martes, 3 de octubre de 2017

Nobel de Física para escritores: El canto del cisne interestelar

Fuente: Nobelprize.org

La película Contacto basada en el libro homónimo del astrofísico Carl Sagan ofrece un ejemplo de aquellos centinelas que pacientemente esperan recibir una señal desde el espacio interestelar. En la película, circa 1990, los científicos reciben una señal codificada en números primos que llega desde la estrella Vega a 25 años luz de la Tierra, dentro de esta señal se encuentra el discurso de bienvenida de Adolf Hitler en los juegos olímpicos de Berlín en 1936 y que en la vida real fue la primera señal de televisión que salió de la atmósfera terrestre, en la ficción la señal había retornado a la Tierra más de sesenta años después rebotada desde una estrella tan lejana.

Para entender el Nobel de Física de este año se debe encontrar la analogía con la película descrita y remitirnos a LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) un telescopio particular no diseñado para detectar luz o radiación electromagnética del espacio sino para escuchar el sonido interestelar, detectar las ondas del espacio/tiempo.

Este concepto fue descrito por Albert Einstein hace ya un siglo afirmando que el tiempo y el espacio son maleables y conforman una cuarta dimensión: el espacio/tiempo donde esta inmerso el universo entero. El espacio/tiempo genera depresiones  en presencia de grandes masas como la huella que deja el cuerpo en una cama o vibra generando ondas gravitacionales cuando una gran masa se acelera, cuando una estrella explota o cuando dos agujeros negros rotan entre sí, tales ondas gravitacionales se expanden como el sonido en una forma muy parecida a las ondas que se generan cuando una pequeña piedra cae sobre agua quieta.

Einstein, al igual que con su concepto de los agujeros negros, tenía dudas de su real existencia y que solo fueran la ilusión de una ecuación matemática, más aun dudaba de que alguna vez fueran medidas debido al tiempo tan corto de su duración, unos escasos milisegundos. Así como para la teoría de la relatividad la gravedad es una curvatura del espacio/tiempo, algo difícil de pensar y no se es capaz de interpretar lo que no conoce, se necesitaba mucha imaginación para asumir la idea de las ondas gravitacionales y cómo medirlas para los parámetros tridimensionales de la vida tal como la conocemos.

La primera evidencia indirecta vino en los años 70 a través de un radiotelescopio que midió la energía perdida de dos pulsares que rotaban entre sí, la cantidad de esta energía encajaba perfectamente con los cálculos teóricos estimados para las ondas gravitacionales, por este descubrimiento Joseph Taylor y Russell Hulse obtuvieron el premio Nobel de Física en 1993 (“por el descubrimiento del pulsar y las nuevas posibilidades que se abren en el estudio de la gravitación”).También por los años 70 Kip Thorne , un físico teórico trabajando en el California Institute of Technology (Caltech) y Rainer Weiss, del Massachussets Institute of Technology (MIT) en forma paralela realizaron predicciones teóricas acerca de una posibilidad real de medir las ondas gravitacionales pero para ello debían de inventar y diseñar nuevos equipos no disponibles entonces. Estas ideas se basaron en teorías y experiencias previas. En 1957 un congreso sobre ondas gravitacionales realizado en Pittsburg gatilló los trabajos de Joseph Weber de la Universidad de Maryland quien diseñó una antena que funcionaba como un diapasón (horquilla) para detectar el sonido, su trabajo fue publicado en 1960 y logró detectar radiaciones gravitacionales pero sus hallazgos no fueron replicados por otros investigadores y se consideró un error técnico.

Por separado en Caltech y en MIT Thorne y Weiss trabajaron prototipos de sensores utilizando rayos laser los que medían centímetros a pocos metros. Durante estas pruebas identificaron las posibles interferencias del ruido de fondo: sismos, gradientes térmicas dentro de los tubos al vacío, inestabilidad del láser, etc. A medida que el tiempo pasaba la tecnología fabricaba mejores aparatos de emisión laser y más grandes. Ronald Drever en Glasgow fabricó un prototipo de 10 metros.

Pronto se dieron cuenta de la necesidad de construir sensores más grandes pero para ello requerían un mayor presupuesto así que postularon a la National Science Foundation (NSF) para financiar sus proyectos. La NSF decidió financia un solo proyecto trabajado en forma conjunta entre Caltech y MIT, de este modo Thorne y Weiss se embarcaron junto a Ronald Drever (quien falleció el pasado marzo) a diseñar un sensor que eliminara el ruido interestelar de fondo que “ensuciara” la medición de las ondas gravitacionales. Encontraron la fórmula diseñando un sistema de espejos y un emisor de rayos laser con dos tubos perpendiculares (que se disponen en L), si la señal es un ruido de fondo el sistema de espejos las enfrenta y las anula, si fuera una onda gravitacional –que viene en espiral- al afectar primero un brazo de la L no será anulada y provocará un estímulo en el brazo restante. Cada brazo tenía una longitud de 4 km y se construyeron dos observatorios LIGO idénticos separados por 3,000 km, uno en Louisiana y otro en el estado de Washington. Siguiendo con las analogías es posible imaginar dos hilos tensados en forma perpendicular colocados sobre la superficie de un estanque que reciben la onda vibratoria producto de una piedra que cae al agua.

El problema mayor fue el fabricar equipos de muy alta precisión, que detectaran este sonido que duraría una fracción de milisegundo, que para el espacio interestelar es como el piar de un ave al atardecer, así de repentino y efímero. Weiss y Thorne lograron crear los equipos, tan sensibles y delicados pero que deben de soportar las inclemencias de la naturaleza terrestre, inventaron un nuevo tipo de rayo láser y nuevos materiales, diseñaron la construcción de inmensos tubos al vacío. En 1994 se unió Barry Barish como líder del proyecto quien asumió el reto como una empresa de cooperación global y convocó a miles de investigadores alrededor del mundo. Esto aceleró notablemente el desarrollo de LIGO.

El 14 de setiembre del 2015, pocos días después de entrar oficialmente en funciones, los dos observatorios LIGO detectaron las primeras señales de la onda gravitacional que duraba tan solo unas décimas de segundo, el análisis reveló que la onda era producto de una colisión de dos agujeros negros que se orbitaban mutuamente a la velocidad de la luz colisionando y fusionándose con una energía de la magnitud de 62 soles juntos, una colisión que se calculó había ocurrido 1,300 millones de años, el sonido de un instante infinitesimal en la vida del universo, el canto del cisne de una gigantesca colisión cósmica.

Thorne, Weiss y Barish no revelaron este hallazgo inmediatamente, sometieron los datos a una serie de pruebas para asegurarse que fuera real y no producto del ruido de fondo o del azar, calcularon incluso de que este ruido fuera por azar: su chance era de 2x10-7, es decir de 0.0000002. Recién develaron el secreto, a sus familias y al mundo, en febrero de este año. En agosto 2017 la estación gemela VIRGO en Europa confirmó los resultados. El espacio/tiempo no era producto de una fórmula matemática, ya se tenía evidencia directa pues era capaz de ser medido.

Eisntein estaría satisfecho, el espacio/tiempo existe como se sugiere en la película Interestelar de Christopher Nolan, cuyo guion tuvo la asesoría científica de Kip Thorne.

En el espacio/tiempo nada es casualidad




  

lunes, 2 de octubre de 2017

Nobel de Fisiología o Medicina para escritores: el reloj biológico

 fuente: portadas.biz

La vida en la Tierra esta hecha de ciclos, tanto los que hemos creado en el calendario como los naturales: los años, las estaciones y los días. En estos ciclos están comprendidas todas las formas vivientes del planeta.

El primer vestigio de un reloj biológico fue descubierto en 1729 por el astrónomo francés Jean Jacques d'Ortous de Mairan cuando observó que las hojas de la planta mimosa, que están abiertas durante el día y se cierran sobre la noche, continúan con este ciclo aun cuando durante el día se les coloca en un ambiente oscuro, sugiriendo que la planta tiene un reloj biológico independiente de los cambios de luz.

En los años setenta del siglo anterior, Ronald Konopa de la Universidad de Postdam junto a Seymour Benzer decidieron estudiar la existencia de mutaciones en la mosca de la fruta (Drosophila melanogaster) que alteraran su reloj biológico. Para tal fin escogieron pupas que emergían de noche cuando lo normal es que lo hagan de día. Konopa y Benzer encontraron una mutación en un gen del cromosoma X al que llamaron PER por Periodo.

En 1984 Jeffrey Hall y Michael Rosbash de la Brandeis University en Massachusets, así como Michael Young de la Rockefeller University en New York,  identificaron la secuencia del gen PER en la Drosophila. Hall y Rosbash identificaron también que este gen codificaba la producción de una proteína a la que también llamaron PER que alcanzaba su pico de producción en la noche y se degrada en el día, es decir que los niveles de esta proteína seguían un ritmo circadiano (del latin circa: alrededor de y dies: día). Young en 1994 identificó un segundo gen al que llamó TIM (de Timeless) y que codifica una proteína del mismo nombre. Cuando la proteína TIM se une a la proteína PER son capaces de entrar al núcleo de la célula y bloquear al gen PER para de este modo detener la producción de más proteínas y ejercer así un sistema de retroalimentación negativa.

En 1997 otros investigadores descubrieron la existencia de otros genes como Cycle (CYC) y Clock (CLK) que activan al gen PER. Por otro lado se sabe que TIM y PER actúan como inhibidores de CLK cerrando de este modo el ciclo de activación e inhibición que se realiza entre el día y la noche.  En 1998 Young y colaboradores descubrieron la existencia del gen y la proteína Doubletime (DBT) que fosforila a PER y activa su degradación.

Un sistema que funciona por estímulo e inhibición que se suceden por periodos sucesivos determina un complejo ciclo que avanza a medida que se sucede el día y la noche. El sistema es complejo e incluye otros componentes como el gen y la proteína CRY (Cryptochrome). La luz activa a CRY y promueve que se una a TIM llevando a su degradación. Cuando la mañana aparece se degrada TIM dejando a PER vulnerable a la degradación que induce DBT.  

Este ritmo circadiano es regulado a nivel central por el núcleo supraquiasmático del hipotálamo dentro del cerebro que recibe información de la luz proveniente de la retina de esta manera sincronizando su propio reloj neuronal. Este sistema central regula el ritmo circadiano de los pequeños relojes biológicos periféricos y los sincroniza determinando de este modo los ciclos del metabolismo, sueño y vigilia, liberación de hormonas, temperatura corporal y presión arterial cuyos niveles varían normalmente durante el periodo de 24 horas.

Nuestro reloj biológico determina y explica porqué la presión arterial sube al amanecer, porque nuestra temperatura cae en la madrugada y es más alta al atardecer, porqué nuestro sueño es más profundo en la madrugada justo después del pico de secreción de melatonina, determina además nuestros estados de hambre y necesidad de comida, explica porque estamos más alertas y coordinamos mejor en el día que en la noche.

Los descubrimientos de Hall, Rosbash y Young explican también porque padecemos de jet lag en los viajes intercontinentales y sobre todo nos alertan que permanecer despiertos muchas horas durante la noche o trabajar haciendo guardias al final alteran los ciclos hormonales y nuestros patrones de alimentación los que a la larga dañan nuestro metabolismo y la salud en general.

Los ciclos del día y la noche los damos por sentados, es para nosotros algo automático. Hall, Rosbash y Young nos enseñan que estos complejos y diminutos sistemas moleculares nos sintonizan en cada momento con la naturaleza, toda la vida en el planeta y con lo inconmensurable del universo.