Ciencia en miniatura (I)

science

1. Rayos X

Por alguna razón de peso nos hemos llegado a topar con ellos en nuestras vidas, y seguramente nos hemos enfrentado a dudas desconcertantes. ¿Qué son? ¿De dónde vienen? ¿Cómo se producen? ¿Quién los descubrió e investigó? El microdocumental An Excursion in Science (Una excursión en la ciencia) de la compañía General Electric, en su episodio Taking the X out of X-rays (Quitando la X de los rayos X), que data de 1940, nos esclarecerá estas interrogantes.

A finales de 1895, en un pequeño laboratorio universitario en Bavaria, el profesor Wilhelm Conrad Röntgen fue el primero en notar el extraño efecto que condujo al anuncio de su descubrimiento de los rayos X. Y aunque la novedad fue recibida por el público con una mezcla de escepticismo y aprehensión, los doctores vieron la posibilidad de otros nuevos misteriosos rayos y comenzaron a usarlos. Sin embargo, no fue sino hasta 1913 cuando su empleo se hizo seguro y confiable. En ese año, el tubo catódico incandescente de rayos X fue introducido por el doctor William D. Coolidge, del laboratorio de investigaciones de General Electric; el hombre que ya desarrolló las importantes lámparas de filamento de Tungsteno, y quien ahora posee uno de los pocos doctorados Honoris causa de medicina. Por tanto, al hablar de los rayos X es un privilegio presentar al mismo doctor Coolidge.

[Dr. Coolidge] Por mucho tiempo, luego de que se descubrieron y usaron los rayos X, permaneció incluso en los científicos el enigma. Es así como obtuvo su nombre; ‘X’ para lo desconocido. Hoy, empero, sabemos que los rayos X son una forma de radiación perteneciente a la misma familia que la luz, el calor y las ondas de radio. También sabemos que los rayos X son producidos cuando un objetivo sólido es impactado por una corriente de electrones a alta velocidad; las mismas minúsculas partículas de electricidad cargadas negativamente que hacen funcionar los tubos de radio.

En los tubos de rayos X más antiguos, los electrones tenían que generar la radiación X a liberar primero mediante la descomposición de una porción mínima de aire u otro gas en un tubo parcialmente al vacío, a un alto voltaje aplicado entre los terminales. La operación dependía de la cantidad de gas dentro del tubo, y como éste era variable el tubo no era fidedigno.

Hoy en día, en el tubo catódico incandescente de rayos X (de los cuales éste es uno de varios tipos distintos) hay un alto vacío, y la producción de electrones sólo depende del tamaño y la temperatura de un filamento incandescente de Tungsteno con una estructura en cápsula a su alrededor. Este tubo en particular tiene dos filamentos de los cuales se puede utilizar cualquiera. El enjambre de electrones, que es desprendido o bullido del filamento incandescente, es acelerado a una altísima velocidad a un alto voltaje aplicado entre el electrodo negativo o cátodo, con su respectivo filamento, y el electrodo positivo o ánodo, el cual es designado como el objetivo.

El enjambre de electrones se enfoca a un punto muy pequeño del objetivo por la estructura del cátodo en forma de copa. Parece que el enjambre de electrones, bombardeando el objetivo, a una tremenda velocidad, choca tan violentamente que se genera la radiación electromagnética conocida como rayos X. La eficiencia de la producción de los rayos X es muy baja, y la mayor parte de la energía del enjambre de electrones se va en fijarse al objetivo. Este efecto de calentamiento de los electrones se podría comparar a la llama de un soplete sobre una placa de metal, mientras que la luz proveniente del punto oculto de la placa de metal del objetivo corresponde a los rayos X que vienen del punto focal del objetivo del tubo de rayos X.

De hecho, los rayos X son como las formas comunes de luz, salvo que su longitud de onda es mucho menor y por ende, es invisible. Aunque los mismos rayos X no se pueden ver, afortunadamente se pueden visibilizar sus efectos. En general, el filme fotográfico es sensible a los rayos X, y el tipo especial de éste se utiliza para registrar su presencia. Al registro de las imágenes de rayos X en un filme se le llama radiografía, y a los filmes completados se les conoce como radiografías. Los rayos X también tienen el poder de hacer porosos algunos químicos; es decir, de evocar la luz visible.

Esta cartulina especial, cubierta con uno de estos químicos, constituye una de las conocidas pantallas fluoroscópicas. El uso de esta pantalla (revelar una imagen de rayos X) se le conoce como fluoroscopia. Tiene una ventaja respecto a la radiografía de permitirnos visualizar las estructuras internas en movimiento.

Además de tener una menor longitud de onda, los rayos X también difieren de los rayos de luz en que pueden ser enfocados en una cámara. Así, es inutilizable el procedimiento ordinario de la fotografía; en vez de ello, empleamos una técnica de sombreado. Si enciendo este pequeño foco de luz, y pongo mi mano en su haz, puedo emitir la sombra de mi mano en una cartulina blanca.

Ahora, aquí, si en lugar de un foco de luz, uso un tubo de rayos X en un aparato portátil de rayos X como este, y si en lugar de una cartulina blanca uso un filme en una carpeta para cintas de grabación, puedo emitir una sombra de rayos X de mi mano, la cual se ve así en el filme en que se elabora.

Noten, sin embargo, que en lugar de una silueta sombreada sólida como el de la luz, los rayos X producen una sombra que muestra una distinción entre los huesos y la carne. En otras palabras, los rayos X pasan más fácilmente a través de algunas sustancias que en otras, y que los detalles de la imagen, dependiendo de la cantidad de rayos X, entran en las distintas sustancias que hacen el objeto. Es ésta la habilidad de los rayos X, la de diferenciar los tipos de sustancias, lo que les da su gran valor para el diagnóstico.

Parece tan increíble como paradójico que los rayos, que son por sí mismos invisibles, pueden revelar objetos que de otra manera serían invisibles. Pero eso es exactamente lo que hacen los rayos X. No es de extrañar que los rayos X, a menos de medio siglo de su descubrimiento, hayan sido tan útiles en la medicina y en la industria.

Adicionalmente, esta forma de radiación electromagnética (de la cual pueden leer más aquí y aquí) también participa en otro campo: en la astronomía, con el Observatorio Chandra de Rayos X.

2. Efecto Doppler:efectodoppler

En 1842, el físico y matemático austríaco Christian Doppler dio con un principio de la ciencia que fue nombrado en su honor. ¿En qué consiste? Para satisfacer nuestra curiosidad, Carl Sagan nos ofrece una concisa y amena exposición en Cosmos: un viaje personal, en El filo de la eternidad (mins. 11:15-13:16).

Imaginen un objeto en movimiento que emite ondas. Podrían ser ondas de luz, tal vez ondas de sonido o cualquier tipo de onda. Cuando ese objeto móvil pasa por delante de nosotros, sentimos una especie de cambio de frecuencia; esto se llama el efecto Doppler. Si está usted conduciendo una locomotora, el tono del silbato siempre le sonará igual. Esto se debe a que está usted moviéndose con la fuente del sonido. Pero si está al pie de la vía cuando pasa el tren oirá ese familiar cambio de tono, el efecto Doppler.

Es fácil comprender la razón de que esto ocurra una vez que se visualizan las ondas. Un tren inmóvil emite ondas de sonido en círculos perfectos, como las olas de un estanque. […] Las ondas que se extienden hacia adelante se amontonan, y las que van hacia atrás se separan. Las ondas comprimidas tienen una frecuencia y un tono más altos que las ondas separadas. Lo mismo ocurre con las ondas de luz: el color es a la luz exactamente lo que el tono al sonido. Las ondas de luz comprimidas azulean: cambian a azul. Las ondas de luz escindidas enrojecen: cambian a rojo.

A la velocidad de un tren se puede sentir el cambio de tono del sonido, pero no de la luz. Para que ocurriera esto, el tren tendría que viajar a una velocidad un millón de veces mayor. Resulta que el efecto Doppler en las ondas de luz es la clave del cosmos.

Las aplicaciones del efecto Doppler son variadas, desde radares de velocidad hasta vibrómetros y ecocardiografías. En el caso de la astronomía, este conocimiento tiene un significado vital; por ejemplo, las líneas espectrales nos son de utilidad para saber si una estrella se está alejando (i.e., corrimiento al rojo), o si por el contrario se está acercando (i.e., corrimiento al azul).

3. Atolón

Un atolón se define, en términos generales, como una “isla de los mares tropicales en forma de anillo, con una laguna central y rodeada por el mar abierto, construida por arrecifes de corales. El anillo no está completamente cerrado y presenta numerosas bocanas por donde la laguna se comunica con el mar abierto”. O sea, esto:

atolón_estructura

Geográficamente, los atolones están distribuidos especialmente en el Océano Pacífico (e.g., el atolón Nukuoro, en Micronesia) y en el Océano Índico (e.g., el atolón Huvadhu, en las Maldivas). Sus dimensiones varían considerablemente, y hay dos teorías en cuanto a su formación. En primer lugar, tenemos la de Charles Darwin postulada en 1842 que está enfocada en el hundimiento de las islas volcánicas.

atol_n_formaci_n_darwin

En segundo lugar, está la de Reginald Aldworth Daly planteada entre 1910 y 1911 que destaca la erosión de las islas causada por fluctuaciones en el nivel del mar durante la glaciación del Pleistoceno. Según Daly (Daly, Reginald A., 1910-1911. The Glacial-Control Theory of Coral Reefs. Publicado en Proceedings of the American Academy of Arts and Sciences, noviembre de 1915, vol. 51, no. 4, pp. 157-251. Massachusetts, Estados Unidos), un atolón se forma cuando una isla volcánica (1) se convierte inicialmente en una planicie con detrito “granulado” (2). Luego esta planicie es desgastada en su interior por el mar (3) hasta ensancharse, conservando sus bordes (4).

Fuente: Daly, Reginald A. (1910-1911), p. 161.

Fuente: Daly, Reginald A. (1910-1911), p. 161.

Recientemente, dichas teorías se han puesto a prueba, y lo sorprendente es que la combinación de ambas tesis (i.e., la de Darwin y la de Daly) podría explicar el génesis de los atolones.

4. ¿Marsupiales en América?

Sí, tal cual lo leen, no es una equivocación. O mejor dicho, no es una aseveración disparatada; estos singulares animales tienen un relato que contar en el Nuevo Mundo. Como informó la BBC, tenemos ante nosotros un hallazgo fascinante.

Los científicos de la Universidad de Münster, en Alemania, llevaron a cabo un estudio genético del árbol genealógico de los marsupiales.

Tal como afirman en Public Library of Science (PLoS) Biology (Biblioteca Pública de Ciencia, Biología), una sola especie de marsupiales sudamericanos se trasladó de las Américas a Australia.

El estudio mencionado por la BBC, titulado Tracking Marsupial Evolution Using Archaic Genomic Retroposon Insertions (Rastreo de la evolución de los marsupiales mediante inserciones de antiguos retroposones genómicos), señaló que “los nuevos datos sitúan los rabipelados sudamericanos (Didelphimorphia) como la primera rama del árbol de los marsupiales”. La investigación, enfocada en la biología molecular, permitió determinar que especímenes tan aparentemente distantes como un colicorto gris (Monodelphis domestica) y un walabí de Tammar (Macropus eugenii) tienen una línea evolutiva en común cuyas primeras escisiones se habrían producido hace unos 65-85 millones de años (Cretácico superior), tal como se sostiene en las conclusiones.

Gráficamente, esta evolución queda expresada de esta manera:

marsupialesevolucionsudamerica

5. Telescopio Espacial Hubble

La astronomía quedó marcada desde la revolucionaria época de Galileo, y eso nos indica que la necesidad de ver el universo con mayor profundidad ha estado a la par de los adelantos tecnológicos que se han venido perfeccionando a lo largo de un siglo XX cargado de prodigios científicos, como lo es el Telescopio Espacial Hubble (Hubble Space Telescope ―HST, sus siglas en inglés).

Ficha informativa

Ficha informativa del Telescopio Espacial Hubble. Fuentes: HubbleSite [1] y [2], NASA/ESA.

El proceso en el que opera el HST puede ser descrito así:

Cada 97 minutos, el Hubble completa una vuelta alrededor de la Tierra, moviéndose a una velocidad de unas cinco millas por segundo (8 km por segundo) – lo suficientemente rápido como para viajar a través de los Estados Unidos en unos 10 minutos. Mientras lo hace, el espejo del Hubble captura la luz y la dirige en sus diversos instrumentos científicos.

El Hubble es un tipo de telescopio conocido como un reflector Cassegrain. La luz toca el espejo principal del telescopio, o espejo primario. Ésta rebota del espejo primario y se encuentra un espejo secundario. El espejo secundario enfoca la luz a través de un agujero en el centro del espejo primario que la conduce a los instrumentos científicos del telescopio.

La gente a menudo cree erróneamente que la potencia de un telescopio reside en su capacidad para agrandar los objetos. Actualmente los telescopios funcionan al recoger más luz del que puede capturar por sí mismo el ojo humano. A mayor tamaño del espejo del telescopio, mayor luz la que puede captar, y mejor es su visión. […]

Una vez que el espejo captura la luz, los instrumentos científicos del Hubble trabajan juntos o individualmente para proveer la observación. Cada instrumento está diseñado para examinar el universo de una manera distinta.

Diagrama

Diagrama del funcionamiento del Telescopio Espacial Hubble, con sus elementos involucrados: la luz (en rojo), los espejos (en azul) y los instrumentos científicos (en verde). Fuente: HubbleSite.

Observación

Observación del Telescopio Espacial Hubble realizada con tres longitudes de onda. Aquí se puede ver a Saturno en ultravioleta (arriba), en luz visible (centro) y en infrarrojo (abajo). Fuente: NASA.

Después, los datos del HST son obtenidos (efectivamente, con la asistencia de un satélite) por una estación terrestre. De allí son transferidos al Centro de Vuelo Espacial Goddard (GSFC, sus siglas en inglés) y culminan su recorrido en el Space Telescope Science Institute (algo así como Instituto Científico del Telescopio Espacial) donde son interpretados por los especialistas.

telescope_essentials_data2_lg

Gráfica de la transmisión de datos del Telescopio Espacial Hubble. Fuente: HubbleSite.

El HST es un artefacto muy delicado. Tan pronto se puso en órbita, su espejo primario presentó un desperfecto preocupante: una aberración esférica; afortunadamente, en diciembre de 1993 se reparó este fallo. Desde entonces ha recibido mantenimiento, y por supuesto, también ha cumplido satisfactoriamente con sus tareas siderales, las cuales continuarán hasta que a este “ojo gigante” le toque retirarse debido a la degradación progresiva de sus componentes. No obstante, su legado perdurará.

6. Lucy

Al Homo sapiens no le faltan los ancestros, y lo mismo puede decirse de todos los seres vivos. Sus remotos orígenes, respaldados por sólidas evidencias, siempre tienen como “parada obligatoria” un fósil emblemático que sella su historia. Detengámonos en un ejemplar de Australopithecus afarensis: la celebérrima Lucy.

Si se preguntan por qué Lucy es tan relevante, la respuesta radica en un aspecto primordial: es el fósil más completo de un Australopithecus afarensis que se haya encontrado, lo cual nos otorga mucha información de valor a la hora de juntar y ordenar las piezas que arman el rompecabezas de los cambios en los primates (entre ellos el Homo sapiens) a través del tiempo. Uno de ellos es, precisamente, la transición de un primate que pasa de ser cuadrúpedo (i.e., se desplaza con cuatro extremidades) a bípedo (i.e., se desplaza con dos extremidades).

Y ese es el hito del Australopithecus afarensis. Lucy, que corresponde a este homínido, nos da luces sobre este hecho, aunque no sin arrojar intrigas:

Mientras Lucy indiscutiblemente andaba erguida, algunos científicos, como Randall Susman de la Universidad Stony Brook en Nueva York, duda que caminara con los pies en vertical como los humanos. En vez de eso, aseguran, ella mantuvo inclinada la cadera y las rodillas, como los chimpancés cuando caminan erguidos. […]

El profesor Robin Cromptom de la Universidad de Liverpool utilizó un modelo computarizado para reconstruir cómo caminaba Lucy en base a las proporciones de su esqueleto. Él asume que Lucy pudo haberse movido erguida con la cadera y las rodillas inclinadas como un chimpancé, o con las piernas derechas como un humano.

Además, se ha sostenido la hipótesis de que Lucy tenía una dieta carnívora gracias a herramientas rudimentarias de piedra.

7. Kilauea

Por temibles que sean, los volcanes no dejan de ser interesantes; de hecho, son un importantísimo objeto de estudio a la hora de comprender cómo funciona nuestro planeta por dentro. Y en esta ocasión vamos a aprender un poco sobre uno de ellos: el Kilauea.

Ficha informativa del volcán

Ficha informativa del volcán Kilauea. Fuentes: Hawaii Center for Volcanology [1] y [2], Hawaiian Volcano Observatory, Smithsonian Institution, NASA EOS IDS Volcanology.

Históricamente, la primera erupción documentada del Kilauea ocurrió en 1823 (e incluso años antes); en la actualidad entró en acción en el 2007 y en el 2011. Desde entonces se espera una nueva etapa en sus actividades volcánicas que recuerdan mucho el mito de la diosa Pelé en la tradición literaria hawaiana; una diosa “apasionada, volátil y caprichosa”.

Evidentemente, detrás de ese mito hay una realidad. Como veremos en este video, el Kilauea es un volcán con un temperamento ―válgase la prosopopeya― agresivo e impulsivo.

Sin embargo, eso no parece perjudicar en lo más mínimo el turismo en la atractiva isla de Hawaii sino todo lo contrario; lo estimula hasta con supersticiones.

Bien, esto ha sido todo por el momento, nos vemos en la próxima entrada. Las traducciones son de mi autoría, salvo en el clip de video de Carl Sagan sobre el efecto Doppler.

―Ω―

Anuncios

Responder

Introduce tus datos o haz clic en un icono para iniciar sesión:

Logo de WordPress.com

Estás comentando usando tu cuenta de WordPress.com. Cerrar sesión / Cambiar )

Imagen de Twitter

Estás comentando usando tu cuenta de Twitter. Cerrar sesión / Cambiar )

Foto de Facebook

Estás comentando usando tu cuenta de Facebook. Cerrar sesión / Cambiar )

Google+ photo

Estás comentando usando tu cuenta de Google+. Cerrar sesión / Cambiar )

Conectando a %s