Nobel de Medicina 2019 para los descubridores del mecanismo celular de adaptación al oxígeno

Gregg Semenza (Universidad John Hopkins, Baltimore, Maryland, EE.UU.), William Kaelin (Dana-Farber Cancer Institute, Boston, Massachusetts, USA) y Peter Ratcliffe (Universidad de Oxford, Reino Unido) han sido premiados con el Nobel de Medicina por descubrir cómo las células perciben y se adaptan a la disponibilidad de oxígeno.

El cuerpo carotídeo, situado junto a grandes vasos sanguíneos a ambos lados del cuello, contiene células especializadas que perciben el nivel de oxígeno en la sangre, lo que permite al cerebro adecuar el ritmo respiratorio. La eritropoyetina (EPO) es una proteína que se sintetiza en los riñones y que está presente en el torrente sanguíneo, donde promueve la producción de glóbulos rojos. Descubierta a principios del siglo XX y sintetizada en el laboratorio en 1977, la EPO se ha utilizado para aumentar el rendimiento de los atletas, como una forma de dopaje. Semenza estudió el gen EPO en ratones modificados genéticamente, descubriendo que segmentos de ADN situados junto del gen EPO intervenían en la respuesta al bajo nivel de oxígeno en sangre (hipoxia). Ratcliffe también estudió el gen EPO como regulador del nivel de oxígeno. Ambos investigadores encontraron que era un mecanismo general en muchos diferentes tipos de células, basado en un complejo de proteínas llamado factor inducible por hipoxia (HIF).

Estudiando una enfermedad hereditaria (VHL), Kaelin encontró que el gen VHL codifica una proteína que previene la aparición del cáncer y también que interviene en la regulación del nivel de oxígeno. En 2001, dos trabajos de Kaelin y Ratcliffe publicados simultáneamente mostraban la relación entre HIF y VHL y dejaban explicado el mecanismo celular de adaptación al nivel de oxígeno en sangre. El descubrimiento abre la puerta a nuevas estrategias para luchar contra la anemia, el cáncer y otras muchas enfermedades.

Semenza, Kaelin y Ratcliffe ya fueron premiados en 2016 para este descubrimiento, con el prestigioso premio Lasker de investigación médica básica, dotado con 250.000 US $.

Información y imágenes sacadas de:
https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2019/summary

Otra fuente de información:
Heidi Ledford, Ewen Callaway. «Biologists who decoded how cells sense oxygen win medicine Nobel». Nature News, 07 October 2019.
https://www.nature.com/articles/d41586-019-02963-0

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Nobel de Física 2019 para los avances en el conocimiento del papel de la Tierra en el cosmos

Este año, la Academia de Ciencias de Suecia ha optado por premiar dos descubrimientos que supusieron, con 31 años de diferencia, grandes avances en el conocimiento de la cosmología y de nuestra propia situación en el cosmos.

James Peebles (Princeton University, USA) es premiado por el marco teórico que desarrolló a mediados de los 1960’s que contribuyó decisivamente a fundamentar el modelo del Big Bang. En 1964, Arno Penzias y Robert Wilson, ingenieros de la compañía Bell Telephon, descubrieron la radiación de fondo de microondas, sin saber en un principio que era lo que habían descubierto. James Peebles en aquellos años predijo la existencia de una intensa radiación en los primeros minutos después del Big Bang, de la que debería quedar ahora un remanente de radiación. Cuando Penzias y Wilson tuvieron noticia de los trabajos de Peebles, supieron qué era lo que habían descubierto: justamente la radiación remanente de los primeros minutos del universo, en forma de microondas. El descubrimiento les valió el Premio Nobel de 1978, que no reconoció entonces el papel de James Peebles. Ahora, 41 años más tarde, es reconocido.

Michel Mayor (Universidad de Ginebra, Suiza) y Didier Queloz (Universidad de Ginebra, Suiza, Universidad de Cambridge, Reino Unido) son premiados por el descubrimiento del primer exoplaneta, planeta fuera del sistema solar, en 1995. El planeta orbitaba alrededor de una estrella del tipo del Sol, dentro de nuestra galaxia. Desde entonces, más de 4.000 exoplanetas han sido descubiertos y han abierto la posibilidad de descubrir un día, quizás no muy lejano, vida fuera de la Tierra. El descubrimiento de la radiación de fondo y de los exoplanetas nos han hecho cambiar para siempre nuestra percepción del mundo.

Información basada en, e imágenes sacadas de:
https://www.nobelprize.org/uploads/2019/10/press-physics2019.pdf

Más información sobre la radiación de fondo, en este mismo blog:
Encuentran la radiación de fondo
Radiación de fondo, otro Nobel en 2006

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El Nobel de Química 2019 para los creadores de la batería de litio

El 9 de Octubre (2019) la Real Academia de Ciencias de Suecia anunció la concesión del Premio Nobel de Química por John B. Goodenough (Texas University, Austin, USA), M. Stanley Whittingham (Binghamton University, New York, USA) y Akira Yoshino (Asahi Kasei Corporation, Tokyo, Meijo University, Nagoya, Japón), por el desarrollo de las baterías de ión litio.

Durante la crisis del petróleo de los años 1970, Whittingham desarrolló una batería con un cátodo (polo positivo) de disulfuro de titanio con iones litio intercalados a nivel molecular. El ánodo (polo negativo) era de litio metal, que tiene una gran facilidad para liberar electrones y producir, por tanto, una corriente eléctrica. Esta batería suministraba una diferencia de potencial de 2 voltios, pero el litio es un metal muy reactivo, casi explosivo, lo que la hacía inviable para un uso generalizado.

Goodenough modificó el cátodo, haciéndolo de óxido de cobalto con iones litio intercalados, lo que daba una diferencia de potencial de 4 voltios, que hacía posible baterías más potentes. Yoshino continuó la investigación y, en 1985, creó la primera batería de ión litio viable comercialmente, cambiando el litio reactivo del ánodo por coque de petróleo, un tipo de carbón que puede tener intercalados iones litio como el cátodo. Los polos, ánodo y cátodo, de la nueva batería no se deterioraban apreciablemente con el tiempo, ya que su funcionamiento se basaba en la circulación de los iones litio de ánodo a cátodo y no en la reacción química de un metal, como es el caso de muchos otros tipos de baterías. Desde el año 1991, la batería de iones litio está presente en todo tipo de aparatos electrónicos de uso común, como ordenadores, teléfonos móviles, relojes, reproductores de música, fuentes de luz, juguetes,. . .

Información y imágenes de:
https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2019/summary/
https://www.nobelprize.org/uploads/2019/10/press-chemistry-2019-2.pdf
https://www.nobelprize.org/uploads/2019/10/fig5_ke_en_YoshinosBattery.pdf

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De los meteoritos a la tecnología del hierro

El hierro ha tenido y continúa teniendo una gran importancia en la fabricación de armas y herramientas o en la construcción de puentes o edificios. Pero aunque se empezó a obtener hace 3.200 años, no ha sido hasta hace poco más de 100 años cuando se ha podido disponer en la cantidad y calidad adecuadas.

La Edad del Hierro no empieza hasta el año 1.200 aC, pero han sido descubiertos objetos hechos con hierro fechados en años muy anteriores, hacia el 2.000 o incluso el 2.500 aC, durante la Edad del Bronce. Se puede suponer que el hierro para fabricarlos provenía de meteoritos caídos en la Tierra, pero si no fuera así, se podría pensar que la tecnología del hierro se habría empezado a desarrollar en determinadas regiones antes que en otras. Últimas investigaciones pretenden poner fin a la polémica.

Desde el aprovechamiento del hierro de los meteoritos hasta los sistemas de fabricación actuales, la tecnología del hierro ha sido clave en el desarrollo de las civilizaciones.

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Una docena de nuevos agujeros negros en el centro de la Vía Láctea

Un equipo de astrónomos de la universidad de Columbia, Nueva York, USA, han encontrado una docena de pequeños agujeros negros alrededor de Sagitario A, el agujero negro supermasivo situado en el centro de nuestra galaxia. El descubrimiento abre nuevas oportunidades para entender la dinámica de formación de las estrellas dentro de las galaxias.

Sagitario A está rodeado de un halo de gas y polvo a partir del cual se generan estrellas masivas. En el exterior del halo, se cree que hay miles de pequeños agujeros negros que, a medida que pierden energía, caen hacia el gran agujero negro hasta ser capturados por el. Pero en dos décadas de investigación, no se había encontrado ninguno de estos pequeños agujeros negros. Los datos obtenidos en el Observatorio Orbital Chandra de rayos X y ahora publicados, confirman la presencia de doce de estos pequeños agujeros negros y abren la posibilidad de encontrar muchos más. Se han podido detectar porqué cada agujero negro va acompañado de una estrella, formando un sistema binario y se produce una interacción entre el agujero negro y su compañera: la fuerza gravitatoria del agujero negro atrapa material de la estrella y lo calienta hasta que este material emite rayos X. La detección de esta radiación es lo que ha demostrado la existencia del agujero negro.

Región de agujeros negros en el centro de la Vía Lácte. Credit: NASA/CXC/SAO

Chuck Hailey, co-director del Laboratorio Astrofísico de Columbia y líder del estudio, dice que hay solo unas cinco docenas de agujeros negros conocidos en toda la galaxia, de 100.000 años-luz de diámetro, pero se estima que tiene que haber muchos miles más. La dificultad de encontrarlos radica en que no emiten ninguna radiación detectable directamente y se ha de acudir a detectar los efectos que los agujeros negros provocan en los cuerpos próximos, como es el caso de los doce agujeros negros descubiertos. Por la relación probable entre el número de agujeros negros formando sistemas binarios con estrellas y el número de agujeros negros aislados, se supone que tendría que haber entre 10.000 y 20.000 pequeños agujeros negros alrededor de Sagitario A, en una región de solo 6 años-luz de ancho. El centro de la Vía Láctea alrededor de Sagitario A, se convierte en el único laboratorio donde estudiar la interacción entre los grandes agujeros negros y los pequeños agujeros negros de su su entorno, ya que no es posible estudiar esta interacción en otras galaxias.

Fuentes de información
(1) «A dozen new black holes found in Milky Way’s center». Science News. April 4, 2018.
https://www.sciencenews.org/article/dozen-new-black-holes-found-milky-way-center
(2) New Study Suggests Tens of Thousands of Black Holes Exist in Milky Way’s Center. NASA. April 4, 2018. http://www.chandra.harvard.edu/press/18_releases/press_040418.html
(3) Charles J. Hailey, Kaya Mori, Franz E. Bauer, Michael E. Berkowitz, Jaesub Hong & Benjamin J. Hord. «A density cusp of quiescent X-ray binaries in the central parsec of the Galaxy». Nature volume 556, pages 70–73 (05 April 2018) doi:10.1038/nature25029
https://www.nature.com/articles/nature25029

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Visualización detallada de las moléculas, Nobel de Química 2017

El descubrimiento de Jacques Dubochet, Joachim Frank y Richard Henderson impulsa a la ciencia bioquímica hacia una nueva era, según la Academia Sueca que acaba de conceder el Nobel de Química a los tres científicos. La técnica de microscopía crioelectrónica que han desarrollado permite visualizar, con resolución atómica, biomoléculas en movimiento que hasta ahora no había sido posible ver.

La herramienta para obtener imágenes con tan alta resolución es el microscopio electrónico, que hasta hace unos veinte años se consideraba inadecuado por dos razones: el haz de electrones, que es la «luz» que utiliza el microscopio electrónico, destruía las moléculas orgánicas a las que se dirigía y, por otro lado, como que requiere trabajar al vacío, este vacío provocaba la evaporación del agua presente alrededor de la molécula y eso alteraba su estructura.

Richard Henderson consiguió hacer frente a dos problemas en 1975, obteniendo imágenes de bacteriorodopsina, proteína de color púrpura incrustada en la membrana celular de determinados organismos. Cubrió la superficie de la muestra a observar con una solución de glucosa, que evitaba la evaporación del agua y utilizó un haz de electrones suficientemente débil para no destruir la molécula. Este procedimiento daba imágenes de baja resolución pero, tomando imágenes desde diferentes ángulos y sabiendo que los átomos dentro de la proteína están situados siguiendo un patrón determinado, fue posible obtener la mejor imagen de la estructura de la proteína nunca vista en tres dimensiones.

Joachim Frank desarrolló un método matemático (software) que permitía reconocer diferentes patrones en la imagen y, reuniendo la información de los patrones similares, mejoraba la resolución de la imagen 2D obtenida. Reuniendo diferentes imágenes 2D obtenidas desde diferentes ángulos, creaba una imagen 3D. A mitad de los años 1980, utilizó el método para obtener la imagen de la superficie de un ribosoma, la fábrica de proteínas celular.

Pero el método puesto a punto por Henderson no servía para moléculas que fueran solubles en medio acuoso, ya que el agua las alteraba. Diferentes investigadores trataron de recubrir la molécula con agua a baja temperatura, formando hielo para evitar la disolución. Pero los cristales de hielo distorsionaban el haz de electrones y las imágenes eran inservibles. Jacques Dubochet dio con la solución: enfriando el agua muy rápidamente, no se forman cristales sino una forma vítrea (sólido pero sin la ordenación típica de los cristales) del agua que recubre la molécula. La temperatura suficientemente baja se conseguía con etano enfriado por nitrógeno líquido. En 1984 Dubochet presentó las primeras imágenes bien contrastadas de diferentes virus. Este es el método llamado de microscopía crioelectrónica.

Utilizando su software con el método de Henderson, Frank obtuvo en 1991 nuevas imágenes de ribosomas en 3D con una resolución de 40 A (Angstrom). La resolución del método ha ido mejorando y, en 2013, se obtienen ya imágenes con resolución atómica (1 A).

Imagen sacada de:
https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2017/popular-chemistryprize2017.pdf

Noticia en la página del Nobel:
https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2017/press.html

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Nobel por el descubrimiento del reloj interno del cuerpo

Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash, Michael W. Young han recibido el Nobel de Medicina 2017 por «el descubrimiento de los mecanismos moleculares que controlan el ritmo circadiano». Ritmo circadiano es la oscilación de las variables biológicas de un ser vivo para adaptarse a la sucesión del día y la noche, el llamado reloj interno. Desde hace mucho tiempo se conoce que la fisiología de los seres vivos se adapta al ciclo diario marcado por la rotación del planeta. Todo el mundo que ha viajado a través de diferentes husos horarios ha sufrido, en mayor o menor medida, las consecuencias del «jet lag». No ha sido sin embargo, hasta los resultados de los trabajos de los premiados, que se ha podido explicar cómo las plantas, los animales y los propios humanos, nos adaptamos al movimiento diario de la Tierra.

Durante los años 1970, Seymour Benzer y Ronald Konopka demostraron que las mutaciones de un gen desconocido, que llamaron periodo (period en inglés) alteraban el ritmo circadiano de las moscas. En 1984, Hall y Rosbash, aislaron el gen periodo y descubrieron que la proteína PER, codificada por el gen periodo acumulaba durante la noche y se degradaba durante el día. Los niveles de PER oscilaban en un ciclo de 24 horas, de acuerdo con el ritmo circadiano. El paso siguiente era comprender el mecanismo por el que se producían las oscilaciones. Hall y Rosbash comprobaron que, en un ciclo de 24 horas, la proteína PER, era sintetizada en el cito-plasma de la célula durante el día y se acumulaba en el núcleo durante la noche, bloqueando la actividad del gen periodo. Pero, como era transportada la proteína POR hasta el núcleo?

En 1994, Young descubrió un segundo gen, que llamó atemporal (Timeless, en inglés), que codificaba otra proteína, TIM. Cuando las dos proteínas TIM y POR unían, eran capaces de entrar en el núcleo para bloquear la actividad del gen periodo. Young todavía descubrió un tercer gen, llamado doble tiempo (doubletime, en inglés), que codificaba una nueva proteína, DBT, que retrasaba la acumulación de la PER, para ajustar la frecuencia de las oscilaciones a las 24 horas del día.

Desde los primeros descubrimientos del reloj biológico interno hasta las últimas investigaciones de los tres premiados, el estudio de los ritmos circadianos ayudan a regular los patrones de sueño, la influencia de la alimentación, la liberación de hormonas, la presión sanguínea y la temperatura corporal.

Noticia en la página del Nobel:
https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2017/press.html

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Primera detección de las ondas gravitacionales, Nobel de Física

Rainer Weiss, Barry C. Barish, Kip S. Thorne han recibido el Premio Nobel de Física 2017 por «las decisivas contribuciones al detector LIGO y la observación de ondas gravitacionales». Las ondas gravitacionales, una predicción de la teoría de la relatividad general de Albert Einstein publicada hace poco más de 100 años, son la transmisión de eventos producidos por cuerpos muy masivos a través del tejido del espacio-tiempo. Estas ondas tienen una acción extremadamente débil sobre el entorno, por lo que, el mismo Einstein estaba convencido de que nunca podrían ser medidas.

Para ser detectadas hacían falta por lo tanto dos condiciones: un evento cósmico suficientemente potente como para generar ondas gravitacionales de una intensidad considerable y disponer de aparatos de muy alta resolución, capaz de medirlas. Estas dos condiciones se cumplieron vez el día 11 de febrero de 2016, cuando llegaron a la Tierra las ondas procedentes del choque de dos agujeros negros de masa unas 30 veces el Sol, producido hace 1.300 millones de años, y el detector LIGO estaba preparado para recibirlas y medirlas.

En 1984, un equipo de científicos liderado por Kip S. Thorne, del Instituto Tecnológico de California (Caltech) y Reiner Weiss, del Instituto Tecnológico de Massachussets (MIT) puso en marcha el proyecto LIGO con el objetivo de detectar las ondas gravitacionales. LIGO consta de dos interferómetros láser situados en puntos extremos de Estados Unidos, Livinstong, Luisiana, en el sureste y Hanford, Washington, en el noroeste. Cada interferómetro consta de dos brazos de 4 km que forman un ángulo recto, por cada uno de los cuales circula un rayo láser. Los rayos procedentes de cada brazo se encuentran en un punto, produciendo una figura de interferencia característica. Una variación en el espacio tiempo, provocada por ejemplo por una onda gravitacional, que modifique ligeramente la longitud de los brazos, hace variar la figura de interferencia y permite detectar el paso de la onda.

Barry C.Barish, del Instituto Tecnológico de California (Caltech) se incorpora al proyecto LIGO en 1994 como investigador principal y es nombrado director en 1997. La última versión, Advanced LIGO, del año 2010, mejora la detección alargando el recorrido de los láser hasta 1.120 km en cada brazo, a través de un sistema de espejos. El sistema es entonces capaz de detectar cambios en la longitud de los brazos miles de veces menores que el diámetro de un protón. Estaba preparado para la detección de las ondas gravitacionales.

Ondas de todo tipo del espectro electromagnético se han utilizado para observar el universo, pero ahora, con el descubrimiento de las ondas gravitacionales, se abre un campo de grandes y aún desconocidas posibilidades. Las ondas gravitacionales, que no son de naturaleza electromagnética, nos permitirán conocer más a fondo el tejido del que está hecho el universo, el espacio-tiempo.

Fuentes de información:
Premio Nobel de Física: https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2017/press.html
Proyecto LIGO: https://www.ligo.caltech.edu/page/ligo-gw-interferometer

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Radiación de fondo, otro Nobel el 2006

Las determinaciones de la radiación de fondo de microondas hechas desde la Tierra, incluida la primera de Penzias y Wilson de 1964, presentaban la dificultad de que la atmósfera absorbe una buena parte de la radiación. Incluso haciendo las determinaciones desde montañas altas o globos meteorológicos no se obtenía una buena definición de la radiación. Además resultaba imposible dirigir la antena hacia cualquier parte del universo, por el mismo hecho de estar situada junto a la Tierra, con lo que no se podía demostrar que fuera la misma radiación en cualquier dirección. Para eliminar estos dos inconvenientes, la NASA, en 1974, invitó a astrónomos y cosmólogos a presentar propuestas para nuevos experimentos de medida desde el espacio, lo que llevó al desarrollo del proyecto COBE, «COsmic Background Explorer» , «explorador del fondo cósmico». El proyecto consistió en poner en órbita un satélite con un radiotelescopio para poder explorar el fondo del universo. (1) (2)

John Mather, astrofísico de la NASA, fue el verdadero motor del equipo de cerca de mil científicos e ingenieros que trabajaron en el proyecto y también estuvo encargado de uno de los instrumentos. George Smooth, astrofísico del laboratorio Berkeley de la Universidad de California, había trabajado en la detección de diferencias de temperatura en función de la dirección en la radiación de fondo y propuso a la NASA la utilización de la técnica y el detector que él había utilizado. Su propuesta fue aceptada y el detector incorporado al satélite COBE, que fue lanzado el 18 de noviembre de 1989.

¿Qué descubrió el COBE?

Primero: John Mather era el responsable del instrumento que analizó el espectro de la radiación de fondo de microondas y comprobó que se ajusta muy exactamente al espectro de un cuerpo negro a la temperatura de 2,7 K, en el intervalo de longitudes de onda de 0,28 a 3,3 milímetros, lo que confirma la idea de una gran explosión inicial. (3) (4)

Expliquemos un poco esto:
Un cuerpo negro en física es un cuerpo ideal que absorbe toda la energía radiante que incide sobre él y lo emite con una intensidad que depende de la longitud de onda y de la temperatura. El espectro de emisión del cuerpo negro fue descrito por Planck y esta descripción está en el origen de la teoría cuántica. La emisión de radiación de los cuerpos reales se estudia en relación con la emisión del cuerpo negro (ideal) a la misma temperatura. Las estrellas se comportan aproximadamente como cuerpos negros.

La radiación de fondo observada por el COBE es el cuerpo negro más perfecto que se puede observar en la naturaleza, corresponde a la temperatura de 2,7 K y supone que el universo, aproximadamente 1 segundo después del instante inicial, se comportaba como un cuerpo negro a la temperatura de 10 ^10 K que se ha ido enfriando, conforme se iba expansionando, hasta la temperatura actual. Esto es lo que sirve para confirmar la teoría del Big Bang.
La idea que ahora confirma el COBE ya fue apuntada por Gamow y por Peebles: en los primeros instantes del universo la interacción (choques) entre protones, neutrones y fotones era tan intensa que impedía la formación de núcleos por unión de protones y neutrones. A los tres minutos, entre el minuto tres y el cuatro, ya se empiezan a unir protones y neutrones formando núcleos ligeros (deuterio, tritio, helio) coexistiendo aún con electrones y fotones. Hacia 700.000 años más tarde, según Steven Weinberg, ya se forman átomos estables, por unión de los electrones con los núcleos y el universo se hace transparente a la radiación, los fotones dejan de interactuar tan intensamente con átomos y núcleos. Estos fotones que van perdiendo energía conforme el universo se expansionando, acabarán en nuestro tiempo como radiación de fondo de microondas, siendo un testigo de la gran explosión inicial. (5)
Segundo: Doce años después del descubrimiento de Penzias y Wilson, George Smooth y su grupo descubren irregularidades (anisotropía) en el mapa de la radiación de fondo, que podrían explicar la formación de estrellas y galaxias. Tuvieron que tener en cuenta la influencia de la propia galaxia y objetos más cercanos y masivos como la Luna o Júpiter. Encontraron una divergencia entre las temperaturas de diferentes partes del orden de una parte en cien mil, lo que confirma que tuvieron pequeñas diferencias de densidad de materia que explicarían la formación de galaxias y otras estructuras por colapso gravitatorio de aquellas irregularidades primordiales. La revista «Investigación y ciencia» (3) publicó un artículo en abril de 1993 con los mapas del cielo obtenidos.
Quizás la pregunta más interesante sería: ¿Qué provocó esta anisotropía?

El artículo referido (3) da algunas razones: los fotones podían haber sufrido las consecuencias gravitatorias de las variaciones de densidad que provendrían de la etapa inflacionaria del universo, etapa de una fuerte y acelerada expansión que tuvo lugar entre los instantes 10 ^-43 y 10 ^-33 segundos. Estas variaciones de la densidad de los instantes iniciales son independientes de la escala, se conservan una vez el universo se ha hecho mucho mayor debido a la expansión y son responsables de la condensación de la materia que, por efecto de la gravitación, dará lugar a la formación de las galaxias miles de millones de años más tarde.
Es decir, parece que ya desde el principio, se generó la semilla que daría al universo el aspecto actual, dejando un testimonio mudo pero esclarecedor en forma de radiación de microondas.

Una segunda misión de la NASA para detectar aún con más precisión las irregularidades de la radiación de fondo fue el Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, WMAP, publicando en 2012 el mapa con el resultado de 9 años de medidas. (6)

Imagen (NASA) de 2012 del Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) resultado de 9 años de medidas.

Todavía hay una tercera misión, Planck, de la ESA con participación de la NASA, lanzada en 2009, que nos ofrecerá un mapa más detallado todavía. El estudio de la llamada radiación fósil todavía continuará durante años proporcionando valiosa información de los primeros instantes del universo.

¿Quienes eran John Mather y George Smooth, principales figuras del proyecto COBE premiados con el Nobel de 2006?
Responderemos con unas pinceladas de sus autobiografías publicadas en la página de los Nobel.

John Mather, nació en Virginia en 1946. Entre los 9 y los 11 años hizo sus primeras experiencias con la ciencia, escuchando emisoras con un kit de radio de onda corta, montando un pequeño telescopio refractor o diseñando un robot con tubos de vacío y controles remotos. Hizo el doctorado en la universidad de California, trabajando en la determinación del espectro de la radiación de fondo. Es astrofísico de la NASA y profesor de física en la universidad de Maryland. (7)

George Smooth, nació en Florida en 1945. Explica que, cuando era pequeño, un día que viajaba en coche con sus padres quedó intrigado porque la Luna los seguía a lo largo de todos los kilómetros del viaje. La explicación de sus padres que la Luna era bastante grande y estaba bastante lejos para que no variara su imagen en un pequeño desplazamiento en la Tierra, fue una revelación de que el mundo puede ser entendido por una simple evaluación racional. Estudió en el MIT, trabajando para pagarse los estudios y estaba haciendo su doctorado cuando Penzias y Wilson descubrieron la radiación de fondo. Es profesor de física en la universidad de California e investigador en el laboratorio Berkeley de la misma universidad. (8)

George Smooth. Imagen Wikimedia Commons.

Anécdota (9):
George Smooth es uno de los dos únicos ganadores de un famoso juego de la TV americana «Are You Smarter than a 5th Grader?» En el que se trata de contestar 10 preguntas, 2 por cada curso de escuela elemental, de 5 a 10 años y una pregunta final. El concursante que no llega al final tiene que reconocer que «no es más inteligente que un estudiante de 5º grado de escuela elemental». George Smooth se presentó al concurso de la temporada 2008 – 2009 y dejó bien patente que era al menos tan inteligente como un estudiante de 5º grado, por si no era suficiente su trayectoria científica con premio Nobel incluido.

Fuentes de información utilizadas:

(1) Nobel Física 2006, https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2006/summary/
(2) http://science.nasa.gov/astrophysics/focus-areas/what-powered-the-big-bang/
(3) Sanz, José Luis, Martínez-González, E, Radiación cósmica del fondo de microondas, Investigación y Ciencia, Abril 1993 https://www.investigacionyciencia.es/revistas/investigacion-y-ciencia/calculador-de-babbage-70/radiacin-csmica-del-fondo-de-microondas-5110
(4) http://en.wikipedia.org/wiki/Black_body
(5) Steven Weinberg. Los tres primeros minutos del universo. Alianza Universidad. 1988.
(6) Imagen de la radiación de fondo del WMAP http://map.gsfc.nasa.gov/media/121238/index.html
(7) https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2006/mather/facts/
(8) https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2006/smoot/facts/
(9) http://en.wikipedia.org/wiki/Are_You_Smarter_than_a_5th_Grader%3F_%28U.S._game_show%29

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Encuentran la radiación de fondo

Hacia 1950 George Gamow y sus colegas (Ralph Alpher y Robert Hermann) ya predijeron y publicaron la existencia de una radiación de fondo, remanente del universo primitivo que, según sus cálculos, actualmente debía ser equivalente a una temperatura media del universo de 5 K. Como veremos hoy, los cálculos no eran del todo correctas, pero resulta sorprendente que el artículo pasara desapercibido y aún más, que hasta el 1964, nadie siguiera la línea de razonamiento que implicaba que, por las proporciones de hidrógeno y helio encontradas en el universo, éste debía contener un fondo de radiación que podía ser todavía observado. Esta es la opinión de Steven Weinberg, premio Nobel de 1979 por su contribución, con otros (Sheldom Glashow, Abdus Salam) a la teoría de unificación entre la fuerza electrodébil y la electromagnética. (1)

Pero veamos cómo encontraron la radiación de fondo. Nos basaremos en la descripción que hace el propio Steven Weinberg en su libro «Los tres primeros minutos del universo» (1).

En 1964, la compañía Bell Telephon tenía una antena de radio en Crawford Hill, Holmdel, New Jersey, para las comunicaciones vía satélite. Por sus características, un reflector de 6 m con forma de cuerno (antena de bocina) y un nivel de ruido de fondo muy bajo, era un instrumento que se podía utilizar en radioastronomía. Arno Penzias y Robert Wilson, radioastrónomos de la Bell Telephon, comenzaron a utilizar la antena para medir las ondas de radio provenientes de la parte de nuestra galaxia fuera del plano ecuatorial, que es donde está acumulada la mayor parte de la masa de la galaxia.

Antena utilizada por Arno Penzias y Robert Wilson.
Imagen de Wikimedia Commons.

Este tipo de medida es muy difícil de hacer. La mayoría de las fuentes de radio astronómicas son en sí mismas como una especie de ruido de fondo similar al que se siente en la radio o en la TV cuando no se tiene sintonizada ninguna emisora. Cuando se apunta una antena hacia una estrella o galaxia lejanas, se puede diferenciar la señal que se recibe directamente del objeto y la que se recibe del cielo vacío de al lado, de forma que ésta se puede anular de la observación para obtener la que proviene sólo del objeto. Pero si lo que se quiere observar es el cielo de la galaxia, se deben haber eliminado previamente todos los ruidos posibles.

Así, para llevar a cabo la medida de las ondas de radio provenientes del cielo de nuestra galaxia, se tenían que asegurar que eliminaban cualquier señal proveniente de la Tierra e incluso de la propia antena, de la misma estructura de la antena . Empezaron por estudiar la señal de una fuente de radiación enfriada con He líquido a 4 K. Ya que la emisión de esta fuente es prácticamente nula, toda la señal registrada debería ser,

  • de la propia estructura de la antena,
  • de la atmósfera de la Tierra y
  • del espacio exterior a la Tierra.

Hicieron medidas a longitud de onda de 7,35 cm, de la banda de las microondas, obteniendo un ruido de fondo. Escogieron esta longitud de onda porque en ella el ruido debido a nuestra galaxia es despreciable. Fue fácil determinar el ruido proveniente de la atmósfera de la Tierra. Como este depende de la dirección, según el espesor de atmósfera que se atraviesa, se podían identificar las señales que variaran según el espesor de atmósfera atravesada y descartarlos.

Una vez hecho esto, aún encontraban en longitud de onda de 7,35 cm una cantidad de ruido que no dependía de la dirección de detección. Apuntando a diferentes direcciones del cielo, siempre se encontraba el mismo ruido. Ahora tenían que asegurarse de que no viniera de la propia antena. Se había observado que dos palomas habían estado en el cuello de la antena días antes y encontraron que habían dejado allí lo que Penzias llamó «un material dieléctrico blanco». Capturaron y echaron a las palomas, que volvieron de nuevo y los tuvieron que capturar de nuevo y asegurarse de que no volverían a subir a la antena. Limpiaron la antena y haciendo nuevas medidas, encontraron sólo una pequeña disminución del ruido de fondo.

Faltaba aún determinar si venía de nuestra galaxia o de más allá. El hecho de que no variara con la dirección con que apuntaban la antena indicaba que no provenía de nuestra galaxia, que tiene una concentración de masa en la zona ecuatorial, la que se ha visto siempre desde la Tierra que cruza el cielo de norte a sur. Si fuera de nuestra galaxia debería haber dado una señal más fuerte cuando se apuntaba la antena hacia la zona ecuatorial. Otra razón era que, examinando con la antena la galaxia de Andrómeda, nuestra vecina y de características similares, tampoco se observaba ninguna variación.

La conclusión era pues que se había encontrado un ruido de fondo uniforme, proveniente del universo. Entonces cuantificaron este ruido, esta emisión de radio, en la forma habitual. Ya que cualquier objeto por encima del cero absoluto de temperatura emite ondas de radio debidas a los movimientos térmicos de los electrones de su estructura, se puede establecer una relación entre la energía de la radiación emitida y la temperatura del cuerpo. Según esta relación, la energía de las ondas de radio encuentradas, era emitida por un cuerpo extendido uniformemente por todo el universo, que se encontraba a una temperatura de 3,5 K, o más exactamente, entre 2,5 y 4, 5 K.

Este resultado fue sorprendente para Penzias y Wilson que pensaban que, siendo una temperatura muy baja, era mucho más alta de la que se podían esperar por un ruido de fondo como el que ellos desde el principio buscaban. Realmente no fueron conscientes inmediatamente de que se trataba del mayor descubrimiento cosmológico desde los desplazamientos al rojo, los que hemos hablado ya hace días.

Como se dió a conocer el descubrimiento y se captó su importancia? (1) (2)

Vamos ahora a hablar un momento de los astrónomos teóricos. En marzo de 1965, prácticamente en paralelo al trabajo de Penzias y Wilson, un joven teórico de Princeton, Jim Peebles había dado una charla y escrito un resumen explicando que, en los primeros minutos del universo debería haber habido una intensa radiación que evitara que las reacciones nucleares de formación de los núcleos pesados se produjeran muy rápidamente, de forma que se mantuvieran las proporciones de hidrógeno y helio, los núcleos más ligeros, que hay actualmente. Peebles calculaba que la radiación remanente, enfriada por la expansión del universo debería ser actualmente equivalente a unos 10 K. Era el mismo razonamiento que hemos dicho al principio que Gamow y sus colegas, estudiando justamente la formación de los núcleos en el universo primitivo, ya habían hecho y publicado 15 años antes.

Penzias habló con Bernard Burke, radioastrónomo del MIT y le comentó que había algo que no comprendía en el ruido de fondo que había encontrado. Burke había oído hablar de la charla de Peebles y sugirió a Penzias que hablara con los astrónomos de Princeton. De hecho Peebles había hecho su predicción porque Robert Dicke, físico experimental de Princeton, en 1964 pensó que debía haber un remanente de radiación de la primera etapa del universo, que seguramente sería detectable y comenzó a buscarla. Puestos en contacto Penzias y Wilson con los físicos de Princeton, publicaron un par de cartas conjuntas en la revista Astrophysical Journal, anunciando Penzias y Wilson que habían encontrado «una
temperatura de ruido cenital efectiva de unos 3,5 K superior a lo que esperaban «y los físicos de Princeton dando la explicación cosmológica.

Penzias y Wilson fueron premiados con el Nobel de 1978 por su descubrimiento. Compartieron el premio con Piotr Kapitsa, que fue premiado por sus estudios de física de baja temperatura con helio líquido, que no estaban directamente relacionados con el descubrimiento de Penzias y Wilson. (3)

Sólo una última reflexión de Steven Weinberg sobre el paréntesis de 15 años entre la primera idea publicada sobre la radiación de fondo y su descubrimiento: (1)

  • Gamow y sus colegas trabajaban en una teoría cosmológica muy amplia que pretendía explicar la formación de los elementos químicos y en el que la radiación de fondo era sólo un detalle.
  • Weinberg cree que el hecho de que nadie se pusiera a buscar la radiación de fondo fue el clásico ejemplo de la ruptura entre teóricos y experimentales. El propio Gamow escribió posteriormente, 1967, a Peebles diciendo que su grupo no había considerado nunca la posibilidad de detectar la radiación remanente.
  • Los físicos no se tomaron demasiado en serio las teorías sobre el universo primitivo porque los primeros minutos del universo están tan lejos de nuestra percepción que resultan incluso incómodas.
    Según Weinberg, el principal mérito del descubrimiento de la radiación de fondo de microondas fue obligarnos a todos a tomar en serio la idea de que hubo un universo primitivo, del que el actual es la consecuencia.

Fuentes de información utilizadas:
(1) Steven Weinberg. Los tres primeros minutos del universo. Alianza Universidad. 1988.
(2) http://www.astro.ubc.ca/people/scott/cmb_intro.html
(3) http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1978/press.html

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