Ciencia y tecnología. Más nítido que el Hubble

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Más nítido que el Hubble

 

(Foto: Colaboración LBT / R. Cerisola)

La próxima generación de óptica adaptativa ha llegado al Gran Telescopio Binocular (LBT) en Arizona, proporcionando a los astrónomos un nuevo nivel de nitidez de imagen nunca antes vista. Desarrollado en una colaboración entre el Observatorio de Arcetri, Italia, el Istituto Nazionale di Astrofísica (INAF) y el Observatorio Steward de la Universidad de Arizona, esta tecnología representa un avance notable para la astronomía.

El LBT, con sus dos espejos de 8.4 metros, es el mayor telescopio óptico en el mundo. El telescopio es una colaboración entre las instituciones de los EE.UU., Italia y Alemania. El 25% de la participación de Alemania está representado por la Sociedad Max-Planck, el Instituto Astrofísico de Potsdam y la Universidad de Heidelberg. La cámara de pruebas para las imágenes de muestran fue desarrollado por el INAF y el Instituto Max-Planck de Astronomía (MPIA) en Heidelberg.

Hasta hace relativamente poco, los telescopios asentados ​​en tierra tenía que vivir con la distorsión del frente de onda causada por la atmósfera de la Tierra, que significativamente deforman las imágenes de los objetos distantes (por eso las estrellas parecen centellear al ojo humano). Si bien ha habido avances en la tecnología de óptica adaptativa para corregir la atmósfera borrosa, el innovador sistema de LBT realmente lleva este concepto a un nivel completamente nuevo.

Pruebas a cúpula cerrada iniciaron el 12 de mayo de 2010 y pruebas a cielo abierto todas las noches desde el 25 de mayo, el astrónomo Simone Esposito y su equipo INAF probaron el nuevo dispositivo, consiguiendo resultados excepcionales. El sistema de óptica adaptativa LBT, llamado Sistema de Óptica Adaptativa Primera Luz (First Light Adaptive Optics system [FLAO]), inmediatamente ha superado a todos los otros sistemas similares ofreciendo una calidad de imagen tres veces más nítidas que el Telescopio Espacial Hubble usando sólo uno de los dos espejos de 8.4 metros. Tan pronto como la óptica adaptativa se activa en ambos espejos y la luz es combina adecuadamente. Se espera que el LBT logre imágenes diez veces más nítidas que las del Hubble.

"Este es un momento increíblemente emocionante ver cómo, este nuevo sistema de óptica adaptativa, nos permite lograr nuestro potencial como el telescopio óptico más poderoso del mundo", dijo Richard Green, director del LBT. "Los resultados muestran que el éxito de la próxima generación de la astronomía ha llegado, mientras proporciona una idea del impresionante potencial el LBT, y de lo que será capaz de en los próximos años."

La unidad de medida, de la perfección de la calidad de imagen, que se conoce como la relación Strehl, tiene una proporción de 100%, equivalente a una imagen absolutamente perfecta. Sin óptica adaptativa, la relación de los telescopios asentados ​​en tierra es inferior al 1 por ciento. Los sistemas de óptica adaptativa en otros grandes telescopios de hoy mejoran la calidad de imagen entre un 30 por ciento y un 50 por ciento en las longitudes de onda del infrarrojo cercano, donde la prueba se llevó a cabo.

En la fase de prueba inicial, el sistema adaptativo de óptica LBT ha sido capaz de alcanzar proporciones sin precedentes del Cociente de Strehl (*) de 60 a 80 por ciento, una mejora de casi dos tercios en la nitidez de imagen con respecto a otros sistemas existentes. Los resultados superaron todas las expectativas y fueron tan precisos que el equipo de pruebas tuvo dificultades para creer en sus resultados. Sin embargo, la prueba ha seguido desde que el sistema se puso por primera vez en el cielo el 25 de mayo de 2010, la óptica adaptativa del LBT ha funcionado perfectamente y ha alcanzado cocientes de Strehl pico de 82 a 84 por ciento.

"Los resultados de la primera noche fueron tan extraordinarios que pensamos que podría ser una casualidad, pero todas las noches desde entonces, la óptica adaptativa ha seguido superando todas las expectativas. Estos resultados se lograron utilizando sólo uno de los espejos de LBT. Imagine el potencial cuando se use la óptica adaptativa con los dos ojos gigantes de LBT.” dijo Simone Esposito, líder del equipo de pruebas INAF.

El desarrollo del sistema de óptica adaptativa LBT tardó más de una década a través de una colaboración internacional. INAF, en particular, el Observatorio de Arcetri, concibió el diseño de instrumentos LBT y desarrolló el sistema electro-mecánico, mientras que el Laboratorio de Espejos de la Universidad de Arizona creó los elementos ópticos, y las empresas italianas e internacionales Microgate ADS diseñaron varios de sus componentes. Un sistema prototipo fue instalado previamente en el Telescopio de Espejos Múltiples (MMT) en el monte Hopkins, Arizona. El sistema de MMT utiliza aproximadamente la mitad del número de interruptores que la versión final del LBT, pero fue suficiente para demostrar la viabilidad del diseño. La prueba de la cámara infrarroja del LBT, que produce las imágenes de acompañamiento, fue un desarrollo conjunto del INAF, Bolonia y MPIA la de Heidelberg.

"Este ha sido un tremendo éxito para INAF y todos los socios del LBT", dijo Piero Salinari, Director de Investigación del Observatorio de Arcetri, INAF. "Después de más de una década de tanto esmero y esfuerzo dedicado a este proyecto, es realmente gratificante ver que tenga un éxito tan asombroso."

Este gran éxito se logró a través de la combinación de varias tecnologías innovadoras. El primero es el espejo secundario, que fue diseñado desde el principio para ser un componente principal de la LBT en lugar de un elemento adicional como en otros telescopios. El espejo secundario cóncavo es de 0.91 metros de diámetro (3 pies) y sólo 1.6 milímetros de espesor. El espejo es tan delgado y flexible que puede ser fácilmente manipulado por los operadores empujando 672 pequeños imanes pegados a la parte trasera del espejo, una configuración que ofrece una mayor flexibilidad y precisión que los sistemas anteriores en otros telescopios. Un innovador sensor "pirámide" detecta las distorsiones atmosféricas y manipula el espejo en tiempo real para cancelar el desarreglo, permitiendo que el telescopio pueda ver, literalmente, tan claramente como si no hubiera atmósfera. Increíblemente, el espejo es capaz de hacer ajustes cada milésima de segundo, con una precisión mejor que diez nanómetros (un nanómetro es la millonésima parte del tamaño de un milímetro).


(*) El Cociente de Strehl o Relación Strehl, llamado así por el físico y matemático alemán Karl Strehl (1864-1940), es una medida de la calidad óptica de los telescopios y otros instrumentos de proyección de imagen. Se define como el cociente entre la intensidad máxima observada en el plano de detección desde un punto fuente comparado con la intensidad teórica pico máxima de un sistema de imágenes perfectas funcionando al límite de la difracción. Esto está estrechamente relacionado con los criterios de agudeza para la óptica definida por Karl Strehl

Fuente: Sharper than hubble


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Ciencia y tecnología. Planetas que flotan solos en la oscuridad del universo

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Planetas huérfanos, sin estrella madre

Esta concepción artística muestra un planeta similar a Júpiter, solo, en la oscuridad del espacio, flotando libremente, huérfano, sin estrella madre. Recientemente, los astrónomos descubrieron evidencia de 10 mundos solitarios, que se cree han sido "arrancados", o proyectados, desde el seno de sus sistemas solares. Crédito de la imagen: NASA / JPL-Caltech Ver imagen completa y animación.

PASADENA, California - Los astrónomos, incluyendo un miembro del equipo financiado por la NASA, han descubierto una nueva clase de planetas del tamaño de Júpiter flotando sola en la oscuridad del espacio, lejos de la luz de una estrella. El equipo cree que estos mundos solitarios fueron probablemente expulsados de sistemas planetarios en desarrollo.

El descubrimiento se basa en un escaneo conjunto entre Japón y Nueva Zelanda del centro de la Vía Láctea durante los años 2006 y 2007, revelando la evidencia para un máximo de 10 planetas de una masa aproximada a la de Júpiter, que flotan libremente en el espacio interestelar. Los mundos aislados, también conocidos como planetas huérfanos, son difíciles de detectar, y había pasado inadvertida hasta ahora. Los planetas recién descubiertos se encuentran a una distancia media aproximada de 10,000 a 20,000 años luz de la Tierra.

"A pesar de que los planetas, que flotan libremente, se habían previsto, finalmente se han detectado, sosteniendo importantes implicaciones para la explicación de la formación de planetas y los modelos de la evolución", dijo Mario Pérez, científico del programa de exoplanetas en la Sede de la NASA en Washington.

El descubrimiento indica que hay muchos más planetas de la masa de Júpiter que flotan libremente, sin ser vistos. El equipo estima que hay aproximadamente el doble de de estos planetas que estrellas. Además, estos mundos se cree que son al menos tan comunes como los planetas que orbitan estrellas. Estos podrían sumarse en centenares de miles de millones de planetas solitarios, solo en nuestra Vía Láctea.

"Nuestro estudio es como un censo de población", dijo David Bennett, la NASA y una Fundación Nacional de Ciencias financiado por el coautor del estudio de la Universidad de Notre Dame en South Bend, Indiana "Tomamos muestras de una parte de la galaxia, y sobre la base de estos datos, se puede calcular el número total de la galaxia."

El estudio, dirigido por Takahiro Sumi de la Universidad de Osaka en Japón, aparece en la edición del 19 de mayo de la revista Nature.

La encuesta no es sensible a los planetas más pequeños que Júpiter y Saturno, pero las teorías sugieren que los planetas de menor masa, como la Tierra, deben ser expulsados ​​de sus estrellas más a menudo. Como resultado, se piensa que serían más comunes que los de tamaño de Júpiter.

Las observaciones previas percibieron un puñado de flotación libre, objetos como planetas dentro de los grupos estelares en formación, con masas de tres veces la de Júpiter. Pero los científicos sospechan que los cuerpos gaseosos forman más estrellas que planetas. Estos mundos pequeños, débiles, llamados enanas marrones, crecen desde el colapso de las bolas de gas y polvo, pero carecen de la masa suficiente para encender su combustible nuclear y brillan con la luz de las estrellas. Se cree que las enanas marrones más pequeñas son aproximadamente del tamaño de los planetas grandes.

Por otra parte, es probable que algunos planetas sean expulsados ​​de sus sistemas en etapas tempranas, en la turbulencia de la energía solar, debido a estrechos encuentros gravitacionales con otros planetas o estrellas. Sin una estrella a la cual circular, estos planetas se mueven a través de la galaxia como lo hacen nuestro Sol y otras estrellas, en órbitas estables alrededor del centro de la galaxia. El descubrimiento de 10 Júpiter de flotación libre admite el escenario de la expulsión, aunque es posible que ambos mecanismos estén en juego.

"Si los planetas flotantes se formaran como las estrellas, entonces tendríamos que esperar ver sólo uno o dos de ellos en nuestra encuesta en lugar de 10", dijo Bennett. "Nuestros resultados sugieren que los sistemas planetarios a menudo se vuelven inestables, expulsando planetas de sus lugares de nacimiento."

Las observaciones no pueden descartar la posibilidad de que algunos de estos planetas pueden tener órbitas muy distantes alrededor de sus estrellas madre, pero las investigaciones indican que planetas con la masa de Júpiter en órbitas tan distantes son raros.

El estudio, utilizando las Observaciones de Microlente en Astrofísica (MOA: Microlensing Observations in Astrophysics), igual que el ave gigante sin alas extinta de Nueva Zelanda llamada moa. Con un telescopio de 5.9 pies (1.8 metros) en el Monte John Observatorio de la Universidad de Nueva Zelanda se utiliza para explorar, regularmente, las abundantes estrellas en el centro de nuestra galaxia, buscando eventos de microlente gravitatorios. Esto ocurre cuando algo, como una estrella o un planeta, pasa por delante de otra estrella más lejana. La gravedad del cuerpo que pasa al frente deforma la luz de la estrella de fondo, causando una amplificación y haciéndola más brillante. Entre más pesados son los cuerpos ​​que pasan, curvan la luz de la estrella de fondo en mayor medida, avivando los acontecimientos que pueden durar semanas. Cuando los cuerpos que pasan son de tamaño pequeño, como planetas, provocan una menor distorsión de la luz, y aclaran una estrella en menor medida y por sólo unos pocos días.

Un segundo grupo de estudios con micro-lente, el Optical Gravitational Lensing Experiment (OGLE), contribuyen a este descubrimiento con un telescopio de 4.2 pies (1.3 metros) en Chile. El grupo de OGLE también observa muchos de los mismos hechos, y sus observaciones confirman de forma independiente el análisis del grupo de MOA.

Fuente: Free-Floating Planets May be More Common Than Stars (May 18, 2011) (http://planetquest.jpl.nasa.gov/news/freePlanet.cfm)

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Ciencia y tecnología. En busca de un puente hacia el mundo cuántico

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En busca de un puente hacia el mundo cuántico

La ciencia ficción no tiene nada por encima de la física cuántica cuando nos presenta un mundo laberíntico que puede enredar la mente si se intenta entenderla.


Un equipo de investigadores de la Universidad Estatal de Arizona (Arizona State University –ASU–), sin embargo, cree que han abierto una puerta a una visión más clara de cómo el mundo común y corriente, que experimentamos a través de nuestros sentidos, emerge del mundo cuántico etéreo.

Photo: ASU

Los físicos llaman a nuestro entorno familiar de todos los días, el mundo clásico. Ese es el mundo en el que nosotros y las cosas que nos rodean parecen tener características mensurables tales como masa, altura, color, peso, textura y forma.

El mundo cuántico es el mundo de los componentes elementales de la materia, los átomos. Los átomos son combinaciones de neutrones, protones en el núcleo, y electrones ligados a éste por atracción eléctrica.

Pero la mayor parte del espacio que ocupa un átomo –más del 99 por ciento de él– es espacio vacío, lleno de energía invisible.

Así, desde una visión cuántica del mundo, nosotros y las cosas que nos rodean somos, en su mayoría, espacio vacío. La manera en que experimentamos nosotros mismos y otras cosas en el mundo clásico es, en realidad, "una interpretación del mundo que nuestro cerebro hace con la información que le llega a través de nuestros sentidos", dijo el profesor de ASU Regentes David Ferry.

Desde hace más de un siglo, los científicos e ingenieros se han esforzado por llegar a una conclusión satisfactoria sobre el eslabón perdido que une los mundos clásico y cuántico y que permite un enlace entre ese mundo, en su mayoría espacio vacío, con el mundo familiar que experimentamos a través de nuestros sentidos.

Una hipótesis propuesta, basada en estas interrogantes, se ha ensayado en una tesis escrita por Adam Burke para obtener su doctorado en ingeniería eléctrica en 2009 de ASU’s Ira A. Fulton Schools of Engineering.

Para tratar de elaborar una respuesta a algunas de las preguntas, Burke se unió a Ferry, profesor de la Facultad de Informática, Electrónica e Ingeniería de la Energía; Tim Day, quien recientemente obtuvo su doctorado en ingeniería eléctrica de la escuela, el físico Richard Akis, un profesor investigador asociado de la escuela; Gil Speyer, un científico asistente de investigación para las escuelas de ingeniería "High Performance Computing Initiative; y Brian Bennett, un científico de materiales con el Laboratorio de Investigación Naval.

El resultado es un artículo publicado recientemente en la revista de investigación Physical Review Letters y presentado en PhysOrg.com, un sitio web sobre noticias de investigación de la ciencia y tecnología. En él se describe la transición del mundo cuántico al mundo clásico como un proceso "decoherencia" que implica una especie de progresión evolutiva algo análogo al concepto de la selección natural de Charles Darwin.

Los autores construyeron sobre dos teorías llamadas decoherencia y darwinismo cuántico, ambas, propuestas por el investigador Wojciech Zurek de Los Alamos National Laboratory.

El concepto de decoherencia sostiene que muchos estados cuánticos "colapsan" dentro de  una "amplia diáspora", o dispersión (¿de probabilidades?), mientras están interactuando con el medio ambiente. A través de un proceso de selección, otros estados cuánticos llegan a un estado final estable, llamado un estado puntero, que es "lo suficientemente formal" (en analogía a la "supervivencia del más apto" en términos darwinianos) que es transmitido a nuestro medio ambiente sin colapsarse.

Estos estados simples, con la energía más baja, pueden, entonces, hacer copias de alta energía de sí mismos que pueden ser descritos por el proceso darwiniano y ser observados en la escala macroscópica del mundo clásico.

Los experimentos surgieron del uso de microscopía avanzada y abrieron la puerta para obtener imágenes de los llamados puntos cuánticos.

Burke, ahora, que está haciendo la investigación, en un programa post-doctoral en la Universidad de Nueva Gales del Sur en Sydney, Australia, lo explica así:

“Imagine el punto cuántico como una mesa de billar en la cual los contactos, de punto cuántico, son dos aberturas por las que una pelota puede entrar o salir del punto, y las paredes interiores del punto actúan como parachoques.

“Si no hubiera fricción sobre la mesa, una bola de billar con una trayectoria inicial, se quedaría rebotando entre los muros hasta que, eventualmente, encontrará una salida y dejaría el punto cuántico (esta es la parte decoherencia).

“O puede ser que su movimiento se estabilice en una trayectoria que no encuentre las aberturas, por lo que sería, entonces, un estado puntero de sobrevivencia, lo que es llamado un estado de diamantes”.

Una diferencia entre la física clásica, de las bolas de billar, y la física cuántica, de los electrones, es que, un electrón, puede encontrar un túnel de "espacio de fases prohibido" y entrar en ese estado de diamantes, mientras que una bola de billar que entra desde fuera de los puntos no puede ser capaz de alcanzar esta trayectoria de diamante.

Es esta trayectoria clásica aislada, y la acumulación de una amplitud de funciones de onda electrónica a lo largo de esa trayectoria, que se conoce como una función de onda con cicatrices.

Para medir experimentalmente estas cicatrices, imagínese que no podemos ver el interior de las paredes de nuestra mesa de billar, pero podemos contar con la salida de las bolas de billar de la mesa. Esto es lo que normalmente se mide con la conductancia del punto cuántico y su entorno.

"Nosotros medimos la corriente a través del punto, el número de ‘bolas de billar’ por segundo que pasan, para tratar de ver cómo cambia cuando pasamos nuestra sonda alrededor de la ‘mesa de billar’”, dijo Ferry.

Por otra parte, está la prueba de la puerta con el microscopio de barrido, que aplica un pequeño campo eléctrico. Esto puede ser descrito como un pequeño parachoques circular sobre la mesa de billar que se puede mover alrededor dentro del punto.

Este pequeño "parachoques" está entrecruzado de izquierda a derecha y de arriba abajo sobre el área de interés. Si una bola está viajando a lo largo de este patrón de diamante es alterada por el parachoques cuando la trayectoria cruza la trama.

Piense en el rasterizado (1) como la forma en que se trabaja una imagen televisiva, con un patrón de líneas de exploración que cubren el área en la cual se proyecta la imagen, o establecer una o varias líneas horizontales compuesta de píxeles individuales que se utilizan para formar una imagen en una pantalla de computadora. Cuando esto sucede, la pelota rebota en la perturbación, y toma un nuevo rumbo en el punto de acoplamiento hasta que, finalmente, sale por una de las aberturas y puede medirse. El cambio en el movimiento de la bola aparece como un cambio en la conductancia (2) –el número de bolas pasando por las aberturas en un momento dado–.

Ferry explica: "Con la microscopía de barrido de la puerta, hacemos un seguimiento cuando estos cambios ocurren dentro de las exploraciones, y se espera que nos dé un mapa de las funciones de la onda de cicatrices correspondiente a los estados punteros".

“Los datos provenientes de los experimentos, del equipo de Zurek, apoyan las teorías de la decoherencia cuántica y darwinismo”, dijo Burke.

Ferry dijo que estos hallazgos son sólo un paso en un proceso que está abierto a conjeturas, pero que apuntan como una "pistola humeante" hacia la existencia de este darwinismo cuántico y a una nueva visión en la búsqueda de evidencias de cómo es la transición de la mecánica cuántica a la teoría clásica del mundo que conocemos como real.

Si usted puede entrever en su mente estos conceptos, dijo, "Abre la puerta a una comprensión más profunda de lo que realmente está pasando" en el centro de la realidad física.

(1) La rasterización es el proceso por el cual una imagen descrita en un formato gráfico vectorial se convierte en un conjunto de píxeles o puntos para ser desplegados en un medio de salida digital, como una pantalla de computadora, una impresora electrónica o una imagen de mapa de bits (bitmap) (http://es.wikipedia.org/wiki/Rasterizaci%C3%B3n)
(2) Se denomina conductancia eléctrica (G) de un conductor, a la inversa de la oposición que dicho conductor presenta al movimiento de los electrones en su cuerpo, es decir que la conductancia es la propiedad inversa de la resistencia eléctrica.
No debe confundirse con conducción, que es el mecanismo mediante el cual la carga fluye, o con la conductividad, que es la conductancia de un material específico. (http://es.wikipedia.org/wiki/Conductancia_el%C3%A9ctrica)
Fuente: Seeking a bridge to the quantum world por Jorge Franchín 7/14/2010 07:20:00 AM Arizona State University

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Ciencia y tecnología. ¿Cuánta basura hay en órbita?

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Un verdadero basurero orbital

Los siguientes gráficos generados por computadora son imágenes de objetos en órbita terrestre que están siendo rastreados. Aproximadamente el 95% de los objetos en esta ilustración son los desechos orbitales, es decir, no son satélites funcionales. Los puntos representan la posición actual de cada elemento. Los puntos de desechos orbitales se escalan según el tamaño de la imagen del gráfico para optimizar su visibilidad y no se escala a la Tierra (1). De esta manera, las imágenes proporcionan una buena visualización de las mayores poblaciones donde existen los desechos orbitales. A continuación se presentan los gráficos generados a partir de diferentes puntos de observación.

LEO images
LEO es sinónimo de la órbita terrestre baja y es la región del espacio dentro de 2,000 km desde la superficie de la Tierra. Es el área de mayor concentración de desechos orbitales.

GEO images
Las imágenes GEO son imágenes generadas desde un punto de vista oblicua distante para proporcionar una buena vista de la población objeto en la región geosincrónica (2) (alrededor de 35,785 km de altitud). Teniendo en cuenta que la población es mayor sobre el hemisferio norte, lo que se debe, principalmente, a los objetos que Rusia ha colocado en alta inclinación y las órbitas son gran excentricidad.

GEO Polar images
Las imágenes GEO Polar se generan desde un punto por encima del polo norte, que muestra las concentraciones de los objetos en órbita terrestre baja y en la región geosincrónica.

(1) Es decir, los puntos representados son mucho mayores, de acuerdo a la escala, que el tamaño real de los mismos.

(2) Geosincrónica. El objeto describe una órbita sincronizada con el movimiento de rotación de la Tierra, de tal manera que describe una traslación completa alrededor de ella, en las mismas 24 horas que dura un día, por lo que estaría, aparentemente, todo el tiempo, “suspendido” en el mismo punto del espacio.

Fuente: Orbital Debris Graphics (Gráficos de deshechos orbitales) (http://orbitaldebris.jsc.nasa.gov/photogallery/beehives.html#geo)

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