Podcast CB SyR 309: Estrellas de bosones, propulsor de plasma, Tucana II, Planeta 9 y tecnomarcadores

Por Francisco R. Villatoro, el 5 marzo, 2021. Categoría(s): Astrofísica • Astronomía • Ciencia • Física • Noticias • Physics • Podcast Coffee Break: Señal y Ruido • Recomendación • Science ✎ 4

He participado en el episodio 309 del podcast Coffee Break: Señal y Ruido [iVooxiTunes], titulado “Ep309: Estrellas de Bosones; Propulsor de Plasma; Tucana II; Planeta 9; Tecnomarcadores», 04 mar 2021. «La tertulia semanal en la que repasamos las últimas noticias de la actualidad científica. En el episodio de hoy: Tecnomarcadores e icnoescalas (min 4:00); ¿Gravitondas de estrellas de bosones? (21:00); Tucana II, una galaxia reliquia (55:00); ¿Se debilita la evidencia del Planeta 9? (1:34:00); Nuevo concepto de un propulsor de plasma (1:46:00); Señales de los oyentes (2:13:00). Todos los comentarios vertidos durante la tertulia representan únicamente la opinión de quien los hace… y a veces ni eso. CB:SyR es una colaboración del Museo de la Ciencia y el Cosmos de Tenerife con el Área de Investigación y la UC3 del Instituto de Astrofísica de Canarias».

Ir a descargar el episodio 309.

Héctor no ha publicado la foto de tertulianos de este episodio, pero me la ha enviado en privado, con permiso para publicarla. En la foto, en el Museo de la Ciencia y el Cosmos de Tenerife, su director Héctor Socas Navarro @hsocasnavarro (@pcoffeebreak), y por videoconferencia José Edelstein, @JoseEdelstein, Gastón Giribet @GastonGiribet, Carlos González Fernández  @CarlosGnFd, y Francis Villatoro @emulenews.

El vídeo de YouTube de la grabación en directo incluye algunos trocitos que no se emiten y un chat del que se extraen las preguntas de la sección Señales de los Oyentes. Recuerda que Coffee Break: Señal y Ruido es un podcast, no un canal de YouTube.

Tras la presentación, Héctor destaca su artículo más reciente, el primero que aparece del congreso TechnoClimes 2020. El artículo resume las iniciativas principales para la búsqueda de tecnomarcadores con el objetivo de buscar sinergias entre diferentes áreas de la astronomía y de la astrofísica. Se introduce un nuevo concepto llamado icnoescala (ichnoscale), el prefijo ichno- en griego significa huella; se usa para cuantificar la magnitud o tamaño de una huella tecnológica relativa a su equivalente en la tecnología terrestre actual. Por ejemplo, una megaestructura que orbite un exoplaneta tendría una icnoescala dada por el cociente de su volumen dividido entre el volumen del objeto más grande en órbita terrestre. Esta figura muestra la icnoescala comparada con el número potencial de fuentes astronómicas en las que se puede buscar el tecnomarcador correspondiente.

Además se discuten las tecnologías actuales capaces de buscar tecnomarcadores en las atmósferas de exoplanetas. Como comenta Héctor, el foco está en futuras misiones espaciales. Se concluye que la época actual es ideal para iniciar una búsqueda exhaustiva y rigurosa de tecnomarcadores. Sin lugar a dudas un artículo que dará mucho que hablar en los próximos años. Recomiendo la lectura de Hector Socas-Navarro et al. (TechnoClimes 2020 workshop participants), «Concepts for future missions to search for technosignatures,» Acta Astronautica (01 Mar 2021), doi: https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2021.02.029, arXiv:2103.01536 [astro-ph.EP] (02 Mar 2021).

Nos cuenta Jose un artículo de su colega Juan Calderón Bustillo que presenta una explicación alternativa y exótica a la señal más fuerte de gravitondas (ondas gravitacionales) observada hasta ahora. La señal GW190521 ha sido interpretada de forma oficial por la colaboración LIGO-Virgo como una fusión de dos agujeros negros en órbita casi circular dando lugar a un agujero negro final de ∼ 142 M⊙ (masas solares) a una distancia ∼ 5.3 Gpc (gigapársecs). Se trataría de la primera observación de la formación de un agujero negro de masa intermedia. Pero uno de sus progenitores tendría que tener una masa incompatible con su formación en una explosión de supernova; la llamada inestabilidad de pares en las supernovas muy masivas impide que se formen agujeros negros en cierto rango de masa (mass gap); esto ha llevado a que hayan aparecido muchas especulaciones alternativas para esta gravitonda. Por supuesto, el agujero negro «prohibido» se podría haber formado por una fusión temprana de dos agujeros negros de menor masa, con lo que no habría necesidad de ninguna especulación.

Como explica Jose, un problema con esta gravitonda es que no se observa el movimiento en espiral (inspiralling) previo a la fusión de dos agujeros negros (BBH, binary black hole). Por ello se han propuesto posibilidades exóticas en las que no debería observarse, como la colisión frontal de dos agujeros negros (HOC, por head-on collision). Ahora se publica una nueva especulación en Physical Review Letters: la fusión de dos estrellas de bosones vectoriales (también llamadas estrellas de Proca); en concreto, dos hipotéticas estrellas con una masa similar y con un momento angular similar (PHOC, head-on Proca star collision). En dicho caso darían lugar a un agujero negro de 231+13−17 M⊙, localizado a unos 571+348−181 Mpc (para la versión del modelo más sencilla, pero la masa podría ser un poco mayor en otras versiones).

No sabemos si existen las estrellas de Proca, por lo que se trata de una especulación. Una estrella de Proca es un condensado de Bose–Einstein de los bosones descrito por una única función de onda cuántica para toda la estrella. [Como nos comenta uno de los autores, Nico Sanchis-Gual, la masa máxima de una estrella de Proca está fijada por la masa del bosón vectorial; te recomiendo leer su comentario más abajo]. ¿Qué masa tendría el bosón vectorial que pudo dar lugar a GW190521? Se estima una masa de 8.72+0.73−0.82 × 10−13 eV (~0.8 peV). No sabemos si existen estas partículas, que podrían ser un candidato potencial para la materia oscura (aunque hay problemas con esta propuesta pues la materia oscura debe desacoplarse de la ordinaria en época temprana y se requiere tal mecanismo para estos nuevos bosones vectoriales que mediarían una interacción de tipo gauge de un sector oculto de fermiones). Por tanto, se trata de una especulación difícil de aceptar sin observaciones específicas. El artículo es Juan Calderón Bustillo, Nicolas Sanchis-Gual, …, Samson H. W. Leong, «GW190521 as a Merger of Proca Stars: A Potential New Vector Boson of 8.7×10−13 eV,» Phys. Rev. Lett. 126: 081101 (24 Feb 2021), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.081101, arXiv:2009.05376 [gr-qc] (11 Sep 2020).

Nos habla Carlos de la galaxia ultradifusa Tucana II, una satélite de la Vía Láctea que además de muy extendida es químicamente primitiva. Un artículo estudia cómo separar las estrellas de Tucana II de las estrellas nuestra galaxia usando el instrumento de campo amplio (~2 × 2 grados) del telescopio SkyMapper de 1.3 metros de la ANU (Australian National University). Midiendo el espectro de las estrellas se mide su metalicidad (líneas espectrales) y su velocidad (efecto Doppler); así se logra diferenciar entre las estrellas de Tucana II, con muy baja metalicidad y con una velocidad heliocéntrica muy negativa, de las estrellas de nuestra galaxia, mucho más metálicas y con una velocidad heliocéntrica centrada en cero (a veces positiva y a veces negativa, pero mucho menor en magnitud).

Las estrellas de Tucana II tienen una metalicidad extremadamente baja de <[Fe/H]>=−3.02, que es menos de una milésima parte de la del Sol. Así sería la galaxia con las estrellas más pobres en metales entre todas las conocidas. Más aún, se estima su halo de materia oscura tiene un tamaño del orden de un kilopársec, con una masa total de más diez millones de masas solares (unos 20 millones si se toma el perfil de densidad de NFW, que pica la densidad de materia oscura en el centro del halo). Como observamos muy pocos estrellas de esta galaxia ultradifusa, se estima que su halo de materia oscura es mil veces más masivo que su materia estelar (un factor mucho mayor que las diez veces en el caso de la Vía Láctea). El artículo es Anirudh Chiti, Anna Frebel, …, John E. Norris, «An extended halo around an ancient dwarf galaxy,» Nature Astronomy (01 Feb 2021), doi: https://doi.org/10.1038/s41550-020-01285-w, arXiv:2012.02309 [astro-ph.GA] (03 Dec 2020). Más información divulgativa en «Huge Dark Matter Halo Spotted around Milky Way’s Dwarf Satellite Galaxy,» Sci News (02 Feb 2021);

Se debilita la evidencia del Planeta 9. Recuerda que la acumulación de objetos transneptunianos (ETNOs) en cierta región el cielo se justificó mediante la presencia de un cuerpo aún no observado de entre 5 y 10 masas terrestres en el Sistema Solar exterior. Una duda que corroe a los críticos de esta idea es que los ETNOs observados podrían estar sujetos a un sesgo observación. Se han descubierto 14 ETNOs, por DES (Dark Energy Survey), que usa el Telescopio Blanco en Chile, OSSOS (Outer Solar System Origins Survey), que usa el Telescopio de Canadá–Francia–Hawaii en Hawaii, y por el grupo de Sheppard y Trujillo, que usa varios telescopios; por cierto, cada grupo ha descubierto 5 ETNOs (aunque uno lo ha sido por dos grupos).

Cuando se tiene en cuenta la sensibilidad de estas búsquedas (región blanca en esta figura) resulta que los ETNOs (puntos rojos) se encuentran próximos a las regiones de máxima sensibilidad. Así su distribución sería debida al sesgo de observación. Si extrapolamos dicha conslusión, como se hace en un nuevo artículo, el resultado es compatible con que una distribución uniforme por el cielo con un nivel de confianza entre el 17 % y el 94 %. Así no existiría necesidad de la existencia del Planeta 9. El artículo es K. J. Napier, D. W. Gerdes, …, R. D. Wilkinson, «No Evidence for Orbital Clustering in the Extreme Trans-Neptunian Objects,» Planetary Science Journal (accepted 2021), arXiv:2102.05601 [astro-ph.EP] (10 Feb 2021); más información divulgativa en Daniel Clery, «Claim for giant ‘Planet Nine’ at Solar System’s edge takes a hit,» Science News, 15 Feb 2021, doi: https://doi.org/10.1126/science.abh0614; Jonathan O’Callaghan, «No sign of Planet Nine? Trail runs cold for hypothetical world,» Nature (19 Feb 2021), doi: https://doi.org/10.1038/d41586-021-00456-7;

Mike Brown ha criticado este artículo en su blog, «Is Planet Nine finally dead?» The Search for Planet Nine, 16 Feb 2021. En su opinión los datos de DES están sesgados, pero los de OSSOS y los suyos no lo están tanto; el sesgo de los ETNOs de DES genera un sesgo en todos los demás, porque son muy pocos. Brown considera que el nivel de confianza para la distribución uniforme está en la parte baja (~20 %) con lo que el resultado del nuevo artículo sería espurio. Héctor comenta que el futuro Observatorio Vera C. Rubin, un telescopio sinóptico que observará el cielo completo de forma casi continua, permitirá observar nuevos ETNOs y sus órbitas (algo que ahora es muy difícil). Así acabará dilucidándose la cuestión. Si te interesa mi opinión, creo que la solución más parsimonioso es la propuesta por el nuevo artículo y, por tanto, la distribución de ETNOs conocidos está sesgada por las observaciones, siendo prácticamente uniforme.

Héctor nos cuenta que se ha publicado un nuevo tipo de motor aeroespacial basado en plasmas, en concreto, un motor de propulsión a chorro que expulsa plasmoides que se generan en las reconexión alfvénica de un plasma confinado bajo intensos campos magnéticos. Ha sido propuesto por la investigadora Fatima Ebrahimi, del Laboratorio de Física de Plasmas de Princeton, habiendo generado cierto mediático entre astrotrastornados; por ahora se trata del germen de una propuesta avalada por simulaciones magnetohidrodinámicas (MHD) muy simplificadas; un prototipo está aún a muchas décadas vista.

La idea es aprovechar para algo útil una inestabilidad que es un grave problema para los tokamaks que se usan fusión nuclear. Se llama plasmoide a un plasma confinado en un bucle magnético cerrado. El motor se basa en confinar un plasma (de deuterio y helio en la propuesta) en un tipo de tokamak usando campos magnéticos toroidales que entrelazan las líneas de campo magnético. Un problema para los tokamaks es la llamada inestabilidad de hoja de corriente, que hace que el plasma se rompa emitiendo un plasmoide de forma espontánea cuando ocurren reconexiones magnéticas de Alfven inducidas por la inestabilidad. En un tokamak hay que evitarlo porque el plasmoide no puede escapar y podría dañar las paredes de contención. Pero si se permite el escape de las partículas del plasma se obtendrá un empuje que dará lugar a un motor de propulsión. Las simulaciones MHD estiman velocidades de escape en el rango de 20 a 500 km/s (que corresponden a las velocidades de Alfven), controlables por las corrientes de la bobina que genera los campos magnéticos.

Una imagen con una futura nave espacial propulsada por un motor de plasma es muy sugerente. Pero por ahora todo se reduce a una simulación por ordenador. Para plasmoides con un radio de 10 cm y un campo de reconexión de 800 G (gauss), el empuje calculado es de 50 N (teniendo en cuenta el ciclo completo entre dos plasmoides consecutivos). Para el encendido del motor se requiere una intensidad de corriente de 100 kA (equivalente a unos ∼500 G), o sea, una potencia de unos 10 MW (lo que requeire un pequeño reactor nuclear de fisión para alimentar al motor). Así se obtendría un rendimiento de 5–10 mN/kW (entre 5 y 10 milinewtons por kilowatio); futuras versiones del motor con un diseño mejorado podrían incrementar este rendimiento.

Héctor nos destaca el punto clave, el impulso específico del nuevo motor. Para este hipotético motor está entre 2 000 y 50 000 segundos, mucho mayor que los motores químicos que están entre 100 y 400 segundos, e incluso mayor que los motores iónicos que alcanzan hasta unos 3000 segundos; por tanto, este nuevo motor permitiría viajes al Sistema Solar exterior sin necesidad de asistencia gravitatoria. También es importante el empuje, que Héctor ha calculado para el mayor cohete con motor químico, el Saturno V; para el Saturno V es de 35 MN (meganewtons), siendo para un motor iónico unos 0.5 N (newtons), cuando el motor de plasmoides alcanzaría un valor intermedio entre  1 y 100 N. Si algún día se fabricara el nuevo motor (algo que dudo seriamente), tendría un sector de mercado específico. El artículo es Fatima Ebrahimi, «An Alfvenic reconnecting plasmoid thruster,» Journal of Plasma Physics 86: 905860614 (21 Dec 2020), doi: https://doi.org/10.1017/S0022377820001476, arXiv:2011.04192 [physics.plasm-ph] (09 Nov 2020); más información divulgativa en Raphael Rosen, «New concept for rocket thruster exploits the mechanism behind solar flares,» Princeton Plasma Physics Laboratory, PPPL News, 27 Jan 2021.

Finalmente, llegamos a Señales de los Oyentes. Te animo a escuchar el podcast… ¡qué lo disfrutes como nosotros!



4 Comentarios

  1. Hola Francis,

    un podcast y un resumen muy interesantes, como siempre, enhorabuena. Quería dejar este comentario sobre las estrellas de bosones, si me permites. Para empezar, la masa del la partícula fija la masa máxima permitida (como la masa máxima de las estrellas de neutrones), no que haya una única estrella con una masa. A lo largo de la curva de existencia varía la compacidad. Encontramos que la masa máxima es 175 masas solares y las estrellas individuales tendrían 115 masas solares cada uno. En el paper decimos que los otros eventos detectados por LIGO-Virgo no podrían ser de estrellas de bosones porque aunque podrían existir estas estrellas con esas masas, no serían lo suficientemente compactas para colapsar a agujero negro e imitar esas señales (en las que se ve un ringdown y por lo tanto formación de un agujero negro final).

    Sobre la renormalización, no soy experto así que no tengo una respuesta, pero estamos trabajando con físicos de partículas para encontrar modelos que expliquen estas masas ultraligeras. Stay tuned 🙂

    Por último, como comenta José el resultado principal es la degeneración en la fuente de tales ondas, pero, aunque especulativas, las estrellas de bosones son un candidato interesante. Hasta ahora todas son compatibles con agujeros negros y estrellas de neutrones, pero es importante comprobar como otros modelos alternativos funcionan al compararlos señales reales. Hay que tener en cuenta que si no tienes los patrones numéricos de onda gravitatoria de los objetos que estudias (con su correspondiente costo computacional) no podrás detectar dicho objeto, por lo que los agujeros negros, de momento, siempre estarán favorecidos. Es la primera vez que un modelo alternativo con sus limitaciones ajusta tan bien como agujeros negros. Espero que este trabajo estimule investigaciones en esta dirección (no necesariamente estrellas de neutrones). Pero en este sentido las estrellas de bosones, dentro de los objetos exóticos, son uno de los objetos más sencillos, descritos por la Relatividad General de Einstein (no es ninguna modificación de la gravedad), mejor estudiados, estables y que se pueden formar dinámicamente. No es cuestión de proponer modelos teóricos, hay un trabajo detrás de comprobar si son viables y razonables, y estas estrellas lo son. Al final lo más exótico es la partícula y sabemos que el 27% del contenido del Universo es desconocido. Por lo tanto, no es descartable que la materia oscura (o al menos una parte) pueda formar estructuras de esta escala. También estas estrellas podrían ser ‘modelos de juguete’ de algo más complejo (como la descripción de una estrella de neutrones como una ecuación de estado politrópica).

    Gracias y un saludo,
    Nico

    1. Saludos Nico, genial explicación y tema fascinante.

      Al leer estas lineas + el directo de Juan Calderón hace una semana hay una duda que quedo al aire, por las palabras de este último.

      Comentaba que la busqueda de nuevas opciones se debía a que en la presentación de 2 AN’s rotando aparecía un plano orbital que «precesaba» y esto no tenía sentido teniendo en cuenta la falta de información de esa región asumiendo tales elementos (an’s)

      El relato que se esta creando con las BS entiendo que permite dar explicación a la señal y ahorrarse esa inconsistencia de la otra teoría.

      ¿ Se esta «rizando el rizo» para evitar la otra explicación ?

      «Rizar el rizo» en el sentido que para explicar una señal no esperada necesitemos introducir unas estrellas de las que no hay evidencia, formadas por una materia de la que tampoco hay evidencia.

      ¿ La diferencia de energía total entre un sistema de 2 an’s rotando sin precesión y ese mismo sistema con precesión no es relacionable a la energía total del nuevo sistema con 2 BS colisionando frontalmente ?

      Saludos y maravilloso trabajo desde luego.

      1. Hola Javi,

        Muchas gracias por tu interés y tus preguntas.

        Sobre los ANs individuales de GW190521, el problema no es la precesion (de hecho es la conclusión a la que llegó LIGO y Virgo con Juan como uno de los responsables del análisis). El problema son sus masas, que de acuerdo con teoría de evolución estelar no deberían ser tales. A priori uno podría pensar que podrían alcanzar esas masas por fusiones sucesivas pero el análisis de la colaboración desfavorece esa hipótesis por los efectos de retroceso que creo que Juan comenta en el directo.

        Nosotros propusimos como explicación el choque frontal de dos ANs con masas que no tengan ese problema, pero GW19051 no se puede explicar con esta hipótesis . Otros investigadores han propuesto choques elípticos no tan extremos como un choque frontal y funcionan bien pero siguen siendo muy masivos. El problema es que no hay un estudio sistemático de las señales gravitatorias de estos sistemas y si no lo hay no se puede detectar. Hay estudios recientes que dicen que la probabilidad de tales fusiones no circulares no es tan baja en densos cúmulos globulares, por lo que no es descartable.

        La energía total es la misma para todos los casos, lo que cambia es la distancia y la forma de la propia onda.

        Sobre las estrellas de bosones, son objetos teóricos y eso no hay que olvidarlo. Nosotros proponemos una degeneración en las fuentes, no una detección. Pero es una explicación que está ahí y ya se ha discutido en otros casos: en el paper de GW190814 LIGO-Virgo discute (muy brevemente) la posibilidad de que uno de los dos objetos sea un estrella de bosones, en los papers del EHT de la primera imagen de un agujero negro supermasivo se habla de estrellas de bosones también, hay búsquedas de bosones ultraligeros reales (en nuestro trabajo son complejos) con ondas gravitatorias, para GW190521 se comparó con cuerdas cósmicas (quedó descartado)… Todo desfavorecido pero lo exótico está sobre la mesa como alternativa, a la que se mira de reojo. Y yo me pregunto, ¿son los ANs y las estrellas de neutrones los únicos objetos compactos del Universo?

        Un saludo

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