He participado en el episodio 451 del podcast Coffee Break: Señal y Ruido [iVoox A, iVoox B; iTunes A y iTunes B], titulado “Ep451: Papiros de Herculano; Circulación Atlántica; Mimas; Láser de Gravedad», 15 feb 2024. «La tertulia semanal en la que repasamos las últimas noticias de la actualidad científica. En el episodio de hoy: Cara A: Vesuvius Challenge y los papiros de Herculano (6:00). Cambio climático: sobre el colapso de la circulación termohalina (38:30). Cara B: El océano subterráneo de Mimas (39:47). Láser gravitacional (1:07:12). Señales de los oyentes (1:35:12). Imagen de portada realizada por Héctor Socas. Todos los comentarios vertidos durante la tertulia representan únicamente la opinión de quien los hace… y a veces ni eso».

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Descargar el episodio 451 cara A.

Descargar el episodio 451 cara B.

Como muestra el vídeo (y su continuación tras el inesperado corte) participamos por videoconferencia Héctor Socas Navarro @HSocasNavarro (@pCoffeeBreak), María Ribes Lafoz @Neferchitty (solo cara A), José Edelstein @JoseEdelstein, Gastón Giribet @GastonGiribet (solo cara B) y Francis Villatoro @emulenews. Por cierto, agradezco a Manu Pombrol @Manupombrol el nuevo diseño de mi fondo para Zoom. Muchas gracias, Manu.

Tras la presentación de Héctor, María nos cuenta el nuevo éxito del concurso Vesuvius Challenge sobre un papiro de Herculano. Se descifrado el texto de un papiro carbonizado el año 79 e.c. por la erupción del Monte Vesubio. Una obra filosófica desconocida que analiza los sentidos y el placer; en concreto, las fuentes de placer, como la música, el sabor de las alcaparras y el color violeta (porphyras). No se conoce el autor, pues no se nombra en el texto, pero según los expertos podría ser Filodemo, un seguidor de Epicuro.

Este es el primer rollo de Herculano que se ha logrado descifrar. Hay cientos de papiros carbonizados que se encontraron en una lujosa villa romana en Herculano, Italia, que aún no han sido escaneados; además, la biblioteca principal de la villa no ha sido encontrada y podría contener miles de pergaminos (ahora bajo tierra). Como son demasiado frágiles para abrirlos, se ha usado un escaneo tomográfico de alta resolución y una reconstrucción del texto mediante algoritmos de aprendizaje automático. El concurso recibió 18 descifrados, resultando ganador el equipo formado por Luke Farritor (Univ. Nebraska–Lincoln), Youssef  Nader (Univ. Libre de Berlín) y Julian Schilliger (Instituto Federal Suizo de Tecnología en Zúrich). Más información en Jo Marchant, «First passages of rolled-up Herculaneum scroll revealed. Researchers used artificial intelligence to decipher the text of 2,000-year-old charred papyrus scripts, unveiling musings on music and capers,» Nature 626: 461-462 (05 Feb 2024), doi: https://doi.org/10.1038/d41586-024-00346-8.

Me toca comentar un artículo de climatología publicado en Science Advances titulado «Una señal de alerta temprana basada en la física apunta a que la AMOC está camino de una inflexión». En redes sociales la noticia se ha vuelto viral, quizás porque la parte final del título del artículo recuerda a la película «El día de mañana» (The Day After Tomorrow, 2004), donde la parada de la circulación termohalina (el colapso de la AMOC) provoca una catástrofe climática descomunal. La realidad no es tan exagerada, pero podría reducir la temperatura promedio de Europa en unos 3 °C y acercar su clima al de Norteamérica (no en balde, Roma tiene una latitud similar a Toronto, pero un clima muy diferente, sobre todo gracias al Mediterráneo).

Las corrientes oceánicas son superficiales (hasta 200 metros) y profundas (más de 200 metros). En superficie están controladas por el viento, la rotación terrestre y los cambios en la presión atmosférica. En profundidad están controladas por la temperatura y la salinidad, por eso se llama circulación termohalina (también gran cinta transportadora), que se ilustra en la figura. Sin entrar en todos los detalles, se inicia donde las aguas más frías y densas se hunden en el Atlántico Norte, algo que también ocurre en la Antártida. La corriente fría y profunda (entre 2000 y 4000 metros) viaja por el Atlántico hacia el sur hasta alcanzar la corriente circumpolar antártica, que se conecta en dos ramas separadas con los océanos Índico y Pacifico, donde acaban aflorando corrientes cálidas a profundidades intermedias (entre 200 y 1000 metros). La del Pacífico se combina con la del Índico, para entrar en el Atlántico y conectarse con la corriente Antártica. Esta corriente cálida recorre el Atlántico de sur a norte, hasta cerrar el circuito de la circulación termohalina, que se recorre en unos 1000 años. La figura la ilustra en más detalle.

El punto más critico de toda la circulación termohalina está en el Atlántico Norte, la llamada circulación de retorno meridional del Atlántico (AMOC, Atlantic meridional overturning circulation). El Atlántico es el oceáno más salado (sobre todo por el aporte del Mediterráneo). La corriente termohalina cálida que cruza este océano de sur a norte transporta calor desde las latitudes tropicales y subtropicales del Pacífico y del Índico, suavizando el clima europeo y aportando humedad que da lugar a borrascas. Una frenada de la AMOC haría que el Atlántico fuera más frío y menos salino; esto ya pasó hace 115 mil años durante la última era glacial. Por tanto, tenemos evidencia paleoclimática de que puede ocurrir.

El Ártico es la región más afectada por el cambio climático; en algunos lugares ha subido en unos 6 grados en los últimos 20 años (LCMF, 04 jul 2023). Este aumento de la temperatura media están inyectando enormes cantidades de agua dulce (debido al deshielo), lo que reduce la salinidad y la densidad del agua oceánica y frena la circulación termohalina en el Atlántico Norte. Varios estudios apuntan a que la AMOC podría frenar en el siglo XXI (entre 2030 y 2100), aunque el IPCC lo retrasa hasta el siglo XXII. Hay mucha incertidumbre en este tema. Pero los datos paleoclimáticos apuntan a que la AMOC es un fenómeno biestable, que se puede «encender» y «apagar» en función del forzamiento con agua dulce. El gran problema es que los modelos climáticos globales no son capaces de reproducir este comportamiento biestable (aunque los modelos locales lo logran cuando se usa un forzamiento fuerte).

El nuevo artículo en Science Advances es el primero que logra simular el «apagado» de la AMOC usando forzamiento con agua dulce en el Atlántico Norte. El primero que lo logra usando un modelo climático global, aunque solo se ha realizado una única simulación (debido a su alto coste computacional). En concreto, se ha simulado durante 2200 años un aporte muy lento de agua dulce (así se logra mantener un estado de casi equilibrio en el sistema climático). Se ha usado el Community Earth System Model (CESM), un modelo que acopla atmósfera, océano, superficie helada, superficie terrestre y ciclo del carbono, entre otras componentes del sistema climático global. CESM (version 1.0.5) se usa para simular el clima global pasado, presente y futuro. En la nueva simulación se ha usado una resolución horizontal de 1° para el océano y el hielo sobre el océano, y de 2° para la atmósfera y la superficie terrestre.

La simulación toma como partida el estado de equilibrio preindustrial, con valores constantes para las emisiones de gases de efecto invernadero, irradiación solar y aerosoles (de aquella época). Para «apagar» la AMOC se introduce un flujo de agua dulce en el Atlántico Norte entre las latitudes 20 °N y 50°N (esta aporte positivo +F_H debe ser compensado con otro negativo −F_H en la región del Atlántico Sur a latitudes similares, como ilustra la figura de arriba a la izquierda). El flujo es de 3 × 10⁻⁴ Sv/año hasta el año 2200 de la simulación (momento en que se alcanza un máximo de F_H = 0.66 Sv); te recuerdo que 1 Sv (sverdrup) es 1 millón de metros cúbicos por segundo. Nunca se había logrado una simulación climática global con una resolución tan alta durante tanto tiempo (2200 años).

En la simulación se observa una disminución gradual de la AMOC, dominada por la variabilidad natural durante los primeros 400 años. Tras el año 800 de simulación se observa una disminución sostenida que alrededor del año 1750 conduce a un colapso abrupto de la AMOC. En al año de simulación 1750, la AMOC se estima en 10 Sv y que decrece a 2 Sv en solo 100 años; más aún, a partir del año 2000 se vuelve negativa. La brusca transición entre 1750 y 1850 es espectacular dado que está forzada por un cambio de ΔF_H = 0.03 Sv. Este resultado difiere de resultados previos, que requerían grandes forzamientos (1 Sv/año) para lograr algo similar.

La otra gran novedad de este artículo en Science Advances, que se destaca en el título, es que se ha determinado un parámetro físico cuyo comportamiento sirve de señal de alerta temprana para el punto de inflexión de la AMOC. Se trata del aporte de agua en el Atlántico a la latitud 34 °S (más o menos entre el Cabo de Buena Esperanza en Sudáfrica y el Mar del Plata en Argentina), llamado F_ovS. En las figuras se observa que este parámetro decrece hasta alcanzar un mínimo (como muestra la figura de la izquierda), a partir del cual vuelve a crecer. Este mínimo coincide con el gran cambio en la AMOC alrededor del año 1750 de la simulación. Como destaca Héctor, en la versión original del artículo en arXiv (https://arxiv.org/abs/2308.01688) el título era «Una nueva señal temprana…», pero en la revisión por pares se eliminó «nueva» del título porque el parámetro F_ovS ya fue propuesto en estudios anteriores para caracterizar la AMOC (lo nuevo es que la señal sea un mínimo en dicho parámetro).

En el artículo se destaca que el ritmo de caída de la AMOC observado en los primeros 1700 años es similar al predicho por el modelo CMIP6 (Coupled Model Intercomparison Project, Phase 6) para la evolución actual de la AMOC (como muestra la figura de la derecha). Esta coincidencia como señal de que la evolución lenta del sistema observada puede ser representativa de la evolución actual de la AMOC. Sin embargo, antes de continuar, hay que recordar que las observaciones oceanográficas RAPID-MOCHA (Rapid Climate Change-Meridional Overturning Circulation and Heatflux Array) entre 2004 y 2018 en la latitud 26 °N observaron una caída de la AMOC de unos 2 Sv desde 2004 a 2010 y una recuperación posterior de 1.5 Sv desde 2011 a 2018. Otros estudios observacionales apuntan a una disminuación de la AMOC de 3 ± 1 Sv desde 1950 (en unos 70 años). Por ello hay que tener cuidado con extrapolar las conclusiones de la simulación ultralenta realizada durante 2200 años a la evolución del clima terrestre actual y en las próximas décadas. En cualquier rama de la física, pero en especial en el cambio climático, las escalas de tiempo son fundamentales en los procesos de realimentación positiva y negativa. No se puede comparar la física a una escala de cientos de años con la física a una escala de pocos años. Por ello debo resaltar que la nueva simulación ultralenta no pretende describir la situación actual y futura de la AMOC.

La nueva simulación (vuelvo a destacar que es solo una única simulación) permite predecir las consecuencias de la parada de la circulación termohalina. Como es obvio, se enfría el Océano Atlántico Norte, aumentando la cobertura de hielo marino, por lo que el lugar más afectado es Europa, y algo menos el resto del hemisferio norte. En Europa las temperaturas promedio descienden varios grados (que en invierno, en algunos lugares, pueden alcanzar entre 10 °C y 30 °C. Aumentaran los fenómenos climáticos extremos en Europa, con una borrascas en invierno más frecuentes y potentes ciclogénesis explosivas. También aumentará el número de meses con una capa de nieve significativa, lo que mermará la vegetación y la productividad de los cultivos. Pero habrá también muchos más efectos a nivel global, como la alteración de los monzones, el desecamiento del Amazonas, el aumento del deshielo de la Antártida, etc.

Ahora bien, me gustaría dejar muy claro que hay que tener mucho cuidado con los detalles y las predicciones de esta única simulación. El objetivo de este estudio no es predecir el futuro que nos espera. Solo se pretende probar que es posible la parada de la AMOC como un modelo climático global y determinar un parámetro que sirva como indicador de alerta temprana (la entrada de agua en el sur del Atlántico F_ovS, un parámetro que se puede observar). No se puede extrapolar lo que la simulación predice en 2200 años a lo que se espera en las próximas décadas.

La última parte del título del artículo «…la AMOC está camino de una inflexión» hace referencia a que en los últimos 20 años el la señal de alerta F_ovS ha estado decreciendo. No sabemos si lo seguirá haciendo. Tampoco sabemos cuándo alcanzará un futuro mínimo. Ni el artículo lo estima, ni creo que nadie pueda hacerlo. Transformar lo que en la simulación tarda 1758 años a lo que podría estar pasando desde el año 2004 no es posible. No debe hacerse. Así que hay que tener mucho cuidado con la conclusión de que F_ovS alcanzará un mínimo en el futuro inmediato (donde una década, varias décadas, un siglo o varios siglos son «inmediato» en este contexto).

En resumen, un artículo muy interesante que muestra que el colapso de la AMOC es posible en los modelos de circulación global. Pero hay que esperar a que otros modelos lo reproduzcan y, sobre todo, que lo hagan modelos que describan la situación actual y la prevista en las próximas décadas. El artículo es René M. van Westen, Michael Kliphuis, Henk A. Dijkstra, «Physics-based early warning signal shows that AMOC is on tipping course,» Science Advances 10: eadk1189 (09 Feb 2024), doi: https://doi.org/10.1126/sciadv.adk1189, arXiv:2308.01688 [physics.ao-ph] (03 Aug 2023). A nivel divulgativo recomiendo leer a Stefan Rahmstorf, «New study suggests the Atlantic overturning circulation AMOC “is on tipping course”,» RealClimate, 09 Feb 2024; y también Stefan Rahmstorf, «The AMOC: tipping this century, or not?» RealClimate, 25 Aug 2023. También recomiendo «Expert reaction to modelling study suggesting Atlantic Ocean circulation (AMOC) could be on course to collapse,» Science Media Centre, 09 Feb 2024.

Héctor nos cuenta que se publicó en Nature que podría haber un océano subterráneo de Mimas (luna de Saturno). Nos lo cuenta de forma estupenda Daniel Marín, «Mimas, ¿otro mundo océano alrededor de Saturno?», Eureka, 08 feb 2024. Mimas (apodado «Estrella de la Muerte») por su cráter Herschel, de 139 km de diámetro (cuando la luna tiene 400 km de diámetro). Su órbita elíptica tiene una excentricidad de 0.02 (cuatro veces la de Encélado), que en el pasado tuvo que ser entre 2.3 y 2.9 veces mayor que la actual; las fuerzas de marea calientan el manto en un proceso que se asemeja a transformar excentricidad en calor (eccentricity damping), dando lugar a un manto interno de agua. Las observaciones de la sonda Cassini del movimiento orbital de Mimas (en concreto de su libración) solo se pueden explicar si tiene un manto líquido. Un océano global de agua líquida, bajo una corteza de hielo de entre 24 y 31 km. Se desconoce la profundidad del océano (que debería ser menor de 40 km).

La hipótesis es muy sugerente, pero tiene el problema de que no se observan fracturas en la corteza superficial (que presentan otras lunas con océanos subterráneos, como Europa, Ganímedes, Calisto o Encélado). Aunque la corteza sea muy gruesa, tras miles de millones de años deberían notarse los efectos del océano en la superficie. Además, un océano tan profundo haría que la órbita de Mimas se volviera circular tras decenas de millones de años. La única explicación es que el océano de Mimas tendría entre 2 y 25 millones de años. Un océano tan joven genera muchas incógnitas. Por ejemplo, ¿se formó Mimas hace 25 millones de años dentro de los anillos de Saturno, pues no tienen más de cien millones de años? Hay muchas otras preguntas sin respuesta.

El artículo es V. Lainey, N. Rambaux, …, K. Baillié, «A recently formed ocean inside Saturn’s moon Mimas,» Nature 626: 280-282 (07 Feb 2024), doi: https://doi.org/10.1038/s41586-023-06975-9; más información divulgativa en Matija Ćuk, Alyssa Rose Rhoden, «Mimas’s surprise ocean prompts an update of the rule book for moons,» Nature 626: 263-264 (07 Feb 2024), doi: https://doi.org/10.1038/d41586-024-00194-6, y Alexandra Witze, «The Solar System has a new ocean — it’s buried in a small Saturn moon,» News, Nature, 07 Feb 2024, doi: https://doi.org/10.1038/d41586-024-00345-9. Por cierto, los primeros indicios de un océano subsuperficial en Mimas se propusieron hace una década en R. Tajeddine, N. Rambaux, …, B. Noyelles, «Constraints on Mimas’ interior from Cassini ISS libration measurements,» Science 346: 322-324 (17 Oct 2014), doi: https://doi.org/10.1126/science.1255299. También recomiendo el artículo de revisión de Alyssa Rose Rhoden, «Mimas: Frozen Fragment, Ring Relic, or Emerging Ocean World?» Annual Review of Earth and Planetary Sciences 51: 367-387 (31 May 2023), doi: https://doi.org/10.1146/annurev-earth-031621-061221.

Nos cuenta Gastón que se ha propuesto un «láser gravitacional». Gastón explica en detalle cómo funciona el láser (no lo reproduciré aquí). Un láser óptico emite radiación colimada, monocromática y coherente en fase. En un láser juega un papel clave la emisión estimulada de radiación, que Einstein predijo en 1916, en los átomos, cuyo origen es que el fotón es un bosón. Las ondas gravitacionales se pueden interpretar como ondas de gravitones, que también son bosones; luego también existe la emisión estimulada de radiación gravitacional por parte de «átomos gravitacionales». La cuestión es si pueden existir tales «átomos». Una posibilidad es ligar un agujero negro en rotación con una nube de bosones aprovechando la superradiancia asociada a los bosones que entran en la ergosfera. Dicho caso es estudiado en un artículo en arXiv.

Los agujeros negros astrofísicos podrían estar rodeados de nubes de una hipotética materia oscura formada por bosones ultraligeros (partículas de tipo axión). Estos «átomos gravitacionaels» emitirían radiación gravitacional en analogía a los átomos. Bajo las circunstancias adecuadas la emisión sería similar a la de un láser, de ahí que se propanga el fascinante nombre de láser gravitacional. Se emitiría un flujo coherente de ondas gravitacionales picado a una longitud de onda concreta y bien colimado. Esta propuesta es muy especulativa, pero conduce a la producción de ondas gravitacionales en el rango de los nanohercios. En este rango se ha observado el fondo estocástico de ondas gravitacionales mediante los detectores PTA, como NANOGrav; se propone en el nuevo artículo que la señal observada podría ocultar una señal picada en frecuencia debida a la emisión de «láseres gravitacionales». La cuestión será decidida en la futura generación de detectores PTA y, en caso positivo, podría ofrecer la primera señal firme de la naturaleza de la materia oscura. El artículo es Jing Liu, «Gravitational laser: the stimulated radiation of gravitational waves from the clouds of ultralight bosons,» arXiv:2401.16096 [gr-qc] (29 Jan 2024), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2401.16096.

Y pasamos a Señales de los Oyentes. P pregunta: ¿Se puede transformar un agujero negro de Kerr en uno de Schwarzschild a base de quitarle rotación? ¿Hacia la muerte térmica no deberían convertirse de Kerr a Schwarzschild?» Contesta Gastón que es posible, ya que se conocen mecanismos por los que un agujero negro de Kerr puede perder momento angular. Yo disiento al respecto; hay mecanismos que permiten que un agujero negro de Kerr aumente su momento angular, pero es imposible que acabe transformado en un agujero negro extremal (Gastón aclara que lo prohíbe la tercera ley de la termodinámica de los agujeros negros, porque los extremales tienen temperatura cero). En mi opinión, los agujeros negros de Schwarzschild no existen en la Naturaleza. Son objetos ideales, como los campos eléctricos o los campos magnéticos (pues solo existen los campos electromagnéticos), que por su naturaleza idealizada no pueden existir en la Naturaleza. Incluso un único fotón podría aportar momento angular suficiente para transformar un Schwarzschild en un Kerr (y en el fondo cósmico de microondas hay más de 400 fotones por cada centímetro cúbico de universo). Gastón nos recuerda que si no hay ley física que lo prohíba, solo se puede contestar que es posible transformar un Schwarzschild en un Kerr (aunque no exista ningún Schwarzschild en la Naturaleza).

He consultado la bibliografía y he encontrado un artículo clásico de Don N. Page, «Particle emission rates from a black hole. II. Massless particles from a rotating hole,» Phys. Rev. D 14: 3260 (15 Dec 1976), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.14.3260. Page muestra que la radiación de Hawking reduce la energía (la masa) y el momento angular. Por tanto un agujero negro de Kerr pierde momento angular por radiación de Hawking. Así los agujeros negros de Kerr tienen una vida más corta que los de Schwarzschild. Dicho artículo no concluye que el estado final, antes de la evaporación completa del agujero negro de Kerr, sea un agujero negro de Schwarzchild; pero tampoco lo descarta. Luego podría ocurrir que los agujeros negros de Kerr se transformen en agujeros negros de Schwarzschild instantes antes de desaparecer por completo. Proceso que podría ocurrir en la muerte térmica del universo.

Thomas Villa pregunta: «¿Qué son las axion-like particles (ALP) que, en ciertas condiciones, podrían ser fotones gamma que llegan desde muy lejos?» Gastón contesta que los axiones QCD se acoplan al electromagnetismo, luego un axión puede decaer en fotones y un fotón puede decaer en un axión. Las ALP son bosones escalares ultraligeros que se comportan como axiones, en el sentido de que también se acoplan al electromagnetismo. Por tanto, un rayo gamma (un fotón de alta energía) podría decaer en axiones. Héctor comenta que hay límites de exclusión publicados para la masa de los axiones en las hipotéticas nubes de axiones astrofísicas basados en que producirían una señal de rayos gamma que no ha sido observada.

Néstor Martínez pregunta: «¿Existe una forma de reflejar rayos gamma u otra radiación ionizante de la misma forma que se refleja la luz?» Héctor contesta que no hay espejos para rayos gamma y rayos X, pero sí los hay para radiación ultravioleta (que es ionizante). La dificultad es que no hay ningún medio material conocido capaz de soportar la irradiación gamma o rayos X con objeto de actuar como espejo.

Cristina Hernández García pregunta: «¿Cómo solucionan las cuerdas las fluctuaciones del vacío? ¿Algo relacionado variando la simetría temporal en el teorema de Noether por la holonomía en la variedad de Calabi-Yau?» Gastón dice que no hay nada que solucionar, que las fluctuaciones del vacío existen en la Naturaleza. Ni en teoría cuántica de campos, ni en teoría de cuerdas se requiere ningún solución al respecto. Yo comento que en la teoría de campos cuerdísticos (String Field Theory) hay fluctuaciones de vacío del campo cuerdístico que se pueden interpretar como cuerdas virtuales en analogía a las partículas virtuales del vacío de los campos cuánticos.

Silverine McSilver ​pregunta: ¿Habría interacción neutrino-axión?» Gastón afirma que no la hay en los modelos usuales de los axiones y las ALPs (que se asume que son bosones neutros para la carga débil, que es la que tienen los neutrinos y permitiría dicha interacción). Sin embargo, no conoce ningún problema para que se pueda proponer un modelo de las ALPs con dicha interacción. Desde el punto de vista de la teoría cuántica de campos proponer dicha interacción es muy fácil. Me permito comentar ahora que otra cosa diferente sería lograr que dichas ALPs sigan siendo un buen candidato a partícula de la materia oscura, pues sería necesario que dicha interacción sea tan débil que permita un desacople temprano entre materia y materia oscura en el universo primordial.

Stu Peed​ pregunta: «​Si un coche viajando a la velocidad de la luz encendiera los faros… ¿qué vería el piloto? ¿Y un observador externo?» Héctor contesta que un coche no puede viajar a la velocidad de la luz. Pero podría viajar a una velocidad muy cercana a la velocidad de la luz. En dicho caso el conductor «vería» que la luz de los faros sale a la velocidad de la luz. Y lo mismo vería un observador externo, aunque la luz cambiaría de color y estaría (dice Héctor) en el ultravioleta (pues asume que el coche se acerca al observador para la luz de los focos le lleguen). Me permite comentar, más en broma que en serio, que en rigor el piloto no vería nada; pues la luz de los faros sale hacia adelante desde pun punto delante de él; como la luz no puede rebotar en nada que permita que el piloto la vea (algo que ocurre en la atmósfera terrestre gracias al aire) no podría ver nada con sus ojos. Héctor aclara que se refería a que el piloto sabe que, si pudiera ver la luz, ésta viajaría a la velocidad de la luz en el vacío, aunque no la vea.

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