Podcast CB SyR 332: hiceánicos, superfulguraciones, enanas blancas, teoría de cuerdas y más noticias

Por Francisco R. Villatoro, el 12 septiembre, 2021. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Podcast Coffee Break: Señal y Ruido • Recomendación • Science

He participado en el episodio 332 del podcast Coffee Break: Señal y Ruido [iVooxiTunes], titulado “Ep332: Mundos Hiceánicos; Superfulguraciones; Enanas Blancas; Teoría de Cuerdas», 09 sep 2021. «La tertulia semanal en la que repasamos las últimas noticias de la actualidad científica. En el episodio de hoy: Superfulguraciones en enanas rojas (min 10:00); Mundos hiceánicos y habitabilidad (57:30); Reacciones nucleares residuales en enanas blancas (1:37:00); Teoría de cuerdas y espacios de de Sitter (1:54:00); Señales de los oyentes (2:23:00). 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 332.

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, Gastón Giribet @GastonGiribet, Alberto Aparici @cienciabrujula, y Francis Villatoro @emulenews.

Tras la presentación y una digresión sobre el número 666, Héctor nos cuenta que las superfulguraciones (o superllamaradas) en enanas rojas convectivas podrían no ser tan letales para sus planetas como se pensaba; así lo afirma un artículo publicado en MNRAS. Las fulguraciones son incrementos de brillo de la superficie estelar y suelen estar asociadas a eyecciones de masa de coronal (que en el caso del Sol son las partículas de alta energía responsables de que Marte haya perdido su atmósfera, al perder su campo magnético interno en época muy temprana). Nos cuenta Héctor que las fulguraciones no se suelen ver en luz blanca, pero las que se ven en luz blanca son las más energéticas, las llamadas superfulguraciones.

Eva destaca que los planetas se suelen situar en el plano ecuatorial de la estrella, pero que hay ejemplos de estrellas inclinadas respecto a dicho plano; por ello el origen de las fulguraciones en los polos tiene implicaciones en la habitabilidad real de los planetas situados en la zona de habitabilidad de algunas enanas rojas (pero no en todas). Hay que recordar que la condición de habitabilidad es que la temperatura permita que haya agua líquida en superficie si el planea dispone de una atmósfera, pero las fulguraciones pueden erosionar la atmósfera eliminando la protección del agua superficial.

En las nuevas observaciones se ha usado el telescopio espacial TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite), que busca exoplanetas por el método del tránsito en enanas rojas. El ajuste de los datos a un modelo teórico indica que las superfulguraciones ocurren en latitudes altas, cerca de los polos estelares. Se han observado cuatro situadas en latitudes entre 55° y 81°; así esta radiación electromagnética de alta energía podría esquivar el plano orbital donde se encuentran los exoplanetas (lo que permitiría que sus atmósferas estuvieran a salvo).

Nos cuenta Héctor que las superfulguraciones estudiadas en este artículo son observadas como un incremento del brillo estelar en un 20 %, una barbaridad si ocurriera en el caso del Sol. El evento Carrington fue observado como manchas solares, que suelen aparecer en una franja de unos 30 grados alrededor del ecuador. Cuenta Héctor que en muchas enanas rojas muy convectivas (que no muestran rotación diferencial) tienen manchas estelares en los polos; así que no extraña que se hayan observado fulguraciones originadas en los polos.

Así el exoplaneta más cercano, Proxima b, en la zona de habitabilidad de la enana roja Proxima Centauri, podría tener una atmósfera a salvo de estas superllamaradas. El artículo es Ekaterina Ilin, Katja Poppenhaeger, …, Ilya Ilyin, «Giant white-light flares on fully convective stars occur at high latitudes,» Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS) 507: 1723-1745 (05 Aug 2021), doi: https://doi.org/10.1093/mnras/stab2159, arXiv:2108.01917 [astro-ph.SR] (04 Aug 2021).

Nos habla Alberto de los «mundos hiceánicos» (neologismo que combina hi-drógeno y o-céanico), exoplanetas con un océano de agua global (sin tierra emergida) y una densa atmósfera rica en hidrógeno molecular (H₂). Según un artículo en Astrophysical Journal (ApJ) su zona de habitabilidad sería enorme comparada con la de las tierras y supertierras, ya que gracias a su densa atmósfera pueden mantener agua líquida superficial desde muy cerca de su estrella hasta muy lejos de ella. Nuestra galaxia podría  estar repleta de hiceánicos en la zona de habitabilidad; más aún, estos exoplanetas son ideales para buscar biomarcadores (fáciles de identificar en su atmósfera de hidrógeno).

Como muestra esta ilustración artística, los hiceánicos se clasificaban como minineptunos. Se observan tres tipos de hiceánicos, con dos tipos adicionales asociados a los extremos de la zona de habitabilidad, los llamados hiceánicos oscuros y los hiceánicos fríos. Los hiceánicos oscuros giran muy cerca de sus estrellas con acoplamiento de marea, mostrando siempre el mismo hemisferio hacia su astro; su lado nocturno sería habitable. Los hiceánicos fríos están muy lejos de sus estrellas, pero con agua líquida; por su tamaño y densa atmósfera serían ideales para buscar biomarcadores (clorometano, disulfuro de carbono o monóxido de dinitrógeno, por ejemplo) usando el Telescopio James Webb. Un buen ejemplo es K2-18b, un exoplaneta situado a 124 años luz con un tamaño 2.6 veces el de la Tierra y que se considera un candidato a mundo hiceánico.

Los planetas hiceánicos tienen una densidad (banda celeste en la figura) intermedia entre las supertierras (con superficie rocosa emergida) y los minineptunos (con densas atmósferas gaseosas sin superficie emergida). Sus océanos están sometidos a una gran presión y pueden retener muy bien la temperatura debido a la densa atmósfera de hidrógeno; así el agua permanece líquida en su superficie incluso a temperaturas de equilibrio de unos 230 ºC (podría haber vida en las zonas más frías del oceáno, he hecho, en los océanos de la Tierra hay formas de vida que pueden sobrevivir hasta unos 120 ºC). Sin lugar a dudas el estudio de los mundos hiceánicos ofrecerá muchas sorpresas en el futuro.

En el artículo se propone usar el Telescopio James Webb para explorar espectro de transmisión del exoplaneta hiceánico K2-18 b y buscar biomarcadores (esta figura muestra el modelo teórico de los autores). Nos comenta Eva que cree que esta figura es muy optimista (observar varios biomarcadores en el mismo espectro) y que los espectros de transmisión que podrá obtener el James Webb serán mucho más ruidosos y difíciles de interpretar; además, para modelar las observaciones se pueden usar otras moléculas diferentes. Así que, que nadie se engañe, es muy posible que no podamos obtener señales de vida en hiceánicos K2-18 b. El artículo es Nikku Madhusudhan, Anjali A. A. Piette, Savvas Constantinou, «Habitability and Biosignatures of Hycean Worlds,» The Astrophysical Journal 918: 1 (26 Aug 2021), doi: https://doi.org/10.3847/1538-4357/abfd9c, arXiv:2108.10888 [astro-ph.EP] (24 Aug 2021). Recomiendo leer a Daniel Marín, «Los «mundos hiceánicos», ¿un paraíso para la vida en la Galaxia?», Eureka, 02 sep 2021. Héctor cita al final la paradoja del cielo rojo de David Kipping, «Formulation and Resolutions of the Red Sky Paradox,» PNAS 118: e2026808118 (2021), doi: https://doi.org/10.1073/pnas.2026808118, arXiv:2106.11207 [astro-ph.EP] (21 Jun 2021).

Nos cuenta Héctor que se ha publicado en Nature Astronomy un artículo sobre el enfriamiento lento de las enanas blancas. Estas estrellas degeneradas se caracterizan por no presentar actividad termonuclear estable; así se considera que su evolución se limita a un enfriamiento puro muy lento. Así se considera su temperatura como un cronómetro cósmico para estimar la edad de poblaciones galácticas, cúmulos globulares y abiertos. Como un ~70 % de las enanas blancas en el cúmulo globular M13 muestran un enfriamiento más lento de lo habitual, algo que no ocurre con el cúmulo globular M3. Se considera que la causa es que las enanas blancas en M13 presentan una combustión termonuclear estable de su envoltura residual, que es rica en hidrógeno.

Eva menciona el tercer dragado, quizás conviene recordar los tres dragados. El primer dragado ocurre cuando una estrella de la secuencia principal entra en la rama de gigantes rojas; la estrella se vuelve totalmente convectiva y su atmósfera exterior muestra la firma espectral de la fusión del hidrógeno (las relaciones ¹²C/¹³C, y C/N se reducen, así como las concentraciones de litio y berilio). El segundo dragado ocurre en estrellas con entre 4 y 8 masas solares; finaliza la fusión del helio en el núcleo, la convección mezcla los productos del ciclo CNO (con ello aumenta la abundancia superficial de ⁴He y ¹⁴N, mientras que disminuye la de ¹²C y ¹⁶O). El tercer dragado se produce cuando la estrella entra en la rama gigante asintótica, con una gran producción de helio, carbono y otros productos (aumenta la concentración de carbono en relación con el oxígeno; tras este proceso se convierte a la estrella en una estrella de carbono).

El artículo es Jianxing Chen, Francesco R. Ferraro, …, Emanuele Dalessandro, «Slowly cooling white dwarfs in M13 from stable hydrogen burning,» Nature Astronomy (06 Sep 2021), doi: https://doi.org/10.1038/s41550-021-01445-6, arXiv:2109.02306 [astro-ph.GA] (06 Sep 2021).

Fuente: Adolfo Guarino https://www.adolfoguarino.com/files/dS_talk.pdf

Nos cuenta Gastón que se ha publicado en arXiv un preprint que prueba que no existen soluciones tipo de Sitter en 4D en ninguna compactificación de la supergravedad de tipo II (límite clásico de las teorías de cuerdas tipo IIA y IIB). Las conjeturas de la ciénaga o del pantano (swampland) apuntan a que la teoría de cuerdas no tiene un vacío de tipo de Sitter (que sea al menos metaestable). Ya se había probado que no existe un vacío tipo de Sitter en las teorías de cuerdas heteróticas (lo que sugiere que tampoco las hay en las tipo I). Ahora se prueba que no las hay en las de tipo II, lo que implica que no las hay en las cinco teorías de cuerdas en 10D. El origen de la constante cosmológica en teoría de cuerdas tiene que ser cuántico (o bien nuestro universo es metaestable y en el futuro ocurrirá un Big Rip, o gran desgarro). Por supuesto, se conocen varias construcciones de un espacio tipo de Sitter en teoría de cuerdas (como la KKLT), que usan herramientas no perturbativas (en KKLT usan anti-D3-branas), luego estarían más allá del nuevo teorema no-go; por cierto, la metaestabilidad es suficiente para explicar la inflación cósmica.

Recuerda que un estado metaestable corresponde a un mínimo local del potencial V de la teoría compactificada en 4D; será de tipo de Sitter si el valor del potencial es positivo (V>0) en dicho mínimo. El nuevo artículo prueba que V ≤ 0 para las soluciones de tipo de Sitter en cualquier compactificación M₁₀ = M₄ × M₆ de la supergravedad tipo II clásica (no se tienen en cuenta efectos cuánticos, campos taquiónicos y otras posibilidades). Sorprende que la nueva demostración es relativamente sencilla (el núcleo se describe menos de una página). Este nuevo artículo generaliza el teorema no-go de Maldacena y Nuñez (2001), teniendo en cuenta la compactificación de flujos (en D-branas) y los planos de tipo orientifold (O-planos).

Héctor suele llamar «teorema ni de coña» a los no-go theorems. De hecho, confieso en el podcast que me sorprendió ser capaz de entender la demostración; parece tan fácil que resulta casi imposible creer que nadie la haya descubierto hasta ahora. [PS 10 sep 2021] Ahora entiendo el porqué. Resulta que el día después de la grabación del podcast Skarke retractó su artículo en arXiv; la razón es que encontró un error en su demostración: «The proof as given in v1 cannot be correct bcause, with the same methods, a number of well-known models could also be excluded. The error consisted in an application of the variational principle in section 4 in a manner that was too general, particularly with respect to nontrivial fluxes«. En el próximo episodio del podcast explicaré lo que significa este comentario y cuál es la fuente del error. [/PS]

El artículo es Harald Skarke, «Proof of absence of de Sitter vacua in classical type II supergravity,» arXiv:2109.01832 [hep-th] (04 Sep 2021); la demostración para cuerdas heteróticas se publicó en Stephen R. Green, Emil J. Martinec, …, Savdeep Sethi, «Constraints on String Cosmology,» Class. Quant. Grav. 29: 075006 (2012), doi: https://doi.org/10.1088/0264-9381/29/7/075006, arXiv:1110.0545 [hep-th] (03 Oct 2011). Todos estos resultados heredan ideas del teorema no go para de Sitter de Juan Maldacena, Carlos Nunez, «Supergravity description of field theories on curved manifolds and a no go theorem,» Int. J. Mod. Phys. A 16 822-855 (2001), doi: https://doi.org/10.1142/S0217751X01003937, arXiv:hep-th/0007018 (03 Jul 2000).

Y pasamos a señales de los oyentes. Antonio David Bastida pregunta «¿Cómo de común es que un físico cambie de campo de trabajo durante su trayectoria? Por ejemplo, pasar de física de estado sólido a trabajar en problemas de física estadística, etc.» Cada uno tiene su opinión al respecto; la mayoría opina que salvo en el caso de ciertos genios, el paso a otra área de trabajo es tan difícil que muy pocos físicos lo dan de forma voluntaria. En mi opinión ese es el punto clave; muchos físicos se ven obligados cambiar de área de investigación por múltiples razones; en general, me parece algo ventajoso porque favorece la multidisciplinaridad.

DDV2 Nine​ pregunta «el principio de exclusión de Pauli termina generando una aparente fuerza repulsiva en sistemas fermiónicos, ¿podría ser una posible explicación cuántica de la expansión del universo?» Se refiere a la presión de degeneración que sostiene a las enanas blancas contra el colapso gravitacional. Todos contestamos que no es posible. Yo apostillo que la idea de que el espaciotiempo es un superespacio con «puntos» con coordenadas bosónicas (las convencionales) y fermiónicas (las que seguirían el principio de exclusión de Pauli) fue explorado en el pasado para intentar explicar la expansión acelerada del universo; cuando se hacen las cuentas resultas que no funciona (la densidad de la energía oscura es tan pequeña que solo es relevante a escalas cosmológicas). Para que la idea pudiera funcionar sin impedir la existencia del universo conocido se necesita un ajuste tan fino (cientos de órdenes de magnitud) que se considera inviable. A pesar de ello, el concepto de superespacio aparece en teoría de cuerdas donde se considera relevante a las escalas de energía de la gravitación cuántica (que son irrelevantes para el problema de la energía oscura).

Perdona el retraso en publicar esta pieza… ¡Qué disfrutes del podcast!



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