SG-1: Cielo Rojo

Hoy volvemos a la serie «Stargate: SG-1», con un episodio del que se pueden comentar varias cosas, todas ellas derivadas del elemento principal de la trama. El episodio en cuestión se titula «Cielo Rojo» (quinta temporada). En él, nuestros amigos llegan a un planeta de forma un poco accidentada, ya que la Mayor Carter tuvo que hacer algún apaño con el Stargate, al marcar las coordenadas. El planeta está habitado (por una cultura que adora a los Asgards), y al poco rato de llegar, el sol se vuelve rojo. Esto supone un terrible problema, ya que al recibir únicamente luz roja, las plantas no realizan la fotosíntesis, y por tanto, no se genera oxígeno (que obviamente es consumido por todos los seres vivos). Esto produciría con el tiempo, la muerte de toda la vida del planeta. La Mayor Carter teoriza que el sol se ha contaminado accidentalmente con plutonio (tiene que ver con el funcionamiento del Stargate y el apaño que hizo, pero eso no viene ahora al caso), y tras un rato, deduce que podrían arreglarlo si transportaran al mismo, algún elemento superpesado estable, con peso atómico superior a 200. Pero dichos elementos no existen en la naturaleza, y recurren a un científico (de la Tierra) que había sintetizado durante 5 años, justo lo que necesitaban.

De momento lo dejaremos aquí, ya que con esta trama tenemos tres temas diferentes donde encontrar mala ciencia: biología, astrofísica y química.

Comencemos por el problema de la luz. Bueno, como todos recordaréis, en el cole nos enseñaron que la fotosíntesis es un proceso mediante el que las plantas absorben luz y transforman materia inorgánica en orgánica, desprendiendo oxígeno (hay otros tipos de fotosíntesis, pero ésta es la que nos interesa). Ciertamente, sin la fotosistesis, la vida tal y como la conocemos es imposible. Por un lado, las plantas son el suministro de oxígeno necesario para la vida. Por otro, son el pilar sobre el que se apoya toda la cadena alimenticia, ya que son los únicos seres vivos que no se alimentan de otros.

En el episodio se establece que con luz roja no se produce fotosíntesis. Pero eso no es cierto, ya que la clorofila absorbe tanto luz azulada como rojiza. De hecho, es verde porque refleja la luz verde y absorbe el resto. Así que la fotosíntesis de las plantas no se detendría por el cambio de luz. Podemos pensar, no obstante, que al recibir menos cantidad de energía luminosa (hemos perdido la parte azul del espectro), se produciría menos oxígeno, y que sería igualmente devastador para el ecosistema, y tal vez letal para la especie humana. En cualquier caso, me gustaría elogiar la imaginación de los guionistas por evitar el tópico de la estrella inestable que va a explotar, y proponer un efecto más sutil, pero igualmente destructivo para la vida.

Vayamos ahora con el cambio de color de la estrella. En el episodio, la estrella tarda unos minutos en volverse roja, sin variar su tamaño. La causa: una «contaminación» con plutonio (Carter lo llama «envenenamiento con plutonio»). Veamos, el color de una estrella depende de la temperatura de su superficie. De hecho, los astrónomos calculan la temperatura superficial de las estrellas en función del espectro de la luz que emiten (su color, para entendernos), y han creado un sistema de clasificación estelar basado en él. Según este sistema, las estrellas se clasifican en uno de estos tipos, de mayor a menor temperatura: O (azul), B (blanco azulado), A (blanco), F (blanco amarillento), G (amarillo), K (naranja) y M (rojo). Como veis, las estrellas rojas están en la cola de la clasificación, y son las estrellas más frías.

¿De qué depende la temperatura superficial (y por tanto, el color) de una estrella? En estrellas de la secuencia principal (etapa en la que las estrellas pasan la mayor parte de su vida), básicamente depende de su masa. Como comenté hace poco (en un envío dedicado también a esta serie), una estrella se mantiene en equilibrio debido a la acción de dos fuerzas opuestas: su gravedad y la expansión producida por las reacciones nucleares. Parece fácil ver que cuanta más masa tenga una estrella, mayor será su gravedad, y por tanto, para mantenerse en equilibrio, mayor será la fuerza de expansión, debido a una mayor «combustión» del hidrógeno de su interior, y más energía liberará. Es decir, cuanto mayor sea la mása, más caliente será la estrella. Además, la densisdad de estas estrellas no varía demasiado entre ellas, por lo que a más masa, más tamaño.

Esto trae como consecuencia algo curioso, que al principio parece ir en contra de la intuición: cuanto más grande sea la estrella, más corta será su vida. En efecto, aunque uno puede pensar que si una estrella tiene más hidrógeno que otra, debería «durar» más, la que tiene más masa consume su hidrógeno a un ritmo mucho mayor. Esto hace que las estrellas de la secuencia principal, cuanto más calientes, más efímeras. Puesto que las estrellas rojas son las más frías, son las más longevas, así como las más pequeñas (y también las más tenues). Por ello, se las llama enanas rojas. Estas estrellas son más pequeñas y con menos masa que nuestro sol.

Las enanas rojas no son las únicas estrellas rojas. En varias ocasiones he comentado que a medida que una estrella de la secuencia principal agota su hidrógeno, se expande hasta formar una gigante roja. Sin entrar en detalles, lo que ocurre es que el núcleo se comprime, y por tanto se calienta. Esto inicia nuevas reacciones nucleares que aumentan la fuerza expansiva de la estrella, rompiendo su equilibrio. Así la estrella se hincha, hasta encontrar un nuevo punto de equilibrio. Aunque se produce más energía, al aumentar tanto el tamaño de la estrella, el calor generado debe repartirse por más volumen, estando además la corteza más separada del nucleo, lo que hace que la temperatura superficial disminuya.

Volviendo al episodio, hemos de suponer que la estrella del planeta que visita el SG-1 es amarilla, como nuestro sol. La temperatura superficial de las estrellas de tipo G (amarillas) se encuentra entre los 5.000 y 6.000 K, y las de tipo M (rojas) entre 2.000 y 3.500 K. Es decir, la superficie de la estrella tendría que haberse enfriado algunos miles de kelvins, sin cambiar de tamaño. Y eso es imposible. Un cambio de temperatura implica una alteración del equilibrio de la estrella, y por tanto, implica un cambio en el tamaño de la estrella. Ya no hablemos de si un poco de plutonio puede provocar un cambio tan radical en una estrella, y que además ocurra en pocos minutos.

Veamos ahora la solución que propone Carter: depositar en el interior de la estrella un elemento más pesado y estable. Concretamente, uno de peso atómico superior a 200, álgo que, según ella, no ocurre en la naturaleza, y sería necesario sintetizarlo en aceleradores de partículas. Pues va a ser que no. Existen elementos de peso atómico superior a 200 en la naturaleza, como el plomo, el bismuto, o el radón. El propio plutonio tiene un peso atómico superior.

Es posible que lo que los guionistas hayan confundido el concepto de peso o mása atómica, con el de número atómico. En el colegio nos enseñaron que el número atómico de un elemento, es el número de protones de su núcleo. Este número es el que define a un elemento, y lo diferencia de otro. Por otro lado, la masa atómica de un elemento, es la masa de un átomo, expresado normalmente en unidades de masa atómica (u), que corresponde a la duodécima parte de la masa de un átomo de carbono-12 (el isótopo más común del carbono). Un átomo de carbono-12 tiene un núcleo formado por 6 protones y 6 neutrones, y una corteza de 6 electrones. La masa de un protón es muy similar a la de un neutrón, y ambas son muy superiores a la de un electrón. Por tanto, la masa atómica corresponde aproximadamente con el número total de protones y neutrones de un átomo. Hay que añadir que los elementos pueden tener distintos isótopos. Recordando nuevamente las lecciones de química del colegio, los diferentes isótopos de un mismo elemento, tienen distinto número de neutrones en el núcleo (el número de protones es siempre el mismo, o estaríamos hablando de otro elemento), por lo que obviamente, tienen distinta masa. Así, cuando se habla de la masa atómica de un elemento, sin especificar un isótopo en concreto, uno se refiere a la media de las masas atómicas de sus isótopos, ponderada según su abundancia en la naturaleza.

Pero si querían referirse a alún elemento con número atómico superior a 200, tenemos otro problema. Sí, es cierto que tales elemento no existen en la naturaleza, y que podrían sintetizarse en un acelerador de partículas. De hecho, el plutonio, con número atómico de 94, es el último elemento de la tabla periódica que aparece en la naturaleza. De ahí en adelante, todos son sintéticos. El problema es que el motivo por el que dichos elementos no aparecen en la naturaleza, es que son inestables. Su vida media es demasiado corta (en ocasiones, de segundos o menos), y se desintegran rápidamente, transmutándose en otros elementos más ligeros. De algunos de ellos, ni siquiera se conoce su apariencia o propiedades químicas, ya que al sintetizarse en aceleradores de partículas, sólo se han obtenido átomos contados. Además, el último elemento sintetizado (ununoctio) tiene número atómico de 118, habiéndonos saltado el 117 (ununseptio), aún por sintetizar/descubrir. El salto hasta el 200 (habría que llamarlo «binilnilio») es brutal, y la experiencia previa indica que sería también inestable.

Otro detalle importante es que no hay aparentemente ninguna razón para que Carter se decante por el 200. La tabla periódica de los elementos, se llama así, porque determinadas propiedades aparecen periódicamente a medida que avanzamos por la tabla. Los elementos de una misma columna comparten características. Por ejemplo, todos los elementos de la columna VIII-A (grupo 18 o gases nobles), son gases y químicamente inertes. El razonamiento de que a partir de determinado número atómico, los elementos van a tener determinadas propiedades (arreglar el envenenamiento por plutonio), va en contra de este concepto.

El Imperio Contraataca: asteroides y gusanos gigantes

Debido al reciente estreno en cines de la nueva película de la saga de Star Wars, The Clone Wars (no sé por qué no han traducido el título), nos han deleitado en la tele con todas las películas anteriores. Ello me ha recordado una cosilla que siempre me llamó la atención de El Imperio Contraataca (la segunda peli, el quinto episodio): el interior del gusano gigante que habita en el asteroide.

Recordemos un poco lo que ocurre: El Halcón Milenario se interna en un campo de asteroides (muy denso, por cierto, nada que ver con el dispersísimo cinturón que tenemos por aquí cerca) perseguido por unos cazas imperiales. Tras unas escaramuzas, Han Solo decide esconder la nave en el interior de un crater, de un asteroide bastante grande. Más adelante, descubren que hay algo extraño en el exterior. Salen a investigar con unas máscaras de oxígeno, y resulta que el interior del crater se mueve. Vuelven a bordo del Halcón, y despegan, para descubrir que en realidad estaban en el interior de un gigantesco gusano que habitaba en el crater del asteroide. Tan grande que el Halcón Milenario puede pasar entre sus colmillos.

No, no voy a reflexionar sobre el gusano en sí, o cómo vive y se alimenta (comerá roca, imagino, porque otra cosa no tiene a mano), sino de algo que incluso en el universo fantástico de Star Wars, no tiene mucho sentido. Los protagonistas salen al exterior equipados únicamente con una máscarilla de oxígeno, con su ropa normal. No usan ningún tipo de traje presurizado. Pero en el espacio, el problema de sobrevivir a la intemperie, no es únicamente la ausencia de oxígeno, sino la ausencia de presión.

Un asteroide no tiene atmósfera, por un motivo muy simple: su escasa gravedad. Las atmósferas planetarias son retenidas por la gravedad del planeta en cuestión, y un asteroide, por muy grande que sea, simplemente no puede tener atmósfera. Incluso nuestra luna, que no está mal de tamaño y masa (suficiente para ser esférica), prácticamente carece de ella. En estas condiciones, una máscara de oxígeno no nos serviría de nada. Moriríamos por la ausencia de presión exterior.

Alguien podría argumentar que dado que no estaban realmente en expuestos al exterior, sino dentro de un gusano gigante, tal vez el bicho tuviera gases dentro, y la suficiente presión «atmosférica». Pero la cuestión es que ellos pesnaban que estaban simplemente en un crater, y salieron casi a pecho descubierto (sobre todo Chewbacca).

Otro detalle importante es el relativo a la gravedad y la orientación arriba-abajo. Por un lado, en un asteroide no hay la suficiente gravedad como para que unas personas caminen tranquilamente. Un simple paso mal dado, podría hacer que nos separáramos del suelo durante un buen rato. Además, tanto al entrar como al salir del crater, vemos que éste es claramente vertical. Sin embargo, mientras el Halcón está posado y los protas caminan por el tunel (el estómago del gusano, más bien), éste parece horizontal, de forma que lo que para ellos es el suelo, en realidad es una pared. Dentro del Halcón no hay problema, ya que se supone que las naves tienen algún sistema de gravedad artificial. Pero una vez salen al exterior, ya no hay excusa.

Y sí, ya sé que la saga es más fantasía que ciencia ficción. Y por eso nunca me veréis escribir sobre la Fuerza, o las espadas de luz, o la enorme energía que dene tener el laser de la Estrella de la Muerte. Pero hay leyes físicas que son universales. Y la gravedad es una de ellas.

El LHC y el Big Bang

Bueno, ya estoy de vuelta tras mi pequeño retiro forzoso. Ya iré contestando poco a poco a los correos y comentarios que hay por ahí pendientes. Pero lo primero, es actualizar este vuestro blog. Y hoy lo haré con un tema que ha estado dando vueltas un tiempo, y que recientemente a vuelto a ser noticia debido a su inaguración. Me refiero al nuevo e inmenso acelerador de partículas de CERN, el Large Hadron Collider (Gran Colisionador de Hadrones), o LHC para los amigos.

No, aunque decepcionaré a algunos, no voy a hablar sobre la polémica de si podría destruir el mundo, sino de algo mucho más simple. En los medios de comunicación, al dar la noticia de que se había «inagurado» (que su construcción se ha completado y se ha realizado la primera prueba), se han referido a él como «la máquina del Big Bang», y han mencionado cosas como que se pretente recrear el Big Bang, o cosas similares. Esto puede llevar a pensar a uno que se va a realizar la creación de un nuevo universo, o algo así. En realidad, lo que se pretende es reproducir las condiciones que había en el universo, en los instantes posteriores al Big Bang (a muy pequeña escala, por supuesto). Y cuando digo instantes, no me refiero a unos pocos segundos, sino a órdenes de magnitud mucho menores, por debajo incluso del nanosegundo (10^-9 segundos) o del picosegundo (10^-12 segundos).

¿Cómo y qué significa esto? Bueno, todo el mundo tiene más o menos en mente lo de la gran explosión con la que comenzó el universo. Pero la Teoría del Big Bang no es sólo eso, sino que describe cómo fue evolucionando el universo primigenio. La ciencia no puede (y tal vez nunca pueda) explicar el instante inicial del Universo, ni qué había antes (sobre todo porque el tiempo forma parte del universo, y antes no existía; citando a Stephen Hawking, «es como preguntarse qué hay más al norte del Polo Norte. Es una pregunta sin sentido»). Se parte de que en su origen, el universo era un punto inmensamente denso y caliente (imagináos todo el universo actual concentrado en un puntito). Lo que ocurrió durante los primeros 10^-43 segundos de existencia del universo es bastante especulativo. De hecho, según la mecánica cuántica actual, ése es el intervalo de tiempo más pequeño que puede ser medido (y no por cuestiones técnicas, sino por la naturaleza cuántica del universo), denominado tiempo de Plank. Así que tal vez no tenga sentido siquiera preguntarse qué ocurrió en ese intervalo. Sería como buscar qué hay entre dos fotogramas consecutivos de una película.

En esos primeros instantes, sólo había energía. A medida que el universo se expandía y enfriaba, aparecieron las primeras partículas elementales: quarks y leptones (como electrones y neutrinos). Posteriormente los quarks se juntaron para constituir hadrones (como protones y neutrones). Todo esto, ocurre antes de que concluya el primer segundo del universo. Posteriormente, durante los primeros 3 minutos de existencia, protones y neutrones se juntan, formando núcleos atómicos (principalmente de hidrógeno y helio). Sólo son núcleos. Los átomos se forman después (recordad, el núcleo recubierto por una corteza de electrones), durante los siguientes miles de años.

Esto en cuanto a la materia. Otro asunto interesante es lo que ocurre con las interacciones fundamentales. Veréis, en el universo existen cuatro fuerzas o interacciones fundamentales: la gravedad, el electromagnetismo, la interacción nuclear fuerte, y la interacción nuclear débil. No es necesario que explique qué es la gravedad y el electromagnetismo. La interacción nuclear fuerte es la que existe entre los quarks, que los mantiene unidos para formar hadrones, y además mantiene unidos los protones y neutrones del núcleo atómico, superando la fuerza repulsora electromagnética entre los protones (que tienen carga eléctrica). La interacción nuclear débil aparece entre quarks y leptones, y tiene que ver entre otras cosas, con ciertos tipos de desintegración.

La cuestión es que se piensa que estas cuatro interacciones, son en realidad aspectos distintos de una sola. Sería algo similar a lo que sucedió con el electromagnetismo. Antes del siglo XIX, se pensaba que la electricidad y el magnetismo eran cosas totalmente diferentes. Teníamos cargas eléctricas, que se atraían o repelían, y teníamos polos magnéticos, que también se atraían y repelían. Pero se comenzaron a observar fenómenos que sugerían que ambas interacciones estaban relacionadas de algún modo (por ejemplo, una carga eléctrica en movimiento, genera un campo magnético). Finalmente se descubrió que la electricidad y el magnetismo eran aspectos diferentes de una misma interacción, a la que se denominó electromagnetismo (sí, un nombre muy obvio). Con las cuatro interacciones fundamentales sucede lo mismo, aunque la unificación sólo se aprecia a muy altas energías, como las existentes en los primeros instantes del universo. Así, se piensa que inicialmente existía una única interacción. Primero fue la gravedad la que se separó, después la interacción nuclear fuerte, y finalmente la interacción nuclear débil y el electromagnetismo. Hay evidencia experimental que corrobora la unicidad de electromagnetismo e interacción nuclear débil (llamada también con un nombre obvio: electrodébil). Pero en el resto de casos, sólo está la teoría (y en el caso de la gravedad es más complicado, e incluso puede que esa interacción sí que sea algo diferente de las demás; pero eso es otra historia).

Supongo que muchos os preguntaréis ¿cómo se puede saber todo esto? Bueno, no penséis que todo son especulaciones de unos locos con mucha imaginación. En ciencia, las teorías deben surgir de la observación o de otras teorías comprobadas. Así, se puede predecir la existencia de partículas elementales que sólo aparecen en condiciones de muy alta energía, como la presente en esos instantes iniciales del universo. Si conseguimos concentrar la suficiente energía en un punto concreto (básicamente, lanzando partículas elementales a gran velocidad y en sentidos contrarios, para que choquen entre sí), podremos «imitar» de forma muy localizada parte de las condiciones de esa época, y comprobar si esas partículas teorizadas (y otras cosas) aparecen o no, y así corroborar o descartar teorías. Y cuanta más energía consigamos concentrar, más temprana es la época que podemos reproducir.

Y eso es lo que hace el LHC. Concretamente, lo que hace es lanzar prototones para que colisionen entre sí. De ahí el nombre de Gran Colisionador de Hadrones (el protón es un hadrón).

Actualización: Más información en Rompiendo partículas (LHC), del blog Ciencia aficción.