Ideas Basicas: Primera Parte
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Sobre las ideas básicas – primera parte “Ideas básicas para una alfabetización astronómica” 1 – UNA CONFLUENCIA VERTIGINOSA DE LENGUAJES Una disciplina científica es una manera de ver el mundo, un modo de interactuar con él. Muchas veces, cuanto se conoce de una ciencia es inseparable de los símbolos en los que se codifica parte del conocimiento producido por ella. Aprender un contenido científico de manera significativa es aprender su lenguaje, no sólo las palabras (1) aunque principalmente palabras, de forma sustantiva y no arbitraria. Aprender biología, matemática, historia o física, es aprender un lenguaje, una forma de hablar que implica, entonces, también una forma de pensar el mundo (2). Por otra parte, aprender un nuevo lenguaje implica nuevas posibilidades de percepción. Así, la ciencia resulta una extensión, un refinamiento de la habilidad humana para percibir el mundo; aprehenderla implica aprender su lenguaje y, en consecuencia, hablar y pensar de forma diferente sobre el mundo. El lenguaje está lejos de ser neutro en el proceso de percibir, así como en el proceso de evaluar nuestras percepciones. Estamos acostumbrados a pensar que el lenguaje “expresa” nuestro pensamiento y que refleja lo que vemos. Sin embargo, esta creencia es ingenua y simplista, el lenguaje está totalmente implicado en cualquiera y en todas nuestras tentativas de percibir la realidad ( 3). Ahora bien, la mayoría de las subdisciplinas que componen la ciencia astronómica actual (ver más adelante el apartado “La multiastronomía”) se hallan ausentes en los textos de estudio básicos y, sin embargo, sus premisas fundamentales están implícitas en la descripción de las características de los astros que se quieren describir. De este modo, dado que cada subdisciplina involucra un modo particular de representar al objeto de estudio, con un lenguaje particular, sucede que luego, cuando todas se unen en una descripción global del mismo, se produce una superposición de representaciones que, particularmente en el proceso de aprendizaje, no resulta sencillo de interpretar ni conceptuar. Para simplificar suelen subsumirse los resultados y procedimientos derivados de esas subdisciplinas bajo el término astrofísica y, a lo sumo, a éste se lo yuxtapone con el de astronomía, cuando se quiere aludir a procesos históricos de esa ciencia, a determinadas aplicaciones prácticas (como por ejemplo, la medida del tiempo) o bien a modelos explicativos anteriores al siglo XX. En este planteo, las ideas de la Cosmología quedan algo apartadas del campo de la astronomía y/o de la astrofísica, ya que su dominio no necesariamente debe abordarse desde un punto de vista astronómico; un filósofo o un teólogo, tanto como un físico o un matemático, pueden encarar temas cosmológicos desde sus saberes específicos. Sucede además que, en las representaciones astrofísicas de la naturaleza celeste confluyen ideas que traccionan conceptos de diferentes ciencias asociadas, en particular de la física y de la matemática (4). Análogamente, en la descripción de modelos explicativos de otras disciplinas (física, en particular) quedan comprometidos diversos conceptos astronómicos básicos. “La multiastronomía” Clásicamente, por astronomía se entiende el estudio de los astros en general, lo que involucra sus orígenes, sus posiciones y movimientos [aparentes y reales], su constitución y su evolución, así como también la distribución e interacciones de la materia y energía en el universo conocido. No obstante, los científicos suelen diferenciar esta ciencia de acuerdo a diferentes y También otros signos, instrumentos y procedimientos. Ampliar en: Moreira, M.. Aprendizagem Significativa Crítica. Ed. A. Toigo: São Leopoldo, 2005. 3 Ampliar en: Postman, N. & Weingartner, C.. Teaching as a subversive activity. Dell Publisching Co., New Cork, 1969. 4 Por ejemplo, para describir cierto fenómeno celeste, es preciso dar cuenta del instrumento utilizado para observarlo, el modelo físico usado para explicarlo, el formalismo matemático que le permite manipularlo y la teoría astronómica en el que ese fenómeno queda comprendido. 1 2 Página 1 de 12 – Horacio Tignanelli – 2010 diversos criterios que, muchas veces, impregnan los textos de estudio, profundizando algunos rasgos respecto de otros. En relación a los modelos que describen los fenómenos celestes, la disciplina suele parcelarse, por ejemplo, en astronomía esférica o fundamental, que estudia las posiciones y movimientos aparentes de los astros sobre la esfera celeste; astronomía de posición, constituida por la astrometría [estudia la determinación de posiciones de los astros a partir de observaciones visuales o fotográficas] y la astronomía práctica [estudia los instrumentos y procedimientos utilizados en astrometría, como también los errores inherentes a toda observación astronómica]; mecánica celeste, que estudia los movimientos de los cuerpos de un sistema planetario mediante métodos de la dinámica analítica; astronomía teórica, que estudia las posiciones y movimientos reales de los astros en el espacio [dando su explicación física] así como los diversos fenómenos relacionados con los mismos; astronomía neumática, que estudia el origen y la propagación de las ondas acústicas y magnetohidrodinámicas en los cuerpos celestes; y la astronomía de neutrinos, que estudia las reacciones nucleares en el centro del Sol y de las estrellas, a partir de la observación de neutrinos captados en la superficie terrestre. También suelen fragmentarse los estudios astronómicos en función del tipo de astro considerado, dando lugar a especialidades, como la heliofísica, que estudia al Sol, la planetología, centrada en la constitución interna de los planetas y en sus rasgos superficiales, y la astronomía estelar, dedicada a la constitución y las condiciones físicas de las estrellas. Con el descubrimiento de las propiedades de la radiación, el espectro electromagnético conformó cierto patrón útil para distinguir nuevas secciones de la astronomía, por ejemplo: radioastronomía, que analiza la radiación emitida por los cuerpos celestes en el dominio de las radiofrecuencias; astronomía infrarroja, que estudia los astros en el dominio de la radiación infrarroja desde observatorios emplazados a grandes altitudes [con globos, aviones o cohetes]; astronomía ultravioleta, llevada a cabo con observaciones desde afuera de la atmósfera terrestre, para detectar la radiación recibida en banda comprendida entre 300 nm y 10 nm de longitud de onda; astronomía de rayos X y astronomía de rayos gama, ramas que estudian el Sol, las estrellas y otros astros en las respectivas zonas del espectro electromagnético, desde globos, cohetes y satélites artificiales; finalmente, suele llamarse astronomía de altas energías al estudio de la radiación emitida por los astros en la región alfa del espectro. Durante el siglo XX, además, al surgir nuevas tecnologías de observación celeste [antenas, detectores, etc.] se propició que las técnicas y artefactos usados definan también nuevas ramas de esta ciencia. Como ejemplo, mencionamos las siguientes: astronomía geodésica, que estudia los métodos e instrumentos destinados a la determinación de coordenadas geográficas de puntos de la superficie de la Tierra; y la astronomía desde globos, que utiliza los resultados de medidas efectuadas con instrumentos instalados en globos estratosféricos, con o sin tripulación. Luego de la segunda mitad del siglo XX surgieron también la radarastronomía, que consiste en la detección de microondas enviadas y reflejadas en los cuerpos del Sistema Solar, y la astronomía de cohetes, que utiliza los resultados de las observaciones efectuadas con instrumentos instalados en cohetes. Finalmente, la astronomía espacial que se vale de las observaciones efectuadas desde sondas y naves espaciales. Por último, así como en el pasado la astronomía náutica, con sus métodos de determinación de la ubicación de un barco por el registro de la posición aparente de los astros, favoreció a la ciencia astronómica con una serie de conceptos y procedimientos, durante el último siglo se desarrolló un grupo de disciplinas técnicas que comenzó a aportar una nueva colección de datos y procedimientos a la astronomía, convirtiendo paulatinamente a dichas disciplinas en ciencias auxiliares, como por ejemplo: la astrodinámica [que describe y analiza el movimiento de vehículos espaciales], la astronáutica [el estudio científico-técnico de los viajes en el espacio exterior], la exobiología [el estudio de los fenómenos vitales fuera de la Tierra], y la astroquímica o análisis de la naturaleza química de los astros Página 2 de 12 – Horacio Tignanelli – 2010 2 – SOBRE UN EXPERIMENTO CRUCIAL El físico Albert Einstein sugirió que una posible comprobación experimental de algunos aspectos de la Teoría de la Relatividad debía ser la detección de una desviación de la trayectoria de un rayo luminoso, al acercarse a un cuerpo de gran masa por efecto de la atracción gravitatoria sobre la luz, producida por el campo que genera dicho cuerpo masivo. Al respecto, en 1911 determinó que ese efecto relativista (la desviación del rayo de luz) podría calcularse mediante la expresión Planteo de la desviación del rayo lumino2·G·M/D·c2, donde G es la constante so de una estrella al pasar cerca del Sol. de gravitación universal, M la masa del La posición real de la estrella es la misma cuerpo que genera el campo gravitatoque tiene cuando no hay eclipse. rio, D es la distancia entre el cuerpo y el rayo de luz, y c la velocidad de la luz en el vacío (1). Einstein consideró al Sol como un cuerpo suficientemente masivo que, por su cercanía a la Tierra, resultaría adecuado para comprobar esa desviación en la trayectoria de la luz; para ello sugirió que sería útil escoger una estrella lejana como fuente lumínica de la experiencia. Luego de algunos intentos frustrados, esa comprobación fue hecha con éxito en 1919, en medio de un mundo escéptico, irritado y afligido por la guerra; esta gesta es una de las más atractivas para narrar a los jóvenes ( 2). Albert Einstein (1879- 1955) Ahora bien, un retrato sencillo de la experiencia realizada introduce diversos conceptos astronómicos que, en general, no han sido tratados previamente; su descripción se convierte en un suceso arcano, fatigoso para representar, complejo para conceptualizar y en el que la idea central de Einstein acaba desdibujándose por las dificultades de su correcta comprensión. Tomando elementos comunes que aparecen en varios libros de texto, una síntesis del procedimiento seguido es la siguiente: “Dado que el Sol sólo es observable de día, la detección de un rayo de luz estelar que pase por su cercanía es inaccesible debido a que el brillo intenso del Sol impide ver simultáneamente otros astros (3). Los astrónomos hallaron que una solución posible era medir la posición aparente de las estrellas vecinas a la ubicación del Sol durante un eclipse solar total, momento en que se produce una noche temporaria y se alcanzan a ver algunas estrellas. Así, la experiencia crucial consistió en determinar posiciones y distancias mutuas entre varias estrellas ubicadas muy cerca del Sol en el instante de un eclipse de esas características, y luego compararlas con las posiciones corrientes, es decir, cuando no está el Sol cercano a la dirección de su visión.” Esquema del fenómeno según Einstein. El aprendizaje de ese procedimiento, que representa un episodio trascendente para la ciencia del siglo XX, involucra diversas nociones, entre las que destacamos: Unos años después, en 1915, Einstein demostró que su valor de 1911 debía ser duplicado y calculó que la desviación estimada para un rayo de luz estelar, al pasar próximo al borde del Sol debía ser al menos de 1,75“. 2 Ampliar en: Einsenstaedt J. & Passos Videira. A.A.. La demostración sudamericana de las teorías de Einstein. Rev. Ciencia Hoy, Vol. 8, Nº 44: Buenos Aires, 1998. 3 A excepción, en ciertas oportunidades, de la Luna, Venus, Mercurio y algunos bólidos. 1 Página 3 de 12 – Horacio Tignanelli – 2010 La conceptualización de que el cielo diurno está poblado de estrellas, inaccesibles a la visión directa desde la superficie de la Tierra por el encandilamiento que produce la luz solar. La noción de coordenadas astronómicas resulta imprescindible para entender cómo se determina y registra la posición de un astro e, incluso, para la verificación del valor de la desviación, predicho por la Teoría de la Relatividad. Esta noción, por ejemplo, permitiría responder algunas cuestiones del tipo: ¿Qué valores son los que se comparan? ¿Es significativo 1,75” en la medida angular de la posición de una estrella? ¿Es medible? ¿Cómo se determina un ángulo tan pequeño? ¿Cuál es el grado de dificultad para hacerlo? (1). La noción general de eclipse y, en particular, de eclipse total de Sol (circunstancias, duración, mapeo, etc.) lo cual implica la comprensión del movimiento y dimensiones aparentes del Sol y de la Luna, entre otros elementos de la llamada astronomía de posición (Astrometría). La comprensión de que la Tierra demora un año en completar su revolución alrededor del Sol (traslación) y, por lo tanto que, meses después del eclipse, las mismas estrellas seleccionadas para la experiencia diurna, volverán a ser visibles, pero de noche. Esta idea es central para entender que los rayos de luz que llegan de esas estrellas, al arribar “lejos” del Sol, deberían definir posiciones en la esfera celeste, bajo ángulos diferentes a los obtenidos durante el eclipse de Sol. Eclipse total de Sol. Para conocer la geometría del espacio físico deben usarse líneas. En el mundo real, se trata de líneas físicas percibidas por medio de experimentos, no líneas matemáticas; prácticamente, las líneas rectas se definen por medio de rayos de luz. Por lo tanto, es preciso contar con la noción previa de que la luz de las estrellas llega hasta un observador en nuestro planeta en línea recta. En general, al mirar cualquier astro lejano, es habitual asumir que ese astro se encuentra en el punto donde se lo ve, es decir, en la dirección definida por el rayo de luz percibido. Si por alguna causa, el rayo de luz se curvase, la posición real del astro sería diferente de la dirección en que nos parece verlo, esto es, desde donde juzgamos que proviene su luz, en el instante percibido. No obstante, en rigor, sólo mirándolo no hay manera de saber si el rayo de luz que recibimos sigue una línea recta o una curva. Un ejemplo óptico conocido es el de los espejismos, cuando el aire se comporta como una lente (2) y desvía los rayos provenientes de objetos lejanos; ocurre entonces que un observador cree que el objeto se encuentra donde lo ve y, en realidad, no lo está. Un fenómeno semejante, denominado refracción atmosférica, afecta también las posiciones de los astros ( 3), las que entonces deben ser corregidas por tal causa. En lo que se busca enseñar, estos efectos no son centrales en la experiencia, sino secundarios (4). Es decir, en la experiencia de comprobación de un efecto de la Teoría de la Relatividad no se trata de un modelo que plantee cómo el medio desvía al rayo luminoso, sino otro que da cuenta de una curvatura del espacio donde ese rayo se propaga, la cual produce también una desviación en la visión de un observador. En otras palabras, el espacio es curvo y la manifestación de esa curvatura es la gravedad; la luz sigue el camino más recto posible, el que resulta ser más o menos curvo, de acuerdo con la alteración de la geometría del espacio de su alrededor por efecto de la presencia cercana de un cuerpo masivo. 3 - LAS IDEAS BÁSICAS En la actualidad, entonces, la astronomía se presenta como una disciplina milenaria en la que confluyen en forma permanente las principales corrientes de otras ciencias. Un campo de saberes en el que la tecnología es favorecida por sus programas de investigación y que, a su vez, la misma tecnología colabora a su desaEstas cuestiones necesariamente conllevan la introducción de un conjunto de precisiones acerca de los principales elementos geométricos que definen el modelo de esfera celeste, como planos de referencia, ejes fundamentales, etc. 2 Por ejemplo, por efecto de cambios en su densidad debidos a temperaturas muy altas. 3 En general, la refracción atmosférica afecta la posición de los astros, elevándolos, es decir, aumenta su altura sobre el horizonte. 4 Son efectos que se tienen en cuenta habitualmente en todos los procedimientos de observación astronómica. 1 Página 4 de 12 – Horacio Tignanelli – 2010 rrollo. Un dominio con saberes sostenidos por modelos, en particular los que intentan explicar el universo, que en gran medida regulan el avance epistémico sobre el mundo natural. Dado este complejo escenario, pensar en una alfabetización astronómica parece un objetivo lleno de obstáculos y, por lo tanto, la tarea de educación en astronomía resulta una empresa difícil y reservada a sólo unas pocas personas. Mientras se acomodan las nuevas concepciones que parecen surgir y sugerir la multimillonaria cantidad de datos que los astrónomos reciben de sondas y naves espaciales, mientras de optimizan los modelos con el resultado de las simulaciones computacionales de centenares de computadoras que recrean el universo desde sus orígenes, la formación inicial de nuestros jóvenes en temas astronómicos se hace más ardua y arcana, cuando no acaba siendo, la misma práctica docente, un ejercicio de divulgación científica de dudosa eficacia en términos de aprendizaje. Así, eventualmente, una potencial alfabetización astronómica debe concebirse como un proceso lento que exige una duración considerable y que seguramente no estará completa en el período que pueda dedicarse a esos temas durante la educación obligatoria. Ante estas condiciones, una posible propuesta para los docentes es presentar y discutir sólo algunas nociones, centrales para la disciplina, que explícitamente muestren a los estudiantes de qué modo la astronomía moderna brinda una visión sobre el mundo macroscópico completamente diferente a la que proveían las descripciones clásicas, con las que todos estamos acostumbrados. Presentamos un conjunto nociones con objeto de proponer, con ellas, construir un modelo explicativo escolar que permita dar cuenta prácticamente de cualquier fenómeno astronómico; llamaremos ideas básicas [IB] a esas nociones. No consideramos estas IB como axiomas o principios fundamentales, sino como herramientas cardinales que permiten elaborar una respuesta didáctica, armónica con los modelos culturalmente aceptados de la astronomía. Las IB no se tratan de premisas científicas, sino de herramientas didácticas para que el docente intente acercar a los estudiantes, precisamente, los modelos más potentes usados por los astrónomos. En otras palabras, planteamos las IB como instrumentos para pensar la astrofísica. Solo en ese sentido, las IB pueden considerarse definiciones, ya que no tienen ninguna autoridad fuera del contexto para el cual se han inventado (1). Por otra parte, en que los modelos físicos son metafóricos; hay modelos que suponen que las entidades físicas se comportan como si fuesen partículas perfectamente elásticas y otros, que tienen partículas con masa nula. O los campos eléctricos, que se comportan como si estuviesen constituidos por líneas de fuerza imaginarias. En realidad, todas las áreas del conocimiento tienen metáforas en sus bases. Entender un campo de conocimiento, implica comprender las metáforas que lo fundamentan. En ese sentido, construir un conjunto de IB de la astrofísica, es una forma de enunciar una serie de metáforas para su aprendizaje (2). Pero no se trata sólo de aprender significativamente las IB como metáforas, en el sentido de anclarlas en algún subsumidor. Consideremos el caso de la metáfora del sistema planetario usada para el átomo: el átomo es metafóricamente un sistema planetario, pero entender que, justamente por eso, los electrones no son planetas y el núcleo no es un pequeño Sol, es tener conciencia de que el conocimiento humano es metafórico y, por eso, incierto, dependiente de la metáfora utilizada (3). De esta manera, la construcción de IB puede asemejarse a la elaboración de otros instrumentos para pensar el mundo. Desde el inicio de la escolarización los alumnos, simplemente, reciben definiciones como si fuesen parte del mundo natural, como las nubes, los árboles y las estrellas. Aprender alguna definición de manera significativa y crítica, no es sólo darle significado a través de la interacción con algún subsumidor adecuado; es también percibirla como una definición que fue inventada para alguna finalidad y que tal vez definiciones alternativas también sirviesen para tal fin (Ampliar en: Postman, N.. El fin de la educación. Octaedro: Madrid, 1999). El conocimiento expresado a través de tales definiciones es, entonces, incierto (o sea, podría ser diferente si las definiciones fuesen otras). 2 La metáfora es mucho más que una figura poética. No sólo los poetas usan metáforas. Los biólogos, los físicos, los historiadores, los lingüistas, en fin, todos los que intentan decir algo sobre el mundo usan metáforas. La metáfora no es un adorno. La metáfora es un órgano de la percepción. 3 Ampliar en: Moreira, M.. Aprendizagem Significativa Crítica. Ed. A. Toigo: São Leopoldo, 2005. 1 Página 5 de 12 – Horacio Tignanelli – 2010 Lo que sigue es un conjunto de IB útiles para iniciar una potencial alfabetización astronómica de los jóvenes. No consideramos que estas IB deban considerarse las únicas ni las últimas, ya que seguramente puede ampliarse su número u optimizarse sus enunciados. Sin que el ordenamiento que presentamos a continuación represente una jerarquía, los posibles enunciados de esas IB son: 1ª La radiación electromagnética es el germen de la información básica usada en las investigaciones astronómicas. 2ª A partir del registro y estudio de las regularidades y características de los fenómenos astronómicos aparentes (observables), es posible construir modelos físicos que interpreten y expliquen tanto los aparentes, como los fenómenos reales que ocurren en el universo conocido (no observables). 3ª Casi toda la materia conocida del universo se encuentra en estado de plasma. 4ª Una gran parte del material cósmico se descubre ordenado en cuerpos más o menos compactos (astros), cuyas estructuras y propiedades cambian a través del tiempo, sugiriendo rasgos identificables como etapas evolutivas. 5ª Existen dos tipos de interacciones entre los astros: electromagnéticas y gravitatorias. La profundidad con que cada una de estas IB se trabaje en clase quedará en función del nivel de los estudiantes y del contexto en el que se presenten. Por otra parte, para una comprensión adecuada de esas IB, su despliegue en otras tantas derivadas, dependerá decisivamente de los temas relacionados, imprescindibles para su aprendizaje, que se hayan abordado con anterioridad. En principio, esperamos que al tratar estas IB se generen múltiples preguntas en los estudiantes. Las preguntas, por cierto, también son instrumentos de percepción; la naturaleza de una pregunta (su forma y sus suposiciones) determina la naturaleza de la respuesta. Con esta idea, volvemos a plantear que el conocimiento es, por lo tanto, incierto, ya que depende de las preguntas que realicemos sobre el mundo. Es importante no confundir la incertidumbre del conocimiento con la indiferencia del conocimiento, es decir, que cualquier conocimiento vale. Lo que se está reclamando es el hecho de que nuestro conocimiento es construcción y, por lo tanto, por un lado, puede estar errado, y por otro, depende de cómo lo hemos construido. ¿Qué más podría hacer un profesor por sus alumnos que enseñarles a preguntar, si ésa es la fuente del conocimiento humano? Cuando un alumno formula una pregunta relevante (esto es, apropiada y sustantiva) está utilizando su conocimiento previo de forma no arbitraria y no literal, y eso puede considerarse una evidencia de un aprendizaje significativo, es decir, de un aprendizaje liberador, crítico, detector de tonterías, engaños e irrelevancias (1). Vale advertir que enseñar y aprender preguntas en lugar de respuestas, no implica negar la validez de momentos explicativos en los que el profesor expone un tema, explica alguna cosa (2). De esta manera, nuestra visión del mundo se construye a partir de las definiciones que creamos, preguntas que formulemos y de las metáforas que utilizamos; naturalmente estos tres elementos están interrelacionados en el lenguaje ( 3). A continuación presentamos un breve desarrollo de cada una de las cinco IB enunciadas, las que irán profundizándose e interrelacionándose en los próximos módulos. Ampliar en: Moreira, M.. Aprendizagem Significativa Crítica. Ed. A. Toigo: São Leopoldo, 2005. En este sentido, las IB deberían servir para que el profesor y los alumnos sostengan una postura dialéctica, abierta, curiosa, indagadora y no pasiva, mientras hablan o se escuchan (Ampliar en: Freire, P..Pedagogía da autonomía. 27ª Ed., Paz e Terra: São Paulo, 2003) 3 “Principio de incertidumbre del conocimiento” (Moreira, M.. Aprendizagem Significativa Crítica - pag. 35. Ed. A. Toigo: São Leopoldo, 2005.) 1 2 Página 6 de 12 – Horacio Tignanelli – 2010 1ª IDEA BÁSICA Puede trabajarse en los primeros años de la escolaridad restringiendo el espectro electromagnético tan sólo a la franja de frecuencias visibles (1), identificada con el término corriente luz y la única porción de esa radiación que el ojo humano puede percibir. Observando sólo la luz visible se construyeron prácticamente todos los modelos de la astronomía desde la antigüedad hasta mediados del siglo XX, ya que los objetos poco luminosos, así como los muy distantes y los que emiten radiaciones fuera de la franja visible, permanecieron invisibles (2). A medida que se avanza en la descripción de la naturaleza de la luz, puede ir progresándose también en la descripción del tipo de datos que recogen los astrónomos y, además, referir qué nueva información aporta los resultados de detectar otros rangos del espectro electromagnético [la zona ultravioleta, infrarroja, rayos X o radiofrecuencias]. Esquema que muestra las diferentes zonas del espectro electromagnético y los instrumentos usados en astronomía para estudiar los astros a través de las mismas. Adaptado de “The Great observatorios for space astrophysics” (NASA, 1987) No obstante, el alumno debería identificar siempre a la radiación electromagnética como la principal fuente de información para el estudio de los astros, se capte a ojo desnudo, con un telescopio espacial, una trama de antenas terrestres o con el más sofisticado de los detectores montado en una sonda interplanetaria. Esta porción corresponde a longitudes de onda entre 400 nm y 750 nm (nm: nanómetros, donde un nm equivale a 10 -3 μm – micrones – o bien 10-9 metros). La banda del visible limita la región de los diferentes colores espectrales que componen la luz blanca. Cuando esa luz pasa de un medio a otro, las trayectorias de las ondas que la conforman son refractadas en forma diferente, y, de esta forma, se separan los colores que componen esa dicha luz (éste es el concepto básico que explica la creación del arco iris o la formación de un espectro de colores a la salida de un prisma). El espectro electromagnético en su conjunto se verá en un próximo módulo. 2 En realidad, fue en 1930 cuando el ingeniero norteamericano Kart Jansky (1905-1950) detectó radiación no visible en el cielo hacia la constelación de Sagitario, en dirección al centro de nuestra galaxia. El registro de tales señales recién comenzó en 1937, cuando su compatriota Grote Reber (1911-2002) armó una antena en el patio de su casa y detectó un importante conjunto de radiofuentes que acabó conformando, en 1944, el primer catálogo de fuentes de radio dispersas en la Vía Láctea. 1 Página 7 de 12 – Horacio Tignanelli – 2010 2ª IDEA BÁSICA A pesar de que la principal actividad experimental de los astrónomos es la observación, la parte central de su campo de estudio no es perceptible. En un mundo en el cual es habitual y hasta obvio hablar de la rotación de la Tierra no todos son avisados de que tal movimiento no es evidente ni hay prueba directa, observacional, que permita probarlo. El universo se presenta a nuestra percepción bajo diferentes aspectos y la tarea de los observadores de todas las épocas fue, a partir de esas apariencias, construir representaciones (geométricos, físicos, míticos, etc.) que permitieran explicarlas. A través de esa labor se concibieron modelos que no se correspondían con lo observado, pero que daban cuenta de una armonía conceptual con otros descubrimientos de la ciencia, que llevaba a confiar en ellos más allá de la percepción; muchos de esos modelos, que al principio se aceptaron como una buena hipótesis, acabaron dando cuenta de la realidad cósmica. Ejemplos de este camino hay muchos y de diversas índoles. Mencionamos dos: Esquema de las diferentes trayectorias aparentes del Sol durante un año. Se muestran las trayectorias en los solsticios y en los equinoccios. (a) El pasaje del movimiento aparente del Sol y las estrellas, al movimiento real de rotación de la Tierra. (b) El pasaje de concebir que no todas las nebulosas observadas eran nubes de gas, sino enormes y distantes conglomerados de estrellas (galaxias). Un esquema habitual, usado para explicar la sucesión de las estaciones, considerando el movimiento de la Tierra en el espacio, alrededor del Sol. Página 8 de 12 – Horacio Tignanelli – 2010 3ª IDEA BÁSICA Es muy posible que el sólido sea el estado que domine las representaciones de los astros en los estudiantes más jóvenes; probablemente, resulte de la extensión de su impresión por vivir en un mundo que aparenta ese estado y también por cierta dificultad por imaginar cómo sería un paisaje en un mundo líquido o gaseoso. Sin embargo, ninguno de esos tres estados (sólido, líquido o gaseoso) es el habitual en el dominio de los astros, sino el plasma (1), un estado que aún no ha ingresado en los programas de la formación básica y que tampoco se trata adecuadamente en la formación superior de nuestros profesorados. La 3ª IB advierte sobre dos cuestiones importantes: la primera exige reformular la noción de estados de la materia, en particular cuando se quiere hablar de estrellas, ya que el estado de la mayor parte de la materia estelar es plasma. En un universo prácticamente vacío y poblado sólo por galaxias (cada una de las cuales un gigantesco conglomerado de millones de estrellas) evidentemente el estado predominante es el plasma. No obstante, aunque se afirme que casi todos los materiales del cosmos se encuentran en forma plasmática, este estado no resulta familiar dado que en nuestro entorno cercano el plasma es raro y efímero ( 2). La segunda cuestión que advierte el enunciado de la 3ª IB es que se menciona únicamente la materia conocida, presumiendo que existe otra que todavía no ha sido detectada; este concepto domina el escenario de muchas de las principales investigaciones astrofísicas actuales ( 3). 4ª IDEA BÁSICA Los estudios modernos sobre el plasma y el descubrimiento de su abundancia modificaron significativamente la concepción de los astros del universo conocido. Las investigaciones demostraron que el espacio, además de no ser homogéneo, está fragmentado, es decir, estructurado en zonas dentro de las cuales las condiciones del plasma son distintas (4). La 4ª IB da cuenta de la existencia de esas parcelas de plasma, aunque no sólo de ellas, sino también de otras forma de aglomeración de materiales cósmicos, en otros estados, como por ejemplo las nebulosas o los planetas (principalmente estado gaseoso, luego un poco de estado sólido y eventualmente, algo de estado líquido). Desde la Grecia Antigua hasta el Renacimiento, en general las mismas personas que desarrollaban la matemática se ocuparon de estudiar el cielo; el universo se reducía a un conjunto de cuerpos cuyas posiciones y movimientos debían ser descritos a través de modelos geométricos ( 5). Hace sólo unos 300 años (6), el universo empezó a concebirse también como un sistema físico regido básicamente por fuerzas gravitatorias, las cuales no determinaban sólo las posiciones y los movimientos, sino daban cuenta de cierta evolución. Este concepto está contenido en la 4ª IB, con objeto de que sea incluido junto con la descripción de los astros. Por otra parte, cuando las estrellas ingresaron al laboratorio (7), es decir, con el descubrimiento de la constitución química de las estrellas, la descripción de sus procesos internos y el relevo de sus etapas de A grandes rasgos, un plasma es cualquier sustancia con un grado de ionización suficiente como para que sea sensible a la presencia de fuerzas eléctricas y magnéticas. En el universo, al estado de plasma le sigue en importancia el gaseoso y con mucha menor presencia, el estado sólido. El líquido prácticamente puede considerarse ausente y relegado a ciertos mundos singulares [como la Tierra, por ejemplo]. 2 Estamos rodeados de sólidos, líquidos y gases; sólo aparecen plasmas cerca de nosotros cuando, por ejemplo, un relámpago cruza la atmósfera e ioniza momentáneamente el aire, o mientras está encendida una lámpara fluorescente. 3 Esa materia desconocida se la denomina “materia oscura”, ya que en la jerga de los astrónomos, algo “oscuro” o “negro” indica que no es observable, no detectable. 4 Se trata de regiones contiguas, pero rodeadas por fronteras electromagnéticas que fraccionan el espacio y establecen una coexistencia pacífica entre plasmas de composición química, temperatura, densidad y magnetización diferentes, y condiciones dinámicas particulares que pueden ser contiguas, pero no se mezclan 5 Esta labor de mapeo continúa en el presente, empleando grandes telescopios y tecnologías cada vez más complejas. de observación. 6 Particularmente desde la aparición de los postulados de Isaac Newton (1642-1727). 7 Frase utilizada por la célebre astrónoma inglesa Cecilia Payne-Gaposchkin (1900-1979), para definir la astrofísica. 1 Página 9 de 12 – Horacio Tignanelli – 2010 existencia a través de los modelos derivados de analizar los datos combinados de la fotometría y la espectroscopia estelar, el primitivo concepto de evolución mecánica se amplió y enriqueció. Actualmente, el siglo XXI exhibe un nuevo cambio. La imagen que mostraron las observaciones y registros espaciales de las últimas décadas, la de un universo lleno de plasma que en muchas partes resulta mucho más sensible a las fuerzas electromagnéticas que a las gravitacionales, impone otro punto de vista a la noción de evolución en astronomía. La geometría ya hizo su trabajo, la gravitación también hizo el suyo, ahora es el turno de la física del plasma, de modo de aportar nuevos modelos que permitan continuar la labor astronómica de completar la descripción del universo que habitamos. 5ª IDEA BÁSICA De las cuatro interacciones fundamentales (1) sólo dos de ellas generan efectos perceptibles directamente entre los astros: la fuerza electromagnética y la fuerza gravitatoria. La gravitación, la atracción universal de todas las partículas materiales entre sí, mantiene unidos a cada estrella y planeta, y mantiene los planetas en sus órbitas alrededor de las estrellas, y éstas en sus órbitas dentro de las galaxias. El electromagnetismo, la atracción entre las partículas eléctricas o magnéticas opuestas, produce luz y todas las otras formas de radiación electromagnética, incluyendo la radiación de onda larga (ondas de radio) y la radiación de onda corta (rayos X, rayos gama). El electromagnetismo también une grupos de átomos para formar moléculas y es la causa de la estructura de la materia tal como la conocemos. A diferencia de las fuerzas nucleares, la gravitación y el electromagnetismo tienen alcance infinito, por ello, por ejemplo, nuestra galaxia está afectada por la atracción gravitatoria de un enorme objeto cósmico conocido como Cúmulo de Galaxias de Virgo, y es también por la misma razón o que podemos ver luz estelar proveniente de miles de millones de años-luz de distancia (2). Como sea, las cuatro interacciones siempre están presentes. Todo suceso fundamental (“simple”) del universo, en principio puede ser interpretado mediante el llamado modelo estándar, que involucra a las fuerzas que Cúmulo de galaxias de Virgo. describimos. Cuando una persona mira una estrella, fotones de luz estelar chocan con electrones de los átomos exteriores ubicados en los receptores que hay en la retina de esa persona, poniendo en marcha otras interacciones de electrones que transportan la imagen al cerebro; todo esto es obra del electromagnetismo. Los procesos nucleares que produjeron la luz estelar son generados por las fuerzas nucleares fuerte y débil que operan dentro de la estrella que mira esa persona. La gravitación, por último, se manifiesta como la fuerza que mantiene unida esa estrella y aferra los pies de la persona (aunque sólo sea intermitentemente) al suelo. Ahora bien, en términos de la 5ª IB, el énfasis está puesto no en la comprensión de la física global del universo, sino en las interacciones entre los astros, un campo de estudio particular de la astrofísica y punto central para comprender los fenómenos asociados con ellas. Los astros iluminan (por ejemplo, generando luz Las cuatro fuerzas fundamentales (o clases de interacción, en la terminología cuántica): la gravitación, el electromagnetismo, la fuerza nuclear fuerte y la nuclear débil. Cada una tiene un papel diferente. Por ejemplo, la nuclear fuerte une los protones y neutrones en los núcleos atómicos, la nuclear débil, por su parte, interviene en la desintegración radiactiva. 2 En términos de Mecánica Cuántica, esto se interpreta considerando la naturaleza de las partículas, llamadas bosones, que transportan esas interacciones. En el caso de la electromagnética y la gravitatoria, los bosones, denominados respectivamente fotones y gravitones, tienen masa cero. 1 Página 10 de 12 – Horacio Tignanelli – 2010 como las estrellas, o reflejándola como los planetas) y/o son iluminados; la interacción de la radiación con la materia (1) genera cambios en la estructura y composición de los astros. Por otra parte, todos los astros, dada la universalidad de la gravitación, se atraen mutuamente con una interacción que, en forma simplificada, se describe en las aulas como una fuerza que depende drásticamente de la distancia entre los astros y de las masas de los mismos, con la esperanza que en algún momento se alcance a presentar el modelo relativista y se hable de la gravitación como un fenómeno asociado a la curvatura del espacio (2). Esquema que muestra diferentes procesos radiativos. Adaptado de “The Great observatorios for space strophysics” (NASA, 1987) Esa atracción es responsable, por ejemplo, de muchos de los movimientos de los astros. Por último, como ejemplo, pensemos que un tema como las estaciones, más allá de las consideraciones específicas (climáticas) es un fenómeno que combina, armoniosamente, un proceso de iluminación (del Sol a la Tierra) con otro gravitacional (que produce la traslación terrestre entorno al Sol). Un ejemplo de astronomía extragaláctica, básicamente gravitatorio. En la imagen siguiente se muestran, en azul tenue una serie de los objetos dispuestos en anillo, que en realidad se trata de una imagen múltiple de una misma galaxia, duplicada por un fenómeno conocido como “lente gravitatoria”, causada por el racimo de galaxias amarillas cercano al centro de la fotografía. El efecto de “lente” es producido por el campo gravitacional de ese cúmulo de galaxias, que “tuerce” el haz de luz para magnificar y desviar la imagen de un objeto que se halla aún más distante que esas galaxias. Fotografía tomada por el telescopio espacial Hubble (2004). Esto es absorción, reflexión, difusión, etc. Excepto quizás cuando se tratan campos gravitatorios sumamente intensos, como los que aparecen en el interior de un agujero negro o en el universo al comienzo de su expansión. 1 2 Página 11 de 12 – Horacio Tignanelli – 2010 COMENTARIOS FINALES Como dijimos, las IB enunciadas aquí no son las únicas; pueden construirse otras, nuevas, quizás más abarcadoras. No hemos profundizado en esta clase en la naturaleza de los conceptos que derivan de las IB presentadas, los cuales oportunamente es posible que se conviertan en otras IB, originales, nuevas y, de acuerdo a la profundidad con que se trate el tema, tal vez en IB de segundo o tercer orden respecto de las primeras enunciadas. Con estas IB esperamos contribuir a la creación del lenguaje propio de la astrofísica a enseñar, que refleje y abarque el idioma de la disciplina científica, para acercar a los estudiantes en la organización del universo de acuerdo a la mirada de los astrónomos contemporáneos. Página 12 de 12 – Horacio Tignanelli – 2010
