2017

jueves, 9 de noviembre de 2017

¿Qué pasaría si un astronauta cayese al espacio sin traje espacial?


Por Rubén López
 
¿Alguna vez os preguntasteis qué os pasaría si en un futuro llegaseis al espacio y la mala fortuna hiciera que os precipitarais al vacío sin traje espacial? Quizás no, es posible que nunca lo hicierais, pero seguro que ahora que lo leéis tenéis una ligera duda de cómo sería el trago de veros en esa situación. Por ello, voy a explicar aquí cuáles serían los pasos que vendrían después de tan desafortunada caída.

El astronauta Bruce McCandless utilizando un MMU fuera de su transbordador espacial
Por suerte, puedo comenzar diciendo que esto no es algo que ocurra todos los días. Hasta el día de hoy tuvimos la fortuna de que nadie tuviera que hacer frente a tan dramático suceso, aunque sí existen algunos que otros casos bastante análogos. Sin ir más lejos, tenemos el ejemplo de la cápsula de la misión Soyuz 11 en 1971. En aquella ocasión, la cápsula que traía de vuelta a la tierra a los cosmonautas Georgy Dobrovolsky, Vladislav Volkov yViktor Patsayev desde la estación espacial Salyut 1 se despresurizó cuando se preparaba para la reentrada en La Tierra, lo que conllevó la muerte de los tres ocupantes, que se convirtieron en los únicos humanos muertos en el espacio hasta la fecha (podéis leer una historia más detallada del suceso en el blog de Daniel Marín en Naukas).

Los tres cosmonautas de la misión Soyuz 11
Comenzando ya con el proceso que quiero narrar, estableceré primero los fundamentos básicos, y estos son que el espacio es vacío (no hay aire y por consiguiente no hay oxígeno) y hace un frío terrible, del orden del cero absoluto para un vacío ideal. Con saber esa base nos llegará para todo lo que voy a exponer a continuación. Conocido esto, debemos plantearnos algo clave: ¿cuál sería vuestro primer instinto si vierais que os precipitáis a ese vacío, donde sabéis que no podréis respirar? Por supuesto, algún incauto se verá tentado a decir que lo que haría sería coger una amplia bocanada de aire para intentar aguantar ahí fuera todo lo posible, algo que a priori parece lógico. No obstante, sólo lo parece a priori, pues una reflexión concienzuda nos llevará a determinar que ese acto es la mayor locura que podemos hacer. Es necesario dejarlo claro: coger aire antes de precipitarse al vacío no debe hacerse bajo ningún concepto.

No es algo intuitivo a priori, pero sí lógico. Como dije, el espacio es vacío. Si en tus pulmones hay aire el contraste de presión entre tu interior y el exterior es brutal. Literalmente, si existe aire en los pulmones al caer al vacío reventarán pronto debido a esa diferencia de presión. Podemos pensar en el caso de un buceador: Sabréis que cuando llegan a profundidades significativas tienen que tener cuidado con manejar el aire debido a este mismo problema de presiones. El caso es análogo. También los tímpanos son un problema, el gradiente de presiones provocará que revienten de manera casi instantánea.


El caso de un buceador es análogo al expuesto, en lo que se refiere al manejo del aire en los pulmones

Por supuesto, tendréis en mente que no son los pulmones el único lugar donde tenemos aire. Y sí, como posiblemente ya pensarais nuestro astronauta tendrá que dejar los modales a un lado para sobrevivir. Los gases gastrointestinales también son un problema y tendrá que deshacerse de ellos como pueda antes de precipitarse al vacío si no quiere que sus tripas acaben desgarradas. 

Y bueno, ahora que nos deshicimos de todo gas en el cuerpo del hombre tampoco podemos pensar que todo lo demás son problemas menores. Hay, evidentemente, más inconvenientes muy incómodos y palpables. Como podéis sospechar, tener oxígeno en los pulmones es necesario para cosas bastante importantes, como por ejemplo que el cerebro funcione. A las pocas decenas de segundos sin oxígeno, el cerebro empieza a decir basta y a dejar de funcionar adecuadamente hasta que comienza un letargo crítico. Nuestro hombre todavía está vivo, pero no por mucho tiempo si no se le pone solución.
Cuando el astronauta entra en la inconsciencia todavía hay tiempo para el rescate con vida. Si alguien pasa por allí y lo recoge en poco tiempo (máximo 2 minutos) todo irá 'bien'. Pongo bien entre comillas porque a partir de que nuestro protagonista cae inconsciente el daño cerebral empieza a ir abriéndose camino. Cuánto menos pase, menor será, y el límite de dos minutos del que hablé es muy generoso. En ese momento el cerebro habría sufrido ya daños muy graves.

Cuanto menor sea la presión, más sencillo será que el agua hierva. Si la presión es nula, evaporarse es la acción más energéticamente favorable


El de la falta de oxígeno es, sin duda, el problema más terrible, pero por si fuera poco aún hay más. La saliva, el sudor... todo ese líquido que tenemos en el cuerpo 'hervirá' rápidamente y provocará  quemaduras en el cuerpo, que contribuirán a hacer del viaje un suplicio mayor. Por supuesto, antes dije que el vacío era un lugar increíblemente frío, y os preguntaréis cómo puede hervir el líquido corporal a esas temperaturas. La respuesta es que por mucho frío que haga, sin presión el líquido no puede agregarse y tiende a hacerse gas rápidamente, pues no hay nada que haga juntar sus átomos. Lo último que se debe comentar es que tener los ojos abiertos también sería un serio problema, pues las mucosas también son traicioneras en esta situación. Así que, en resumen, serían unos 2 minutos bastante desagradables. Quizás fue Tarantino el diseñador de tan maravilloso proceso natural. 

Para finalizar, lo único que quedaría por explicar es por qué esto no pasa cuando llevan traje. La respuesta es tan sencilla como que los trajes son, esencialmente, burbujas de oxígeno. En ellos el astronauta está rodeado de su propia atmósfera, como en la Tierra. Esto hace que los trajes sean mucho menos manejables de lo que parece, casi infernales, y entrar en uno de ellos significa pasar un tiempo sumido en la incomodidad. No obstante, ahora que sabemos lo que pasaría sin ellos, casi que tener un traje a mano suena una mejor opción...

domingo, 5 de noviembre de 2017

Viajes en el tiempo: La ciencia sin ficción



Hablaremos hoy de un tema que lleva fascinando al mundo generación tras generación, y que no es otro que el de los viajes en el tiempo. ¿Quién no pensó alguna vez en regresar al pasado para comprobar que la historia fue tal y como la conocemos, o en llegar al futuro para ver lo que espera a nuestra civilización? Trataremos en este artículo de hablar de ello de manera científica, sin caer en artificios ficticios.

La TARDIS, nave utilizada por el protagonista de la serie 'Doctor Who' para desplazarse en el tiempo


La pregunta inicial es evidente: ¿Es posible viajar en el tiempo? Y la respuesta es más evidante todavía, pues claro que existe esa posibilidad. Todos lo hacemos, a una velocidad de 1 segundo por segundo. Posiblemente el lector esperaba una respuesta más mágica, pero había que empezar por ahí para establecer todo lo demás. Ahora es cuando empieza la magia, una magia llamada Relatividad. La Relatividad es algo impresionante, y destroza toda nuestra percepción del tiempo. Rompe esa aparente verdad universal que acabo de exponer de que todos viajamos a 1 segundo por segundo.

En términos de Relatividad Especial, los relojes de todas las personas existentes en el mundo dejan de estar sincronizados y el tiempo pasa de manera diferente para cada uno dependiendo de sus circunstancias de movimiento espacial. En otras palabras, cada persona ‘viaja en el tiempo’ a una velocidad distinta según la velocidad a la que se mueve en el espacio. Existe, entonces, una relación de canje entre la velocidad espacial y temporal, y por ello la ‘velocidad de desplazamiento en el tiempo’ de alguien que avanza muy rápido por el espacio será mucho menor que para alguien parado. Así, y aunque a esa escala de velocidad el efecto es casi nulo, el tiempo pasa más lento para Fernando Alonso que para quien lo ve correr desde el sofá.

Albert Einstein publicó su Teoría de la Relatividad Especial en 1905
Para explicar todo esto debemos saber que vivimos en un espacio de 4 dimensiones, el espacio-tiempo. Y todo se mueve por él (velocidad espacial+temporal) a velocidad de la luz (c). Esta velocidad  c, ya que espacialmente nos movemos a velocidad muy baja comparada con ella, está casi totalmente invertida en nuestro desplazamiento temporal. Decía antes que entre la velocidad espacial y temporal existía una relación de canje, y se basa en que entre ambas siempre suman c. Es por ello que tenemos nuestros relojes ‘sincronizados’. Los humanos nos desplazamos espacialmente a velocidad casi igual (las diferencias respecto a la velocidad de la luz son totalmente despreciables), y por ello también lo hacemos temporalmente.

Para dar un paso más en nuestro razonamiento imaginemos ahora una nave capaz de desplazarse, por ejemplo, a 0,5c. La contribución de la velocidad espacial es ahora importante.Por ello, la cantidad de velocidad dedicada al desplazamiento temporal de esa nave es mucho menor: su ‘reloj’ va más lento que el nuestro. Esto nos da una conclusión muy sorprendente: Si alguien se desplazase a c, desde su marco de referencia su viaje de un punto A a otro B sería instantáneo. No obstante, nada que no sea la luz puede moverse a velocidad c, aunque si es posible moverse a velocidades infinitamente próximas. Así, si viajamos a velocidades muy cercanas a la de la luz durante meses y volvemos, encontraremos que en la Tierra pasó mucho más tiempo que para nosotros y llegaríamos a una civilización irreconocible. Esta sería la manera científica de 'viajar al futuro'. No implica máquinas que instantáneamente llevan al viajero de un lugar a otro de su línea temporal, es un simple juego de Relatividad y velocidades. No es la concepción idílica de la ciencia ficción de los viajes en el tiempo, pero es lo que hay... Y aunque la Relatividad parezca algo muy teórico y abstracto, tiene aplicaciones cotidianas. Los GPS, por ejemplo, la tienen en cuenta porque en caso contrario no podrían localizarnos al no estar sincronizado su reloj interno con el de la Tierra.


Los relojes de los GPS necesitan tener en cuenta la Relatividad

Ahora bien, seguro que algunos os estaréis preguntando: ¿Cómo es que no podemos viajar en el tiempo tan libremente como lo hacemos en el espacio, si todo es  el mismo espacio 4-dimensional llamado espacio-tiempo? En dimensiones espaciales nada nos impide ir a derecha o izquierda a nuestro aire, pero en coordenadas temporales algo cambia, sólo podemos ir hacia adelante y nunca hacia atrás. Y es que el tiempo es una dimensión peliaguda. Si fuese igual que el espacio no tendríamos espacio-tiempo, sino espacio-espacio. Pura lógica.

El tiempo, por tanto, no puede pararse ni volver hacia atrás, al menos con los conocimientos que tenemos en la actualidad. Pero... ¿existen formalismos teóricos que si se confirmaran podrían abrir la puerta de los viajes al pasado? Pues sí, pero con matices. Estos matices se basan en que en muchos casos implicarían geometrías del Universo (es decir, la forma que tendría la totalidad del mismo y que todavía no se conoce) de las que realmente no se observa nada que apoye la teoría y no se creen posibles.

Representación teórica en 2 dimensiones de un agujero de gusano
 
¿Y qué hay de los agujeros de gusano, tan queridos por los amantes de la ciencia ficción? Esos no parecen implicar geometrías complicadas. En teoría, estos elementos conectan dos puntos separados en el espacio-tiempo, tanto en coordenadas espaciales como temporales. Por tanto, ¿qué nos impediría entrar hoy por el extremo ‘futuro’ del agujero y salir por el pasado, cayendo en Woodstock '69? Pues nada, supongo. Pero por bonito que sea, los agujeros de gusano no son más (que se sepa) que un artificio teórico atractivo. ¿El desarrollo de la gravitación cuántica (un mundo todavía desconocido) ayudará a entender esta limitación o incluso a superarla? Quizás…

viernes, 27 de octubre de 2017

Viaje hacia el centro de un agujero negro





Representación filmográfica de un agujero negro en la película Interstellar (2014)



¿Queréis saber lo que os pasaría si os cayeseis en un agujero negro? No es necesario que respondáis, pues lo voy a contar igual... En este artículo haremos un apasionante viaje que nos llevará desde las cercanías de un agujero negro hasta su interior.

Ya sé que Interstellar nos dejó a todos una noción bastante interesante de la idea, pero la realidad teórica siempre tiene muchos matices con respecto a lo que nos cuenta Hollywood, incluso cuando las películas buscan verosimilitud científica como es el caso de la obra de Christopher Nolan. Para empezar, han de tenerse en cuenta factores clave: la masa y la densidad del agujero negro. Muchas cosas dependerán de eso. Hay algunos agujeros negros bastante cutres, con una masa de poco más que la de una estrella media, pero los que enamoran al público son los supermasivos, que equivalen a millones de soles.

A distancias grandes, un cuerpo acercándose a un agujero negro no notaría nada extraño, simplemente lo orbitaría como un planeta al Sol. Eso sí, lo de 'nada extraño' tiene matices. Yo, por ejemplo, me asustaría bastante si me descubriese orbitando un cuerpo horrendamente masivo que no brilla ni se deja ver. Las cosas se ponen feas cuando uno se acerca lo suficiente, pues la fuerza gravitatoria depende de la distancia y cuanto más cerca, más atracción existirá. La caída de la fuerza de atracción de la gravedad con la distancia respecto al objeto que la ejerce es muy pronunciada, por eso a los humanos nos atrae la Tierra y no el Sol, aunque este sea mucho más masivo.
  
Además, es importante destacar que la gravedad atrae hacia el centro del cuerpo atractor. Es decir, apunta hacia dentro (hacia su núcleo) siempre, no hacia la superficie.Como nuestros pies están algo más cerca del núcleo de la Tierra, sienten un poco más de atracción que la cabeza, pero no gran cosa. Esta diferencia gravitatoria entre los extremos de una persona en la Tierra es despreciable, porque la masa de la Tierra es, en términos universales, muy poca cosa. Ahora, y es importante tenerlo claro, existen esencialmente dos tipos de agujeros negros y los efectos en cada caso son diferentes. Debemos diferenciarlos:

Agujeros negros poco masivos (masa equivalente a decenas de soles)
Cerca de uno de estos agujeros negros, la diferencia entre la gravedad experimentada por pies y cabeza sí que se descontrola, y mucho. Esto sucede porque hay mucha masa concentrada en un lugar minúsculo y un cuerpo puede acercarse lo suficiente como para que exista un contraste significativo entre la gravedad experimentada entre dos puntos muy próximos de un mismo cuerpo (en los muy masivos, como veremos, es distinto).

Alguien suficientemente loco para acercarse demasiado al agujero negro poco masivo notaría sus pies tirando brutalmente hacia el centro de gravedad del mismo y su cabeza quedándose atrás debido a la menor atracción ejercida sobre ella. Por supuesto, aunque tenga el engañoso apelativo de 'poco masivo', un agujero negro de este tipo no se puede tomar a broma. No es un tirón sin más, estos animalitos pueden convertirte en un espagueti, y a pesar de que suene a chiste, esta analogía no es una exageración. De hecho, el término espaguetización existe para describir esta predicción teórica sobre el efecto de un agujero negro poco masivo sobre un cuerpo acercándose suficientemente a él.

Representación figurada del proceso de espaguetización (fuente: Quora)
 
Aparte de este proceso de espaguetización que hace que su cuerpo se haga largo y fino debido al tirón gravitatorio ejercido sobre él existe otra mala noticia, y es que el agujero negro rota provocando que nuestro hombre espagueti lo pase algo peor todavía. Esta rotación hace que además de alargarse su cuerpo se vaya enrollando (siguiendo la analogía, como pasaría con un espagueti  que se enrosca al tenedor antes de llevárselo a la boca). Debido a todo esto, cuando nuestra persona chicle entra en el horizonte de sucesos (punto a partir del cual pierde toda posibilidad de comunicación con el exterior del agujero negro), ya poco tendrá de persona y mucho de jirones destrozados por la gravedad.

Este es el resumen de este apasionante viaje en el caso de un agujero negro cuya masa no es suficientemente grande como para ser considerado supermasivo, y creo que pocos de los lectores se quedarían ahora con ganas de comprar un billete para visitar este tipo de lugares de nuestro Universo.


Agujeros negros supermasivos (hasta billones de masas solares)

En los agujeros supermasivos el proceso es distinto y más 'amable'. No hay espaguetización y no matan a Matthew McConaughey. Este tipo de agujeros negros se encuentran en el centro de todas las galaxias conocidas y a pesar de tener una masa y radio mucho mayor que los poco masivos en ellos no ocurre la espaguetización que expliqué antes. Esto es así porque este tipo de agujeros tienen un radio de acción tan grande que un cuerpo siempre estará muy lejos del centro de fuerza gravitatoria.
  
Al estar lejos del centro, y por la fuerte caída de la fuerza gravitatoria con la distancia ya comentada, una persona no notaría diferencia entre los extremos de su cuerpo. Por ello, uno puede llegar al horizonte de sucesos sin verse destrozado como en el caso anterior. Podría incluso estar twitteando su viaje sin gran problema si es capaz de alcanzar una señal wifi. Lo que no podría hacer sería twittearlo a un lugar externo una vez sobrepase dicho horizonte. A partir de ese momento se quedará desconectado de toda vida externa al horizonte de sucesos (quizás encuentre seres vivos en el interior del mismo, nunca se sabe...)

Una representación artística del horizonte de sucesos. Dentro de él, no existe luz que pueda salir al exterior (fuente: Richard Kail/SPL)

Una vez algo entra en este horizonte (y puede entrar sin enterarse, pues a simple vista no hay nada diferente a lo de fuera), no puede salir. A partir de aquí, ya que el problema se convierte en cuestión de Relatividad General, se entenderá mejor si ponemos un observador externo: Como dije, nuestro protagonista no sentirá nada raro al rebasar el horizonte. Quizás ni sepa que dijo adiós al resto del Universo, el muy descuidado... No obstante, el observador externo sí verá cosas extrañas en el viaje de nuestro querido protagonista. Llegará a temer que está sufriendo algún tipo de alucinación si no está familiarizado con los aspectos de la Relatividad General.

Debido a la teoría de Einstein de la RG, cuando algo cae en un pozo gravitatorio (un pozo gravitatorio es una masa que altera el espacio tiempo, como es el caso) su tiempo pasa más despacio que para alguien fuera del mismo. Debido a esta gran dilatación temporal debida a que una masa tan grande crea también un pozo muy grande y al hecho de que nada que cruza el horizonte de sucesos (de ahora en adelante HS) sale, ¿qué ve el observador externo? Pues simplemente ve al tipo que cae en el agujero acercándose de forma cada vez más y más lenta al HS pero sin cruzarlo nunca (ni esperando miles de años). Esto es algo peligroso: si entraste en el HS hurgándote la nariz, el mundo exterior verá esa imagen tuya para siempre, ralentizándose y oscureciéndose hasta que toda la luz que sale de tu cuerpo consigue abandonar el pozo de potencial. Es por ello que siempre que uno caiga en un agujero negro debe tratar de hacerlo con una pose digna.

Objetos de diferentes masas crean pozos de potencial de diferente profundidad (fuente: Julian Baum/SPL)
A pesar de que el panorama no parece muy halagüeño, no todo está perdido todavía. El hombre que cae todavía existe, simplemente 'dejó de existir' para el resto del Universo ajeno al agujero.Pero no creais que a su existencia no le quedan ya cosas bonitas, no. Podemos salirnos de lenguaje técnico y decir que puede 'ver el futuro'. Si echa la vista al exterior, debido a que el reloj externo va mucho más rápido, verá billones de nuestros años condensados en muy poco tiempo, que dependiendo del tamaño del pozo gravitatorio pueden ser del orden de oras o incluso de segundos, sin tiempo para disfrutar de las vistas. Si tuviera con él un telescopio suficientemente bueno incluso podría enfocar a la Tierra y ver cómo acaba nuestra civilización, allá por 2022 (?).

En un agujero negro, el pozo de potencial es infinito (fuente: Henning Dalhoff/SPL)

Por supuesto, llegará un momento (quizás pasen siglos hasta eso) en el que nuestro loco viajero se aniquile de manera inefable contra la singularidad central, con un resultado no del todo claro cuando eso pase, pero al menos se aniquilará habiendo conocido el futuro y destino del Universo.


Y hasta aquí la historia de nuestro increíble y sorprendente viaje. Si tenéis alguna pregunta o sugerencia no dudéis en hacerla saber, estamos aquí para hablar de ello. Tenéis la sección de comentarios a vuestra disposición.