Category Archives: Astronomy

Los tramposos muones, y cómo podemos tocar estrellas

Noche estrellada de Vincent van Gogh
Noche estrellada de Vincent van Gogh

Las teorías de relatividad desarrolladas inicialmente por Einstein establecen que varias magnitudes físicas medibles son relativas a la velocidad de movimiento del observador, específicamente, el tiempo se dilata y el espacio se contrae. Se establece que un cuerpo moviéndose a velocidades cercanas a la velocidad de la luz experimentaría una dilatación de tiempo y una contracción del espacio en la dirección en la que cuerpo se mueve. Este principio se extrapola hasta la mismísima velocidad de la luz, a la cual un cuerpo no experimentaría tiempo alguno y el espacio estaría infinitamente contraído en la dirección en la que se mueve.

Este efecto de dilatación y contracción se puede observar de forma notable en los muones generados en la atmósfera de nuestro planeta. Los muones son partículas que se generan cuando rayos cósmicos del sol colisionan con las capas superiores de la atmosfera. Estos muones se mueven en relativamente la misma dirección que los rayos cósmicos que los engendraron y a velocidades cercanas a la velocidad de la luz (0,9997c).

Estas partículas tienen una vida media de aproximadamente 2,2µs. Esto quiere decir que luego de 2,2 millonésimas partes de un segundo, la mitad de los muones de cualquier cantidad de estos se habrán degradado para formas otras partículas. Esta vida media es extremadamente corta, e incluso moviéndose a la velocidad con que los muones se mueven, sólo alcanzarían a moverse unos 450m antes de que la mitad de ellos sea degradado. Con esto en mente, uno debería pensar que los muones que se forman en las capas superiores de la atmósfera (más de 15.000 metros de altura) no deberían alcanzar la superficie terrestre, sin embargo más de diez mil muones golpean cada metro cuadrado de la tierra por minuto. ¿Cómo se explica esto?

Debido a la velocidad con que se mueven los muones, desde el punto de vista de la tierra el tiempo que experimentan se dilata considerablemente. Esto permite a los muones alcanzar la superficie de la Tierra, a pesar de que realizaron un viaje de varios miles de metros. Entonces es la dilatación lo que explica cómo los muones llegan a la Tierra, desde el punto de vista un observador en la Tierra. Un tipo con un cronometro en la Tierra vería que los muones hacen el viaje en alrededor de 50µs, un tiempo mucho mayor que la vida media de los muones.

¿Pero qué ocurre desde el punto de vista de los muones? Desde el marco de referencia inercial de los muones, su propia vida media no se ve afectada. Si hubiera una personita en miniatura sentada sobre un muon, sosteniendo otro cronometro, vería que luego de 2,2µs la mitad de los muones con los que viaja se verían degradados. Lo que ocurre en vez es que desde el punto de vista de los muones, el espacio en la dirección en la que se mueven se vería contraído enormemente, entonces esos 15.000 metros se reducirían a una distancia de solo cientos de metros, permitiendo a los muones alcanzar la superficie terrestre en un tiempo menor a 2,2µs. Son entonces estos dos efectos, la dilatación del tiempo y la contracción del espacio lo que explica cómo estas partículas no se degradan antes de poder ser detectadas por nuestros sensores en la Tierra. Así es cómo los muones hacen “trampa” y se mueven distancias mayores a las podrían moverse en un tiempo dado sin velocidades relativistas.

Los muones se mueven a velocidades muy cercanas a la luz, pero jamás podrán alcanzarla. Según la teoría de relatividad, ningún cuerpo con masa puede jamás alcanzar la velocidad de la luz, la energía necesaria para que ello ocurra sería infinita. Es por esto que ningún objeto con masa nunca podría experimentar esta dilatación y contracción infinita que le ocurre a la luz.

Afortunadamente, existen partículas sin masa que sí pueden alcanzar la velocidad de la luz. Un ejemplo de esto son los fotones, las mismísimas partículas que componen la luz. Para los fotones no existe el tiempo y el universo es un espacio bi-dimensional, con la dirección en la que se mueven infinitamente contraída.

Algo que hace que este fenómeno sea aún más sorprendente, es el hecho de que muchos fotones que alcanzan nuestro planeta provienen de estrellas lejanas, a más de miles de millones de años luz de distancia. Fotones que nacieron en el corazón de estrellas que ya murieron hace eones, que han viajado imperturbados por miles de millones de años para finalmente chocar contra las retinas de nuestros ojos en alguna noche de cielo estrellado.

Para estos fotones, su nacimiento en una estrella y muerte en nuestros ojos es un fenómeno simultáneo, y no existe distancia alguna entre esta estrella y nosotros. Tomando en cuenta esto creo que podemos decir que de alguna extraña manera, cuando miramos una noche estrellada, somos contemporáneos y prácticamente podemos tocar estrellas más antiguas que nuestro planeta.

Este artículo nos lo envía Vicente Muñoz Walther. Ingeniero en Biotecnología Molecular de la Universidad de Chile, en Santiago de Chile. En la actualidad trabaja en el laboratorio de Virología Molecular de la Fundación Ciencia & Vida. Vicente también escribe cuentos cortos de fantasía y ciencia ficción, los cuáles podéis leer en cuentosdeltente.blogspot.com.

Referencias científicas y más información:

Beringer et al. (Particle Data Group) (2012).“PDGLive Particle Summary ‘Leptons (e, mu, tau, … neutrinos …)’”(PDF). Particle Data Group. Retrieved 2013-01-12.

Mark Wolverton (September 2007). “Muons for Peace: New Way to Spot Hidden Nukes Gets Ready to Debut”Scientific American 297 (3): 26–28.

This article originally appeared on Naukas.com

The Science Of The Death Star: The Physics Of Destroying An Earth-Sized Planet

One of the most iconic sequences in all of movie history comes from the original Star Wars film, where the Galactic Empire brings Princess Leia to her home planet, Alderaan, and threatens her with the destruction of her world using their “superlaser” unless she reveals the secret location of the rebel base. She (lyingly) reveals it, and then they give the order to fire anyway, destroying the entire Earth-sized world in a single shot.

While it’s an excellent plot point to showcase the ruthlessness and cruelty of the Galactic Empire, it might seem unrealistic that a simple laser — even a superlaser — could cause that level of destruction with a single blast. But if we wanted to destroy an Earth-sized world with a single blast, in seconds, and still have enough energy to send huge fragments of the planet hurtling through space at incredible speeds, the laws of physics provide us with a fantastic solution. Let’s look at what it would take, first.

Image credit: NASA / Geostationary Operational Environmental Satellite (GOES) satellite; September 3, 2008.

The Earth is an extremely massive object, totaling around 6 × 10^24 kilograms of matter, from our surface down to our core. The force of gravity holding us together is tremendous, and if we wanted to literally destroy the planet, we’ve not only got to overcome that force, we need to impart enough energy to the planet in the right fashion to overcome that gravitational binding energy. The amount of that energy, by the way, which we’d have to exceed to blow it apart, is an astounding 2.24 × 10^32 Joules, or 224,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000 Joules of energy.

 The most powerful laser blasts ever created on Earth only release megaJoules (~10^6 Joules) worth of energy, so perhaps the superlaser isn’t actually a laser at all, but takes advantage of the same physics happening in the most energetic object in our Solar System: the Sun.

Image credit: NASA/SDO (AIA).

 The Sun is a lot more energetic, releasing a constant 3.8 × 10^26 Watts of power. This means we’d have to harness the Sun’s entire energy output for a week and somehow turn it into energy used to unbind the Earth’s atoms and molecules.

But the secret of the Sun’s energy is the very key to making aliteral doomsday weapon such as this. The Sun, you see, gets its power by converting matter into energy via Einstein’s E = mc^2. By fusing hydrogen into helium, about 0.7% of every hydrogen atom’s mass gets converted into pure energy, a process that converts the equivalent of 4,300,000 metric tons of matter into energy each second. Still, relying on a nuclear fusion reaction is a fool’s game, as you might have guessed just by looking at the size of the Sun.

When you release that much energy at once, it causing tremendous heating and expansion, and so if you try to ignite that reaction on board the Death Star, it’s going to need to contain a million times more energy than the Sun can at any given time. That’s a bad idea, and if you foolishly did build your Death Star this way, you wouldn’t need a well-piloted X-Wing (or Millennium Falcon) to blow it up; it would spontaneously do so on its own.

Image credit: Star Wars / Lucasfilms.

But there’s a very, very good idea that’s even more efficient than nuclear fusion: taking advantage of the properties of matter itself. You see, a planet’s core is extremely dense and packed with matter: the m in E = mc^2. If we could somehow spontaneously turn that mass into pure energy — even just 2.5 trillion tons of that mass — that would release enough energy to destroy the entire world, exactly as we wished.

Luckily for us, there’s a straightforward way to turn matter into pure energy: collide it with an equal amount of antimatter, converting the mass of both into energy via Einstein’s E = mc^2.

Image credit: Associated Press file photo, 1934; public domain.

Instead of storing energy on the Death Star itself, or creating energy to be spontaneously released towards the target planet, you can simply create-and-carry the antimatter mass you need with you. If 2.5 trillion tons of mass needs to be converted into energy in the planet’s core in order to destroy it, then bringing half that mass in antimatter, delivering it to the planet’s core and simply letting it collide with the existing matter will do the job for you.

1.25 trillion tons of mass might seem like a lot, but in reality, that’s only the size of a modest asteroid.

Images credit: NASA / JPL / Ted Stryk except: Mathilde: NASA / JHUAPL / Ted Stryk; Steins: ESA / OSIRIS team; Eros: NASA / JHUAPL; Itokawa: ISAS / JAXA / Emily Lakdawalla; Halley: Russian Academy of Sciences / Ted Stryk; Tempel 1: NASA / JPL / UMD; Wild 2: NASA / JPL. Montage by Emily Lakdawalla of the Planetary Society.

Of the asteroids shown above, the asteroid 5535 Annefrank is closest in mass to what we’d need, at just a few km in size along each axis. If we could make (and contain) a solid “chunk” of antimatter like this, keep it on board our Death Star, carve a path to the planet’s core (which an actual lasercould do) and deliver this antimatter to it, it’d be the perfect way to literally destroy the Earth, Alderaan, or whatever planet we chose.

Image credit: National Science Foundation, via http://www.nsf.gov/od/lpa/news/02/pr0288.htm.

It’s not even technically impossible; we’ve already created antimatter atoms in the lab, with antiproton for nuclei and positrons in place of electrons. If we could bind these anti-atoms together in a lattice — either as metallic (anti)hydrogenor with heavier anti-atoms that spontaneously bind together (add some anti-carbon and you can construct an anti-diamond!) — all you’d have to do is isolate it in a vacuum and you’d be able to transport it anywhere.

The Death Star may have begun as a symbol of imperialism, military power and hubris run amok, but thanks to our understanding of physics, it’s only a resourceful mad scientist away from becoming a reality. The power of science literally holds the secret, if we choose to make it so, to destroying an entire world.

Gallery

Ethan Siegel is the writer and founder of Starts With A Bang, a NASA columnist and professor at Lewis & Clark College. Follow him on Twitter, Facebook, Google+, and support hisPatreon.

Source: forbes.com