Conferencia de la Astronómica de Sabadell. Albert Morral, 4 de abril de 2025
La charla de hoy es un divertimento, ya lo veis con el título. Así pues, hablaremos de láseres, de extraterrestres y luego lo ligaremos todo. Empezaremos con los extraterrestres.
La vida al universo
¿Por qué hay vida en la Tierra? ¿Qué hace la Tierra que sea especial para que haya vida? Esta pregunta se la hicieron los científicos ya hace muchos años e hicieron una lista con todo aquello que parecía imprescindible para la vida. La lista quedó más o menos de la siguiente manera:
- Materia orgánica
- Agua líquida
- Oxígeno
- Atmósfera
- Campo magnético
- La Luna
Pero estudios posteriores fueron eliminando elementos no imprescindibles. En primer lugar, el oxígeno no es imprescindible ya que se encontraron extremófilos, organismos que no respiran oxígeno. La atmósfera tampoco es necesaria porque si no la hubiera sería difícil encontrar vida en la superficie de la Tierra, pero podría haber vida bajo el agua o bajo tierra. Igualmente pasa con el campo magnético. Y finalmente, no está claro que un planeta sin satélite que estabilice la rotación terrestre sea imprescindible. Por lo tanto, al final, la lista de todo lo imprescindible para la vida, quedó de la siguiente manera:
- Materia orgánica
- Agua líquida
Así pues, lo imprescindible para la vida es la materia orgánica y el agua líquida. La materia orgánica es la materia, a partir de la cual se podrían formar proteínas, glúcidos, hidratos de carbono y aminoácidos, que a su vez, si se combinasen de cierta manera, podrían dar lugar a la vida. Y el agua líquida es ideal para que la materia orgánica se combine y forme moléculas más complejas.
También podemos analizar cuál es la composición química del universo y cuál es la composición química de la vida aquí en la Tierra -la única que conocemos-. Y la verdad es que se corresponde bastante bien como vemos en la siguiente imagen (figura 1).
Figura 1. Composición del Universo y composición de la vida
Como se puede ver, excepto el helio, los 4 primeros elementos más abundantes en el Universo son los básicos para la vida: hidrógeno, oxígeno, carbono y nitrógeno. Por lo tanto, la vida usa los elementos más abundantes. Esto hace suponer que, si aparece la vida en otro lugar del Universo, seguramente estará formada por cadenas de carbono igual que nosotros, más que nada porque es uno de los elementos más abundantes del Universo. Podría ser que, en algún planeta, en algún lugar, la vida se hubiera formado a partir de cadenas de silicio en lugar de cadenas de carbono, pero ¿hay de silicio en el universo? Poquísimo, una miseria absoluta. Hay muchísimo más carbono. O sea que parece que la vida que tenemos aquí ha cogido lo más favorable, lo que más abunda.
¿Hay materia orgánica en el Universo? Sí, muchísima, la encontramos por todas partes, en las nebulosas, en los asteroides, en los cometas, en los planetas, etc. ¿Y hay agua en el Universo? Sí, es la molécula más abundante de todo el Universo. Ahora bien, lo más difícil es encontrarla en forma líquida. La mayor parte del agua la encontramos es en forma de gas o en forma de hielo. Para encontrar vida debemos buscar lugares donde pueda haber agua líquida.
Muy bien, vamos a buscar donde puede haber agua líquida en el universo. ¿De qué está hecho el Universo? De galaxias. En el medio intergaláctico la temperatura es muy baja, de sólo -270 grados, por lo tanto allí no puede haber agua líquida. Es necesario que vayamos dentro de una galaxia.
Las galaxias están formadas por millones de estrellas, un gran agujero negro central y nubes de gas. En el medio interestelar la temperatura sigue siendo muy baja, también de unos -270 grados, por lo tanto allí tampoco puede haber agua líquida.
Para que la temperatura suba un poco es necesario que nos acerquemos a una estrella. Las estrellas son las fuentes de energía y calor del Universo. Si nos acercamos demasiado a ellas la temperatura será demasiado alta, pero a cierta distancia la temperatura es perfecta para la existencia de agua líquida. Alrededor de cada estrella hay una zona habitable (figura 2). Allí, si hay algún planeta o satélite podría tener agua líquida.
Figura 2. Zona habitable alrededor de una estrella.
La zona habitable solo depende de cómo es la estrella. Si una estrella es muy energética, la zona habitable estará bastante lejos de ella, pero una estrella es más fría, la zona habitable estará mucho más cerca de ella.
Todo esto es muy teórico, pero si lo calculamos para el caso del Sistema Solar, se obtiene que la zona habitable contiene tres planetas: Venus, la Tierra y Marte. Por lo tanto, la teoría cuadra bien con la realidad. De hecho, creemos que cuando estos tres planetas se formaron, todos ellos debían tener agua líquida, pero sus atmósferas evolucionaron y ya hace tiempo que ni Venus ni Marte tienen agua líquida, al menos en su superficie. En el caso de Marte es clarísimo, ya que vemos ríos secos, mares secos y una gran cantidad de formaciones rocosas que necesitaban agua para formarse.
Y en el Sistema Solar hay dos lugares más donde sabemos que hay agua líquida: en Europa, satélite de Júpiter, y en Encélado, satélite de Saturno. En estos casos, no es porque estén en la zona habitable del Sol sino porque las fuerzas de marea de sus planetas calientan el interior de estos satélites.
También podemos buscar vida fuera del Sistema Solar. Ya hace tiempo que estamos descubriendo exoplanetas. El primero se descubrió en 1995 y ya llevamos más de 7.000 descubiertos. Los primeros satélites que estudiaban exoplanetas se dedicaron a descubrir muchos, pero los actuales se dedican más a caracterizarlos, a saber con mucho detalle cómo son sus características. Y hoy en día ya se está estudiando cómo son sus atmósferas. Cuando se produce un tránsito, una parte de la luz de la estrella atraviesa la atmósfera del planeta y afecta a su luz. De esta manera podemos empezar a saber qué moléculas forman esta atmósfera.
Cuando sepamos con mucho detalle la composición química exacta de una atmósfera podremos saber si en ese planeta hay vida o no. Se trata de encontrar biomarcadores, conjuntos de moléculas incompatibles entre ellas y que si existen se debe a la presencia de vida.
Y una manera más sofisticada de descubrir vida en un exoplaneta es encontrando tecnomarcadores en su estrella. Es decir, si existe una civilización lo suficientemente avanzada, seguramente aprovechará al máximo la energía de la estrella, y habrá colocado todo un sistema de captación de la luz estelar, por ejemplo. Esto lo podríamos detectar observando la estrella (figura 3).
Figura 3. Estructura alrededor de una estrella para aprovechar al máximo la energía estelar.
El proyecto SETI
Una manera alternativa de encontrar vida en el Universo es la que propone el proyecto SETI. Este proyecto nació en Estados Unidos en 1960, de la mano de científicos como Frank Drake o Carl Sagan. En este caso no se trata de encontrar cualquier tipo de vida sino vida tecnológica, es decir, señales de radio emitidas por otras civilizaciones avanzadas.
Como se ve, ya se está restringiendo mucho más la búsqueda. Hasta ahora hablábamos de cualquier tipo de vida, pero ahora ya hablamos sólo de vida tecnológica. Debemos tener en cuenta que en los 4.600 millones de años que tiene la Tierra, los 600 primeros millones fueron muy convulsos, la Tierra estaba muy caliente, recibió grandes impactos. Hace unos 4000 millones de años la Tierra se empezó a enfriar, y hace unos 3.800 millones de años ya encontramos indicios de vida. Pero hasta hace unos 600 millones de años, la vida sólo era bacteriana, muy sencilla. A partir de entonces se formó vida pluricelular, evolucionó y se volvió más compleja. Hace pocos millones de años que hay vida inteligente, entendiendo por inteligente que algunas especies empezaron a fabricar instrumentos; y sólo hace cien años que hay vida tecnológica, es decir, que podemos enviar señales electromagnéticas al espacio.
Es decir, que durante el 82% de historia de la Tierra ha habido vida; durante el 0,13% de historia de la Tierra ha habido vida inteligente; y sólo durante el 0,000002% de historia de la Tierra ha habido vida tecnológica. Si esto lo extrapolamos a otros planetas donde ha aparecido la vida, la vida tecnológica representa una minúscula fracción del total.
Así pues, el proyecto SETI se dedica a escuchar el Universo con radiotelescopios e intentar descubrir la señal de alguna civilización extraterrestre. Y también, a veces emiten señales hacia afuera, por si alguna civilización nos está escuchando a nosotros.
¿Y en qué frecuencia se escucha y se emiten ondas electromagnéticas? Se llegó a la conclusión de que la mejor opción era la frecuencia más universal, la de longitud de onda de 21 cm. Como sabéis, nuestra galaxia y el Universo en general está llena de nubes de gas de hidrógeno, que es el elemento más abundante con mucha diferencia. Estas nubes son muy poco densas y muy frías. Son tan frías, que sus electrones generalmente no tienen energía para saltar de nivel, y por lo tanto no pueden emitir luz debido a los saltos electrónicos. Y parecería que, por tanto, no emiten luz. Pero eso no es verdad.
Un átomo de hidrógeno está hecho por un protón más un electrón. En el caso del hidrógeno de estas nubes, el electrón está en el nivel de mínima energía. Pero estas partículas tienen una propiedad cuántica que es el espín, un momento angular intrínseco y que podríamos pensar como una rotación. Pues bien, según la física cuántica, este momento angular está cuantizado y sólo puede tener dos direcciones posibles. Esto significa que el protón y el electrón pueden tener los espinos paralelos -los dos en la misma dirección- o antiparalelos -uno en una dirección y el otro en la dirección contraria-.
Resulta que si son paralelos el átomo tiene un poco más de energía que si son antiparalelos. La diferencia energética es pequeñísima, de sólo 5,9 10-6 eV, que quiere decir una frecuencia de 1420 MHz o una longitud de onda de 21 cm, que se encuentra dentro del rango de las ondas de radio.
Si hay una nube de gas hidrógeno frío, algunos de los átomos pasarán de la configuración paralela a la antiparalela y emitirán un fotón con esta energía. Es la llamada radiación de 21 cm (figura 4).
Figura 4. Emisión de radiación en 21 cm
Así pues, el proyecto SETI se dedica, desde hace décadas, a captar emisiones en 21 cm para averiguar si alguna de las señales es de alguna civilización tecnológica.
La señal wow
El 15 de agosto de 1977, el radiotelescopio Big Ear de la Universidad de Ohio recibió una señal de radio desconocida durante 72 segundos, que se hizo famosa con el nombre de la señal wow.
El radiotelescopio Big Ear era un gran radiotelescopio muy peculiar. En lugar de tener forma de antena, tenía forma de campo de fútbol. Su base era plana, medía 103x33 m y en los lados cortos tenía unas redes metálicas, en un lado la red era perpendicular al suelo, mientras que en el otro estaba inclinada. La red inclinada recibía las ondas de radio, las reflejaba hacia la red vertical y ésta las enviaba hacia un receptor, con forma de bocina que había situada en un lateral del campo, en la posición de la portería.
Figura 5. Radiotelescopi Big Ear
Este radiotelescopio estaba captando señales en 21 cm del Universo, y estas señales se registraban en una hoja de papel continuo en aquella época.
En el mes de agosto de 1977, Jerry R. Ehman, que estaba trabajando como voluntario en el proyecto SETI, revisó los registros del radiotelescopio de los últimos días y encontró una señal anormalmente intensa. Quedó tan sorprendido que en el mismo papel escribió Wow! (figura 6).
Figura 6. Secuencia numérica de la señal Wow
En esta hoja aparecen 50 columnas diferentes que se corresponden a 50 frecuencias diferentes (50 canales diferentes), y cada canal tenía una banda muy estrecha. Si no había nada significaba que sólo había ruido, y si había un número significaba que la señal era tantas sigmas por encima del ruido. Los números llegan hasta el 9 y para ir más allá se escribían letras, así A quería decir 10, B quería decir 11, etc.
La señal wow tiene la siguiente secuencia: 6EQUJ5 que pasado a números es: 6,14, 26, 30, 19, 5. Cada valor duraba 10 s más 2 s de procesamiento, por lo tanto toda la señal duró 72 s. Si lo pasamos a una gráfica obtenemos lo siguiente (figura 7).
Figura 7. Señal Wow
Esta señal la tenemos que interpretar de la siguiente manera: no es que la señal subió y bajó, sino que la Tierra, al girar, paso por delante de la señal. Además, el radiotelescopio tenía dos bocinas que registraban lo mismo con 5 minutos de diferencia. Una bocina registró la señal mientras que la otra no. Por lo tanto fue una señal rápida, que duró poco. La señal vino de una zona de la constelación de sagitario.
¿Qué produjo la señal Wow? No tenemos ni idea, pero evidentemente han aparecido hipótesis de todo tipo, se han escrito libros y se ha especulado muchísimo. Es una señal muy famosa. Y muchos científicos han intentado explicar su origen. Lo más aceptado es que quizás fue la emisión de un cometa que pasaba por la zona el día de la emisión.
Láseres
Cambiemos de tema y hablamos de los láseres. Después ligaremos las dos cosas. Como todos sabéis un láser es un aparato que emite luz y que hoy en día tiene muchas utilidades: para señalar en una pantalla, para leer CD o DVD, para operar, para cortar chapa metálica, para transmisiones de comunicación, etc. Pero no es una fuente de luz normal. Entonces, ¿qué es lo que la hace tan especial?
De entrada vemos que los láseres tienen dos propiedades importantes: son monocromáticos y forman un haz de luz muy colimado. Y todavía tienen otra que no se ve tan rápidamente: su luz es coherente. Veremos qué quiere decir todo esto.
Los láseres son una de las grandes aplicaciones de la física cuántica. Sin esta disciplina no se habrían podido inventar. Vamos a ver un poco su desarrollo:
La física cuántica nos dice que algunas propiedades de la materia están cuantizadas, no son continuas, como por ejemplo la energía de los sistemas. El ejemplo más típico son los niveles electrónicos de los átomos. Un átomo está formado por un núcleo central -con protones y neutrones- y electrones orbitando a su alrededor. Hoy en día ya sabemos que no son órbitas clásicas como las de los planetas alrededor del Sol, sino que se habla de orbitales, pero lo importante es que cada orbital tiene un nivel de energía determinado. Es decir, los electrones no pueden tener cualquier valor de energía sino que solo pueden tener unos concretos. Así pues, un electrón puede estar en el nivel 1 -que es el más bajo, el menos energético-, en el nivel 2, en el nivel 3, etc. Pero no puede estar en medio.
Ahora bien, los electrones pueden saltar de un nivel a otro. Para subir de un nivel energéticamente bajo a un nivel más alto sólo puede hacerlo si absorbe un fotón -una partícula de luz- con la energía exacta para pasar de nivel. Y para bajar de un nivel energéticamente alto a uno más bajo sólo hay que desprenderse de la energía sobrante emitiendo un fotón con este valor energético. Así pues, subir de nivel normalmente cuesta mucho más que bajar. Es más, cuando un electrón ha subido de nivel, normalmente al cabo de un instante -típicamente 10-8 s- se desprende de la energía sobrante en forma de fotón y vuelve a bajar. Los electrones prefieren estar al nivel mínimo de energía posible. Estos procesos de emisión y de absorción de fotones por parte de electrones se denominan emisión espontánea y absorción espontánea.
Estas ideas básicas ya aparecieron en la teoría atómica de Niels Bohr en 1913. Aunque no se sabía el porqué ya se veía que el comportamiento de los electrones seguía este patrón, y sobre todo que sus niveles de energía estaban cuantizados.
Cuatro años después, en 1917, Albert Einstein descubrió que puede haber otro tipo de emisión de fotones: la emisión estimulada (figura 8). Si en un átomo un electrón está en un nivel excitado, y pasa un fotón con la energía idéntica al salto energético del electrón, el electrón se desexcitará emitiendo otro fotón. Pero ocurrirá que el fotón incidente y el fotón emitido serán idénticos, es decir, con la misma energía (y eso también quiere decir el mismo color), se moverán en la misma dirección, pero además tendrán también la misma fase.
Figura 8. Emisión estimulada
Que dos fotones tengan la misma fase quiere decir que su luz será coherente. La coherencia es una propiedad de todas las ondas y tiene que ver con sus interferencias. Dos ondas pueden interferir de diferente manera, de forma totalmente constructiva, totalmente destructiva o con diferentes grados. Dos ondas son coherentes si interfieren de forma totalmente constructiva, no se anulan entre ellas, es decir sus máximos y sus mínimos coinciden.
Y este es el principio físico del láser: se trata de la creación de un haz de luz colimado (en la misma dirección), monocromático y coherente, a partir de la emisión estimulada de una gran cantidad de fotones.
Y como en muchas otras cosas, el padre teórico del láser fue Albert Einstein. Si en 1917 describió el fenómeno de la emisión estimulada, en 1926 él mismo derivó las ecuaciones correspondientes.
Ahora bien, una cosa es la teoría y otra bien distinta es la práctica. Costó mucho llegar a producir luz láser. No fue pasada la segunda guerra mundial que los físicos se interesaron por este fenómeno y buscaron cómo producir luz estimulada. De hecho el nombre de láser es un acrónimo que significa: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation «amplificación de luz por emisión estimulada de radiación »
En 1953 Charles H. Townes y dos de sus estudiantes de la Universidad de Columbia (EE.UU.) produjeron el primer máser, que es el equivalente al láser pero con microondas y no luz visible. Este máser, pero no podía emitir radiación de forma continuada. Al mismo tiempo los soviéticos Nikolai Bássov y Aleksandr Mikhailovitx Prókhorov solucionaron los problemas de la emisión continua y consiguieron crear un estado de inversión de población permamente. Estos tres físicos, Townes, Bássov y Prókhorov, ganaron el Premio Nobel en 1964 por sus trabajos fundamentales sobre la electrónica cuántica, lo que ha permitido la construcción de osciladores y amplificadores basados en el principio máser-láser.
Finalmente, el primer láser funcional lo diseñó y construyó en 1960 Theodore H. Maiman, de los laboratorios de investigación de California (EE.UU.) a partir de un cristal de rubí. Y durante los años 60 se idearon otros tipos de láseres: de gas (helio y neón), de semiconductores, etc. Al principio todos eran de pulsos pero en los años 70 ya aparecieron láseres de emisión continua.
El caso de los láseres es muy curioso porque una vez descubiertos o inventados no se les conocía ninguna aplicación práctica. Pero muy pronto ya se empezaron a usar masivamente a escala industrial. La primera aplicación cotidiana de los láseres fue para lectores de códigos de barras, iniciada en 1974. Posteriormente, en 1982, se empezaron a usar como lectores de CD, y a partir de ahí sus aplicaciones se dispararon.
Posible explicación de la señal wow
El pasado verano se publicó un artículo con una nueva explicación sobre la señal Wow. Y aquí es donde ligamos esta señal con los láseres.
Los autores del artículo son Abel Méndez (Universidad de Puerto Rico), Kevin Ortiz Ceballos (Universidad Harvard, USA) y Jorge I. Zuluaga (Universidad de Antioquia, Colombia). Han trabajado con datos obtenidos por el radiotelescopio de Arecibo, entre los años 2017 y 2020. Recordemos que este radiotelescopio fue el mayor radiotelescopio del mundo durante muchos años, con un diámetro de 305 m, hasta que el 1 de diciembre de 2020 se derrumbó debido a la rotura previa de varios cables que lo sujetaban.
Estos autores buscaron en el archivo de Arecibo datos que fueran muy parecidos a la señal wow. Es decir, buscaron señales de banda estrecha y entre 1000 y 10.000 MHz. Estas observaciones se hicieron dentro de un programa llamado reds, que se dedicaba a estudiar estrellas enanas rojas. Y aún continúa, pero tras el derrumbe de la gran antena, ha continuado con un radiotelescopio más pequeño de 12 m también en Arecibo.
El estudio de las enanas rojas con radio es muy importante por la astrobiología porque no sabemos si los exoplanetas que hay alrededor de estas estrellas tan pequeñas y frías pueden ser habitables. El problema es que estas estrellas tienen unas tormentas estelares muy importantes que pueden arrasar los planetas potencialmente habitables. Y estas tormentas se pueden estudiar por su emisión radio.
Pues bien, en el marco del programa reds, ¡estos autores han buscado señales parecidas a la wow y han encontrado 4! Ahora bien, no con la intensidad tan fuerte de la original, sino que unas 100 veces menos intensas. Todas estas señales están cerca de la estrella Teegarden, una enana roja que se encuentra a solo 12 años luz de nosotros, y a la que se le conocen 2 exoplanetas, uno de ellos en la zona habitable de la estrella.
Estas cuatro señales se corresponden con nubes interestelares de hidrógeno frío (HI) de nuestra galaxia.
Figura 9. Las cuatro señales parecidas al wow
Por lo tanto, lo más parecido a la señal wow que hemos identificado realmente son estas nubes frías. ¿Y cómo puede ser que la intensidad aumentase unas 100 veces? Pues porque de forma natural se produjo una emisión máser (un láser de microondas). Detrás de cada una de las nubes había una fuente de luz transitoria, como una estrella que produjo una fulguración, o un magnetar o una fuente suave de rayos gamma (Soft gamma repeater). Esta emisión produjo una gran inversión de población en los átomos de hidrógeno de la nube, que se irían desexcitando de forma estimulada, es decir, un mecanismo de maser natural.
Figura 10. Explicación de la señal Wow por emisión máser de una fuente energética
No sabemos si esto fue así exactamente, pero este estudio ha servido para explicar que en el Universo hay mecanismos que operan como un láser natural, y que la señal wow quizás fue debido a uno de estos mecanismos.
Coloquio
¿Cómo se llaman los exoplanetas cuando se descubren?
Los exoplanetas llevan el nombre de la estrella más una letra: b, c, d...
Leí un artículo que decía que de aquí 4 años ya podremos saber si Próxima b tiene vida, ¿cómo puede ser?
Sí, están construyendo el telescopio terrestre más grande del mundo, en Chile, con casi 40 m de diámetro. Con este telescopio se obtendrán unos espectros tan detallados que podremos saber con mucho detalle la composición química de la atmósfera de este planeta, y deducir si hay vida o no, creemos.