Apuntes científicos desde el MIT

Al astrofísico Bruno le conocimos hace unos posts cuando nos explicó sus investigaciones sobre el Sol en el Naval Research Laboratory de Washington DC.

Hace unos días me invitó a una fiesta en su casa, y mientras me explicaba lo último en cosmología y porqué el muy freak tenía un póster del Universo situado estratégicamente al lado de su inodoro, llegó Martin.
Tras unos segundos Martin, que no tiene formación científica alguna pero sí mucho interés, empezó a exclamar maravillas sobre lo interesante que le resultaba la ciencia, y que le encantaría saber mucho más sobre el Universo.

“Pues pregunta…” dijo Bruno.
“¿hay ovnis y extraterrestes entre nosotros?” contestó Martin…
No pude contener la risa al ver los ojos como platos del pobre Bruno… quien tras reponerse del shock contestó: “vida extraterrestre, e inteligente, es muy posible que sí haya. Pero muy lejos como para contactar con nosotros”.
Yo añadí: “Y no sólo debemos jugar con el factor distancia, sino también con el tiempo. Sería una gran casualidad que en los miles de millones de años de existencia del Universo vivieran justamente en este insignificante momento en que nosotros podríamos reconocerlos… Quizás sí hubo vida tecnológicamente más avanzada que la nuestra hace miles de millones de años, y ya se ha extinguido…”
“De eso no estoy tan seguro”, replicó Bruno. “Primero se tuvieron que formar las estrellas, fusionar los elementos químicos en su interior, esparcirse por el espacio, encontrarse en planetas, crear vida, dejar que evolucione… todo este proceso requiere un tiempo, la vida no puedo haberse formado tan y tan pronto…”

Espantamos a Martin, y convencí a Bruno Sánchez Andrade Nuño para que fuera otro fichaje del post, y que nos transmita periódicamente los ultimísimos avances y reflexiones en el campo de la cosmología en la sección “Apuntes astrofísicos desde el planeta Brunosan”.
Pero en su primera intervención… debería responder la pregunta sobre los extraterrestres, que es la que interesa a una gran parte de la población, y de paso si es posible cuando es lo más pronto que pudiera haber existido vida en algún rincón de ese Universo que Bruno tenía colgado de la pared de su baño…

Vida extraterrestre en el lavabo, por Bruno Sánchez Andrande Nuño

¿Podría una vida extraterrestre con miles de millones de años de ventaja tecnológica contactarnos? Esa fue la pregunta de Pere.

La respuesta que posiblemente daría un científico, redondeado al sí o no, es… no. No es esperable que nos vayan a contactar seres extraterrestres inteligentes. Hablar de estos temas involucra muchas ramas de la ciencia, con argumentos muy delicados y, en ningún caso, escalas fácilmente tratables. Incluso para aquellos que podamos entender mejor algunas de esas ramas involucradas, nos resulta difícil tener una idea global clara. Además, la obstinada tendencia social a lo pseudocientífico, magufadas o mitos urbanos ha convertido este tema en algo tabú, donde el optimista queda encasillado rápidamente en creyente de ovnis.

En este post intentaré dar una visión general de este problema, reconociendo su importancia y la fuente del optimismo que mucho tenemos de que sí existe vida extraterrestre, y de hecho puede que ésta sea inteligente. El optimismo no es un argumento científico pero, como trataré de argumentar los eslabones de la cadena lógica son muy holgados y dan mucho margen a la interpretación.

Creando los ingredientes de la vida

La física estelar puede aportar su grano de arena en este sentido. Para formar vida se necesita tener elementos atómicos (Oxígeno, Nitrógeno, Hierro, ... ) y éstos sabemos que se crean en el interior de las estrellas. Son las "cenizas" de la combustión estelar. Por tanto, hacen falta al menos una o dos generaciones de estrellas para tener suficientes materiales. Éstos además han de colapsar en tierras sólidas al abrigo de una estrella tranquila.
Después del Big Bang, hace 13 mil millones de años, hicieron falta unos 100 millones de años para que el universo se tranquilizara y permitiera a las primeras estrellas encenderse. Las estrellas duran típicamente entre mil millones y 10 mil millones de años, tras los cuales las nubes de elementos han de colapsar de nuevo para crear nuevos soles y, quizás una de cada 10, planetas. Este colapso puede durar unos diez millones de años. Además, estos planetas han de estar a una distancia cómoda, "habitable".

Como se puede ver, esta secuencia de sucesos sigue un curioso patrón, que se repetirá la mayoría de las suposiciones para llegar a la comunicación con vida inteligente extraterrestre. En todos ellos hay una incertidumbre o rango de valores. Cada paso puede requerir menos tiempo que la misma incertidumbre del paso anterior. Los optimistas pueden esperar un mensaje de vida inteligente en cualquier momento antes que los pesimistas piensan siquiera tener la generación de estrellas que crea los elementos.

De la tierra yerma a la vida espacial

Los ingredientes de la vida pueden estar colocados en el sitio correcto en el momento correcto. Lo que hace falta para que de ahí surja la vida, inteligente o no, es terreno desconocido. Existen varios experimentos y métodos propuestos, pero ninguno ha sido concluyente. Lo que si parece claro es que en nuestro caso no tardó mucho tiempo. Desde el punto de vista de la evolución de un planeta, nuestra Tierra no había acabado de aposentarse en un equilibrio cuando las primeras formas de vidas surgieron. Desde éstas al estado actual han pasado 4 mil millones de años. Durante este progreso el ritmo de la evolución ha sido cada vez más rápido . En esta carrera de improbabilidades mirar hacia el futuro es prometedor. Al Sol le quedan otros 4 mil millones de años de fase tranquila. ¿A dónde llegaremos entonces? En términos sociales nuestra carrera espacial ha sido un parpadeo. En términos evolutivos, los homo sapiens se volvieron inteligentes hace un momento. En términos estelares, el Sol no ha cambiado nada desde que la vida apareció en una mota de polvo (la Tierra) perdida en la distancia. En términos galácticos el Sol es una estrella del montón, de la tercera generación, que no ha acabado siquiera de dar su vigésima vuelta alrededor del centro galáctico.

La Universalidad de las cosas naturales

En esta minúscula mota de polvo que rodea al ordinario Sol nos preguntamos cómo de especiales somos. Sea como fuere, aquí en la Tierra rigen las mismas leyes naturales que en cualquier otro sitio. Y parece que existen millones de estas mismas motas de polvo. Esas mismas leyes pueden haber sido favorables en otro lugar, a cierta distancia de nosotros.
Hace unos años, el optimista Carl Sagan estimó que la distancia media entre "vecinos" es de 10.000 años luz. Aún en este caso enviar un simple pulso de luz, la máxima velocidad posible, tardaría este tiempo en llegar. Para entonces esa sociedad habría avanzado igualmente 10.000 largos años. El receptor, si está escuchando, habría de entenderlo y poder responder con suficiente potencia, y otros tantos años después, recibiría la respuesta. Todo esto suponiendo que ambos interlocutores sean de hecho capaces de desarrollar a tiempo la inteligencia de entender el mensaje.

La fuente de mi parcial optimismo parte de estas ideas. Si la improbabilidad concediere una oportunidad a la inteligencia, el resto es sólo cuestión de tiempo, muy poco tiempo en escalas geológicas. Tiempo para evolucionar, como nosotros. Tiempo para preguntarse por el Universo, como nosotros. Para descubrir las mismas leyes y las mismas galaxias. Otros nombres y otras unidades, pero las estrellas de su cielo se verán igual de intrigantes. Aventurarse, como nosotros ya hacemos, a buscar otros planetas. No lo veo descabellado. Nosotros ya hemos descubierto más de 300 planetas fuera del sistema solar. De hecho, ya somos incluso capaces de detectar la composición, temperatura y distribución de las atmósferas de algunos de ellos.

¿Hay vecinos en nuestra galaxia?

No parece imposible pensar que haya vida, ahora mismo, en algún otro lugar en nuestra misma galaxia. Y apurando el optimismo, que ésta pudiera haber evolucionado ya hacia la inteligencia. Este "ya" es en términos estelares, es decir con unos cuantos millones de años de incertidumbre. El rango que Carl Sagan estimaba la distancia entre vecinos es mucho menor que esto, por tanto no es imposible que vayamos a detectar vida "ahora". Desafortunadamente ese ahora es demasiado grande en términos humanos o sociales para que tenga algo de sentido práctico para nosotros. En última instancia, una vez obtenida la civilización inteligente, cabe preguntarnos cuánto puede durar ésta. En nuestro caso no hace ni 100 años que sabemos de la inmensidad del Universo y ya vemos que estamos poniendo nuestro propio planeta en peligro. Escenarios globales de mutua destrucción bélica, cambios climático, pandemias, ... Ser optimista respecto a la vida inteligente extraterrestre implica que la humanidad, como paradigma, pueda celebrar un lejano millardo de edad.

Platillos volantes y portales temporales

Para jugar a este juego de vida extraterrestre, inteligente o no, tenemos que poner ciertas normas. No sabemos si otras formas de vida son posibles, si se nos escapa alguna ley que permita viajes galácticos, o si existen agujeros espaciotemporales. El tiempo dirá qué maravillas, para nosotros impensables, nos descubrirán los científicos en los siglos venideros. De momento, juguemos con la reglas que conocemos, el resto no es más que ciencia ficción. Obviamente esto incluye pensar que seres verdes vienen a esta mota de polvo del Sistema Solar a abducir granjeros en mitad de la noche o construir casas en la Luna.

Y todo esto vino a cuento de un póster sobre el Universo que tengo puesto en la pared del baño, a modo de lectura para momentos de reflexión…

Descubrir un nuevo planeta extrasolar ya no es noticia. Fue un gran hito en 1995, cuando se descubrió el primero, pero ahora que ya se conocen unos 300 dando vueltas alrededor de estrellas lejanas, ¿Qué es lo realmente relevante en este campo? ¿Cuál es el contexto de las investigaciones?
La semana pasada leí la noticia publicada en nature sobre el descubrimiento de metano en un planeta extrasolar, y me di cuenta que no sabía muy bien cómo ubicar este estudio: ¿era un gran hallazgo o no? ¿Y si lo era… por qué?
En ciencia, cuando una disciplina avanza muy rápido, es difícil seguirle la pista y mantener una idea clara del contexto global en el que se enmarcan las píldoras que nos llegan por los medios de comunicación.
El estudio de exoplanetas es algo tan nuevo, que es fácil perderse. Por eso contacté con Joshua Winn , el principal experto del MIT en el estudio de planetas extrasolares. Ya nos había impartido un seminario meses antes, donde insistió en que nos atendería encantado si teníamos dudas. Comprobé que lo decía en serio. El café que tomamos duró 2 horas, y sus explicaciones me resultaron tan útiles para adquirir una visión global del tema, que intentaré transmitiros los puntos más destacados de nuestra conversación.

¿Es nuestro sistema solar extraño?
Los dos grandes objetivos son: entender cómo se forman los sistemas solares, y encontrar pistas en atmósferas lejanas que indiquen existencia de vida. Empecemos por el primero.
A partir del único ejemplo de sistema solar que teníamos (el nuestro) se construyó la siguiente teoría: Grandes cantidades de materia se acumularon formando un disco giratorio alrededor del sol. En él las partículas se iban agrupando creando estructuras más grandes. El disco se aceleraba, se producían grandes colisiones y algunas de estas estructuras adquirían una masa crítica que les permitía atraer todavía más materia, hasta acabar convirtiéndose en planetas. Esta explicación concuerda muy bien con el hecho de que los planetas pequeños y rocosos estén cercanos a la estrella, y los gigantes gaseosos estén lejanos. Así es nuestro sistema solar; no problem.
Pero sorpresa!
A medida que se han ido descubriendo planetas, un par de detalles no encajan del todo: Hay una gran cantidad de planetas gaseosos (estilo Júpiter) en posiciones muy muy cercanas a su estrella; demasiado cercanas según la teoría del disco giratorio. Y además, se han observado órbitas exageradamente elípticas.
Comparado co lo que estamos observando, parece como si nuestro sistema solar fuera atípico... ¿Habríamos construido una teoría que explicaba una excepción?
No del todo. Según Josh la teoría básica del disco giratorio es correcta, pero debe haber otros procesos que acerquen los planetas grandes a las estrellas, y que no se habían tenido en cuenta. Él está estudiando posibles colisiones durante la formación de los sistemas solares que, como si fueran canicas, moverían a los planetas de sitio. La “anormalidad” de nuestro sistema solar se debería a que no sufrió estos efectos “extra” a lo largo de su historia.
Para Josh estos nuevos ejemplos de sistemas solares representan una herramienta fantástica para entender mejor la formación planetaria.

¿Alguno de estos planetas alberga vida?
Esta es la segunda gran pregunta que se quiere responder. Para ello los astrofísicos analizan la atmósfera de los planetas. La idea es simple: buscar biomarcadores, elementos que no puedan haberse originado en un mundo inerte. Si en una atmósfera se descubre oxígeno, por ejemplo, indicará que allí hay algo que lo está generando. Se trata de encontrar moléculas “extrañas” en la atmósfera que nos indiquen que allí hay algún tipo de metabolismo.
Pero esto no pasará dentro de poco. De momento los planetas que se han descubierto son gigantes gaseosos como Júpiter, y se encuentran demasiado cercanos a su estrella como para poder albergar una vida parecida a la que conocemos. Para encontrar planetas más pequeños, y en órbitas más grandes, los telescopios y métodos de observación deben mejorar un poco.
En el camino de la búsqueda de vida, el primer gran paso (y que sí merecerá estar en las portadas de los periódicos) será encontrar un planeta rocoso menor a 10 veces la masa de la Tierra, y situado en la “zona habitable" (suficientemente apartado de la estrella como para tener agua líquida). A los científicos no les gusta especular, pero Josh pronostica que el primer planeta de estas características se podría descubrir en unos 5-10 años. El siguiente paso será intentar analizar con detalle su atmósfera. Esto requerirá bastante más tiempo, con lo que el descubrimiento de vida extraterrestre no está a la vuelta de la esquina.

¿Cómo XXXX se puede detectar un planeta tan lejano?
A mí esto me fascina más que los propios descubrimientos.
Vemos fácilmente las estrellas porque emiten luz, pero un planeta es un cuerpo opaco, oscuro, aparentemente invisible para cualquier telescopio. ¿Cómo podemos ver un planeta? La clave está en detectarlos de forma indirecta, midiendo los efectos que ejercen sobre la estrella que orbitan.
La principal herramienta es el efecto doppler: Cuando un planeta da vueltas a una estrella, ejerce una fuerza de gravedad que la hace oscilar levemente. Es decir, a veces se acerca un poquito a nosotros y a veces se aleja. Es un efecto tremendamente sutil, pero se puede descubrir analizando el espectro de la luz que recibimos.
Otra metodología utiliza cambios en la intensidad de la luz de la estrella. Si un planeta transita por delante de una estrella, afecta a su brillo. El 10% de los exoplanetas han sido descubiertos de esta manera.
Existe un tercer método de microlentes gravitacionales que permitirá descubrir planetas más pequeños, pero este no me atrevo a describirlo…

¿Y saber lo que hay en su atmósfera????
En cuanto a analizar la atmósfera, esto parece todavía más inconcebible. Pero tiene su explicación, claro. También basada en las propiedades de la luz, en este caso de la que rebota en el planeta y llega a nosotros.
Si estuviéramos en el espacio, a simple vista podríamos distinguir el océano azul del desierto amarillento. Esto es porque la luz emitida (rebotada) por el mar tiene unas características, y la emitida por la arena otras. Por eso vemos diferentes colores. Pero el espectro electromagnético es muchísimo más amplio que el rango de luz visible, y los detectores pueden discernir variaciones infinitamente más precisas que nuestro ojo. Mirando la luz que proviene de un planeta pueden detectar los elementos que lo constituyen, o saber la temperatura a la que se encuentra.

¿Era importante la noticia del metano?
Cuando para concluir se lo pregunté a Josh, hizo esa mueca en la que se levanta el labio superior y se acacha la nariz, y empezó a ladear la cabeza. Dijo que el descubrimiento en sí no era lo importante. No hay nada inesperado en que una atmósfera tenga metano. Lo relevante era demostrar que técnicamente se podía llegar a medir esta molécula en una atmósfera tan lejana. La metodología era lo trascendente. Y es que los grandes hallazgos vendrán acompañados de mejoras en las técnicas de medición.

La búsqueda de planetas extrasolares es uno de los campos más activos de la astrofísica actual. Si vas a un congreso anual de investigación sobre el cáncer, posiblemente no oigas avances revolucionarios respecto al año interior. En cambio en ciertas disciplinas, como es el caso de los exoplanetas, las novedades son constantes. No se cuando tardará a quedarse anticuado este largo post, ni si cumplirá su modesto objetivo de dar un contexto a estas investigaciones. Pero yo lo necesitaba, como mínimo para comprender un poco mejor los futuros artículos sobre exoplanetas que sí cuenten algo concreto.

Uno de los momentos más gratificantes intelectualmente es el “aha!-moment". De repente descubres una idea nueva, que ni siquiera habías contemplado, y clarifica algo que en el fondo no comprendías, o que simplemente desconocías por completo.

Hoy he tenido uno de esos “aha!-moments”. Me he dado cuenta que el Universo es mucho mayor de lo que yo pensaba…

Mi visión acerca del tamaño del Universo era así de simplista: Si lleva 13700 millones de años expandiéndose, y nada puede superar la velocidad de la luz, entonces el diámetro del Universo será –más o menos- unos 27400 millones de años luz. Nunca le había dado muchas vueltas, pero me parecía una aproximación bastante lógica.

Pero esta mañana he encontrado a mi compañero Ivan Semeniuk cuando regresaba de una clase con Alan Guth (el cosmólogo que en 1981 creó la teoría del Universo Inflacionario), y hemos empezado a hablar de la expansión del Cosmos. De golpe, he visto que mi planteamiento estaba equivocado por completo, y que la realidad desafía constantemente a eso llamado “sentido común”.

Mi grave error era visualizar el Big Bang como una explosión convencional, como fuegos artificiales, y considerar que las galaxias se alejaban unas de las otras sólo fruto de este estallido inicial.
De hecho, hasta los años 90 muchos astrofísicos tenían esta visión “clásica” del Big Bang. La gran duda en ese momento era si el Universo continuaría expandiéndose por siempre, o si su densidad sería suficientemente grande como para que la gravedad detuviera del todo su expansión, y le hiciera retroceder de nuevo hasta un Big Crunch.

Pero en 1998 se obtuvo uno de los resultados más inesperados en la historia de la astronomía. Analizando la luz procedente de supernovas, los científicos observaron que el Universo se expandía... ¡cada vez más rápido! ¿¿¿Como??? Nadie esperaba este resultado tan anti-intuitivo. ¿qué fuerza misteriosa estaba acelerando la expansión del Universo?

Quizás ya habéis oído varias veces que el 96 % de nuestro Universo está formado por una materia y energía oscura desconocidas. La materia oscura no quita el sueño a los científicos, tienen varios candidatos a constituirla con nombres como wimps, axions, neutrinos… y existen varias teorías que tarde o temprano la explicarán.
En cambio, la energía oscura les tiene absolutamente desconcertados. Representa el 74% de todo lo que existe en el Universo, es la responsable su expansión, y según nos aseguró durante una charla en Harvard el astrofísico Christopher Stubbs, es el misterio más profundo de la física actual.
Evidentemente hay muchos aspectos del Cosmos que no conocemos, pero la energía oscura representa un problema diferente, implica la existencia de algún error fundamental en nuestro modelo cosmológico actual, requiere una ciencia nueva que los científicos todavía no comprenden. Stubbs dijo que están buscando algo que no encaje, y augura que cuendo lo encuentren asistiremos a una gran revolución en el mundo de la física.

¿Pero qué tiene que ver esto con el tamaño del Universo? Todo!, ya que confirma la idea más aberrante que os podáis imaginar: Las galaxias no sólo se alejan unas de las otras debido al efecto del Big Bang. El propio espacio entre ellas también se ensancha, se expande, alejándolas todavía más.

Quizás os estéis imaginando algo parecido a una gravedad negativa, que separe en lugar de unir, pero no, no es eso, es algo mucho más extraño. El mismísimo espacio se está inflando por dentro.
Os recomiendo encarecidamente fantasear sobre este inverosímil concepto, pero no pretendáis comprenderlo, nadie lo ha conseguido del todo.

Desconozco si el siguiente dato está actualizado (si conocéis algún físico quizás le podáis reenviar esta entrada y que nos lo confirme), pero en Mayo del 2004 Neil Cornish publicó que el Universo debería tener como mínimo 156 mil millones de años luz.
La paradoja es obvia: el fotón más antiguo que nos pueda alcanzar empezó su viaje por el Universo hace 13.700 millones de años, pero debido a la expansión interna del espacio, el punto del que partió se encuentra ahora a 78.000 millones de años luz.

Yo reconozco que a mi esto me deja boquiabierto. Sólo el imaginarlo ya me resulta fascinante, y me cuesta creer que pueda dejar indiferente a alguien. Aquellos que este fin de semana estéis de cena navideña con los compañeros de trabajo, si en algún momento ya no sabéis de qué hablar, siempre les podéis preguntar: tu sabes cuanto mide el Universo?