Podcast CB SyR 330: formación planetaria, depredadores sorprendentes y solitones en superredes de grafeno

Por Francisco R. Villatoro, el 27 agosto, 2021. Categoría(s): Astronomía • Biología • Ciencia • Dinámica no lineal • Física • Matemáticas • Mathematics • Noticias • Physics • Podcast Coffee Break: Señal y Ruido • Recomendación • Science ✎ 3

He participado en el episodio 330 del podcast Coffee Break: Señal y Ruido [iVooxiTunes], titulado “Ep330: Observatorios, Tibet y TMT; Formación Planetaria; Depredadores Sorprendentes; Solitones y Superredes de Grafeno», 26 ago 2021. «La tertulia semanal en la que repasamos las últimas noticias de la actualidad científica. En el episodio de hoy: China considera un observatorio en el Tibet (min 7:30); Sentencia sobre el supertelescopio TMT (51:00); Formación planetaria en el «Complejo de Ofiuco» (1:20:40); Las perturbadores imágenes de unos sorprendentes cazadores de aves (1:48:00); Ondas en superredes de grafeno (2:22:00). 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 330.

Como muestra el vídeo, en el Museo de la Ciencia y el Cosmos de Tenerife se encuentra su director, Héctor Socas Navarro @hsocasnavarro (@pcoffeebreak), y por videoconferencia Eva Villaver @villavrr, Sara Robisco Cavite @SaraRC83, Alberto Aparici @cienciabrujula, y Francis Villatoro @emulenews.

Tras la presentación de Héctor, en breves, hablamos de un sorprendente artículo científico publicado en Nature: el informe técnico sobre las condiciones observacionales de un futuro observatorio chino en el Tibet, cerca de la ciudad de Lenghu. La región tiene un cielo despejado el ~70 % de las noches (por comparar, en La Palma (Canarias) es ~75 % de las noches ), con una visibilidad (seeing) media de 0.75 segundos de arco (en La Palma es de 0.80 entre abril y noviembre) y con un contenido de vapor de agua precipitable inferior a 2 mm durante el 55 % del tiempo (comparable a Mauna Kea en invierno, que es mejor que La Palma, aunque en verano sube a un valor comparable al de La Palma, mucho peor que Mauna Kea, véase la figura de abajo).

Héctor nos pone un audio de Julio Castro, que realiza este tipo de análisis para la selección de sitios de telescopios para el Instituto Astrofísico de Canarias. Nos cuenta Julio que según este artículo, el nuevo sitio tibetano parece excelente y es una gran noticia que se haya publicado en Nature; pero su gran problema es el monzón, que es la causa del incremento del vapor de agua en verano. Comenta Julio que el seeing se ha medido con un DIMM (Differential Image Motion Monitor) instalado en una torre cinco metros más alta que la que se usa en Canarias; ello hace que su valor sufra menos la turbulencia atmosférica cerca de  la superficie (así su valor es un poco peor que el de La Palma, pero podría ser aún peor si se midiera en las mismas condiciones). El artículo es Licai Deng, Fan Yang, …, Jun Pan, «Lenghu on the Tibetan Plateau as an astronomical observing site,» Nature 596: 353-356 (18 Aug 2021), doi: https://doi.org/10.1038/s41586-021-03711-z. Los datos de visibilidad de La Palma están en Site Quality.

Héctor aprovecha para hablar del TMT (el Telescopio de Treinta Metros), que se iba a construir en Hawaii, pero cuya construcción está parada por las protestas de aborígenes y medioambientalistas. Junto a Eva, con intervención de los demás, comentan los múltiples problemas de la astronomía observacional en Hawaii, incluyendo el problema de la gestión de los residuos de telescopios ya abandonados. Y acabamos comentando la anulación de la concesión de suelo para ubicar el TMT en La Palma (resultado de un recurso ante el Juzgado de lo Contencioso-administrativo del Tribunal Superior de Justicia de Canarias (TSJC) presentado por la Federación Ecologista Canaria Ben Magec). La noticia es «Anulan la concesión de suelo para ubicar el TMT en La Palma», Canarias 7 (23 ago 2021).

Nos cuenta Eva que se ha observado un análogo al sistema solar en formación en el Complejo de Ofiuco (una región de formación estelar en la dirección del cielo en donde se encuentra esta constelación). El elemento radiactivo ²⁶Al se usa como traza isotópica de polvo protoestelar; pero solo se forma en explosiones de estrellas muy masivas. Si un sistema estelar nace con una alta proporción de ²⁶Al significa que nació cerca de una región donde habían ocurrido explosiones de supernovas o estrellas Wolf-Rayet cercanas. Se publica en Nature Astronomy el análisis de observaciones con el telescopio espacial de rayos gamma INTEGRAL en el Complejo de Ofiuco; se ha observado la línea de emisión en rayos gamma a 1.8 MeV de la desintegración  ²⁶Al cuya vida media es de 1.04 de millones de años.

La emisión a 1.8 MeV se produce en la cadena de desintegración radiactiva del ²⁶Al —(4.0 MeV)→ ²⁶Mg* —(1.8 MeV)→ ²⁶Mg. La observación de esta línea en el Complejo de Ofiuco, donde se encuentran gran número de sistemas estelares en formación, nos ofrece información sobre el posible origen del ²⁶Al en nuestro Sistema Solar. Aunque, obviamente, se requieren más observaciones para determinar los detalles del proceso más probable que ocurrió en el Sistema Solar.

Te recomiendo escuchar a Eva, que lo explica muy bien. El artículo es John C. Forbes, João Alves, Douglas N. C. Lin, «A Solar System formation analogue in the Ophiuchus star-forming complex,» Nature Astronomy (16 Aug 2021), doi: https://doi.org/10.1038/s41550-021-01442-9, arXiv:2108.09326 [astro-ph.EP] (20 Aug 2021).

Sara nos habla de «animales que no sabías que comen aves». Se publica en Current Biology la primera observación de una tortuga terrestre (Aldabrachelys gigantea) de las Islas Seychelles que se ha alimentado de un pollito de un ave (tiñosa picofina). Estos animales son herbívoros no estrictos, a diferencia de los galápagos, que son carnívoros; se sabía que las tortugas a veces consumen carroña; ahora se ha observado su comportamiento depredador como cazadores activos. El vídeo muestra como una tortuga ataca, a su ritmo lento, y se come un polluelo de tiñosa picofina caído del nido.

Nos cuenta Sara que este caso no es aislado; ya se había observado a tortugas comiendo polluelos, pero se pensaba que se trataba del consumo de carroña (que el polluelo había muerto al caer desde el nido en un árbol); ahora se interpreta que en algunos de estos casos previos también se trataría de actos de caza activa. Por cierto, se habla de caza activa y no accidental porque se observa como el polluelo intenta picar a la tortuga, que retrae su lengua y cierra los ojos, como protegiéndose, lo que apunta a que la tortuga no confunde a su presa con carroña, sino que es consciente de que está viva y tiene que matarla para comersela. Su comportamiento sugiere que no era la primera vez que cazaba a un polluelo. El artículo es Anna Zora, Justin Gerlach, «Giant tortoises hunt and consume birds,» Current Biology 31: PR989-R990 (23 Aug 2021), doi: https://doi.org/10.1016/j.cub.2021.06.088; más información divulgativa en «Las tortugas gigantes cazan y comen aves», Agencia SINC, 23 ago 2021.

Fuente: foto de Luke Halpin (CC BY 4.0) vía Nature (https://www.nature.com/articles/d41586-021-02183-5).

Nos cuenta Alberto que un estudio isotópico de lo que comen los ciempiés gigantes Cormocephalus coynei (de hasta 25 cm de longitud) muestra que también comen polluelos de pájaros (en concreto, petrel de alas negras (Pterodroma nigripennis), que anida en madrigueras en el suelo). La información suplementaria del artículo publicado en The American Naturalist incluye dos vídeos que muestran como el ciempiés se alimenta del cuello y de la base de la mandíbula de un polluelo (lo que confirma la conclusión del estudio isotópico). El artículo es Luke R. Halpin, Daniel I. Terrington, …, Rohan H. Clarke, «Arthropod Predation of Vertebrates Structures Trophic Dynamics in Island Ecosystems,» The American Naturalist (Oct 2021), doi: https://doi.org/10.1086/715702.

Superred de grafeno de Ratnikov. Fuente: Martín-Vergara et al. (2018), doi: https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-319-72218-4_4.

Me toca hablar de mi último artículo científico publicado (a petición de Sara; gracias por sugerir el autobombo): la estructura fractal de las colisiones de solitones en la ecuación de la superred de grafeno. El trabajo forma parte de la tesis doctoral de Francisca Martín-Vergara (ingeniera informática como Sara), codirigida por Francisco Rus (ingeniero en telecomunicaciones, a quien también le dirigí la tesis doctoral) y un servidor. Estudiamos la propagación de ciertas ondas electromagnéticas en un dispositivo concreto, una superred de grafeno introducida por Ratnikov (2009). Se obtiene colocando una hoja de grafeno monocapa sobre una superred formada por capas alternas de un material que no altera la estructura de bandas del grafeno (un dieléctrico como SiO₂) y de un material que introduce un bandgap (como el nitruro de boro hexagonal, h-BN, o el carburo de silicio, SiC); gracias a ello se introduce una modulación periódica del bandgap en el grafeno.

Bajo ciertas condiciones físicas, al irradiar la superred en el infrarrojo se propagan en ella ondas electromagnéticas (polaritones) en el régimen de los terahercios (THz), que están acoplados a plasmones superficiales en el grafeno; en una serie de artículos que culminaron en Kryuchkov y Kukhar’ (2012), se derivó una ecuación de onda de tipo Klein–Gordon con un potencial no lineal periódico, que cuando el parámetro de forma (b) se anula se reduce a la ecuación integrable del seno-Gordon. Nosotros bautizamos esta ecuación como ecuación de la superred de grafeno (para evitar el nombre ecuación KK, que suena mal en español). Más detalles en el primer artículo de la futura tesis: Francisca Martin-Vergara, Francisco Rus, Francisco R. Villatoro, «Solitary Waves on Graphene Superlattices,» in Nonlinear Systems, edited by Juan F. R. Archilla et al., Springer (2018), pp. 85–110, doi: https://doi.org/10.1007/978-3-319-72218-4_4. Como comenta Sara, nuestros artículos están firmados por los «tres pacos» (Paquita, Paco y un servidor).

Para seleccionar el método numérico más adecuado para esta ecuación en la familia de los métodos de tipo Padé (que son los que usamos en la tesis de Paco Rus) hemos publicado dos artículos (AMC (2019), doi: https://doi.org/10.1016/j.amc.2019.04.042, y CNSNS (2020), doi: https://doi.org/10.1016/j.cnsns.2020.105243). Como curiosidad, comento en el podcast que enviamos el nuevo artículo en enero de 2021 a la revista CNSNS, que era la 1/55 en el área de Physics, Mathematical del JCR 2019 (el área más afín a Física Computacional en el JCR), donde fue rechazado; incorporamos los cambios sugeridos por los revisores y lo reenviamos a otra revista, donde también fue rechazado por el editor sin pasar por revisión por pares; finalmente, decidimos enviarlo a Chaos, Solitons & Fractals (CSF), que era la 2/55 en el JCR 2019, donde ha sido aceptado. Ahora resulta que CSF es la 1/55 en Physics, Mathematical del JCR 2020, pasando CNSNS a ser la 3/55 en el JCR 2020; así que nos vino muy bien el rechazo inicial, al menos para la tesis de Paqui que se defenderá a principios de 2022. Pero, claro, nuestro CNSNS (2020) ahora es 3/55 cuando parecía ser 1/55. Obviamente, como el artículo ha sido publicado en 2021, no sabremos qué posición tendrá la revista CSF en el JCR 2021 hasta junio de 2022. En cualquier caso, siendo revistas del primer decil son equivalentes entre sí de cara a los evaluadores de proyectos de investigación. Lo sé, lo sé, preocuparse por estas cosas es una tontería… una tontería de científicos, pero al menos da para un rato entretenido en el podcast.

En nuestro último artículo hemos estudiado las colisiones de solitones (kinks y antikinks) en esta ecuación no integrable (que por tanto no son solitones en sentido estricto, sino solo ondas solitarias) en función del parámetro de forma (b) y de la velocidad de los solitones (v). La colisión de un kink contra un antikink (ilustrada en esta figura con la curva negra para su posición inicial) es inelástica; en muchos casos los solitones decaen en radiación de baja amplitud (fonones). Sin embargo, para ciertas velocidades iniciales de los solitones, se observa una resonancia y la reemisión posterior de un kink y un antikink pero con una velocidad final menor que la inicial. Este comportamiento es genérico para las ecuaciones de tipo Klein–Gordon y el objetivo de nuestro artículo es caracterizar la estructura fractal observada en estas colisiones.

Dicen Héctor y Sara que nuestro artículo está muy bien escrito y que se entiende muy lo que hacemos (así que animo a todos los interesados a leerlo, hasta septiembre de 2021 disponemos un enlace para lectura gratuita del mismo https://authors.elsevier.com/c/1dVfu3QI~FS3CI, que también está en formato preprint en arXiv:2107.02149). Esta figura ilustra la autosemejanza de las curvas de la solución en función del tiempo para el punto central de la colisión del kink y del antikink; el análisis detallado de estas figuras nos ha permitido conjeturar que esta estructura se repite ad infinitum, de ahí que afirmemos en el título que se trata de una estructura fractal. En el artículo presentamos una caracterización de esta estructura fractal infinita en base a una nueva notación (muy al estilo de las gramáticas usadas en informática), que quizás sea la parte más pesada de leer del artículo.

No quiero aburrirte más con este tema; en el podcast comento algunas de las líneas futuras de trabajo que pretendemos llevar a cabo (caracterizar la estructura fractal usando modelos de variables colectivas (analogías onda-partícula), caracterizar el pseudo-breather de esta ecuación y estudiar las ecuaciones más generales que describen con más detalle físico las ondas de terahercios en las superredes de grafeno). Nuestro artículo es Francisca Martin-Vergara, Francisco Rus, Francisco R. Villatoro, «Fractal structure of the soliton scattering for the graphene superlattice equation,» Chaos, Solitons & Fractals 151: 111281 (Oct 2021), doi: https://doi.org/10.1016/j.chaos.2021.111281, arXiv:2107.02149 [nlin.PS] (05 Jul 2021 [v1] y 03 Aug 2021 [v2]).

Como me enrollé mucho con mi artículo, no nos dio tiempo a la sección señales de los oyentes. ¡Qué disfrutes del podcast!



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