He estado observando en los más de ocho años de existencia de este blog, que el tema de mayor recurrencia en las búsquedas de los usuarios/visitantes es la Gran Explosión (Big Bang), pero la información presente en la página no es vasta, por lo que se entiende que dejen preguntas o me hagan llegar cuestionamientos al respecto. Con base a ello, es que se realizará esta serie de entradas sobre la denominada Gran Explosión. Para ello, haremos un largo recorrido, a través de la Cosmología, popularmente conocida como “La Ciencia del Universo”. La palabra Cosmología proviene del griego κοσμολογία («cosmologuía», compuesto por κόσμος, /kosmos/, «cosmos, orden», y λογια, /loguía/, «tratado, estudio») concepción integral, denominada también filosofía de la naturaleza, es la ciencia que estudia todo lo relacionado con el cosmos o universo. La palabra «cosmología» fue utilizada por primera vez en 1731 en la Cosmología generalis de Christian Wolff, el estudio científico del universo tiene una larga historia que involucra a la física, la astronomía, la filosofía, el esoterismo y la religión. El nacimiento de la cosmología moderna puede situarse en 1700 con la hipótesis de que las estrellas de la Vía Láctea pertenecen a un sistema estelar de forma discoidal, del cual el propio Sol forma parte; y que otros cuerpos nebulosos visibles con el telescopio son sistemas estelares similares a la Vía Láctea, pero muy lejanos.

El Universo

Desde el principio debemos decidir si usamos Universo o universo. Esto no es un asunto tan trivial como podría parecer. Sabemos de un solo planeta llamado Tierra; Del mismo modo, sabemos de un solo Universo. ¿Seguramente entonces la palabra correcta es Universo?

El Universo es todo e incluye que pensemos sobre cómo llamarlo. Pero ¿qué es el Universo? ¿Realmente lo sabemos? Tiene muchas caras y significa muchas cosas diferentes para diferentes personas. Para las personas religiosas, es un mundo creado teísticamente, gobernado por fuerzas sobrenaturales; para los artistas es un mundo exquisito revelado por percepciones sensibles; para los filósofos profesionales es un mundo lógico de estructuras analíticas y sintéticas; y para los científicos es un mundo de observaciones controladas elucidadas por las fuerzas naturales. O puede ser todas estas cosas en diferentes momentos. Aún más diversos son los mundos o imágenes cósmicas en manos de personas de diferentes sociedades, como los aborígenes australianos, chinos, esquimales, hindúes, hopi, maoríes, navajos, polinesios, zulúes, aztecas, toltecas, mayas, olmecas, incas. Las imágenes cósmicas evolucionan porque las culturas se influyen mutuamente, y porque el conocimiento avanza. Así, en Europa, la imagen medieval, influida por el ascenso del Islam, evolucionó hacia las imágenes cartesianas, luego newtonianas, victorianas y, finalmente, einsteinianas. La imagen del mundo occidental estándar de finales del siglo XIX (La imagen victoriana) era totalmente diferente a la imagen estándar (La imagen einsteiniana) cien años después. Cada sociedad en cada edad construye una imagen cósmica diferente que es como una máscara encajada en la cara del Universo desconocido.

Si se usa la palabra “Universo”, debemos distinguir entre los diversos “modelos del Universo”. Cada modelo, religioso, artístico, filosófico o científico, es una de las muchas representaciones; y de manera similar con los modelos de diferentes sociedades. Así, en la historia de la ciencia distinguimos entre el modelo de Pitágoras, el modelo Atomista, el modelo aristotélico, y así sucesivamente. Más precisamente, deberíamos decir, el modelo pitagórico del Universo, el modelo Atomista del Universo, el modelo aristotélico del Universo, y así sucesivamente. Inevitablemente, los modelos reciben los títulos abreviados: el Universo Pitágoras, el Universo Atomista, el Universo Aristotélico, …, y nos confundimos al usar la palabra Universo para significar “un modelo del Universo”.

La grandiosa palabra Universo tiene una gran desventaja adicional. Cuando se usa solo, sin especificar el modelo que tenemos en mente, transmite la impresión que sabemos la verdadera naturaleza del Universo. Nos encontramos, en compañía de multitudes de otros en el pasado, hablando del Universo como si por fin fuera descubierto y revelado. Al referirnos al modelo contemporáneo del Universo como el “Universo”, olvidamos que nuestro modelo contemporáneo sin duda tendrá el mismo destino que sus predecesores. Siempre confundimos la máscara con la cara, el universo modelo del Universo real. Nuestros antepasados cometieron este error continuamente y muy probablemente nuestros descendientes mirarán hacia atrás y nos verán repitiendo el mismo error.

Debido a que no podemos adivinar incluso en nuestras imaginaciones más descabelladas la verdadera naturaleza del Universo, podemos evitar referirnos directamente a él utilizando la palabra más modesta “universo”. Un universo es simplemente un modelo del Universo. Por lo tanto, podemos hablar del universo pitagóreo, el universo atomista, el universo aristotélico, etc., y cada universo es una máscara, una imagen cósmica, un modelo que se inventa, se modifica a medida que avanza el conocimiento y finalmente se descarta.

La palabra ” universo ” que usaremos tiene la ventaja adicional de que puede usarse libre y libremente sin necesidad de recordarnos constantemente que el Universo aún es misterioso y desconocido. Cuando la palabra “universo” se usa sola, como en frases como “la inmensidad del universo”, denota nuestro universo presente tal como lo revela la ciencia moderna.

Cosmología

Buscamos en el cielo, la Tierra y dentro de nosotros mismos, y siempre nos preguntamos sobre el misterio del universo: ¿de qué se trata? ¿Por qué todo comenzó? ¿Cómo terminará todo? ¿Y estas preguntas son significativas? Siempre preguntamos a quemarropa: ¿Cuál  es el significado de la vida? Cada uno de nosotros se hace eco de las palabras de Erwin Schrodinger: “No sé de dónde vengo ni adónde voy ni quién soy”, y busca la respuesta. La búsqueda está condenada a descarriarse desde el principio a menos que nos familiaricemos con los universos del pasado y particularmente con el universo moderno.

La cosmología es el estudio de los universos. En el sentido más amplio, es una empresa conjunta de la ciencia, la filosofía, la teología y las artes que busca comprender lo que unifica y es fundamental. Como ciencia, que es la principal preocupación en este blog, es el estudio de las estructuras grandes y pequeñas del universo; se basa en el conocimiento de otras ciencias, como la física y la astronomía, y reúne una imagen cósmica físicamente inclusiva.

En nuestra vida cotidiana nos ocupamos de cosas ordinarias, como plantas y macetas, y para comprender estas cosas de tamaño razonable, exploramos los reinos a pequeña y gran escala del universo. Profundizamos en los reinos microscópicos de células, moléculas, átomos y partículas subatómicas, y alcanzamos los reinos macroscópicos de los planetas, las estrellas, las galaxias y el universo. Encontramos que lo muy pequeño y lo muy grande están íntimamente relacionados en la cosmología.

Desde el siglo XVII, el conocimiento ha avanzado rápidamente y la cantidad de ciencias ha crecido enormemente. Cada ciencia se centra en un dominio del universo y tiende, con el tiempo, a fragmentarse en nuevas ciencias estrechamente relacionadas de mayor especialización. Originalmente, las características de vivir y no vivir definían las diferencias entre los amplios dominios de la biología y la física. Cada una de estas ciencias básicas, a medida que avanzaba, se ramificó en nuevas ciencias, que a su vez se ramificaron en ciencias más especializadas. La física, una vez conocida como filosofía natural, ha crecido y se ha ramificado en física de partículas subatómicas de alta energía, física nuclear de baja energía, física atómica, físico-química, física de la materia condensada, biofísica, geofísica, astrofísica, etc., y cada una tiene sus propios teóricos, experimentadores y técnicos. La biología, que una vez fue el tema de los naturalistas de amplio interés, con ciencias asociadas como botánica, zoología, entomología, ecología y paleontología, y así sucesivamente, ha crecido y se ha diversificado en biología molecular, bioquímica, genética, etc. Y la astronomía, que alguna vez fue el tema en el que todos tenían el mismo conocimiento (Pero no la habilidad informática), se ha ramificado en ciencias planetarias, el estudio de la estructura estelar y las atmósferas, los medios interestelares, la astronomía galáctica, la astronomía extragaláctica y los campos separados de radio, óptica, ultravioleta, rayos X y astronomía de rayos gamma.

Es evidente que las ciencias dividen el universo para que cada uno pueda construir en detalle un dominio de conocimiento especial. La ciencia separa las cosas en componentes de especialización cada vez mayor, a menudo en piezas cada vez más pequeñas, y dedica cada vez más atención a los detalles. Una persona que estudia a profundidad una rama de la ciencia se convierte en especialista, absorto en un laberinto de conocimiento detallado, que sabe mucho sobre un pequeño dominio del universo y es relativamente ignorante del resto.

La cosmología es la única ciencia en la que la especialización es bastante difícil. Su principal objetivo es armar el rompecabezas cósmico, no estudiar en detalle ninguna pieza de rompecabezas en particular. Mientras que otros científicos están separando el universo en pedazos progresivamente más detallados, los cosmólogos se esfuerzan por juntar las piezas para ver la imagen en el rompecabezas. A diferencia de todos los demás científicos, los cosmólogos tienen una visión amplia; al igual que los pintores impresionistas, se mantienen alejados de sus lienzos para no ver demasiados detalles que distraen.

La cosmología introductoria no es una rama de la astronomía. Es una “cosmopedia”, más que un inventario de los contenidos del universo, y no es un “catálogo de todo el universo” de datos astronómicos descriptivos. La cosmología es el estudio de los constituyentes cósmicos primarios, como el origen y la historia de los elementos químicos, y del espacio y el tiempo que forman el marco del universo en expansión. Las cosas primarias de importancia se encuentran dispersas en grandes regiones del espacio y perduran durante largos períodos de tiempo. El origen y la evolución de las estrellas y las galaxias, incluso el origen de la vida y la inteligencia, son temas cósmicos importantes. Las partículas subatómicas, el papel que juegan durante los primeros momentos del universo, su combinación posterior en átomos y moléculas que forman la complejidad de la célula viviente y nuestro mundo circundante, son todas de interés cósmico.

En cada giro, los problemas de la cosmología nos hacen detenernos y reflexionar. Muchos temas de vital importancia aún son oscuros y no se comprenden: ¿Cómo adquirieron el habla y grandes cerebros los seres humanos?; y ¿Cómo desarrollaron la capacidad de crear estructuras mentales abstractas y pensar cuantitativamente? Lo que determina la forma en que los seres humanos piensan también determina el diseño que perciben en sus universos. Los seres humanos forman una parte vital de la cosmología y representan el universo percibiendo y pensando en sí mismo.

¿Quiénes son los cosmólogos? Los cosmólogos profesionales son relativamente pocos; están bien versados en matemáticas, física y astronomía, y estudian la evolución y la estructura a gran escala del universo físico. En general, sin embargo, cada vez que una persona busca entender el Universo, esa persona se convierte en un cosmólogo. Cuando nos alejamos del estudio de un área especializada de conocimiento, o simplemente nos apartamos de nuestros asuntos cotidianos, y reflexionamos sobre las cosas en general, y tratamos de ver el bosque y no solo los árboles, toda la pintura y no solo los trazos de pintar, todo el tapiz y no solo los hilos, nos convertimos en cosmólogos.

El universo mágico

La cosmología es tan antigua como el Homo sapiens (Si, me contradigo con el primer párrafo, pero líneas adelante entenderán el contexto utilizado). Se remonta a una época en que los seres humanos, que vivían en grupos sociales primitivos, desarrollaron el lenguaje e hicieron sus primeros intentos de comprender el mundo que les rodea. Probablemente, cientos de miles de años atrás, los seres humanos explicaron su mundo por medio de espíritus. Los espíritus de todo tipo, motivados por impulsos y pasiones de tipo humano, activaron todo. Las primeras personas proyectaron sus propios pensamientos y sentimientos internos en un mundo animista externo, un mundo en el que todo estaba vivo. Con súplicas, oraciones, sacrificios y obsequios a los espíritus, los seres humanos obtuvieron el control de los fenómenos de su mundo.

Era la Era de la Magia, de espíritus benignos y demoníacos encarnados en forma vegetal, animal y humana. Todo lo que sucedió fue explicado fácilmente por las pasiones, los motivos y las acciones de los ambientes y la vida interior. Era un mundo antropomórfico, de la tierra viva, el agua, el viento y el fuego, en el que los hombres y las mujeres proyectaban sus propias emociones y motivos como las fuerzas rectoras; el tipo de mundo que los niños leen en los cuentos de hadas. A partir de esta “edad de oro” surge nuestro miedo primordial a la amenaza de la oscuridad y la furia de las tormentas, y nuestro encanto con la magia de amaneceres, puestas de sol y arcoiris.

Por razones que aún no se comprenden por completo, los seres humanos en todas partes siguen siendo una especie, y las culturas (Idiomas, códigos sociales, sistemas de creencias, leyes, tecnologías) se difunden entre sí. Posiblemente, nuestros códigos morales de hoy, que regulan el comportamiento en la familia y la sociedad y determinan en general lo que es éticamente correcto y erróneo, fueron seleccionados naturalmente durante largos períodos de tiempo en las sociedades primitivas. Las sociedades deficientes en códigos de cuidado mutuo y apoyo entre individuos tenían pocas posibilidades de sobrevivir.

El universo mítico

En los albores de la historia, hace diez o más mil años, las primeras ciudades-estado lograron conceptos más abstractos del Universo. El universo mágico evolucionó hacia el universo mítico. La larga era de la magia dio paso a lo que podría llamarse la Era del Teísmo. Los espíritus que habían estado en todas partes, activando todo, amalgamados, se retiraron a remotos reinos míticos y se convirtieron en poderosos dioses que personificaron abstracciones de pensamiento y lenguaje. James Frazer, en The Golden Bough, especuló sobre cómo la magia entre las personas primitivas evolucionó hacia el teísmo, y cómo el universo mágico se transformó en una variedad de universo mítico:

“Pero con el crecimiento del conocimiento, el hombre aprende a darse cuenta más claramente de la vastedad de la naturaleza y de su propia pequeñez y debilidad en presencia de ella. El reconocimiento de su impotencia no conlleva, sin embargo, una creencia correspondiente en la impotencia de esos seres sobrenaturales con los que su imaginación puebla el universo. Por el contrario, mejora su concepción de su poder… Si entonces se siente tan frágil y ligero, ¡qué vasto y poderoso debe considerar los seres que controlan la gigantesca maquinaria de la naturaleza!… Así, en las mentes más agudas, la magia es gradualmente reemplazada por la religión, lo que explica la sucesión de fenómenos naturales regulados por la voluntad, la pasión o el capricho de los seres espirituales como el hombre en especie, aunque vastamente superiores a él en el poder.”

Gran parte de la mitología consiste en imágenes cósmicas primitivas (Figura 1.4). Las mitologías antiguas, tales como la sumeria, asirio-babilónica, minoica, griega, china, nórdica, celta y maya, por nombrar solo algunas, son de interés histórico porque ilustran los primeros puntos de vista de la humanidad sobre el universo. Los mitos de la creación, a menudo difíciles de interpretar, son de particular interés (Más adelante haré una entrada sobre estos temas).

Los seres humanos en el centro cósmico. No importa cuán poderosos y remotos se volvieran, los dioses míticos continuaron sirviendo y protegiendo a los seres humanos, y los hombres y mujeres en todas partes permanecieron seguros y de una importancia central en un universo antropocéntrico. El universo se armó alrededor de un centro y los seres humanos se ubicaron prominentemente en el centro.

La antropocentricidad formó la base de la cosmología griega de un universo centrado en la Tierra. El universo de Aristóteles en el siglo IV antes de nuestra Era fue geocéntrico (o centrado en la Tierra); la Tierra esférica descansaba en el centro del universo y la Luna, el Sol, los planetas y las estrellas, fijados a esferas celestes translúcidas, giraban alrededor de la Tierra. La región más interna del cielo (La esfera sublunar entre la Tierra y la Luna) contenía cosas terrenales y tangibles en un estado cambiante, y las regiones externas del cielo (Las esferas celestiales) contenían cosas etéreas e intangibles en un estado que nunca cambiaba. Las elaboraciones posteriores de este sistema, acercándolo más a las observaciones astronómicas, culminaron en el sistema ptolemaico del año 140 de nuestra Era.

La Edad Media (siglos V al XV) no era tan terriblemente oscura como se suponía. El universo medieval del siglo XIII al XVI fue quizás la forma más satisfactoria de la cosmología conocida en la historia. Cristianos, judíos y musulmanes fueron bendecidos con un universo finito en el que tenían la mayor importancia. Según los estándares árabes y europeos de aquellos tiempos, era un universo racional y bien organizado que todos podían entender; dio lugar y prominencia al lugar de la humanidad en el esquema de las cosas, proporcionó una base segura para la religión y le dio significado y propósito a la vida humana en la Tierra. Nunca antes ni después la cosmología ha servido de manera tan vívida a las necesidades cotidianas de la gente común; era al mismo tiempo su religión, filosofía y ciencia.

La Revolución Copernicana

La transición del universo geocéntrico finito al universo infinito y sin centro se conoce como la revolución copernicana. En el siglo XVI, Nicolaus Copérnico cristalizó las tendencias en el pensamiento astronómico que se había originado en la ciencia griega casi 2000 años antes y propuso el universo heliocéntrico (O centrado en el Sol). El universo heliocéntrico copernicano pronto se transformó en el universo cartesiano infinito y sin centro, que a su vez fue seguido por el universo newtoniano. Esta revolución en el panorama ocupó los siglos XVI y XVII. La revolución copernicana abrió el camino para la cosmología moderna.

Pero el universo espiritual, que se pensaba era mucho más importante que el universo físico, permaneció firmemente antropocéntrico. El universo espiritual era la ” gran cadena del ser ”, una cadena de innumerables vínculos que descendían de los seres humanos a través de todas las formas inferiores de vida a la materia inanimada, y ascendían desde los seres humanos a través de jerarquías de seres angelicales hasta el trono de Dios. La humanidad era el enlace central que conectaba los mundos angelicales y burdos. Incluso en un universo físico infinitamente grande, privado primero de la Tierra y luego del Sol como su centro natural, todavía era posible aferrarse a viejas ideas que retrataban a los seres humanos como teniendo una importancia central en el drama cósmico. Los dioses fueron siempre misteriosos y después de la Revolución Copernicana se volvieron más misteriosos que antes.

La Revolución Darwiniana

A mediados del siglo XIX llegó la más impactante de todas las revoluciones: la revolución darwiniana. Los seres humanos, hasta ahora las figuras centrales en el drama cósmico, se asemejaron a las bestias del campo. Los dioses que habían asistido y protegido a la humanidad por tanto tiempo fueron expulsados del universo físico.

Los universos antropomórficos (Magia) y antropocéntricos (Míticos) estaban equivocados en casi todos los detalles. El universo medieval se ha ido y con él se ha ido la gran cadena del ser. La ciencia al fin es la vencedora, poniendo en fuga los mitos y las supersticiones del pasado. Aplaudimos el Renacimiento (Siglos XV al XVI) con su renacimiento del arte y el aprendizaje, aplaudimos el surgimiento de los sistemas-mundo cartesianos y newtonianos en el siglo XVII, aplaudimos la Era de la Razón (La Ilustración del siglo XVIII) con su convicción en el poder de la razón humana, y aplaudimos la Era de la Ciencia (Siglos XVII al XX), y olvidamos fácilmente la creciente consternación de los hombres y mujeres comunes en un universo que siglo tras siglo se volvió progresivamente más absurdo y sin sentido. Con el declive y la muerte de los antiguos universos, antropomórficos y antropocéntricos, la humanidad fue arrojada sin rumbo en un universo extraño.

El Universo Antropométrico

Creemos que el universo no es antropomórfico y no está hecho a la imagen de los seres humanos; no es un reino mágico vivo con espíritus humanos. También creemos que el universo no es antropocéntrico con los seres humanos ocupando su centro; no somos las figuras centrales; y el mundo no está controlado por dioses y diosas.

En cambio, como dijo Protágoras, somos la medida del universo, y esto significa que el universo es antropométrico. Intentemos entender lo que esto significa.

Tenemos mentes, o como dirían algunos, tenemos cerebro. Para nuestro propósito, no es necesario indagar en la naturaleza de la mente-cerebro e intentar sondear sus misterios. No importa si pensamos que la mente es una entidad no física de actividad psíquica o es un cerebro físico que late con actividad bioelectroquímica. Tenemos cerebros mentales en los que la información fluye a través de las vías sensoriales y de esta información concebimos en nuestros cerebros mentales el aristotélico, el estoico, el epicúreo, el zoroastriano, el neoplatónico, el medieval, el cartesiano, el newtoniano y todos los demás universos que han dominado el ser humano pensamiento en diferentes edades. Observamos plantas y macetas y otras cosas e ideamos grandes teorías que las relacionan y explican, y estas teorías no residen en las cosas mismas sino en nuestros cerebros mentales. En cada paso de la historia de la cosmología, prevalecen diferentes universos, y cada universo en cada sociedad es un gran edificio mental que da sentido a la experiencia humana. Cada universo es antropométrico porque consiste en ideas ideadas por seres humanos que buscan comprender las cosas que observan y experimentan.

Para aquellos perdidos en el vasto y aparentemente sin sentido universo moderno, hay consuelo en la comprensión de que todos los universos son antropométricos. El universo medieval fue hecho y medido por hombres y mujeres, aunque los medievalistas mismos lo negaron rotundamente. El universo moderno con sus cerebros bioelectroquímicos meditando, también es hecho por el hombre. Al igual que el universo medieval, inevitablemente se desvanecerá en el tiempo y será reemplazado por otros universos. Los universos del futuro casi seguramente diferirán de nuestra versión moderna; sin embargo, todos serán antropométricos porque “el hombre es la medida de todas las cosas” entretenidas por el hombre. El Universo mismo, por supuesto, no está hecho por el hombre, pero no tenemos una verdadera concepción de lo que realmente es. Todo lo que sabemos es que nos contiene a nosotros, los soñadores de los universos.

Cosmología y Sociedad

La cosmología y la sociedad están íntimamente relacionadas. Donde hay una sociedad, hay un universo, y donde hay un universo, hay una sociedad de individuos pensantes. Cada universo moldea la historia y dirige el destino de su sociedad.

Esta relación íntima es más obvia en la cosmología primitiva donde la mitología y la sociedad se reflejan mutuamente y los caminos de los dioses y las diosas son los caminos de hombres y mujeres. Las personas crueles crean dioses crueles que sancionan el comportamiento cruel, y las personas pacíficas crean dioses pacíficos que fomentan el comportamiento pacífico. La interacción entre la cosmología y la sociedad en el mundo moderno es tan fuerte como siempre, si no más fuerte, pero a menudo en formas menos fáciles de reconocer.

Sin duda, las ideas más poderosas e influyentes en cualquier sociedad son aquellas que se relacionan con el universo. Forman historias, inspiran civilizaciones, fomentan guerras, crean monarquías, lanzan imperios y establecen sistemas políticos. Una de esas ideas fue el principio de la plenitud, que se remonta a Platón y ha sido enormemente influyente desde el siglo XV.

El principio de plenitud se originó en el sistema de creencias antropocéntricas de que el universo fue creado para la humanidad por un ser supremo inteligible. En su forma más simple, establece que un Creador benéfico ha dado a los seres humanos para su propio uso una Tierra de generosidad ilimitada. El argumento más formal es el siguiente. El ser supremo no tiene límites porque la limitación implica imperfección y la imperfección es contraria a la creencia. El potencial ilimitado del ser supremo se manifiesta en la actualidad ilimitada del mundo creado. La Tierra necesariamente muestra cada forma de realidad en una abundancia inagotable. Este es el principio de plenitud que satura la cultura occidental.

En la Baja Edad Media, los telescopios revelaron la riqueza de los cielos, los microscopios revelaron un mundo lleno de vida de microorganismos, y los viajes por marineros en todo el mundo abrieron deslumbrantes espectáculos de una vasta y abundante Tierra. Una abundancia ilimitada de cada cosa concebible proporcionaba suficiente prueba del principio de plenitud. Los europeos desarrollaron el principio, se guiaron por él y desde entonces lo han exportado al resto del mundo.

Las ideologías políticas fueron formadas por el principio de plenitud. El principio garantizaba una riqueza ilimitada sin explotar y la libre empresa floreció como nunca antes. Para contrarrestar el agotamiento y escapar del crecimiento demográfico, era necesario avanzar más hacia el este y el oeste hacia los brillantes premios de las tierras no despobladas. “El precio real de todo es el trabajo duro y los problemas para adquirirlo”, dijo Adam Smith. ¡Ve al este! las calles están pavimentadas en oro. ¡Ir al oeste! más allá de la puesta del sol se encuentran tierras de riqueza no cosechada. La cría de recursos finitos no era parte de la filosofía de la plenitud. La gente creía con confianza que todo existía en abundancia ilimitada, y cuando algo estaba agotado (Como la eliminación de las manadas de bisontes, la extinción de las palomas mensajeras y las grandes alcas), fueron tomados por sorpresa y se sintieron engañados.

La pregunta inevitable siguió, y desde entonces se ha hecho eco en todo el mundo: ¿por qué debería existir la desigualdad de la riqueza en un mundo de abundancia ilimitada? Una respuesta vino en el mensaje de Karl Marx: en el Manifiesto Comunista nos dice que los menos ricos “No tienen nada que perder excepto sus cadenas”. Tienen un mundo que ganar ”. El principio de plenitud, que ahora yace enterrado en lo profundo de nuestro patrimonio cultural y se ha diseminado en diversas formas en todo el mundo, desafortunadamente no es nada más que un mito cosmológico.

Las viejas ideas de amplitud cosmológica todavía dominan nuestros pensamientos cotidianos y muchas de estas ideas son totalmente inadecuadas en el mundo moderno. Parece que estamos encerrados en la lógica equivocada de los universos obsoletos que amenazan con destruirnos. Vivimos en una época de crisis: Crecimiento demográfico sin control, agotamiento rápido de recursos, contaminación ambiental y atmosférica, y muchos están hipnotizados por las profecías de la fatalidad.

En 1776, la firma de ingeniería de Boulton y Watt comenzó a vender máquinas de vapor que, a diferencia de los dispositivos de vapor anteriores, eran potentes, de acción rápida y se adaptaban fácilmente para el manejo de maquinaria de diversos tipos. Este evento más que cualquier otro marcó el comienzo de la Revolución Industrial que ha transformado nuestra forma de vida. Muchas personas dicen que los males de hoy son la consecuencia directa de la Revolución Industrial. Pero no son las tecnologías las que tienen la culpa, sino las ideas, los sistemas de creencias, que rigen el uso de la tecnología.

Para aclarar el punto, imaginemos que los viajeros espaciales se encuentran con un planeta que ha sido devastado por la tecnología desenfrenada y sin vida. En sus investigaciones, los viajeros espaciales no pueden asumir automáticamente que la tecnología fue la causa de la devastación. Deben buscar pruebas que indiquen la naturaleza de las creencias de los habitantes desaparecidos. ¿Qué mundo mental interno resultó en el mundo arruinado exterior? En sus informes, probablemente llegarán a la conclusión de que el mundo en ruinas es el resultado de una antigua cosmología, una cosmología fundada en principios que en sus momentos más sagrados los habitantes habían rechazado y que sin embargo los había llevado a su perdición.

Referencias

1894 The Golden Bough – James George Frazer Vol. 1

Gutenberg Project

1894 The Golden Bough – James George Frazer Vol. 2

Gutenberg Project

A manera de prólogo

El registro geológico lunar contiene un archivo rico de la historia del Sistema Solar Interior, incluyendo información relevante para la comprensión del origen y evolución del Sistema Tierra-Luna, la evolución geológica de los planetas rocosos y nuestro ambiente cósmico local. Esta entrada proporciona una pequeña reseña de la exploración lunar a la fecha y describe como las iniciativas de exploración futuras nos permitirá avanzar en nuestra comprensión del origen y evolución de la Luna, el Sistema Tierra-Luna y el Sistema Solar de una manera general. Esto desde luego, dependiendo de los avances científicos posteriores, que requerirán de la instalación de nuevos dispositivos en la Luna, así como la recolección y envío de muestras adicionales de la superficie lunar. Algunos de estos objetivos científicos se pueden lograr robóticamente, por ejemplo, mediante mediciones geoquímicas y geofísicas in situ y mediante misiones de muestreo cuidadosamente seleccionadas. Sin embargo, a largo plazo, la ciencia lunar se beneficiaría enormemente de las operaciones humanas renovadas en la superficie de la Luna.

Introducción

Desde una perspectiva científica, la exploración lunar ha estado avanzando, y en el futuro tiene el potencial para continuar avanzando e incrementando el conocimiento humano en tres amplias áreas. En primer lugar, la Luna conserva un registro de la evolución geológica primaria de un planeta rocoso (Incluyendo los procesos de diferenciación planetaria y océano de magma), mismos que los cuerpos planetarios más evolucionados han perdido desde hace tiempo, así como las restricciones geoquímicas y geofísicas en el origen y evolución del Sistema Tierra-Luna. En segundo lugar, la superficie lunar, y especialmente los regolitos lunares, contienen registros de los procesos del Sistema Solar interior (Por ejemplo, flujo de meteoritos, densidad de polvo interplanetario, flujo y composición del viento solar, flujo de los rayos cósmicos galácticos, Etc.), a través de la historia del Sistema Solar, mucho de lo cual es relevante para la comprensión de la historia y evolución de nuestro planeta y su biosfera. En tercer lugar, la superficie lunar es una plataforma potencial para un amplio rango de investigaciones científicas, principalmente la astronomía observacional (Especialmente la radioastronomía de baja frecuencia desde el lado lejano), pero, en un futuro posible también se puede extender a investigaciones en física fundamental, astrobiología, medicina y fisiología humana.

Así que, primero veamos un pequeño resumen histórico de la exploración espacial, así como las potenciales contribuciones futuras que la exploración lunar puede contribuir al desarrollo de las dos primeras áreas mencionadas en el párrafo anterior. La tercera área, si bien es una parte importante de las futuras exploraciones lunares, la veremos en una entrada posterior.

Historia de la Exploración Lunar

La investigación científica moderna la Luna como cuerpo planetario inició con las observaciones telescópicas de Galileo en 1609, y las observaciones telescópicas de la cara visible (Desde nuestro punto de observación, claro está) han continuado desde entonces. Sin embargo, la mayoría de nuestro conocimiento de la evolución geológica lunar, y sus implicaciones para la historia del Sistema Solar como un todo, se han obtenido a través de la observación directa de las sondas espaciales durante los últimos cincuenta años, aproximadamente.

La primera sonda espacial en llegar a la Luna fue la Luna 2, de la extinta Unión Soviética, la cual impactó en la superficie lunar el 13 de septiembre de 1959. De mayor importancia para la geología lunar fue el vuelo de Luna 3, en octubre del mismo año, la cual completó el primer vuelo alrededor de la Luna y obtuvo las primeras imágenes de la cara oculta (Otra vez, desde nuestro punto de observación) revelando que está en gran parte desprovisto de las oscuras extensiones de lava basáltica que dominan la cara visible. Después de una pausa corta de seis años, Luna 9 alunizó de manera suave y obtuvo las primeras imágenes de la superficie lunar en febrero de 1966, y Luna 10 fue la primera sonda en permanecer en órbita lunar en abril del mismo año.

Durante este período, el programa de exploración lunar estadounidense comenzó a acelerarse en respuesta al inicio del programa del Apollo por parte del Presidente Kennedy en mayo de 1961. Las primeras sondas lunares estadounidenses fueron la serie Ranger de ‘aterrizaje duro’ (Un aterrizaje duro ocurre cuando una aeronave o nave espacial golpea el suelo con una mayor velocidad vertical y fuerza que en un aterrizaje normal), diseñados para tomar imágenes de mayor resolución de la superficie antes de estrellarse contra ella, lo cual allanó el camino para la serie Surveyor de aterrizajes robotizados entre 1966 y 1968. En paralelo, entre 1966 y 1967 los Estados Unidos de América, volaron una serie de gran éxito, las sondas Lunar Orbiter que fueron diseñadas para obtener imágenes de alta resolución de la superficie lunar. Con resoluciones superficiales de varias decenas de metros, estas imágenes permanecieron durante mucho tiempo insuperables como un recurso para la geología lunar (Aunque ahora están siendo reemplazadas rápidamente por las imágenes obtenidas por la Cámara de ángulo estrecho de la Lunar Reconnaissance Orbiter). En gran parte, las misiones Lunar Orbiter fueron diseñadas para identificar posibles sitios de alunizaje para las misiones tripuladas de Apollo, entonces en desarrollo, de la misma manera que los Surveyors fueron diseñados para proporcionar conocimiento del ambiente superficial, teniendo en mente los alunizajes tripulados.

El programa Apollo es de vital importancia en la historia de la exploración lunar, y ha dejado un legado científico duradero. Entre julio de 1969 y diciembre de 1972 un total de doce astronautas exploraron la superficie lunar en las cercanías de seis sitios de alunizaje de estas misiones. El tiempo acumulado total en la superficie lunar fue de 25 días-persona, con sólo 6,8 días-hombre dedicados a realizar actividades de exploración fuera de los módulos lunares. Durante las seis misiones, los astronautas atravesaron una distancia total de 95,5 km desde sus sitios de aterrizaje, recogieron y devolvieron a la Tierra 382 kg de roca y muestras de suelo, se perforaron tres sitios de muestreo a profundidades de 2-3 m, se obtuvieron más de 6000 imágenes de superficie, y se desplegaron más de 2100 kg de equipo científico. Estos experimentos de superficie fueron complementados por observaciones de detección remota realizadas desde los Módulos de Comando y Servicio en órbita.

Dos importantes programas robóticos soviéticos se superpusieron con Apollo y continuaron manteniendo viva la exploración de la superficie lunar durante algunos años después de que la exploración humana cesara. Estos fueron los dos rovers ‘Lunokhod’ (Luna 17 y 21) que alunizaron en 1970 y 1973, y las tres misiones robóticas de muestreo (Luna 16, 20 y 24) de 1970, 1972 y 1976, respectivamente. Los Lunokhods fueron los primeros rovers robotizados teleoperados que operaron en otro cuerpo planetario. Lunokhod 1 operó durante 322 días y atravesó una distancia total de 10,5 km en el Sinus Iridum; Los números correspondientes para Lunokhod 2 fueron 115 días y 37 km en el cráter Le Monnier en el borde de Mare Serenitatis. Durante sus recorridos, los Lunokhod hicieron mediciones de las propiedades mecánicas del regolito (Usando un penetrómetro) y composición (Determinada usando un espectrómetro de fluorescencia de rayos X), así como el entorno de radiación superficial; También llevaban reflectores que, similares a los desplegados por las misiones Apollo 11, 14 y 15, se han utilizado para medir la distancia Tierra-Luna y las libaciones físicas de la Luna. Las misiones Luna 16, 20 y 24 recolectaron, y regresaron a la Tierra, un total de ~ 320 gramos de suelos lunares de tres sitios cercanos a la extremidad oriental de la cara visible. Aunque la cantidad de material recolectado fue pequeña comparada con la devuelta por Apollo, su separación geográfica de los sitios de aterrizaje de Apollo hace que las muestras de Luna sean importantes para nuestra comprensión de la diversidad geológica lunar.

Después de la misión de Luna 24 en 1976, hay casi veinte años de interrupción en la exploración lunar, que sólo se rompió en la década de 1990 cuando las sondas Hiten, Clementine y Lunar Prospector volaron hacia la Luna y anunciaron una nueva era de exploración lunar. Aunque pionero desde el punto de vista de la tecnología espacial, la sonda Hiten japonesa y su instrumento asociado de detección de polvo no revelaron información nueva significativa sobre la Luna. Por otro lado, las misiones orbitales de Clementine y Lunar Prospector resultaron cruciales al proporcionar mapas geológicos y mineralógicos globales de la superficie lunar. Los datos obtenidos por estas dos misiones mostraron claramente que la superficie lunar es geológicamente mucho más diversa de lo que se había sospechado sobre la base de las muestras de Apollo y Luna, y estimuló renovado interés científico en la evolución geológica de la Luna y sus implicaciones para la ciencia planetaria más ampliamente.

En parte, como resultado de este interés científico renovado en la Luna, y en parte como resultado de las potencias espaciales emergentes que desean mostrar la experiencia técnica recién adquirida, los últimos años han visto un renacimiento en la exploración lunar conducida desde la órbita. En estos años, los siguientes países han enviado al menos una sonda espacial a la órbita lunar: Agencia Espacial Europea (ESA): SMART-1 (2003); Japón: Kaguya (2007); China: Chang’e-1 (2007), Chang’e-2 (2010); India: Chandrayaan-1 (2008); Y los Estados Unidos de América: Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO; 2009), GRAIL (2012) y LADEE (2013). Esta plétora de misiones orbitales ha añadido información importante a nuestro conocimiento de la superficie lunar y, en el caso de Kaguya y GRAIL, al interior lunar. Sin embargo, es notable que ninguna de estas sondas espaciales fue diseñada para alunizar en la superficie de la Luna de una manera controlada (Aunque el satélite lunar de observación y detección de cráteres lunar [LCROSS, co-lanzado con LRO] y la Sonda de Impacto Lunar Chandrayaan-1 [MIP por sus siglas en inglés] se impactaron deliberadamente en la superficie lunar en un esfuerzo por detectar volátiles polares).

Intermedio: Se ha predicho desde hace mucho tiempo que los polos lunares albergan sustancias volátiles en regiones que no han visto la luz del sol durante mucho tiempo, tal vez mil millones de años o más. Estas son conocidas como “regiones permanentemente sombreadas”. La misión conjunta de la NASA y el Departamento de Defensa “Clementine” a la Luna en 1994 fue la primera en sugerir mayores cantidades de hidrógeno en ambos polos lunares. Lunar Prospector confirmó entonces el aumento de hidrógeno en los polos en 1998. Más recientemente, las misiones Chandrayaan-1, Lunar Crater Observation and Sensing Satellite (LCROSS) y Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) detectaron 3 tipos de volátiles: Una monocapa global de OH / H2O, hielo de agua polar subsuperficial y agua superficial polar escarchada. La presencia de volátiles, y en particular de agua, podría influir en las actividades de exploración del espacio en la Luna y más allá. También podrían proporcionar información importante sobre el transporte volátil y el origen del agua tanto en la Luna como en la Tierra. Fuente: The Planetary Society. Fin del Intermedio.

En diciembre de 2013, China logró aterrizar el vehículo Chang’e-3, equipado con un pequeño vehículo, Yutu, en el norte de Mare Imbrium. Este logro ha roto un hiato de 37 años en la exploración de la superficie lunar, siendo el primer alunizaje suave controlado en la Luna desde la misión robótica soviética Luna 24 en agosto de 1976. Entre otros experimentos, Yutu llevó un instrumento de radar penetrante para estudiar la estructura de los regolitos subsuperficiales, y es la primera vez que un instrumento de tales características se ha desplegado en la superficie lunar.

Planes actuales para la futura exploración lunar en el corto plazo

En el intervalo de tiempo, desde hoy hasta el 2022, hay planes tentativos para un cierto número de alunizajes robóticos, aunque cierto es que permanecen no confirmados y las fechas compromiso son inciertas.

Basados en el éxito de la Chang’e-3, China probablemente envíe las misiones Chang’e-4 y Chang’e-5 alrededor del 2018 y 2019, respectivamente. Dependiendo del éxito de las misiones previas, Chang’e-5 tiene como uso intencionado el ser una misión con retorno de muestras (La primera desde Luna 24 en 1976), aunque su sitio de alunizaje aún no ha sido determinado del todo. En el mismo intervalo, Japón tiene la intención de desplegar un rover/orbiter, la misión Selene-2, y la India ha declarado la intención de regresar a la Luna con su misión Chandrayaan-2.

Rusia tiene planes para un conjunto cada vez más sofisticado de orbitadores y módulos de aterrizaje (que se denominarán Luna-Glob o coloquialmente, Luna 25-29) a partir de 2024 (Si no se vuelve a posponer), de los cuales Luna 29 se prevé sea una misión de retorno de muestra desde una localidad casi polar. En el marco temporal 2018-20 parece probable, aunque aún no confirmado, que se despliegue la Misión de prospección de recursos de los EE. UU. Con su carga útil RESOLVE (‘Regolith and Environment Science and Oxygen and Lunar Volatile Extraction’). para investigar depósitos volátiles lunares de alta latitud. Además, hacia el final de esta década, la NASA apunta a desplegar su Vehículo tripulado de exploración tripulado ‘Orion’ al segundo punto Tierra-Luna Lagrange, que, aunque no proporcionará acceso a la superficie, puede facilitar la exploración de la superficie del lado lejano. actuando como un relé de comunicaciones y como un nodo para la tele-operación de instrumentos de superficie. Rusia está planeando el inicio de la construcción de una colonia humana en la Luna para el 2030.

En los últimos años se han llevado a cabo una gran cantidad de estudios lunares adicionales (Se publicará información sobre algunos de ellos en una entrada posterior), pero hasta la fecha ninguno ha recibido fondos ni apoyo de agencias espaciales. También vale la pena señalar que, además de las actividades dirigidas por el gobierno, la próxima década también podrá ser testigo de desembarcos lunares financiados con fondos privados, realizados en pos del Premio Google Lunar X u otras iniciativas privadas, aunque las oportunidades científicas presentadas por estas misiones relativamente pequeñas aún no se han determinado.

Referencias

The Scientific Context for Exploration of the Moon

National Research Council.

The National Academies Press.

New views in lunar geoscience: an introduction and overview

Hiesinger H, Head JW.

The constitution and structure of the lunar interior

Wieczorek M et al.

Astrobiology: what can we do on the Moon?

Cockell CS.

Chandrayaan-1: India’s first planetary science mission to the Moon

Goswami JN, Annadurai M.

En la última década ha habido una gran mejora en la comprensión de cómo la magnetósfera responde a las alteraciones atmosféricas como un sistema coherente de plasmas acoplados, interactuando mutuamente. Las simulaciones han desempeñado un papel central al proporcionar información contextual cuantitativa que vincula las observaciones de un solo punto y permite evaluar el comportamiento global implicado por observaciones locales. Estos avances fueron acompañados de mediciones continuas del viento solar y el IMF, así como numerosas observaciones in situ en el espacio, bases terrestres y redes de sensores remotos para producir descubrimientos de respuestas globales características. Los investigadores se han dado cuenta de que existen múltiples vínculos dinámicos no lineales cuyas consecuencias para el comportamiento magnetósfera-ionosfera acoplado solo se revelan cuando se integran en conjunto en el sistema global. Como resultado, el sistema exhibe una característica no lineal, dinámica caótica o comportamiento “emergente”, el cual no podría haber sido predicho sin el conocimiento de la física de acoplamiento.

El acoplamiento electrodinámico entre la magnetósfera y la ionosfera modifica la respuesta disipativa simple en formas ‘dramáticas’. La interacción actual del anillo con la ionosfera distorsiona gravemente la convección de la magnetósfera interior, misma que se alimenta del anillo mismo, sesgando su pico hacia el alba. Los canales de flujo duskside derivados de la ionosfera acoplada permanecen largos periodos de tiempo una vez ha pasado el torrencial viento solar. Estos estudios hicieron ‘añicos’ la noción de que la magnetósfera interior está aislada de la magnetósfera externa y en reposo.

Actualmente se ha establecido que la aceleración de las tormentas y la inyección del anillo actual dependen de la carga de la magnetósfera antes de la tormenta de viento solar. Las observaciones de las sondas espaciales y las simulaciones numéricas muestran que la entrada de plasma del viento solar en la magnetósfera es sorprendentemente eficiente en condiciones de “reposo” de un campo magnético interplanetario en dirección norte. Este plasma a su vez participa como un elemento sustancial del desarrollo de la tormenta en el anillo actual cuando los campos magnéticos están acoplados en dirección sur y energizan la magnetósfera. La plasmasfera a su vez controla si las inyecciones del anillo actual actúan para mejorar o agotar las ‘poblaciones’ de partículas energéticas, volcando la idea de una plasmasfera pasiva en reposo. La superposición del recién inyectado, caliente, plasma del anillo actual con la pasmasfera densa, produce inestabilidades locales. Las ondas resultantes dispersan las partículas del cinturón de radiación, agotándolos. Las predicciones de que el plasma denso frío facilita la aceleración de electrones de alta energía a energías relativistas también fueron confirmadas por observaciones. Por lo tanto, se ha establecido que las dinámicas pre-inyección son críticas en el establecimiento del estado de la plasmasfera y regula la respuesta a las tormentas del cinturón de radiación.

La ionosfera también puede ser una fuente importante de plasma para la magnetósfera. La comprensión del flujo de salida de iones de la ionoesféricos avanzó de manera significativa, y se establecieron las condiciones que promueven la extracción del plasma de la ionosfera a altitudes elevadas y en la magnetósfera. Se mostró que la densidad del viento solar y el aumento de la presión dinámica, conducen a un mejor flujo de salida de la ionosfera, pero los mayores rangos de flujo también están correlacionados estrechamente con el flujo de energía electromagnética a la ionosfera. El rendimiento del flujo de energía del viento solar a partir del flujo de salida intenso de los iones ionosféricos apoya las predicciones teóricas de que este flujo requiere un proceso de múltiples etapas involucrando una combinación de calentamiento local por ondas electromagnéticas. También se demostró que el flujo de salida de la ionosfera tiene consecuencias ‘dramáticas’ para la evolución dinámica de la magnetósfera. Los flujos de salida se incorporan con plasmas originados por el viento solar en la lámina de plasma, creando un plasma multi-especie que altera la dinámica de reconexión magnética. Las simulaciones globales de multifluidos confirmaron el papel que desempeña el flujo de la ionosfera en la creación de subtormentas periódicas, o los denominados intervalos ‘dientes de sierra’ (Sawtooth).

El descubrimiento de las condiciones de pre-acondicionamiento y de vías eficientes para el acoplamiento magnetósfera-ionosfera, y la identificación de las dinámicas que emergen, proporcionan la base para un programa de investigaciones para lograr una comprensión cuantitativa y predictiva del comportamiento del sistema bajo condiciones extremas.

Referencias

Nonlinear Dynamics and Chaos

Steven H. Strogatz

Morphology of the ring current derived from magnetic field observations

G. Le, C. T. Russell, & K. Takahashi

The Role of Substorms in Storm-time Particle Acceleration

Ioannis A. Daglis & Yohsuke Kamide

Duskside auroral undulations observed by IMAGE and their possible association with large-scale structures on the inner edge of the electron plasma sheet

W. S. Lewis, J. L. Burch, J. Goldstein, W. Horton, J. C. Perez, H. U. Frey, & P. C. Anderson.

Ring Current Behavior Inferred From Ground Magnetic and Space Observations

F. Søraas, M. Sørbø, K. Aarsnes, & D.S. Evans

The Plasmasphere Boundary Layer

D. L. Carpenter & J. Lemaire

Pulsaciones Geomagnéticas Tipo Pi2 Registradas Simultáneamente en la Magnetósfera y en Tierra.

A. D’Costa Mendez, R. Torres Rivero, J. Pérez Hernández, R. V. Schepetnov

Ion Stopping in Dense Plasma Target for High Energy Density Physics

C. Deutsch et al.

Spatial and Temporal Variations of the Cold Dense Plasma Sheet: Evidence for a Low-Latitude Boundary Layer Source?

Marit 0ieroset, Tai D. Phan, Masaki Fujimoto, Leon Chan, Robert P. Lin, & Ruth Skoug

Magnetosphere Sawtooth Oscillations Induced by Ionospheric Outflow

O. J. Brambles, W. Lotko, B. Zhang, M. Wiltberger, J. Lyon, R. J. Strangeway

El entendimiento de los procesos físicos fundamentales que rigen el nivel de dinámica del sistema ha avanzado en varios frentes en la última década. Se alcanzaron progresos considerables en la comprensión de cómo funciona la reconexión magnética. Las primeras predicciones cuantitativas de las firmas de flujo magnético y de plasma se confirmaron espectacularmente con las observaciones in situ. Del mismo modo, sofisticadas simulaciones cinéticas finalmente produjeron un entendimiento consistente de las firmas de la aparición de la reconexión magnética en la cola. 

El incremento en la potencia de cálculo ha facilitado las simulaciones de física esencial y la estructura de la región de difusión, donde las líneas del campo magnético se reconectan y cambian su conectividad (Como se muestra en la siguiente imagen). Se demostró que en las pequeñas escalas espaciales donde se produce la reconexión, la disociación de iones y el movimiento de electrones como consecuencia de su diferente masa, juega un papel clave para facilitar la rápida tasa de reconexión vista en las observaciones. Los iones se desmagnetizan en una región mucho más grande que los electrones, lo cual cambia las fuerzas que aceleran las partículas, lejos de la línea X en comparación con la habitual descripción MHD (MagnetoHydroDynamic). Estas ideas llevaron a las predicciones que facilitaron la primera detección directa de la región de difusión de iones (Donde los iones se desacoplan del campo magnético) en la magnetósfera y en el laboratorio, así como destellos de la mucho más pequeña región de difusión de electrones (En donde los electrones se desacoplan del campo magnético). Las observaciones en la proximidad de la región de difusión revelaron sorprendentemente que la reconexión puede acelerar los electrones a cientos de kiloelectronvoltios, proporcionando potencialmente una población de “semillas” para la subsiguiente aceleración en la magnetosfera interior para formar los cinturones de radiación de electrones. También se hicieron descubrimientos en relación con la activación y la modulación de la reconexión. Alrededor del año 2000, los recursos computacionales tenían simulaciones limitadas a dos dimensiones espaciales. Las nuevas capacidades para llevar a cabo simulaciones totalmente tridimensionales revelaron que la dimensión añadida facilita el crecimiento de las inestabilidades del plasma que pueden romper la región de difusión, haciendo la reconexión altamente turbulenta.

Por observación, la reconexión parece comportarse de manera diferente en las distintas regiones. Aunque la reconexión en la cola magnética y en la capa exterior de la magnetósfera, donde se han identificado múltiples sitios de reconexión, parece ser transitoria y turbulenta, puede, en ocasiones, ser bastante estable en el tiempo y el espacio extendido en la magnetopausa diurna y el viento solar. La reconexión en la cola magnética produce ‘estallidos’ de estrechos canales de flujo de alta velocidad. Las observaciones de las múltiples sondas espaciales que estos canales de flujo de reconexión inician subtormentas magnetosféricas y conducen la convección de la Tierra hacia la cola magnética; sin embargo, pueden ser necesarios para completar el patrón de circulación magnetosférica mundial predicha hace cuatro décadas. Por último, los análisis observacionales se beneficiarán enormemente de la inclusión de los escenarios de reconexión más generales que el estándar, incluyendo geometrías más generales identificadas tanto en teorías como en simulaciones.

Las interacciones onda partícula (WPI – Wave-Particle Interactions) se han establecido como las principales gestores de la ganancia de energía de las partículas    y la pérdida en los cinturones de radiación (Ver la siguiente imagen). La teoría de la inestabilidad del plasma, las simulaciones globales que incluyen los procesos WPI, y las observaciones de ondas han demostrado que la mezcla de plasmas energéticos y de baja energía llevan a inestabilidades distribuidas en el anillo actual y en el cinturón de radiación. Las observaciones por satélite de los electrones del cinturón de radiación demuestran que la aceleración local, debido a las WPI puede en ocasiones dominar la aceleración debida al transporte radial difuso. Los análisis estadísticos de las observaciones satelitales de las ondas, se utilizan para cuantificar las tasas de activación y dispersión. Los resultados han sido incorporados en los modelos dependientes del tiempo del anillo actual y de los cinturones de radiación. Los científicos saben ahora que la dinámica de partículas tormenta-tiempo son el resultado de un equilibrio delicado entre la aceleración y la pérdida de partículas relativistas mediadas por las ondas producidas por la inestabilidad del plasma local.

Referencias

Basics of Magnetic Reconnection // Cory D. Schillaci

Magnetic Reconnection in Astrophysical and Laboratory Plasmas // Ellen G. Zweibel & Masaaki Yamada

Magnetic Reconnection – Basic Concepts I // Gunnar Hornig

Magnetic Reconnection And Coronal Temperatures // Miles Mathis

MHD Turbulence // University of Delaware Website

Fundamentals of Magnetohydrodynamics (MHD) // Tony Arber

The Electron Radiation Belt // Xinlin Li, Michael A. Temerin 

Radiation Belts // Paul Bühler

Acceleration and loss of relativistic electrons during geomagnetic storm // G. D. Reeves, K. L. McAdams, R. H. W. Friedel, T. P. O’Brien

Magnetospheric Multiscale (MMS) Mission // NASA Website

Handbook on Plasma Instabilities // Ferdinand F. Cap

Basic Plasma Physics // A. A. Galeev & R. N. Sudan

A Plasma Instability Theory of Gamma-Ray Burst Emission // J. J. Brainerd

Formal Theory of MHD Stability: Energy Principle // Andrei N. Simako 

MHD Description of Plasma // Russell M. Kulsrud

Plasma instabilities // Dr Ben Dudson

La dinámica global de la magnetósfera es controlada por el cambio del componente norte-sur del campo magnético interplanetario (IMF – Interplanetary Magnetic Field), el cual impulsa la circulación global en la magnetósfera, tal como se ve en la siguiente figura. Los cambios en el IMF y la presión dinámica del viento solar producen tormentas, la iluminación de las auroras y gestiona una serie de otras respuestas globales.

Se utilizaron imágenes globales de las hasta ahora invisibles poblaciones de plasma de la magnetósfera para identificar su respuesta a gran escala para el variable y violento viento solar. La plasmasfera, que es la región de plasma denso y frío que co-rota con la Tierra, fue ‘fotografiado’ en el extremo ultravioleta (EUV). Las observaciones revelaron que las tormentas fuertes remueven la parte exterior de la plasmasfera en columnas, con convección al exterior de la magnetósfera diurna (Como se observa en la siguiente imagen):

Y se mapean para producir realces en la densidad ionosférica, tal como se muestra en la siguiente imagen:

El actual anillo ecuatorial magnetosférico es mayor durante las tormentas geomagnéticas, y esto perturba la fuerza del campo magnético en la superficie terrestre. La comprensión de su dinámica es crucial para el establecimiento de una capacidad predictiva de la respuesta geoespacial a las tormentas. Las inyecciones de iones al anillo actual se capturaron en imágenes por vez primera, estableciendo su configuración y composición. Los modelos numéricos y las imágenes globales ENA revelaron que el anillo actual es altamente asimétrico durante la fase principal de las tormentas, lo cual sugiere un fuerte acoplamiento con la ionosfera. El pico de la distribución de protones-anillo actual, durante la fase principal de las tormentas magnéticas demostró que ocurre consistentemente en la madrugada y no en la tarde, como se había esperado. Esto solo puede ocurrir si la retroalimentación de la ionosfera fundamentalmente altera el campo eléctrico que es responsable de la convección magnetosférica.

Referencias

Relationship of the Van Allen radiation belts to solar wind drivers.
M.K. Hudson, B.T. Kress, H.-R. Mueller, J.A. Zastrow, & J. Bernard Blake

Tomographic ENA Imaging from Low-Earth Orb
R. B. Sheldon, T. A. Fritz, & H. E. Spence

ENA imaging: seeing the invisible
Pontus C. Brandt et al

Global ENA Image Simulations
Fok, M.-C.; Moore et al.

Global Magnetospheric Dynamics of Jupiter and Saturn Revealed by ENA Imaging
P. C. Brandt, D. G. Mitchell, B. H. Mauk, C. P. Paranicas

Average Characteristics and Activity Dependence of the Subauroral Polarization Stream
J. C. Foster and H. B. Vo

High-Resolution Observations of Subauroral Polarization Stream-Related Field Structures During a Geomagnetic Storm Using Passive Radar
Melissa G. Meyer

Regional GPS Mapping of Storm Enhanced Density
Anthea Coster, John Foster, Phil Erickson, Frederick Rich.

Storm enhanced density: magnetic conjugacy effects
J. C. Foster and W. Rideout

Los avances en la física de la magnetósfera, su dinámica y su acoplamiento con el viento solar e ionosfera fueron realizadas en diferentes frentes. Las observaciones revelaron dinámicas asociadas con la convección del plasma, la aceleración de partículas y el transporte de las mismas. Los avances clave se hicieron sobre los procesos físicos fundamentales subyacentes que gobiernan la dinámica no lineal del sistema, incluyendo la reconexión, interacciones onda-partícula y la turbulencia. Las observaciones y simulaciones de las radicalmente diferentes magnetósferas de Júpiter y Saturno, proporcionaron análisis clave del actual entendimiento y resaltaron una gran variedad de comportamientos exhibidos por los diferentes sistemas.

Estos avances fueron posibles gracias a la combinación de una amplia gama de observaciones en contubernio con teoría, experimentos en laboratorio de plasma y modelos computacionales revolucionarios. Las observaciones críticas fueron proporcionadas por instrumentos en cohetes suborbitales y globos, así como de la extensa red de radares, lidares, cámaras, magnetómetros y riometros. Los instrumentos utilizados fueron observaciones mediante sondas espaciales, y también las enviadas por los satélites de las misiones Cluster, IMAGE, THEMIS y TWINS, así como la información recolectada de satélites que no son propiedad de la NASA.

Referencias

LIDAR

Riometer Data
Antarctic Master Directory

Cluster
ESA Website

IMAGE Science Center
NASA Website

THEMIS Mission
NASA Website

TWINS A & B
NASA Website

Las recientes observaciones de partículas energéticas han producido una serie de sorpresas. El ciclo solar 23 produjo 16 eventos a nivel local en los monitores de neutrones situados en la Tierra, lo que permitió a los investigadores establecer que la mayoría de los grandes eventos SEP (Solar Energetic Particles, Partículas Energéticas Solares) tienen un precedente reciente CME (Coronal Mass Ejection, Expulsión de Masa Coronal) de la misma región activa. Este descubrimiento indica que los eventos más intensos pueden ocasionar la aceleración de partículas en una o varias llamaradas que producen una ‘población de semillas’ de iones energéticos que pueden alcanzar una muy alta energía a través de la aceleración de choque difuso clásico impulsado por la CME. Las mediciones enriquecidas por ACE (Advanced Composition Explorer) de 3He y Fe en muchos eventos SEP son consistentes con lo mencionado. Las observaciones continuas de STEREO, ACE y otras plataformas, así como las misiones Solar Orbiter y Solar Probe Plus proporcionarán mediciones claves en las regiones de origen de estos eventos y los datos sobre su extensión espacial y la compleja dinámica de la aceleración y transporte de los SEP al entorno geoespacial podrán ser revelados.

Referencias

Solar Energetic Particle Production by Coronal Mass Ejection – Driven Shocks in Solar Fast-Wind Regions
S. W. Kahler & D. V. Reames

Possible effect of extreme solar energetic particle events of September–October 1989 on polar stratospheric aerosols: a case study I. A. Mironova & I. G. Usoskin

ACE Website

STEREO Website

Solar Orbiter
ESA Website

Solar Probe Plus
NASA Website

La última década se alcanzó un gran progreso en la comprensión de la estructura y dinámica del viento solar, clave para entender la influencia del Sol en el entorno geoespacial de la Tierra. La imagen conceptual del Ulysses y ACE fue que los orígenes del viento solar lento y rápido se encontraban en regiones bajas y altas del Sol, respectivamente.

El viento solar rápido, lento y transitorio (Asociado con las CMEs) ahora puede identificarse y distinguirse por las firmas de composición iónica (Cargas de estado Fe, Fe/O, O+7, O+6), por los que los orígenes de los ‘paquetes’ de viento solar se pueden identificar directamente de las observaciones in situ. Las expulsiones de masa de la corona (CME) interactúan con estos flujos de viento solar, lo que lleva a las interacciones de flujo dinámico y también a la aceleración de partículas a través de una variedad de procesos. La microestructura del viento solar, presumiblemente relacionada con estructuras en la corona, ahora puede ser analizada con el más poderoso conjunto de observaciones in situ, e incluso en ocasiones, con varias plataformas de observación. La cascada de turbulencia de escalas espaciales cortas y la disipación definitiva son el probable origen de la energía para el calentamiento y expansión del viento solar. Las observaciones y los modelos han producido grandes avances en este tópico. Las anisotropías de temperatura con respecto al campo magnético local del viento solar H+ y He+2, han mostrado ser limitadas por el reflejo y las inestabilidades fire hose (No encontré una traducción adecuada, han de disculpar). Estas observaciones limitan los posibles mecanismos de calentamiento del viento solar. Los científicos también han descubierto que la reconexión magnética entre los dominios adyacentes de campos magnéticos opuestos es omnipresente en el viento solar, pero parece implicar la aceleración de pequeñas partículas cerca de los sitios de reconexión heliosférica (Una sorpresa, teniendo en cuenta la eficiencia de producción de partículas energéticas en las erupciones solares). Inesperadamente, la mayoría de estos sitios de reconexión se han encontrado fuera de la actual ‘página’ heliosférica. Las observaciones también han hecho hincapié en la importancia de las observaciones más cercanas al Sol para mejorar la comprensión de los papeles que desempeñan las ondas, la turbulencia de onda, y la física de reconexión en la conducción dinámica del viento solar.

Referencias

Firehose and Mirror Instabilities

Oblique proton fire hose instability in the expanding solar wind: Hybrid simulations
Petr Hellinger & Pavel M. Trávnícek

Variability of Solar Wind Dynamic Pressure with Solar Wind Parameters During Intense and Severe Storms
B. O. Adebesin, S. O. Ikubanni, J. S. Kayode & B. J. Adekoya

The solar wind and magnetospheric dynamics
Christopher T. Russell

Explanation of Real-Time Solar Wind data dials

Solar wind dynamic pressure and electric field as the main factorscontrolling Saturn’s aurorae
F. J. Crary et al.

Magnetospheric cavity modes driven by solar wind dynamic pressure fluctuations
S. G. Claudepierre

Las llamaradas y CMEs (Coronal Mass Ejection – Expulsión de Masa de la Corona) son las principales fuentes de las partículas energéticas solares (Solar Energetic Particles – SEP) que amenazan a los vuelos espaciales tripulados. Se han logrado avances significativos en la comprensión de como la energía magnética es liberada explosivamente en las llamaradas. La información recolecta por el RHESSI en sus mediciones de espectroscopia de imágenes de rayos – X (HXR) revelaron que los electrones acelerados a menudo contienen aproximadamente el 50% de la energía magnética lanzada en llamaradas e indican que la liberación de energía / aceleración de electrones están asociados con la reconexión magnética. En llamaradas grandes, las imágenes HXR de flamas aceleradas aproximadamente a 30 MeV ion, muestra que esas emisiones se originan a partir de pequeños puntos vinculados a estructuras de bucles magnéticos en lugar de una región más extendida, lo que indica que la aceleración de iones también se relaciona con la reconexión magnética. La energía en > 1 MeV ion y en > 20 keV electrón parece comparable. Por lo tanto, la comprensión de la conversión eficiente de la energía magnética a partículas de las llamaradas de energía es un desafío importante.

Los principales avances también se han hecho en la comprensión de la liberación de energía de fotones de las llamaradas. Por primera vez, se detectaron llamaradas en TSI por el instrumento SOURCE/TIM mostrando que la energía total irradiada y la energía cinética CME puede ser comparable. El instrumento SDO/EVE descubrió una fase tardía EUV en las erupciones retrasadas varios minutos desde el pico de rayos X. Las observaciones globales de EUV por el SDO/AIA y STEREO/EUVI revelaron interacciones de larga distancia “simpáticas” entre los campos magnéticos en las llamaradas, erupciones y CMEs, probablemente debido a las distorsiones del campo magnético de la corona.

La comprensión de cómo se producen y se relacionan los CMEs y las llamaradas también ha progresado. Los perfiles de velocidad de CME inferiores a 4 Rs están en sintonía con la energía liberada por las llamaradas HXR. La estructura del flujo magnético de los modelos de CME es consistente con las observaciones de muchos eventos. Además, los choques producidos por las CMEs rápidas pueden ser identificados en las imágenes del coronógrafo, lo que sugiere que los científicos están cerca de precisar el origen de las SEPs. Alcanzar una capacidad de predicción del espectro energético de las SEP y la variabilidad del transporte es un mayor desafío.

Referencias

Radiación Ionizante
Universidad de Santiago de Compostela

Implantación de iones
Wikipedia

MeV Ion Beam Analysis I: Introduction
Chris Jeynes

RHESSI
NASA Website

SOlar Radiation and Climate Experiment (SORCE)
University of Colorado

SDO Instruments
NASA Website

Solar Dynamics Observatory/EUV Variability Experiment (SDO/EVE)
University of Colorado

Atmospheric Imaging Assembly Investigation Overview
Alan Title

Working with data from the Solar Dynamics Observatory
Daniel Brown, Stephane Regnier, Mike Marsh, & Danielle Bewsher

EUVI: the STEREO-SECCHI extreme ultraviolet imager
Jean-Pierre Wülser et al

STEREO B EUVI 171
iSWA Website

STEREO website

Las nuevas observaciones de la fotósfera y la corona inferior han revelado información importante sobre los mecanismos de calentamiento de la corona, que es, en última instancia, el conductor del viento solar. Las imágenes cromosféricas de alta resolución del Telescopio Óptico Solar Hinode dio a conocer la dinámica implacable y estructuras contorsionadas. Se descubrió un nuevo tipo de espícula (Chorro radial de plasma) que puede desempeñar un papel fundamental en la transferencia de masa y energía a la corona. Las imágenes EUV del Ensamble de Imágenes Atmosféricas (Atmospheric Imaging Assembly) del SDO han puesto de manifiesto que los bucles coronales no pueden estar en un estado de equilibrio como se creía anteriormente. Por otra parte, las firmas de fraccionamiento elemental, idénticas a las de los tranquilos arcos coronales, han sido observadas en el viento solar lento.

La transición de la cromosfera al viento solar se rige por el campo magnético de la corona. Sin embargo, Hinode y SDO pueden medir el campo fotosférico pero no el campo magnético de la corona. Dos avances de la última década prometen llenar este vacío de información: las primeras observaciones se realizaron del campo vectorial cromosférico completo en el disco, y los primeros mapas fueron obtenidos del campo coronal arriba del limbo solar utilizando observaciones basadas en tierra. Otros avances en la medición de la materia coronal son cruciales para la comprensión de los orígenes del viento solar y el conductor de la actividad solar y su impacto sobre el medio ambiente espacial de la Tierra.

Se realizaron progresos significativos hacia alcanzar el cierre entre las teorías/modelos y observaciones. Las primeras simulaciones numéricas magnetohidrodinámicas (MHD, MagnetoHydroDinamic) tridimensional a escala global semi-realistas se llevan a cabo con la resolución espacial suficiente para permitir la comparación con las observaciones modernas (Como se puede ver en la siguiente imagen). El modelado de la cromosfera sin embargo, sigue siendo un reto importante, ya que en esta región la descripción clásica del transporte de energía comienza a romperse y las escalas espaciales dinámicamente importantes no pueden ser resueltas. Las simulaciones numéricas tridimensionales no pueden abordar todos los componentes físicos de escalas mayores que unos cuantos gránulos o un supergránulo, pero muchos de estos desafíos podrán superarse en la próxima década, si se asignan los recursos suficientes para estos esfuerzos.