El astrofísico que hizo más que catalogar civilizaciones extraterrestres

Nikolai Kardashev falleció hace unos días y N+1 hizo un recorrido por lo más importante de su vida académica

El pasado sábado 3 de agosto, a los 88 años de vida, falleció el científico de la Academia de Ciencias de Rusia, Nikolai Semenovich Kardashev, un destacado astrofísico, creador y líder del proyecto Radioastron, y uno de los autores del método de radio interferometría con una base extra larga, gracias a la cual los astrónomos pudieron ver la "sombra" de un agujero negro y se asomaron a las entrañas de los cuásares. En este artículo-homenaje hablaremos sobre los varios descubrimientos importantes de Kardashev que influyeron significativamente en nuestra comprensión de los procesos que ocurren en el Universo.

Sondeando nebulosas

En 1963, Kardashev, que estaba en la escuela de posgrado con Joseph Shklovsky, defendió con éxito su tesis sobre la generación de emisiones de radio sincrotrón por electrones relativistas con un espectro de energía diferente.

En la disertación, Kardashev defendió la tesis de un pequeño pero importante artículo que había publicado cuatro años antes en el Astronomical Journal. Estamos hablando de la posibilidad de detectar líneas de recombinación de hidrógeno atómico a niveles altos en el rango de radio.

Si consideramos un medio interestelar enrarecido, entonces durante los procesos de recombinación e ionización que involucran iones y electrones, se pueden formar átomos con un alto nivel de excitación, en el que el número de niveles puede alcanzar cien o más. Posteriormente, durante la transición de los electrones atrapados a niveles de energía más bajos, según los postulados de Bohr, se emiten fotones que se pueden observar en el rango de radio si el número de átomos en la línea de visión es lo suficientemente grande y el medio se caracteriza por una baja densidad. Estas líneas se llaman recombinación.


Nikolay Kardashev 
GAISH MSU

El elemento más común en el medio interestelar es el hidrógeno. La posibilidad de la formación de líneas de radio en hidrógeno atómico altamente excitado fue notada en 1952 por el astrónomo australiano John Wilde, pero luego se consideró que sería imposible observarlas, ya que múltiples líneas de radio con un valor del cuanto cuántico principal mayor a 300 se fusionarán entre sí en un fondo continuo. El astrónomo holandés Hendrick van de Hulst tenía una opinión similar.

Sin embargo, Kardashev pudo demostrar que esto era posible y que las regiones HII, grandes nebulosas que contienen hidrógeno ionizado, son las más adecuadas para la observación. El rango de longitud de onda de 1.5 a 4 centímetros era el más adecuado para las búsquedas, y las nebulosas brillantes de Orión y Omega se convirtieron en los objetivos.

En el mismo 1959, cuando Kardashev publicó sus hallazgos, se puso en funcionamiento un radiotelescopio de 22 metros con un radio espectrómetro altamente sensible en el Observatorio Pushchino. Las observaciones realizadas con su ayuda en 1964, así como los datos obtenidos en el Observatorio Pulkovo, confirmaron las ideas de Kardashev: en el espectro de emisión de la nebulosa Omega, se crearon líneas de radio creadas por las transiciones n91 → n90 y n105 → n104 en un átomo de hidrógeno excitado, que unos meses más tarde cambió ligeramente debido al movimiento de la órbita de la Tierra, lo que demostró su origen cósmico.

Un año después, estos resultados se confirmaron utilizando radiotelescopios ubicados en los Estados Unidos, y al año siguiente, se detectaron líneas de recombinación de helio y luego carbono. Resultó que tales observaciones brindan una oportunidad única para estudiar las condiciones físicas en las regiones HII, nubes moleculares frías y nebulosas planetarias, para construir la distribución de hidrógeno ionizado en la Vía Láctea, para que podamos comprender mejor la estructura y el camino evolutivo de nuestra galaxia.

Los misterios del cangrejo

En 1964, Kardashev publicó otro de sus trabajos significativos sobre la naturaleza de la emisión de radio de varios objetos astrofísicos. En él, entre otras cosas, examinó la situación del colapso gravitacional de una estrella magnetizada mientras mantenía su momentum magnético y demostró que, como resultado, se forma una estrella de neutrones que gira rápidamente con un enorme campo magnético. Esto permitió explicar el origen de la potente radiación electromagnética de una fuente puntual en el centro de la nebulosa de Cangrejo (el remanente de supernova que estalló en 1054 en la constelación de Tauro). Kardashev pudo demostrar que era una estrella de neutrones, que se desacelera gradualmente y que suministra energía a una nebulosa en expansión.


La parte central de la Nebulosa del Cangrejo. telescopio Hubble 
NASA, ESA

Por lo tanto, Kardashev, de hecho, predijo la existencia de púlsares de radio y describió el mecanismo de su trabajo tres años antes de que fueran descubiertos por la astrofísica Jocelyn Bell. El púlsar en el centro de la nebulosa Cangrejo fue descubierto en 1968, y las observaciones han confirmado que estamos tratando con una estrella de neutrones giratoria con un diámetro de aproximadamente 25 kilómetros, que es responsable de la forma de la nebulosa, su campo magnético y radiación.

Catalogando civilizaciones

Entre otras cosas, Nikolay Kardashev se ocupó de la búsqueda de civilizaciones extraterrestres y estableció vínculos el proyecto SETI. Formó parte de un grupo de astrónomos soviéticos que, a principios de los años 60 del siglo pasado, organizaron un trabajo práctico para buscar señales de inteligencia extraterrestre. Gracias a él y a Carl Sagan, se celebró la primera conferencia soviético-estadounidense sobre el problema SETI en septiembre de 1971.

En 1964, se publicó el artículo, quizás más inusual de Kardashev, titulado "Transferencia de información por civilizaciones extraterrestres". El físico determinó los parámetros de transmisión de banda ancha isotrópica continua de las civilizaciones desarrolladas, el rango de longitud de onda óptimo para establecer comunicaciones interestelares (109-1011 hertzios), y mostró cómo podría verse el espectro de una fuente de radio artificial.

En el mismo artículo, Kardashev también presentó criterios para hablar sobre el carácter artificial de la fuente de señal. Esta debe tener dimensiones angulares muy pequeñas, polarización circular, demostrar la variabilidad del tiempo que no se reduce a fluctuaciones estáticas, y el espectro de la fuente debe contener ciertas características que enfatizan su origen antinatural.

Una historia divertida se asoció con estos criterios. Tras analizar los datos de observación disponibles en ese momento, Kardashev observó dos objetos interesantes: STA-21 y STA-102. Estos objetos tenían dimensiones angulares muy pequeñas, no se identificaban con fuentes ópticas conocidas y poseían espectros similares a los artificiales. Para probar la idea de su origen, se propuso determinar si la emisión de radio de estas fuentes era variable. Las observaciones realizadas en 1964-1965 con la ayuda de antenas del sistema ADU-1000 no revelaron la variabilidad del flujo de radiación de STA-21 con el tiempo, pero el STA-102 sí mostró cambios en el flujo con un período de 102 días.

Después que la agencia TASS publicó la noticia, y a pesar de la conferencia de prensa celebrada en la EFS (en la que los científicos explicaron que la variabilidad de la fuente no necesariamente confirma su origen artificial), durante varios días la prensa mundial discutió la noticia del descubrimiento de inteligencia extraterrestre. Otros estudios de estos dos objetos llevaron a la conclusión de que se trataba de quásares.

Pero lo principal por lo que se recordaba este artículo era la escala Kardashev, ahora ampliamente conocida, en la que se clasificaban las civilizaciones extraterrestres dependiendo del nivel de desarrollo de los recursos y el consumo de energía.

Una civilización del primer tipo es capaz de utilizar todos los recursos energéticos disponibles en su planeta, y su nivel tecnológico está cerca del nivel alcanzado por la humanidad. El nivel de consumo de energía para tal civilización se estimó inicialmente en 4 × 1012 vatios, pero luego la estimación cambió. Hoy, el primer tipo corresponde a una civilización cuyo consumo de energía corresponde a toda la energía recibida por la Tierra desde el Sol - 1.7 × 1017 vatios. Desde este punto de vista, la humanidad aún no ha alcanzado el primer tipo.

Una civilización del segundo tipo usaría toda la energía de su estrella, por ejemplo, usando una esfera Dyson u otra estructura de astroingeniería, y su consumo de energía para una estrella como el Sol sería de 3.8 × 1026 vatios.

Finalmente, una civilización del tercer tipo es capaz de capturar energía en la escala de toda su galaxia. Kardashev estimó el nivel de su consumo de energía en 1037 vatios. Un ejemplo condicional de tal civilización podría ser el Imperio Galáctico del universo de Star Wars.

Un telescopio del tamaño de un planeta

Pero quizás el logro científico más importante de Kardashev sea el desarrollo de la idea de un radio interferómetro de base ultra larga (VLBI), que propuso en 1965 junto con Leonid Matveenko y Gennady Sholomitsky.

La idea era que los telescopios que componen el interferómetro no tengan que conectarse con un cable de alta frecuencia, lo que limita la resolución angular del sistema. En cambio, sea posible llevar a cabo un registro independiente de la señal de radio en antenas espaciadas en diferentes continentes y solo entonces, después de registrar la información en los operadores, procesar los datos con un correlacionador.

Esto permitió lograr una resolución angular previamente inimaginable, que era decenas de miles de veces mayor que la resolución de los interferómetros ópticos. Pronto esta idea se implementó con éxito en varios radiotelescopios en los EE. UU. Y Canadá, y luego en la URSS. Sin embargo, Kardashev no iba a limitar el alcance del radio interferómetro al tamaño de la Tierra. Pensó en un interferómetro espacial con una base del orden de una unidad astronómica para resolver problemas cosmológicos.


Uno de los radiotelescopios del Radio Observatorio Pushchino, donde trabajaba Nikolay Kardashev
PRAO

A principios de la década de 1980, Kardashev comenzó a trabajar en el proyecto Radioastron, que tardó treinta años en desarrollarse. El proyecto comenzó en 2011 y era un complejo del radiotelescopio espacial de diez metros más grande del mundo, KRT-10, montado en el aparato Spektr-R, que giraba alrededor de la Tierra en una órbita elíptica muy alargada con un eje semi mayor alrededor de 190 mil kilómetros de largo y un período de revolución de aproximadamente 8,3 días, y redes de radiotelescopios terrestres.

Todos estos telescopios forman un sistema gigante con una base de más de trescientos mil kilómetros, lo que permitió alcanzar una resolución angular del orden de varias decenas de microsegundos angulares; un tamaño tan angular ubicaría una caja de fósforos en la superficie de la luna. El proyecto fue extremadamente exitoso, y el telescopio en sí pudo trabajar 7.5 años en lugar de los cinco años originalmente planeados.

El objetivo de la investigación fue el núcleo activo de galaxias, agujeros negros de masas estelares, remanentes de supernovas, púlsares, masers espaciales y megamasers, quásares y nubes de gas interestelar. Fue posible examinar los jets BL Lac blazar con alta resolución récord y ver detalles estructurales de un chorro relativista cerca de un agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia activa 3C84, ver un maser acuoso del tamaño de un sol y descubrir un nuevo efecto de dispersión de ondas de radio en nubes interestelares de plasma.

En marzo de 2017, se anunció que se logró un registro absoluto de resolución angular en astronomía al observar un megamaser acuoso en la galaxia M 106, que ascendió a 8 microsegundos de arco.

Otro desarrollo de Radioastron fue el proyecto Millimetron, en el que Kardashev había estado trabajando activamente en los últimos años. Se espera que Millimetron comience después de 2027, cuando el telescopio Spectrum-M sea lanzado al espacio.

 

Alexander Voytyuk
Traducido por
Victor Román
Esta noticia ha sido publicada originalmente en N+1, ciencia que suma.

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