Sincronía y otros misterios del universo

¡Buenas tardes, habitantes de este tranquilizador Universo Paralelo!

Hoy hablaremos de misterios. Es, después de todo, lo que más nos gusta a los científicos. Ese placer de enfrentar la oscuridad infinita que se despliega ante nosotros.

Partimos, quizás un poco como un homenaje a ese gran disco de The Police de 1983, hablando de la sincronía. Sting diría: «Un principio de conexión, ligado a lo invisible/ Casi imperceptible, algo inexpresable». Él, claro, estaba más interesado en cuestiones psicológicas, un tanto pseudocientíficas. De todos modos nos representa. Cuando vemos una bandada de miles de pájaros volar como una sola estructura, la conexión es invisible, casi imperceptible. Pero el físico japonés Yoshiki Kuramoto supo encontrarla.

• De eso nos cuentaFelipe Urbina, doctor en Sistemas Complejos, que analiza cómo varios sistemas físicos, químicos e incluso sociales pueden manifestar sincronía.

Luego pasamos a misterios mayores. En palabras de Sting, definitivamente invisibles e inexpresables: la materia y la energía oscuras. Entre ambas representan cerca del 95% del contenido energético del universo, y su naturaleza nos ha sido esquiva por décadas.

• Invitamos a la doctora en Física Fabiola Arévalopara que nos hable de estas etéreas formas de energía y materia.

El cuestionario de esta edición lo responde Patricia Tissera, doctora en Astronomía, profesora titular de la Universidad Católica y directora del Programa de Doctorado en Astronomía de la misma casa de estudios. Ella es experta en simulaciones del universo a gran escala, que nos permiten entender, entre otras cosas, el rol de la energía y la materia oscura en el desarrollo cósmico.

• Luego, en la imagen de la semana, una bella fotografía tomada por la sonda espacial Juno de la superficie de Júpiter, en donde encontró un oscuro «Abismo».

En nuestras Breves Paralelas revisaremos el legado de la astrónoma Vera Rubin, figura esencial en la formulación de la teoría de la materia oscura. Luego, para tomar un poco de aire, les contaremos sobre cómo las plantas pueden detectar y emitir sonidos.

• Finalmente, nuestro ya conocido antropólogo social Francisco Cresporecomendará la banda estadounidense Tool, que se presentará pronto en nuestro país.

Espero que disfruten de esta misteriosa edición y que nos ayuden con la difusión de la ciencia en los medios. Compartan este Universo Paralelo. Y si les llegó de alguien, ¡inscríbanse ya!

SINCRONÍA

Una bandada de estorninos desciende para descansar en el arroyo Gerar en el Néguev. Crédito: Oronbb, (CC BY-SA 3.0)

Por Felipe Urbina

Doctor en Sistemas Complejos

Desde nuestra infancia, hemos experimentado momentos maravillosos en la naturaleza, como cuando observamos una bandada volando en el cielo o vemos un cardumen desplazarse en el agua. Notamos la armonía con la que pájaros y peces se integran a un objeto mayor, siguiendo una meticulosa coreografía. Eso nos lleva a preguntarnos cómo logran moverse con esa impresionante y precisa forma colectiva.

• Este fenómeno es llamado sincronizacióny ha sido un punto de inspiración en distintas áreas de la ciencia, como en la biología, la física y la economía, entre otras.

Existe también un espectáculo fascinante que protagonizan las luciérnagas en el Parque Nacional Great Smoky Mountains en Tennessee. Allí, durante un período del año, puede observarse el tintineo de luces provocadas por muchas de ellas, generando el fenómeno de sincronización.

• Se ha logrado concluir que esto se debe a un comportamiento de imitación entre ellas, a través de un marcado ritmo de tiempo, con el propósito de atraer a las hembras en el período de apareamiento.

La ciencia siempre ha querido comprender este fenómeno, y hasta nuestros días grupos de investigadores en todo el mundo lo estudian desde distintas disciplinas. Por el lado de la física, en la década de los 80, un joven japonés llamado Yoshiki Kuramoto propuso una ecuación para comprender el fenómeno de sincronización, que hoy conocemos como el modelo de Kuramoto.

• En este modelo, cuando un conjunto de partículas –por ejemplo, las luciérnagas– interactúan entre sí, pueden generar dos tipos de dinámicas colectivas: desincronización y sincronización. Esta última ocurre cuando el conjunto de partículas posee la misma dinámica, la misma forma de moverse, tanto en el espacio como en el tiempo.

La importancia fundamental de este modelo radica en su simplicidad, pero también en su variabilidad, porque es la base para establecer de forma cuantitativa cuándo algo está en sincronía.

• De hecho, recientes estudios en el área de la optomecánicahan podido observar el fenómeno bajo la acción de interacción entre la luz y un dispositivo mecánico. La economía tampoco es ajena a esto: cuando los mercados financieros se mueven en forma sincronizada, toda la economía fluye de forma más equilibrada.  
• Así, en términos generales, cuando varios agentes –ya sean moléculas, animales, células, personas o bacterias– interactúan entre sí mediante acciones propias, pero con el fin de adquirir una dinámica colectiva, en armonía en el espacio y el tiempo, estamos ante el fenómeno llamado sincronización.

Existe un gran espectro de situaciones donde el fenómeno ha sido observado. Sin embargo, cuando un grupo de aves, peces o luciérnagas desarrolla la sincronización de forma espontánea y natural, ocasiona algo de lo que no podemos apartar la mirada.  Es que quizás sea uno de esos pocos lugares en donde la magnificencia de la naturaleza y la simpleza elegante de las matemáticas confluyen sin conflicto, revelando profundas verdades de nuestro universo.

DEL MIEDO A LA FASCINACIÓN POR LO DESCONOCIDO

Por Fabiola Arévalo

Doctora en Física

El pasado fin de semana largo hubo distintas actividades de Halloween, tales como fiestas de disfraces, decoraciones terroríficas y hasta visitas a cementerios de noche. Pero el misterio no habita solo en la Tierra. Hay una fecha menos conocida sobre algo que no podemos ver: el Día Internacional de la Materia Oscura (Dark Matter Day, DMD), que desde 2017 se celebra el 31 de octubre de cada año.

El sector oscuro en cosmología se refiere a la energía oscura y materia oscura, que representan más del 90% del contenido del universo actual.

• La materia oscura se percibe en la forma en que influye en las galaxias. La velocidad de los componentes galácticos es mayor a la esperada y solo se explica lo observado con presencia de la denominada materia oscura. Es decir, observamos su efecto gravitacional, pero no la vemos directamente, por eso su nombre de oscura.
• Por otro lado, no tenemos fotos de la energía oscura, pero observamos su influencia en la expansión acelerada del universo. La fuerza de gravedad acompaña los diferentes objetos en el cosmos, pero una fuerza repulsiva parece alejarlos unos de otros hasta que eventualmente estén tan lejos que hasta las noches serán más oscuras. Es como si alguien vestido de negro estuviera  inflando un globo que tiene un dibujo: los puntitos del dibujo se irían alejando entre sí. Aunque no veamos quién está inflando el globo, vemos sus efectos.

La materia oscura y la energía oscura son conceptos diferentes. Un disfraz grupal de materia oscura sería alguien vestido de negro, empujando a los demás, vestidos de estrellas, a correr más rápido alrededor de una sola persona. En contraste, si alguien quiere un disfraz grupal de energía oscura, podría ser un grupo de personas vestidas de galaxias o cúmulos donde alguien de negro las aleje, de modo tal que todos arranquen unos de otros y que cada vez corran más rápido.

• Como en El Principito, en el sector oscuro del universo, lo esencial es invisible a los ojos. El Día Internacional de la Materia Oscura nos invita a explorar este misterio y a recordar que la ciencia, en vez de temerle a lo desconocido, lo convierte en un motor hacia el conocimiento. No somos solo nuestros miedos, pues siempre hay una posibilidad de que nuestras preguntas actuales sean solamente piezas incompletas en un rompecabezas cósmico.La curiosidad, y no el temor, debería guiar nuestros pasos: este es el camino hacia grandes descubrimientos.

EL CUESTIONARIO: PATRICIA TISSERA

Cada semana hacemos las mismas cuatro preguntas a una persona dedicada a la ciencia. En esta edición, entrevistamos a Patricia Tissera, doctora en Astronomía, profesora titular de la Universidad Católica y directora del Programa de Doctorado en Astronomía de la misma casa de estudios.

-¿Qué te motivó a dedicarte a la ciencia?

-Cuando tenía 10 años empecé a ver Viaje a las Estrellas y me fascinó. Me dio la oportunidad de imaginar la inmensidad de nuestro universo. Ese sentimiento de inmensidad no lo he perdido aún. Ya me gustaban las matemáticas y la ciencia y comencé a leer lo que encontraba de astronomía. En el colegio secundario mi interés por la física y las matemáticas siguieron. Entonces busqué dónde estudiar Astronomía. Tuve suerte de que en la Universidad Nacional de Córdoba, en Argentina, existiera la carrera de Astronomía, con una gran trayectoria. Si bien no tuve modelos de científicos cercanos, sí tuve el apoyo de mis padres para poder estudiar y dedicarme a lo que me apasionaba.

–¿Cuál es la obra científica que más influyó en tu actividad?

-El trabajo y los resultados de James Peebles, Premio Nobel de Física 2019, marcaron mis primeros pasos en la astrofísica profesional. Peebles es un actor principal de la teoría que sustenta nuestra comprensión del universo actualmente, de sus componentes, de cómo están distribuidas las galaxias y cómo se relacionan con el contenido de materia y energía del universo. Comencé mi doctorado de la mano del libro La estructura en gran escala del universo, y aún continúo consultándolo. Peebles es una gran persona, además de un gran científico, generoso en compartir su conocimiento y su visión del universo.

-¿Cuál es el problema científico más importante por resolver?

-Según nuestro conocimiento actual, el universo está formado principalmente de materia oscura y energía oscura, de las cuales sabemos muy poco. Sabemos que la materia oscura existe, pero no sabemos qué es. Tenemos indicaciones observacionales de la existencia de la energía oscura, pero también hay resultados contradictorios que nos hacen dudar, pensar en la existencia de sesgos observacionales, en posibles errores en las teorías. Existen grandes proyectos en ejecución y planeados para tratar de elucidar la existencia y el origen de estas dos componentes principales del modelo cosmológico actual. Quizás en los próximos años seremos testigos de grandes resultados.

-¿Cuál es la pregunta que te desvela como científica y cómo la enfrentas?

-He focalizado mi estudio de la formación de galaxias en entender el origen de los elementos químicos de las estrellas y el gas, para poder utilizarlos como trazadores de su historia. El hidrógeno y el helio se formaron instantes después del Big Bang, pero los elementos más pesados, como oxígeno, carbono o hierro, son productos formados por fusión nuclear en los interiores de las estrellas. Luego, son eyectados al medio interestelar, enriqueciéndolo, dejando una huella química.

Estas huellas reflejan la contribución de diferentes estrellas y el impacto de otros procesos, como choques de galaxias, que mezclan el gas y los elementos químicos, forman nuevas estrellas, y alteran estas huellas químicas. La pregunta que busco responder es cómo desentrañar, a partir de estas huellas químicas, la historia de la formación de las galaxias. Para ello, uso simulaciones numéricas, que podemos correr en grandes centros computacionales. Con ellas construyo universos virtuales, en los que pruebo distintas hipótesis e intento explicar el universo en el que vivimos.

LA IMAGEN DE LA SEMANA

Crédito: NASA, Juno, SwRI, MSSS; Gerald Eichstädt & Seán Doran

Esta espectacular fotografía de Júpiter fue capturada por la sonda espacial Juno, que orbita al planeta desde 2016. Durante un sobrevuelo, la sonda capturó esta extraña nube oscura, que llamaron «el Abismo». Nadie sabe con certeza qué es este Abismo.

• La imagen destacada fue capturada en 2019, cuando Juno pasó a solo 15 mil kilómetros por sobre las cimas de las nubes de Júpiter.
• Los patrones de nubes circundantes muestran que el Abismo se encuentra en el centro de un vórtice, en donde los fluidos rotan como si se tratara de un gran tornado. Se piensa que esta mancha oscura puede ser un agujero en la atmósfera provocado por estos movimientos de la misma atmósfera.
• Pero nadie sabe. Incluso en nuestra más cercana vecindad planetaria hay oscuridad. Una oscuridad muy atractiva, que enciende nuestra curiosidad y nos regala imágenes que parecen salidas del pincel de nuestros mejores artistas.

BREVES PARALELAS

Vera Rubin operaba el telescopio número 1 de 36 pulgadas en el Observatorio Nacional de Kitt Peak. El espectrógrafo de tubo de imagen de Kent Ford está acoplado al telescopio. Crédito: KPNO/NOIRLab/NSF/AURA

-Vera Rubin. Fue una de las grandes figuras de la astronomía del siglo XX. Fue ella quien pudo colectar la evidencia necesaria para proponer la existencia de la materia oscura.

• En la década de 1970, en el Observatorio Nacional de Kitt Peak, usó un telescopio de 36 pulgadas para observar la velocidad de rotación de las estrellas en torno a las galaxias. Fue allí cuando notó algo extraño: las estrellas en los bordes de las galaxias giraban a velocidades inexplicablemente altas, contradiciendo las predicciones de la teoría de Newton.
• Si las estrellas rotaban tan rápido, debía ser que las galaxias eran mucho más pesadas de lo que se creía hasta entonces. Así nace la materia oscura, una forma de materia que no emite luz ni interactúa de manera apreciable con la materia que conocemos.
• Además, constituye aproximadamente el 85% de la materia en el universo.Es así como se ha transformado en uno de los grandes enigmas del universo, tal como lo explicaba Fabiola Arévalo en uno de los artículos de esta edición de Universo Paralelo.

-Plantas que hablan (y escuchan). De acuerdo con varios trabajos de la profesora Lilach Hadany, de la Universidad de Tel Aviv, las plantas pueden percibir sonidos, particularmente el de insectos polinizadores. Según un estudio de 2019, ciertas flores pueden generar néctar más dulce tres minutos después de la detección sonora.

• Por otra parte, un estudio más reciente del mismo grupoha encontrado que ciertas plantas también pueden emitir sonidos cuando están bajo estrés.
• Estos mecanismos mejoran la comunicación con los polinizadores y otros organismos, demostrando que la interacción entre plantas y animales es mucho más compleja de lo que se pensaba.

RECOMENDACIONES: TOOL

Por Francisco Crespo

Antropólogo socia

¡PAREN TODO! Esto no es un simulacro: viene Tool a Chile y todos estamos al borde del delirio: ¿a ti no te pasa? ¡Quizás es porque no has escuchado a Tool! Y eso mismo venimos a cambiar.

Tool es una banda americana fundada en Los Angeles en el año 1990, que capturó la imaginación de miles con sus pistas largas, psicodélicas y técnicamente magistrales, que tratan temas como la relación del ser humano con la tecnología, el misticismo, la religión y la ciencia ficción (y otros… bueno, otros que no son apropiados para esta destacada publicación).

• De lo mundano a lo divino, para muchos la primera aproximación a esta banda fue el videoclip de «Schism», donde dos figuras grises humanoides enfundadas en venas que adornan sus cabezas realizan movimientos crípticos al son de 7 minutos y medio de guitarra, batería y bajo: un espectáculo visual y una pesadilla para muchos padres de aquel entonces.

Pero más que por sus estéticas y letras, Tool también se caracteriza por el uso de la matemática de manera intencionada en sus producciones musicales, tomando patrones conocidos y aplicándolos a la construcción de sus melodías, lo que ha generado una larga trayectoria de matemáticos, místicos y músicos dedicados al análisis de su obra.  

• «Lateralus», tema central de su álbum homónimo, incorpora la secuencia de Fibonacci–la famosa secuencia de números donde la suma de dos consecutivos, entrega el número siguiente–.
• Como quizás ya habrás escuchado, se ha constatado que esta secuencia está relacionada con ciertos fenómenos observables en la naturaleza, siendo su representación geométrica la famosa espiral.

Los fans más dedicados plantean que el orden de las sílabas en el fraseo de la letra de «Lateralus» sigue esta secuencia: 1-1-2-3-5-8 (para luego revertirse). Las barras de compás, a su vez, también irían en esa estructura. Esto se relaciona con la letra, que trata sobre el deseo constante del ser humano de evolucionar, crecer y expandirse “como una espiral eterna”. ¡Y qué coincidencia! El genoma humano también es representado como una espiral.

Algunos fans, un poco más dedicados, han planteado que el orden de las canciones del álbum puede rastrearse en Fibonacci, permitiendo construir una sola gran canción que sigue la secuencia y, con ello, si la traspasamos a un plano geométrico, construye una “espiral musical”.

• El debate entre los fans es qué tipo de ordenamiento presentan las transiciones más “naturales” o “perfectas” entre canciones, haciendo una interpretación también sobre los deseos de su compositor. De más está decir que la banda nunca ha dado crédito a estas teorías.
• Si a ti te gustan los patrones y la matemática, quién sabe, quizás puedas construir tu propia escuela toolsista.Y en buena hora, puesto que –y no puedo dejar de repetir esto– ¡vienen a Chile! Y podemos sacar nuestras calculadoras y gorros de aluminio en vivo, para presenciar esta fabulosa espiral musical.

Eso es todo en esta edición de Universo Paralelo. Ya sabes, si tienes comentarios, recomendaciones, fotos, temas que aportar, puedes escribirme a universoparalelo@elmostrador.cl. Gracias por ser parte de este Universo Paralelo. ¡Hasta la próxima semana!