Ciencia | Los límites de las percepciones

Premian investigaciones sobre lo más grande, lo más pequeño y lo más complejo; es decir, la astrofísica, las nanociencias y las neurociencias.

Este año, los premios Kavli, que en más de un sentido se parecen a los Nobel, se otorgaron a científicos que, por decirlo de alguna manera, mezclan sentidos: “ven” sonidos y calor entre los objetos más grandes del universo, usan corrientes eléctricas para ver las cosas más pequeñas que hay y estudian cómo saboreamos los cambios de temperatura... Sí, leyó bien, “saboreamos” los cambios de temperatura.

Así, mientras Covid-19 nos muestra, por un lado, lo mal que están nuestros sistemas de salud y ciencia y, por otro, la ineficacia y el desinterés de nuestras autoridades para fortalecerlos ante la emergencia (que llega al extremo de, por el contrario, debilitarlos); no está de más que recordemos que la ciencia también se hace por el gusto de conocer.

Esto está muy grave

Imagínese que está en el espacio. Es frío y silencioso. No hay sonido, porque lo que nosotros escuchamos como tal en la Tierra es la vibración que se transmite por algún medio; normalmente, el aire, aunque también oímos sumergidos en el agua o cuando pegamos la oreja a la pared o el piso.

›Pero Andrew Fabian, premio Kavli 2020 en astrofísica, ha encontrado sonidos en el espacio: “Si nos fijamos en el gas existe entre las galaxias, que es extremadamente tenue, podemos apreciar que existe movimiento y que se podrían estar propagando ondas de presión, que es a fin de cuentas lo que conocemos como sonido… Hemos encontrado posibles evidencias de esto en nuestras imágenes de rayos X”, comentó Fabian en conferencia de prensa, y agrega que este sonido es el más grave del universo.

Lo que percibimos como sonido son vibraciones. Por ejemplo, la nota La que sirve como estándar para afinar, es una vibración de 440 ciclos por segundo, o una frecuencia de 440 Hertzios. La nota más aguda de un piano es un Do de 4,189 Hz y la más grave, un La de 27.5.

“Cuando hablo del sonido en el gas intergaláctico estoy hablando de un ciclo cada 10 millones de años, es un sonido de frecuencia extremadamente baja”, comenta Fabian. Es un Si bemol que se encuentra 54 octavas por debajo del Do más grave de un piano.

Aunque el sonido del espacio puede parecer una mera curiosidad, es un resultado importante del trabajo que ha hecho Fabian, quien trabaja con todo tipo de ondas electromagnéticas, desde la luz visible, pero también con ondas de frecuencias menores, como el infrarrojo y las ondas de radio.

Sobre todo trabaja con rayos x, que son ondas de muy alta frecuencia que se miden con números que van de 17 a 20 cifras.

Con esas distintas fuentes de ondas electromagnéticas (solo llamamos luz a las que podemos percibir con nuestros ojos) se pueden observar distintas cosas. Con las altas frecuencias de los Rayos X se observan objetos mucho más calientes que los que emiten luz visible, sus temperaturas se calculan en millones o hasta miles de millones de grados, en vez de los miles y decenas de miles de grados de las estrellas y galaxias que vemos en el cielo nocturno.

Esta diferencia ha permitido distinguir los agujeros negros supermasivos que se encuentran en el centro de algunas galaxias, pues las emisiones de Rayos X que generan no se ven “opacadas” por la luz de las estrellas que los rodeas, por muchas que sean.

›Estos agujeros negros, que llegan a tener masas equivalentes a miles de millones de veces la de nuestro Sol, no son los que emiten los Rayos X, es el gas interestelar, atraído por la enorme fuerza de gravedad de estos cuerpos el que, al girar en espirales mientras cae hacia el hoyo negro en lo que se conoce como un disco de acreción, se calienta a grandes temperaturas y emite los Rayos X. Midiendo esas emisiones, entre otras cosas, Fabian pudo calcular la velocidad a la que giran los agujeros negros supermasivos.

Observando los Rayos X, Fabian pudo resolver una pregunta que los astrónomos se había hecho durante años: por qué el gas que se encuentra entre los grupos o clusters de galaxias está caliente y no frío como para formar estrellas. Fabian encontró que el calentamiento era debido a agujeros negros cuya fuerza de gravedad actúa a través de miles de años luz de distancia.

›Por cierto, el nombre de disco de acreción tal vez le suena conocido de principios de 2019, cuando se dio a conocer la “fotografía” de uno de ellos que se obtuvo con ocho telescopios ubicados en distintos puntos de la Tierra, uno de los cuales es el Gran Telescopio Milimétrico de México. Ese disco de acreción es de baja temperatura porque corresponde a un agujero negro relativamente pequeño, por lo que sus emisiones son de baja frecuencia.

También cabe señalar que el GTM es operado por el Instituto Nacional de Óptica y Electrónica (INAOE), uno de los centros públicos a los que se recortó el presupuesto en 2019 y que en 2020 iban a tener una reducción adicional de hasta 75% en sus gastos operativos.

0.1

micrómetros

mide aproximadamente un coronavirus SARS-CoV-2. Su tamaño relativo con respecto al ser humano es equivalente al tamaño de una gallina comparado con el del planeta Tierra.

Aberraciones electroscópicas

Para perderle un poco el respeto al virus SARS-CoV-2 (sin dejar de tomar precauciones) conviene dimensionarlo con respecto a nuestro propio cuerpo: tiene el tamaño de una gallina comparada con el planeta Tierra. Esto permite entender, como señala el periodista de ciencia Pablo Correa, que lo importante no es tanto si uno se infecta el virus, sino la posible carga viral del contagio.

También permite entender y dimensionar el trabajo de los cuatro ganadores del premio Kavli en nanociencias, que no solo refinaron las técnicas que permiten, digamos, distinguir a la gallina, sino que las llevaron al extremo de ver al equivalente del ojo de una pulga que vive sobre la gallina; es decir, llevaron la microscopía hasta el nivel atómico.

El tamaño de un átomo es de alrededor de un ångström o la décima parte de un nanómetro o la 10 mil millonésima parte de un metro, y es imposible verlo con luz debido a una propiedad de las ondas electromagnéticas llamada longitud de onda, que se puede entender pensando en que todas las ondas electromagnéticas viajan a la misma velocidad, la de la luz: para que haya más por ondas unidad de tiempo tienen que ser más pequeñas y estar más pegadas unas a otras. Así, a mayores frecuencias, corresponden longitudes de onda menores.

La longitud de onda pone límites a la resolución que podemos tener con una determinada onda. En el caso de la luz visible, el color rojo tiene una longitud de onda de 750 nanómetros y el violeta, de 400. Con el mejor microscopio óptico posible, se pueden medio distinguir las bacterias, que miden alrededor de 500 nm; pero no virus como el SARS-CoV-2, que mide unos 100 nm.

Podríamos pensar que para obtener más resolución basta con utilizar Rayos X. El problema es que conforme aumenta la frecuencia también aumenta la energía de las radiaciones. Las muestras biológicas no toleran ni siquiera el ultravioleta y cualquier muestra, aunque sea inorgánica, es destruida por la energía de los Rayos X.

Es por eso que, a inicios del siglo XX, un grupo de científicos decidió “ver” con algo que no fueran ondas electromagnéticas sino rayos de electrones, que pueden tener longitudes de onda de escala atómica y baja energía.

›Ernst Ruska hizo el primer microscopio electrónico en 1931, imitando en todo lo que pudo al microscopio óptico. En 1937, Manfred von Ardenne inventó el microscopio electrónico de transmisión de barrido (STEM, por su sigla en inglés), que permite obtener imágenes tridimensionales. Desde entonces, fabricar “lentes” para rayos de electrones que no tengan aberraciones ha sido un gran problema teórico y experimental.

El premio Kavli en nanociencias fue para el grupo pionero alemán de Harald Rose, Maximilian Haider y Knut Urban, quienes idearon y desarrollaron las primeras lentes sin aberraciones para el microscopio electrónico. Estas lentes, por supuesto, no son de vidrio: son polos magnéticos dispuestos en diversas formaciones. Por otro lado, el grupo de Ondrej L. Krivanek, en Estados Unidos, adaptó esas ideas al STEM que

permitieron obtener imágenes tridimensionales a nivel atómico a principios del siglo XXI.

0.1 nanómetro o 1 ångström es el tamaño de los átomos que se pueden ver con el microscopio electrónico.

Un quemón al orgullo nacional

“Eso sí calienta”, ha dicho el presidente Andrés Manuel López Obrador en sus conferencias mañaneras. Esa misma expresión metafórica de orgullo herido me vino a la mente cuando conocí el trabajo que hizo uno de los ganadores del premio Kavli en neurociencias, David Julius, quien descubrió cómo funcionan nuestros sensores de calor.

Julius y su equipo hicieron una serie de experimentos que hubieran sido imposibles de hacer con algo tan ubicuo, impreciso y difícil de manejar como el calor; pero tuvieron la fortuna de que los sensores de calor no sólo son sensibles a éste, también se activan con la capsaicina, una sustancia que hace que el chile “pique” de la misma manera que los receptores del frío se activan con el mentol.

¡Así es! El chile no “pica”, como creemos los hablantes del español, el chile “quema”, como se suele decir en inglés, o, más bien, “arde”, como decimos los mexicanos cuando nos hieren el orgullo.

Admitir que los angloparlantes describen con más precisión que los mexicanos la sensación de enchilarse, pues, ni hablar, enchila, calienta; pero lo cierto es que mi orgullo quedó todavía más herido porque estos premios a tan increíbles descubrimientos y desarrollos se concedieron mientras en México no pudimos hacer ni comprar a tiempo pruebas para detectar al SARS-CoV-2.

Tampoco hemos podido hacer ventiladores sobre los planos que el MIT liberó, y el modelo epidemiológico en que se basa nuestra estrategia de contención ante Covid-19 no se puede dar a conocer porque es “propiedad intelectual de Conacyt”.

Pero en el fondo, duele más la frase de Andrew Fabian: “La actual pandemia está demostrando el peligro de que las personas que están a cargo no entiendan de ciencia”.

Dimensiones

La longitud de onda pone límites a la resolución que podemos tener con una determinada onda.

Radiación Rango de frecuencias Longitudes de onda

• Rayos gamma 1020 - 1024 < 10-12 m
• Rayos X 1017 - 1020 1 nm - 1 pm
• Ultravioleta 1015 - 1017 400 nm - 1 nm
• Visible 4 - 7.5*1014 750 nm - 400 nm
• Infrarrojo cercano 1*1014 - 4*1014 2.5 µm - 750 nm
• Infrarrojo 1013 - 1014 25 µm - 2.5 µm
• Microondas 3*1011 - 1013 1 mm - 25 µm
• Ondas de radio < 3*1011 > 1 mm