Podcast CB SyR 496: Física del hula hoop, drogas egipcias, excitones de carga fraccionaria y cuásares como Little Red Dots

Te recomiendo disfrutar del episodio 496 del podcast Coffee Break: Señal y Ruido [iVoox A, iVoox B; ApplePodcast A, ApplePodcast B], titulado “Hula-Hoop; Drogas Egipcias; Excitones; Cuásars”, 23 ene 2025. «La tertulia semanal en la que repasamos las últimas noticias de la actualidad científica. Cara A: Francis Villatoro en CosmoCaixa (6:30). Foro Enciende el Cosmos de Fundación CajaCanarias (7:30). AICAD concede más de 1,200 becas a estudiantes ecuatorianos (27:00). La levitación del Hula-hoop (30:00). Cara B: La levitación del Hula-hoop (2a parte) (0:05). Psicotrópicos en una vasija del egipcio tolemáico (13:42). Excitones de partículas de carga fraccionaria (47:47). Little Red Dots: AGN débiles en z~5 (1:15:02). Señales de los oyentes (1:42:00). Imagen de portada realizada por Héctor Socas. Todos los comentarios vertidos durante la tertulia representan únicamente la opinión de quien los hace… y a veces ni eso».

¿Quieres patrocinar nuestro podcast como mecenas? «Coffee Break: Señal y Ruido es la tertulia semanal en la que nos leemos los papers para que usted no tenga que hacerlo. Sírvete un café y acompáñanos en nuestra tertulia». Si quieres ser mecenas de nuestro podcast, puedes invitarnos a un café al mes, un desayuno con café y tostada al mes, o a un almuerzo completo, con su primer plato, segundo plato, café y postre… todo sano, eso sí. Si quieres ser mecenas de nuestro podcast visita nuestro Patreon (https://www.patreon.com/user?u=93496937). ¡Ya sois 316! Muchas gracias a todas las personas que nos apoyan. Recuerda, el mecenazgo nos permitirá hacer locuras cientófilas. Si disfrutas de nuestro podcast y te apetece contribuir… ¡Muchísimas gracias!

Descargar el episodio 496 cara A en iVoox.

Descargar el episodio 496 cara B en iVoox.

Como muestra el vídeo participamos por videoconferencia Héctor Socas Navarro @HSocasNavarro /@hectorsocas.bsky.social / @HSocasNavarro@bird (@pCoffeeBreak / @pCoffeeBreak.bsky), Antonio Mampaso (solo cara A), María Ribes Lafoz @Neferchitty / @Neferchitty.bsky (solo cara A), Juan Carlos Gil Montoro @Ooxine (@ApuntesCiencia / @ApuntesCiencia.bsky / @ApuntesCiencia@astrodon), Gastón Giribet @GastonGiribet (solo cara B), y Francis Villatoro @eMuleNews / @eMuleNews.bsky / @eMuleNews@mathstodon. Por cierto, agradezco a Manu Pombrol @ManuPombrol el diseño de mi fondo para Zoom; muchas gracias, Manu.

Tras la presentación de Héctor, aprovecho para anunciar que impartiré la charla debate «¿Por qué me dicen que llego tarde si no existe el tiempo?» en el CaixaForum de Lleida el próximo martes 28 de enero de 2025 a las 19:00 horas (CaixaForum Lleida) y en el CaixaForum de Valencia el próximo miércoles 29 de enero de 2025 a las 18:30 horas (CaixaForum Valencia).

Antonio Mampaso nos anuncia el Ciclo Enciende el Cosmos 2025 de Fundación CajaCanarias (CajaCanarias agenda). Serán debates moderados entre dos científicos de áreas muy diversas. El primero será el jueves 13 de febrero de 2025 a las 19:00 horas con título «Extinciones en los humanos y en el universo» en el Espacio Cultural CajaCanarias de Santa Cruz de Tenerife. Intervendrán el biólogo Clive Finlayson, director del Museo Nacional de Gibraltar y del Gorham’s Cave Complex, y experto en los neandertales, y la física Montserrat Villar, investigadora del CSIC en el Centro de Astrobiología y especialista en galaxias activas, moderados por José María Fernández-Palacios, catedrático de ecología de la Universidad de La Laguna.

Héctor hace un comentario breve sobre la luminosidad del cuásar 1ES 1927+654 que se comentó la semana pasada. Ha realizado un cálculo de servilleta para estimar si en su galaxia la vida puede sobrevivir o no. Su respuesta es que sí se podría sobrevivir, ya que si este cuásar estuviera en el centro de nuestra galaxia (Sgr A*) tendría un brillo de una cienmilésima del brillo solar, es decir, equivalente al brillo de cien veces la Luna llena (aunque la emisión sería en un amplio espectro de frecuencias). Desde la Tierra se vería desde el hemisferio sur y solo dejaría un brillo zodiacal en el hemisferio norte. Comenta Juan Carlos que desde la Tierra no se verían estrellas en el cielo (cien veces el brillo de la Luna es mucho brillo).

Héctor anuncia que AICAD (https://www.aicad.es) concede más de 1200 becas a estudiantes ecuatorianos (noticia).

Juan Carlos nos comenta un artículo en PNAS sobre las fuerzas en la levitación del hula hoop (en este blog ya hablé del tema en «La física del hula hoop», LCMF, 24 jun 2011). Se explica la física y las matemáticas de cómo y por qué un aro de hula hoop se sostiene en contra de la gravedad. Esta levitación mecánica gracias a un punto de contacto giratorio depende de la forma del cuerpo. Se han combinado modelos matemáticos y experimentos robóticos para demostrar que para mantener el aro a un nivel constante hay que usar una superficie inclinada con “caderas” y una “cintura” curva (forma de reloj de arena). Este tipo de estudios tiene aplicación en el control y manipulación de objetos sin agarrarlos.

En un ciclindro, el hula hoop cae siempre. En un cono hay una altura mínima, por debajo de la cual desciende, pero por encima asciende. Se requiere un hiperboloide (o un doble cono) se logra que el hula hoop baile oscilando en altura, pero sin caer. La figura ilustra estos comportamientos; en el artículo hay una serie de 12 vídeos (movies) que permiten disfrutar de estos resultados experimentales y de sus simulaciones por ordenador (https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2411588121#supplementary-materials).

El hula hoop mantiene siempre un punto de contacto, que es clave por la fricción que introduce. Se ha desarrollado un modelo matemático 2D del hula hoop usando una formulación lagrangiana, a la que se incorporan dos fuerzas de fricción. Como muestra la figura, sin fricción, se observan cinco regímenes, pero en el caso realista, con fricción, solo hay dos regímenes: el fallo (failure) cuando cae el hula hoop y la oscilación (oscillatory) asociada a un atractor de tipo ciclo límite (limit cycle atractor). Gracias al atractor, poner en marcha el hula hoop es fácil (salvo para quienes no muevan bien su cintura; aunque María comenta que en la danza hula de Hawái se mueven las rodillas, no la cintura).

También presentan un modelo en 3D (aunque simplificado, más bien un modelo 2½D) para tener en cuenta la geometría de la región donde se apoya el hula hoop. Gracias a este modelo determinan dos puntos de equilibrio, uno inestable y otro estable; este último está en vertical un poco por debajo de la «cintura» de la geometría (algo observado en los vídeos de los experimentos). Destaca Juan Carlos que con una estrategia de control realimentado se puede conseguir estabilizar el hula hoop en un cono; así las personas «cilíndricas» (con caderas poco marcadas) podrían hacer girar el hula hoop con éxito si realizan un control activo de su movimiento rotatorio de caderas (algo que se aprende fácil con la práctica). El artículo es Xintong Zhu, Olivia Pomerenk, Leif Ristroph, «Geometrically modulated contact forces enable hula hoop levitation,» PNAS 122: e2411588121 (30 Dec 2024), doi: https://doi.org/10.1073/pnas.2411588121.

Nos cuenta María que se publica en Scientific Reports el hallazgo de psicotrópicos en una vasija del egipcio tolemáico (una jarra ritual egipcia del siglo II a.e.c.). Para su estudio se ha usado proteómica, metabolómica, genómica y microespectroscopia infrarroja mediante transformada de Fourier basada en radiación de sincrotrón (SR µ-FTIR) para caracterizar los residuos orgánicos de su contenido. Se han identificado varias sustancias funcionales, bioactivas, psicotrópicas y medicinales lo que indica que se utilizaba para prácticas rituales en el Egipto ptolemaico. La fuente de estas sustancia según el estudio genómico es botánica, plantas como Peganum harmala (alharma o harmal), Nimphaea nouchali var. caerulea (loto de Egipto) y una planta del género Cleome. Todas estas plantas tienen propiedades psicotrópicas y medicinales. Los fluidos identificados incluyen un líquido a base de fruta fermentada, miel y jalea real. Se han identificado compuestos químicos como alcaloides y flavonoides.

Un estudio multidisciplinar que ilustra la complejidad de las culturas antiguas y sus interacciones con sustancias psicoactivas, medicinales y bioactivas. El artículo es Davide Tanasi, Branko F. van Oppen de Ruiter, …, Enrico Greco, «Multianalytical investigation reveals psychotropic substances in a ptolemaic Egyptian vase,» Scientific Reports 14: 27891 (13 Nov 2024), doi: https://doi.org/10.1038/s41598-024-78721-8.

Me toca comentar que se publica en Nature la muy esperada observación de excitones formados por partículas de carga fraccionaria. En materiales bidimensionaels se han observado cuasipartículas con carga fraccionaria en materiales que muestran el efecto Hall cuántico fraccionario (FQHE). Los excitones son un estado ligado de una cuasipartícula tipo fermión (electrón) con otra de tipo antifermión (hueco). En materiales 2D bicapa, como el grafeno bicapa, un excitón se puede formar con un electrón en una capa y un hueco en la otra; cuando en estas bicapas se observa el efecto Hall cuántico, estas cuasipartículas pueden tener cargas enteras (mayores de la unidad), lo que enriquece los tipos de excitones que se pueden formar.

En los materiales bidimensionales como el grafeno se ha observado el FQHE en condiciones criogénicas bajo intensos campos magnéticos. En la figura se muestra la conductancia G medida en μS (microsiemens, donde un siemens es el inverso de un ohmio), en función del factor de llenado ν total (en el eje horizontal) y de una de las capas de grafeno en el eje vertical. Se observa que la conductancia está cuantizada ν e²/h (donde es la constante de Planck y e la carga eléctrica) para valores fraccionarios ν = p/q (desde la izquierda para las serie 1/3, 2/5, 3/7, etc. y desde la derecha para la serie 2/3, 3/5, 4/7, etc.) para los que la conductancia es cero (bandas de azul oscuro en la figura). La fracción de llenado ν se controla mediante la aplicación de diferencia de potencial en la capa de grafeno.

Ya en 1984 el Premio Nobel de 1998 publicó que se podrían formar excitones con estas quasipartículas de carga fraccionaria (Robert B. Laughlin, «Excitons in the fractional quantum hall effect,» Physica B+C 126: 254-259 (1984), doi: https://doi.org/10.1016/0378-4363(84)90172-4. El esfuerzo experimental por observar excitones en materiales FQHE ha sido bastante escaso. Por ello no resulta sorprendente que los primeros indicios de estos excitones se hayan publicado en Nature. En el artículo se observan pruebas de un transporte de carga en una bicapa de grafeno con geometría de Corbino (un disco con un agujero central en el que se aplica una diferencia potencial entre el borde interior y el borde exterior del disco). Esta geometría se usa mucho en la observación del FQHE.

En una bicapa de grafeno, se observa el FQHE de forma independiente en cada capa y se puede controlar la fracción de llenado de forma independiente en cada capa. Así se pueden formar estados fraccionarios de tipo hueco con cierta carga p₁/q₁ en una capa y de tipo electrón con otra carga p₂/q₂ en la otra capa. Se observan estados de tipo excitón con carga entera cuando la diferencia entre las cargas fraccionarias es entera. Cuando dicha diferencia es fraccionaria también se observa el transporte de cuasipartículas de tipo excitón con una estadística que se interpreta como excitones de carga fraccionaria.

Por supuesto, esta primera observación debe ser confirmada con estudios independientes. En mi opinión, la prueba definitiva que garantiza que se han observado excitones fraccionarios aún no se ha logrado. Por ello, es posible que haya futuros artículos que critiquen esta observación. Solo será definitiva cuando se logre un consenso científico al respecto. El artículo es Naiyuan J. Zhang, Ron Q. Nguyen, …, J. I. A. Li, «Excitons in the fractional quantum Hall effect,» Nature 637: 327-332 (08 Jan 2025), doi: https://doi.org/10.1038/s41586-024-08274-3, arXiv:2407.18224 [cond-mat.mes-hall] (25 Jul 2024).

Gastón nos comenta que los famosos Little Red Dots observados por el JWST parecen ser AGN débiles en z ~ 5 (cuando el universo era seis veces más pequeño y tenía unos 1100 millones de años de edad). Destaca que algunos medios publicaron que estos objetos aparentaban ser galaxias con una masa estelar similar a la nuestra, algo imposible en el modelo cosmológico LCDM; sin embargo, los nuevos resultados muestran que su luminosidad no es debida a sus estrellas, sino a sus núcleos galácticos activos AGN (conforme con las predicciones del modelo LCDM). Pero no vemos su emisión en rayos X, que se explica porque hay gran cantidad de gas y polvo que es opaca a los rayos X. Para obtener dicha conclusión se han combinado los sondeos EIGER y FRESCO basados en unas 70 horas de observaciones con NIRCam del JWST.

Las líneas espectrales de Hα observadas para desplazamientos al rojo z = 4.2–5.5 muestran líneas anchas entre ∼1200–3700 km/s, que contribuyen entre el ∼30%–90% del flujo infrarrojo observado en dichas líneas. Estos resultados se interpretan como resultado de la acreción de materia en agujeros negros supermasivos (SMBH) con masas implícitas ∼10^7–8 M⊙ (masas solares). La densidad de estos objetos se estima en ≈10⁻⁵ cMpc⁻³, que es un orden de magnitud mayor de la esperada a partir de observaciones previas de cuásares. De hecho, los núcleos galácticos activos (AGN) se encuentran en solo <1% de las galaxias formadoras de estrellas en z ∼ 5.

La función de masa de los SMBH observados concuerda con las predicciones de las grandes simulaciones cosmológicas. Luego los Little Red Dots pueden ser causados ​​por la absorción del gas denso que alimenta el crecimiento de los SMBH y sus emisiones. Podría ser resultado de la retroalimentación temprana de los AGN que les permite liberarse de polvo y gas que los rodea. Se observa una fuerte correlación entre el enrojecimiento y la fracción de la luminosidad total de la galaxia. Esto implica que el crecimiento temprano de los SMBH está muy oscurecido y que los AGN débiles solo tienen una pequeña contribución a la reionización cósmica.

El artículo es Jorryt Matthee, Rohan P. Naidu, …, Simon J. Lilly, «Little Red Dots: An Abundant Population of Faint Active Galactic Nuclei at z ∼ 5 Revealed by the EIGER and FRESCO JWST Surveys,» The Astrophysical Journal 963: 129 (07 Mar 2024), doi: https://doi.org/10.3847/1538-4357/ad2345, arXiv:2306.05448 [astro-ph.GA] (08 Jun 2023). Pero hay muchos otros artículos más recientes que confirman estas observaciones, como el reciente L. Bisigello, G. Gandolfi, …, N. Pirzkal, «Spectroscopic confirmation of a dust-obscured, metal-rich dwarf galaxy at z~5,» Astronomy & Astrophysics (10 Jan 2025), doi: https://doi.org/10.1051/0004-6361/202452604, arXiv:2410.10954 [astro-ph.GA] (14 Oct 2024).

Y pasamos a Señales de los Oyentes. Fede Lopez​​ pregunta: «¿Las oscilaciones acústicas de bariones al desplazar la materia forman patrones similares a los de Chladni en el universo?» Juan Carlos explica lo que son los patrones de Chladni como resultado de los modos resonantes de un placa recubierta de arena o polvo. Héctor explica que no se observan estos patrones en las BAO porque el universo no es una caja de resonancia, no hay nodos ni ondas estacionadas. El origen de las BAO es un cambio de fase. Pero le resulta sugerente la idea como metáfora, imaginar figuras de Chladni en todo el universo.

LectorCiencia​​ pregunta algo dirigido a María: «En simbología egipcia, ¿cómo se diría hula hoop? ¿Se sabe?» Héctor contesta que habría que saber cómo se decía «aro», que seguro que hay un símbolo para esta palabra. Juan Carlos le pregunta a ChatGPT, que le contesta que podría ser el símbolo Shen (wikipedia), que es una cuerda anudada con forma de círculo con una tangente horizontal.

Javier Benavides​​ pregunta: ¿Mi 2 % de neandertal es igual que tu 2 % de Neandertal? Contesto que no, que son diferentes entre diferentes personas. El ADN neardental que se conserva en los humanos modernos está muy fragmentado, por lo que los fragmentos en cada persona pueden ser diferentes.

Marisa Castiñeira traslada una pregunta de una alumna: «¿A que se deben los distintos colores de una supernova o de supernovas?» Contesta Héctor que los diferentes colores se pueden deber a diferentes temperaturas; las temperaturas más altas están asociadas a colores azulados y temperaturas algo más bajas a un color amarillento y las aún más bajas a uno rojizo. En las supernovas pasa lo mismo que con las estrellas, aunque lo que vemos son las capas de materia expulsada de la estrella que evolucionan con el tiempo conforme se expanden a gran velocidad. El cambio de colores se observa conforme pasan los días. La figura es de Pinaki Roy (estudiante supervisado por Surhud More y Anupreeta More), «Type Ia Supernovae Detection Rates for LSST,» ResearchGate (2018), que es una versión a color de la figura 12 del artículo de Peter Nugent, Alex Kim, Saul Perlmutter, «K-corrections and Extinction Corrections for Type Ia Supernovae,» Publ. Astron. Soc. Pac. 114: 803-819 (2002), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.astro-ph/0205351, arXiv:astro-ph/0205351 (21 May 2002).

Los colores también están asociados a la composición. Juan Carlos recuerda que lo mismo pasa con los fuegos artificiales, cuyos colores depende de las sustancias que se usan. Héctor enfatiza que también pasa con las estrellas fugaces cuyo color depende de la composición del meteoro que vemos.

Cristina Hernandez García pregunta: «Si el espaciotiempo es un único ente ¿un espacio finito implicaría un tiempo finito o no? ¿Una energía infinita violaría la conservación de la energía y un tiempo infinito la del momento?» Contesta Gastón la primera pregunta con que no hay ninguna relación, a priori, entre el espacio infinito y el tiempo infinito. Hay soluciones de las ecuaciones de Einstein con todas las combinaciones posibles. Para la segunda pregunta contesta que tampoco hay ninguna relación entre que la energía se conserve y que sea finita o infinita. La noción de conservación de la energía es local, sin importar si la energía total es finita o infinita. Héctor destaca que, incluso a nivel local, en escalas cosmológicas de espacio y tiempo, la energía no tiene por qué conservarse. La conservación de la energía deriva del teorema de Noether aplicada a la simetría de traslación temporal, que es una simetría que no se aplica en presencia de la expansión cósmica.

John Henry Osorio Orozco pregunta: «¿Qué hay de cierto sobre que dentro de las pirámides por dentro tienen energías que conservan los alimentos, no una nevera?» Contesta Héctor que se trata de una mitología moderna. El origen es de 1914, Antoine Bovis, un zahorí (que adivinaba con un palo donde hay agua), que nunca visitó ninguna pirámide en Egipto. Escribió un tratado en el que afirmaba que había construido una maqueta de una pirámide y que había hecho experimentos de conservación de carne en su interior (y de hojas de afeitar que se afilaban). El libro fue un éxito y popularizó el mito.

Juan Manuel Cruz pregunta: «¿Qué asimetría existe en la paradoja de los gemelos para que solo uno tenga su tiempo más lento que el otro, teniendo en cuenta la equivalencia de ambos sistemas de referencia?» Contesta Gastón que la paradoja aparece cuando los gemelos se encuentran de nuevo. Comento que si la trayectoria de ambos gemelos es simétrica, no hay ninguna paradoja; por ejemplo, si ambos se separan y ejecutan la misma trayectoria (circular en la figura a la izquierda) para luego reencontrarse. Solo se observa cuando hay una asimetría entre las longitudes de sus trayectorias; por ejemplo, si un gemelo se queda en la Tierra y el otro se aleja en una nave para luego volver a retornar, en dicho caso, la trayectoria espaciotemporal del gemelo en Tierra será más larga (L=10 en la figura) que la trayectoria del gemelo en la nave (L = 8). La figura de la derecha ilustra cómo ven las trayectorias ambos gemelos, en el centro para el gemelo en Tierra y a la izquierda para el gemelo en la nave. En general, para una trayectoria arbitraria de ambos gemelos, basta calcular (integrar) la longitud de ambas trayectorias, si son iguales, no hay paradoja, si son diferentes, el gemelo con trayectoria más corta será más joven que el otro; la diferencia de longitudes de trayectorias se iguala a diferencia entre sus tiempos propios.

Héctor finaliza dando todo nuestro apoyo al Planetario de Pamplona (Pamplonetario). «El incendio en el planetario de Pamplona se originó por un fallo eléctrico, según la investigación policial,» elDiario.es, 21 ene 2025. «El incendio que calcinó la sala ‘Tornamira’ del planetario de Pamplona y su proyector Zeiss VI, “único” en España por ser de los pocos analógicos en el mundo que seguían funcionando». También destaca que nos sumamos a la campaña de protesta contra el proyecto megaindustrial que estará entre 5 y 11 km de los telescopios del Observatorio Paranal de ESO en Atacama, Chile. «Los cielos más oscuros y prístinos del mundo en peligro por un megaproyecto industrial,» ESO, 10 ene 2025. «La empresa eléctrica estadounidense AES Corporation, presentó el proyecto para la evaluación de su impacto ambiental. Su contaminación lumínica causaría daños irreparables a las observaciones astronómicas. La reubicación del complejo salvaría uno de los últimos cielos oscuros y prístinos de la Tierra». Os mantendremos informados.

¡Que disfrutes del podcast!

La entrada Podcast CB SyR 496: Física del hula hoop, drogas egipcias, excitones de carga fraccionaria y cuásares como Little Red Dots fue escrita en La Ciencia de la Mula Francis.