divendres, 1 de juliol de 2016

Els estats de la matèria

Quan anàvem a escola ens van ensenyar que hi ha tres estats de la matèria: sòlid, líquid i gas. Això no és del tot cert. Ara es parla de sis estats, els tres ja esmentats i tres més, plasma, condensats Bose-Einstein i condensats fermiònics.

La major part dels estudiants saben que els sòlids resisteixen la deformació, són rígids i que es poden trencar. Els líquids flueixen, són difícils de comprimir i que s'adapten a la forma del recipient que els conté. Els gasos són menys densos, fàcils de comprimir i, que no tan sols s'adapten a la forma del seu recipient, sinó que s'expandeixen per ocupar-lo totalment.

Ara bé, els nous estats no són tan habituals de trobar, en especial els dos darrers. El quart estat de la matèria, el plasma, és com un gas, fet d'àtoms que han sigut despullats dels seus electrons i ara s'han convertit en ions. El sol està fet de plasma, com la major part de la matèria a l'univers. Normalment és molt calent i es pot mantenir conservat en un laboratori equipat dintre de botelles magnètiques.

El cinquè estat correspon als condensats de Bose-Einstein (BEC), predits per aquest científic hindú conjuntament amb n'Albert Einstein el 1920, però que es no va poder comprovar fins el 1995 quan els científics van refredar unes partícules denominades bosons fins a milionèsimes de grau. En aquest punt totes les partícules es van unir per a formar una única super-partícula que tenia més aparença de ser una ona que a un tros de matèria. Els BEC són fràgils i la llum viatja a través seu molt més lentament. Presenten clarament mostres de superfluidesa, superconductivitat i producció de vòrtexs. Un clar exemple és l'heli-4.


Ara arribem als condensats fermiònics. Els primers es van obtenir el 2001 refredant mig milió d'àtoms de potassi-40 a milionèsimes de grau sobre el zero absolut. S'ha demostrat que també presenten les mateixes propietats que els BEC.

Totes les partícules de la matèria són bosons o fermions. Els bosons són partícules amb espín sencer i els fermions el tenen fraccionari. Diguem que l'espín és una característica definida pel moment angular de cada partícula. Així els bosons no han de complir el principi d'exclusió de Pauli i els fermions sí. Els bosons poden agrupar-se més íntimament i assolir nivells energètics més baixos. El fermions per assolir aquest nivell el que fan és aparellar-se de dos en dos per aconseguir un nivell mínim d'energia i poder estar més junt.

D'aquesta forma s'aconsegueix que les estrelles de neutrons arribin a pesar milions de milions de tones per centímetre cúbic (10¹⁴ gr/cm3).

Un nou estat de la matèria ha estat anunciat l'abril de 2016, el que correspon als fermions de Mejorana. Un nou repte per confirmar.


Publicat a la revista "Els Colors del Pla de l'Estany" en el seu nº 199 del juliol de 2016

dimecres, 1 de juny de 2016

Eclipsis i trànsits

Per eclipsi entenem l'ocultació total o parcial d'un astre per la interposició d'un altre astre entre ell i l'observador i per trànsit entenem el pas d'un dels planetes interiors per davant del disc solar.

Així d'eclipsis tenim de Sol i de Lluna. El de Sol pot ser total, parcial, anul·lar o híbrid i el de Lluna, només, total o parcial. Els trànsits només poden ser provocats per Mercuri i Venus, planetes interiors i, en proporció, són molt menys vistosos que els eclipsis, doncs només tapen una part molt petita del disc solar. Els planetes exteriors mai podran produir un eclipsi ja que no poden posar-se mai entre el Sol i la Terra pel fet de tenir les seves òrbites externes a la de la Terra, respecte del Sol.

Segons una pàgina de la NASA escrita per en Fred Espenak, en els darrers 5.000 anys hi ha hagut 11.898 eclipsis de Sol, dels quals un 35,3% han sigut parcials (4.200), un 33,3% anulars (3.956), 26,75% totals (3.173) i un 4.85 híbrids (569). Els híbrids són els que en una part són totals i l'altre part, inici o final, anulars.

En quan al nombre d'eclipsis per anys també és variable, pot oscil·lar entre 2 i 5 per any. De totes formes el 72,5% dels anys només en passen dos, un 17,5% tres, un 9,5% quatre i, només, un 0,5% cinc ocasions.

El màxim eclipse total possible és de 7m 31s. El 16 de juliol de 2186 serà de 7m 29s. La durada depèn de la proximitat de la Lluna a la Terra i que sigui d'un tipus o d'altre de l'alineació dels eixos dels tres astres. Des de Catalunya en podrem veure un a l'agost del 2026.
Trànsit de Mercuri 2016 segons previsió de la NASA

En quant a trànsits de Mercuri se'n produeixen uns 13 cada segle i de Venus dos, aparellats cada 8 anys i amb una separació després de 105-121 anys.

Els de Mercuri, aquest tres propers segles, ocorreran a primers dels mesos de maig i novembre. Per cadascun al maig hi haurà dos el novembre. En els de novembre el planeta es veu un 20% més petit per estar més a prop del Sol, periheli. Ocorren amb una freqüència de 3, 7, 10 i 13 anys, sent l'ordre variable, segons passin en un mes o d'altre.

En quan a Venus en els darrers sis segles han ocorregut 81 trànsits, al juny un 54,3% i al desembre un 45,7%. El trànsits succeeixen en períodes de 8 – 105,5 – 8 – 121,5 anys degut a que cada 8 voltes al Sol de la Terra, Venus en fa 13.

També podem veure trànsits del satèl·lits de Júpiter sobre del seu planeta i darrerament amb les sondes enviades a l'espai hem pogut gaudir d'un trànsit de Fobos per davant del Sol vist des de Mart i també ens ha mostrat trànsits de Mercuri des de Mart. També s'ha pogut veure un trànsit de Lluna vist des de la sonda Estereo situada a més d'un milió de quilòmetres de la Terra.


Per a ampliar la informació es pot consultar les pàgines d'en Fred Espenak de la NASA a http://eclipsewise.com/eclipse.html i http://eclipsewise.com/transit/transit.html

Publicat a la revista "Els Colors del Pla de l'Estany" en el seu nº 198 del juny de 2016

dilluns, 2 de maig de 2016

El nostre arbre genealògic

Està clar que venim dels nostres pares i aquests dels seus. Així ens podem anar remuntant per milers de generacions i milions d'anys i arribaríem al primer humà que venia ja d'un primat, digue'm-ne un australopitecus o un dels seus parents.

Però aquest primat també va ser engendrat per uns pares, i uns avis, etc, tornem a fer la llista sencera d'ascendents, fins que, segons el criteri evolutiu d'en Darwin, aquestos havien sorgits d'una altre espècie evolucionada i aquesta d'una encara més anterior, finalment després de molts segles de viatge enrere arribaríem a la primera cèl·lula que va tenir vida.

Però aquesta cèl·lula també està plena de molècules i, en el fons, aquestes són àtoms units entre sí que estan formats per quarks i electrons, aquestos, fins que no es demostri el contrari, sí que són els nostres veritables avantpassats. Especialment els quarks anomenats U, up en anglès i amunt en català, i D, down en anglès i avall en català. A més en aquest nivell original de la matèria també tenim els electrons, com hem dit, i els neutrins. Tots aquest ajuntats d'una o altre manera formen la matèria visible.


Si ara tornem a refer el camí i construïm el nostre arbre genealògic, veiem que els quarks amb els electrons conformen els àtoms, així ajuntant dos quarks U amb un quark D i un electró tindrem l'hidrogen, l'element més bàsic, senzill i abundant, que només es va produir en el moment inicial, mai més s'ha produït hidrogen en cap lloc de tot l'univers. A partir d'aquest àtom bàsic podem anar ajuntant més quarks al nucli de l'àtom i més electrons a la seva òrbita i anirem creant elements químics més complexes, com l'heli, el liti o fins i tot el carboni, amb dotze partícules al nucli, entre protons i neutrons, o l'oxigen amb setze. Això passa a les reaccions nuclears dins de les estrelles.

Ara que ja podem formar àtoms, si els comencem a ajuntar obtindrem molècules que ens serviran per a fer coses més complexes com podrien ser els aminoàcids i les proteïnes que es van crear en els oceans primitius dels que van sorgir les primeres cèl·lules i d'on després començaria a créixer la cadena evolutiva.

De totes formes aprofitarem per a recordar que la massa és una forma de l'energia i que aquesta no es destrueix, només es transforma, per tant els nostres àtoms poden descompondre's fins a la forma elemental o passar a ser únicament energia, sense massa, però que d'aquesta tornarà sorgir nova massa, en algun moment.


Ah¡ i penseu que la matèria visible està per sota del 5% de tota la massa de l'univers, la resta és matèria fosca i energia fosca, de les quals, només de la primera actualment s'intueixen els components, de la segona no se'n sap què la composa.

Publicat a la revista "Els Colors del Pla de l'Estany" en el seu nº 197 del maig de 2016

divendres, 1 d’abril de 2016

Ones gravitacionals

Ja les va predir Einstein en la seva formulació de la teoria de la relativitat general, la que inclou la gravetat, el 1916, ara fa 100 anys. Aquest any, 2016, per primer cop ha sigut possible detectar-les. A partir d'ara ja podrem observar l'univers i la matèria que conté d'una altra forma. Fins ara ho fèiem observant les ones electromagnètiques (EM), des de les ones de ràdio fins als raigs gamma i ara ho podrem fer observant ones gravitacionals. Això implica que si abans només podíem estudiar el 5% de l'univers, ara pujarem fins el 23%, doncs podrem observar el comportament de la matèria fosca, la qual no emet cap mena d'ona EM, però sí gravitacionals.

La detecció d'aquestes ones s'ha fet a un aparell anomenat LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) que de fet són dos interferòmetres, un a Livingston i altre a Hanford als Estats Units. I són dos aparells per comparar les deteccions entre ells i eliminar possibles errors degut a petits sismes o d'instrumentació. Cada aparell, amb forma de L i amb una longitud de 4 km a cada braç, consta d'una cavitat òptica, per on circula la llum làser emesa i que en absència d'ones gravitacionals ha de trigar el mateix en fer el recorregut total tan per un braç com per l'altre i per tan, al ser una interferometria s'anul·len les ones i no es produeix cap detecció anòmala.

Ara bé, si existeix una ona gravitacional pel mig la llum es desfasa doncs un braç s'allarga i l'altre s'estira i provoca una detecció. Ens hem d'imaginar les ones com si llancéssim una pedra a l'estany provocant aquest cercles que es van propagant. Aquestes ones modifiquen la posició en l'espai de l'aigua que estava tranquil·lament plana i ara puja i baixa. Les ones gravitacionals fan una acció similar dins del teixit espai-temps que ens envolta fent que les distàncies es modifiquin per la seva acció. El nivell de variació detectat ha sigut de 10⁻19 metres. Una deumil·lèsima de cops més petit que el nucli d'un àtom.
LIGO de Hanford

Així el 14 de setembre de 2015 els dos detectors LIGO van observar una senyal i després de prop de cinc mesos més tard ho han fet públic. L'origen es situa en dos forats negres, de 36 i 29 masses solars, que ens van fondre en un de sol fa 1.300 milions d'anys i que en el darrers 20 milisegons del seu xoc van emetre tres masses solar en forma d'energia com ones gravitacionals. Ha sigut l'explosió més forta observada pels humans després del Big Bang.

Aquest esdeveniment ens obre les portes per observar l'univers amb altres ulls, els de l'espectre gravitacional, desconegut fins ara, però que caldrà anar emplenant amb noves deteccions. De fet ja existeix un segon projecte, aquest cop a l'espai, anomenat LISA Pathfinder i que es completarà amb el eLISA cap a l'any 2034.


Serà molt probable que als investigadors que han participat en aquest projecte els hi arribi el premi Nobel en no gaire temps.


Publicat a la revista "Els Colors del Pla de l'Estany" en el seu nº 196 de l'abril de 2016

dimecres, 2 de març de 2016

Estrelles dobles

Són les que a simple vista quan mirem el cel a ull nu semblen una sola estrella, però que quan les mirem amb prismàtics o telescopi, les podem descompondre en dues. En molt poc casos som capaços de separar les dues estrelles. Aquest és el cas d'Alcor i Mizar de la Óssa Major que ja eren utilitzades en temps dels romans com una prova de bona vista per poder ingressar a les legions si les podies arribar a veure independentment.

No totes les estrelles dobles són realment parella, molts cops les perspectives fan que estiguin visualment al tocar l'una de l'altre, però físicament estiguin molt allunyades, aquest és el cas de les estrelles dobles òptiques o visuals. En aquesta situació no existeix cap interacció gravitatòria entre elles i és pura casualitat que es vegin juntes.

Quan sí que tenen interacció gravitatòria parlem llavors de sistemes binaris, la de major brillantor sol ser la primària i l'altre la secundària. En el nostre sistema solar si el planeta Júpiter hagués aconseguit tenir deu vegades més massa, s'hagués encès com estrella i estaríem en un sistema binari d'estrelles. Potser llavors no hagués existit la vida.

Les estrelles dobles es poden classificar en quatre grups segons el tipus d'aparell necessari per a detectar-les o per les característiques de la pròpia parella, així tenim:
-Visuals, quan les podem veure amb un telescopi
-Espectroscòpiques, quan cal un espectròmetre per a resoldre-les
-Eclipsants, que poden ser de qualsevol dels dos grups anteriors, però que una estrella eclipsa a la seva companya i fa variar la serva corba de llum. També se les anomena variables.
-Astromètrica, quan no es pot separar amb telescopi, però es detecta una anomalia en el seu moviment orbital degut a la presència de la seva companya invisible.
Sistema doble Alcor i Mizar a l'Óssa Major

La primera estrella doble va ser descoberta el 1650 per l'astrònom italià Riccioli qui va separar l'estrella Mizar en dues, Mizar A i Mizar B. Altres pensen que en Galileu i Castelli el 1617 ja les van observar. Per tant aquest és un sistema, en principi triple, però finalment s'ha descobert que les dues Mizar són al seu temps dobles, així que el sistema Alcor-Mizar complet és quíntuple.

Altres estrelles dobles destacables són:
-Albireo, la principal del Cigne, la del bec, format per una estrella groga de magnitud i una de blava unides gravitatòriament.
-Algol, la segona estrella de la constel·lació de Perseu, que també es coneix com l'estrella del Diable. És un sistema binari eclipsant. Normalment és de magnitud 2,1 però cada cert temps baixa fins a 3,4 durant uns 3 dies degut a que la seva companya l'eclipsa. De fet és un sistema ternari.
-Sírius, la més brillant del cel, al Ca Major, format per una estrella blanca i una nana blanca.

Quasi el 50% de les estrelles estan formades per sistemes binaris i un 10% d'aquest són sistemes múltiples amb més estrelles. Molts sistemes tenen també planetes.


Publicat a la revista "Els Colors del Pla de l'Estany" en el seu nº 195 del març de 2016

dilluns, 1 de febrer de 2016

Mars a Tità

Aquest satèl·lit de Saturn, Tità, el més gran d'aquest planeta i el segon en la llista després de Ganímedes, satèl·lit de Júpiter. És quasi de la mida de Mart, o sigui, la meitat del nostre planeta i presenta una temperatura superficial de -180ºC i un
Tità en fals color (Sonda Cassini 2004)
a pressió 1,6 cops superior a la nostra. En aquestes condicions qualsevol presència d'aigua està obligada a presentar-se en estat sòlid.

Però la sonda Cassini (NASA) va fer posar damunt la seva superfície la nau Huyghens (ESA) el 2005. La primera trobà a la seva superfície un oceà líquid format per metà, un compost de carboni amb quatre àtoms d'hidrogen (CH4). Ja feia temps que se sabia que tenia atmosfera, descoberta per en Josep Comas i Solà el 1908, formada bàsicament per nitrogen (95%) i metà (5%). Darrerament també s'ha descobert que posseeix un oceà intern, sota la seva superfície format per aigua i amoníac.

Més investigacions han portat als científics a descobrir que existeix a la seva atmosfera un cicle del metà que podria ser comparable al cicle de l'aigua sobre la Terra. Aquí, l'aigua líquida s'evapora per efecte del Sol, al pujar en alçada es condensa i quan troba les condicions adequades cau damunt la superfície en forma líquida de nou.

Doncs a Tità s'ha trobat que passa el mateix amb el metà. Aquest compost s'evapora a -162ºC i es congela a -182ºC en front dels 100ºC i 0ºC de l'aigua. Però com que la superfície de Tità ja hem dit es troba a uns -180ºC pot existir el metà en les tres fases diferents, sòlid, líquid i gasós. Així doncs el Sol l'evapora, es refreda a dalt de l'atmosfera de fins a 600 km i plou metà formant rius i llacs a la seva superfície. També s'ha pogut constatar que existeix un patró de circulació global de núvols a l'atmosfera i una diferència de temperatures segons la seva latitud, suficient com per a fer congelar el metà en una zona determinada i tornar-la líquida en d'altres.

És l'únic lloc del sistema solar, a més de la Terra, en que passa tot el procés sencer. Aquest descobriment ha portat a preguntar-se si seria possible que albergués vida al seu damunt. De fet les condicions en les quals es troba actualment podrien haver esta molt similars a les primigènies de la Terra, doncs a la seva atmosfera també s'han trobat altres elements com acetilè (C­2H2), età (C2H6), propà (C3H8), àcid cianhídric (HCN), anhídrid carbònic (CO2), ja detectats per la sonda Voyager el 1980.

També s'ha confirmat l'existència de volcans actius que en lloc d'emetre lava, emeten aigua i diversos hidrocarburs, compostos de carboni-hidrogen, a l'atmosfera. Aquesta nova branca de la ciència és la criovulcanologia. Les investigacions continuen. Els científics volen saber si aquest cicle del metà podria donar lloc a algun tipus de vida adaptat a aquestes condicions tal com la vida es va adaptar a l'aigua al nostre planeta.

Publicat a la revista "Els Colors del Pla de l'Estany" en el seu nº 194 del febrer de 2016

dilluns, 4 de gener de 2016

Perquè tot a l'espai és rodó?

El Sol, la Terra, la Lluna i els altres planetes i les seves llunes ... tots són esferes, quasi tot són esferes. Què passa?

La major part dels cossos que hi ha a l'espai són esfèrics, perquè? Molt fàcil, culpeu a la gravetat. Tots els àtoms d'un objecte empenyen cap el centre de gravetat però alguna força els manté apartats d'aquest punt. El resultat final és una esfera, encara que no sempre, depèn de quina massa tingui l'objecte.

Penseu en un vas amb aigua. Si poguéssiu veure les molècules movent-se, podríeu veure com intentant acomodar-se tan uniformement que provoquen que la superfície de l'aigua sigui tan suau i uniforme com observem. Imagineu un planeta fet completament d'aigua. Si no haguessin vents, podria ser perfectament llis. Les molècules d'aigua en el pol nord estarien tirant de les molècules en el pol sud. Les de l'esquerra estarien tirant cap a la dreta i així tots els punts estarien tirant cap al centre de masses i el resultat final seria una esfera perfecta.

La gravetat i la tensió superficial estiren cap el centre i les forces moleculars de repulsió marquen un límit d'aproximació. Si es pogués mantenir aquesta gota d'aigua gegantina en un ambient on no li afectés cap pertorbació, l'aigua assoliria un balanç perfecte, fet que es coneix com «equilibri hidrostàtic».

Les estrelles, planetes i llunes poden estar fets de gas, gel o roca. Si ajuntem prou massa en un volum, aquesta començarà a estirar per intentar ajuntar tota aquesta matèria en una forma que tingués el màxim perfil esfèric. Els objectes menys massius, com asteroides, cometes, i llunes petites tenen menys gravetat, per tan els hi és molt difícil aconseguir aquesta forma esfèrica.

Com se sap, la majoria d'aquests cossos celestials esmentats roten sobre un eix i encara i això no són esferes. La seva ràpida rotació els aixafa i infla per la seva meitat i els fa més amples per la zona de l'equador que pels pols. La Terra és un perfecte exemple i, per això, aquest perfil es denomina esferoide oblat.

Júpiter és encara més aixafat perquè rota a més velocitat. Un dia dura només 9,9 hores. Tot això provoca que sigui una esfera imperfecte que mesura 71.500 km a l'equador i, només, 66.900 km entre pols.

Les estrelles són similars. El nostre Sol rota lentament, per això quasi és una esfera perfecte, però hi ha estrelles que roten molt ràpidament. VFTS 102, una estrella gegant al nebulosa de la Taràntula gira 100 cops més ràpida que el Sol. Una mica més ràpid el gir i l'estrella s'esqueixaria per culpa de les forces centrípetes.

Aquest perfil d'esferoide oblat ajuda a entendre perquè hi ha tants discos aixafats per l'espai. Aquesta ràpida rotació, on les forces centrípetes superen l'atracció gravitacional crea aquest perfil. Es poden trobar discos d'acreció a forats negres, sistemes planetaris, galàxies,...

Els objectes tendeixen a formar esferes i si tenen prou massa superen les forces que ho evitarien. Però...si tenen una rotació prou ràpidament aixafaran sempre per la meitat i crearan discos.