Conferència de l'Astronòmica de Sabadell. Albert Morral, 4 d'abril de 2025
La xerrada d’avui és un divertiment, ja veieu que el títol és una mica de conya. Així doncs, parlarem de làsers, d’extraterrestres i després ho lligarem tot plegat. Començarem amb els extraterrestres.
Vida a l’Univers
Per què hi vida a la Terra? Què fa la Terra que sigui especial perquè hi hagi vida? Aquesta pregunta se la van fer els científics ja fa molts anys i van fer una llista amb tot allò que semblava imprescindible per a la vida. La llista va quedar més o menys de la següent manera:
- Matèria orgànica
- Aigua líquida
- Oxigen
- Atmosfera
- Camp magnètic
- La Lluna
Però estudis posteriors van anar treient elements no imprescindibles. En primer lloc, l’oxigen no és imprescindible ja que es van trobar extremòfils, organismes que no respiren oxigen. L’atmosfera tampoc és necessària perquè si no n’hi hagués seria difícil trobar vida a la superfície de la Terra, però podria haver-hi vida sota l’aigua o sota terra. Igualment passa amb el camp magnètic. I finalment, no està clar que un planeta sense satèl·lit que estabilitzi la rotació terrestre sigui imprescindible. Per tant, al final, la llista de tot allò imprescindible per a la vida, va quedar de la següent manera:
- Matèria orgànica
- Aigua líquida
Així doncs, l’imprescindible per a la vida és la matèria orgànica i l’aigua líquida. La matèria orgànica és la matèria, a partir de la qual es podrien formar proteïnes, glúcids, hidrats de carboni i aminoàcids, que a la vegada, si es combinessin de certa manera, podrien donar lloc a la vida. I l’aigua líquida és ideal perquè la matèria orgànica es combini i formi molècules més complexes.
També podem analitzar quina és la composició química de l'univers i quina és la composició química de la vida aquí a la Terra -la única que coneixem-. I la veritat és que es correspon bastant bé com veiem a la imatge següent (figura 1).
Figura 1. Composició de l’Univers i composició de la vida
Com es pot veure, excepte l’heli, els 4 primers elements més abundants a l’Univers són els bàsics per a la vida: hidrogen, oxigen, carboni i nitrogen. Per tant, la vida usa els elements més abundants. Això fa suposar que si apareix la vida en un altre indret de l’Univers, segurament estarà format per cadenes de carboni igual que nosaltres, més que res perquè és un dels elements més abundants de l’Univers. Podria ser que en algun planeta, en algun lloc, la vida s'hagués format a partir de cadenes de silici enlloc de cadenes de carboni, però hi ha de silici a l'univers? Poquíssim, una misèria absoluta. Hi ha moltíssim més carboni. O sigui que sembla que la vida que tenim aquí ha agafat el més favorable, el que més abunda.
Hi ha matèria orgànica a l’Univers? Sí, moltíssima, en trobem per tot arreu, a les nebuloses, als asteroides, als cometes, als planetes, etc. I hi ha aigua a l’Univers? Sí, és la molècula més abundant de tot l’Univers. Ara bé, el més difícil és trobar-la en forma líquida. La major part de l’aigua la trobem en forma de gas o en forma de gel. Per trobar vida hem de buscar llocs on pugui haver-hi aigua líquida.
Molt bé, anem a buscar on pot haver-hi aigua líquida a l'univers. De què està fet l’Univers? De galàxies. En el medi intergalàctic la temperatura és molt baixa, de només -270 graus, per tant allà no pot haver-hi aigua líquida. Cal que anem dins d’una galàxia.
Les galàxies estan formades per milions d’estrelles, una gran forat negre central i núvols de gas. En el medi interestel·lar la temperatura segueix sent molt baixa, també d’uns -270 graus, per tant allà tampoc pot haver-hi aigua líquida.
Perquè la temperatura pugi una mica cal que ens acostem a una estrella. Les estrelles són les fonts d’energia i calor de l’Univers. Si ens hi acostem massa la temperatura serà massa alta, però a certa distància la temperatura és perfecte per a l’existència d’aigua líquida. Al voltant de cada estrella hi ha una zona habitable (figura 2). Allà, si hi ha algun planeta o satèl·lit podria haver-hi aigua líquida.
Figura 2. Zona habitable al voltant d’una estrella.
La zona habitable nomes depèn de com és l’estrella. Si és una estrella molt energètica, la zona habitable estarà bastant lluny de l’estrella, però si és una estrella més freda, la zona habitable estarà molt més a prop de l’estrella.
Tot això és molt teòric, però si ho calculem pel cas del Sistema Solar, s’obté que la zona habitable conté tres planetes: Venus, la Terra i Mart. Per tant, la teoria quadra bé amb la realitat. De fet, creiem que quan aquests tres planetes es van formar, tots ells devien tenir aigua líquida, però les seves atmosferes van evolucionar i ja fa temps que ni Venus ni Mart tenen aigua líquida, almenys a la seva superfície. En el cas de Mart és claríssim, ja que veiem rius secs, mars secs i tot de formacions rocoses que necessitaven aigua per formar-se.
I en el Sistema Solar hi ha dos llocs més on sabem que hi ha aigua líquida: a Europa, satèl·lit de Júpiter, i a Encèlad, satèl·lit de Saturn. En aquests casos, no és perquè estiguin a la zona habitable del Sol sinó perquè les forces de marea dels seus planetes escalfen l’interior d’aquests satèl·lits.
També podem buscar vida fora del Sistema Solar. Ja fa temps que estem descobrint exoplanetes. El primer es va descobrir l’any 1995 i ja en portem més de 7.000 de descoberts. Els primers satèl·lits que estudiaven exooplanetes es dedicaven a descobrir-ne molts, però avui en dia es dediquen més a caracteritzar-los, a saber amb molt detall com són les seves característiques. I avui en dia ja s’està estudiant com són les seves atmosferes. Quan es produeix un trànsit, una part de la llum de l’estrella travessa l’atmosfera del planeta i afecta la seva llum. D’aquesta manera podem començar a saber quines molècules formen aquesta atmosfera.
Quan sapiguem amb molt detall la composició química exacta d’una atmosfera podrem saber si en aquell planeta hi ha vida o no. Es tracta de trobar biomarcadors, conjunts de molècules incompatibles entre elles i que si existeixen és degut a la presència de vida.
I una manera més sofisticada de descobrir vida en un exoplaneta és trobant tecnomarcadors en la seva estrella. Es a dir, si existeix una civilització prou avançada, segurament aprofitarà al màxim l’energia de l’estrella, i haurà col·locat tot un sistema de captació de la llum estel·lar, per exemple. Això ho podríem detectar observant l’estrella (figura 3).
Figura 3. Estructura al voltant d’una estrella per aprofitar al màxim l’energia estel·lar.
El projecte SETI
Una manera alternativa de trobar vida a l’Univers és la que proposa el projecte SETI. Aquest projecte va néixer als Estats Units l’any 1960, de la mà de científics com Frank Drake o Carl Sagan. En aquest cas no es tracta de trobar qualsevol tipus de vida sinó vida tecnològica, és a dir, senyals de ràdio emeses per altres civilitzacions avançades.
En aquest cas ja s’està restringint molt més la búsqueda. Fins ara parlàvem de qualsevol tipus de vida, però ara ja parlem només de vida tecnològica. Cal pensar que en els 4.600 milions d’anys que té la Terra, els 600 primers milions d’anys van ser molt convulsos, la Terra estava molt calenta, va rebre grans impactes. Fa uns 4000 milions d’anys la Terra es va començar a refredar, i fa uns 3.800 milions d’anys ja trobem indicis de vida. Però fins fa uns 600 milions d’anys, la vida només era bacteriana, molt senzilla. A partir d’aleshores es va formar vida pluricel·lular, va evolucionar i es va tornar complexa. Fa pocs milions d’anys que hi ha vida intel·ligent, entenent per intel·ligent que algunes espècies van començar a fabricar instruments; i només fa cent anys que hi ha vida tecnològica, és a dir, que podem enviar senyals electromagnètiques a l’espai.
És a dir, que durant el 82% d’història de la Terra hi ha hagut vida; durant el 0,13% d’història de la Terra hi ha hagut vida intel·ligent; i només durant el 0,000002% d’història de la Terra hi ha hagut vida tecnològica. Si això ho extrapolem a altres planetes on ha aparegut la vida, la vida tecnològica representa una minúscula fracció de la total.
Així doncs, el projecte SETI es dedica a escoltar l’Univers amb radiotelescopis i intentar descobrir el senyal d’alguna civilització extraterrestre. I també, a vegades emeten senyals cap enfora, per si alguna civilització ens està escoltant a nosaltres.
I en quina freqüència s’escolta i s’emeten ones electromagnètiques? Es va arribar a la conclusió que s’havia de fer amb la freqüència més universal, la de longitud d’ona de 21 cm. Com sabeu, la nostra galàxia i l’Univers en general està plena de núvols de gas d’hidrogen, que és l’element més abundant amb molta diferència. Aquests núvols són molt poc densos i molt freds. Són tan freds, que els seus electrons generalment no tenen energia per saltar de nivell, i per tant no poden emetre llum degut als salts electrònics. I semblaria que, per tant, no emeten llum. Però això no és veritat.
Un àtom d’hidrogen està fet per un protó més un electró. En el cas de l’hidrogen d’aquests núvols, l’electró està en el nivell de mínima energia. Però aquestes partícules tenen una propietat quàntica que és l’espín, que és un moment angular intrínsec i que podríem pensar com una rotació. Doncs bé, segons la física quàntica, aquest moment angular està quantitzat i només pot tenir dues direccions possibles. Això vol dir que el protó i l’electró poden tenir els espins paral·lels -els dos en la mateixa direcció- o antiparal·lels -un en una direcció i l’altre en la direcció contrària-.
Resulta que si són paral·lels l’àtom té una mica més d’energia que si són antiparal·lels. La diferència energètica és petitíssima, de només 5,9 10-6 eV, que vol dir una freqüència de 1420 MHz o una longitud d’ona de 21 cm, que es troba dins del rang de les ones de ràdio.
Si hi ha un núvol de gas hidrogen fred, alguns dels àtoms passaran de la configuració paral·lela a l’antiparal·lela i emetran un fotó amb aquesta energia. Es l’anomenada radiació de 21 cm (figura 4).
Figura 4. Emissió de radiació en 21 cm
Així doncs, el projecte SETI es dedica, des de fa dècades, a captar emissions en 21 cm per esbrinar si algun dels senyals és d’alguna civilització tecnològica.
El senyal wow
El 15 d’agost de 1977, el radiotelescopi Big Ear de la Universitat d’Ohio va rebre un senyal de ràdio desconegut durant 72 segons, que es va fer famosa amb el nom de la senyal wow.
El radiotelescopi Big Ear era un gran radiotelescopi molt peculiar. Enlloc de tenir forma d’antena, tenia forma de camp de futbol. La seva base era plana, mesurava 103x33 m i en dos costats llargs tenia unes xarxes metàl·liques, en un costat la xarxa era perpendicular al terra, mentre que en l’altre estava inclinada. La xarxa inclinada rebia les ones de ràdio, les reflectia cap a la xarxa vertical i aquesta les enviava cap a un receptor, amb forma de bocina que hi havia situada en un lateral del camp, en la posició de la porteria.
Figura 5. Radiotelescopi Big Ear
Aquest radiotelescopi estava captant senyals en 21 cm de l’Univers, i aquests senyals es registraven en un full de paper continu en aquella època.
Al mes d’agost de 1977, Jerry R. Ehman, que estava treballant com a voluntari en el projecte SETI, va revisar els registres del radiotelescopi dels darrers dies i va trobar un senyal anormalment intens. Va quedar tan sorprès que en el mateix paper va escriure Wow! (figura 6).
Figura 6. Seqüència numèrica del senyal Wow
En aquest full apareixen 50 columnes diferents que es corresponen a 50 freqüències diferents (50 canals diferents), i cada canal tenia una banda molt estreta. Si no hi ha res vol dir que només hi ha soroll, i si hi ha un número vol dir que el senyal és tants sigmes per sobre del soroll. Els números arriben fins al 9 i per anar més enllà s’escrivien lletres, així A vol dir 10, B vol dir 11, etc.
La senyal wow té la següent seqüència: 6EQUJ5 que passat a números és: 6,14, 26, 30, 19, 5. Cada valor dura 10 s més 2 s de processament, per tant tot el senyal dura 72 s. Si ho passem a una gràfica obtenim el següent (figura 7).
Figura 7. Senyal Wow
Aquest senyal l’hem d’interpretar de la següent manera: no és que el senyal pugi i baixi, sinó que el senyal era constant i la Terra al girar va passar per sobre del senyal i va marxar.
A més, el radiotelescopi tenia dues bocines que registren el mateix amb 5 minuts de diferència. Una bocina va registrar el senyal mentre que l’altra no. Per tant va ser un senyal ràpid, que va durar poc. El senyal va venir d’una zona de la constel·lació de sagitari.
Què va produir el senyal Wow? No en tenim ni idea, però evidentment han aparegut hipòtesis de tots colors, s’han escrit llibres i s’ha especulat moltíssim. És un senyal molt famós. I molts científics han intentat explicar el seu origen. El més acceptat és que potser va ser l’emissió d’un cometa que passava per la zona el dia de l’emissió.
Làsers
Canviem de tema i parlem dels làsers. Després lligarem les dues coses. Com tots sabeu un làser és un aparell que emet llum i que avui en dia té moltes utilitats: per senyalar en una pantalla, per llegir CD o DVD, per operar, per tallar xapa metàl·lica, per transmissions de comunicació, etc. Però no és una font de llum normal, amb una bombeta o un led no podem operar. Llavors, què és el que la fa tan especial?
D’entrada veiem que els làsers tenen dues propietats importants: són monocromàtics i formen un feix de llum molt col·limat. I encara en tenen una altra que no es veu tan ràpidament: la seva llum és coherent. Veurem què vol dir tot això.
Els làsers són una de les grans aplicacions de la física quàntica. Sense aquesta disciplina no s’haurien pogut inventar. Anem a veure una mica el seu desenvolupament:
La física quàntica ens diu que algunes propietats de la matèria estan quantitzades, no són contínues, com per exemple l’energia dels sistemes. L’exemple més típic que s’utilitza per explicar això són els nivells electrònics dels àtoms. Un àtom està format per un nucli central -amb protons i neutrons- i amb electrons orbitant al seu voltant. Avui en dia ja sabem que no són òrbites clàssiques com les dels planetes al voltant del Sol, sinó que es parla d’orbitals, però l’important és que cada orbital té un nivell d’energia determinat. Es a dir, els electrons no poden tenir qualsevol valor d’energia sinó que només en poden tenir uns de concrets. Així doncs, un electró pot estar al nivell 1 -que és el més baix, el menys energètic-, al nivell 2, al nivell 3, etc. Però no pot estar entremig.
Ara bé, els electrons poden saltar d’un nivell a un altre. Per pujar d’un nivell energèticament baix a un nivell més alt només ho pot fer si absorbeix un fotó -una partícula de llum- amb l’energia exacta per passar d’un nivell a l’altre. I per baixar d’un nivell energèticament alt a un de més baix només s’ha de despendre de l’energia sobrant emetent un fotó amb aquest valor energètic. Així doncs, pujar de nivell normalment costa molt més que baixar-ne. És més, quan un electró ha pujat de nivell, normalment al cap d’un instant -típicament 10-8 s- es desprèn de l’energia sobrant en forma de fotó i torna a baixar. Els electrons prefereixen estar al nivell mínim d’energia possible. Aquests processos d’emissió i d’absorció de fotons per part d’electrons s’anomenen emissió espontània i absorció espontània.
Aquestes idees bàsiques ja van aparèixer de la mà de Niels Bohr l’any 1913. Encara que no se sabia el perquè ja es veia que el comportament dels electrons seguia aquest patró, i sobretot que els seus nivells d’energia estaven quantitzats.
Quatre anys després, el 1917, Albert Einstein va descobrir que hi pot haver un altre tipus d’emissió de fotons: l’emissió estimulada (figura 8). Si en un àtom un electró està en un nivell excitat, i passa un fotó amb l’energia idèntica al salt energètic de l’electró, l’electró excitat es desexcitarà emetent un fotó. Però mireu què passarà: el fotó incident i el fotó emès seran idèntics, és a dir, amb la mateixa energia (i això també vol dir el mateix color), es mouran en la mateixa direcció però a més tindran també la mateixa fase.
Figura 8. Emissió estimulada
Que dos fotons tinguin la mateixa fase vol dir que la seva llum serà coherent. La coherència és una propietat de totes les ones i té a veure amb les seves interferències. Dues ones poden interferir de diferent manera, de forma totalment constructiva, totalment destructiva o amb diferents graus. Dues ones són coherents si interfereixen de forma totalment constructiva, no s’anul·len entre elles, és a dir els seus màxims i els seus mínims coincideixen.
I aquest és el principi físic del làser: es tracta de la creació d’un feix de llum col·limat (en la mateixa direcció), monocromàtic i coherent, a partir de l’emissió estimulada d’una gran quantitat de fotons.
I com en moltes altres coses, el pare teòric del làser va ser Albert Einstein. Si al 1917 va descriure el fenomen de l’emissió estimulada, el 1926 ell mateix en derivà les equacions corresponents.
Ara bé, una cosa és la teoria i una altra ben diferent és la pràctica. Va costar molt arribar a produir llum làser. No va ser passada la segona guerra mundial que els físics es van interessar per aquest fenomen i van buscar com produir llum estimulada. De fet el nom de làser és un acrònim que significa: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation «amplificació de llum per emissió estimulada de radiació »
El 1953 Charles H. Townes i dos dels seus estudiants de la Universitat de Columbia (EUA) van produir el primer màser, que és l’equivalent al làser però amb microones i no llum visible. Aquest màser, però no podia emetre radiació de forma continuada. Al mateix temps els soviètics Nikolai Bàssov i Aleksandr Mikhailovitx Prókhorov solucionaren els problemes de l’emissió contínua i aconseguiren crear un estat d’inversió de població permament. Aquests tres físics, Townes, Bàssov i Prókhorov, guanyaren el Premi Nobel el 1964 pels seus treballs fonamentals sobre l'electrònica quàntica, el que ha permès la construcció d'oscil·ladors i amplificadors basats en el principi màser-làser.
Finalment, el primer làser funcional el dissenyà i construí el 1960 Theodore H. Maiman, dels laboratoris de recerca de Califòrnia (EUA) a partir d’un cristall de robí. I durant els anys 60 s’idearen altres tipus de làsers: de gas (heli i neó), de semiconductors, etc. Al principi tots eren de polsos però als anys 70 ja aparegueren làsers d’emissió contínua.
El cas dels làsers és molt curiós perquè una vegada descoberts o inventats no se’ls coneixia cap aplicació pràctica. Però ben aviat ja es van començar a usar massivament a escala industrial. La primera aplicació quotidiana dels làsers fou per a lectors de codis de barres, iniciada el 1974. Posteriorment, al 1982, es van començar a usar com a lectors de CD, i a partir d’aquí les seves aplicacions es van disparar.
Possible explicació del senyal wow
El passat estiu es va publicar un article amb una nova explicació sobre el senyal Wow. I aquí és on lliga aquest senyal amb els làsers.
Els autors de l’article són Abel Méndez (Universitat de Puerto Rico), Kevin Ortiz Ceballos (Universitat Harvard, USA) i Jorge I. Zuluaga (Universitat d’Antioquia, Colòmbia). Han treballat amb dades obtingudes pel radiotelescopi d’Arecibo, entre els anys 2017 i 2020. Recordem que aquest radiotelescopi va ser el major radiotelescopi del món durant molts anys, amb un diàmetre de 305 m, fins que l’1 de desembre de 2020 es va ensorrar a causa del trencament previ de diversos cables que el subjectaven.
Aquests autors van buscar a l’arxiu d’Arecibo dades que fossin molt semblants al senyal wow. Es a dir, van buscar senyals de banda estreta i entre 1000 i 10.000 MHz. Aquestes observacions es van fer dins d’un programa anomenat reds, que es dedicava a estudiar estrelles nanes vermelles. I encara continua, però després de l’ensorrament de la gran antena, ha continuat amb un radiotelescopi més petit de 12 m també a Arecibo.
L’estudi de les nanes vermelles amb ràdio és molt important per l’astrobiologia perquè no sabem si els exoplanetes que hi ha al voltant d’aquestes estrelles tan petites i fredes poden ser habitables. El problema és que aquestes estrelles tenen unes tempestes estel·lars molt importants que poden arrassar els planetes potencialment habitables. I aquestes tempestes es poden estudiar per la seva emissió ràdio.
Doncs bé, en el marc del programa reds, aquests autors han buscat senyals semblants al wow i n’han trobat 4! Ara bé, no amb la intensitat tan forta de l’original, sinó que unes 100 vegades menys intenses. Tots aquests senyals estan a prop de l’estrella Teegarden, nana vermella que es troba a només 12 anys llum de nosaltres, i a la qual se li coneixen 2 exoplanetes, un dels quals a la zona habitable de l’estrella.
Aquests quatre senyals es corresponen amb núvols interestelars d’hidrogen fred (HI) de la nostra galàxia.
Figura 9. Els quatre senyals semblants al wow
Per tant, el més semblant al senyal wow que hem identificat realment són aquests núvols freds. I com pot ser que la intensitat augmenti unes 100 vegades? Doncs perquè de forma natural es produeix una emissió màser (un làser de microones). Al darrera de cadascun dels núvols hi ha una font de llum transitòria, que ja pots ser de banda ampla, com ara una estrella que produeixi una fulguració, o d’alguna emissió més intensa deguda a algun mecanisme més energètic, com un magnetar o una font suau de raigs gamma (Soft gamma repeater). Aquesta emissió produiria una gran inversió de població en els àtoms d’hidrogen del núvol, que s’anirien desexcitant de forma estimulada, és a dir, un mecanisme de maser natural.
Figura 10. Explicació del senyal Wow per emissió màser d’una font energètica
No sabem si això va ser així exactament, però ha servit per explicar que a l’Univers hi ha mecanismes que operen com un làser natural, i que el senyal wow potser va ser degut a aquest mecanisme.
Col·loqui
Com s’anomenen els exoplanetes quan es descobreixen?
Amb el nom de l’estrella més una lletra: b, c, d...
Vaig llegir un article que deia que d’aquí 4 anys ja podrem saber si Pròxima b té vida, com pot ser?
Sí, estan construint el telescopi terrestre més gran del món, a Xile, i tindrà gairebé 40 m de diàmetre. Amb aquest telescopi s’obtindran uns espectres tan detallats que podrem saber amb molt detall la composició química de l’atmosfera d’aquest planeta, i deduir si hi ha vida o no.