.

Esta razón es muy importante para la búsqueda de vida en el universo. Durante las siguientes décadas, se construirá una flota de naves y experimentos que serán tan sensibles que serán capaces de analizar la atmósfera de un mundo distante del tamaño de la Tierra. Encuentra oxígeno u ozono en la atmósfera de tales planetas y habrás encontrado un mundo con vida. Como en nuestro propio planeta, algún proceso orgánico está refrescando el oxígeno de la atmósfera, impidiendo que reaccione.

Una nave recientemente cancelada es el Buscador de Planetas Terrestre, que sería lo bastante sensible para analizar los componentes químicos de una atmósfera distante. Tristemente, esta misión fue descartada después de que los presupuestos fuesen transferidos a apoyar a la Visión para la Exploración Espacial, que enviará humanos de vuelta a la Luna, y a Marte. No te preocupes, no obstante, los europeos están trabajando en el problema también con su misión Darwin. Y no se ha cancelado…todavía.

Estas misiones (si es que se lanzan) serán capaces de detectar ozono y oxígeno en la atmósfera de mundos distantes. ¿Pero podrían ser engañadas? ¿Existen procesos naturales que pudiesen generar niveles similares de oxígeno y ozono? Si es así, entonces haría la búsqueda de vida extremadamente difícil, generando falsos positivos que podrían confundir a los científicos.

Existen unos pocos escenarios que los científicos creen que podrían dar falsos positivos para la vida. Por ejemplo, en un planeta con un efecto invernadero desbocado como Venus, podría estar escapando del calor grandes cantidades de hidrógeno, humedeciendo la atmósfera. Debido a que este hidrógeno está originado a partir del agua (H₂O), podría dejar oxígeno tras él. Si un planeta extrasolar estuviese perdiendo su océano en el espacio, podría confundir a los detectores.

En otra situación, un planeta helado como Marte podría ser lo bastante grande para retener gases pesados, pero muy pequeños para mantener la salida de gases volcánica. La superficie helada inhibiría la pérdida de oxígeno, pero sin consumirlo.

El truco de ambos escenarios, no obstante, es que existirían en planetas fuera de la zona habitable de la estrella. Los observadores cuidadosos serían capaces de descartarlos con el paso del tiempo.

Un equipo de investigadores de los Estados Unidos han desarrollado una simulación para ver si existen escenarios que pudiesen generar falsos positivos, y no fueron capaces de encontrar ninguno que pudiese engañar a los futuros telescopios. El artículo de la investigación está titulado Abiotic Formation of O₂ and O₃ in High-CO₂ Terrestrial Atmospheres (Formación Abiótica de O₂ y O₃ en Atmósferas Terrestres de alto CO₂), y ha sido aceptado recientemente para su publicación en la revista Astronomy & Astrophysics.

La ejecución de muchas simulaciones, factorizando con todas las variables potenciales que pudiesen simular un mundo similar a la Tierra, incluyendo distintos rangos de escapes de gases volcánicos y radiación ultravioleta.

No fueron capaces de llegar a ningún escenario en el que un planeta habitable con agua liquida pudiese generar resultados positivos falsos para O₂ u O₃ que engañasen a telescopios como el Darwin o el Buscador de Planetas Terrestres.

La caza de diamantes en Urano o Neptuno podría ser una causa perdida, dicen los autores de un nuevo estudio. Contrariamente a las sugerencias previas, estos dos planetas no tienen suficiente carbono para hacer diamantes, dicen – pero las estrellas enanas blancas sí.

Algunos científicos han propuesto que las altas presiones dentro de Urano y Neptuno podrían comprimir el carbono en diamantes.

Una capa de diamantes podrá estar aplastada por una superficie de alquitrán (Ilustración: Lynette Cook)

Pero un nuevo estudio dice que incluso si los diamantes pudiesen formarse en ellos, en principio, el proceso necesitaría más tiempo que la edad del universo, por lo que no deberíamos esperar que estén allí todavía.

Luca Ghiringhelli de la Universidad de Amsterdam en Holanda lidera un equipo que realizó simulaciones por ordenador de la presión, temperatura y contenido de carbono en el interior de planetas como Urano y Neptuno.

Encontraron que la razón de cristalización del carbono en diamantes era extremadamente lenta debido a que Urano y Neptuno contienen sólo entre un 1 y un 2% de carbono.

“Es muy improbable que los diamantes se hayan formado en Urano y Neptuno”, dijo el coautor del estudio, Daan Frenkel del Instituto FOM para Física Molecular y Atómica en Ámsterdam, a New Scientist. “Hasta donde podemos jugar mediante estos cálculos, simplemente es imposible”.

Pero los resultados del estudio indican que los diamantes podrían formarse en planetas con más carbono en ellos, algo que también sugirió un estudio previo.

Diamantes Líquidos

Los planetas necesitarían tener más de un 15% de carbono para formar diamantes, dijo Frenkel. Si es probable que existan planetas con tal cantidad de carbono alrededor de otras estrellas es aún materia de debate, dice: “Es algo en lo que no hay mucho acuerdo”.

Pero los autores dicen que los diamantes deberían estar presentes dentro de las estrellas enanas blancas, las cuales son núcleos densos dejados cuando una estrella como el Sol ha consumido todo su combustible nuclear y se deshace de sus capas exteriores.

Algunas de estas enanas blancas se espera que contengan aproximadamente un 50% de carbono, lo cual sería más que suficiente para producir diamantes. Cuando la enana blanca es joven y caliente, el carbono estaría en forma líquida. “Casi se podría decir que es como un diamante líquido”, dice.

Cristales del tamaño de la Luna

Cuando la enana se enfría, este líquido empezaría a cristalizar en un diamante. “Mi suposición es que una vez esto sucede, se produce a una escala absolutamente masiva y bastante rápido”, dice.

Las observaciones de los pulsos de una enana blanca llamada BPM 37093 sugiere que tiene cristales del tamaño de la Luna en su núcleo, aunque en este caso se piensa que estén hechos de oxígeno sólido más que de diamantes.

Por supuesto, incluso si hay enanas blancas con núcleos de diamante allá fuera, las vastas distancias entre la Tierra y otros sistemas los dejan fuera del alcance de los mineros de diamantes. Extraer diamantes también sería difícil debido a que el tirón gravitatorio es extremo en las superficies de los cuerpos estelares densos.

“No envíes un cohete a estas estrellas”, dice Frenkel. “[El diamante] es demasiado caro de obtener, aparte del hecho de que es muy difícil sacar algo de una enana blanca”

Una detallada comprensión de las reacciones químicas clave que tienen lugar en el espacio interestelar ha sido proporcionada por una investigación avanzada en dos laboratorios nacionales del Departamento de Energía de los Estados Unidos y dos universidades europeas.

El químico senior del Laboratorio Nacional de Argonney Stephen Klippenstein – junto con colegas del Laboratorio Nacional Sandia; el Instituto de Física, la Universidad de Rennes en Francia; y la Universidad de Cambridge en el Reino Unido – han desarrollado una comprensión detallada de la dinámica de las reacciones entre radicales neutros y moléculas neutras, conocidas como reacciones “neutro-neutro”, a temperaturas tan bajas como 20 Kelvin, aproximadamente la temperatura del espacio interestelar.

En su trabajo, Klippenstein y sus colaboradores determinaron por qué ciertas moléculas reaccionan rápidamente incluso a bajas temperaturas comparando cuidadosamente teoría y experimento para una muestra de clases de reacciones (O³P + alquenos) que cubrían el rango desde no reactivos a altamente reactivos. Los resultados observados en el experimento se ajustaron mucho a las predicciones teóricas, dijo Klippenstein.

“Era bastante notable”, dijo, “cómo de bien se ajustaban la teoría y el experimento a lo largo de todo el espectro desde los 20 Kelvin a la temperatura ambiente. Esto significa que podemos confiar en la teoría para predecir qué reacciones tendrán lugar con rapidez”.

Establecer un modelo para la química interestelar es especialmente importante dada la dificultad de realizar experimentos a gran escala, de acuerdo con Klippenstein.

“Mis colaboradores han desarrollado algunas técnicas experimentales extraordinarias para medir estas reacciones a bajas temperaturas”, dijo. “Pero tales experimentos aún necesitan muchos recursos de tiempo y también son difíciles de aplicar a muchas reacciones. Por esto los esquemas para predecir la reactividad para reacciones arbitrarias, ya sea a priori o a partir de una extrapolación de medidas a temperaturas mayores, son de gran utilidad para los modeladores de la química interestelar”.

Estudios experimentales anteriores con la técnica CRESU (Reacciones Cinéticas en Fluido Supersónico Uniforme) demostraron que un “número sorprendente” de reacciones neutro-neutro permanecían rápidas a bajas temperaturas. Como resultado, tales reacciones pueden desempeñar un papel importante en la química del espacio interestelar, en contraste con la creencia general de que la química interestelar está toda basada esencialmente iones.

El artículo, titulado “Understanding Reactivity at Very Low Temperatures: The Reactions of Oxygen Atoms with Alkenes (Comprender la reactividad a temperaturas muy bajas: Las reacciones de los átomos de oxígeno con alquenos)”, aparece en el ejemplar del 6 de julio de la revista Science.

Esta investigación fue financiada por la División de Ciencias Químicas, Geociencias y Biociencias dentro de la Oficina de Ciencias de Energía Básica del Departamento de Energía de los Estados Unidos.

Con empleados de más de 60 países, el Laboratorio Nacional Argonne reúne a los científicos e ingenieros más brillantes del mundo para encontrar excitantes y creativas soluciones nuevas a problemas nacionales urgentes en ciencia y tecnología. El primer laboratorio nacional del país, Argonne lleva a cabo investigación científica puntera aplicada y básica en, virtualmente, casi cualquier disciplina científica. Los investigadores de Argonne trabajan estrechamente con otros investigadores de cientos de compañías, universidades, y agencias federales, estatales y municipales para ayudar a resolver problemas específicos, mejorando el liderazgo científico de Estados Unidos y preparando a la nación para un futuro mejor. Argonne está dirigido por UChicago Argonne, LLC para la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de los Estados Unidos.

Una antigua súper-erupción volcánica, unas de las mayores conocidas en la historia de la Tierra, pudo no haber devastado el mundo y la humanidad tanto como se creía.

La erupción en lo que ahora es el Lago Toba en la isla indonesia de Sumatra hace aproximadamente 75 000 años fue la mayor en los dos últimos millones de años. Esta gigantesca explosión liberó al menos 7,7 billones de toneladas de magma, el equivalente en masa a 19 millones de edificios como el Empire State.

Artefactos de piedra halados en un lugar en el sur de la India sugieren que la población local permaneció en la región tras la erupción volcánica de Toba, Indonesia. Crédito: Science

Vastas columnas de ceniza se extendieron desde el Mar del Sur de China al Mar de Arabia y probablemente taparon el Sol y enfriaron drásticamente la Tierra durante años — un “invierno volcánico”. Los científico han sugerido que la catástrofe medioambiental que habría resultado pudo influir en el curso de la historia humana, con la gente de hoy evolucionando a partir de los miles de supervivientes del desastre.

Los artefactos prehistóricos recientemente desenterrados sugieren ahora que la explosión no habría sido “tan catastrófica como antes se pensaba”, dijo el arqueólogo de la Universidad de Cambridge Michael Petraglia.

Pistas indirectas

Petraglia y sus colegas investigaron los depósitos de cenizas de Toba de un grosor de más de 2 metros y medio cerca del pueblo del sur de la India de Jwalapuram. Hallaron cientos de hojas de piedra y otras herramientas justo por debajo y por encima de esta capa de cenizas — es decir, inmediatamente antes y después de la erupción — que son bastante similares entre sí. Junto a los artefactos, también encontraron piezas de ocre rojo, un mineral usado para pintar la piel y dibujar en las cuevas, además de para ayudar a unir herramientas.

Los artefactos parecen similares a algunos de humanos modernos que datan de más o menos el mismo periodo de África. Estos hallazgos sugieren que los humanos continuaron su vida en ese área tras la explosión.

“Habríamos tenido aquí poblaciones muy móviles de cazadores-recolectores, capaces de arreglárselas con todo tipo de desastres”, dijo Petraglia a LiveScience. “Si estuviésemos hablando de asentamientos de poblaciones agricultoras, la súper-erupción de Toba habría sido un cataclismo”.

La investigación se detalla en el ejemplar del 6 de julio de la revista Science.

Se necesitan más pruebas

No todos piensan que las nuevas pruebas son convincentes. El arqueólogo antropólogo Stanley Ambrose de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, que propuso que la catástrofe de Toba influyó en la evolución humana, encontró que los datos publicados eran inadecuados.

“La única forma de probar sus afirmaciones es encontrar esqueletos humanos por debajo de las cenizas que parezcan africanos”, dijo Ambrose.

Petraglia dijo que tenían “miles de artefactos más de los que habían presentado en el artículo” para apoyar la nueva afirmación, pero estuvo de acuerdo en que los fósiles serían la prueba definitiva. “No tenemos fósiles humanos, no tenemos fósiles de Neandertales, no tenemos ningún fósil. Nos habría encantado encontrar fósiles”, dijo Petraglia.

Un excitante pero controvertido aspecto de sus hallazgos es que los humanos modernos salieron de África mucho antes de lo que se pensaba. “Durante los últimos 150 años, los arqueólogos se han centrado en cuándo salieron los humanos de África hacia Europa, pero nuestros hallazgos sugieren que podrían haber llegado a la India 30 000 años antes que a Europa”, dijo Petraglia.

“Hay una gran cantidad de notable arqueología que puede hacerse en la India y que estamos impacientes por explorar”, dijo.

Es difícil el diseñar, construir lanzar con éxito y luego manejar una nave en otros mundos. Llevar a cabo la misión es particularmente difícil para las sondas planetarias, las cuales van a través de atmósferas significativas, recuperando datos de los entornos extremos asociados con tales destinos, a menudo sólo sobreviven durante un corto periodo de tiempo una vez que han tomado tierra. Las misiones de sondas planetarias van a lugares como Venus donde la temperatura superficial es de uno 500º Celsius, las presiones son 90 veces las de la Tierra, y la atmósfera mayoritariamente de dióxido de carbono tiene un componente significativo de ácido sulfúrico. Otras intentan alcanzar las gigantes bolas de gas como Saturno (sólo la luna de Saturno, Titán, ha sido objetivo de una sonda) o Júpiter. La capa exterior gaseosa de Júpiter fue alcanzada con éxito por la sonda Galileo hasta el punto donde las presiones era de 22 veces las de la Tierra. Tales entradas, al contrario que entrar en la atmósfera y aterrizar, son más similares a arremeter contra el planeta mismo, esquivando los rayos por el camino.

Concepto artístico del descenso de la sonda Galileo en el planeta Júpiter. Crédito NASA

La NASA perdió algunas de sus primeras misiones de investigación como la Mariner 1, su primera misión a Venus, y la comunidad internacional tiene un récord incluso más inconsistente que el de los Estados Unidos. Estas misiones requieren de varios años de desarrollo y caras tecnologías avanzadas especializadas como cámaras de presión y sistemas de protección térmica, por no mencionar la instrumentación especializada. Han tenido lugar algunos éxitos notables tales como las Pioneer la misiones multisonda a Venus, la sonda Galileo y la reciente sonda europea Huygens a Titán, que era parte de la Misión Cassini a Saturno. Estas misiones, si bien, fueron hace tiempo, tremendamente caras, o ambas. El reto para la siguiente generación de misiones es aventajarse de los nuevos desarrollo tecnológicos, pero nadie quiere poner tecnologías sin probar en misiones que se juegan cerda de mil millones de dólares. Aún así, tenemos que tener en cuenta algunas tareas. ¿Cómo llegar a allí desde aquí?

Considera el sistema de protección térmica o TPS. Una nave viajando a 70 000 u 80 000 kph, que es lo que se requiere para alcanzar los planetas exteriores como Júpiter y Saturno, llegan a sus objetivos con una tremenda cantidad de energía de la que deben despojarse si quieren intentar entrar en la atmósfera del objetivo. En otras palabras, tienen que frenar. En el relativo vacío del espacio, las altas velocidades no causan problemas, pero una vez que una nave se encuentra con una atmósfera con grandes cantidades de moléculas gaseosas, las cosas empiezan a calentarse rápidamente. Cuando más rápido va la sonda, más caliente de vuelve. La sonda Galileo, la entrada atmosférica más difícil jamás intentada, experimentó temperaturas el doble de altas de la superficie del Sol y una fuerza de frenado de 230 g (230 veces la aceleración de la gravedad en la superficie de la Tierra) cuando se aproximó a la atmósfera de Júpiter. Tales condiciones extremas se superaron mediante el uso de un “escudo térmico” que se diseñó y probó cuidadosamente, y se protegió con materiales ultra-especializados tales como los compuestos de carbono fenólico. El material tiene que ser lo bastante grueso para que una fracción significativa del mismo pueda arder en el proceso de frenada y aún mantenerse la suficiente cantidad para proteger la delicada nave. Es un poco como envolver una nave en briquetas de carbón – la parte externa arde pero deja una capa aislante que continua absorbiendo el calor. Por supuesto, cuanto mayor peso tenga que llevar una sonda en TPS, menos peso podrá llevar en instrumentos científicos.

Durante los años que siguieron al lanzamiento de la Misión Galileo en 1989, se habían desarrollado algunos nuevos materiales que ofrecían una mejor protección térmica así como un peso más ligero. Obtener cualquier nueva tecnología “cualificada para volar” es un reto, no obstante. Un material, inventado en el Centro de Investigación AMES de la NASA en Silicon Valley, se llamó PICA (Phenolic Impregnated Carbon Ablator – Escudo térmico de Carbono Fenólico Impregnado). Este ingenioso material es extremadamente ligero, relativamente fácil de fabricar e incluso más fácil de encajar de forma personalizada en las formas específicas requeridas por los escudos térmicos, lo que representa un gran avance en la tecnología de las sondas espaciales. La Misión Stardust usó PICA para su escudo térmico, el primer vuelo de este material. Se lanzó el 7 de febrero de 1999, durante la época de la NASA de las misiones “Faster, Better, Cheaper – más rápidas, mejores, más baratas” (FBC). El acercamiento FBC dio como resultados algunos fallos espectaculares debido a recortes de costes extremos (Mars Polar Lander y Mars Climate Orbiter) y desde entonces la NASA se ha alejado de esta filosofía. Aún así, FBC tenía al menos un resultado positivo interesante. La filosofía incluyó un compromiso para permitir algunos riesgos medidos, basados en la noción de que si una misión es más pequeña y más barata, se pueden asumir ciertos riesgos dado que la pérdida será menos catastrófica y podría ganarse algo intentando cosas nuevas. La Misión Stardust volvió con muestras a la Tierra en 15 de enero de 2006, un rotundo éxito que probó que PICA funcionaba perfectamente.

Concepto artístico de una misión de tipo globocaída a Venus. Crédito NASA

Es caro y difícil enviar sondas a planetas y sus satélites. Son tan variados en sus requisitos técnicos que la comunidad de sondas internacional se reúne una vez al año para compartir ideas sobre las nuevas tecnologías y comparar apuntes sobre qué objetivos son los más prometedores para hacer grandes descubrimientos científicos. La reunión más reciente fue el 5º Taller Internacional de Sondas Interplanetarias, en Burdeos, Francia a finales de junio de 2007. Las tecnologías debatidas fueron desde vehículos del tipo dirigible (en realidad, “globocaídas”, una mezcla de globo y paracaídas) que podría flotar sobre superficies hostiles, a sistemas TPS mejorados y avances en instrumentos superligeros usando microfluidos y nanotecnología. El tema con estas nuevas tecnologías, como siempre, es la calificación para vuelo. Con una misión de sonda costosa, no puedes echar a volar algo a menos que ya haya volado. Es similar a un préstamo bancario. El banco no te da el dinero a menos que puedas demostrar que no lo necesitas.

Los tentadores objetivos para futuras sondas van desde Venus y Mercurio, que podrían ayudarnos a comprender cómo ha evolucionado el Sistema Solar y por qué esos planetas son ahora sitios inhóspitos, a algunas de las lunas de Saturno y Júpiter, tales como Europa con sus océanos líquidos bajo una capa de hielo y su potencial para albergar a algún organismo vivo. Muchos creen que Europa tiene todos los requisitos básicos: agua líquida, una fuente de energía y nutrientes. La única forma de encontrarlo, no obstante, es yendo allí con la nave adecuada y el instrumental adecuado. Ninguno de los sacrificios y decisiones son fáciles. No hay mucho dinero para hacer todo lo que nos gustaría e incluso con dinero, esos lugares son destinos duros. De hecho es ingeniería aeroespacial.

Algunos principios de la física – incluyendo las dos primeras leyes de la termodinámica – parecen invitar a la rebelión. Robert P Crease se pregunta por qué.

Rebeldes con causa

Muchos principios de la física son de la forma “Si tú haces esto, lo que sucederá es eso“. La Segunda Ley de Newton, por ejemplo, dice que la aceleración de una masa concreta será proporcional a la fuerza que se aplique sobre ella. Tales principios implican que ciertos efectos son prácticamente imposibles. Un pequeño número de principios, sin embargo, pertenecen a una categoría distinta. Estos dicen, en efecto, “Lo que no puede suceder”. Tales principios implicar que ciertos efectos son físicamente imposibles.

Notorios ejemplos del último tipo son las dos primeras leyes de la termodinámica. La primera ley dice que la energía no puede crearse ni destruirse (“No puedes ganar”), mientras que la segunda puede exponerse de distintas formas, tales como que el calor no puede transferirse de una cuerpo más frío a uno más cálido o que la entropía de un sistema cerrado siempre se incrementa (“No puedes empatar tampoco”). Otros ejemplos incluyen el Principio de Incertidumbre de Heisenberg y los principios de la relatividad respecto ala imposibilidad de reconocer la velocidad absoluta y la prohibición de viajar más rápido que la luz.

Tales principios a menudo representan ni “una nueva física” sino deducciones de otros principios. Lo que es distinto en ellos es su forma. Y decir que algo es físicamente imposible hace que los científicos tiendan a querer rebelarse.

Sin salida

La física de lo imposible tiene distintos nombres. La física de “olvídate de eso” es uno; física “sin salida” es otro. Hace medio siglo, el matemático e historiador de la ciencia Sir Edmund Whittaker se refirió como “postulados de la impotencia”, la cual afirma “la imposibilidad de lograr algo, incluso aunque podría haber un número infinito de formar de intentar lograrlo “.

“Un postulado de la impotencia “, escribió Whittaker, “no es el resultado directo de un experimento, o de un número finito de experimentos; no menciona ninguna medida o relación numérica o ecuación analítica; es la afirmación de una convicción, que todos los intentos de hacer algo, no importa cómo se haga, está destinado al fracaso”.

Los postulados de la impotencia de esta forma no se parecen a los hechos experimentales ni a las relaciones matemáticas ciertas por definición. No obstante, tales postulados son fundamentales para la ciencia. La termodinámica, dijo Whittaker, puede considerarse como un conjunto de deducciones a partir de sus postulados de la impotencia: la conservación de la energía y la entropía. Podría ser perfectamente posible, argumento, que en un futuro distante cada rama de la ciencia sea capaz de presentarse, como los Elementos de Euclides, basados en sus propios postulados de la impotencia.

Contrarios

Pero la física sin salida es importante para la ciencia por otra razón: atrae a los contrarios. No estoy hablando de los interminables intentos de timadores y naifs se superar las leyes de la termodinámica creando una máquina de movimiento perpetuo. En lugar de esto, me refiero a los físicos serios que buscan en la física sin salida un reto donde buscar lagunas. Buscando estas lagunas, terminan por clarificar los fundamentos de ese campo.

Los físicos contrarios desempeñaron un papel clave tanto en el descubrimiento como en la interpretación del Principio de Incertidumbre. En 1926 Werner Heisenberg estaba fomentando su nueva mecánica de matriz – una aproximación puramente formal a la física atómica – afirmando que los físicos tenían que abandonar toda esperanza de observar las propiedades clásicas tales como el espacio y el tiempo. Pascual Jordan desempeñó el papel opuesto ideando un experimento mental para evitar tales afirmaciones.

Jordan argumentó que si se podía congelar un microscopio al cero absoluto, entonces debería ser posible medir la posición exacta de un electrón, digamos, o el tiempo de un salto cuántico. Esto parece haber inspirado a Heisenberg a pensar sobre la interacción entre el instrumento de observación y la situación observada, lo que le llevó al Principio de Incertidumbre. Jordan, el contrario, forzó a Heisenberg a pensar operacionalmente más que filosóficamente, y para clarificar la física de la situación.

Otro ejemplo de física contraria fue el experimento mental de James Clerk Maxwell que involucraba una diminuta criatura que operase una pequeña puerta en una partición de una caja cerrada. Abriendo y cerrando la puerta, el “demonio” – como fue llamado posteriormente – dejaba todas las moléculas de movimiento rápido en un lado de la partición, violando la segunda ley de la termodinámica consiguiendo que el calor fluyera a ese lado. La discusión de este experimento mental ayudó a clarificar los entonces misteriosos conceptos de la termodinámica.

El punto crítico

Heisenberg escribió en una ocasión, “Casi cada progreso científico ha sido pagado por un sacrificio, por casi cada nuevo logro intelectual tienen que ceder las posiciones y conceptos anteriores. De esta forma, en algún modo, el incremento de conocimiento y la perspicacia disminuyen continuamente la afirmación científica sobre “comprender” la naturaleza”.

Heisenberg exagera este punto: seguramente el avance de la ciencia llega consigo el desarrollo de conceptos más sutiles y complejos que acompañan a los más simples ya existentes. Pero estos conceptos más sutiles y complejos a menudo se producen por aquellos que no están satisfechos con la posibilidad de tener que hacer el tipo de sacrificio que Heisenberg menciona.

La insatisfacción es una fuerza poderosa en la ciencia, y puede surgir de muchas formas. A veces salta desde el sentido de un científico de que una pila de confusos datos experimentales pueden organizarse mejor. En otra época surgía del sentimiento de que una teoría era demasiado complicada y podía simplificarse, o que sus partes no encajaban adecuadamente. Otras insatisfacciones surgen de los desajustes entre las predicciones de una teoría y los resultados experimentales.

La física sin salida produce una especia de insatisfacción, involucrando el choque de la ciencia con nuestros deseos y sueños – de energía sin límites, viajes superlumínico, de inmovilizar cosas en lugares y momentos específicos. Los humanos están unidos con fuerza a tales sueños, y también a rechazar la ciencia que los aleja. Unos pocos se asombran entonces de que de la física sin salida los deja insatisfechos. Pero la ciencia ganará al final.

Científicos de la Universidad de Delaware han inventado un nuevo biomaterial con sorprendentes propiedades antibacterianas que puede inyectarse como un gel de baja viscosidad en una herida donde se queda rígido casi al contactar – abriendo la puerta a la posibilidad de enviar una carga prevista de células y antibióticos a reparar el tejido dañado.

Fibroblastos de ratón (células que forman el tejido conectivo) en la superficie de un hidrogel de la UD. El hidrogel proporciona un “andamio” donde las células pueden colgarse y crecer. Imagen cortesía de Joel Schneider.

Regenerar el tejido sano en un hígado canceroso, curar una biopsia y proporcionar a los soldados heridos en la batalla un tratamiento médico contra las infecciones están entre la miríada de usos que los científicos prevén para esta nueva tecnología.

El invento patentado por Joel Schneider, profesor asociado de la UD de química y bioquímica, y Darrin Pochan, profesor asociado de ciencia de los materiales, y sus grupos de investigación marcan un gran paso adelante en el desarrollo de hidrogeles para aplicaciones médicas.

Formular los hidrogeles como vehículos de reparto para las células extiende los usos de estos polímeros más allá de las lentes de contacto blandas en un mundo intrigante visto en un tiempo dentro del dominio de la ciencia ficción, incluyendo huesos crecientes y órganos que reemplacen a aquellos que están enfermos o heridos.

“Esta es un área que se explotará durante la próxima década”, dijo Pochan.

Los hidrogeles están formados por redes de cadenas de polímeros superabsorbentes. Aunque no son solubles en agua, pueden absorber gran cantidad de ella, y su estructura porosa permite a los nutrientes y células pasar a través de ella.

Schneider y Pochan y sus equipos de investigación se han centrado en el desarrollo de hidrogeles basados en péptidos que, una vez implantados en el cuerpo humano, se convertirán en andamios para que las células crezcan sobre ellos – células como los fibroblastos, que forman el tejido conectivo, y los osteoblastos, que forman los huesos.

“Son como las barras de refuerzo que se usan cuando construyes algo de hormigón”, dijo Schneider. “Dan soporte a algo para que se construya sobre él”.

La base de los hidrogeles de la UD es “MAX1”, un péptido autoensamblable diseñado hace seis años y nombrado así por el hijo de Pochan, Max.

Los péptidos son cadenas cortas de aminoácidos, los constituyentes básicos de las proteínas. Distintos aminoácidos se unen entre sí para formar cadenas, las cuales se pliegan en formas más compactas con funciones específicas.

Los científicos de la UD Joel Schneider (derecha) y Darrin Pochan han inventado un nuevo hidrogel basado en péptidos para gran cantidad de potenciales aplicaciones médicas.

El péptido que Schneider y Pochan y sus equipos de investigación diseñaron experimenta un “autoensamblado” por disparo, lo que significa que el péptido se plegará automáticamente en una forma específica en respuesta a un disparador concreto, o estímulo ambiental, tal como la exposición a la luz. Tras plegarse, se autoensambla, proporcionando el hidrogel.

Usando “MAX8”, la octava iteración del péptido original, Lisa Haines-Butterick, estudiante de doctorado del grupo de Schneider, imaginó cómo sería encapsular células vivas en el hidrogel y luego inyectar el hidrogel en lugares secundarios sin dañar las células.

“Aunque actualmente sólo hemos demostrado esta capacidad de nuestro gel usando modelos simples, prevemos que cuando lo inyectemos en el cuerpo, las células encapsuladas en el gel pueden propagar su tarea de reestructurar el tejido”, explicó Schneider.

Los hidrogeles basados en péptidos de la UD muestran varias características novedosas. No son sólo citocompatibles, lo que significa que no son tóxicos para las células vivas que han reclutado para transportar, sino que algunos de los geles son, de forma inherente, antimicrobianos, acabando con ciertos tipos de bacterias gram-negativo y gram-positivo, una característica que está explorando actualmente el equipo de investigación.

Los hidrogeles de la UD también pueden ser liofilizados en polvo y reconstituidos en una solución para su uso. Pueden inyectarse desde una jeringuilla, ofreciendo una aproximación mínimamente invasiva al tratamiento médico, así como un método “a prueba de filtraciones” para enviar potencialmente células y medicinas a un órgano herido o enfermo.

Las colaboraciones con los médicos del Sistema de Atención Sanitaria Christiana en Newark, Delaware, pueden llevar a futuros desarrollo de los hidrogeles. Schneider comenzó a trabajar hace poco con el Dr. Joseph Bennett, cirujano en el Centro para el Cáncer Helen F. Graham que extirpa tumores de hígado.

Tanto Schneider como Pochan atribuyen esta nueva colaboración al Centro de Investigación del Cáncer Traslacional, una colaboración del Sistema de Atención Sanitaria Christiana, el Hospital para Niños A. I. duPont y la UD, incluyendo el Instituto de Biotecnología de la Universidad de Delaware. El centro está bajo la dirección de Mary C. Farach-Carson profesor de ciencias biológicas y ciencias de los materiales en la UD.

“Ya sabes, el hígado es un órgano sorprendente”, dijo Schneider. “Tiene la capacidad de regenerarse a sí mismo con bastante facilidad. Si se pierde casi el 70 por ciento del mismo y se elimina, el 30 por ciento restante puede volver a crecer, proporcionando un hígado funcional. Queremos usar hidrogeles para llevar hepatocitos al hígado”, apunta. “Esto podría usarse para aumentar la función del hígado antes de una intervención quirúrgica si, por ejemplo, alguien padece hepatitis, o bebe mucho, factores que normalmente limitarían la cantidad de hígado canceroso que podría eliminarse”.

Aunque Schneider y Pochan no son Félix y Óscar en “La extraña pareja”, trabajan en disciplinas científicas muy distintas, y siempre están gastando bromas.

Ambos científicos llegaron a la facultad de la UD en 1999. Se encontraron durante la nueva orientación de la facultad en la casa del presidente, sentados en la misma mesa.

“La casualidad puede en realidad ser tu amiga”, dijo Pochan.

Vista cercana sobre los hidrogeles de la UD.

Además de aprender sobre la investigación del otro, Pochan y Schneider también encontraron que vivieron en el mismo vecindario de Filadelfia, aunque en distintas épocas (Schneider durante su investigación de posgraduado en la Universidad de Pennsylvania, y Pochan durante sus primeros años en la UD), e incluso habían tenido amigos comunes.

“¿Cuáles son las posibilidades?”, dijo Schneider.

Ambos científicos desde entonces han conseguido ganar el prestigioso premio de la Fundación Nacional de Ciencia, Desarrollo de Carrera Inicial de la Facultad en 2004 y el Premio al Profesor Joven DuPont (Pochan en 2002 y Schneider en 2005). Schneider también recibió el Premio al Joven Estudiante de la Sociedad Francis Alison en 2003, y Pochan es el galardonado de este año para la Medalla John H. Dillon de la Sociedad Física Americana.

“La cosa es que, él solía tirar estas cosas”, dijo Pochan, refiriéndose a los hidrogeles y apuntando con el pulgar a Schneider.

“Para la investigación en la que estaba trabajando cuando era estudiante graduado hace mucho tiempo, lo último que quería hacer era trabajar con hidrogeles”, explicó Schneider, “por lo que cuando termine trabajando con ellos, los tiré fuera. Entonces Darrin me dijo, “Sabes, esas cosas son realmente muy interesantes….”

“Ha sido una colaboración muy exitosa”, añadió Schneider. “Una gran cantidad de fantásticos estudiantes y otra gente de dentro y fuera del campus han ayudado a la realización de esto”, apunta. “Sin estos estudiantes y colaboradores, este trabajo sería imposible”.

El estudio más reciente de Schneider y Pochan sobre hidrogeles se publicó el 8 de mayo en la edición impresa de Proceedings of the National Academy of Sciences. Su investigación fue patrocinada por la Fundación Nacional de Ciencia y el Instituto Nacional de Salud.

El descubrimiento del Laboratorio Ames arroja una nueva luz sobre 70 años de libros de texto de física.

Como el patrón de una pompa de jabón, la distribución espacial de un campo magnético que penetra en un superconductor puede exhibir una intrincada estructura similar a la espuma. Ruslan Prozorov en el Laboratorio Ames del Departamento de Energía de los Estados Unidos ha observado estos desconcertantes patrones bidimensionales en muestras de plomo cuando el material está en estado de superconductor, por debajo de 7,2 Kelvin.

Patrones de equilibrio en el plomo superconductor: a la izquierda, el patrón “espuma de jabón” de Prozorov; y a la derecha, el patrón laminar de Landau. Ambas imágenes se obtuvieron a la misma temperatura y campo magnético. La única diferencia es cómo se incrementó o decrementó el campo magnético para alcanzar el equilibrio.

A través de una innovadora investigación para relacionar la geometría compleja de los patrones de equilibrio con las propiedades físicas macroscópicas, tales como el magnetismo, Prozorov ha demostrado que la forma de toda la muestra determina la topología del patrón y el comportamiento magnético general del sistema – un hallazgo significativo que representa una contribución principal en el campo de la superconductividad. “Se puede tener la misma masa y volumen, pero si cambias la forma se obtendrá un tipo distinto de respuesta por parte de la muestra y un distinto tipo de geometría del patrón de campo de equilibrio”, dijo. “El descubrimiento ha reabierto completamente el campo del equilibrio en los conductores de tipo-I, que había estado inactivos debido a que se consideran cerrados”.

El descubrimiento de Prozorov de los patrones complejos en el plomo superconductor marca una notable desviación del primer modelo propuesto por el físico ruso Lev Landau en los años 30. El modelo de Landau, que recuerda a un laberinto o un patrón laminar, ha sido el estándar incontestable en los libros de texto de física durante 70 años.

Pero Prozorov cuestiona el modelo de Landau y mantiene que es imposible deducir los patrones de equilibrio de los superconductores a partir de la minimización de la energía global – una ley de la física establecida. “Se puede suponer cierta geometría o patrón y trabajar con él para obtener una configuración óptima, pero esto no garantiza que el patrón que se ha supuesto resulte ser el estado de mínima energía absoluta en la naturaleza”, explicó.

Ofreciendo un ejemplo del problema que observó en el modelo de Landau, Prozorov dijo, “Si se suponen dos patrones, se puede calcular la energía total para cada uno de ellos, y aquel con menor energía puede ser el patrón de equilibrio. Por supuesto, no se puede probar que no haya otro patrón que tenga una energía menor. Se necesita, de hecho, observar los patrones y relacionarlos con las propiedades físicas medidas reales”.

A lo largo de los años se han realizado observaciones de los patrones de equilibrio en los superconductores que difieren del modelo de laberinto propuesto por Landau. Sin embargo, se consideró que los patrones inusuales tenían defectos o fluctuaciones debidos a imperfecciones en el material estudiado. Nadie se molestó en relacionar los patrones que estaban observando con las propiedades macroscópicas. Nadie, claro, hasta Prozorov.

“Todo comenzó con un descubrimiento accidental”, dijo. Estaba intentando calibrar el termómetro en mi criostato magneto-óptico, por lo que puse un trozo de plomo muy limpio y libre de tensión. Esta es una forma fácil de calibrar debido a que el plomo se convierte en superconductor a 7,2 Kelvin, por lo que observé mi muestra y cuando vi superconductividad supe que mi termómetro estaba bien”.

Pero algo no iba bien, al menos no para un libro de texto. Cuando Prozorov aplicó un campo magnético lo bastante grande y observó la muestra de plomo en el sistema magneto-óptico, se sorprendió al no ver el patrón de laberinto de Landau sino, más bien, un patrón de formas tubulares bidimensionales que él describe como espuma de jabón. “Estaba impactado debido a que esto era algo totalmente inesperado”, dijo. “Por lo que ahora, la gran pregunta era,¿qué patrones representan el equilibrio?”

El experimento de Prozorov demostró que, dependiendo de su pureza y su forma física macroscópica, la muestra en investigación mostró el patrón de espuma de jabón o el patrón laminar de Landau. Él sabía que muestras con formas de discos o bloques que tienen dos superficies paralelas también tienen la propiedad conocida como barrera geométrica. Sólo aquellas muestras con esas formas exhibieron el patrón de Landau, y sólo cuando se redujo el campo magnético. Sin embargo, Prozorov descubrió que las formas sin dos superficies planas, tales como esferas, semiesferas, pirámides y conos, no muestran el comportamiento de Landau. “Observamos la fase de espuma, o tubular, en todas las formas de las muestras, y no tenemos la fase de Landau en ninguna”, dijo. “Por tanto la pase de espuma es la de estado de equilibrio del sistema. La mayoría de los estudios anteriores se hicieron con muestras de superficies planas, debido a esto la gente nunca observó anteriormente esto para un campo magnético decreciente”.

Enfatizando la dificultad involucrada en la creación de estas formas de muestra menos comunes, dijo Prozorov, “Para observar este fenómenos de espuma de jabón, las muestras deben estar muy limpias y sin defectos con una estructura cristalina uniforme. Pasamos una gran cantidad de tiempo intentando hacer muestras de plomo en forma de semiesferas, conos y pirámides y finalmente lo logramos. Tener acceso a los expertos en materiales disponibles en el Laboratorio Ames ha sido un tremendo beneficio en nuestro esfuerzo”, añadió.

La Oficina Científica del Departamento de Energía, la Oficina de Ciencias de la Energía Básica y la Fundación Nacional de Ciencia patrocinaron el trabajo sobre patrones de equilibrio en superconductores.

El Laboratorio Ames, que celebra su 60 aniversario en 2007, está dirigido por el Departamento de Energía a través de la Universidad Estatal de Iowa. El laboratorio lleva a cabo investigaciones en distintas áreas de interés nacional, incluyendo recursos energéticos, diseño de computadoras de alta velocidad, limpieza y restauración medioambiental y la síntesis y estudio de nuevos materiales.

Una nueva investigación publicada en la revista Nature (19 de julio) ha probado la teoría del origen común de los humanos mediante combinación de estudios de variaciones genéticas globales en los humanos con medidas del cráneo en todo el mundo. La investigación, en la Universidad de Cambridge y patrocinada por el Consejo de Investigación de Ciencias Biológicas y Biotecnológicas, representa el golpe definitivo para los que apoyaban la teoría de los múltiples orígenes humanos.

Las teorías en competición sobre los orígenes del humano anatómicamente moderno afirman que los humanos se originaron a partir de un único punto en África y que luego migraron por todo el mundo, o bien que distintas poblaciones evolucionaron independientemente desde el homo erectus al homo sapiens en distintas áreas.

Los investigadores de Cambridge estudiaron la diversidad genética de las poblaciones humanas de todo el mundo y midieron unos 6000 cráneos de colecciones académicas mundiales. Su investigación echa por tierra los últimos argumentos en favor de los orígenes múltiples. Los nuevos hallazgos demuestran que una mayor pérdida en la diversidad genética en África se ve reflejada en una pérdida de variación en los atributos físicos.

El investigador principal, el Dr Andrea Manica del Departamento de Zoología de la universidad explicó: “El origen de los humanos anatómicamente modernos ha sido el centro de un acalorado debate. Nuestra investigación genética demuestra que cuantos más humanos migraron desde África mayor diversidad genética se perdió en la población”.

“Sin embargo, algunos han usado datos de los cráneos para argumentar que los humanos modernos se originaron en múltiples puntos de todo el mundo. Hemos combinado nuestros datos genéticos con nuevas medidas de una muestra más amplia de cráneos para demostrar definitivamente que los humanos modernos se originaron en una sola área del África subsahariana”.

El equipo de investigación encontró que la diversidad genética decreció cuanto más alejadas de África estaban – un resultado de “cuello de botella” o eventos que temporalmente redujeron las poblaciones de humanos durante la migración. Entonces estudiaron una muestra excepcionalmente grande de cráneos humanos. Tomando un conjunto de medidas de todos los cráneos el equipo demostró que no sólo había las mayores variaciones en las muestras del sureste de África sino que decrecía en la misma proporción que los datos genéticos de los cráneos conforme se alejaba de África.

Para asegurar la validez de las pruebas del origen único los investigadores intentaron usar sus datos para encontrar orígenes humanos modernos no africanos. El investigador Dr Francois Balloux explica: “Para probar la teoría alternativa de los orígenes de los humanos modernos intentamos encontrar un origen no africano alternativo. Encontramos que esto no era posible. Nuestros hallazgos demuestran que los humanos se originaron en un único área del África subsahariana”.

La vida sintética podría estar justo a la vuelta de la esquina – dependiendo de lo que entiendas por “sintética”.

Trasplante de un genoma

La semana pasada, el pionero en genómica Craig Venter anunció que su equipo había conseguido un hito importante en su esfuerzo por crear una célula bacteriana cuyo genoma sea completamente sintético – construido químicamente a partir de los componentes fundamentales del ADN. Venter afirma que su objetivo podría lograrse en unos meses.

Pero mientras el genoma sintético de Venter será alojado en una célula bacteriana viva, otros científicos están apuntando al objetivo incluso más ambicioso de construir una célula viva completa a partir de los ingredientes básicos. Giovanni Murtas del Centro Enrico Fermi de la Universidad de Roma 3, Italia, informó la semana pasada en la reunión Synthetic Biology 3.0 (Biología Sintética 3.0) en Zurich, Suiza, que su equipo había dado un paso hacia este objetivo al sintetizar con éxito proteínas en compartimentos similares a células.

De acuerdo con George Church de la Escuela Médica de Harvard en Boston, que ha desarrollado un borrador completo para una célula sintética, sería suficiente una inversión de 10 millones de dólares para convertir el sueño en realidad. “Nuestra propuesta no requiere de nueva súper tecnología”, dice.

Cualquiera que sea la definición de vida sintética que adoptes, parece que ahora es más una cuestión de cuándo más que de si. “Estamos en el umbral de ser capaces de crear vida”, dice Steen Rasmussen, un físico que trata de crear sistemas de vida artificial en el Laboratorio Nacional de Los Álamos en Nuevo México.

Murtas y su equipo se las han arreglado para iniciar el proceso de síntesis de proteínas en esferas autoensamblables similares a células unidas por membranas de lípidos, conocidos como “liposomas”. Una proeza similar se consiguió en 2004 por Vincent Noireaux y Albert Libchaber de la Universidad de Rockefeller en New York, pero mientras que ellos sembraron sus vesículas de lípidos con extracto de células bacterianas de Escherichia coli, Murtas y sus colegas usaron una receta de 37 enzimas y un rango de moléculas más pequeñas para permitir la síntesis de proteínas.
Tras secas las moléculas de lípidos en las paredes de un tubo de plástico, el equipo de Murtas añadió a la mezcla enzimas y compuestos químicos, además del gen para la proteínas fluorescente verde (GFP). Algunos de los liposomas resultantes posteriormente crearon GFP durante varias horas.

Esto es, claramente, alguna forma de célula viviente, y para obtener algo irrefutablemente vivo el material genético necesita copiarse a sí mismo, y dividir las vesículas. Con esto en mente, Murtas y sus colegas están intentado incorporar a sus vesículas genes para enzimas que puedan formar nuevos lípidos, que esperan que hará que los liposomas crezcan hasta el punto de dividirse en vesículas hija más pequeñas.

Murtas está interesado en las células sintéticas como modelo de lo que sucedió en las primeras formas de vida que surgieron. Los logros de su equipo aún están lejos de una auténtica construcción “de abajo a arriba” debido a que la receta que usaron para la síntesis de proteínas tenía que incluir estructuras conocidas como ribosomas, compuestos de ARN y proteínas, que obtuvieron de la E. Coli. Estas “máquinas bioquímicas” dirigen la síntesis de proteínas, y para ser verdaderamente sintética, una célula tendría que incluir estructuras capaces de hacer un trabajo similar y que fuera ensamblada a partir de sus componentes básicos.

“Este es probablemente el mayor reto”, dice Church. Aunque los bioquímicos han sido capaces de ensamblar ribosomas en el laboratorio durante algunos años, esto ha requerido de altas temperaturas y unas duras condiciones químicas – no el tipo de entorno que se encuentra en las células vivas.

Pero se consiguió el progreso, y el año pasado Church, trabajando con Tony Forster de la Universidad de Vanderbilt en Nashville, Tennessee, publicó un borrador detallado para ensamblar una célula sintética desde cero (Molecular Systems Biology, DOI: 10.1038/msb4100090). Incluye 115 genes que serían combinados con varios compuestos bioquímicos para lograr que la células autoensamblable fuese capaz de vivir bajo ciertas condiciones de laboratorio controladas cuidadosamente. Los detalles aún necesitan trabajarse, pero Church cree que no quedan obstáculos básicos. Ve al organismo artificial del equipo convertido en la principal base de trabajo para la biotecnología que podría adaptarse para hacer tareas útiles tales como crear compuestos bioquímicos complejos.

A pesar del ámbito de la visión de Forster y Church, es Venter y su equipo los que están consiguiendo los titulares. Han estado trabajando durante años para desarrollar un genoma mínimo que contenga menos de 400 genes pero que tenga no obstante todo lo que necesita para sustentar a una célula viva libre. Han investigado qué genes son esenciales mediante un proceso de eliminación: dejando fuera de combate los genes de la bacteria Mycoplasma genitalium, que tiene por sí misma un genoma excepcionalmente pequeño. Venter inició la controversia el mes pasado intentando patentar el genoma mínimo resultante (New Scientist, 16 de junio, p 13).

El siguiente paso de Venter será sintetizar el genoma mínimo, y colocarlo en una célula bacteriana, y para esto necesita una técnica para reemplazar el genoma natural de la bacteria por una sintético. “Es verdaderamente esencial para lo que queremos hacer”, dice David Deamer, biofísico de la Universidad de California en Santa Cruz.

El novedoso “transplante de genoma” que anunció el equipo de Venter la semana pasada ha probado, en principio, que pueden hacer exactamente eso. Los investigadores, liderados por John Glass del Instituto J. Craig Venter en Rockville, Maryland, consiguieron transferir el genoma de un Mycoplasma mycoides a un parásito relacionado llamado Mycoplasma capricolum. Ambas especies infectan a las cabras, ovejas y vacas. Juzgando las proteínas qeu produjeron, las células resultantes parecían haber sido completamente transformadas en M. Mycoides (Science, DOI: 10.1126/science.1144622).

El equipo tomó una variedad de M. Mycoides resistente al antibiótico tetraciclina, abrió las células y usaron enzimas para asimilar sus proteínas, dejando sus cromosomas circulares intactos. Luego, incubaron estos cromosomas con células de M. Capricolum en un medio de cultivo que contenía un polímero llamado glicol polietileno (PEG).

PEG hace que se fusionen las membranas celulares, y los investigadores especularon que algunas células fusionadas de M. Capricolum, encapsulando el cromosoma de M. Mycoides de la misma forma. Las células que contenían los genomas múltiples se dividieron pronto, poniendo un genoma en cada célula hija.

Los investigadores entonces trataron sus cultivos con tetraciclina, que extermina aquellas que contuviesen el genoma de M. Capricolum mientras que las que contuviesen el genoma de M. Mycoides sobrevivirían. Aunque el trasplante funcionó en una de cada 150 000 células,esto fue suficiente para tener colonias saludables de bacterias transformadas sin ADN de M. Capricolum.

Venter dice que los esfuerzos por sintetizar su genoma mínimo partiendo de cero aún están en progreso, pero una vez que esté listo, el método de trasplante debería permitir que se crease la primera bacteria con genoma sintético con muy poco retraso. “Podría ser en semanas o meses”, dice.

No todos aceptan que la bacteria de Venter se calificará como organismo “sintético”. “Es un término equivocado”, dice Deamer, que argumenta que un nombre mejor sería el de organismo generado por ingeniería radical.

Entonces, ¿cuándo es probable que veamos vida sintética inequívoca, con todas las células construidas desde cero? “Podría ser en cinco meses o en 10 años”, dice Church. “Estas cosas no son tanto cuestión de escalas de tiempo como de la cantidad de dinero disponible”.

Es raro que planetas gigantes gaseosos extraños habiten en las afueras de su sistema solar. La mayoría son como nuestro propio Júpiter y prefieren pegarse cerca de su estrella, según sugiere un nuevo estudio.

El hallazgo, que se detallará en el próximo ejemplar de Astrophysical Journal, ayudará a dar a los astrónomos una mejor comprensión de cómo se ordenan los planetas en el universo.

“Ahora que sabemos que no hay un gran número de planetas gigantes vagando a grandes distancias de sus estrellas, los astrónomos tenemos una descripción más completa y podemos restringir mejor [en la teoría y modelos] cómo se forman los planetas”, dijo el líder del estudio Beth Biller de la Universidad de Arizona.

Algunas teorías de formación planetaria han predicho que los gigantes gaseosos se forman lejos de sus estrellas y más tarde migran hacia el interior debido a las interacciones gravitatorias con otros cuerpos.

“Había alguna idea de que podría ser posible tener una reserva de planetas gigantes [lejos de sus estrellas] que finalmente migrarían al interior, y no encontramos verdaderas pruebas de esta reserva”, dijo Biller en una entrevista telefónica.

¿Una visión desfigurada?

De los casi 250 planetas descubiertos más allá de nuestro Sistema Solar, la mayoría son gigantes gaseosos que orbitan extremadamente cerca de sus estrellas.

Llamados “Júpiter calientes” estos planetas extrasolares abrazan a sus estrellas madre con más fuerza que Mercurio lo hace con nuestro Sol. Como resultado, pueden pasar alrededor de sus estrellas a toda velocidad en sólo unas pocas días u horas.

La mayoría de los planetas extrasolares conocidos se encontraron usando el método de la velocidad radial, el cual incluye medidas del bamboleo estelar provocado por el tirón gravitatorio delos planetas sobre sus estrellas. Debido a que esta técnica es más apropiada para detectar planetas masivos cercanos a las estrellas (grandes planetas situados cerca de sus estrellas crean un bamboleo mayor), los astrónomos no estaban seguro de si podrían encontrarse más gigantes gaseosos a mayores distancias de sus estrellas usando distintos métodos de detección.

Para contestar a esta pregunta, Biller y sus colegas llevaron a cabo una investigación de tres años usando telescopios de Arizona y Chile. El equipo buscó específicamente gigantes gaseosos que viven relativamente lejos de sus estrellas madre. Inspeccionaron 54 cercanos a estrellas jóvenes donde los planetas gigantes gaseosos estarían en formación. Los teóricos predicen que los jóvenes Júpiter son más brillantes y de esta forman más fáciles de apuntar que los gigantes gaseosos de mayor edad.

La investigación no dio como resultado ningún planeta gigante más allá de 10 UA (10 veces la distancia de la Tierra al Sol) de sus estrellas madre, llevando al equipo a concluir que los exoplanetas del tamaño de Júpiter son extremadamente raros en las zonas externas de los sistemas solares.

”Tranquilizador”

Alan Boss, teórico de formación planetaria en la Institución Carnegie de Washington, llamó a los resultados “tranquilizadores”.

Los planetas se piensa que se forman en el polvo del disco protoplanetario que rodea las estrellas jóvenes.

Las dos teorías principales sobre la formación de los planetas – la acreción del núcleo y la inestabilidad del disco – tienen problemas en la formación de gigantes gaseosos a distancias mayores de 20 UA. “Simplemente no hay suficiente masa en el disco a menos que el disco sea implausiblemente masivo”, dijo Boss a SPACE.com.

“Cualquier planeta formado en esas distancias es probablemente el resultado de las interacciones orbitales entre sistemas inestables, y los sistemas inestables se espera que se formen muy raramente, si es que lo hacen”, añadió Boss.

Boss y Biller apuntaron que existe otra posible explicación posible para los resultados de su investigación.
“Esta investigación depende de la suposición de que los gigantes gaseosos jóvenes brillan mucho más que los que son más antiguos y por tanto más fáciles de detectar”, dijo Boss.

Algunos estudios recientes, sin embargo, han sugerido que los jóvenes gigantes gaseosos podrían no ser más brillantes que los antiguos como comúnmente se piensa. Si esto se prueba como cierto, podría significar que los Júpiter remotos existen pero son demasiado tenues para detectarlos.

Dos equipos independientes de investigadores que descubrieron la expansión del universo está acelerando han sido galardonados este año con el Premio Gruber de Cosmología. El premio, con un valor de $500 000, se ha otorgado a los grupos liderados por Saul Perlmutter y Brian Schmidt, quienes informaron de su descubrimiento en 1998. Su trabajo proporcionó la primera prueba convincente de la existencia de la “energía oscura” — una misteriosa y hasta ahora invisible entidad que los físicos creen que funciona contra la gravedad acelerando la expansión del universo.

Brian Schmidt

Cada equipo presentó sus hallazgos en dos artículos clave publicados a principios de 1998. Perlmutter, que está en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y la Universidad de California en Berkeley, fue el líder del Proyecto de Cosmología Supernova. Brian Schmidt, quien encabezó la Búsqueda de Supernovas High-Z, trabaja en la Universidad Nacional Australiana en Canberra. Perlmutter y Schmidt lograron cada uno $125 000 en dinero del premio, mientras los demás miembros del equipo se repartieron los restantes $250 000.

Ambos equipos descubrieron la expansión acelerada del universo estudiando las distantes supernovas de tipo Ia. Estas estrellas en explosión se cree que tienen la misma luminosidad, lo cual significa que su brillo puede usarse para determinar lo lejos que están. Sin embargo, Los equipos de Perlmutter y Schmidt se sorprendieron al encontrar que la luz de estas supernovas era más débil de lo que esperaban para una velocidad de expansión dada, lo que indicaba que las supernovas estaban más lejos de lo esperado.

Saul Perlmutter

Desde el avance de 1998, la expansión acelerada del universo se ha confirmado por estudios independientes incluyendo aquellos que observan el fondo de microondas cósmico y la distribución de miles de galaxias. Estos y otros estudios han reforzado el argumento de la existencia de la energía oscura, que algunos físicos creen que contiene tres cuartas partes de la masa del universo. Sin embargo, la energía oscura aún no ha sido observada de forma directa, ni en el laboratorio ni en el cosmos.

La cita del premio describe el descubrimiento como un “resultado loco que fue difícil de aceptar”. También elogia a ambos equipos por el desarrollo de “nuevas técnicas que usan las explosiones de supernovas en las galaxias distantes para medir con precisión distancias a lo largo de una gran parte del universo observable”. El premio Gruber se ha otorgado anualmente desde el año 2000 por la Fundación Peter y Patricia Gruber, con sede en las Islas Vírgenes de los Estados Unidos.

En todo el mundo, los estudiantes aprenden sobre la naturaleza de onda de la luz mediante los patrones de interferencia del “experimento de la doble rendija de Young”, realizado por primera vez hace más de 200 años y aún considerado entre como uno de los experimentos físicos más hermosos. Usando un experimento análogo, investigadores de Brown y Stanford han demostrado que un simple modelo analítico puede describir la naturaleza de onda de los polaritones de plasmones de superficie. Su trabajo sugiere que estos dispositivos plasmonicos no pueden sortean fácilmente las limitaciones de las ondas electromagnéticas.

Patrones elocuentes La intensidad medida de las ondas de los polaritones guiados en la izquierda de la imagen deja un patrón de difracción similar a los vistos en los experimentos clásicos de óptica de hace 200 años. La imagen de la derecha es una simulación numérica basada en los resultados de un marco de trabajo analítico propuesto en un patrón casi idéntico. Imagen: Freedom-2

En un experimento modelado sobre el clásico “experimento de la doble rendija de Young” y publicado en la revista Nature Nanotechnology, los investigadores han reforzado mucho la comprensión de que los polaritones de plasmones de superficie (SPPs) se propagan y difractan igual que cualquier otra onda. La demostración recuerda a los diseñadores electrónicos e investigadores que aunque los SPPs se mueven a lo largo de una superficie metálica, en lugar de en un cable o una fibra óptica, no pueden superar mágicamente las limitaciones de tamaño de la óptica convencional.

Anunciado como la nueva era en la miniaturización electrónica, la plasmónica describe el movimiento de los SPPs – un tipo de onda electromagnética que está unida a la superficie de un material a través de interacción con los electrones de la superficie. La tecnología emergente podría proporcionar un puente entre la electrónica a nanoescala y la fotónica. Los dispositivos electrónicos convencionales, en los que cables metálicos portan señales eléctricas, pueden fabricarse a nanoescalas pero se sufre un gran retraso. Los dispositivos fotónicos – o fibra óptica – transmiten señales a la velocidad de la luz pero no pueden miniaturizarse por debajo de un límite impuesto por la longitud de onda de la luz que transportan.

Los dispositivos plasmónicos parecen combinar lo mejor de ambas tecnologías. Debido a que los SPPs son ondas electromagnéticas se mueven casi a la velocidad de la luz, pero debido a que se encuentran sobre la superficie de los cables, parece que podrían sortear el límite de difracción, el cual restringe el tamaño de la fibra óptica.

“Sabemos que aún son esencialmente ondas electromagnéticas y por tanto deben obedecer al límite de difracción”, dice Rashid Zia, profesor asistente de ingeniería en la Universidad de Brown. “La clave es definir un conjunto de soluciones de forma que sea análogo para otro sistema y de esta forma derivar tal límite”.

Zia y Mark Brongersma, profesor asistente de ingeniería en la Universidad de Stanford, se propusieron encontrar un experimento que pudiese probar los límites de la tecnología plasmónica y también arrojar luz sobre los principios que controlan este misterioso tipo de onda.

El experimento de la doble rendija de Young normalmente se realiza como demostración de la difracción óptica, aunque recientes variantes también han sido usadas para probar el comportamiento cuántico de los electrones, átomos e incluso moléculas.

En el experimento clásico de la doble rendija, los estudiantes iluminan una pantalla a través de una barrera opaca con dos rendijas en ella. Cuando se tapa una rendija, el patrón de luz es más brillante directamente frente a la rendija. Cuando la luz pasa a través de ambas rendijas, aparecen una serie de líneas de luz y oscuridad. La luz forma una línea brillante entre las rendijas, donde se refuerzan los picos de las ondas y un patrón distinto de líneas más oscuras dónde se cancelan entre sí los picos y los valles. Es una demostración elegante de la parte de onda de la naturaleza dual de la luz.

En su experimento, Zia y Brongersma generaron un SPP y lo pasaron a través de dos puentes estrechos de una película de oro sobre una placa de vidrio. Cuando las ondas salieron a una porción más amplia de la película de oro, se difractaron para crear patrones de interferencia análogos a los que se ven en el experimento de la doble rendija de Young. Usando un modelo analítico simple para el camino que siguen los SPPs a lo largo de las bandas de metal individuales, los investigadores predijeron los patrones de difracción que verían.

Dado que los SPPs no están en el espectro de la luz visible, no se muestran en una pantalla. Zia y Brongersma midieron con precisión el patrón de difracción usando un microscopio de efecto túnel de escaneo de fotones. El patrón que vieron se ajustaba muy bien a lo que predijeron con su propuesta de marco de trabajo, que está basado en una analogía de la óptica convencional.

El resultado de este experimento puede decepcionar a algunos investigadores que habían esperado que los SPPs que viajan a lo largo de las guías de ondas del metal podría permitirles diseñar un circuito para moverse sin fisuras desde la electrónica a la fotónica. En lugar de esto, Zia ve el desarrollo – y el reto – de una teoría exhaustiva como el primer paso hacia el desarrollo de estructuras únicamente apropiadas par el control del movimiento de los SPPs.
“Puedes acoplar bandar, puedes hacer rendijas, puedes hacer todo tipo de otras geometrías que podrían funcionar“, dijo Zia. ”Pero para ver ese potencial, tienes qie tener una teoría analítica clara y una forma de probarla”.

Becas del Departamento de Defensa/Oficina de las Fuerzas Aéreas de Investigación Científica y de la Fundación Nacional de Ciencia apoyaron esta investigación.

Amenazados con su cancelación, el equipo que construye el telescopio espacial de búsqueda de planetas Kepler de la NASA encontró una forma de llegar la nave a la plataforma de lanzamiento a principios de 2009 sin nuevas inversiones de capital.

Kepler consta de un único instrumento, un telescopio Schmidt de 0,95 metros optimizado para el escaneo de un campo de estrellas buscando señales de planetas del tamaño de la Tierra potencialmente habitables. La integración de la nave se llevará a cabo este verano, y con el telescopio se instalará en un año a partir de ahora. Se planea que un cohete Delta 2 lance a Kepler la órbita de la Tierra.

El precio para esta misión de clase Discovery se ha elevado varias veces desde su selección en 2001 debido a una combinación de factores, incluyendo problemas con la gestión, retos técnicos y fluctuaciones de fondos más allá del control de la misión. A mediados de 2006, creyendo que los problemas de Kepler quedaban ya en el pasado, la NASA aceptó un incremento de un 21 por ciento en el coste para la construcción del telescopio, elevando el coste de la misión por encima de los 550 millones de dólares. La fecha de lanzamiento también se retrasó otros cinco meses de su objetivo original de 2006 a noviembre de 2008.

Esta primavera, el equipo de Kepler – que consta de Ball Aerospace & Technology, Centro de Investigación Ames y el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) – dijo al jefe científico de la NASA que necesitaban otros 42 millones de dólares adicionales y cuatro meses extra más para finalizar la nave.

“Mi respuesta fue no, [el Consejo de la Misión Científica] no dirigirá más abriendo el talonario. Tienes que encontrar una forma de volver al presupuesto porque de ninguna forma tengo 42 millones de dólares para el programa astrofísica”, recuerda Stern en una entrevista del 9 de julio.

Stern dijo al equipo que volviesen en junio con un plan para realizar el trabajo dentro del presupuesto revisado aprobado por la NASA para Kepler el año anterior.

“El 1 de junio, vinieron con un petición de 54 millones de dólares en lugar de 42, en cuyo punto dije: “Proyecto Kepler, parece que pensáis que no hablo en serio … Si pensáis que no hablo en serio volved de nuevo con unos números como estos y será el final del proyecto”.
Cuando declaró en el Congreso en mayo, Stern dejó claro que el programa estaba cancelado en ese punto – y esto fue antes de que el equipo de Kepler respondiese a su llamada de recortar costes pidiendo más dinero.

Tras rechazar su petición del 1 de junio de otros54 millones, Stern dio al equipo de Kepler un mes para intentarlo de nuevo y poner al programa de nuevo en el presupuesto”.

El 6 de julio, el equipo de Kepler volvió a las oficinas de la NASA para presentar su plan.

“Nos tomaron muy en serio”, dijo Stern. “Volvieron sin ningún incremento de costes”.

El equipo de Kepler, de acuerdo con Stern, propuso mantenerse con el presupuesto aprobado por la NASA en 2006, recortando seis meses del final de la misión de 4 años, restringiendo algunas de las pruebas de la nave, reduciendo reserva de planificación y haciendo algunos cambios en la gestión.

Además, Ball Aerospace & Technologies, la forma con base en Boulder, Colorado que construye la nave y el instrumental, cedió “millones y millones de dólares de sus honorarios”, dijo Stern.

El plan pasó una revisión con Stern y otros directivos de la NASA que lo examinaron – incluyendo al asesor científico de Stern, John Mather, su delegado para programas Todd May y un representante de la Oficina de la NASA del Ingeniero Jefe – como un camino claro y viable hacia la plataforma de lanzamiento.

El portavoz de Ball, Roz Brown declinó decir cuántos honorarios había perdido su compañía o si el proyecto aún seguiría siendo beneficioso.

“No puedo especificar sobre el tema financiero”, dijo Brown el 10 de julio. “El beneficio es sólo una herramienta. Estábamos determinados a llevar el camino de vuelta al buen camino y lo hemos conseguido. Escuchamos a la NASA alto y claro”.

Kepler aún perderá su fecha de lanzamiento de noviembre de 2008 en dos o tres meses, pero Stern dijo que podría vivir con ello.

“Lo único más importante que mantener a Kepler en marcha hacia su lanzamiento es tener una gestión responsable en el Consejo de la Misión Científica”, dijo. “No quiero expedir cheques nunca más. Hay un nuevo equipo en la ciudad y no seguiremos ese camino”.

Aunque la reducción de pruebas y el recorte en la reserva de planificación podría sonar como una fórmula para el fracaso, Stern dijo que ninguna de estas acciones pondría en peligro el éxito de la misión.

“Hallaron algunos lugares donde pudieron eliminar actividades de forma responsable – donde las pruebas fueron la guinda del pastel”, dijo. “Ellos [también] tenían unas reservas de la planificación muy generosas para los estándares normales de la industria. Eligieron recortarlos ellos mismos a los estándares de JPL”.

El nuevo plan también mejoró la enrevesada estructura de gestión de Kepler, reconocida por la NASA desde hace tiempo como un contribuyente a los problemas de Kepler.

Cuando la NASA seleccionó a Kepler en 2001 para patrocinarlo bajo su programa Discovery de iniciativa científica y misiones con límite de coste, la agencia requirió al Centro de Investigación Ames – el centro de NASA del área de San Francisco que propuso Kepler – que seleccionara el JPL o el Centro de Vuelo Espacial Goddard en Greenbelt, Maryland, para ayudar en la ejecución del proyecto.

Con el JPL añadido a la mezcla, Kepler básicamente tenía, como dijo Stern, “tres jefes”: el jefe de proyecto del JPL, el jefe de proyecto de Ames, y el investigador principal novato de Kepler, el científico de Ames Bill Borucki.

Para simplificar las cosas, NASA está colocando a todo el equipo de Kepler bajo la dirección del jefe de proyecto del JPL de Kepler Leslie Livesa, experta ingeniera que trabajó en la Mars Pathfinder, fue jefe del sistema de vuelo de la, y trabajó en Starlight antes de que el ambicioso proyecto de tres telescopios fuese reducido a una demostración tecnológica en tierra.

El papel de Borucki en Kepler, mientras tanto, se ha reducido de investigador principal de la misión – básicamente el jefe principal – a investigador científico principal.

“Tuvieron que hacer algunas elecciones difíciles y una de ellas era tener a un gestor del programa profesional y no a un investigador novato para llevarlo a cabo”, dijo Stern. “Pero permanece como investigador científico principal y estará a cargo de toda la investigación científica y la llevará al triunfo”.

Autor: Brian Berger
Fecha Original: 16 de julio de 2007
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Poniendo el teletransporte, el entrelazamiento y otras rarezas cuánticas a prueba, el físico Anton Zeilinger espera averiguar cómo de irreal puede ser la realidad cuántica

ANTON ZEILINGER cuestionador cuántico: Prueba los fundamentos de la física cuántica y el alcance de los estrafalarios fenómenos tales como en entrelazamiento.El número 42: Como la respuesta para todo en la “Guía del Autoestopista Galáctico”, la mecánica cuántica necesita un marco de trabajo para hacerse inteligible. La información podría ser la solución. Crédito de la imagen: Jacqueline Godany.

El físico Anton Zeilinger puede no comprender la mecánica cuántica, pero no ha dejado que eso sea un problema en su camino. Además de allanar el camino para las computadoras ultrapotentes y códigos irrompibles que funcionan bajo los efectos cuánticos, el austriaco de 62 años ha dado un empujón a los límites de la rareza cuántica en caminos destacados. Recientemente observó el delicado vínculo cuántico del entrelazamiento en la luz parpadeante entre dos de las islas que componen las Islas Canarias, a 144 kilómetros de distancia. Sueña con hacer rebotar luz entrelazada entre dos satélites en órbita.

Aunque es más conocido para el mundo por tales experimentos de renombre, que trabaja en la Universidad de Viena, ha ido a las longitudes comparables para probar las suposiciones subyacentes a la misma mecánica cuántica. Sus resultados dejan poco espacio para ocultarse de la conclusión de que la realidad cuántica es completa e innegablemente extraña — tanto que 40 años después de que se la encontrase por primera vez como estudiante, Zeilinger aún busca lo que le da sentido. “Hice la que pensé que era la conclusión correcta inmediata”, dice, “y es que nadie la entiende en realidad”.

Durante casi 17 años, el trabajo de Zeilinger se ha centrado en los trucos de la luz entrelazada. Dos partículas se dice que están entrelazadas si comparten es mismo estado cuántico difuso, lo que significa que ninguna de las dos comienza con unas propiedades definidas como situación o polarización (lo cual puede imaginarse como la orientación espacial de una partícula). Mides la polarización de un fotón y aleatoriamente adopta un cierto valor, digamos, horizontal o vertical. Extrañamente, la polarización del otro fotón siempre encajará con la de su compañero. A Zeilinger, cuyo grupo inventó una herramienta común de polarización entrelazada, le gusta ilustrar la idea imaginando un par de dados que siempre sacan el mismo número.

Igualmente misterioso es que el acto de medir la polarización de un fotón fuerza inmediatamente a que el segundo fotón adopte un valor complementario. Este cambio se produce de forma instantánea, incluso si los fotones estuviesen en puntos opuestos de la galaxia. El límite de la velocidad de la luz que obedece el resto del mundo puede saltarse en por la física cuántica.

Los científicos han llegado a ver el entrelazamiento como una herramienta para la manipulación de la información. Una red de fotones entrelazados podría permitir a los investigadores ejecutar potentes algoritmos capaces de romper los mensajes codificados más seguros o simular moléculas para medicinas y diseño de material. Durante seis años Zeilinger fue mejorando el récord de más fotones entrelazados — tres, luego cuatro (mejorado a cinco en 1004, y a seis, por un antiguo investigador de su grupo). En 1997 Zeilinger fue el primero en demostrar el teletransporte cuántico: entrelazó un fotón con un miembro de un segundo par entrelazado, provocando que el primer fotón dejase la huella de su estado cuántico en el otro miembro. El teletransporte podría mantener las señales limpias en las computadoras cuánticas [ver “Quantum Teleportation,” by Anton Zeilinger; Scientific American, April 2000 (“Teletransporte Cuántico”, por Anton Zeilinger; Scientific American, abril de 2000)].

Unos años más tarde su grupo fue uno de los tres que codificaron mensajes secretos en cadenas de fotones entrelazados, el cual los fisgones no pudieron interceptar sin alterar el mensaje. No siempre es el primero en conseguir tales proezas, pero “tiene muy buen ojo para un experimento elegante y para uno que comunique lo que él quiera comunicar”, dice el investigador de óptica cuántica Paul G. Kwiat de la Universidad de Illinois, antiguo miembro del laboratorio de Zeilinger y ahora colaborador.

“La única razón por la que hago física es porque me gustan las cuestiones fundamentales”, dice Zeilinger entre mordiscos a un bocadillo de queso y miel. Ha venido a Denver para una reunión de físicos, donde hablará a sus colegas de reunión sobre su trabajo con los rayos de fotones entrelazados en La Palma y Tenerife en las Islas Canarias — extendiendo el rango de los mensajes secretos entrelazados por diez.

Con un rostro claro y sonriente y las gafas ovaladas incrustadas entre su barba y una nube de pelo gris encrespado, parece un pequeño lobo — listo para atrapar a su presa cuántica. “Todo lo que hago es por la diversión”, dice.

Parte de su diversión es confirmar la rareza de la mecánica cuántica. La indeterminación cuántica molestó notablemente a Albert Einstein, quien la llamó una teoría incompleta. Una partícula debería saber dónde y qué es, pensaba, incluso si nosotros no podemos, y ciertamente no recibiría señales más rápidas que la luz.

La visión de Einstein permaneció como un tema de interpretación y en el terreno de los experimentos gedanken, o mentales, hasta 1964, cuando el físico irlandés John Bell probó que las medidas de las partículas entrelazadas podría distinguir la mecánica cuántica de la posición de Einstein, una mezcla de localidad (las señales fluyen a la velocidad de la luz) y realismo (las partículas poseen unas propiedades definidas aunque ocultas).

Las pruebas basadas en la luz del Teorema de Bell requieren dos detectores que cambien rápidamente las direcciones a lo largo de las cuales miden la polarización de los pares entrelazados. Estadísticamente, el realismo local impone que las polarizaciones pueden estar vinculadas, o correlacionadas, sólo para un cierto porcentaje de medidas. En una prueba clásica de Bell en 1982 que fijó el estándar para los futuros intentos, físicos franceses ratificaron la mecánica cuántica — y fijaron el realismo local – observando un porcentaje mayor.

La primera incursión de Zeilinger en el entrelazamiento fue como teórico, cuando, en 1989, co-inventó una versión no estadística del Teorema de Bell para tres partículas entrelazadas — llamados estados GHZ, por los apellidos de los descubridores (Daniel M. Greenberger del City College de Nueva York, Michael A. Horne del Stonehill College en Easton, Massachusetts, y Zeilinger). El trío imaginó tres fotones entrelazados cada uno golpeando un conjunto de detectores para mediar la polarización en una de las dos direcciones, horizontal-vertical o el giro izquierda-derecha. En principio, cuatro combinaciones de configuraciones de detectores configurarían una simple medida capaz de distinguir la mecánica cuántica del realismo local.

“Fue el mayor avance en el en todo el tema de la comparación de la mecánica cuántica con las teorías realistas locales desde el trabajo original de Bell”, dice el físico Anthony J. Leggett de la Universidad de Illinois. La realización del experimento GHZ llevó a Zeilinger hasta 2000.

El año anterior, también acabó con una ambigüedad del experimento francés del1982 (aún permanecen otras ambigüedades) usando dos relojes atómicos que hacían tic-tac vivamente para descartar cualquier posibilidad de que los detectores estuviesen de algún modo comparando notas enviadas a la velocidad de la luz.

Hace pocos meses Zeilinger informó de la implementación de una nueva prueba de Bell estadística, diseñada por Leggett, que opone la mecánica cuántica contra la categoría de teorías en la que los fotones entrelazados tienen polarizaciones reales pero intercambian partículas ocultas que viajan más rápido que la luz. En principio, tales teorías “más rápida que la luz” podrían haber imitado perfectamente la rareza cuántica dejar al realismo sin molestar. No fue así, de acuerdo con el experimento: los resultados sólo podían explicarse mediante irrealidad cuántica.

Por lo que, ¿qué idea reemplaza al realismo? La situación trae a la mente uno de los libros favoritos de Zeilinger, la novela cómica The Hitchhiker’s Guide to the Galaxy (Guía del autoestopista galáctico), de Douglas Adams, en la cual una poderosa computadora consiguió el significado de la vida, el universo y todo y arrojó el número 42. Por lo que su creador construyó una máquina mayor para descubrir la pregunta. (Como ávido marinero, Zeilinger llamó a su barco 42.)

Si la indeterminación cuántica es como el número 42, entonces ¿qué idea la hace inteligible? La suposición de Zeilinger es la información. Así como un bit puede tener valores 0 o 1, una partícula medida termina aquí o allí. Pero si una partícula lleva sólo ese bit de información, no tendrá espacio restante para especificar su situación antes de la medida.

Al contrario que Einstein, Zeilinger acepta que la aleatoriedad es el cimiento de la realidad. Es más, “no puedo creer que la mecánica cuántica tenga la última palabra”, dice. “Tengo el sentimiento de que si conseguimos in verdaderamente al fondo de por qué el mundo tiene la mecánica cuántica” — de dónde viene el 42 — “tendríamos que ir más allá. Eso es lo que espero”. Entonces, finalmente, llegaría la comprensión.