El astrónomo Carl Sagan lo dijo bien: «Estamos hechos de materia estelar». Los átomos que componen las sustancias químicas de nuestro cuerpo no son nativos de la Tierra; venían del espacio profundo. El Big Bang creó hidrógeno, helio y algo de litio, pero los átomos más pesados, los esenciales para la vida, provinieron de procesos relacionados con las estrellas.
Los científicos ahora pueden sondear más profundo. ¿Qué tipos de procesos estelares producen qué elementos? ¿Y qué tipos de estrellas están involucradas?
Un nuevo experimento llamado TIGERISS, planeado para la Estación Espacial Internacional, tiene como objetivo averiguarlo. TIGERISS fue elegida como la última misión de los pioneros de la astrofísica de la NASA.
Los pioneros son misiones astrofísicas a pequeña escala que permiten investigaciones innovadoras de fenómenos cósmicos. Pueden incluir experimentos diseñados para volar en pequeños satélites, globos científicos, la estación espacial y cargas útiles que podrían orbitar o aterrizar en la Luna.
A principios de este año, los cuatro conceptos de misión Pioneer anteriores, elegidos en enero de 2021, recibieron luz verde para continuar con la construcción y fueron aprobados para volar a finales de esta década.
«Las misiones Pioneer son una oportunidad invaluable para que los científicos en etapa inicial y media de su carrera realicen investigaciones astrofísicas convincentes, mientras adquieren experiencia real en la construcción de instrumentos espaciales», dijo Mark Clampin, director de la División de Astrofísica en la sede de la NASA en Washington. «Con TIGERISS, los pioneros extienden su alcance a la estación espacial, que ofrece una plataforma única para explorar el universo».
El ojo del tigre
El investigador principal de TIGERISS, Brian Rauch, profesor asociado de investigación de física en la Universidad de Washington en St. Louis, ha estado trabajando en cuestiones de orígenes elementales y partículas de alta energía desde que era estudiante allí. Durante casi tres años en la universidad, Rauch trabajó en un detector de partículas llamado Trans-Iron Galactic Element Recorder, o TIGER. El experimento tuvo su primer vuelo en globo en 1995; Los vuelos en globo de larga duración también lanzaron una versión de TIGER desde la Antártida en 2001 a 2002 y 2003 a 2004.
A medida que Rauch avanzaba en su carrera de investigación, ayudó a TIGER a evolucionar hacia el SuperTIGER más sofisticado. El 8 de diciembre de 2012, SuperTIGER fue lanzado desde la Antártida en su vuelo inaugural, navegando a una altitud promedio de 125,000 pies y estableciendo un nuevo récord para el vuelo científico en globo más largo: 55 días. SuperTIGER también voló durante 32 días desde diciembre de 2019 hasta enero de 2020. El experimento midió la abundancia de elementos de la tabla periódica hasta el bario, número atómico 56.
El investigador principal del concepto de la misión TIGERISS Brian Rauch (izquierda) y Richard Bose, ingeniero de investigación senior de la Universidad de Washington en St. Louis, son vistos en la Antártida el 8 de enero de 2019. Estaban en la Antártida para recuperar el experimento SuperTIGER (fondo) después de su vuelo en un globo científico. Crédito: Kaija Webster (ASC)
En la Estación Espacial Internacional, la familia de instrumentos TIGER alcanzará nuevas alturas. Sin la interferencia de la atmósfera terrestre, el experimento TIGERISS realizará mediciones de mayor resolución y capturará partículas pesadas que no serían posibles con un globo científico. Una percha en la estación espacial también permitirá un experimento físico más grande, de 1 metro de ancho, que podría caber en un satélite pequeño, aumentando así el tamaño potencial del detector. Y la experiencia podría durar más de un año, en comparación con menos de dos meses en un vuelo en globo aerostático. Los investigadores esperan poder medir elementos individuales tan pesados como el plomo, número atómico 82.
materia estelar
Todas las estrellas existen en un delicado equilibrio: deben producir suficiente energía para contrarrestar su propia gravedad. Esta energía proviene de la fusión de elementos en otros más pesados, incluidos el carbono, el nitrógeno y el oxígeno, que son importantes para la vida tal como la conocemos. Pero una vez que una estrella gigante intenta fusionar átomos de hierro, la reacción no genera suficiente energía para combatir la gravedad y el núcleo de la estrella colapsa.
Esto desencadena una explosión conocida como supernova, en la que las ondas de choque arrojan todos los elementos pesados que se habían producido en el núcleo de la estrella. La explosión en sí también crea elementos pesados y los acelera casi a la velocidad de la luz, partículas que los científicos llaman «rayos cósmicos».
Pero esa no es la única forma en que se pueden formar los átomos pesados. Cuando un remanente superdenso de una supernova llamada estrella de neutrones choca con otra estrella de neutrones, su fusión cataclísmica también crea elementos pesados.
TIGERISS no podrá señalar colisiones particulares de supernovas o estrellas de neutrones, pero «agregaría contexto sobre cómo estos elementos de rápido movimiento se aceleran y viajan a través de la galaxia», dijo Rauch.
¿En qué medida contribuyen las fusiones de supernovas y estrellas de neutrones a la fabricación de elementos pesados? «Esa es la pregunta más interesante que podemos esperar abordar», dijo Rauch.
«Las mediciones de TIGERISS son fundamentales para comprender cómo nuestra galaxia crea y distribuye la materia», dijo John Krizmanic, investigador principal adjunto de TIGERISS con sede en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland.
TIGERISS también proporcionará información sobre la abundancia general de rayos cósmicos, que representan un peligro para los astronautas.
Lanzamiento de un telescopio de rayos cósmicos desde la Antártida
Cotizar: Space Station Experiment to Probe the Origins of Elements (30 de agosto de 2022) Obtenido el 30 de agosto de 2022 de https://phys.org/news/2022-08-space-station-probe-elements.html
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Los investigadores de Caltech muestran que la energía se puede transmitir de forma inalámbrica a través del espacio; las implicaciones son enormes – Redlands Daily Facts
Los científicos de Caltech han puesto en órbita un prototipo de demostración de energía solar espacial como parte de un ambicioso esfuerzo para recolectar energía solar en el espacio y enviar esa energía de regreso a la Tierra, dijeron funcionarios de la Universidad de Pasadena. (Imagen cortesía)
Un panel solar en un laboratorio de Space Solar Power Project en Caltech. Donald Bren donó $100 millones a este proyecto. (Cortesía de Caltech)
Bosquejo de un panel solar del Proyecto de Energía Solar Espacial en Caltech. Donald Bren donó $100 millones a este proyecto. (Cortesía de Caltech)
Una mirada a la esbeltez de los paneles solares para el proyecto de energía solar espacial de Caltech. Donald Bren ha donado más de $100 millones para financiar la investigación de Caltech. (Cortesía de Caltech)
Primer plano microscópico de la tecnología utilizada en el proyecto de energía solar espacial de Caltech. Donald Bren ha donado más de $100 millones para financiar la investigación. (Cortesía de Caltech)
En una especie de momento galáctico a lo Thomas Edison, el equipo de Caltech demostró, por primera vez, la capacidad de transmitir energía de forma inalámbrica a través del espacio y enviar una cantidad detectable a la Tierra.
El experimento solar espacial aún se encuentra en sus etapas de prototipo, pero las implicaciones son potencialmente revolucionarias, dijo Ali Hajimiri, profesor Bren de Ingeniería Eléctrica y Médica en Caltech y codirector del equipo de Space Solar Power Project.
«De la misma manera que Internet ha democratizado el acceso a la información, esperamos que la transferencia de energía inalámbrica democratice el acceso a la energía», dijo Hajimiri, investigador principal del experimento, en un comunicado que anuncia el hito. “No se necesitará ninguna infraestructura de transmisión de energía en el suelo para recibir esta electricidad. Esto significa que podemos enviar energía a regiones y áreas remotas devastadas por guerras o desastres naturales.
Agregó: “Hasta donde sabemos, nadie ha demostrado nunca la transferencia de energía inalámbrica en el espacio, incluso con costosas estructuras rígidas.
Los ingenieros bajan con cuidado la parte DOLCE del Demostrador de energía solar espacial hacia la nave espacial Vigoride construida por Momentus. Crédito: Caltech/Space Solar Power Project
De hecho, demostrar con éxito que la energía se puede transmitir de forma inalámbrica a través del espacio abre la puerta para aprovechar la energía del Sol y enviarla a la Tierra.
Con el combustible para cohetes porque el proyecto fue un combustible político: para luchar contra el cambio climático, el gobierno de EE. UU. se comprometió a hacer que su sector energético esté libre de contaminación para 2035.
Tal como están las cosas, las fuentes de energía renovable actuales son incompatibles con los combustibles fósiles. Las células solares, en particular, sufren la atmósfera, las condiciones climáticas y la noche.
Pero durante años, los investigadores se han ocupado de lo que ha sido una solución difícil de alcanzar: en desarrollo durante décadas, la energía solar espacial, el proceso de aprovechar la energía solar en el espacio y transmitir energía lumínica a la tierra utilizando satélites de energía solar, no era solo cosa de ciencia. -fi.
Hace diez años, Caltech formó el Proyecto de energía solar espacial, que culminó en una etapa de lanzamiento el 3 de enero. El lanzamiento confirmó las esperanzas para el futuro de una tecnología que alguna vez se consideró técnicamente posible pero económicamente inviable.
Los funcionarios promocionan el proyecto SSPP de Caltech como un ejemplo de investigación aeroespacial moderna del sector privado en curso.
El proyecto fue financiado en su totalidad por fuentes privadas, desarrollado en una institución privada, y los experimentos fueron lanzados por Momentus, una empresa aeroespacial privada, montada a bordo de una plataforma Momentus.
Pero el proyecto realmente despegó en 2011 cuando el desarrollador inmobiliario multimillonario Donald Bren se acercó a Caltech con una propuesta para financiar la investigación de energía solar espacial. Bren se ha comprometido a donar más de $100 millones durante la vida del proyecto.
Además, Northrup Grumman Corporation, una empresa militar y aeroespacial, lanzó $12,5 millones.
Bren, en el anuncio de la semana pasada, dijo que este paso era un gran paso adelante.
«El arduo trabajo y la dedicación de los brillantes científicos de Caltech han hecho avanzar nuestro sueño de proporcionar al mundo energía abundante, confiable y asequible para el beneficio de toda la humanidad», dijo Bren en el anuncio.
El presidente de Irvine Co., Donald Bren, ha donado más de $100 millones a Caltech para estudiar la energía solar a ritmo espacial. En esta foto de octubre de 2018 están, de izquierda a derecha, Sergio Pellegrino (Joyce y Kent Kresa Profesor de Aeronáutica y Profesor de Ingeniería Civil; Científico Investigador Principal del Laboratorio de Propulsión a Chorro y codirector del proyecto de Energía Solar Basada en el Espacio); Brigitte Bren; donald bren; Ali Hajimiri (Profesor Bren de Ingeniería Eléctrica y Médica y Codirector del Proyecto); y Richard Madonna, project manager del proyecto. (Cortesía de Caltech)
Pero, ¿cómo funciona todo?
El exitoso experimento, conocido como MAPLE, abreviatura de Microwave Array for Power-transfer Low-orbit Experiment, demostró dos funciones clave: la capacidad de enviar un haz concentrado de energía a los receptores a voluntad y la capacidad de transmitir energía a una ubicación específica en Tierra.
La energía solar espacial consiste en recolectar energía solar en el espacio, convertir esta energía en ondas electromagnéticas y transmitir estas ondas a receptores en la Tierra. La ventaja es que las células solares en el espacio pueden recolectar de ocho a nueve veces más energía que las células solares en la Tierra al eliminar las ineficiencias de la atmósfera, las estaciones y el ciclo día-noche.
El primero de los experimentos MAPLE probó la capacidad de la tecnología para dirigir con éxito un haz de energía a una ubicación específica en el duro entorno del espacio.
Para hacer esto, el equipo de Hajimiri dirigió un haz de microondas desde los conjuntos de transmisores en el espacio a uno de los dos LED que también están a bordo del satélite. Cada LED se encendía individualmente cuando las microondas se dirigían a su receptor, lo que demostraba que el haz podía apuntar con precisión a los objetivos.
Un segundo experimento consistió en dirigir el haz de energía de MAPLE a un receptor en el techo del laboratorio de Moore en el campus de Caltech.
Al asegurarse de que el receptor en la Tierra recogiera la señal en un tiempo y una frecuencia predeterminados, los investigadores de Caltech pudieron concluir que habían recibido con éxito la energía en la Tierra del experimento en órbita.
El equipo de SSPP visualiza un futuro en el que flotas de miles de satélites solares ligeros orbitan el globo, recolectando energía solar y transmitiéndola a receptores en tierra.
Junto con el experimento MAPLE, el satélite Momentus también alberga experimentos que prueban tecnologías fotovoltaicas ultraligeras y estructuras de naves espaciales ligeras y flexibles, las cuales serán parte integral de la realización de esta visión. El equipo SSPP está recopilando resultados adicionales de MAPLE, así como datos de otros experimentos a bordo.
El presidente de Caltech, Thomas F. Rosenbaum, dijo que el hito anunciaba «una ganancia notable para la humanidad: un mundo impulsado por energía renovable ininterrumpida».
PorDepartamento de Energía de EE. UU. 6 de junio de 2023
Una caricatura del plasma de quarks y gluones (pequeños círculos rojos, verdes y azules) producido durante una colisión relativista de iones pesados entre dos núcleos pesados (círculos blancos). La colisión produce un quark pesado (Q rojo) y un par quark-antiquark pesado (QO verde). Crédito: Imagen cortesía de Bruno Scheihing-Hitschfeld y Xiaojun Yao
Los científicos han dado un importante paso adelante en el estudio de las propiedades de los quarks y gluones, las partículas que forman los núcleos atómicos, al resolver un problema de larga data con un método de cálculo teórico conocido como «calibre axial».[{» attribute=»»>MIT and University of Washington researchers found that the method had mistakenly suggested two properties of quark-gluon plasma were identical. They also made a prediction on gluon distribution measurement, set to be tested in future experiments with the Electron-Ion Collider.
The Science
The building blocks of atomic nuclei are protons and neutrons, which are themselves made of even more fundamental particles: quarks and gluons. These particles interact via the “strong” force, one of the four fundamental forces of nature. They make up the nuclei at the heart of every atom. They also make up forms of hot or dense nuclear matter that exhibit exotic properties. Scientists study the properties of hot and cold nuclear matter in relativistic heavy ion collision experiments and will continue to do so using the future Electron-Ion Collider. The ultimate goal is to understand how complex forms of matter emerge from elementary particles affected by strong forces.
The Impact
Theoretical calculations involving the strong force are complex. One aspect of this complexity arises because there are many ways to perform these calculations. Scientists refer to some of these as “gauge choices.” All gauge choices should produce the same result for the calculation of any quantity that can be measured in an experiment. However, one particular choice, called “axial gauge,” has puzzled scientists for years because of difficulties in obtaining consistent results upon making this choice. This recent study resolves this puzzle and paves the way for reliable calculations of hot and cold nuclear matter properties that can be tested in current and future experiments.
Summary
The exotic form of nuclear matter that physicists study in relativistic heavy ion collisions is called the quark-gluon plasma (QGP). This form of matter existed in the early universe. Physicists explore its properties in heavy ion collision experiments by recreating the extremely high temperatures last seen microseconds after the Big Bang. By analyzing experimental data from the collisions and comparing them with theoretical calculations, physicists can ascertain various properties of the QGP. Using a calculation method called “axial gauge” had previously seemed to imply that two QGP properties that describe how heavy quarks move through the QGP were the same.
Researchers at the Massachusetts Institute of Technology and the University of Washington have now found this implication to be incorrect. The study also carefully analyzed the subtle conditions for when axial gauge can be employed and explained why the two properties are different. Finally, it showed that two distinct methods for measuring how gluons are distributed inside nuclei must yield different results. Gluons are the particles that carry the strong force, This prediction will be tested at the future Electron-Ion Collider.
Reference: “Gauge Invariance of Non-Abelian Field Strength Correlators: The Axial Gauge Puzzle” by Bruno Scheihing-Hitschfeld and Xiaojun Yao, 2 February 2023, Physical Review Letters. DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.052302
This work is supported by the Department of Energy Office of Science, Office of Nuclear Physics and by the Office of Science, Office of Nuclear Physics, InQubator for Quantum Simulation (IQuS).
¿Qué tiene 14 lados, está lleno de curvas y puede cubrir perfectamente una superficie sin huecos ni superposiciones? No es un acertijo, es un «vampiro de Einstein».
En marzo, un técnico de impresión jubilado llamado David Smith se encontró con un notable descubrimiento en el mundo de la matemáticas. Encontró un Forma de 13 lados que podría cubrir completamente una superficie sin repetirla. La forma, apodada «el sombrero» por su forma holgadamente afieltrada, fue la culminación de décadas de búsqueda por parte de matemáticos de todo el mundo.
Desde 1961 los matemáticos se preguntaban si tal forma pudiera existir. Al principio, los matemáticos encontraron un conjunto de 20 426 formas que podían encajar mientras creaban un patrón que nunca se repite (a diferencia de las baldosas en el piso de una cocina, que crean un patrón repetitivo). Eventualmente, los matemáticos encontraron un conjunto de 104 formas que podían crear ese mosaico sin repetición.
Las formas del medio y la derecha son ejemplos de «Spectra» — formas de 14 lados que se pueden colocar en mosaico sin fin sin crear un patrón repetitivo. (Crédito de la imagen: Smith et al.)
Luego, en la década de 1970, el físico y premio Nobel Roger Penrose encontró un par de formas que juntas creaban un mosaico que no se repetía. Y durante décadas, los matemáticos se preguntaron si se podía hacer el mismo truco con una sola forma. Esta forma semimítica, conocida oficialmente como monotilo aperiódico, se conoció como «el einstein», que significa «una piedra» en alemán.
Pero a pesar de toda la celebración que rodeó el descubrimiento de Smith de un mosaico de Einstein, hubo una pequeña mosca en el ungüento. Para crear mosaicos que no se repitan, el «sombrero» tuvo que trabajar con su imagen especular. Técnicamente es la misma forma, solo que al revés, pero algunos han argumentado que Smith realmente no encontró un einstein real.
Ahora, sin embargo, Smith y sus colegas han dejado de lado esas objeciones: han encontrado una forma que puede cubrir una superficie sin repetir o voltear. Describieron la nueva forma el 28 de mayo en un artículo publicado en Preprint Database. arXivaunque aún no ha sido revisado por pares.
El equipo llamó a su forma el «Espectro», un tributo a los vampiros que no pueden ver sus propios reflejos y, por lo tanto, no necesitan un espejo.
«En el mosaico plano, es bastante estándar que los mosaicos se puedan reflejar; sin embargo, algunas personas no estaban contentas con el hecho de que el sombrero de monotile aperiódico requiere reflejos para mosaico el plano», escribió el coautor Joseph Samuel Meyers en Mastodonte. «En nuestra nueva preimpresión, presentamos Spectre, el primer ejemplo de un vampiro de Einstein: un monotile aperiódico que tesela el plano sin reflejos».
Para encontrar la forma fantasmal, el equipo comenzó con la forma original de «sombrero» y le agregó un lado adicional. Esta nueva forma aún requería que su imagen especular estuviera completamente en mosaico, pero los investigadores descubrieron que al convertir los bordes rectos de la forma de 14 lados en bordes curvos, podían prescindir de las imágenes especulares y trabajar con una sola forma.
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