La persecución de una KiloNova

Hace treinta años nos deslumbró la Supernova 1987A, un evento doblemente singular que marcó un hito en la Astronomía reciente. Fue la primera explosión de una estrella visible a simple vista desde que se inventó el telescopio, pero también fue el inicio de una manera distinta de mirar a los eventos estelares. Los comenzamos a estudiar no solo a través de la luz que éstos emiten, sino también mediante la detección de las partículas expelidas de estos acontecimientos cataclísmicos.

El 17 de agosto de este año sucedió otro evento histórico. El telescopio espacial Fermi detecta una erupción de rayos gamma proveniente de una galaxia elíptica, NG 4993, en la constelación de Hidra. Esa erupción fue corroborada por el satélite INTEGRAL, (por sus siglas en inglés: Laboratorio Astrofísico Internacional de Rayos Gamma). Esas dos mediciones daban una mayor precisión al origen de la fuerte emisión gamma y, desde ese momento NGC 4993 se convierte en el centro de la atención de todos los telescopios del mundo, pero sobre todo de aquellos miran al cielo desde hemisferio Sur. Seis minutos más tarde de la alerta inicial de la erupción gamma, el Observatorio LIGO detecta un evento que luego será asociado con la emisión de una onda gravitacional producida por la fusión de dos estrellas de neutrones.

Las ondas gravitacionales son tenues perturbaciones al tiempo y al espacio producidas por la rotación de objetos con masas descomunales. Es la primera vez que se registra este tipo de fusión de los objetos estelares mas densos del universo. La densidad de las estrellas de neutrones equivale a concentrar toda la masa de la Tierra en una esfera de 2 km de diámetro, y no de 12740 km que tiene nuestro planeta. Las estrellas de neutrones concentran toda la masa del Sol en una esfera de 12 km, son dimensiones menores que la extensión de muchas ciudades del continente. Una cucharadita de este material concentrará la masa del Monte Everest.

Diez horas luego de la fusión detectada por LIGO, el Observatorio de Las Campanas, situado en el borde del desierto de Atacama al norte de Chile, detecta un destello visible en la localización indicada. En seguida, la red global de telescopios del Observatorio Las Cumbres corrobora que hay una señal cercana a NGC 4993, en el espacio los satélites SWIFT y Hubble detectan una emisión en el ultravioleta. El atardecer del 18 de agosto se inicia una nueva búsqueda en el cielo del sur y VISTA (Visible and Infrared Telescope for Astronomy), un impresionante telescopio reflector de 4.1 m de diámetro del Observatorio Paranal en Chile, también registra un evento ubicado en la misma región cercana a NGC 4993 y que se mantiene en el cielo de esa noche. Decenas de telescopios en Chile compiten para mirar este fenómeno en una escasa hora antes que se oculte en el horizonte.

Dos febriles semanas siguieron a estas detecciones. Había que buscar en un mar de datos provenientes de todas la fuentes posibles, descartar la coincidencia con otros eventos que estuvieran ocurriendo en esa zona del cielo. Ajustar los modelos que disponemos para comprender este singular cataclismo estelar, para predecir y desestimas el tipo de mensajeros que nos enviarían el fenómeno. Que podría ser luz, partículas, oscilaciones del espacio-tiempo o todas al mismo tiempo. Había que zambullirse en este océano de datos de las múltiples observaciones y 51 observatorios con la cooperación de casi 1000 instituciones de todo el mundo se dan a esa tarea que hoy culmina con la publicación y el anuncio en rueda de prensa de los resultados de detección de la primera fusión de dos estrellas de neutrones.

Es, sin duda una gran novedad. Por primera vez han sido detectadas radiación electromagnética y radiación gravitacional ambas proveniente de un único evento astrofísico y las piezas de este rompecabezas encajan con asombrosa perfección con la descripción de un escenario de coalescencia de dos estrellas de neutrones ocurrido en NGC 4993. Con una kilonova nunca antes vista. La radiación electromagnética fue variada y acorde con los modelos que disponemos para comprender este cataclismo: un colapso de un sistema binario de estrellas de neutrones que genera un jet de partículas de altas energías. El destello gamma es consistente con los modelos de fusión de estrellas de neutrones que simulamos computacionalmente. La emisión en radiofrecuencia, inicialmente detectadas por el arreglo de radiotelescopios VLA desde las planicies de los estados unidos, coincide con lo que esperábamos para los jets de partículas en colapsos de estrellas de neutrones Los pulsos en el ultravioleta, el visible y el infrarrojo corresponden al decaimiento radiactivo de elementos pesados generados la fusión de estos dos objetos estelares. Los jets generados por la fusión impulsan núcleos atómicos a velocidades descomunales que en choques se funden creciendo en masa y número atómico, para luego decaer y estabilizarse en medio del espacio interestelar. Finalmente, la emisión de rayos X con un lento apagamiento que describe, con bastante fidelidad, los efectos del atropellado avance de las partículas expelidas en ese medio, que generaron primero los rayos gamma para luego irse apagando lentamente produciendo radiaciones de menor energía.

Los observatorios de neutrinos: ANTARES, desde el fondo del Mar Mediterraneo, IceCube desde lo profundo del antártico y Pierre Auger desde la pampa argentina no registraron ningún flujo significativo de estas elusivas partículas que casi no interactúan con la materia y viajan atravesando todo lo que encuentran a su paso. Esto es consistente con el hecho que el eje de rotación del sistema binario no nos apuntaba, por lo tanto el flujo es mínimo y no los podemos detectar con el instrumental que disponemos.

Definitivamente, hoy comienza, en forma sistemática, la Astrofísica de Multimensajeros como un gigantesco esfuerzo mundial de mas de mas 4500 investigadores provenientes de 986 instituciones en 41 países de los 5 continentes. Escudriñaremos de forma coordinada a los cielos y empezaremos a entender con mucho más detalle las manifestaciones de los eventos más extremos del universo. Empezamos una nueva era donde Colombia y la Universidad Industrial de Santander participan en esta emocionante etapa en producción de conocimiento de forma colectiva y colaborativa a escala global.

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Largo viaje de los rayos cósmico

De la Tierra a las estrellas

A comienzos del nuevo siglo, en 1909, Theodor Wulf, un padre jesuita profesor de Física de la Universidad de Valkenburg (Holanda), construía un electróscopio o electrómetro, un instrumento que permite medir variaciones de la cantidad de carga eléctrica. Era una versión del experimento que hacemos en el colegio de frotar un objeto de plástico, tocar el electróscopio y comprobar que dos finas laminitas metálicas se separan.  Theodor, observó que sin ser tocado su electróscopio se cargaba. En ese entonces la radioactividad estaba en su infancia, descubierta por Henri Becquerel y Marie Curie, era un intenso foco de estudio de la comunidad científica. Por ello se creía que ciertos minerales radioactivos emitían partículas cargadas y activaban el invento del Prof. Wulf. Sin embargo a este padre jesuita se le ocurrió medir las variaciones de la carga depositada en su electroscopio a medida que ascendía en la Torre Eiffel y descubrió que esa carga depositada aumentaba y no disminuía como se esperaba.

Su artículo reportando este efecto no fue tomado en cuenta por el convencimiento de la comunidad que ese efecto era de origen terrestre. Un par de años después, en 1911, el geofísico italiano, Domenico Pacini hace medidas con el electroscopio de Wulf en montañas, sobre la superficie de lagos, y el mar a 3m de profundidad comprobando un decrecimiento en la cantidad de la carga depositada, y se aventura a proponer que ese efecto debe ser extraterrestre.

Espectroscopio original de Theodor Wulf https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Originalwulf.jpeg

Espectroscopio original de Theodor Wulf https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Originalwulf.jpeg

En ese mismo año, Víctor Hess, recién doctorado de la Universidad de Gaz (Austria) se apasiona en el estudio del fenómeno y demuestra, luego de un detallado e incansable estudio de más de 2 años, que es de origen extraterrestre y que además no está necesariamente asociado a la actividad solar. Hess recibe el premio nobel en 1936 por sus aportes al mostrar que el efecto de carga de los eletroscopios proviene de fuera de nuestro planeta y no de la radioactividad natural como se pensaba. Lo compartió con Carl D. Anderson descubridor del positrón en 1932.

 

Los rayos que son partículas.

Robert A. Millikan, uno de los mejores físicos experimentales de la época y también premio nobel por el descubrimiento del electrón, ratifica el origen extraterrestre del efecto de carga en los electroscopios y los bautiza como rayos cósmicos por creer que eran fotones de mucha energía. Nada tenía que ver la deposición de carga en los electroscopios con radiación, Millikan le apostaba a radiación gamma y no lo era. En 1927 el físico holandés Jacob Clay, comprueba que la radiación cósmica aumenta con la latitud, que debe estar siendo afectada por el campo magnético terrestre y que por lo tanto deben ser partículas cargadas y no fotones. Tres años después, en 1930, Bruno Rossi parte de esa pléyade de físicos italianos obligados a emigrar por el fascismo, muestra que efectivamente son partículas cargadas que son afectadas por los campos geomagnéticos y que necesariamente deben tener carga positiva porque se registra una mayor intensidad cuando provienen del oeste.

Develando la estructura íntima de la materia

Antes que de era de los grandes aceleradores fueron los rayos cósmicos quienes nos fueron develando la estructura más íntima de la materia. No eran experimentos controlados pero si muy copiosos y, algún chance tuvimos de mirar los efectos de alguna de las millones de millones de colisiones que ocurren en la atmósfera comenzando a mas de 100 km de altura y que nos llegan en forma de una constante lluvia de partéculas.
Los positrones, los piones, y los muones fueron descubiertos en las trazas de los rayos cósmicos antes de tener los aceleradores de partículas. En la era de los aceleradores hemos ido construyendo el rompecabeza del modelo estándar de la estructura de los mas pequeño, hemos ido reconstruyendo algunos momentos del origen de nuestro universo. Hoy tenemos instrumentos que nos llevan a energías de nunca antes alcanzadas: En el CERN, el Large Hadron Collider alcanza colisiones de ~14 Tera electron-voltios que nos ha permitido completar casi todo el modelo para comprender los constituyentes mas fundamentales de la materia.
Pero seguimos viendo a los rayos cósmicos como el acelerador natural mas portentoso, que nos pueden brindar eventos cib energías 100 y hasta 1000 veces mayor que las colisiones que registra en el LHC. Allí podremos quizá ver algunas sorpresas del modelo estándar de partículas elementales cuando aumentamos la energía. Ya estamos comenzando a comprobar que medimos mas muones que lo que debiéramos si extrapolamos lo que sabemos del los resultados del CERN. Pero son muy pocas, poquísimas partículas de Ultra-Alta Energía que impactan la alta atmósfera. Estamos hablando de ~1 partícula por kilómetro cuadrado por año, algo así como una partícula que impacta una cancha de futbol por siglo. Son eventos muy esporádicos pero con la paciencia y detectores apropiados podremos verlos.

¿Qué es el Observatorio Pierre Auger?

Es el observatorio de rayos cósmicos más grande del mundo, orientado al estudio de los rayos cósmicos ultra-energéticos y,  recientemente, a explorar los efectos colaterales de las radiaciones cósmicas sobre en el clima terrestre y espacial.

Fue propuesto a principios de los 90 por Alan Watson y James Cronin (Nobel de Física, 1980), con el fin de dar respuesta a los enigmas sobre el origen y la naturaleza de estos fenómenos ultra energéticos. Está ubicado en Pampa Amarilla, Malargüe-Argentina, cubre una extensión de más de 3000 Kilómetros cuadrado y es operado por una colaboración de casi 500 investigadores, de 82 instituciones académicas de 16 países (https://www.auger.org/ ). La inversión inicial -1660 detectores de superficie y 24 telescopios de fluorescencia- superó los 53 millones de dólares y su operación anual ronda los 1,6 millones de dólares.
Colombia, representada por la Universidad Industrial de Santander, participa como miembro asociado bajo la tutela de Brasil desde Noviembre 2014 y a partir de este año 2017 como miembro de la colaboración.
Quizá el logro más importante del Observatorio Pierre Auger es haber construido un inigualable ambiente de equipamiento y apoyo técnico para el estudio de la radiación cósmica. En ese inmenso polígono -de casi 70km de “diámetro” y una superficie de 3000 Km2 – ha surgido un conjunto de instrumentos que se complementan entre sí y permiten estudiar, como en ningún otro lugar del planeta, la radiación cósmica desde múltiples perspectivas.

Desde sus inicios el Observatorio contó con: 1660 detectores de superficie y 24 telescopios de fluorescencia. Con los años, este equipamiento se ha ido mejorando con otros importantes instrumentos:
*) HEAT (por High Elevation Auger Telescopes) son telescopios de fluorescencia que pueden registrar las primeras etapas de las cascadas de partículas producidas por rayos cósmicos;
*) AERA (por Auger Engineering Radio Array) es un arreglo de antenas para detectar la traza de radio-pulsos electromagnéticos (30 a 80 MHz) que dejan los rayos cósmicos;
*) AMIGA (por Auger Muons and Infill for the Ground Array ) es un complemento de detectores de centelleo que permiten estudiar la composición de partículas de los rayos cósmicos de ultra alta energía.

Este conjunto de instrumentos se verá repotenciado por la nueva generación de detectores de superficie -AugerPrime- que aumentarán significativamente la capacidad del Observatorio.

Logros científicos del Observatorio

Los logros científicos más impactantes del Observatorio se centran en la determinación del espectro de energía de los rayos cósmicos más energéticos jamás medidos y su posible asociación con los núcleos activos de galaxias -regiones centrales de ciertas galaxias que presentan una significativa emisión de energía por la supuesta presencia de un agujero negro supermasivo. Igualmente se han establecido cotas para la existencia de variados fenómenos físicos, en particular para la detección de neutrinos que atraviesan grandes volúmenes de roca.

Recientemente, el Observatorio Pierre Auger ha comenzado a interesarse en los efectos colaterales de los rayos cósmicos sobre el clima espacial y terrestre. En particular, la modulación de radiación cósmica de baja energía por la radiación solar y las variaciones del campo geomagnético producto de eyecciones de masa coronal provenientes del Sol. Este tipo de información es muy relevante para el desarrollo de blindaje y protocolos de protección radiofísica para las expediciones espaciales y tripulaciones de aviación comercial.

Igualmente, se ha iniciado una línea de investigación para estudiar la relación de la radiación cósmica con descargas eléctricas en varios niveles de la atmósfera terrestre. De este modo, se comienza a dilucidar una posible relación entre la meteorología espacial y la terrestre.

Desde el punto de vista tecnológico, el observatorio ha realizado importantes contribuciones en instrumentación científica, desarrollando interfaces electrónicas para la detección rápida (nanosegundos) de eventos y esquemas de detección de la interacción cósmicas con diversos dispositivos (centelladores, detectores Cherenkov, detectores de fluorescencia, detectores de variaciones de campo electromagnéticos, entre otros).

Finalmente, Auger ha desarrollado una batería de algoritmos para el análisis de grandes volúmenes de datos y simulaciones detalladas de las interacciones de los rayos cósmicos con la atmósfera. Estas herramientas y resultados permiten a los distintos grupos de trabajo extraer la más variada información de los 1660 detectores de superficie correlacionándola con los registros de los 24 telescopios de fluorescencia.

Durante los casi 15 años de operación, estos logros se han visto reflejados en mas de 500 publicaciones en revistas internacionales de altísimo impacto, las cuales han recibido casi 11000 citas. Cuatro de los artículos publicados se consideran como clásicos en Astropartículas (más de 500 citas por artículos) mientras que otros 4 se tienen por contribuciones famosas (entre 250 y 499 citas por artículo) http://inspirehep.net/search?ln=en&p=cn%20Pierre%20Auger&of=hcs2

¿Qué es lo que se está anunciando hoy?

Hoy estamos presentando una respuesta a esas preguntas que dieron origen al Observatorio ¿cuál es el origen de los rayos cósmicos de ultra-alta energía? ¿provienen de eventos cataclísmicos dentro de nuestra galaxia o quizá de fuera de ésta? Luego de hurgar en millones de millones de datos registrados durante los últimos 12 años, se pudieron aislar 30.000 eventos de 4 Exa electronvoltios o más (100 veces mas energéticas que las partículas del CERN) provenientes de casi la totalidad del cielo del hemisferio sur. Esos eventos mostraron una anisotropía que solo es consistentes con el origen extragalático. Dicho en pocas palabras, cuando miramos hacia el centro de la galaxia vemos menos partículas que cuando miramos hacia su borde, y esa diferencia es significativa para ser considerada un resultado confiable. Esa diferencia fue corroborada independientemente por diferentes métodos y por varios equipos de trabajo.

¿Cuál será el impacto de este descubrimiento?

Primeramente la importancia de este esfuerzo de años, de una colaboración de casi 500 personas de mas de 80 instituciones de 16 países, pacientemente y sin descanso han tabajando por mas de 20 años para presentar estos incontestables resultados. Segundo el avance tecnológico en la detección tanto en la parte instrumental como en los algoritmos y técnicas que se han ido desarrollando. La innovación no viene sola, nace de la ciencia básica hecha con calidad, perseverancia y paciencia. No podemos emprender planes nacionales de innovación que no estén soportados por aportes sólidos en ciencia básica.
Pero quizá lo más importante es que estamos en el nacimiento de la Astrofísica de multimensajeros. Comenzamos a ver a los objetos astrofísicos desde distintas perspectivas. Esos cataclismos producen radiación, expelen partículas y nos mueven el espacio tiempo. Varios observatorios en el mundo miran sin cesar esos restos de los acontecimientos mas energéticos de nuestro universos. Supernovas, choques de galaxias, coalescencia de agujeros negros, de estrellas de neutrones producen grandes cantidades de energía que nos llegan en forma de destellos gamma, neutrinos, protones energéticos y ondas gravitacionales. Estamos por comenzar esa era y Observatorios como el Pierre Auger forma parte de esos ojos gigantes que miran hacia el cielo

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La UIS en números vista por un (casi) outsider

Es una tremenda costumbre conservar la historia institucional en números, para que puedan ser masajeados y podamos generar algunas reflexiones. Sin duda, una institución que puede ser analizada a través de sus datos es mas fácil de transformar mediante  políticas basadas en esa imagen cuantitativa.

En estos días me preguntaba por qué esa quejadera permenente de la posición que ocupa la UIS en los rankings internacionales. La verdad me parece que la tenemos bien ganada, que nos falta mucho por sacudirnos el provincianismo para poder “boxear” en otras divisiones. Quise mirar como nos vemos y como se ven las otras universidades en un período de 20 años

Publicaciones 4 Univ Colombianas 1993-2015

Publicaciones en rastreadas por Scopus de UniVALLE UniAndes UdeA y UIS

Una búsqueda rápida en Scopus muestra que efectivamente la UdeA y UniValle tienen una productividad mucho mayor que la UIS. Hay algunas curiosidades dignas de ser mencionadas. A partir del 2000, UdeA despega y supera a UniValle y algo parecido pasa con UniAndes en esas mismas fechas. La productividad de la UIS crece pero en otra escala cuando es comparada con esas otras instituciones.

En seguida surge la pregunta si esas instituciones son comparables en el número de profesores y estudiantes. Como este no es mi oficio y no quiero invertir mucho tiempo, se me ocurre echarle un vistazo a los números de la UIS que si están accesible en los reportes anuales institucionales.

Lo primero que arrojan los datos de la UIS es que es que somos una universidad de pregrado, y que eso se ha acentuado: la matrícula se ha casi duplicado en estos 20 años y, la actividad de postgrado se ha mantenido muy marginal.

Número de estudiantes de pre y postgrado. Definitivamente la UIS sigue siendo una universidad de pregrado, por lo tanto la investigación no puede distinguirla

Número de estudiantes de pre y postgrado entre 1996-2015. Definitivamente la UIS sigue siendo una universidad de pregrado, por lo tanto la investigación no puede distinguirla

Luego uno comprueba que en estos 20 años:

  1. el número de profesores planta ha se ha incrementado muy poco (~ 10%);
  2. casi la mayor parte de la actividad docente descansa en los profesores cátedra: el número de profesores cátedra (tiempo completo equivalente) ronda la mitad del número total de profesores;
  3. el número de profesores planta con doctorado ha ido aumentando y en el 2015 casi la mitad de profesores planta tienen título de doctor.
Número total de profesores: Cátedra tiempo completo equivalente; Planta con doctorado; Planta sin doctorado

Número total de profesores: Cátedra tiempo completo equivalente; Planta sin doctorado; Planta con doctorado. El número de profesores planta con doctorado ha ido aumentando y hoy casi alcanza a la mitad del número de profesores planta. El número de profesores cátedra (tiempo completo equivalente) ronda la mitad del número total de profesores planta.

Uno supone que son los profesores planta quienes generan las publicaciones que impactan en los índices como Scopus, entonces se pregunta ¿cuánto publicamos los profesores planta? y si suponemos que quienes tienen doctorado son quienes publican ¿cuánto publican nuestros doctores?

Relación profesor alumno (en decenas de alumnos por profesor), Número de publicaciones scopus por profesor planta con doctorado y número de publicaciones por profesor planta (con y sin doctorado)

Relación profesor alumno (en decenas de alumnos por profesor), Número de publicaciones scopus por profesor planta con doctorado y número de publicaciones por profesor planta (con y sin doctorado)

Los números son elocuentes: la producción scopus de los profesores es exigua y en los últimos 8 años ronda la media publicación por profesor por año. La situación mejora un poquito si suponemos que solo los doctores publican. Entonces observamos que venimos disminuyendo nuestra productividad luego del máximo histórico de 2009 de 1.63 publicaciones por doctor. Ahora bien, esa disminución de la poca productividad no puede achacarse a sobrecarga de docencia, porque la relación alumno profesor se ha mantenido casi constante en los últimos 18 años alrededor de los 25 alumnos por profesor.

Pero esa situación no es cierta en la UIS la facultad de ciencias de la salud tiene pocos doctores y es una de las más activas en Scopus

Porcentaje de docentes por facultad 2015 según su grado académico. Solo la facultad de Ciencias supera el 50%.

Porcentaje de docentes por facultad 2015 según su grado académico. Solo la facultad de Ciencias supera el 50%.

Finalmente y para cerrar esta nota, graficamos la evolución del numero de publicaciones y la planta profesoral con título de doctor

Evolución del número de profesores planta con doctorado y evolución del número de publicaciones Scopus.

Evolución del número de profesores planta con doctorado y evolución del número de publicaciones Scopus. Parece que los cambios en la productividad tienen una periodicidad de 3 años y coinciden bastante bien con los cambios de las directivas universitarias.

Aparentemente los datos revelan lo obvio: Los cambios en el crecimiento de las publicaciones Scopus tienen periodicidad de 3 años y coinciden bastante con los períodos rectorales. Por otro lado, los cambios en el crecimiento de la nómina de doctores tienen una periodicidad de 4 años.

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