Podcast CB SyR 422: la Vía Láctea según IceCube, solitones topológicos y eskirmiones, la supuesta cultura de Homo naledi, la oxigenación en el periodo ediacárico y el anuncio de NANOGrav

Por Francisco R. Villatoro, el 3 julio, 2023. Categoría(s): Astrofísica • Ciencia • Física • Nature • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Podcast Coffee Break: Señal y Ruido • Recomendación • Science ✎ 5

He participado en el episodio 422 del podcast Coffee Break: Señal y Ruido [Acast AAcast BiVoox AiVoox BiTunes A y iTunes B], titulado “Ep422: Solitones; Homo Naledi; Geoquímica; Ondas Gravitacionales», 27 jun 2023. «La tertulia semanal en la que repasamos las últimas noticias de la actualidad científica. En el episodio de hoy: Cara A: Breves (min 5:00); Solitones (33:00). Cara B: Homo naledi (min 1:00); Geoquímica (49:00); PTA y ondas gravitacionales (1:20:00). Todos los comentarios vertidos durante la tertulia representan únicamente la opinión de quien los hace… y a veces ni eso».

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Como muestra el vídeo participamos por videoconferencia Alberto Aparici  @cienciabrujula, Isabel Cordero @FuturaConjetura, José Edelstein @JoseEdelstein, y Francis Villatoro @eMuleNews

Tras la presentación de Alberto, se disculpa por haber usado el término «asunción» como sinónimo de suposición (como falso amigo del inglés assumption); por lo que parece la acción de asumir, que no es sinónimo de suponer: tomar para sí, hacerse cargo, responsabilizarse, aceptar o reconocer algo (DRAE). Jose nos habla del quinto aniversario de The Conversation, un medio en el que han publicado unos 8000 autores en castellano. La razón es que Jose estuvo en la reunión de Madrid que celebraba dicho aniversario; más información en «Celebramos el quinto aniversario de la edición en español de la plataforma divulgativa The Conversation», Fundación Telefónica, 27 jun 2023.

Alberto comenta el anuncio de esta tarde de IceCube, ¿qué será? Alberto lo sabe (yo también), pero no podemos comentar nada. Yo comento que los rumores en Twitter es que será un artículo en Science; como IceCube ya publicó la identificación de una galaxia cercana (M 77) como fuente de neutrinos, todas las apuestas apuntan a que se tratará de neutrinos originados en nuestra galaxia, el núcleo galáctico o quizás el plano galáctico. Aprovecha Alberto para comentar que los detectores de neutrinos detectan mejor su «suelo» que su «techo», lo que en el caso de IceCube se refiere al hemisferio norte de la Tierra (recuerda que el núcleo galáctico se observa desde el hemisferio sur de la Tierra). Por tanto, hay grandes dificultades técnicas para que IceCube observe neutrinos en el núcleo galáctico, siendo más probable que haya observada el plano galáctico. [PS 1 jul 2023] El artículo es IceCube Collaboration, «Observation of high-energy neutrinos from the Galactic plane,» Science 380: 1338-1343 (29 Jun 2023), doi: https://doi.org/10.1126/science.adc9818; más información en Luigi Antonio Fusco, «Galactic neutrinos in the Milky Way,» Science 380: 1318-1319 (29 Jun 2023), doi: https://doi.org/10.1126/science.adi6277. Los otros artículos de IceCube en Science son IceCube Collaboration, «Neutrino emission from the direction of the blazar TXS 0506+056 prior to the IceCube-170922,» Science 361: 147-151 (13 Jul 2018), doi: https://doi.org/10.1126/science.aat2890, y IceCube Collaboration, «Evidence for neutrino emission from the nearby active galaxy NGC 1068,» Science 378: 538-543 (03 Nov 2022), doi: https://doi.org/10.1126/science.abg3395.

Me toca hablar del workshop en Cracovia en el que estuve la semana pasada (razón por la que no pude intervenir en el podcast). Un workshop sobre solitones topológicos en física de partículas, monopolos, instantones, esferalones, vórtices y eskirmiones. Estos últimos (el modelo de Skyrme y los eskirmiones) fueron los protagonistas destacados de la primera semana del workshop; aunque mi charla fue sobre otros solitones topológicos, los kinks y antikinks, y los quasi-breathers. Cuento la historia de los solitones (más información en LCMF, 21 jul 2017) y de los skyrmiones (sigo el hilo del primer capítulo del reciente libro de Nicholas S. Manton, «Skyrmions. A theory of nuclei,» World Scientific (2022)). Yo había estudiado los eskirmiones hace una década, gracia al famoso libro de Nicholas Manton, Paul Sutcliffe, «Topological Solitons», Cambridge University Press, 2004 (por cierto Manton y Sutcliffe estuvieron en Cracovia en la segunda semana del workshop, cuando yo ya había retornado a Málaga).

El modelo de Skyrme es de 1960, antes del nacimiento de la Cromodinámica Cuántica (QCD) y del modelo estándar. Los eskirmiones son solitones topológicos de un modelo efectivo de tres piones (π⁰, π⁺ y π⁻) con un (pseudo)espín 1/2, es decir, son fermiones, a pesar de que resultan de la interacción de piones, que tienen espín 0; luego parece que describen los bariones (protones y neutrones). La analogía es muy buena porque la carga topológica de los eskirmiones es igual al número bariónico (+1 y −1). Edward Witten demostró a principios de los 1980s que se puede obtener el modelo de Skyrme a partir de la QCD, como aclara Jose en el podcast, en el límite de un número de cargas de color infinito (en QCD este número es tres, así que el modelo Skyrme es válido cuando «tres es igual a infinito»).

En la década de los 1990 se descubrió gracias a simulaciones por ordenador que existen eskirmiones con alto número bariónico; los eskirmiones con número bariónico 12 o 16 se propusieron como descripción efectiva de los núcleos de átomos como el carbono y el oxígeno. Ya en los 2000 se descubrió que existen solitones topológicos en condiciones de contorno periódicas del modelo de Skyrme; estos eskirmiones periódicos se denominan «cristales de eskirmiones». Estas soluciones periódicas permiten describir la materia nuclear en las estrellas de neutrones. Los más jóvenes en este workshop han presentado un cálculo de la ecuación de estado de la materia nuclear que ajusta muy bien la relación entre masa y radio para las estrellas de neutrones. Un resultado que me ha resultado sorprendente y fascinante.

La web del workshop es «Topological Effects in Particle Physics: monopoles, instantons, sphalerons, vortices and skyrmions,» SIG XI, Jagiellonian University, 19-30 June 2023 (web; talks).

Ignacio nos comenta tres artículos controvertidos sobre la cultura del Homo naledi. Los primeros restos de H. naledi fueron descubiertos el 13 de septiembre de 2013 en el sistema de cuevas Rising Star de Sudáfrica (naledi significa «estrella» en un idioma local, por el nombre de la cueva); se han encontrado más de 15 individuos datados con entre 241 mil y 335 mil años; pero su datación está sujeta a cierta polémica (el artículo con el descubrimiento es Lee R Berger, John Hawks, …, Bernhard Zipfel, «Homo naledi, a new species of the genus Homo from the Dinaledi Chamber, South Africa,» eLife 4: e09560 (10 Sep 2015), doi: https://doi.org/10.7554/eLife.09560). Alberto nos aclara que la datación es tafonómica (la tafonomía de una cueva describe cómo se distribuyen los restos fósiles en las diferentes capas de sedimentos). Ignacio nos aclara que se ha podido datar el momento en el que cerró el sistema de cuervas al acceso de los homínidos; por ello se asume que todos los fósiles encontrados son anteriores a dicho momento. Obviamente, esta datación es muy polémica.

En dicha cueva se han encontrado grabados en piedra, cuyo origen podría ser el arte rupestre; grabados con rayas cruzadas impresas con profundidad y con formas geométricas parecidas a cuadrados, triángulos y cruces (tanto + como ×). Los investigadores sugieren que son resultado del uso de una «herramienta» similar a un objeto que se encontró en dicha cueva. Pero estos grabados no han sido fechados con técnicas modernas de datación y algunas de las líneas parecen grabadas de forma reciente. Además, hasta ahora, el arte rupestre se limita a H. sapiens; se cree que requiere habilidades cognitivas asociadas a una gran encefalización (mayor del doble de la de H. naledi). El artículo es Lee R. Berger, John Hawks, …, Keneiloe Molopyane, «241,000 to 335,000 Years Old Rock Engravings Made by Homo naledi in the Rising Star Cave system, South Africa,» bioRxiv preprint 543133 (05 Jun 2023), doi: https://doi.org/10.1101/2023.06.01.543133.

Más polémicos aún son los indicios de tres enterramientos deliberados de H. naledi. Hasta ahora, la evidencia más antigua de entierro en África es la cueva Panga ya Saidi, en Kenia, fechado hace 78 mil años; un niño H. sapiens enterrado de forma intencional según los criterios científicos actuales. Estos criterios permiten diferenciar entre una acumulación natural de partes esqueléticas en una cueva por parte de un depredador, o por primates no humanos como gorilas y chimpancés. Los supuestos entierramientos de H. naledi son hasta 160 mil años más antiguos. Pero hay muchas dudas sobre si se trata de un enterramiento intencionado: no hay indicio de que el pozo haya sido excavado, pudiendo ser una depresión natural; no se observa una alineación anatómica de los restos óseos del cuerpo y de las articulaciones. Además, en los entierros deliberados, el cuerpo está (casi) intacto, con pequeños desplazamientos debidos a la descomposición; ya que en el entierro se cubre de forma inmediata el cuerpo con tierra, lo que protege la integridad anatómica del esqueleto.

En la cueva Rising Star solo se observa una asociación espacial general de los restos óseos, que apunta a que se han descompuesto in situ. La distribución observada se podría haber logrado por pura casualidad; de hecho, los restos no permiten la reconstrucción de sus posiciones originales. Además, se ha encontrado un artefacto de piedra entre los huesos, pero por su forma podría tener un origen natural. Todo apunta a que no se trata dde un enterramiento deliberado. Aunque, por supuesto, se requieren futuros estudios para confirmarlo de forma definitiva. El artículo es Lee R Berger, Tebogo Makhubela, …, John Hawks, «Evidence for deliberate burial of the dead by Homo naledi,» bioRxiv preprint 543127 (05 Jun 2023), doi: https://doi.org/10.1101/2023.06.01.543127.

Si se confirmase en un futuro que los H. naledi tuvieron una cultura tan avanzada como para producir arte rupestre y enterrar a sus muertos, se contradeciría la hipótesis de que estas actividades requieren un gran volumen encefálico solo disponible para el Homo sapiens. Pero tampoco debemos olvidar que la datación de los restos de la cueva está también en discusión, pudiendo ser más recientes de lo que parece. Nos lo cuentan Agustin Fuentes, Marc Kissel, …, Lee R. Berger, «Burials and engravings in a small-brained hominin, Homo naledi, from the late Pleistocene: contexts and evolutionary implications,» bioRxiv preprint 543135 (05 Jun 2023), doi: https://doi.org/10.1101/2023.06.01.543135. La polémica está descrita a la perfección en Michael Petraglia, Emmanuel K. Ndiema, María Martinón-Torres, Nicole Boivin, «Major new research claims smaller-brained Homo naledi made rock art and buried the dead. But the evidence is lacking,» The Conversation, 06 Jun 2023.

Nos habla Alberto de un artículo en Nature sobre la geoquímica del fósforo en la Tierra: ¿qué ocurrió en los océanos de nuestro planeta durante la excursión de Shuram (en el periodo ediacárico)? El fósforo es un nutriente que controla los niveles de oxígeno oceánico. En el Período Ediacárico (hace entre 635 y 539 millones de años) aumentó el nivel de fósforo, junto con un aumento de los niveles de oxígeno. En el nuevo artículo se usa la relación entre los fosfatos y los carbonatos para reconstruir las concentraciones de fósforo oceánico durante la excursión de Shuram, que coincidió con una oxigenación oceánica global. Una excursión es una desviación de algún parámetro geoquímico; en este caso se trata de una excursión negativa en los isótopos de carbono. El nuevo artículo propone un modelo biogeoquímico que explica la oxigenación por la liberación de dióxido de carbono y fósforo en la oxidación de materia orgánica marina debida a sulfatos (cuyo origen no está del todo claro).

Parece que durante la excursión, en lugar del ciclo interno de fósforo-oxígeno oceánico, lo que controló la oxigenación oceánica en el ediacárico fue la meteorización de sulfatos. Alberto nos lo cuenta con pasión y precisión; recomiendo escuchar su excelente audio. El artículo es Matthew S. Dodd, Wei Shi, …, Timothy W. Lyons, «Uncovering the Ediacaran phosphorus cycle,» Nature 618: 974-980 (31 May 2023), doi: https://doi.org/10.1038/s41586-023-06077-6; también recomiendo su artículo previo, Matthew S. Dodd, Zihu Zhang, …, Wei Wang, «Development of carbonate-associated phosphate (CAP) as a proxy for reconstructing ancient ocean phosphate levels,» Geochimica et Cosmochimica Acta 301: 48-69 (15 May 2021), doi: https://doi.org/10.1016/j.gca.2021.02.038.

Isabel nos comenta que se han publicado 18 artículos con los últimos resultados de las colaboraciones PTA (Pulsar Timing Array); destaca la estadounidense NANOGrav, que encuentran indicios entre 3 y 4 sigmas del fondo estocástico de ondas gravitacionales. Los púlsares se comportan como relojes cósmicos de precisión. Cuando son atravesados por ondas gravitacionales de gran longitud de onda (muchos años luz) se observa desde la Tierra una modificación correlacionada entre el ritmo de varios de estos relojes. A partir de la comparación entre estas desviaciones se puede observar la presencia de dichas ondas gravitacionales. En 1983, Ronald W. Hellings y George S. Downs propusieron detectar este fondo estocástico de ondas gravitacionales en el rango de frecuencias de los nanohercios (nHz); usando los púlsares más estables, los de milisegundos, se puede detectar usando el llamado método de la matriz de temporización de púlsares (PTA, por Pulsar Timing Array).

El jueves 29 de junio se publicaron 18 artículos que usan esta técnica, 8 de NANOGrav, 6 del European PTA, 3 de Parkes PTA y 1 de Chinese PTA (Indian PTA publicó en 2022). Destaca la colaboración NANOGrav, que publica sus resultados tras 15 años de toma de datos con 67 púlsares: se observan indicios (evidences en inglés) de la curva de Hellings-Downs, con 3 sigmas según un análisis bayesiano, y entre 3.5 y 4 sigmas con análisis frecuentistas. No se puede afirmar que se haya detectado el SGWB, lo que requiere 5 sigmas; tampoco estamos cerca de un Premio Nobel, que exige más de 5 sigmas en dos observatorios diferentes. A pesar de ello se trata de un gran logro de la colaboración NANOGrav (North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves). El IPTA (International Pulsar Timing Array) pretende combinar los datos de NANOGrav, EPTA, InPTA y PPTA para analizar de forma conjunta unos 80 púlsares. Habrá que estar al tanto de la futura publicación de sus resultados (aunque creo que no superará las ansiadas 5 sigmas).

En mi pieza «NANOGrav observa indicios entre tres y cuatro sigmas del fondo estocástico de ondas gravitacionales», LCMF, 01 jul 2023, puedes leer una discusión más detallada, así como referencias a los 18 artículos publicados. Pongo aquí solo los ocho artículos publicados en el NANOGrav 15-year Data Set (NG15) son The NANOGrav Collaboration, «The NANOGrav 15-year Data Set: Evidence for a Gravitational-Wave Background,» The Astrophysical Journal Letters (ApJL) 951: L8 (29 Jun 2023), doi: https://doi.org/10.3847/2041-8213/acdac6arXiv:2306.16213 [astro-ph.HE] (28 Jun 2023); «Observations and Timing of 68 Millisecond Pulsars,» ApJL 951: L9, doi: https://doi.org/10.3847/2041-8213/acda9aarXiv:2306.16217 [astro-ph.HE]; «Detector Characterization and Noise Budget,» ApJL 951: L10, doi: https://doi.org/, arXiv:2306.16218 [astro-ph.HE]; «Search for Signals from New Physics,» ApJL 951: L11, doi: https://doi.org/10.3847/2041-8213/acdc91arXiv:2306.16219 [astro-ph.HE]; «Constraints on Supermassive Black Hole Binaries from the Gravitational Wave Background,» ApJL 951: L12, arXiv:2306.16220 [astro-ph.HE]; «Search for Anisotropy in the Gravitational-Wave Background,» ApJL 951: L13, arXiv:2306.16221 [astro-ph.HE]; «Bayesian Limits on Gravitational Waves from Individual Supermassive Black Hole Binaries,» ApJL 951: L14, arXiv:2306.16222 [astro-ph.HE]; «Gravitational-Wave Background Analysis Pipeline,» ApJL 951: L15, arXiv:2306.16223 [astro-ph.HE].

Y así acabamos (sin señales de los oyentes porque nos hemos alargado más de la cuenta. ¡Qué disfrutes del podcast!



5 Comentarios

  1. Qué estímulo y lecturas tan interesantes juntas,
    Las fotos de los gravados rupestres son inspiradoras. Como una escalera de ramas o cuerda, útil para desplazarse en cuevas. Y como una de las pinturas así en una cueva ibérica, «La Pasiega» que se dijo que era de 65.000 años, neanderthal.
    Da gusto imaginar si estas figuras podrían ser una señal práctica. Para guiar, ayudar a avanzar y evitar riesgos, para otros que después lo verían y lo podrían entender. O una señal de su paso, un simbolo representando su tecnología…

    Y la foto del cartel con olas y el faro parece una buena metáfora de esa física tan removida, ji, ji…

    Buenas inspiraciones y curiosidades, y educativas! 🙂

  2. Me inspiró una duda rarota, de si…
    el fenómeno atmosférico de los rayos bola/globulares (si exiten)
    servirían como ejemplo motivante de algun otro tipo de solitón…
    (sería motivante por lo bestia o raro del rayo, ji ji…)

    Y mola el enlace TxusBeck! Lo guardo, para verlo después, parece interesante!
    Gracias! 🙂

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