La Enciclopedia Galáctica

Aniversario y mudanza

noreply@blogger.com (Torjo Sagua) — Fri, 10 Jun 2011 21:27:00 +0000

Miembros de la Fundación.

El 23 de Junio del 2010 comenzamos con este blog, enfocado a la divulgación científica en español, el cual, hasta el momento de redactar estas líneas, cuenta con 17 seguidores adscritos, 18,307 visitas, 35 fans en facebook, y 138 seguidores en Twitter. Se realizaron 85 entradas (Post), se recibió el acceso a diversos grupos importantes (La ReduxNet, los diversos carnavales científicos en español - Matemáticas, Física, Química, Biología y Geología - y recientemente, Cosmonoticias), además, como un complemento se comenzó a trabajar en otros tres blogs:

El Cerebro de Broca, en donde se estaban tratando temas relacionados con las pseudociencias, este inició el 05 de julio de 2010 y hasta el día de hoy, ha recibido 4180 visitas.
Headnet, el podcast oficial de La Enciclopedia Galáctica, que inició operaciones el 14 de agosto de 2010, y obtuvo 72 visitas.
Finalmente, La Bóveda del Tiempo, dedicado a explicar con un poco más de detalle el origen y la evolución del Universo, creado el 13 de agosto de 2010, este solo ostenta tres entradas, y ha recibido 2334 visitantes.

Ahora bien, esto ha servido como un breve resumen de lo que ha sido mi actividad en la 'blogosfera' científica el último año, y lo hago con el fin de agradecer sus visitas, comentarios, recomendaciones, 'retwitts', '#FF', etc., y a su vez, anunciarles con bombo y platillo que, a partir de hoy, pueden encontrarnos en http://laenciclopediagalactica.info/, en este sitio, se integran los cuatro blogs que actualmente gestiono, los medios de contacto que mantenemos, serán los mismos, no me queda mas que agradecer el tiempo que le han dedicado a visitar este y los demás sitios, espero seguir contando con el favor de su preferencia y los espero en la nueva página.

Gracias!!!!!

Las oportunidades en Física de Partículas Elementales

noreply@blogger.com (Torjo Sagua) — Mon, 16 May 2011 16:41:00 +0000

Simulación de la desintegración de un Z + Higgs a cuatro 'chorros', tal como se vería en el detector ILC

Crédito: Norman Graf

La física de partículas elementales (El estudio de los componentes fundamentales y la naturaleza del Universo) está a punto de dar el siguiente paso importante en la búsqueda de responder a algunas de las preguntas que la humanidad se ha hecho desde hace milenios: ¿Cuál es la naturaleza del Espacio y el Tiempo? ¿Cuál es el origen de la materia? ¿Cómo comenzó el Universo? ¿Cómo evolucionará? Las siguientes décadas podrían ser uno de los periodos más apasionantes en la historia de la Física.

Uno de los grandes logros de la física del siglo XX fue el desarrollo del Modelo Estándar de partículas elementales, el cual describe las relaciones entre las partículas elementales conocidas y las características de tres de las cuatro fuerzas fundamentales (Electromagnetismo, la Fuerza Nuclear Fuerte y la Débil). Son embargo, en las regiones de energía es donde los físicos están apenas comenzando a experimentar y donde el Modelo Estándar hace evidente que está incompleto. Es incapaz de reconciliar los dos pilares de la física del siglo XX, la teoría de la relatividad general de Einstein y la mecánica cuántica. Además, las recientes observaciones astronómicas diarias indican que la materia solo aporta el 4% de las sustancias totales en el Universo. El resto del Universo consiste de entidades hipotéticas denominadas Materia Oscura y Energía Oscura que no son descritas por el Modelo Estándar. Otros retos para el Modelo Estándar se plantean por el predominio de la materia sobre la antimateria en el Universo, la evolución temprana del Universo y el descubrimiento de las elusivas partículas conocidas como neutrinos, con una masa muy ínfima, pero diferente de cero. Así, a pesar de lo extraordinario del Modelo Estándar, parece probable que se alcanzará una comprensión más profunda de la naturaleza por los físicos que continúan estudiando los componentes fundamentales del Universo.

Los físicos de partículas elementales utilizan una gran variedad de fenómenos naturales para investigar las propiedades y las interacciones entre las partículas. Reúnen los datos de la radiación cósmica y neutrinos solares, observaciones astronómicas, medidas precisas de partículas individuales y el monitoreo de grandes cantidades de materia cotidiana. Además, los avances cruciales históricamente han sido proporcionados por los aceleradores de partículas y los detectores complejos utilizados para estudiar las colisiones de partículas en ambientes controlados. En la actualidad, los aceleradores más poderosos son el Tevatron, en el FermiLab (Fermi National Accelerator Laboratory) en Batavia, Illinois y el LHC (Large Hadron Collider) en el CERN, en Ginebra, Suiza. Ambas evidencias, tanto la teórica como la experimental sugieren que la nueva física revolucionaria surgirá de las energías a las que se tenga acceso en el LHC.

Más allá del LHC, los físicos de todo el mundo están diseñando un nuevo acelerador conocido como el ILC (International Linear Collider), el cual utilizará dos aceleradores lineales para colisionar haces de electrones y positrones. En conjunto, el LHC y el ILC permitirán a los físicos explorar la unificación de las fuerzas fundamentales, sondear el origen de la materia, descubrir la naturaleza dinámica del ‘vacío’ del espacio, profundizar en la comprensión de los procesos estelares e investigar la naturaleza de la materia oscura. Estas tareas no pueden lograrse solo con el LHC.

Referencias

The International Linear Collider
Jonathan Bagger et al.

International Linear Collider
Reference Design Report

International Linear Collider
Website

Experimentos de la siguiente generación para la medición de distancias y crecimiento de estructuras.

noreply@blogger.com (Torjo Sagua) — Fri, 06 May 2011 20:23:00 +0000

Arriba: Cúmulo masivo de galaxias Abell 2218, imagen obtenida por el Hubble Space Telescope. Más allá de los cúmulos masivos, la distorsión de las imágenes es mucho más débil, pero pueden ser detectadas de forma estadística. Crédito: NASA, A. Fuchler y el equipo ERO

Abajo: Simulación de la propagación de la luz a través de la distribución la materia oscura en un volumen grande del Universo. Crédito: Stephani Colombi del Institut d'Astrophysique de Paris.

La próxima década debe incluir programas de observación agresivos que empleen todos los métodos descritos en la publicación anterior (Métodos para la medición de distancias y crecimiento de estructuras). Además de proveer información complementaria, la mezcla de métodos permitirá el chequeo cruzado que puede resultar crucial para diseñar conclusiones robustas acerca de la aceleración cósmica.

Inspecciones de Supernova

Estas inspecciones requieren profundidad, alta cadencia (Visitas frecuentes al mismo campo), imágenes sobre área de varios grados cuadrados a varias decenas de varios grados cuadrados, con seguimiento espectroscópico y una calibración fotométrica excelente. Más aún, inspecciones menos profundas son necesarias para la calibración de los muestreos del bajo desplazamiento al rojo. La prioridad principal para los estudios de Supernova es obtener una alta precisión estadística y un control estricto correspondiente de los errores sistemáticos de los desplazamientos al rojo z ≤ 0.7, donde su precisión excede al BAO. Los errores sistemáticos pueden reducirse por la inclusión de observaciones en el resto del espectro cercano al infrarrojo, donde la extinción de polvo es mucho más baja y el rango de luminosidad es menor que el óptico (Aún cuando este último es corregido por la curva de duración de la luz). Las mejoras en los sistemas de calibración fotométrica son esenciales para la cosmología de Supernova, y beneficiarán a muchas áreas de la astronomía. Las muestras de varios miles de Supernovas pueden alcanzar una precisión estadística de ~0.01 mag en múltiples muestreos, y las incertidumbres sistemáticas pueden traerse a este nivel.

Inspecciones BAO

Estas inspecciones requieren espectroscopía sobre volúmenes de gran movimiento. A z>1, las muestras de un área 10E8 X 10E8 galaxias son necesarias para alcanzar el límite de varianza cósmica en una fracción grande del cielo. Inspecciones basadas en la óptica pueden alcanzar sin rodeos Z~1.3, pero el acceso a la mayor parte del volumen de gran movimiento en el rango 1 < z < 2 requiere una profundidad cercana a la espectroscopía infrarroja que solo puede realizarse desde el espacio. A un alto desplazamiento al rojo, los métodos ópticos utilizan emisiones de galaxias lineales y el Lyman-α será posible, aunque no está claro como es que estos pueden acercarse al límite de la varianza cósmica. La intensidad de la asignación de la emisión de 21 cm del desplazamiento al rojo es un método emergente que podría permitir mediciones eficientes del BAO sobre un amplio rango del desplazamiento al rojo.

Lente débil y Abundancia de cúmulos

Estas inspecciones requieren imágenes de alta resolución, con una bien caracterizada función de punto de margen (PFS, Point-Spread Function) sobre áreas amplias (Como se observa en las imágenes). Una inspección realizada sobre 20,000 grados cuadrados podría alcanzar mediciones precisas para ~10E9 galaxias. Observaciones espaciales de mayor resolución podrían incrementar la densidad de la superficie de las galaxias utilizables por un factor de varios, y el PFS más estable obtenible en el espacio, podría reducir las incertidumbres sistemáticas en la medición de las formas. El alcanzar una precisión fotométrica en el desplazamiento al rojo requiere una fotometría óptica y cercana al infrarrojo para todas las galaxias y el muestreo espectroscópico de ~10E5 galaxias. Una inspección en un área amplia por rayos X y SZ que coincidan con las otras inspecciones podría permitir una selección más limpia de cúmulos que solo por los datos ópticos obtenidos. Una alta señal de ruido en las mediciones de rayos X y SZ de un pequeño número de cúmulos ayudaría a clarificar la física fundamental de cúmulos y reducir la dispersión de las relaciones Observación-Masa.

Espacio

Las observaciones en el espacio pueden ser benéficas para todos estos métodos, de forma diferente. Un tema común es la necesidad de obtener imágenes profundas cercanas al infrarrojo y espectroscopia de amplias áreas, las cuales solo podrían realizarse en el espacio. Un telescopio espacial de campo amplio cercano al infrarrojo podría proporcionar:

La fotometría cercana al infrarrojo de las supernovas en z<1, en coordinación con las observaciones ópticas terrestres.
Las galaxias con desplazamiento al rojo sobre un vasto volumen disponible en 1 < z < 2, complementado con inspecciones BAO en otros desplazamientos al rojo.
Fotometría infrarroja para los desplazamiento al rojo fotométrico de lente débil y calibración de las muestras de espectroscopía infrarroja. Podría reducir las incertidumbres sistemáticas en las mediciones de lente débil.

Esta misión espacial mejoraría en gran medida la precisión de las restricciones de aceleración cósmica y reduciría considerablemente los errores sistemáticos asociados.

Para Saber Más:

BAO - A standard ruler method for determing the expansion rate of the Universe

Martin White

Weak Gravitational Lensing

Sofia Sivertsson

Supernova Cosmology Project

Website

Evolution of the Cluster Abundance in non-Gaussian models

James Robinson & Jonathan E. Baker

PSD Estimation using Sharp Edge Prediction

Joshi, Szeliski & Kriegman

Angular Motion Point Spread Function model considering aberrations and defocus effects

Iftach Klapp & Yitzhak Yitzhaky

09 Headnet - Donde la ciencia real termina, la pseudociencia comienza Parte II

noreply@blogger.com (Torjo Sagua) — Thu, 05 May 2011 02:44:00 +0000

Continuamos platicando sobre pseudociencias, concluyendo la primera parte (El Método Científico).

Pueden dejar sus comentarios en la página de Facebook, por Twitter o Correo Electrónico (Los enlaces se encuentran el parte superior del blog).

Lo pueden descargar desde aquí.

Métodos para la medición de distancias y crecimiento de estructuras.

noreply@blogger.com (Torjo Sagua) — Mon, 18 Apr 2011 22:30:00 +0000

Supernova

La supernova Type Ia ha interpretado hasta hoy el rol más crítico en demostrar la existencia de la aceleración cósmica y la medición de su evolución. De las técnicas utilizadas hasta el momento, esta es la mejor entendida desde un punto de vista práctico. La precisión estadística del método es alta, ya que cada supernova bien observada produce una estimación de distancia con una incertidumbre alrededor del 10%. Las incertidumbres sistemáticas claves son correcciones por la extinción de polvo, la precisión de las calibraciones fotométricas a través un amplio rango de desplazamiento al rojo, y la posible evolución cósmica de la población de supernovas.

BAO (Baryonic Acoustic Oscillations –Oscilaciones Barionicas Acústicas)

Las técnica BAO mide D(z) y H(z) utilizando una escala impresa por ondas de presión en la pre-recombinación del Universo como una regla estándar. Esta escala (≈ 150 Mpc) puede ser calculada con precisión utilizando parámetros que son determinados con las observaciones del CMB y puede ser medido en los cúmulos de galaxias, cuásares, el boque Lyman- α o la emisión de 21 cm. El límite estadístico definitivo para las mediciones de BAO está configurado en la varianza cósmica, por ejemplo, por el volumen finito del Universo observable. Para una inspección de un volumen similar en el rango del desplazamiento al rojo, una inspección estereoscópica (Con errores de desplazamiento al rojo más pequeños que la velocidad típica peculiar de la galaxia) proporciona una precisión varias veces superior que una inspección fotométrica y permite la determinación por separado de D(z) y H(z), mientras una inspección fotométrica reditúa solo el anterior. Las inspecciones fotométricas grandes podrían ‘cosechar’ mediciones del BAO como un producto, pero las inspecciones estereoscópicas necesitarán guarecerse bajo la energía de la técnica BAO. Existen ciertas incertidumbres sistemáticas posibles de las tendencias no lineales de las galaxias (U otras trazas utilizadas), pero al teoría actual sugiere que los errores sistemáticos en la técnica BAO serán más pequeños que los errores estadísticos, aún para los experimentos que se enfoquen en el límite de varianza cósmica.

Lente débil

Esta técnica depende de cuan amplios son los cúmulos de materia, por lo tanto G(z) y la relación de distancia-desplazamiento al rojo D(z). La información obtenida del lente débil puede ser analizada por múltiples métodos estadísticos, incluyendo el espectro de energía de cortes cósmicos en compartimientos de desplazamiento al rojo fotométrico (También conocidos como tomografía), mediciones de orden más altos tales como la función de correlación de tres puntos y la lente galaxia-galaxia. Estos múltiples análisis pueden usarse para incrementar la precisión estadística en su totalidad, para llevar a cabo chequeos de consistencia internos para errores sistemáticos, y para romper degeneraciones entre los parámetros cosmológicos. Las incertidumbres sistemáticas clave para esta técnica son: la precisión de las mediciones de corte en sí mismas, alineaciones intrínsecas de las galaxias (las cuales pueden imitar los cortes cósmicos), la influencia de los bariones en las predicciones teóricas de pequeña escala y errores en la distribución del desplazamiento al rojo fotométrico. Los errores estadísticos dependen principalmente del número total de galaxias con formas ya medidas.

Abundancia de cúmulos

Las mediciones de la abundancia de cúmulos galácticos como una función del desplazamiento al rojo son sensibles a G(z), el cual gobierna la evolución de la función de masa, y a D(z), el cual determina el elemento volumen. En principio, la inspección de cúmulos puede alcanzar alta sensibilidad estadística. El reto clave es el promedio de la relación entre los cúmulos observables y la masa del halo que debe conocerse con alta precisión, y la dispersión y evolución del desplazamiento al rojo de esas variaciones también debe conocerse, con una precisión moderada. Uno puede ajustar esas relaciones al conteo del cúmulo por sí mismo, pero reduce la precisión estadística de las mediciones de los parámetros cosmológicos. Los Rayos-X, Sunyaev-Zel’dovich (SZ) y la selección óptica de galaxias son los enfoques viables para ensamblar catálogos de cúmulos. En la actualidad, la técnica de lente débil es la única observable cuyos fundamentos físicos son entendibles lo suficiente para alcanzar el nivel sub-porcentual de calibración de masa requerido. Mientras las mediciones de lente débil sean ‘ruidosas’ para cualquier cúmulo individual, pueden medir con precisión el perfil de la masa promedio de los cúmulos contenidos en cantidades observables.

Complemento

Estos cuatro métodos son más poderosos en conjunto que aislados. Comparando los dos métodos de distancia pura, el Supernova puede alcanzar una precisión estadística más alta que el BAO a z<0.7, y el control de los errores sistemáticos en las mediciones de Supernova son más fáciles a bajo desplazamiento al rojo. Las inspecciones BAO son más efectivas a un alto desplazamiento al rojo porque hay más volumen disponible y porque H(z) es más sensible a la energía oscura que D(z). A pesar de que los efectos dinámicos de la energía oscura son más pequeños en el alto desplazamiento al rojo, la sensibilidad de una varianza cósmica, limita la inspección BAO a la energía oscura (Más precisamente, a la constante cosmológica) es más o menos plana en el rango de desplazamiento al rojo 0.5 < z < 2.5. Las mediciones BAO del alto desplazamiento al rojo también producen unas condiciones precisas de la curvatura, rompiendo degeneraciones entre las mediciones de bajo desplazamiento al rojo.

El lente débil y la inspección de cúmulos proporciona mediciones independientes de D(z) y las restricciones G(z) necesarias para evaluar los modelos de gravedad modificada. La inspección de galaxias de desplazamiento al rojo diseñadas para estudios del BAO pueden también medir el G(z) a través de las distorsiones del espacio-desplazamiento al rojo, la aparente anisotropía de la estructura inducida por las velocidades peculiares de la galaxia. El reciente trabajo teórico sugiere que la distorsión espacio-desplazamiento al rojo puede ser competitiva con las mediciones del lente débil de estructuras en crecimiento, pero las incertidumbres sistemáticas de este método aún no han sido exploradas.

Para conocer más:

Baryon Acoustic Oscillations in 2D: Modeling Redshift-space Power Spectrum from Perturbation Theory

Atsushi Taruya, Takahiro Nischimichi, Shun Saito.

BAO - A standard ruler method for determing the expansion rate of the Universe

Martin White

Weak Gravitational Lensing

Sofia Sivertsson

How Sensitive Are Weak Lensing Statistics to Dark Energy Content?

Dipak Munshi & Yun Wang

Constraining Modified Gravity and Growth with Weak Lensing

Shaun A. Thomas, Filipe B. Abdalla, Jochen Weller

Cosmological Constraints from the 100-deg2 weak-lensing survey

Jonathan Benjamin et al.

Weak Gravitational Lensing

Matthias Bartelmann & Peter Schneider

Supernova Cosmology Project

Website

Evolution of the Cluster Abundance in non-Gaussian models

James Robinson & Jonathan E. Baker

The Impact of Galaxy Cluster Mergers on Cosmological Parameter Estimation from Surveys of the Sunyaev-Zel’dovich Effect

Daniel R. Wik et al.

Cosmological Parameter Estimation With The Galaxy Cluster Abundance

Pedro TP Viana

II Carnaval de Biología - Metagenómica

noreply@blogger.com (Torjo Sagua) — Thu, 31 Mar 2011 16:36:00 +0000

Tal como la genómica, la metagenómica es ambos, un conjunto de técnicas de investigación, con muchos enfoques y métodos relacionados, y un campo de investigación. En griego, meta significa “trascendente”. En su enfoque y métodos, la metagenómica supera el doble problema del cultivo y la diversidad genómica de la mayoría de los microbios, los mayores obstáculos para el avance de la microbiología clínica y ambiental. Meta, en primer término significa que esta nueva ciencia busca entender la biología a un nivel agregado, más allá del organismos individual para centrarse en los genes comunitarios y cómo puede influir en las actividades del otro en servicio a las funciones colectivas; en segundo término, también reconoce la necesidad de desarrollar métodos de cálculo que maximicen el entendimiento de la composición genética y las actividades de las comunidades tan complejas que solo pueden ser muestreadas, nunca completamente caracterizadas.

La metagenómica aún es una ciencia muy nueva, pero ya ha producido una riqueza de conocimiento acerca del mundo microbiano debido a sus radicalmente nuevas formas de realizar la microbiología. Todos los estudios metagenómicos toman el mismo primer paso: La extracción del ADN directamente de los microbios viviendo en un ambiente particular. La muestra mixta de ADN se puede analizar directamente, o clonado en una forma sostenible en bacterias de laboratorio, creando una ‘biblioteca’ que contiene los genomas de todos los microbios encontrados en el ambiente. La ‘biblioteca’ puede ser estudiada de varias maneras, ya sea basada principalmente en el análisis de la secuencia de nucleótidos del ADN clonado o en la determinación de lo que los genes clonados pueden hacer cuando se expresan como proteínas. Es importante reconocer que esta ‘biblioteca’ no está organizada en volúmenes ordenados, cada uno conteniendo el genoma de un miembro de la comunidad. En su lugar, se trata de millones de clones, cada uno con un fragmento al azar del ADN. Una biblioteca metagenómica es como miles de rompecabezas mezclados en una sola caja y armarlos otra vez, es uno de los grandes retos de esta ciencia reciente. El enfoque de la metagenómica es ahora posible gracias a la disponibilidad de la secuencia a bajo costo, ADN de alto rendimiento y las capacidades de cómputo avanzadas necesarias para dar sentido a las millones de secuencias aleatorias que figuran en las ‘bibliotecas’.

Las secuencias basadas en la metagenómica capturan una cantidad masiva de información sobre la comunidad microbiana en estudio. Un estudio del metagenoma de los habitantes microbianos del Mar de los Sargazos, por ejemplo, genera secuencias de aproximadamente un millón de genes y reveló clases enteras de genes que son más diversos que nunca y podría haber sido previsto en la base de estudios de los organismos cultivados. En el otro extremo del espectro, los estudios de una simple comunidad de microbios, que vive en agua extremadamente ácida, del drenaje de las minas de metales, ha demostrado el potencial de la metagenómica para diseccionar las interacciones detalladas entre los miembros de la comunidad microbiana.

La metagenómica, sin embargo, es algo más que una secuenciación a gran escala. Las funciones basadas en la metagenómica, millones de fragmentos aleatorios de ADN en una ‘biblioteca’ son traducidos en proteínas por las bacterias que crecen en el laboratorio. Los clones productores de proteínas ‘foráneas’ son entonces clasificados por varias capacidades, tales como la producción de vitaminas o resistencia a los antibióticos. Esto permite a los investigadores acceder a la tremenda diversidad genética en una comunidad microbiana sin saber nada acerca de la secuencia del gen subyacente, la estructura de la proteína deseada o el microbio de origen. Se han descubierto nuevos antibióticos y mecanismos de resistencia en funciones basadas en la metagenómica.

Para Saber Más:

Metagenomics for Studying Unculturable Microorganisms: Cutting the Guardian Knot
Patrick D. Schloss & Jo Handelsman

Metagenomics and Industrial Applications
Patrick Lorenz and Jürgen Eck

Oceanic Metagenomics in Plosbiology
A collection of articles from the J. Craig Venter Institute's Global Ocean Sampling Expedition

Metagenomics 2008

High Troughput Metagenomics Analysis
Gabriel Valiente

2.2 Carnaval de Matemáticas - Teoría del Caos

noreply@blogger.com (Torjo Sagua) — Mon, 14 Mar 2011 19:38:00 +0000

¿Qué es lo que denominan caos? ¿A qué se refieren y por qué hay quienes piensan que es importante? Comencemos con estas preguntas y otras similares.

El concepto de caos es uno de los más excitantes y rápidamente extendidos en los tópicos de investigación de las décadas recientes. Ordinariamente, el caos es desorden o confusión. En el sentido científico, el caos involucra algo de desorden, pero es mucho más que eso.

El caos que se estudia es una clase particular de cómo cambia algo con el tiempo. De hecho, cambio y tiempo son los aspectos fundamentales que juntos conforman la fundación del caos. El clima, la bolsa de valores, los precios de los alimentos y el tamaño de las poblaciones de insectos, por ejemplo, cambian con el tiempo (En la jerga del caos, se les conoce como sistemas; un sistema es un ensamblaje de partes interactuando, como el sistema del clima; alternativamente, es un grupo o secuencia de elementos, especialmente en la forma de un cronológicamente ordenado conjunto de datos; comenzaremos a expresarnos en términos de sistemas a partir de este momento). Las cuestiones básicas que nos llevan al descubrimiento del caos están basadas en el cambio y en el tiempo. Por ejemplo ¿Cuál es el comportamiento cualitativo a largo plazo de un sistema cambiante? O, dado nada más un registro de cómo algo ha cambiado con el tiempo ¿Cuánto podemos aprender sobre el sistema subyacente? Por lo tanto, “el comportamiento con el tiempo” será nuestro tema.

¿Por qué es importante? Brevemente, si tu trabajas con mediciones numéricas (Datos), el caos puede ser importante porque su presencia significa que las predicciones a largo plazo no tienen sentido y son estériles. El caos también ayuda a explicar el comportamiento irregular de algo que a través del tiempo. Finalmente, cualquiera que se tu campo, vale la pena estar familiarizado con las nuevas orientaciones y nuevos temas interdisciplinarios (Como el caos) que juegan un papel prominente en diversas áreas.

La forma más fácil para ver como algo cambia con el tiempo es realizar un gráfico. El peso de un bebe, por ejemplo, podría cambiar como lo muestra la figura 1 (a). La figura 1 (b) es un gráfico hipotético mostrando como fluctúa el precio del trigo a través del tiempo.

Figura 01

Aún cuando la gente no realice ninguna medición numérica, pueden simular una serie de tiempo utilizando alguna regla específica, usualmente una ecuación matemática. La ecuación describe como una cantidad cambia de un estado de inicio conocido. La figura 1 (b) es un ejemplo generado siguiendo la siguiente ecuación:

Ecuación 01

Donde xt (Se expresa “x de t”) es el valor de x a un tiempo t, y xt+1 (x de t más uno) es el valor de x a un intervalo de tiempo (Día, año, siglo, etc.) posterior. Esto muestra uno de los requisitos para el caos: el valor a cualquier tiempo depende en parte de un valor previo. Para generar una serie de tiempo caótico con la ecuación 01, primero asignamos (Arbitrariamente) el valor “1” para xt y utilizamos la ecuación para calcular xt+1.

Solo por observar la serie de tiempo de la figura 1 (b), nadie puede decir si es o no caótica. En otras palabras, el observar comportamiento errático temporal es solo un indicador superficial de posible caos. Solo un análisis detallado de los datos puede revelar si la serie es caótica.

La serie de tiempo simulada en la figura 1(b) tiene varias características clave:

Muestra complejidad, movimiento no sistemático (incluyendo cambios rápidos y súbitos), más que una simple curva, tendencia, ciclo o equilibrio (Una posible analogía es que muchos sistemas evolutivos en nuestro mundo muestran inestabilidad, convulsiones, sorpresas, innovación perpetua y eventos radicales).

El patrón indiscriminado no viene de un proceso accidental, como unas esferas fuera de un tazón. Al contrario, viene de una ecuación específica. Por lo tanto, una secuencia caótica luce accidental pero realmente es determinista, significa que sigue una regla. Esto es, alguna ley, ecuación o procedimiento determina o especifica el resultado. Además, para valores dados de las constantes y aportes, los resultados futuros son predecibles.

La ecuación que generó el comportamiento caótico es simple. Por consiguiente, el comportamiento complejo no necesariamente tiene un origen complejo.

El comportamiento caótico viene con una sola variable (x). Esto es, el caos no tiene que venir de la interacción de muchas variables, con una sola se puede.

El patrón es enteramente auto-generado. En otras palabras, está separado de cualquier otra influencia o se desarrolló sin ninguna influencia externa.

La evolución irregular viene sin la influencia directa de muestreos o medición del error en los cálculos (No hay términos de error en la ecuación).

La revelación del comportamiento desorganizado y complejo puede venir de una elemental, determinista ecuación o causa subyacente simple que sea una sorpresa para muchos científicos. Curiosamente, varios campos de estudio, han aceptado una idea afín: Las colecciones de pequeñas entidades (Partículas o lo que sea) se comportan sin orden ni concierto a pesar de que las leyes físicas gobiernan a las partículas individuales.

La ecuación 01 muestra el porque muchos científicos se sienten atraídos al caos: El comportamiento que luce complejo y aún imposible de descifrar y entender, puede ser relativamente sencillo y comprensible. Otra de las atracciones es que muchos de los conceptos básicos del caos no requieren de matemáticas avanzadas, como cálculo, ecuaciones diferenciales, variable compleja, etc. Por el contrario, mucho de esta teoría se puede comprender con álgebra básica, geometría plana y quizás algo de estadística rudimentaria. Finalmente, otro punto es que, para analizar el caos, no tenemos que conocer las ecuaciones que gobiernan el sistema.

El caos es un campo joven y en rápido desarrollo. De hecho, mucha de su información fue descubierta a principios de la década de 1970. Como resultado, muchos aspectos del caos están lejos de ser entendidos o resueltos. La materia más importante sin resolver es probablemente esta: En el presente, el caos es extremadamente difícil de identificar en la información del mundo real. Ciertamente aparece en ejercicios matemáticos y en algunos experimentos de laboratorio. Sin embargo, hay en la actualidad un gran debate acerca de si alguien ha identificado claramente el caos en datos de campo. En cualquier caso, no podemos simplemente tomar un poco de datos, aplicar una prueba simple o dos y declarar “Caos” o “No Caos”.

La descripción y la teoría del caos, están muy adelantados con respecto a la identificación del caos en la información del mundo real. Sin embargo, con la popularidad actual del caos como un tópico de investigación, nuevos y mejores métodos están emergiendo con regularidad.

Carnaval de Matemáticas:

Web del Carnaval

Sitio anfitrión de la Edición 2.2.

08 Headnet - Donde la ciencia real termina, la pseudociencia comienza

noreply@blogger.com (Torjo Sagua) — Tue, 08 Mar 2011 03:15:00 +0000

El día de hoy platicamos sobre pseudociencias, teniendo como compañía musical el disco Chants Magnétiques, de Jean Michel Jarré. Este será el primero de la serie dedicada a las pseudociencias, espero sea de su agrado.

Pueden dejar sus comentarios en la página de Facebook, en Twitter. por correo electrónico (Los enlaces está en la parte superior del blog) o aquí, en la parte inferior de la entrada.

Lo pueden descargar desde aquí.

Larga vida y prosperidad.

XVII Carnaval de Física - Plasma

noreply@blogger.com (Torjo Sagua) — Mon, 07 Mar 2011 19:47:00 +0000

Definición de Plasma

Es la forma más común de materia visible en el cosmos, consiste de remanentes de átomos cargados electrónicamente en forma de electrones e iones, moviéndose de forma independiente uno de otro; como resultado de su movimiento, estas partículas cargadas generan campos magnéticos y eléctricos que, a su vez, afectan el comportamiento del plasma.

El plasma parece bastante simple. Según la definición, son una colección de electrones libres e iones gobernados en gran medida por las leyes físicas conocidas por los físicos desde el siglo XIX. Aún el sofisticado y frecuentemente misterioso comportamiento del plasma es cualquier cosa menos simple. Esto es sorprendentemente evidente en, por ejemplo, las imágenes de las flamas solares (Súbitas erupciones de plasma de la superficie del Sol). El plasma es encontrado en la Tierra y en el Espacio; de hecho solo la materia oscura es más abundante. Las vastas regiones entre galaxias están llenas de plasma caliente magnetizado. Las estrellas son plasma denso calentado por reacciones de fusión. Los procesadores de las computadoras son fabricados utilizando plasma reaccionando en frío de forma química. Poderosos láseres hacen plasma relativista en los laboratorios. Y la variada y enorme lista crece. Ninguno de esos plasmas están en reposo; se mueven y agitan con inestabilidad y turbulencia, y en ocasiones estallan con espectacular fuerza.

Plasma explotando en el Sol.

Crédito: TRACE (Transition Region And Coronal Explorer)

Uno de los grandes logros de la ciencia del plasma fue mostrar que la desconcertante variedad y complejidad de plasmas es comprensible en términos de algunas ideas elementales que atan al campo. Esto no significa que todas las dudas han sido respondidas. Más bien, que la ciencia está evolucionando rápidamente y que hay principios fundamentales que organizan nuestro conocimiento. Mucha de la ciencia del plasma busca explicar el alto comportamiento no linear y otros el caos resultante. La ciencia de plasma tiene, por lo tanto, mucho en común con muchas áreas de investigación moderna de sistemas complejos, desde los modelos del clima hasta los estudios de materia condensada. De hecho, los científicos del plasma han jugado un rol de pivote en el desarrollo de la dinámica no linear y la teoría del caos, la cual tiene una multitud de aplicaciones a sistemas complejos.

La ciencia del plasma ha realizado enormes avances en la última década. El rápido progreso en la habilidad para predecir el comportamiento del plasma ha sido impulsado por los nuevos diagnósticos que observan y miden con un nivel de detalle sin precedentes y por los cálculos que resuelven la mayoría de la física esencial. En muchas áreas, desde la ciencia de fusión del plasma hasta la manufactura de procesadores de computadoras, los modelos predictivos basados en la ciencia están reemplazando las reglas empíricas. Lo que es notable es que la ciencia de plasma se está moviendo más allá del entendimiento del complicado pero aislado fenómeno y está entrando en una era en la cual el comportamiento del plasma será entendido y descrito como un todo. El crecimiento en el entendimiento fundamental ha llevado a nuevas aplicaciones y mejora de productos tales como los monitores de televisión que se encuentran en una gran cantidad de hogares.

I Carnaval de Geología - ¿Cómo trabaja el interior de la Tierra y cómo afecta a su superficie?

noreply@blogger.com (Torjo Sagua) — Wed, 02 Mar 2011 22:12:00 +0000

Vista de corte del interior de la Tierra mostrando las principales capas y sus características.

Crédito: Lamb and Sington. Princeton University Press

Sabemos que la Tierra y la Luna, así como el resto de los planetas y satélites de nuestro Sistema Solar iniciaron con altas temperaturas internas hace 4.5 mil millones de años. Una vez que la acreción planetaria disminuyó, los planetas se enfriaron, primero a través de un periodo de procesos geológicos activos y posteriormente, en uno de quietud geológica. Cuando el planeta está geológicamente activo, la evidencia de dicha actividad es reflejada en la naturaleza de su superficie y atmósfera y quizás la existencia de un campo magnético. Después de que el interior se enfría y su viscosidad se incrementa lo suficiente, la actividad geológica se detiene, y la superficie del planeta detiene su regeneración. Posteriormente, solo se tienen procesos externos, tales como bombardeos con asteroides, para realizar modificaciones en la superficie.

Algunos cuerpos planetarios, como la Luna, se enfrían rápidamente, volviéndose geológicamente inactivos por miles de millones de años. A pesar del rápido enfriamiento después de la formación de la Luna, la Tierra produce y retiene el calor suficiente para mantener su actividad geológica hasta el presente, y es probable que por varios miles de millones de años más. Sin embargo, tanto el enfriamiento de la Tierra como los consiguientes cambios en su dinámica interna y el medio ambiente de su superficie, son aún poco conocidos. A pesar de que sabemos que el calor es transportado convección del manto, aún no tenemos la capacidad para describir con precisión esos patrones de convección, calcular con confianza cuán diferente era en el pasado o predecir como será en el futuro. Resolver las preguntas críticas acerca de la evolución planetaria requerirá un conocimiento más avanzado de los materiales planetarios y como éstos afectan la convección, mejores restricciones de la sismología en la configuración actual del flujo del manto en grandes y pequeñas escalas, y avances significativos en el modelaje matemático de la convección, conducida por las variaciones químicas y de temperatura.

Convección y flujo de calor

Casi 43 TW (10E12 J/s) de calor fluyen del interior hacia la superficie de la Tierra en la actualidad, basado en las mediciones globales de flujo de calor y los modelos térmicos para el enfriamiento de la litósfera oceánica. Las fuentes de los flujos de calor de la superficie incluyen el lento enfriamiento del manto y el núcleo a través de la historia del planeta, el calentamiento producido por el decaimiento radioactivo del uranio, torio y potasio, así como de fuentes menores como el calentamiento por la marea. La contribución exacta de cada flujo de calor del planeta es incierta. Por ejemplo, no sabemos cuanto uranio, torio o potasio contenía la Tierra cuando estos elementos fueron “distribuidos”. Estos elementos son más eficaces para mantener caliente el planeta si se encuentran dentro del manto o en cierta medida dentro del núcleo, en lugar de estar cerca de la superficie. Como resultado de estas incertidumbres, no podemos resolver una simple pregunta: ¿Cuán rápido se está enfriando la Tierra?

El mecanismo primario para transportar calor en el interior del planeta es la convección. Una vez se creyó que la convección en el manto no era posible porque el manto era sólido. Pero tal como los glaciares, el manto puede comportarse a la vez como un sólido quebradizo y un líquido, se fractura cuando se deforma rápidamente, pero fluye en escalas de tiempo largo. Ahora sabemos que ambos, el manto y el núcleo exterior circulan en un patrón complejo de flujos largos (Y pequeños). En el fundido núcleo exterior, el cual tiene una viscosidad muy baja (Algunas estimaciones sugieren un valor similar al del mercurio líquido), la convección es rápida. El metal líquido caliente circula hacia la parte externa del núcleo donde pierde calor en la parte del manto y entonces se hunde otra vez en un patrón turbulento que es afectado por la rotación y el campo magnético que el flujo genera. En contraste, los movimientos del manto son pesados. Las velocidades típicas son de 5cm/año (Basado en mediciones geodésicas, magnéticas, sísmicas y geológicas) y en este rango el viaje nominal de ‘ida y vuelta’ del manto (Poco más de 5000 Km) podría tomar alrededor de 300 millones de años. Este viaje es consistente con los modelos térmicos simples de convección que tratan al manto como si fuera un líquido con una viscosidad (Estimada de datos postglaciales) de 10E21 Pa-s. La configuración de la convección en el manto terrestre proporciona el control primario en como la Tierra se enfría, principalmente porque el manto constituye aproximadamente 2/3 partes de la masa terrestre, y 85% de su volumen.

Los movimientos del manto transportan material caliente desde el interior del planeta a su superficie, donde pierde su calor hacia la atmósfera y al espacio, y también transporta rocas frías de la superficie hacia las grandes profundidades. Asuntos sin resolver concernientes a la convección del manto surgen de las incertidumbres acerca de las propiedades de los materiales a altas presiones y temperaturas. Experimentos y evidencia de campo muestran que el manto de roca se vuelve lo suficientemente suave para fluir en periodos de tiempo geológico a profundidades de 30 a 60 Km, donde la temperatura supera los 700°C y la presión alcanza varios miles de atmósferas. A una temperatura más alta (Superior a los 1200°C) la viscosidad del manto de roca es lo suficientemente baja para que se comporte como un líquido espeso; casi todo el manto excede los 1200°C. La viscosidad del manto ejerce el control primario en la forma de convección y en la eficiencia en la cual es calor se mueve hacia la superficie de la Tierra. Sin embargo, hay otros factores que también son importantes. Por ejemplo, la disipación viscosa asociada con la deformación de las placas del a litósfera rígidas a zonas de subducción afecta fuertemente la forma de la convección y la relación entre el vigor convectivo y el flujo de calor a la superficie. Las mayores incertidumbres son por el manto bajo. Información sismológica sugiere que el patrón de flujo allí es complejo. Otras observaciones sugieren que la viscosidad se incrementa en el manto bajo y los modelos numéricos indican que la velocidad del flujo en el manto bajo podría ser mucho menor que la velocidad de las placas de tal manera que una vuelta completa podría tardar mil millones de años o más.

Referencias:

Compositional stratification in the deep mantle

Louis H. Kellog et al.

Understanding seismic heterogeneities in the lower mantle beneath the Americas from seismic tomography and plate tectonic history

Young Ren et al.

Earth Story: The Forces That Have shaped our planet

Simon Lamb & David Singleton

III Carnaval de Química - Reduciendo la Exposición de los Alimentos al Plomo

noreply@blogger.com (Torjo Sagua) — Tue, 01 Mar 2011 22:16:00 +0000

Antecedentes

Mucha gente podría sorprenderse al enterarse que en la era posterior a la Segunda Guerra Mundial, casi todas las manzanas que se vendían en EEUU estaban tratadas con plomo (Arseniato de plomo, de hecho). Esto se realizaba para proteger la fruta del gusano de la manzana, cuyas larvas podrían realizar agujeros dentro de las manzanas. Si no se controla, la larva podría dañar grandes porciones de la cosecha de manzanas. Las manzanas tratadas fueron sujetas a un proceso de lavado ácido para remover los residuos de plomo que pudieran ser aptas para consumo. La FDA (Food and Drug Administration, Administración de Alimentos y Medicinas, agencia estadounidense) monitoreó los niveles de plomo en las manzanas y sus subproductos de forma cercana, durante esta época para asegurar que el arseniato fuera removido de forma adecuada, Eventualmente, se desarrollaron otros plaguicidas para controlar este gusano.

Dos fuentes significativas indirectas de plomo en la dieta del ser humano del siglo XX fueron la gasolina con plomo y las latas soldadas con plomo. Los vehículos que utilizaban esta gasolina, producían (Obviamente) emisiones conteniendo plomo, las cuales se acumulaban en el ambiente y le agregaban cantidades importantes de plomo a los cultivos y a los campos donde los animales pastaban. En 1973, en respuesta a los estándares de reducción de plomo, la EPA (Environmental Protection Agency, Agencia de Protección Ambiental, agencia estadounidense), comenzó a eliminar progresivamente la gasolina con plomo. Esto resultó en una caída significante en el plomo ambiental.

Otro paso importante comenzó a finales de la década de 1970, con la conversión gradual de la industria alimenticia de latas con soldadura de plomo, a latas con soldadura sin plomo. Esta conversión se completó en 1991, y en 1996, la FDA prohibió la venta de alimentos envasados en latas con plomo.

Estructura cristalina del plomo

Exposiciones aisladas

Mientras los esfuerzos para reducir la exposición al plomo en el régimen alimenticio han sido exitosos, algunos consumidores o grupos de consumidores pueden encontrar de forma ocasional alimentos conteniendo niveles significativamente elevados de plomo. La mayoría de tales incidentes son aislados e involucran productos que los inmigrantes transportan como parte de su equipaje o son productos importados en cantidades pequeñas.

En 1994, la FDA comenzó a encontrar dulces mexicanos empacados en materiales conteniendo tintas de impresión a base de plomo. La mayoría de esos materiales fueron diseñados de forma tal que la tinta estuviera en la superficie externa o entre las capas de laminación y en consecuencia, no presentara migración hacia el dulce. Desafortunadamente, unos materiales estaban diseñados de forma paupérrima o presentaban defectos en sus materiales, lo cual permitió que cantidades significativas de plomo migraran hacia el dulce.

Al mismo tiempo que la FDA realizaba el escrutinio en los materiales de empaque, comenzó a analizar una gran cantidad de dulces mexicanos que incluían en sus ingredientes tamarindo y chile, e incluso algunos sazonadores que incluían sal. El resultado de este análisis reveló que estos productos contenían una concentración mayor de plomo, comparada con el dulce tradicional, a base de azúcar, sin importar si el material de empaque contenía o no tintas a base de plomo.

Aunque la fuente precisa del plomo no fue establecida, los oficiales de la FDA conjeturaron que el elevado nivel de plomo podría deberse a que los ingredientes contenidos, fueron mínimamente procesados. Mientras que los procesos de manufactura para un ingrediente altamente refinado como el azúcar, esencialmente purifican el producto, ingredientes que son sometidos a un proceso mínimo tienen mayor probabilidad de retener algunos niveles de contaminantes, tales como impurezas del suelo o plomo en polvo, de su ambiente de crecimiento.

En 1995, la FDA publicó un documento guía en forma de carta a los manufactureros, importadores y distribuidores de dulce importado y material de envoltura. Este texto trataba de los hallazgos relacionados en las tintas de impresión y el problema del plomo en los dulces, asimismo, urgía a los miembros de la industria a abstenerse de utilizar estas tintas en sus materias de empaque e informarles que la FDA considera que los materiales de empaque que permitan la migración de plomo a un alimento, estarán violando el Acta Federal de Alimentos, Medicinas y Cosméticos (Federal Food, Drug and Cosmetic Act) y serán sujetos a que la FDA aplique una acción en su contra. En respuesta a esta carta, muchos manufactureros cambiaron sus diseños para ya no utilizar tintas con plomo.

La tolerancia establecida es de 0,5 ppm (Partes por millón) en materiales de empaque y en azúcar (Ingrediente principal en dulces). Era del conocimiento de la FDA que algunos dulces contenían cantidades importantes de ingredientes menos refinados, como chile en polvo, el cual puede contener niveles más altos de plomo que los ingredientes refinados, y les recordó a los manufactureros de esos productos que necesitaban establecer controles para asegurar que el uso de esos ingredientes no resultara en niveles inaceptables de plomo en el dulce.

En los siguientes años, la FDA alcanzó un mayor entendimiento de las medidas que podrían tomarse para reducir los niveles de plomo en los dulces con chile y/o tamarindo, y determinó pasos adicionales para reducir el peligro de consumo de plomo por los niños. Con esto, la tolerancia se redujo a 0,1 ppm, en marzo de 2004, con otra publicación de esta agencia, reiterando que la reducción continua de los niveles de plomo en los alimentos era en interés de la salud pública.

Referencias

Guidance for Industry – Letter to Manufacturers, Importers and Distributors of Imported Candy and Candy Wrappers

FDA Website

Guidance for Industry – Lead in Candy Likely To Be Consumed Frequently by Small Children: Recommended Maximum Level and Enforcement Policy
FDA Website

Supporting Document for Recommended Maximum Level for Lead in Candy Likely To Be Consumed Frequently by Small Children
FDA Website

II Carnaval de Química – Breve explicación de La Tabla Periódica

noreply@blogger.com (Torjo Sagua) — Thu, 17 Feb 2011 18:50:00 +0000

Este es un rico y maravilloso tema, cuya superficie solo podemos rasgar. Para explicar la tabla periódica primero debemos tener un modelo correcto del átomo. El camino a este modelo comenzó en una serie de experimentos llevados a cabo en Manchester University por el físico neocelandés Ernest Rutherford y sus dos ayudantes Hans Geiger y Ernest Marsden. El objetivo de su trabajo, el cual comenzó en 1909 y culminó con la magistral publicación de Rutherford en 1911, era la dispersión de las llamadas partículas Alfa de láminas delgadas como el oro. La expectativa general era que esas partículas, las cuales eran emitidas de una fuente radioactiva, pasaran a través de las láminas con una pequeña desviación. Sin embargo, por una corazonada, Rutherford les solicitó a sus ayudantes buscar dispersiones en grandes ángulos. Para su sorpresa, encontraron más de lo que Rutherford esperaba. Rutherford explicó esos eventos con la noción de que las partículas alfa habían golpeado algo duro en los átomos de oro. Para explicarlo, imaginen una bala disparada en un fardo de algodón en la que se ha ocultado un minúsculo objeto duro, en este caso, el núcleo atómico en el interior del átomo. La cuestión es ¿De qué está compuesto el núcleo?

Es conocido de sobra que el núcleo más ligero es el de hidrógeno, el cual tiene una carga positiva que balancea la carga negativa del electrón circulando de alguna manera alrededor de él. Hubo sugerencias previas al descubrimiento de Rutherford de que el núcleo del hidrógeno podría ser el bloque fundamental que constituye la materia. Rutherford estuvo de acuerdo, y en su publicación de 1920 (Protón), tenía claro que además de las masas atómicas, debía haber algo más en el núcleo. Por ejemplo, el siguiente elemento (En peso), el helio, tiene una carga positiva de dos (en su núcleo), pero una masa atómica de cuatro. Cualquiera que sea la constitución de esta masa, tiene que ser eléctricamente neutra, a fin de no perturbar la neutralidad eléctrica del átomo. Rutherford hizo la suposición de que esta masa era un compuesto de un protón y un electrón unidos. Cuando en 1932, el físico británico James Chadwick observó los efectos de esta partícula neutra directamente, al bombardear berilio con partículas alfa, esto es lo que pensó que el había descubierto. Había unos pocos, digamos, disidentes, en partícula el físico austriaco Wolfgang Pauli (Cuyo trabajo veremos más adelante) quien decía que la partícula neutra (El neutrón) no podía ser una combinación, pero debe ser una partícula elemental en su propio derecho. Esto significaba que no había electrones en el núcleo pero ¿Qué pasa entonces con los que están afuera?

Los electrones exteriores plantean dos problemas relacionados. El primero de ellos es la estabilidad del átomo. Los electrones (Carga negativa) son atraídos por los protones (Carga positiva). ¿Por qué no simplemente colisionan en el núcleo? El segundo problema tiene que ver con el espectro atómico. Cuando se excitan, los átomos producen patrones de radiación (Algunos de los cuales son visibles). Esos patrones pueden ser utilizados para identificar el tipo particular de átomo, y de esta manera es como se han descubierto muchos elementos. Pero si los electrones producen esta radiación ¿Cómo es que producen patrones ordenados? Una analogía podría ser el que empujáramos un piano de cola por una ventana y esperáramos que interpretara la Sonata a la Luz de la Luna de Beethoven cuando impactara contra el suelo. El comienzo a la solución de ambos problemas fue propuesto por vez primera por Niels Bohr. Bohr había llegado a Manchester desde Dinamarca en 1911 después de haber pasado un año en Cambridge, para estudiar con Rutherford. El tenía 27 años y era tímido y reservado en extremo. Por fortuna, a pesar de esta timidez, Rutherford pronto reconoció el extraordinario potencial de Bohr como científico. Eran un buen equipo. A su regreso a Dinamarca en 1913, Bohr ‘creó’ su átomo (Y el nuestro). También allí se enteró del trabajo sobre el espectro de hidrógeno del profesor suizo Dr. Johann Jakob Balmer (Su doctorado era en matemáticas), en ese momento, Balmer solo conocía cuatro líneas espectrales. Se dio cuenta de que las frecuencias (Los colores) de estas líneas obedecen a una ley matemática simple, se tiene la relación proporcional a la diferencia 1/n2 – 1/m2, donde n y m son números enteros. En particular, si Balmer le asignó a n el valor de 2 y a m, 3, 4, 5 y 6, se ajustó el patrón de las líneas observadas, y este patrón persiste cuando se encuentran más líneas. Esta era la pista que Bohr necesitaba. Su idea fue la siguiente.

Los electrones que circulaban alrededor del protón en el núcleo de hidrógeno podrían no tener energías arbitrarias, solo ciertas energías permitidas. La cantidad de radiación emitida de la que se componía el espectro observado tenía una frecuencia que era proporcional a la diferencia de un par de estas energías. La visión era que el electrón pasó de una órbita con una energía superior a una con una energía más baja y emitió una cantidad de radiación. Por otra parte, el estado de menor energía, llamado por lo general “Estado Fundamental”, se mantuvo estable frente a cualquiera de las emisiones posteriores. No había lugar para un electrón en él para perder más energía. El problema entonces es ¿Cómo determinar estas energías permitidas?

Bohr se percató de que la clave de la solución de este problema fue la ‘cuantización’ del momento angular. Un objeto con un movimiento curvo, como la Luna que forma un círculo alrededor de la Tierra, tiene un impulso que refleja este movimiento. Para la Luna (Por ejemplo), este impulso es proporcional a su velocidad en su órbita, multiplicado por la distancia que la separa de la Tierra. En la Física clásica no hay restricciones en la magnitud que este momento angular pueda tener. Asimismo, un electrón clásico en movimiento circular alrededor de un protón puede tener un movimiento angular. Bohr hizo la hipótesis de que, de hecho, este momento angular es proporcional a un número entero que varía de cero a infinito. El estado de cero momentos angulares es el estado fundamental. Combinó esta suposición con el supuesto adicional de que, aparte de esta condición, se rige el movimiento de los electrones por las leyes clásicas del movimiento de Newton. Es evidente que se trataba de una precaria mezcla de suposiciones, pero con ello, Bohr demostró el electrón puede moverse solo en órbitas restringidas caracterizadas por radios que sean proporcionales al cuadrado del mismo entero que ‘cuantizó’ el momento angular, las denominadas órbitas de Bohr. Una vez supo que los radios dependían de este número entero, le fue fácil deducir cómo la energía de estas órbitas dependía del mismo número. En efecto, dependía en 1/n2, así como la fórmula de Balmer lo exigía. De hecho, el factor de proporcionalidad que Bohr derivó para la frecuencia de las líneas se encontraba en excelente concordancia con la misma constante que Balmer había obtenido de forma experimental. Es evidente que una punta del velo se había levantado. En la siguiente década, esta mezcla de hipótesis clásica y cuántica fue desarrollada en varias direcciones, algunas exitosas y otras no. La iniciativa entera cayó bajo el epígrafe de “Antigua Teoría Cuántica”. Una de sus actividades era tratar de entender la tabla periódica.

Figura 1 - Tabla Periódica Moderna

La Figura 1 es una versión moderna de la Tabla Periódica. Es evidente que es muy diferente a la de Mendeleiev. Esta organizada en términos de los números atómicos (El número de electrones orbitando alrededor del núcleo) y las familias están en columnas en lugar de filas. Se han llenado los elementos que le faltaban a Mendeleiev. Pero esta tabla también está muy lejos de lo que estos principios cuánticos están tratando de entender. La Figura 2 muestra esa tabla periódica. Obsérvese que no hay ninguna fila correspondiente a actínidos.

Figura 2 - Tabla Periódica antes de la Segunda Guerra Mundial

En la tabla periódica moderna, la fila de los actínidos está compuesta de elementos como el neptunio, el plutonio o el berkelio. Sin embargo, hay aspectos comunes básicos. Veamos la familia cuyo elemento más ligero es el helio. Esta familia no se encuentra en la clasificación de Mendeleiev pero ya era conocida por los cuánticos teóricos. Es más, tenía una propiedad sugestiva y enigmática. El Helio tiene dos electrones externos, es un ‘gas noble’ dado que no reacciona con prácticamente nada, el siguiente elemento (En esta familia) es el Neón, al que ‘se le han añadido’ ocho electrones, para tener un total de diez, y posteriormente, se tiene el Argón, que de forma similar, tiene ocho electrones más, totalizando 18. Estos gases comparten la misma química general. Pero ¿Por qué 8 electrones más? ¿Por qué no 7 o 9? El físico alemán Arnold Sommerfeld, uno de los maestros de la antigua teoría cuántica, sugirió que podría estar relacionado con los vértices de un cubo. Esta sugerencia recuerda la tentativa de Kepler para explicar las órbitas planetarias mediante su ajuste en los cinco sólidos perfectos euclidianos (Figura 3).

Figura 3 - Los Sólidos Perfectos Euclidianos.

En 1925, surgió un esbozo a la solución de este rompecabezas. Comenzó en 1924, cuando Wolfgang Pauli (Que entonces era un estudiante de Sommerfeld) propuso que el electrón, además de sus propiedades ya conocidas, como la energía y el momento angular, tenía otra característica de la mecánica cuántica en la que podría asumir uno de dos valores (arriba o abajo). Pauli no tenía un modelo físico de esta propiedad, el estaba tratando de explicar, de alguna manera, los ‘números mágicos’ de la tabla periódica. Al año siguiente, dos físicos holandeses de la universidad en Leiden, Samuel Goudsmit y George Uhlenbeck, propusieron un modelo. Goudsmit entendió los detalles de los espectros y Uhlenbeck reconoció que podría explicarse si al electrón se le asigna un nuevo impulso angular además del momento angular debido a su movimiento orbital. El modelo propuesto fue que el electrón era como una pequeña bola giratoria con carga eléctrica que, aún cuando estuviese en reposo, no dejase de girar. Pero este ‘giro’ (Espín) difería de, por ejemplo, una tapa común. Esta tapa puede girar con su eje de rotación apuntando en cualquier dirección, pero, el electrón podría girar con el eje apuntando en una sola de dos direcciones, hacia arriba o hacia abajo.

Realizaron un pequeño artículo al respecto, y posteriormente, tuvieron una segunda idea. Fueron con su profesor, Paul Ehrenfest, solicitándole no la publicara, solo para percatarse de que éste ya lo había enviado a la editorial. En poco tiempo, las reacciones no se hicieron esperar (La mayoría, negativas). Pauli, de forma sorprendente, estaba en contra de la idea. Incluso, en ese momento, Bohr se dirigía desde Copenhague a Leiden, para reunirse con Einstein y Ehrenfest. El tren realizó una escala en Hamburgo y Pauli lo abordó mientras estaba en la estación para advertir a Bohr acerca del espín. Para cuando el tren arribó a Leiden, Bohr estaba bastante preocupado. Fue recibido en la estación por Einstein y Ehrenfest y el primero le dijo que no se preocupara sobre ese aspecto, que se solucionaría. Una de las objeciones había sido presentada por el físico holandés H. A. Lorentz. El argumentaba que, si él le daba a la bola un radio creíble de tal manera que su superficie podría girar más rápido que la velocidad de la luz, algo que estaba prohibido por la teoría de la relatividad. Einstein debe haber entendido que tales consideraciones clásicas no son aplicables a lo que era claramente una propiedad de la teoría cuántica. Irónicamente, poco después, Pauli enunció la fórmula matemática del espín que utilizamos en la actualidad.

Ese mismo año (1925), Pauli propuso un principio, sin ninguna justificación salvo que parecía funcionar, lo que ‘resquebrajó’ el problema de la tabla periódica, el cual ahora denominamos “Principio de Exclusión de Pauli”. Estableció que dos electrones (Primero lo aplicó a electrones y posteriormente a otras partículas como los neutrones y protones, que poseen el mismo espín que el electrón) nunca podrían estar en estados cuánticos idénticos. Por ejemplo, si dos electrones tienen la misma energía y momento angular orbital cero, entonces su espín debe apuntar en direcciones opuestas. Si se agrega un tercer electrón, debe tener un momento orbital angular o energía diferentes, debido a que su espín necesariamente apunta en la dirección de uno de los dos electrones originales, lo cual no está permitido, a menos de que difiera en alguno de los demás aspectos.

Así, podemos percatarnos el cómo es que se ‘construyó’ la tabla periódica. El elemento más ligero es el hidrógeno, y su electrón puede tener su espín hacia arriba o hacia abajo. El siguiente es el Helio, su estado fundamental no tiene momento angular, sus dos electrones deben tener sus espines apuntando en direcciones opuestas para ‘obedecer’ a Pauli. Estos dos electrones forman lo que se conoce como estructura cerrada. Dado que son pares, no se encuentran disponibles para participar en las reacciones químicas, lo cuál explica el hecho de que el Helio es ‘renuente’ a formar combinaciones químicas con cualquier elemento.

El siguiente electrón irá en una nueva estructura. El menor estado energético en el que puede ir es aquel que no tiene momento angular orbital, pero sí una energía mayor que el momento angular cero, del estado fundamental del Helio. Hay una nomenclatura espectroscópica antigua para estos estados. Los estados de momento angular 0 (Cero) son denominados “Estados ‘s’”. El estado fundamental es el estado 1s y el estado más energético es el 2s. El electrón recién agregado está en el estado 2s y fuera de la estructura del estado de dos electrones 1s. Con esto, se espera que el elemento correspondiente (Litio) sea químicamente activo, dado que este electrón 2s puede participar en reacciones químicas. Y si, para completar la estructura 2s, y siguiendo con el principio de Pauli, se puede añadir un electrón más, correspondiendo al siguiente elemento (Berilio).

El siguiente electrón que se puede agregar tiene (En unidades de Bohr) un momento angular de 1. La unidad de los estados de momento angular es denominada “Estados ‘p’”. Resulta que solo hay tres diferentes orientaciones que el momento orbital angular de la mecánica cuántica de cada unidad puede tener. Cada uno de estos electrones puede tener un espín hacia arriba o hacia abajo, de manera que hay un total de seis posibilidades. De ahí que la estructura con los electrones s y p se cierra cuando hay ocho electrones (Con el elemento Neón, que es a su vez un ‘gas noble’). Así, podemos comenzar a observar como se tomaron en cuenta los ‘Números mágicos’. Para describir el resto de los elementos, necesitamos adentrarnos más en la teoría.

En la década de 1950, todavía se tenían algunos problemas no resueltos de la Tabla Periódica, por ejemplo, la serie de los actínidos, la cual incluye al uranio y al plutonio es tan ‘extraña’ que, cuando Glenn Seaborg propuso una explicación en la década de 1940, la comunidad científica lo tachó de loco, y que si insistía, podría dañar su reputación científica. Seaborg consideró que no tenía nada que perder, por lo que persistió, pero de esto platicaremos en una entrega futura del Carnaval de Química.

Espero que esta entrada haya sido de su agrado.

Larga vida y prosperidad.

I Carnaval de Biología - Redefiniendo la Patogenicidad Bacterial utilizando las herramientas de la genética molecular

noreply@blogger.com (Torjo Sagua) — Mon, 14 Feb 2011 22:06:00 +0000

Entre las cosas que hemos aprendido de la patogenicidad de las bacterias se tienen estas características fundamentales:

Los patógenos son células biológicas impresionantes. 25 años de información acumulada demuestran que las bacterias manipulan las funciones normales de las células huésped en formas que benefician a las bacterias (Ver Figura 01).
La transferencia horizontal de genes a través de elementos genéticos móviles ha sido una fuerza muy importante en la evolución de la especialización de bacterias, incluyendo la de los agentes patógenos. Los genes para muchos productos ‘bacteriales’ especializados, como toxinas y adhesinas, en realidad residen en transposones y fagos.
La herencia de los bloques de genes, denominados islas de patogenicidad, es a menudo la clave para la expresión de la patogenicidad de las bacterias.

Figura 01 – Las bacterias patógenas manipulan las funciones normales o interfieren con la célula huésped para su beneficio propio.

Crédito: Cambridge University Press

(Clic en la imagen para agrandar)

Cuando se comenzaron a utilizar las herramientas de la genética molecular para examinar genes virulentos e identificar sus funciones, tratamos de aislar los genes particulares para toxinas y otros productos virulentos similares. En la actualidad, se tiene un enfoque diferente, el cual refleja nuestro entendimiento del comportamiento patógeno. Por ejemplo, a diferencia de la bacteria comensal, la salmonella rompe la barrera epitelial del huésped, usualmente en áreas del intestino epitelial conocidas como ‘Parches de Peyer’ y son envueltas por células fagocíticas. En lugar de ser eliminados, los patógenos se replican allí y se distribuyen al hígado y al bazo. Eventualmente, en muchos casos, los patógenos serán cubiertos por el huésped, con frecuencia durante largos periodos de tiempo. Estos eventos claves en la patogénesis de la infección, además de la interacción de los patógenos con el huésped innato y la adaptación al sistema inmune, son ilustrados en la Figura 02.

Figura 02 – Infección por Salmonella. IFN-γ = Interferón Gamma. MLN = Mesenteric Lymph Node (Nódulos Linfáticos Mesentéricos).

(Clic en la imagen para agrandar)

La diferencia entre la Salmonella y sus ancestros, los organismos comensales en el intestino están basadas en la herencia de las islas de patogenicidad, las cuales le otorgan a las bacterias la habilidad para abandonar los confines del colon por locaciones donde otras materias podrían ser aniquiladas. Allí el patógeno evolucionado puede actuar libre de competencia. Para identificar los genes que permiten tales incursiones en el huésped, se puede utilizar un micro-matriz basado en la estrategia de selección negativa, como se muestra en la Figura 03, la cual nos permite cribar el genoma de Salmonella completo para genes que son asociados con diferentes etapas de infección.

Figura 03 – Micro-matriz basa en la estrategia de selección negativa; hyb = Hibridización; IP = Intraperitoneal.

Crédito: Kaman Chan; Stanford University.

(Clic en la imagen para agrandar).

Utilizando esta estrategia, se puede encontrar que mientras muchos genes son exprimidos dentro de la primera semana de la enfermedad hay un grupo de genes que no son lo son sino hasta la segunda semana, y aún otros que lo serán hasta la tercer o cuarta semana. Estos resultados indican que genes particulares son requeridos para las diferentes etapas de la perseverancia de la infección en el ratón. Algunos de los genes están involucrados en la habilidad de la Salmonella para excretar proteínas que eliminan los macrófagos durante la infección inicial, mientras que otros evolucionan para permitir a la bacteria replicarse y persistir dentro de las vacuolas de los macrófagos.

Por lo tanto, le toma a muchos genes el contribuir a la habilidad de la Salmonella para hacer su trayecto de la boca de los parches de Peyer en el epitelio del intestino delgado, y de allí a un macrófago que lo distribuirá a otros sitios. Con la tecnología disponible, podemos identificar esos genes rápidamente, pero tomará muchos años antes de que seamos capaces de determinar su función biológica exacta en las interacciones Salmonella-huésped.

Para más información:

Salmonella typhimurium Persists within Macrophages in the MLN of Chronically Infected Nramp1 +/+ Mice and Can Be Reactivated by IFNγ Neutralization
Denise M. Monack, Donna M. Bouley & Stanley Falkow

Location of Pathogenic Bacteria during Persistent Infections: Insights from an Analysis using Game Theory
Sandeepa M. Eswarappa

Dynamics of intracellular bacterial replication at the single cell level
Sophie Helaine et al.

A Mouse Model of Persistent Salmonella Infection
D. M. Monack, D. M. Bouley, I. Brodsky & S. Falkow

Is Persistent Bacterial Infection Good For Your Health
Stanley Falkow

07 Headnet - Inocuidad Parte 01

noreply@blogger.com (Torjo Sagua) — Sun, 13 Feb 2011 19:18:00 +0000

Bunsen - Un cómic de ciencia y chocolate

Bienvenidos a la séptima emisión de Headnet, el podcast oficial de La Enciclopedia Galáctica. He querido comenzar con la mención y reproducción de este webcomic (Uno de mis favoritos), por la obvia mención en el cómic, este webcomic es realizado por el ilustrador Jorge Pinto, es altamente recomendable, se publica una nueva tira los lunes, miércoles y viernes. El link está al pie de la imagen. Antes de platicarles de la emisión, quisiera comentarles unas noticias, a partir del viernes once de febrero de 2011, La Enciclopedia Galáctica se ha integrado a diversos carnavales científicos, por lo que la próxima semana realizaremos una publicación relacionada con cada uno de ellos, siendo estos el Carnaval de Física, el Carnaval de Química y el Carnaval de Biología, quedando pendiente la participación en el Carnaval de Matemáticas, bueno, espero que nos acompañen.

En esta emisión de Headnet, la plática gira en torno a la Inocuidad Alimentaria, enfocándo la emisión a platicar acerca de la Iniciativa Global de Inocuidad (GFSI, Global Food Safety Initiative), para no hacerla tan pesada, se han incorporado piezas musicales del disco Hooked the Classics, de Louis Clark, y cerramos el programa platicando sobre tres noticias. Les dejo el vínculo para su descarga, espero lo disfruten y cuento con su retroalimentación.

Larga Vida y Prosperidad

07 Headnet - Inocuidad Parte 01

¿Por qué el Universo se está acelerando?

noreply@blogger.com (Torjo Sagua) — Thu, 10 Feb 2011 17:54:00 +0000

La aceleración cósmica es ampliamente considerada como el rompecabezas más profundo de la física fundamental actual. Aún las explicaciones exóticas más pequeñas implican un nuevo componente (enérgicamente dominante) del Universo con propiedades físicas extraordinarias. Propuestas alternativas incluyen una ruptura de la relatividad general en escalas cosmológicas, quizá vinculadas a dimensiones extra o a manifestaciones de baja energía de gravedad cuántica. Mientras las mediciones de la relación distancia-desplazamiento al rojo usando la Supernova Type Ia proporcionan la evidencia más directa de la aceleración cósmica, hay ahora múltiples líneas de evidencia de soporte, incluyendo las mediciones de las fluctuaciones de la CMB, el efecto integrado Sachs-Wolfe, la constante de Hubble, Oscilaciones Bariónicas Acústicas (BAO, Baryon Acoustic Oscillations) y el rango de crecimiento de estructuras basado en las observaciones con rayos X. La aceleración cósmica es una asombrosa pero aceptada pieza de la cosmología moderna. Las dos preguntas principales en este campo son:

¿La aceleración es causada por una ruptura de la relatividad general o por una nueva forma de energía?
¿Es la energía oscura la causante de la aceleración, es su densidad energética constante en el espacio y tiempo?

Los cosmólogos describen la evolución de la energía oscura en términos del parámetro de su ecuación de estado, w=P/(ρc2), donde P y ρ son la presión y la densidad energética, respectivamente. Las escalas de la densidad energética con un desplazamiento al rojo como ρDE(z) = ρDE,0 X Exp[3∫(1+w(z)) dln(1+z)]. La energía de vacío, es el más simple y, podría decirse, modelo mejor motivado para energía oscura, es constante con el tiempo, así que para este modelo w = -1 para todas las z. Formas alternativas de energía oscura tienen diferentes valores de w(z).

La principal línea de ataque para hacer frente a estas cuestiones es el mejoramiento e las mediciones del parámetro de Hubble H(z), la relación distancia-desplazamiento al rojo D(z) y la función de crecimiento G(z) que describe la fuerza de los grupos de materia. En un Universo espacialmente plano, H2(z) es proporcional a la densidad energética total (La suma de la materia, radiación y energía oscura) y D(z) es dada por una integral de H-1(z). La relatividad general predice una relación específica entre H(z) y G(z); los modelos de gravedad modificada pueden alterar esta relación o pueden hacer a G(z) dependiente en escala espacial. En la actualidad, la relación D(z) es medida con una precisión de aproximadamente el 5% en z ≤ 0.8, con restricciones más débiles en altos desplazamientos al rojo. La función G(z) es conocida cerca del 5% en bajo desplazamiento al rojo, mientras las restricciones directas en el rango de crecimiento dlnG(z)/dz son ~ 25%. La información actual es consistente con la relatividad general y w = -1 ± 0.2 (Con el valor central exacto y un error estimado dependiendo de los datos adoptados y la evaluación de las incertidumbres sistemáticas). Las observaciones propuestas podrían alcanzar de modo realista 1 – 2 ordenes de magnitud en la mejora de la precisión en w, y mediciones significativas de su historia de desplazamiento al rojo resulta no ser una constante.

Para Saber Más:

Isocurvature modes and Baryon Acoustic Oscillations

Anna Mangilli, Licia Verde y María Beltrán

Baryon Acoustic Oscillations in 2D: Modeling Redshift-space Power Spectrum from Perturbation Theory
Atsushi Taruya, Takahiro Nischimichi, Shun Saito.

BAO - A standard ruler method for determing the expansion rate of the Universe
Martin White

BAO (ITA Cosmology Seminar)
Claudia Mignone

The Sachs-Wolfe Effect
Martin White & Wayne Hu

Sachs-Wolfe effect at second order
Filippo Vernizzi

Cosmology with the integrated Sachs-Wolfe Effect
Pablo Fosalba

Integrated Sachs-Wolfe Effect for Gravitational Radiation
Pablo Laguna

The Age of the Universe, the Hubble constant and the accelerated expansion
D.S.L. Soares

Dark Energy: Constraints from the Hubble Constant
Jim Condon

Measurements of the Hubble Constant
Edward Damon et al.

Expansion of the Universe: The Cosmological Context
Wendy L. Freedman, Barry F. Madore

Dynamics of entropy perturbations in assisted dark energy with mixed kinetic terms
Khamphee Karwan

Cosmological parameters from supernova observations: A critical comparison of three data sets
T. Roy Choudhury & T. Padmanabhan

Buscando evidencia de desviaciones de la inflación SFSR

noreply@blogger.com (Torjo Sagua) — Tue, 08 Feb 2011 23:54:00 +0000

No “Gaussianidad“

La evolución gravitacional de las fluctuaciones primordiales introduce correlaciones no Gaussianas en la distribución de materia con un parámetro no Gaussiano fNL4 de orden unitario, empequeñeciendo aquellos predichos por la inflación SFSR (fNL ≈ 10-2). Los límites actuales restringen al fNL a <100. Modelos inflacionarios que no son de rodado lento inspirados en la teoría de las cuerdas, y algunas alternativas a la inflación, sin embargo, pueden tener una no Gaussianidad primordial amplificada que puede ser detectable. Incrementando el número de mediciones de modos de pequeña escala, Planck puede mejorar las restricciones actuales en fNL por un factor de cinco, hacia fNL ≈ 4. La obtención de una sensibilidad más grande requerirá un cambio del mapa de CMB en 2D a las correlaciones en 3D del LSS, donde son accesibles más modos. Una inspección de 100 a 1000 millones de galaxias podría elegir como objetivo fNL ≈ 1. Si hay una detección de una no Gaussianidad primordial, la estructura detallada, obtenida de la forma de dependencia de la función de correlación de tres puntos (Y superiores), puede discriminar entre los modelos inflacionarios.

Modos de Isocurvatura

Los modelos inflacionarios de campos múltiples pueden introducir fluctuaciones no adiabáticas (Isocurvaturas) en la distribución de la materia. Las mejoras en la medición de temperatura y polarización del satélite Planck, incrementará nuestra sensibilidad a esas firmas físicas más allá de los modelos SFSR. Un mapa del CMB posterior al Planck es una varianza cósmica limitada a momentos multipolares l ≈ 2000 que proveerá un orden de magnitud adicional mejorado en ambos modos de isocurvatura, correlacionados y no correlacionados.

Nota:

fNL Es una medida de la oblicuidad de las fluctuaciones potenciales.

Evaluando las Predicciones de la Inflación de Campo Sencillo de Rodado Lento (SFSR, Single Field, Slow Roll)

noreply@blogger.com (Torjo Sagua) — Fri, 04 Feb 2011 23:42:00 +0000

Planicie

La contribución esperada de la curvatura de la inflación es determinada por la amplitud de las fluctuaciones de la densidad a gran escala Ωk≈10-5-10-4. La combinación de las mediciones del CMB por el Planck con las oscilaciones acústicas bariónicas (BAO, Baryon Acoustic Oscillations), las mediciones de distancia de las galaxias con alto desplazamiento al rojo y los estudios en el renglón de los 21 cm, pueden mejorar las restricciones en la curvatura del Universo por dos órdenes de magnitud de los límites actuales de Ωk≈10-2. Esos valores pueden ser alcanzados también por la medición de la fuerza débil del CMB con una resolución angular alta, en un experimento de polarización del CMB de alta sensibilidad. Las observaciones en la década por venir podrían permitir el análisis directo de esta predicción inflacionaria clave (Figura 1).

Figura 1.El CMB cosmológico y las observaciones LSS pueden revelar información clave acerca de la forma y amplitud de la potencial inflación. La inflación ocurre mientras el gradiente de potencial es pequeño, como el campo escalar lentamente desenrolla el potencial. Cuando el gradiente del campo es demasiado grande, en φend, la inflación termina. Las fluctuaciones cuánticas en el campo escalar, δφ, son sensibles a la forma del potencial. Esto se ‘congelan’ durante la inflación y se ‘imprime una instantánea’ en el φCMB en la temperatura y polarización del CMB y la distribución de las galaxias y los cúmulos de galaxias. La amplitud del CMB en polarización modo-B es sensible al cambio en φ (Δφ) durante la inflación. Se muestran dos ejemplos de los potenciales de inflación del SFSR: (Izquierda) El campo pequeño, ΔφMp. Para los modelos del campo grande esta señal primordial podría ser medida.

Crédito: American Institute of Phisycs. D. Baumman et Al.

Espectro de potencia escalar

El mecanismo por el cual se generó la estructura en el Universo naciente es restringido por espectro de potencia lineal de las fluctuaciones. En las escalas espaciales observables más grandes, el CMB proporciona la ventana más clara hacia la inflación. El satélite Planck debe darnos una mejora en el orden de magnitud en la medición de la pendiente del espectro de potencia primordial y su escala dependiente, ambas mediciones a 10-3 dentro de los primeros años de esta década. En la escalas angulares más pequeñas que esas accesibles con el Planck, el efecto cinemático Sunyaev-Zel’dovich (SZ) debido a la dispersión de electrones en movimiento con un inicio pequeño de desplazamiento al rojo para dominar las fluctuaciones de temperatura, por lo tanto oscureciendo la información del espectro primordial.

Más allá de las mejoras en la caracterización del espectro de potencia que vendrán de una combinación de los mapas de polarización del CMB y los estudios del LSS a escalas de pocos megaparsecs (Mpc), una variedad de observaciones LSS nos darán una riqueza de información acerca del espectro de potencia de las fluctuaciones en el Universo primario a través de una imagen 3D (Tridimensional) de la distribución de la materia extendida a pequeñas e inaccesibles escalas para el CMB. En la actualidad, solo 10-6 de los modos lineares espaciales en el Universo observable han sido medidos (El número de modos independientes en el Universo visible es el volumen del Universo observable dividido por el volumen de la escala de medición más pequeña. El número de modos es una medida de la cantidad de información acerca de las condiciones iniciales accesibles a los experimentos). El estudio de la galaxia en volúmenes grandes puede ser inspeccionado en modos de salida de 108 a 109 para el desplazamiento al rojo z<2, caracterizando el espectro de potencia de materia lineal con incertidumbres estadísticas que se aproximen al límite de varianza cósmica.

La señal de 21 cm no se ha sido analizada aún como una prueba cosmológica, pero ofrece la posibilidad para medir el espectro de materia potencial de z>6 hacia escalas de Mpc (Y posiblemente más pequeñas), con esos modos en el régimen lineal como el desplazamiento al rojo. Estas observaciones tienen la posibilidad de detectar modos lejanos que son solo accesibles en el CMB.

Las observaciones del desplazamiento al rojo en la emisión de 21 cm en z>20 pueden ser extremadamente retadoras; las observaciones más bajas de la emisión de 21 cm, probaron la Época de Reionización (EoR, Epoch of Reionization), siendo un primer paso importante. Estas observaciones ayudaron a delinear una historia ‘perfecta’ del Universo desde las perturbaciones primordiales establecidas por la inflación para la diversidad de estrellas, galaxias y cúmulos que se observan en el Universo actual.

Ondas Gravitatorias.

Las ondas gravitatorias producen una señal característica en modo-B en el CMB que podría proporcionar el método más prometedor para detectar el ‘arma humeante’ de la inflación. Los diferentes modelos inflacionarios predicen amplitudes diferentes para r, el radio de las fluctuaciones de las ondas gravitatorias para las fluctuaciones escalares Si el fondo de IGW es detectado, se pueden obtener análisis adicionales de las relaciones de consistencia inflacionaria por la medición del espectro.

Los experimentos basados en tierra y con globos con alta sensibilidad pero con resolución angular modesta podrían detectar una amplitud IGW de r≈0.01. La medición de r<0.01 podría requerir una proporción alta de señal-ruido una resolución angular mejor tanto en temperatura como en polarización para separar los modos-B primordiales de aquellos inducidos. Dado que un rango espectral amplio será probablemente esencial para la remoción de los primeros planos galácticos, una inspección dedicada al espacio basado en el modo-B requerirá la obtención de valores de r≈10-4 – 10-3, requeridos para acceder al parámetro completo del espacio implicado por la escala de inflación GUT. Tal experimento podría también proporcionar una riqueza de otra información extremadamente invaluable, el cual restringiría la escala pequeña del espectro de materia potencial en desplazamientos intermedios al rojo. Estas mediciones serán útiles para realizar análisis posteriores de la inflación, restringiendo las masas de los neutrinos, estudiando los efectos de la energía oscura y determinando los parámetros cosmológicos con mayor precisión.

Para Saber Más:

CMBPol Mission Concept Study – Probing Inflation With CMB Polarization

Daniel Baumann et al.

Spectral Measurements of the Sunyaev-Zel'dovich Effect
Bradford Adam Benson

Magnetic Fields and Sunyaev-Zel'dovich effect in galaxy clusters
Rajesh Gopal & Suparna Roychowdhury

Sunyaev-Zel'dovich cluster profiles measured with the South Pole telescope
T. Plagge et al.

The simulated 21 cm signal during the EoR.
Sunghye BAEK

Visualizations of the redshift 21cm signal (WMAP3)
Garrelt Mellema

A Constraint on the 21-cm signal at Z=20 from VLA Observations
Katie M. Chynoweth, Joe Helmboldt, Joseph Lazio

Headnet 06 - Ciencia, Evolución y Creacionismo. Parte 1.

noreply@blogger.com (Torjo Sagua) — Sun, 16 Jan 2011 14:51:00 +0000

Tiktaalik

Buen día ciudadanos de la Fundación. Hoy platicamos sobre un tema que da para la polémica. Les dejo el vínculo para su descarga, espero les guste y puedan compartir su retroalimentación.

Tiktaalik

Para Saber Más:

http://evolution.berkeley.edu/evolibrary/news/060501_tiktaalik

http://www.daylightatheism.org/

¿Cómo inició el Universo?

noreply@blogger.com (Torjo Sagua) — Sat, 15 Jan 2011 22:48:00 +0000

Aunque se sabe poco sobre el origen del Universo, los cosmólogos han realizado progresos significativos en el estudio de tan tempranas etapas de la historia. A principios de la década de 1980, se teorizó que durante sus primeros momentos, el Universo pasó por un periodo rápido de expansión acelerada denominada inflación. Durante la inflación, regiones microscópicas casualmente conectadas se expandieron exponencialmente, conduciendo la curvatura espacial a casi cero y produciendo un Universo homogéneo. Este paradigma inflacionario no solo explica muchas de las cuestiones abiertas en la cosmología, también predice las fluctuaciones cuánticas de la materia y de la curvatura espacio-tiempo creada en la escala casi invariante, adiabática, fluctuación de fase aleatoria Gaussiana. Uno de los logros más espectaculares de la última década ha sido la impresionante concordancia entre las observaciones y las predicciones.

Aunque la inflación es un paradigma exitoso, su mecanismo subyacente sigue siendo un misterio. La inflación puede tener algo que ver con las Grandes Teorías Unificadas (GUT, Great Unified Theories) que amalgaman las interacciones fuerte y electrodébil en una escala de ultra alta energía. Esto se puede derivar de una teoría cuántica de la gravedad como la teoría de las cuerdas. La inflación puede surgir en una fase de transición de menor energía, como la ruptura de la simetría de Peccei-Quinn, postulada para explicar la falta de violación de CP en la interacción fuerte. Puede ser una consecuencia de la compactación de dimensiones extra-grandes o a una desviación de la relatividad general en altas densidades. En cualquier escenario, sin embargo, la inflación está impulsada por la física moderna en densidades ultra-altas y energías muy superiores a las accesibles en los laboratorios.

Un objetivo clave de la observación y teoría cosmológica en la próxima década será analizar más allá el paradigma inflacionario e identificar el modelo físico subyacente responsable de la inflación; deseamos una descripción completa de la física de alta energía responsable de la inflación.

Inflación de campo-sencillo de rodado-lento (SFSR, Single-Field, Single-Roll)

En el escenario más sencillo, la inflación está impulsada por el desplazamiento de un campo escalar desde el mínimo de su potencial. Si el potencial tiene la forma correcta, entonces el campo escalar rodará lentamente hacia su mínimo, y la energía de vacío asociada con este desplazamiento impulsará la expansión acelerada. Este modelo presenta una serie de predicciones comprobables:

Un Universo plano con una escala mucho más grande que la curvatura del horizonte.
Las fluctuaciones en una escala casi invariante en la distribución espacial de la materia.
Fluctuaciones adiabáticas.
Fluctuaciones Gaussianas.
Fluctuaciones isotrópicas y homogéneas.
Un fondo estocástico de ondas gravitatorias inflacionarias (IGW, Inflationary Gravitational Waves) con un espectro de escala casi invariante.

La amplitud de las IGW es proporcional a la raíz cuadrada de la altura del potencial del campo escalar, o equivalente a la densidad de energía o la tasa de expansión durante la inflación, mientras que las desviaciones de la escala invariante en materia e IGW describe la forma potencial. WMAP y la actual generación de experimentos en tierra (Y en globos), ya han probado las cinco primeras predicciones. Planck y las siguientes generaciones de experimentos CMB pondrán a prueba estas predicciones con una precisión aún mayor y mantendrán la promesa de detectar potencialmente el fondo de las IGW.

Hacia una descripción completa de la Física durante la Inflación.

Es bastante sorprendente que un campo sencillo, un ‘modelo de juguete’ ha explicado tan bien un cuerpo grande y preciso de datos. La mayoría de los teóricos conjeturan que los modelos SFSR son una simple aproximación a una física inflacionaria más compleja. El ‘verdadero’ modelo podría ser muy diferente de los actuales, incluyendo modificaciones en el término de energía cinética del campo escalar, múltiples campos conduciendo a la inflación, modelos con las características en el potencial campo escalar, y escenarios alternativos, como el modelo que postula la teoría ekpirótica, en la que se tendría una fase de colapso previa al Big Bang. Estas alternativas al modelo SFSR más simple, hacen nuevas predicciones medibles, incluyendo correlaciones no Gaussianas y fluctuaciones de densidad no adiabáticas (Isocurvaturas). Además, los procesos físicos, tales como las transiciones de fase al final de la inflación pueden producir defectos topológicos (Por ejemplo, las cuerdas cósmicas) o alterar el fondo IGW.

El objetivo principal en la próxima década es poner a prueba precisamente cada una de las predicciones de la inflación SFSR. Si persiste la consistencia con las predicciones de la inflación SFSR, entonces el rango de valores permitidos del potencial del campo escalar tendrá que reducirse. Si se parte desde las predicciones más simples encontradas, esto proporciona mayor perspicacia en la física fundamental y en los primeros momentos del inicio del Universo.

Para Saber Más

Dynamics of the Peccei-Quinn Scale
Michael Dine

A Brief Introduction to the Strong CP Problem
Dan-di Wu

The Discovery and Implications of P and CP Violation
Carol Guess, Michael King & Kyle Siwek

Inflation at the Edges
Marc Kamionkowski
Halo Clustering with Non-Local Non-Gaussianity
Fabian Schmidt & Marc Kamionkowski

Non-Gaussianity form Self-Ordering Scalar Fields
Daniel G. Figueroa, Robert R. Caldwell & Marc Kamionkowski
A Brief Introduction to the Ekpyrotic Universe
Paul J. Steinhardt
Non-Gaussian Density Fluctuations from Entropically Generated Curvature Perturbations in Ekpyrotic Models
Jean-Luc Lehners & Paul J. Steinhardt
Unstable growth of curvature perturbation in non-singular bouncing cosmologies
BingKan Xue & Paul J. Steinhardt

Cosmología y Física Fundamental Parte 02

noreply@blogger.com (Torjo Sagua) — Thu, 13 Jan 2011 02:58:00 +0000

Desde los albores de la ciencia moderna, los avances en la física fundamental han aclarado los más profundos misterios de la astronomía. Como parte de esta relación simbiótica, las observaciones astronómicas han estimulado nuevos avances en la física fundamental. Kepler, Galileo y Newton idearon nuevas teorías del movimiento, fuerza y gravitación universal para explicar la deriva de los planetas en el cielo. La mecánica cuántica permitió la comprensión de los espectros estelares y reveló que las estrellas estaban compuestas principalmente de hidrógeno y helio, en lugar de oxígeno, silicio y hierro, elementos dominantes en la Tierra y los meteoritos. Los avances en física nuclear fueron esenciales para explicar la desconocida fuente de energía de las estrellas. En la actualidad, los astrónomos enfrentan nuevos misterios: la materia oscura, la aceleración cósmica y el origen de la estructura (Fig. 1). Una vez más, los avances en la física fundamental son necesarios y la astronomía ofrece un laboratorio de gran alcance para realizar las pruebas que se requieran.

Fig. 01. La composición del Universo ha evolucionado por más de 13.7 mil millones de años, desde el Big Bang. El Universo actual es dominado por la energía oscura, mientras que después del Big Bang fue dominado por materia oscura.

Crédito: NASA/WMAP Science Team

En las últimas tres décadas, los astrónomos y los físicos han hecho notables progresos hacia una teoría científica detallada del cosmos, un ‘modelo estándar’ de la cosmología que explica las observaciones que sondean un amplio rango de tiempo y distancia. Pero esta teoría todavía es incompleta, y se basa en tres ideas físicas que son las mejor entendidas parcialmente: Inflación, materia oscura fría y la energía del vacío.

La hipótesis de la inflación, propuesta por vez primera en la década de 1980, afirma que el Universo creció por un factor enorme durante sus primeros momentos. Esta expansión acelerada no solo elimina las fluctuaciones pre-existentes, sino que también genera un espectro escalar casi invariante de las fluctuaciones Gaussianas que dejan huella en la CMB y crecen para formar galaxias y cúmulos de galaxias. La materia oscura fría, compuesta por partículas que interactúan débilmente con bajas velocidades térmicas desde el inicio del Universo, explica la dinámica de las galaxias y los cúmulos, y permite garantizar una coherencia entre la CMB y las observaciones del LSS. La energía del vacío ejerce una gravedad repulsiva, la conducción de la aceleración actual de la expansión cósmica (La cual es, en muchos órdenes de magnitud más lenta de la aceleración hipotética que se plantea ocurrió durante la inflación).

A pesar de los éxitos observados, el modelo estándar es insatisfactorio de varias maneras. En la actualidad aún no conocemos o determinamos lo que causa o finaliza la inflación, tampoco podemos estar seguros sobre si la inflación es el mecanismo que crea un gran Universo, lleno de radiación y alimentado con fluctuaciones. Hay varias ideas plausibles de lo que podría ser la materia oscura, pero aún no sabemos cuál es la correcta.

Por mucho, el elemento más sorprendente del modelo es la energía del vacío. Mientras que la física cuántica no permite espacio ‘vacío’ para ser llenado con energía, el valor previsto de forma ingenua para esta energía es 10120 veces mayor que el permitido por las observaciones. Es posible que la energía del vacío real sea cero y omnipresente, un campo fundamental desconocido hasta hoy, similar al que causo la inflación a inicios del Universo, está impulsando la aceleración de nuestros días. Por otra parte, la aceleración observada podría ser una señal de que la relatividad general se desglosa en la escala del Universo observable.

Las partículas más estudiadas de la hipótesis de la materia oscura son en muchos aspectos análogas a los neutrinos, en la que interactúan con la materia bariónica sólo a través de la gravedad y la interacción débil (Si los neutrinos son mucho menos masivos). Durante las últimas cuatro décadas (En especial la última), los avances en la física de neutrinos han sido impulsados principalmente por las observaciones astronómicas. En particular, las observaciones de los neutrinos solares y los atmosféricos producidos por los rayos cósmicos, han demostrado que las tres especies de neutrinos en el modelo estándar de física de partículas no tienen masa cero, y que oscilan de una forma a otra a medida que se propagan a través de la materia o el espacio vacío. Las observaciones cosmológicas establecen el límite superior más fuerte en la masa del neutrino; muestran que los neutrinos del modelo estándar pueden no ser la principal forma de materia oscura, pero sigue siendo posible que una cuarta especie, los neutrinos estériles, podrían constituir la materia oscura.

Estos desarrollos, y el éxito y limitaciones del actual modelo cosmológico, sugieren las siguientes cuatro cuestiones para guiar las investigaciones en cosmología y física fundamental en la década que comienza:

¿Cómo comenzó el Universo?
¿Por qué se está acelerando el Universo?
¿Qué es la materia oscura?
¿Cuáles son las propiedades de los neutrinos?

En los siguientes post (Entrada o publicación) se tratarán de esclarecer estas cuestiones y describir las capacidades necesarias para responderlas.

También puede identificarse la astronomía de ondas gravitatorias como un área emergente de la ciencia con un potencial de descubrimiento inusual.

Los científicos esperan la próxima década para ver la primera detección directa de ondas gravitatorias, las ondas de propagación de espacio-tiempo predicas por Einstein hace casi un siglo. Las fuentes esperadas más fuertes de ondas gravitatorias son eventos violentos tales como el surgimiento de agujeros negros y estrellas de neutrones; la medición de las ondas gravitatorias proporcionará percepciones únicas sobre la física de estos eventos y permitiría un análisis del alcance del a relatividad general en un régimen completamente nuevo. Más atractivas aún son las perspectivas de las fuentes que todavía no se han imaginado o de las cuales solo se ha especulado, tal vez nuevos tipos de implosiones estelares o colisiones, o el fondo de las ondas gravitatorias producidas en el Universo primitivo. Si la historia de la radioastronomía y la astronomía de rayos X sirven de guía, entonces, el comienzo de la astronomía de las ondas gravitatorias cambiará fundamentalmente nuestra visión del cosmos y los objetos que contiene.

Tres temas conectan el enfoque observacional a esas cuestiones:

El primero es la asignación de las condiciones iniciales cosmológicas sobre la más amplia gama dinámica posible con las mediciones de la temperatura del CMB y las fluctuaciones de la polarización y las observaciones ópticas y de radio que utilizan las galaxias y el gas intergaláctico para mapear la distribución de la materia a menores desplazamientos al rojo. El alcanzar un enorme aumento precisión estadística y el rango dinámico permitirá que nuevas pruebas de los modelos de inflación, medidas de precisión de la geometría del espacio, determinación de las masas de los neutrinos a través de sus efectos cosmológicos y las pruebas de las teorías sobre el origen de la aceleración cósmica. Caer en la cuenta que estas grandes mejoras en el poder estadístico requiere un control sumamente cuidadoso de las incertidumbres sistemáticas, que a menudo presentan el mayor desafío para estos métodos.

El segundo tema es la apertura de nuevas ventanas que permitan a los científicos ver fenómenos astrofísicos de una forma radicalmente nueva. Las ondas gravitatorias son el ejemplo más dramático de esta nueva ventana, pero no son el único. La búsqueda de materia oscura dependerá de los grandes avances en la sensibilidad y cobertura del cielo de los rayos gamma de alta energía y los experimentos de los rayos cósmicos. Las nuevas instalaciones deben alcanzar las primeras detecciones de neutrinos de ultra-alta energía. Las búsquedas de radiación de alto desplazamiento al rojo (21 cm), ofrecerán los primeros mapas en tres dimensiones de la estructura en la época de re-ionización cósmica, y los avances en estas técnicas deben eventualmente permitir el mapeo de las condiciones cósmicas iniciales en volúmenes sin precedentes.

Finalmente, el tercer tema es el Universo como un laboratorio de física fundamental. Los estudios de las fluctuaciones primordiales sondearán la física del Universo primario en energías que no pueden ser alcanzadas en aceleradores terrestres. La explicación de la aceleración cósmica puede reformar radicalmente nuestra comprensión de la gravedad, el vacío cuántico o ambos. Los experimentos de materia oscura proporcionan ventanas en las extensiones del modelo estándar que complementan las herramientas tradicionales de la física de partículas. Las medidas astrofísicas proporcionan limitaciones muy poderosas y variadas en las propiedades de los neutrinos. Las ondas gravitatorias pondrán a pruébala relatividad general en el régimen de campo fuerte, una prueba que puede ser realizada en ambientes extremos, cercanos a los agujeros negros.

Actividades clave esenciales para realizar las oportunidades científicas en la década de 2011-2020

noreply@blogger.com (Torjo Sagua) — Tue, 11 Jan 2011 01:13:00 +0000

En la última entrada (Post o publicación), hablábamos de los diversos rubros que podrían ser claves en la próxima década, hablando desde el punto de vista de la cosmología y la física fundamental. Algunas de las actividades clave que podrían ser esenciales son:

Inflación y aceleración.

• Medir la amplitud de las fluctuaciones escalares iniciales a través de las escalas observacionales accesibles por las medidas de la polarización del CMB en modo-E (Similar al campo eléctrico, puede deberse perturbaciones escalares o tensoriales), el LSS de las Galaxias y fluctuaciones en el medio intergaláctico.

• La búsqueda de ondas gravitatorias de longitud ultra-larga a través de mediciones de la polarización del CMB en modo B (Similar al campo magnético, puede deberse a perturbaciones de un tensor o vector único), alcanzando la sensibilidad para la relación tensor-escalar en el nivel establecido por el primer plano astronómico. La detección de esas ondas gravitatorias podrían determinar la escala energética de la inflación.

• La búsqueda de modos de isocurvatura, condiciones iniciales no Guassianas y otras desviaciones de las fluctuaciones predichas por el modelo inflacionario más simple.

• Medir la curvatura del Universo a una precisión de 10-4, el límite establecido por las fluctuaciones.

• Determinar la historia de la aceleración cósmica por la medición de la relación distancia-desplazamiento hacia el rojo y el parámetro de Hubble con una precisión subporcentual sobre una amplia gama de desplazamientos al rojo.

• Determinar la historia del crecimiento de la estructura mediante la medición de la amplitud de la agrupación de la materia con una precisión subporcentual sobre una amplia gama de desplazamientos al rojo.

• Mejorar las mediciones que ponen a prueba la consistencia de varias constantes físicas y la validez de la relatividad general.

Materia Oscura

• Probar la dispersión de las secciones transversales de la materia oscura, con las búsquedas que exploran la mayor parte del espacio. Aunque una revisión de los métodos de laboratorio para la detección de materia oscura está fuera de mi alcance, el progreso en esta área (Así como los avances en el LHC) es fundamental para determinar las propiedades de la materia oscura.

• Llevar a cabo búsquedas indirectas de la materia oscura que prueben que la aniquilación de las secciones transversales de la interacción termal débil. La identificación de la señal del ‘arma humeante’ es esencial para la detección de los productos de materia oscura aniquilados por encima del fondo astronómico.

• Mejorar las restricciones astrofísicas sobre la densidad de la materia oscura y la estructura local en escalas subgalácticas para poner a prueba el paradigma de la materia oscura fría, sin colisiones y estable, y para buscar la evidencia de candidatos alternos de materia oscura. Estas observaciones astronómicas, en particular de las galaxias enanas, ayudará a optimizar las estrategias de búsqueda de materia oscura y será fundamental para determinar las implicaciones de las señales de materia oscura para las propiedades de sus partículas.

Neutrinos

• Desarrollar la sensibilidad para detectar y estudiar los neutrinos de ultra-alta-energía (UHE, Ultra-High-Energy) que pueden esperarse si el corte de energía de la radiación cósmica es debida a los protones ‘aniquilados’ en neutrinos y otras partículas. La detección de los flujos de neutrinos UHE arriba de lo esperado del mecanismo GZK (Greisen, Zatsepin y Kuzmin lo predijeron en 1966) podría ser la firma de un nuevo proceso de aceleración.

• Medición de la masa de los neutrinos a un nivel de 0.05 eV, el límite más bajo implícito por la mezcla de mediciones de neutrinos actuales, a través de sus efectos sobre el crecimiento de la estructura.

• Habilitar la medida de precisión de las ‘curvas de luz’ de neutrinos multisabores de una supernova galáctica.

• Mejorar las mediciones de la abundancia de los elementos ligeros en combinación con la teoría de la nucleosíntesis del Big Bang para poner a prueba las propiedades de los neutrinos y los modelos de materia oscura.

Ondas gravitatorias

• Detectar las ondas gravitatorias de las fusiones de las estrellas de neutrones y agujeros negros de masa estelar.

• Detectar las ondas gravitatorias de agujeros negros supermasivos a distancias cosmológicas.

• Alcanzar una relación de la medición de alta señal – ruido de las fusiones de los agujeros negros para poner a prueba la relatividad general en el campo fuerte, de régimen dinámico alto.

• Identificar las contrapartes electromagnéticas a las fuentes de ondas gravitatorias.

• Abrir una ventana totalmente nueva en el Universo, con el potencial para revelar nuevos fenómenos en la escala astrofísica estelar u otras áreas no anticipadas.

Teoría

• Avanzar en el trabajo teórico que proporciona la base para el enfoque empírico a través del desarrollo de métodos, diseño de experimentos, cálculo de efectos sistemáticos y análisis estadístico.

• Avanzar en el trabajo teórico que proporciona la interpretación de los resultados empíricos en términos de modelos físicos subyacentes.

• Expandir las fronteras de la teoría de exploración, lo cual puede dar lugar a ideas innovadoras para abordar los profundos misterios de la cosmología y la física fundamental.

Para Saber Más:

CMB Polarization.
The Next key toward the Origin of the Universe

The Hubble Parameter and the age of the Universe
Djapo Haris

The GZK Mechanism
Shigeru’s Homepage

Cosmología y Física Fundamental. Parte 01

noreply@blogger.com (Torjo Sagua) — Sat, 08 Jan 2011 22:55:00 +0000

Las observaciones astronómicas han sido una herramienta vital para el estudio de la física fundamental, y los avances en la física fundamental son ahora esenciales para direccionar los problemas clave en la astronomía y la cosmología.

Los últimos quince años han sido un periodo de progreso tremendo en cosmología y física de partículas:

Se tiene un modelo cosmológico simple que se adapta a una gran cantidad de datos astronómicos. Hace quince años, los cosmólogos consideraban un amplio rango de modelos posibles; la mejor estimación para la constante de Hubble difería casi en un factor de dos, y la estimación de la masa del Universo difería por mucho, en un factor de cinco. Hoy, el modelo Lambda Cold Dark Matter es notablemente exitoso en explicar las observaciones actuales, y los parámetros cosmológicos claves en este modelo han sido medidos por múltiples técnicas para mejorarlo en un 10%.

La medición de la radiación cósmica de fondo (CMB, Cosmic Microwave Background) complementada con observaciones de estructuras de larga escala (LSS, Large-Scale Structures) sugiere que el Universo primitivo sufrió un periodo de expansión acelerada que es probable que sea atribuible a un periodo de ‘inflación’ cosmológica. El modelo inflacionario predice que el Universo es casi plano, y que las fluctuaciones iniciales fueron Gaussianas, con una escala casi no variante y adiabática. De forma notable, estas predicciones se han verificado.

La evidencia astronómica para la existencia de la materia oscura se ha mejorado por más de 60 años. En la última década, las mediciones de los picos acústicos en la CMB han confirmado las predicciones de la nucleosíntesis del Big Bang (BBN, Big Bang Nucleosynthesis) de que la materia oscura debe ser no bariónica. Las medición de lentes gravitacionales han asignado directamente su distribución a gran escala, y la combinación de lentes y mediciones de rayos X ha cuestionado severamente muchas de las alternativas de gravedad modificada a la materia oscura.

Los datos de las supernovas, en conjunto con otras observaciones astronómicas, implican que la expansión del Universo se está acelerando. Este sorprendente resultado sugiere una ruptura de la relatividad general en la escala del Universo observable, o la existencia de una nueva forma de ‘energía oscura’ que llena el espacio, que posee una gravedad repulsiva, y domina la densidad energética del cosmos.

El descubrimiento de que los neutrinos oscilan entre sus electrones, muones y los sabores tau cuando se desplazan, y de ahí que tengan masa, proporciona evidencia para una nueva física más allá del modelo estándar de la física de partículas. Los efectos de la oscilación fueron observados en el primer experimento para medir neutrinos solares, y la interpretación fue confirmada por la medida de neutrinos atmosféricos producidos por los rayos cósmicos y por los nuevos experimentos de neutrinos solares con sensibilidad de sabor (En física de partículas, el sabor es el número cuántico de partículas elementales; estos sabores son: Leptones, Quarks, Antipartículas y Hadrones).

En los últimos años, se ha observado un punto límite en el espectro de energía de los rayos cósmicos de ultra alta energía (UHECR, Ultra High Energy Cosmic Rays) coherente con lo predicho de que surjan de las interacciones con el CMB. Los UHECR se han convertido en una poderosa herramienta para sondear los núcleos galácticos activos (AGN, Active Galactic Nuclei), cúmulos galácticos o fuentes de radio responsables de la aceleración de estas partículas.

Viendo hacia la década que sigue, los científicos anticipan nuevos avances que se basan en estos resultados. Se han identificado cuatro cuestiones centrales que están listas para ofrecernos respuestas y un área general en la que existe un potencial inusual de descubrimiento:

¿Cómo inició el Universo?
¿Por qué se está acelerando el Universo?
¿Qué es la materia oscura?
¿Cuáles son las propiedades de los neutrinos?
Área de descubrimiento: Astronomía de las ondas gravitatorias.

¿Cómo inició el Universo?

¿Experimentó el Universo un proceso de inflación, un rápido periodo de expansión acelerado en sus inicios? De ser así ¿Qué condujo esta aceleración inicial, cuando ocurrió exactamente y como finalizará? Cuando se presentó a principios de la década de 1980, el paradigma inflacionario realizó un número predicciones observacionales genéricas: vivimos en un Universo plano con una simiente en una escala casi invariable, adiabática, con fluctuaciones escalaras Gaussianas. En la década pasada, las observaciones cosmológicas confirmaron esas predicciones. En la década por venir, podría ser posible detectar las ondas gravitatorias producidas por la inflación, y de ese modo inferir la escala energética inflacionaria, a través de mediciones de la polarización de la radiación de fondo. Podría ser posible analizar la física de la inflación y distinguir entre los modelos por la medición precisa de las predicciones de los modelos más sencillos.

¿Por qué se está acelerando el Universo?

¿Esta aceleración es la firma del rompimiento de la relatividad general a grandes escalas o se debe a la energía oscura? La evidencia actual de la aceleración del Universo descansa primariamente en las mediciones de la relación entre la distancia y el desplazamiento hacia el rojo, basado en las observaciones de supernovas, el CMB y el LSS. La mejora en las mediciones de distancia puede comprobar si la relación distancia-desplazamiento hacia el rojo, sigue la forma esperada para la energía de vacío o si la energía oscura evoluciona con el desplazamiento hacia el rojo. Las mediciones del crecimiento del rango del LSS proporcionan una prueba independiente de los efectos de la energía oscura. La combinación de estas mediciones pone a prueba la validez de la relatividad general a gran escala. La evidencia de la aceleración cósmica proporciona motivación adicional para mejorar los análisis de la relatividad general en el laboratorio, escalas cósmicas e interplanetarias, y la búsqueda de variaciones en los parámetros fundamentales.

¿Qué es la materia oscura?

Las observaciones astronómicas implican que la materia oscura es no bariónica. La teoría de partículas sugiere varios candidatos viables de materia oscura, incluyendo partículas masivas de interacción débil (WIMP, Weakly Interacting Massive Particles) y axiones. En la siguiente década, la combinación de experimentos de aceleración en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, Large Hadron Collider), la búsqueda directa e indirecta de materia oscura, y las pruebas astrofísicas están preparados para poner a prueba estos y otros candidatos y poder identificar las partículas que constituyen la materia oscura. Las detecciones exitosas podrían marcar el amanecer de la astronomía de la materia oscura: el uso de las mediciones de partículas de materia oscura o sus productos de aniquilación, para probar la dinámica de la galaxia y la física de la formación de estructuras.

WIMP – Son partículas hipotéticas que sirven como una solución posible para el problema de la materia oscura. Esas partículas interactúan a través de la fuerza nuclear débil y la gravedad, y posiblemente a través de otras interacciones no tan fuertes como la fuerza débil. Dado que no interactúan con el electromagnetismo, no pueden observarse directamente y como tampoco interactúan con la fuerza nuclear fuerte, no tienen una reacción fuerte con los núcleos atómicos.

¿Cuáles son las propiedades de los neutrinos?

¿Cuál es la masa de un neutrino? ¿Cuáles son los ángulos de mezcla y acoplamiento de la materia ordinaria? La astronomía de neutrinos solares determinó la temperatura central del Sol a un 1% y proporcionó la primera evidencia de las oscilaciones de los neutrinos. Los eventos de neutrinos de la supernova 1987A, confirmó las ideas básicas científicas acerca del colapso de los núcleos estelares y colocó nuevos avances en las propiedades de los neutrinos. Debido a los rápidos avances en las tecnologías de detección de neutrinos, en la próxima década, los astrónomos serán capaces de utilizar los neutrinos para investigar de forma precisa los interiores del Sol y de las supernovas, así como los aceleradores de ultra alta energía cósmica. Las mediciones cosmológicas del crecimiento estructurado ofrecen investigaciones más sensibles de la escala de la masa de los neutrinos, con el potencial para alcanzar el 0.05 eV, el límite más bajo establecido para los experimentos de oscilación. La siguiente generación de detectores de neutrinos podría detectar el fondo cósmico de neutrinos producidos en la historia de la formación y colapso estelar. Los detectores de neutrinos de ultra alta energía registrarán los neutrinos producidos por las interacciones de los UHECR con fotones de la CMB, las mismas interacciones que degradan la energía de las partículas cargadas y causan los cortes de alta energía. Estos experimentos ofrecen un sondeo único en la física y más allá en la escala TeV. La mejora en las mediciones de los abundantes elementos ligeros podría aliviar la tensión existente entre las predicciones de la BBN y las observaciones, o podrían amplificar esta tensión y señalar el camino hacia un modelo revisado de la física de neutrinos o los inicios del Universo.

Área de descubrimiento: Astronomía de las ondas gravitatorias

Con los futuros y potenciales experimentos acerca de abrir una nueva ventana sobre el Universo, la astronomía de ondas gravitatorias es un área potencial de descubrimiento inusual cuyos resultados pueden ser realmente revolucionarios. Las ondas gravitatorias, a punto de ser detectadas, pueden ser utilizadas para estudiar objetos astrofísicos de importancia central para la astronomía actual y desarrollar análisis de precisión de la relatividad general. Las fuentes conocidas más fuertes de ondas gravitatorias involucran condiciones extremas (Agujeros negros y estrellas de neutrones, y especialmente los estrechos sistemas binarios que los contienen, supernovas de núcleos colapsados, la evolución de las cuerdas cósmicas y las fluctuaciones del Universo primitivo) y los estudios de estos fenómenos pueden dar avances en el entendimiento de la materia en alta energía y densidad. La relatividad general predice que las ondas gravitatorias se propagan a la velocidad de la luz y producen un patrón de fuerza que es transversal y cuadripolar. Las observaciones del surgimiento de agujeros negros en proporción con ruido de alta señal, harán posibles análisis extremadamente precisos de muchas predicciones de la relatividad general en el régimen del campo fuerte, tal como la existencia de los agujeros negros y si el espacio-tiempo deformado a su alrededor obedece a los teoremas desarrollados por Hawking, Penrose y otros. Y dado que el surgimiento de agujeros negros binarios funciona como ‘sirena estándar’, existe una relación conocida entre su forma de onda y su luminosidad intrínseca. Si sus contrapartes ópticas se pueden detectar, permitirán un nuevo enfoque de la medición de distancias absolutas de objetos de alto desplazamiento al rojo.

En la actualidad, se tiene en funcionamiento una red mundial de observatorios terrestres de láser de interferometría de ondas gravitatorias, cubriendo el rango de 10-1000 Hz de frecuencia. Esta red podrá detectar el surgimiento de agujeros negros provenientes de estrellas de neutrones y agujeros negros de masa estelar. Operando en frecuencias más bajas (9-10 Hz) se pueden detectar pulsares. El rango de baja frecuencia (entre 1 y 5 Hz) se cree que es rico en fuentes de ondas gravitatorias de gran interés para la astronomía, la cosmología y la física fundamental. A esta porción del espectro de ondas gravitatorias solo puede accederse desde el espacio. Detecciones con base en el espacio pueden lograr medidas mucho más precisas del surgimiento de agujeros negros y de este modo, tener análisis más robustos de la relatividad general.

Actividades teóricas y computacionales

La teoría y la observación están estrechamente entrelazados en las investigaciones de cosmología y física fundamental, por lo que a menudo es difícil definir una frontera entre ellos. Muchas de las ideas que son centrales para las investigaciones empíricas de la próxima década se originaron hace décadas como especulaciones teóricas. Muchas de las herramientas que ahora se están utilizando para estas investigaciones surgieron de los estudios teóricos iniciados mucho antes de que los métodos fueran técnicamente viables. La teoría juega un papel importante en el diseño de experimentos, la optimización de los métodos de extracción de la señal y el entendimiento y mitigación de errores sistemáticos. Los avances teóricos a menudo amplifican el regreso científico de un conjunto de datos o un experimento mucho más allá de su diseño inicial. Más especulativo, la teoría de la exploración puede producir el avance que lleva a una explicación natural de los fenómenos observados o una predicción de nuevos fenómenos extraordinarios. En todos esos ámbitos, la computación de alto rendimiento juega un papel fundamental y creciente. El desarrollo robusto de una amplia gama de actividades teóricas y computacionales es esencial a fin de obtener la devolución de las grandes inversiones en instalaciones de observación previstas para la próxima década.

IFR desarrolló un nuevo método para la detección de esporas de Clostridium botulinum

noreply@blogger.com (Torjo Sagua) — Tue, 04 Jan 2011 02:43:00 +0000

Clostridium botulinum

El IFR (Institute of Food Research) ha colaborado en el desarrollo de un nuevo método para detectar esporas del Clostridium botulinum no proteolítico. Esta bacteria es el mayor peligro a la salud asociado con alimentos refrigerados, y este desarrollo le proporciona a la industria alimenticia y a las agencias normativas más información cuantitativa en la cual basar los procedimientos que aseguran la inocuidad de los alimentos.

El botulismo es una rara pero mortal forma de envenenamiento alimenticio que puede ser causado por el consumo de pequeñas cantidades de la neurotoxina botulinum. Esta es la toxina más potente conocida (Solo 30 nanogramos son suficientes para causar una enfermedad o hasta la muerte), y el consumo de 0.01 gramos de un alimento que contenga C. botulinum en crecimiento puede resultar en botulismo.

La mayoría de los casos son causados por dos bacterias conocidas como C. botulinum proteolítico y C. botulinum no proteolítico. La principal diferencia entre ambas es que la no proteolítica tiene la habilidad de crecer y producir la toxina a 3 °C, mientras que la proteolítica necesita temperaturas superiores a los 12 °C. Esta habilidad de crecimiento y producción de toxina a temperaturas de refrigeración, hace de C. botulinum no proteolítico un peligro mayor en alimentos refrigerados que tuvieron un proceso de cocción corto, como algunos platillos refrigerados listos para su consumo.

La producción incorpora prácticas y evaluación de peligros basados en la última información científica, tal como la resistencia de la espora al tratamiento térmico, propiedades de crecimiento de C. botulinum no proteolítico y la incidencia de esas esporas en el alimento. El nuevo método de detección está proporcionando información de alta calidad en la incidencia de las esporas en el alimento, tiene alta sensibilidad. Una característica importante de este método es que es específico y enumera solo esporas de C. botulinum no proteolítico. Algunas técnicas previas no eran óptimas para distinguir entre ambos tipos de bacterias. El nuevo método es muy sensible con un límite de detección muy bajo, el cual ha sido alcanzado por el uso de un análisis selectivo, amplio y enriquecido, y esto ha sido confirmado utilizando cuidadosamente un control estructurado de las muestras.

Este método robusto fue desarrollado como una colaboración entre el Nestlé Research Centre, en Suiza y el IFR (Institute of Food Research), un instituto del Biotechnology and Biological Sciences Research Council (BBSRC) y es diseñado para proporcionar la información que la industria alimenticia necesita para los cuantificar los riesgos en el análisis microbiológico y la implementación de los objetivos de inocuidad. Además, permite calcular el riesgo total de esporas de C. botulinum en el alimento final, este modelo, permitirá la gestión y el control del proceso más responsablemente.

Fuente:

Development and application of a new method for specific and sensitive enumeration of spores of non proteolytic Clostridium botulinum types B, E and F in foods and food materials.
Michael W. Peck et al.

Para Saber Más:

Botulism and food safety
Global Food Security website

Independent evolution of neurotoxin and flagellar genetic loci in proteolytic Clostridium botulinum

Andrew T. Carter et al.

Multiplex PCR to detect botulinum neurotoxin-producing clostridia in clinical, food and environmental samples

Dario De Medici et al.

Rapid affinity immunochromatography column-based tests for sensitive detection of Clostridium botulinum neurotoxins and Escherichia coli o157

Jason Brunt

Trinitamida - ¿El Combustible del Futuro?

noreply@blogger.com (Torjo Sagua) — Thu, 30 Dec 2010 03:38:00 +0000

Trinitamida

Crédito: Royal Institute of Technology (KTH) en Suecia

El pasado fin de semana, el Morex de Diario de un Webonauta, me envío una nota sobre esté tópico en particular. Trinitamida (TNA) es el nombre de una nueva molécula que puede ser un componente del combustible de los cohetes espaciales del futuro. Este combustible podría ser un 20-30% más eficiente en comparación con los que tenemos en la actualidad. Este descubrimiento fue realizado por el Instituto Real de Tecnología (KTH), en Suecia.

Se ha demostrado que por cada incremento del 10% en la eficiencia de los combustibles de cohetes, la carga útil del mismo puede duplicarse. Además, esta molécula solo está compuesta de nitrógeno y oxígeno, lo cual la cataloga como amistosa con el medio ambiente. Esto es más de lo que puede decirse de los sólidos combustibles actuales, los cuales emiten alrededor de 550 toneladas de ácido hidroclorhídrico concentrado en cada lanzamiento del transbordador espacial.

El descubrimiento de esta molécula, en el grupo de óxidos de nitrógeno, se realizó mientras el equipo estaba investigando la distribución de otro compuesto utilizando cálculos de química cuántica, pudieron determinar que este nuevo compuesto es estable. Estaban trabajando en la búsqueda de una alternativa al combustible sólido utilizado en la actualidad cuando realizaron este hallazgo.

Como se menciona un par de párrafos más arriba, solo está compuesta de nitrógeno y oxígeno, solo se conocían 8 compuestos con estas características, y la mayoría habían sido descubiertos en el siglo XVIII. Es también la molécula más grande en su tipo, su fórmula molecular es N(NO2)3, y su forma es similar a la de una hélice (Como se muestra en la imagen).

El equipo de investigación (Martin Rahm, Sergei Dvinshikh, István Furó y Tore Brinck) ha demostrado que la molécula puede producirse y analizarse, y lograron fabricar una cantidad suficiente en un tubo de ensayo para que sea detectable, quedando solo como pendiente ver cuán estable es en su forma sólida. Fue preparada siguiendo estudios extensos de química cuántica en los cuales se estimaron varias propiedades físicas y su estabilidad cinética. La TNA fue detectada utilizando espectroscopias IR (Infrarrojo) y NMR (Resonancia Magnética Nuclear). Es altamente energético y entre sus probables usos está el ya mencionado como propulsión criogénica y como reactivo de alta densidad energética en la investigación de materiales.

Fuente:

Experimental Detection of Trinitamide N(NO2)3

Dr. Martin Rahm, Dr. Sergei V. Dvinskikh, Prof. István Furó and Prof. Tore Brinck.

¡Feliz Día del Escepticismo! (In Memoriam Carl Sagan)

noreply@blogger.com (Torjo Sagua) — Mon, 20 Dec 2010 20:21:00 +0000

Carl Sagan

Imagen tomada de Internet

¡Feliz día del Escepticismo! Hace unos minutos leí en un sitio argentino, acerca de esta iniciativa, de que en la fecha del fallecimiento de Carl Sagan (20 de diciembre de 1996) se conmemorará el Día del Escepticismo, realizando una pequeña entrada sobre este tópico. Por lo tanto, desde Terminus, nos unimos a esta iniciativa, por el impacto que tuvieron las publicaciones de este gran divulgador, pues su legado nos ha inspirado.

Creo que mucha gente tuvo su primer encuentro con Carl Sagan por medio de la película Contacto, por lo menos aquellos que no gustan de participar de forma activa en el campo de la astronomía o la filosofía. A título personal, tuve el privilegio de que a mi padre le gustaran estos tópicos, y cuando en nuestro país (México) se transmitió la seria Cosmos, fue una serie 'obligada' de ver, llenándonos de fascinación e incrementando en cada capítulo el interés por conocer más sobre el tema en cuestión, considerándome un fan de la ciencia desde entonces.

El tenía un extraordinario talento para hablar largo y tendido acerca de tópicos complejos en una forma directa y fácil de entender. Se podría interpretar que Cosmos fue un mensaje que Carl nos entregó, donde nos explica el Universo, demostrándonos con pasión que somos y que lugar ocupamos, nos mostró un reto a la imaginación, a nuestra mente, para que expandiéramos nuestras limitaciones. Nos explicaba Física conceptual, no necesitaba explicarnos ecuaciones, yo era un niño de aproximadamente diez años, y capturaba mi atención durante todo el programa, o mejor dicho, durante ese viaje mágico.

El momento más vivido de mi infancia, relacionado con Cosmos, fue cuando explica como Eratóstenes (del 276 al 194 de la Era Común) pudo determinar la longitud de la circunferencia de la Tierra, utilizando trigonometría, con un error aproximado del 1%, gran logro, utilizando sombras y su ingenio, pero sobre todo si consideramos que unos pocos siglos después, el afirmar esto era un pasaporte directo a la hoguera. Pero me estoy desviando.

El colaboró con importantes descubrimientos en Marte y Venus, y fue uno de los principales artífices del arranque del proyecto SETI y del Voyager.

En fin, no creo poder escribir algo sobre él que nadie más haya escrito, tanto por sus logros, como la inspiración y legado que nos dejó, no solo a mi generación, sino a posteriores.

Como cierre:

Existe una celebración llamada "Carl Sagan Day" el cual se celebra a principios de noviembre, tratando de que coincida en la manera de lo posible, con su natalicio (9 de noviembre de 1934). También, a manera de homenaje, se le ha incluído dentro del proyecto musical "Symphony of Science".

Citas:

No puedes convencer a un creyente de nada, porque sus creencias no están basadas en evidencia, sino en una enraizada necesidad de creer.

Somos la única especie del planeta que ha inventado una memoria comunal que no está almacenada ni en nuestros genes ni en nuestros cerebros, este almacén se llama biblioteca.

Cada esfuerzo por clarificar lo que es ciencia y de generar entusiasmo popular sobre ella es un beneficio para nuestra civilización global. Del mismo modo, demostrar la superficialidad de la superstición, la pseudociencia, el pensamiento new age y el fundamentalismo religioso es un servicio a la civilización…

La queja.

Mi país es prácticamente acientífico, y se preocupan más por los resultados del futbol soccer o de lo que pasó en las telenovelas y la vida real de sus protagonistas, que en una preparación científica en todos los niveles, aunado al hecho de que nuestras autoridades, solo se preocupan en ver como ordeñar cada vez más el presupuesto para aumentarse el salario, las prestaciones, etc., y no buscan invertir en las áreas tecnológicas, para que podamos salir del status de "País en vías de desarrollo" que recuerdo me lo explicaron hace más de 20 años. Sirva desde aquí el hacer un llamado a nuestros amables lectores a que utilicen todos los medios actuales de divulgación para poder instruir a los niños, no les pido que convoquen a todos los vecinos, pero a sus hijos, por lo menos, para extender una formación científica que nos permita crecer como civilización, y no terminar en la barbarie. Hay demasiados ejemplos en la historia, acerca de como las civilizaciones, después de alcanzar el pináculo, decaen. Evitémoslo, con detalles simples pero concretos se pueden hacer muchas cosas, mi hijo mayor tiene cuatro años y se sabe ya el nombre de los planetas y explicaciones sencillas de porque suceden las cosas, de que no hay nada sobrenatural, pero en fin, creo que me estoy extendiendo demasiado. Gracias por leer.

Larga vida y prosperidad.