Astronomía

¿Qué pasaría si lanzáramos agua al espacio profundo?

¿Qué pasaría si lanzáramos agua al espacio profundo?


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Si fuéramos al espacio profundo en una nave espacial y lanzáramos agua al espacio, ¿qué pasaría? ¿Se congelaría el agua hasta convertirse en hielo o permanecería como un líquido?


El agua no puede existir en el vacío. El agua en el espacio (atmósfera, sin gravedad) tiende a formar una bola, pero quita la atmósfera y rápidamente se desintegraría. En realidad, no parece que esté hirviendo. Te pones hirviendo en la Tierra porque el agua se mantiene en una olla por gravedad. En el espacio vacío, el agua se distribuiría rápida y algo explosivamente.

Este artículo dice que se parecería a lo que sucede cuando arrojas agua caliente al aire muy muy frío y rápidamente se convierte en nieve. Esa es probablemente una imagen visual bastante buena si imagina que no hay gravedad y todo continuaría volando en pedazos, no desacelerarse por la resistencia del aire o caer a la tierra.

En un espacio frío, el agua se congelaría, pero parte del líquido también se evaporaría eficazmente, incluso a temperaturas muy frías, porque el líquido no es estable en el vacío. Como dije, algo herviría, pero no se vería como si estuviera hirviendo. Se desintegraría más rápido de lo que se congelaría, pero también se vería congelarse con bastante rapidez. Si el agua estuviera encerrada, la congelación tomaría algún tiempo, pero en el vacío y extendiéndose, se congelaría en nieve y cristales de hielo rápidamente.

Un porcentaje del agua se convertiría en gas y eso ayudaría a quitar algo de calor del agua restante, acelerando el proceso de congelación. Ese gas volaría a gran velocidad y no sería visible. Si recogiera y pesara los cristales de hielo después de arrojar el agua al espacio, probablemente encontraría que un porcentaje del agua se escapaba en forma de gas.

Puede hacerse una idea de cómo el agua se convierte en hielo por transferencia de calor y se escapa de la formación de moléculas de gas en un video que muestra lo que le sucede al agua en una cámara de vacío. Una cámara de vacío no puede replicar la rápida propagación debido a la gravedad cero, pero demuestra que el agua se convierte en hielo, incluso a temperatura ambiente. Aquí hay un video de eso.


¿A dónde apuntaría una brújula en el espacio?

Josh Barker del Centro Espacial Nacional llega al fondo de esta interesante pregunta para nosotros.

Las brújulas funcionan mediante campos magnéticos. Aquí en la Tierra, una brújula apuntaría hacia el norte magnético. Una brújula se alineará con el campo magnético más fuerte de la región. Es por eso que si obtiene un imán y lo sostiene cerca de una brújula, cambiará la dirección a la que apunta.

A medida que abandona la Tierra y se mueve hacia el espacio, el campo magnético se debilitará. Aunque el campo es más débil, la brújula aún puede alinearse con él, lo que significa que una brújula en la Estación Espacial Internacional aún sería una guía confiable para el Polo Norte.

Si eliges ir más lejos, las cosas se pondrían un poco más interesantes. Si te alejas lo suficiente de la Tierra, llegarás a un punto donde el campo magnético del Sol será más fuerte que el de la Tierra. En este punto, su brújula cambiaría de lealtad y comenzaría a apuntar hacia el polo norte magnético del Sol.

Por supuesto, si tuviera que enviar una brújula directamente al espacio intergaláctico, el espacio entre galaxias. Entonces su brújula probablemente no funcionaría en absoluto. Una brújula más fuerte detectará campos magnéticos más débiles, pero se alejará lo suficiente de una fuente magnética y su brújula no apuntará a ninguna parte.

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Agua en el espacio: ¿Qué sucede?

La Tierra es uno de esos lugares extremadamente raros y especiales en el Universo donde el agua puede existir, de manera estable, como un liquido. Existe tanto aquí en la Tierra, que si tuvieras que sumar todos los océanos de la Tierra juntos, pesaría más de 10 ^ 18 toneladas, más masivo que el asteroide más grande de todos los tiempos, y casi tan masivo como la luna gigante de Plutón, Caronte.

Pero el agua solo tiene una ventana muy pequeña en la que puede ser un líquido. Por ejemplo, si llevara un poco de agua tibia a una altura muy alta, ¡comenzaría a hervir y se convertiría en gas! Cuanto más alto lo tomes, más bajo y más bajo será tu punto de ebullición.

¿Por qué? Porque mayores altitudes en la Tierra significan presión más baja. Si no hay suficiente fuerza para presionar el agua en una fase líquida, entonces no hay fuerza que una las moléculas de agua. Si simplemente permite que se difundan, lo harán. Y esa es la definición de gas, que es con lo que acabará.

Por otro lado, el agua tampoco tiene por qué ser un líquido a bajas temperaturas. Puede ver, en este diagrama a continuación, que si comienza con agua líquida, puede girarla en un gas al bajar la presión, pero también puedes convertirlo en un sólido bajando la temperatura.

Si llevaras un vaso de agua al espacio exterior, ¿el agua congelar o el agua hervir?

Esta es una pregunta que parece tremendamente difícil, porque además de saber sobre el agua:

También necesitamos saber sobre el espacio exterior. El espacio es muchas cosas: frío, oscuro y vacío vienen a la mente de inmediato. Y vienen a la mente, prácticamente, tan pronto como dejas la Tierra.

Bueno, la temperatura del espacio es, en su punto más frío, solo la temperatura del resplandor sobrante del Big Bang. Esta radiación, conocida como Fondo Cósmico de Microondas, baña a todo el Universo en una temperatura de solo 2,7 Kelvin. ¡Eso es menos de 3 grados por encima del cero absoluto, o -455 grados Fahrenheit! Pero también, literalmente, no hay presión en el espacio. ¿Así que lo que pasa? ¿Quién gana? ¿El agua se congela o hierve?

Curiosamente, la respuesta es el primero, y luego el otro! Resulta que tener una aspiradora a presión hará que el agua hierva casi instantáneamente. En otras palabras, el efecto de hervir es mucho, mucho más rápido que el efecto de congelar.

Pero la historia no termina ahí. Una vez que el agua ha hervido, ahora tenemos algunas moléculas de agua aisladas en estado gaseoso, ¡pero en un ambiente muy, muy frío! Estas diminutas gotas de vapor de agua ahora se congelan inmediatamente (o, técnicamente, se desubliman) y se convierten en cristales de hielo.

Hemos observado esto antes. Según las observaciones de los astronautas, donde han observado que su orina es expulsada de la nave:

Cuando los astronautas hacen una fuga durante una misión y expulsan el resultado al espacio, hierve violentamente. Luego, el vapor pasa inmediatamente al estado sólido (un proceso conocido como desublimación), y terminas con una nube de cristales muy finos de orina congelada.

Parece que sería fantástico verlo, ¿no? Bueno, lo hemos hecho casi lo mismo en la Tierra. ¿Qué sucede si tomas agua hirviendo y, en un día muy, muy frío, la arrojas al aire?


Respuesta

Ben: Recibimos una pregunta por correo electrónico de Jim Irvin y él quiere saber si puedes comprimir el agua en un sólido. Ahora, obviamente, puede convertir el agua en un sólido simplemente quitando el calor, pero ¿puede presionarlo lo suficientemente fuerte para convertirlo en una estructura sólida? Dave, ¿qué opinas?

Dave: La respuesta simple es sí, puedes. Necesitarías una cantidad ridícula de fuerza, pero es posible. Cuando esto sucede, se forma una forma diferente de hielo, llamada hielo IV, que es una estructura cristalina diferente al hielo convencional.

Ben: el hielo convencional tiene un volumen mayor que el agua líquida, por lo que al comprimir el agua para convertirlo en hielo convencional, ¿necesitarías de alguna manera comprimirlo en un sólido y permitir que se expanda?

Dave: Sí, así que no funcionaría si intentaras producir hielo con estructura convencional.

Dave: No, pero si el hielo se forma en una estructura cristalina diferente que no tiene un volumen mayor, lo puedes lograr con una presión de aproximadamente 2 Gigapascales, o aproximadamente 20,000 atmósferas, que es la misma presión que obtienes a menos de 20 kilómetros de hielo o agua, entonces puede producir hielo a temperatura ambiente normal.

Ben: ¿Hay partes del mundo donde el agua esté bajo ese tipo de presión, a 20 kilómetros de profundidad en algunas de las cordilleras oceánicas profundas? Y si es así, ¿por qué no forma la estructura del hielo?

Dave: Veinte kilómetros son aproximadamente el doble de profundidad que las partes más profundas del océano, por lo que probablemente no, aunque no hay ninguna razón por la cual, en otros planetas con un océano más profundo, no se pueda obtener este efecto.

Ben - Entonces el agua parece algo tan simple, una cosa tan simple de todos los días, pero en realidad es algo fascinante, ¿no?


¿Es posible la vida en Rogue Planet?

Cuando pensamos en la vida en la Tierra, vemos ricos y diversos sistemas de eco impulsados ​​por una estrella anfitriona que es el Sol. Siempre que pensamos en la vida en otras partes del universo, normalmente imaginamos algo muy similar. Un planeta similar a la Tierra orbitando a una distancia similar a la Tierra de una estrella similar al Sol. Pero ahora sabemos que hay miles de millones de planetas solo en nuestra galaxia que no se parecen en nada a esto. De hecho, hay miles de millones de planetas deshonestos que no están orbitando ninguna estrella en absoluto. Estos planetas se forman dentro de un sistema estelar como los planetas regulares, pero de alguna manera son expulsados ​​de su órbita original y arrojados al espacio profundo.

La enorme abundancia de estos planetas rebeldes ha llevado a los científicos a preguntarse si la vida podría surgir sin una estrella. Aunque no tenemos pruebas concluyentes, en realidad hay una buena razón para pensar que podría. Es difícil imaginar algo que prospere sin una estrella anfitriona porque el Sol es vital para la vida aquí en la Tierra. Pero resulta que la luz y el calor de las estrellas podrían no ser los factores decisivos.

Por ejemplo, si bien la vida con la que estamos más familiarizados funciona con la luz solar, hay muchos seres vivos que sobreviven sin ella. De hecho, durante al menos bastante tiempo, ninguna vida en la Tierra utilizó la luz solar como fuente de energía. Las herramientas moleculares que necesitan para realizar la fotosíntesis surgieron solo después de los primeros microbios. Y eso es parte de por qué las múltiples hipótesis sobre cómo surgió la vida involucran algunos lugares bastante oscuros.

Hoy conocemos una gran cantidad de microorganismos que viven a gran profundidad bajo tierra y sobreviven de reacciones químicas en las rocas circundantes. Entonces, una hipótesis es que la vida surgió por primera vez en una parte subterránea del agua o que la vida podría haber comenzado en las fuentes hidrotermales que son lugares en el fondo del mar donde la actividad volcánica produce chorros de vapor. Una variedad de organismos viven alrededor de estos respiraderos, por lo que no es difícil imaginar que la vida comenzara allí antes de encontrar su camino hacia la superficie.

Todas estas historias de origen tienen una cosa en común que es el agua líquida. Eso es porque el agua es vital para toda la vida en el planeta Tierra. Si asumimos que el período de vida necesita agua líquida, entonces su existencia en un planeta rebelde es mucho menos probable, ya que el agua solo puede ser líquida en un rango muy estrecho de temperaturas y presiones. Por supuesto, no está garantizado que el agua sea necesaria para la vida en otras partes del universo. Incluso si la vida puede vivir sin agua, probablemente todavía necesite algo de calor. El espacio profundo es demasiado frío para pensar en alguna bioquímica interesante. No importa si hay agua o no, pero sin estrellas anfitrionas para calentarlos, la mayoría de los planetas rebeldes probablemente estén fríos en el espacio profundo, aquí estamos hablando solo unos pocos grados por encima del cero absoluto.

Pero hay una sorprendente cantidad de formas en que podrían calentarse lo suficiente para mantener la vida. Los planetas rebeldes podrían calentarse desde el interior, por ejemplo. Esto es algo que vemos en muchos planetas, incluida la Tierra. En el caso de la Tierra, alrededor del 10% del calor del núcleo y # 8217s se queda de las colisiones que formaron la Tierra, mientras que el resto proviene de la desintegración radiactiva. Se ha sugerido que procesos similares podrían producir suficiente calor dentro de un planeta rebelde para calentar un océano de agua subterráneo durante miles de millones de años, tiempo suficiente para que la vida emerja y evolucione.

Sin embargo, incluso con este tipo de calor del núcleo, un mundo como este probablemente necesitaría una capa superficial de hielo de unos varios kilómetros de espesor para poder actuar como aislamiento. Existe otra forma potencial de aislar un planeta rebelde que tiene una atmósfera súper espesa. Una atmósfera rica en hidrógeno entre 10 y 100 veces más gruesa que la nuestra podría aislar a un planeta rebelde. Los planetas rebeldes tal vez sean más adecuados para retener estas atmósferas que los de las llamadas zonas habitables alrededor de las estrellas. Eso se debe a que la radiación solar puede destruir ese tipo de atmósfera.

También es posible que un planeta deshonesto reciba un aumento de temperatura a partir de un mecanismo llamado calentamiento por marea. Esencialmente, la gravedad calienta dos cuerpos en órbita por la misma razón que causa las mareas. Las diferencias en la gravedad que sienten las diferentes partes del mundo hace que se aplasten y se estiren, lo que genera una gran cantidad de fricción. Aquí el calentamiento de las mareas puede provocar por las lunas cercanas que los planetas rebeldes puedan tener orbitando a su alrededor.

Antes de entusiasmarnos demasiado con la posibilidad de vida en estos mundos errantes, vale la pena señalar que es realmente difícil imaginar algo más complejo que los microorganismos en estos planetas rebeldes. Esto se debe a que estos mecanismos de calentamiento no proporcionan tanta energía como la luz directa de las estrellas como la Tierra recibe del Sol.


Ver agua hervir a temperatura ambiente

Si bien no es práctico visitar el espacio para ver hervir el agua, puede ver el efecto sin dejar la comodidad de su hogar o aula. Todo lo que necesitas es una jeringa y agua. Puede obtener una jeringa en cualquier farmacia (no se necesita aguja) o muchos laboratorios también las tienen.

  1. Aspire una pequeña cantidad de agua en la jeringa. Solo necesita lo suficiente para verlo, no llene la jeringa por completo.
  2. Coloque su dedo sobre la abertura de la jeringa para sellarla. Si le preocupa lastimarse el dedo, puede cubrir la abertura con un trozo de plástico.
  3. Mientras observa el agua, tire de la jeringa lo más rápido que pueda. ¿Viste hervir el agua?

Planetas congelados a los que les encanta eructar

Existe la posibilidad de que el calor no se libere del interior a un ritmo constante, sino que venga en "eructos". "Es posible que estemos viendo a Urano en un período de inactividad, mientras que Neptuno eructó más recientemente", dijo Tollefson. "Los eructos son por convección, que pueden ocurrir en episodios discretos separados por largos períodos de tiempo, pero es posible que no sepamos con certeza si funciona de esta manera a menos que veamos que ocurre uno de estos episodios convectivos".

También podría deberse a que Urano es un veterano y Neptuno un cachorro más joven. "La cantidad de calor que irradia un planeta depende principalmente de su edad y de la rapidez o lentitud con la que libera ese calor", dijo Amy Simon, científica senior de la NASA para la Investigación de la Atmósfera Planetaria en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA. "Un planeta más viejo sería más frío. La rapidez con la que se liberan depende de la estructura y composición interior, las capas de nubes, la convección, etc., y eso puede ser bastante complicado".

"En los gigantes gaseosos puede haber cantidades significativas de lluvia de helio, cambiando la cantidad de calor liberado. Para Urano y Neptuno es posible que tengan diferentes edades o, más probablemente, el evento que puso a Urano de lado puede haber mezclado su estructura interior y / o libera calor más rápido ”, dijo Simon.

Entonces, ¿qué hay de esos vientos? Es innegable que son feroces y esto puede tener algo que ver con la temperatura.

"Hemos especulado durante mucho tiempo que la frialdad de Neptuno y Urano podría conducir a condiciones casi sin fricción y, por lo tanto, permitir vientos más rápidos", dijo Heidi Hammel, una astrónoma planetaria que ha estudiado ambos planetas extensamente y que formó parte de la equipo de imágenes de Neptuno de la Voyager 2.

Con esto quiere decir que no hay montañas, colinas u otras formas en el paisaje neptuniano que frenen los vientos. Pero, ¿existe alguna relación entre las tormentas y la fuente de calor interna? "Probablemente", dijo Hammel, "pero también existe un delicado equilibrio entre el calor interno y la luz solar entrante".

Es difícil cuantificar estos efectos debido a los largos plazos involucrados. "Un año en Neptuno equivale a 165 años terrestres, por lo que no hemos tenido la oportunidad de estudiar el planeta con herramientas modernas durante gran parte de su ciclo estacional", dijo Hammel. "Se necesita mucha paciencia y confianza en las generaciones pasadas y futuras de científicos planetarios para estudiar las atmósferas de los planetas exteriores".

"Supongo que se suponía que la teoría era la mayor cantidad de energía solar, más energía eólica, pero en la Tierra sabemos desde hace mucho tiempo que la cantidad de energía que recibe el sol y se convierte en energía cinética en la atmósfera ... es decir, el viento, es una pequeña fracción ”, dijo Del Genio.

La Tierra es un motor térmico muy ineficiente y no da mucho por el dinero. Una de las razones es que tiene una superficie sólida que disipa la energía del viento por fricción, mientras que los gigantes gaseosos no la tienen, por lo que esa es una razón por la que todos los planetas gigantes tienen vientos mucho más fuertes que la Tierra.


Las llamas son esferas

En la Tierra, las llamas se elevan. En el espacio, se mueven hacia afuera desde su fuente en todas direcciones. Este es el por qué:

Cuanto más cerca estás de la superficie de la Tierra, más moléculas de aire hay, gracias a la gravedad del planeta que las empuja hacia allí. Por el contrario, la atmósfera se vuelve cada vez más delgada a medida que se mueve verticalmente, lo que provoca una disminución gradual de la presión. La diferencia de presión atmosférica sobre una altura de una pulgada, aunque leve, es suficiente para dar forma a la llama de una vela.

Esa diferencia de presión provoca un efecto llamado convección natural. A medida que el aire alrededor de una llama se calienta, se expande y se vuelve menos denso que el aire frío que la rodea. A medida que las moléculas de aire caliente se expanden hacia afuera, las moléculas de aire frío empujan contra ellas. Debido a que hay más moléculas de aire frío que empujan contra las moléculas calientes en la parte inferior de la llama que en la parte superior, la llama experimenta menos resistencia en la parte superior. Y así flota hacia arriba.

Sin embargo, cuando no hay gravedad, el aire caliente en expansión experimenta la misma resistencia en todas las direcciones, por lo que se mueve esféricamente hacia afuera desde su fuente.


No del todo listo para la velocidad de la luz completa

& # 8220Reducir la velocidad de la luz significa romper las leyes de la física & # 8221, dijo Stephen Holler, profesor asociado de física en la Universidad de Fordham. & # 8220 En este momento, estamos limitados por estas leyes, pero puede haber nueva física por ahí que aún no hemos descubierto. & # 8221 Cruzar vastas distancias interestelares requeriría una manipulación del espacio-tiempo - plegar el espacio y saltar - en lugar de el método fácil de visualizar de acelerar de un punto a otro a una velocidad superluminal, dijo.

Holler agregó: & # 8220Las distancias son tan vastas que incluso a diez veces la velocidad de la luz, aún se necesitarían más de 10,000 años para ir de un extremo de la Vía Láctea al otro, sin importar los viajes intergalácticos & # 8221.

Sin embargo, los científicos e ingenieros persisten, principalmente en teoría. Como señala Holler, las muchas ideas detrás de los viajes interestelares son todas teóricas. Pero todavía vale la pena revisarlos. Una noción popular es usar la tecnología ramjet para & # 8220scoop up & # 8221 hidrógeno en el espacio y usarlo como combustible, dijo Holler. Otro concepto tiene la tecnología de velas solares que utiliza la presión de radiación de quizás un poderoso láser para empujar la nave espacial. & # 8220 En el mejor de los casos, estos obtendrían entre el 10 y el 50 por ciento de la velocidad de la luz & # 8221, dijo. A ese ritmo, una nave tardaría décadas en llegar a otro sistema espacial.

Según el profesor de física de la Universidad de Richmond, Jack Singal, las velocidades sostenidas más rápidas a largo plazo de las sondas del espacio profundo son las de Pioneer 11 (lanzada en 1973 y aún viajando pero ya no enviando información), Voyager 1 y 2, (ambas lanzadas en 1977 y aún recolectando datos) y New Horizons (lanzada en 2006 y la primera sonda para estudiar Plutón, el planeta que ya no es un planeta). Estas sondas se están moviendo actualmente a una distancia de entre 16.000 y 32.000 millas por hora del sol cuando salen del sistema solar, dijo. Eso, añadió Singal, es & # 8220 menos del 0,01 por ciento de la velocidad de la luz & # 8221. (Si estás leyendo esto en la Tierra, la velocidad de la luz es de 186,282 millas por segundo).

Quizás las sondas futuras que se aventuren en el espacio profundo no serán tan grandes como las naves Voyager o la Sonda Solar Parker, pero será algo que un científico podría pisar accidentalmente. Según Batcheldor, del Instituto de Tecnología de Florida, los científicos están analizando la posibilidad de utilizar microsatélites del tamaño de un chip de computadora para realizar pequeñas colecciones de datos del espacio. & # 8220Es posible que pueda enviar algunos detalles sobre otro sistema espacial que quizás no obtengamos con nuestros propios telescopios & # 8221, dijo.

Sin embargo, incluso un microsatélite viajaría a no más de una cuarta parte de la velocidad de la luz, estimó Batcheldor. Se necesitarían décadas para alcanzar el próximo sistema espacial a esa velocidad, dijo.


Maestros astrofísicos, megamasers y su importante papel en la astronomía

Una ilustración de por qué la radición de máser está altamente amplificada, es coherente y tiene una frecuencia estrecha. Crédito Junying Chen

¿Qué son los máseres y megamasers astrofísicos?

Los máseres astrofísicos (también conocidos como máseres cósmicos) y los megamasers son máseres que ocurren naturalmente en el espacio.

Los máseres son objetos que emiten radiación amplificada por emisión estimulada. Su nombre es un acrónimo de amplificación de microondas por emisión estimulada de radiación.

Los máseres astrofísicos se forman debido a ciertas densidades, temperaturas y la capacidad del material para amplificar la radiación. Esto significa que podemos usarlos para estudiar las composiciones químicas y las condiciones físicas del objeto que produce el máser.

El brillo de los máseres cósmicos junto con su frecuencia única y pequeños tamaños también los hace útiles para saber cómo se mueven las diferentes partes de un objeto.

Un ejemplo de esto son los discos de acreción alrededor de agujeros negros supermasivos que crean megamasers. Los megamasers son masers astrofísicos que son cientos de millones de veces más brillantes que los masers cósmicos normales. Estos máseres cósmicos se encuentran a menudo alrededor de núcleos galácticos activos y regiones de formación de estrellas masivas.

Los megamasers nos han permitido determinar las masas de los agujeros negros supermasivos, el tamaño de sus discos de acreción y su distancia. Esto nos ha permitido usar tales objetos para confirmar el valor de la constante de Hubble.

El papel de la emisión estimulada en máseres cósmicos.

Los electrones en átomos, moléculas o iones pueden existir en diferentes estados de energía. Un electrón salta a un estado excitado cuando absorbe un fotón con una energía igual a la diferencia entre el estado excitado y el estado fundamental.

Las colisiones entre átomos también pueden hacer que sus electrones salten a estados excitados.

En el estado excitado, el electrón es inestable y cae rápidamente al estado fundamental liberando un fotón. Este fotón tiene la misma energía y frecuencia que el fotón original. Esta es una emisión espontánea.

Para que se produzca una emisión estimulada, un electrón ya debe estar en un estado excitado cuando el fotón choca con él. El fotón debe tener una energía igual a la diferencia entre el estado excitado y el estado fundamental.

Cuando este fotón choca con el electrón, hace que el electrón caiga al estado fundamental liberando un segundo fotón. Este segundo fotón tiene la misma energía y frecuencia que el primer fotón.

Para que los electrones permanezcan en estados excitados el tiempo suficiente para crear máseres, el estado excitado tiene que ser un estado metaestable. Los estados metaestables son aquellos en los que los electrones pueden existir durante mucho más tiempo en comparación con los estados excitados normales.

En las nubes de átomos, moléculas e iones que se convierten en máseres, los electrones se energizan primero a estados excitados normales. Luego caen a estos estados metaestables donde pueden existir el tiempo suficiente para que un fotón provoque una emisión estimulada.

Una ilustración de cómo funciona la emisión estimulada. Crédito: Junying Chen

El papel de la amplificación en los máseres cósmicos.

Un fotón creado por emisión estimulada no solo tiene la misma frecuencia que el fotón original. También está en fase y viaja en la misma dirección. Por tanto, ambos fotones son coherentes. Por lo tanto, la radiación maser resultante se amplifica mucho.

Esto suena muy similar a los láseres. De hecho, son prácticamente lo mismo. La única diferencia es que los masers son microondas. Los láseres, por otro lado, pueden ser de luz visible, infrarrojos, ultravioleta o incluso rayos X.

Los máseres solo se forman cuando hay una inversión de población. Esto es cuando hay más átomos en estado excitado que en estado fundamental. Cuando esto sucede, es más probable que los fotones golpeen un átomo ya excitado en lugar de un átomo en estado fundamental y provoquen una emisión estimulada. De esta forma, la radiación máser se amplifica exponencialmente.

Una nube de gas que está en equilibrio térmico (es decir, sin flujo neto de energía térmica que entra o sale) tiene más átomos en el estado fundamental que en el estado excitado. Esa nube de gas necesita una fuente de energía externa para lograr la inversión de la población.

Llamamos a las fuentes de energía que crean máseres, mecanismos de bombeo.

Los fotones producidos por emisión estimulada golpean a otros átomos en estados excitados. Esto crea más fotones con la misma frecuencia y fase. Esto sirve para crear una fuente de luz altamente amplificada y coherente en una sola frecuencia. Como veremos, esto es realmente importante para estudiar la velocidad y la forma de los objetos en astronomía.

¿Dónde encontrar maestros astrofísicos?

El espacio tiene muchas cosas que producen mucha energía. En presencia de nubes de gas, estas cosas podrían actuar como mecanismos de bombeo necesarios para crear máseres astrofísicos. Tales cosas pueden ser radiación de estrellas, colisiones entre partículas a altas temperaturas o interacciones con campos magnéticos.

Una ilustración de objetos en el espacio que contienen múltiples fuentes de máser cósmico. En esta imagen, los objetos son el disco circunestelar alrededor de una estrella masiva joven y los chorros bipolares que produce. En tales sistemas, hay suficiente energía disponible para crear inversiones de población en muchas partes de estos objetos. Dicha energía podría provenir de la radiación de estrellas cercanas, supernovas o colisiones entre nubes de gas. Crédito: Yvonne Kei-Nam Tang (Universidad de Cornell)

Los máseres astrofísicos fueron detectados por primera vez por Weaver et. Alabama. 1965. Estos máseres se ubicaron dentro de nubes moleculares y fueron creados por moléculas de hidroxilo energizadas. Desde entonces, se han encontrado máseres cósmicos en una variedad de objetos.

En el espacio, el agua (H2O), monóxido de silicio (SiO) e hidroxilo (OH) a menudo como parte del metanol (CH3OH) son responsables de la mayoría de las emisiones de maser. Otros compuestos, incluido el amoníaco (NH3), formaldehído (CH2O), metano (CH4) y el cianuro (CN-X) también pueden crear máseres astrofísicos, pero con mucha menos frecuencia.

Una nube de metanol de 463 mil millones de kilómetros de longitud conocida como W3 (OH) ubicada en una región de formación de estrellas. El área en rojo muestra que la luz de esa región tiene una intensidad alta y está muy amplificada. Esto significa que la región se ha convertido en un máser. Crédito: Observatorio Jodrell Bank

La importancia de los maestros astrofísicos en astronomía

Como se dijo anteriormente, la radiación máser está altamente amplificada, tiene una frecuencia y está en fase. Esto significa que la luz tiene un espectro predecible distinto y estrecho. Una característica muy importante que permite la detección de cambios de rojo y azul provocados por la velocidad del máser.

Estas propiedades, junto con el hecho de que los máseres astrofísicos son generalmente pequeños y tienen alta luminosidad, los hacen muy útiles para determinar la estructura y velocidades de los objetos de los que forman parte.

Un ejemplo de un espectro de maser de OH producido por gas metanol. La línea discontinua muestra el espectro de un máser de metanol estacionario. Observe que este espectro tiene un solo pico en una sola frecuencia. Por el contrario, la línea continua muestra el espectro de un máser cósmico de metanol en una nube de gas conocida como IRAS 20126 + 4104. Esta nube de gas está formando una estrella. El espectro tiene múltiples picos a diferentes frecuencias de una región relativamente pequeña. Esto muestra que parte del gas se está moviendo hacia la Tierra y otros se están alejando. Esto puede suceder si hay un disco de acreción dentro de la nube de gas. Crédito: Edris et. Alabama. 2005

Como se mencionó anteriormente, los máseres astrofísicos se forman debido a ciertas temperaturas, presiones y el tamaño del gas que produce el máser. Esto significa que la presencia de máseres también permite a los científicos adivinar el entorno presente en partes de los objetos que estudian.

Máseres astrofísicos debido a los cometas

Hay objetos en nuestro sistema solar que crean máseres astrofísicos. Uno de esos objetos fue el planeta Júpiter después de su impacto con los fragmentos del cometa Shoemaker-Levy 9 en 1994. Esta fue la primera vez que se detectaron máseres cósmicos en nuestro sistema solar.

El análisis de tres de los sitios de impacto en Júpiter revela emisiones de máser a una frecuencia de 22 GHz. Dicha frecuencia solo puede ser producida por moléculas de agua que han sido excitadas por la energía térmica de los impactos.

Las manchas oscuras del planeta Júpiter son los lados de impacto de los fragmentos del cometa Shoemaker-Levy 9 & # 8217s. Se detectaron emisiones de agua máser en tres de esos sitios. Crédito: Equipo del Telescopio Espacial Hubble y amp NASA

Según algunos científicos, máseres como estos podrían usarse para detectar agua en exoplanetas en otros sistemas solares.

También se han detectado máseres astrofísicos en los propios cometas. Un ejemplo de ello es el cometa Hale-Bopp.

En Hale-Bopp, el calor del sol vaporiza las moléculas de agua de su superficie. La radiación del sol luego rompe el agua en radicales OH. Más radiación energiza estos radicales y hace que emitan radiación máser en las frecuencias de 1665 MHz y 1667 MHz.

Una foto del cometa Hale-Bopp. Crédito: E. Kolmhofer, H. Raab / Johannes-Kepler-Observatory

Máseres cósmicos y la presencia de agua atmosférica.

Los planetas y los cometas no son las únicas cosas del sistema solar que albergan máseres.

Resulta que Saturno y las lunas Encelado, Titán, Atlas e Hyperion también tienen máseres. Estos máseres tienen una frecuencia de 22 GHz y, por lo tanto, se deben a moléculas de agua. Esto no debería sorprender, ya que el espectrómetro de imágenes ultravioleta Cassini # 8217 ha encontrado columnas de vapor de agua.

Dos imágenes de Encélado y géiseres de hielo # 8217 tomadas por la nave espacial Cassini. Dado el alto contenido de agua de los géiseres, es casi seguro que sería la fuente de emisiones de máser detectadas. Crédito: NASA / JPL / Space Science Institute

Todavía existe un debate sobre las causas de las emisiones máser en las lunas de Saturno y # 8217. La mayoría de los científicos piensan que las colisiones entre las moléculas de agua las energizaron y crearon una inversión de población.

Sin embargo, otros piensan que las interacciones con el plasma del viento solar, el campo magnético de Saturno y los choques generados por el viento solar también podrían disolverse.

Como en el ejemplo anterior, máseres como estos pueden usarse para detectar la existencia de agua en exoplanetas y exolunas. Su naturaleza altamente amplificada junto con la forma distintiva que hacen en su espectro hace que sea fácil identificarlos desde lejos.

Máseres astrofísicos en regiones de formación estelar

Los masers pueden existir dentro de las atmósferas de estrellas, nebulosas y remanentes de supernovas que interactúan con nubes moleculares. La existencia de máseres en estos objetos ha ayudado a los astrónomos a recopilar más información sobre ellos.

Los máseres en las regiones de formación de estrellas han permitido a los científicos estudiar cómo el movimiento del gas en las nubes moleculares forma estrellas. También ha permitido a los científicos estudiar cómo estos gases afectan a las estrellas en sus primeros años de vida.

An image of a water maser emission coming from a protoplanetary disk and bipolar jets from a young star within a molecular cloud. To get a sense of the size of this object, the outline of the orbit of the outermost planet, Neptune, is superimposed on the picture. Crédito: NRAO/AUI and Jose M. Torrelles, et al.

By analyzing the red and blue shifts of maser radiation created by hydrogen recombination, scientists were able to determine the shape and properties of the disk of material around the young massive star MonR2-IRS2. They were also able to confirm the existence of a fast ionized wind coming from the star.

Mapping the Milky Way with cosmic masers

As previously stated, maser radiation is highly amplified. On top of that, dust and gas scattered throughout the Milky Way do not block microwave radiation. These properties make astrophysical masers great for studying objects on the far side of the Milky Way.

With the ability to take advantage of these properties, scientists used these objects to create a map of their positions along with their velocities. This allows scientists to study how objects move around the Milky Way. It also allowed scientists to discover that our own solar system is orbiting faster and closer to the Milky Way’s center than previously thought.

A map of the position of masers and their velocities (speed and trajectory). This allows scientists to map how the galaxy is rotating. It also allows us to know how our solar system is moving in relation to other objects. Credit: National Astronomy Observatory of Japan

Astrophysical masers in old stars

Oxygen rich stars with low surface temperatures have maser emissions in their atmospheres. Such stars include asymptotic giant branch (AGB) stars.

These stars are so big that they don’t hold on to their atmospheres very well. On top of that, they experience pulsations caused by unstable nuclear fusion in their cores.

This serves to slowly eject the star’s outer layers into space forming a cloud of material around it.

Shockwaves from pulsations in the star’s core act as a pumping mechanism causing population inversion which results in maser emissions from silicon oxide, hydroxyl, and water molecules.

An illustration of a kind of AGB star called a Mira variable. Silicon monoxide (SiO) masers can only be found at distances where the heat isn’t enough to breakdown SiO molecules. Further out from the star, the density of SiO molecules is too sparse to create masers. H2O and OH masers dominate instead. Credit: Junying Chen

Megamasers

The most luminous astrophysical masers are thousands of times brighter than the Sun. We call these megamasers. Most of them are outside our Milky Way.

These megamasers are hundreds of millions of times brighter than cosmic masers found within our galaxy. Most of them are hydroxyl masers. Although others can be water, formaldehyde, or methane masers.

Hydroxyl megamasers are often due to high rates of star formation in luminous infrared galaxies. Such galaxies become what they are due to collisions with other galaxies. These collisions cause gas clouds to become unstable and collapse leading to mass star formation.

Photos of 9 luminous infrared galaxies taken by the Hubble Space Telescope. Credit: NASA, Kirk Borne , Luis Colina, Howard Bushouse and Ray Lucas

Water Megamasers are often around the center of active galactic nuclei. Material near the center of these galaxies fall into their supermassive black holes. As they do so, most of the material settles into a fast spinning disk.

In the disk, shockwaves travel throughout and act as pumping mechanisms imparting energy into water molecules. This results in population inversion.

Radiation from hotter parts of the disk cause stimulated emission in these water molecules creating bright astrophysical masers.

A photo of the supermassive black hole and it’s disk of material at the center of the giant elliptical galaxy M87. Shockwaves in the disk likely creates masers many times brighter then those found in the Milky Way. Credit: The Event Horizon Telescope (EHT).

Using megamasers to find the earliest signs of water

The luminosity of megamasers has allowed scientists to look at distant objects and find out if water was present in the early universe.

This happened with MG J0414+05534 a distant quasar that is 11.1 billion light years from Earth. At that distance, the quasar appears to us as it was when the universe was only 2.5 billion years old.

MG J0414+05534 is located behind a massive galaxy that is closer to us. This is a good thing as the gravity of the massive galaxy causes a gravitational lensing effect that bends the quasar’s light and magnify it. This makes MG J0414+05534 easier to see and study.

The detection of a water megamaser from the quasar by Impellizzeri et. Alabama. 2008 confirmed that water was already present in the universe when it was only 2.5 billion years old.

By that point, stars would have produced enough oxygen for the existence of water.

A photo of the quasar MG J0414+05534 (in red). Light from this quasar is being lensed by the gravity of a galaxy in the foreground (in yellow-green). Credit: Ros et. Alabama. A&A 362. 845 2000

Measuring distances with megamasers

When studying the centers of active galactic nuclei, we can measure the red and blue shifts of megamasers in the disks around their super massive black holes.

This gives us the velocities of those masers and how they change over time. With this information, we can find the gravitational acceleration that keeps these masers in their orbits.

With this acceleration, velocity and the angular separation between the maser and the center of the disk known, we can find the distance between the AGN and Earth.

Using this distance, we can find the actual radius of the maser’s orbit around the center of the disk. This along with the velocity of the maser allows us to find the mass of the object at the center of the accretion disks of multiple AGNs and confirm that they are indeed supermassive black holes.

One particular galaxy that this method has been applied to was NGC 4258.

An illustration of how we use the narrow spectrum of water megamasers to get their distance from Earth. This also leads to us finding the mass of the supermassive blackhole at the center of the galaxy hosting the maser. Credit: Junying Chen

The great thing about this method is that it does not rely on the distance ladder where errors in previous methods would affect the results. On the contrary, using megamasers to measure distances could be used in correcting those methods improving their accuracy on intergalactic scales.

Finding the Hubble constant with megamasers

There is one other benefit of using megamasers to find distances. That is that it can be used to find Hubble’s constant. This was demonstrated by Pesce et. Alabama. 2020.

With this method, Pesce’s team got a Hubble constant of 73.9±3.0 km/s/Mpc. This is almost the same as the value obtained with earlier methods using cephid variables and type Ia supernova. However, it is different from the one obtain using the Planck CMB data. That last method gave a Hubble constant of 66.9±0.6 km/s/Mpc.

As a result, this unfortunately adds more mystery to the current “Hubble tension” or “Crisis in Cosmology”.

Previously, it was possible that the Hubble constant obtained from type Ia supernovae may not be accurate. This was because of the possibility of incorrect assumptions in the nature of type Ia supernovae. Now, the results from the megamaser distance method has dispelled that idea making the discrepancy between the two results likely to be real.

Conclusiones

Astrophysical masers are an example of how nature could produce coherent and amplified radiation with extremely narrow frequencies.

As the examples in this article has shown, this makes them very helpful to scientists when studying other objects and to uncover the mysteries of the universe.

Over to you now. What other things do you know about astrophysical masers and megamasers that interests you?