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| Paris Pishmish | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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La interpretación del título puede ser relativamente sencilla
y directa en una ciencia como la astronomía. La astronomía, el estudio de los fenómenos celestes, ha mostrado a través de decenas de siglos, facetas muy diversas y provocativas. El cambio de las facetas, el cambio de nuestra concepción de los fenómenos cósmicos han ido evolucionando. Algunas teorías, o en realidad muchas, no han podido sostenerse con el paso del tiempo y de nuevos descubrimientos. Sin embargo, demostrar que una teoría es falsa implica en sí un importante avance para la ciencia. Así lo ha dicho F. R. Moulton, el prestigiado astrónomo de principios de este siglo.
Yo sigo señalando que la astronomía es una sola. Si bien en la práctica se habla y se trabaja en temas aparentemente variados: observaciones, teorías, análisis computacionales, etcétera, los resultados de todo esto convergen, y deben converger, en explicar de manera global, fenómenos en el cosmos. Muchos son los científicos que al final de sus vidas productivas anhelan encontrar una teoría unificada de la naturaleza del cosmos. En el presente las poderosas posibilidades tecnológicas muestran tan variados detalles, que es fácil olvidar la unidad de la naturaleza o bien olvidar la sana actitud de considerar que las diferentes manifestaciones observadas son las piezas de un gran rompecabezas a armar.
La selección de temas de frontera no deja de ser personal, ya sea por razones de afinidad, de conocimiento o de temas predilectos, por mencionar unos cuantos motivos.
Primer problema de frontera: el esquema de Hubble
A grandes rasgos hay dos corrientes de estudio en las inquietudes que ocupan hoy en día las actividades de la mayoría de los astrónomos. Estas son: a) Procesos de la formación de las estrellas, a partir de nubes gaseosas; b) Procesos de la formación de las galaxias, a partir de masas primigenias. Comenzaré presentando un scenario, un cuadro muy general de ese Universo, que hasta la fecha hemos podido conocer, aunque sea de manera muy incompleta. Sabemos que el Universo esta lleno de masa y energía. Pero ni la masa en forma de estrellas, gas y polvo, ni la energía que les acompaña, están distribuidas uniformemente. Todo lo contrario; estas entidades se conglomeran en galaxias, unidades significativas en el cosmos. Las galaxias, a su vez, se aglomeran en cúmulos de galaxias. Ahora se tiene la certeza de que existen cúmulos de cúmulos de galaxias —supercúmulos—, en forma de filamentos (strings) y espacios vacíos (voids) entre ellos. Son las galaxias de las que me ocupará este artículo. La tabla 1 presenta un promedio de las propiedades sobresalientes del “universo” conocido hasta la fecha.
Las galaxias muestran diferentes tipos: clasificación
Hace ya dos siglos William Herschel y su hijo John, habían hecho un censo de los objetos nebulosos, observando todo el cielo, (William en Inglaterra y John también en Inglaterra y en África del Sur). A finales de la segunda década del presente siglo fue cuando se pudo tener la certeza de que la mayoría de estos objetos nebulosos, catalogados por los Herschel, eran sistemas estelares, islas “universo”, vistas a través de la Vía Láctea, nuestra galaxia. Los objetos restantes pertenecían a nuestra galaxia y resultaron ser o cúmulos estelares o nebulosas gaseosas que emiten radiación, excitados por la presencia de estrellas calientes masivas; algunos de ellos son de “reflexión” (esparcimiento) de la luz de una estrella menos caliente.
La secuencia de Hubble
A principios de los años 20, E. Hubble junto con sus colaboradores, habían acumulado un acervo de fotografías de galaxias tomadas con los más grandes telescopios de esa época, de 60 y 100 pulgadas de diámetro del Observatorio de Mt. Wilson, California. Pese a las variadas maneras en que se distribuye la luminosidad, o sea de sus formas, se notaba cierta similitud en sus grandes rasgos. Fue entonces cuando Hubble propuso su ya famosa clasificación de galaxias, la cual es una representación empírica; el esquema de Hubble es una especie de columna vertebral de la astrofísica, pero ¡aún no ha sido interpretado! La figura 1 es la “horquilla de Hubble” en su forma original (The Realm of the Nebulae, 1936). En la parte izquierda la secuencia es única y contiene los sistemas estelares llamados galaxias elípticas, con distribución simétrica de brillo (y por lo tanto de masa) y con aplanamiento creciente al pasar de E0 a E7. La figura 2 representa una de ellas (E5); las estrellas de estos sistemas son intrínsecamente menos luminosas que las de las espirales y su contenido de material difuso —gas y polvo— es insignificante. Sin embargo muy recientemente se observaron moléculas de monóxido de carbono, usando el telescopio de Pico Veleta, España, en ondas milimétricas (comunicación privada de M. Gordon). Las masas totales de las galaxias elípticas cubren un rango amplio. Entre ellas se encuentran las (válgase la expresión) más masivas. Se necesita determinar masas de un número mayor de galaxias tipo E.
A partir de SO, la secuencia se divide en dos: las espirales “normales” y las barradas, respectivamente. Es extraño que se haya seguido usando la designación “normal”, cuando hoy se sabe que las de barra son tan numerosas como las galaxias normales, entre las dos la cifra alcanza el 65%. Las figuras 3 y 4 muestran dos galaxias normales y la figura 5 una de barra (NGC, 1097). En las galaxias espirales el material difuso es de un 5% de la masa estelar, concentrado en el plano de simetría y está asociado a los brazos espirales.
Hubble advirtió claramente que la secuencia que presentaba era tan solo empírica y no evolutiva. Pero ante una variación progresiva de características morfológicas de las galaxias, a lo largo de la secuencia, los astrónomos fueron tentados a ver un sentido evolutivo en el esquema de Hubble. Algunos propusieron que las galaxias evolucionaban de las E’s a las espirales; otros sugerían que la evolución era de las espirales hacia las E’s. Ni lo uno ni lo otro es la verdad: las galaxias parecen tener la misma edad a pesar de las diferentes formas.
Por qué existen los diferentes tipos de galaxias: el papel de los parámetros globales
El que existan diferentes tipos de galaxias ha sido uno de los problemas fundamentales de la astronomía en todos los tiempos. Existen diversas teorías: algunos proponen que el ambiente donde se encuentran las galaxias afecta el curso de la evolución; otros sugieren que el encuentro con otras galaxias puede afectar el curso evolutivo de una galaxia. Si bien los encuentros entre galaxias son probables, las formas tan simétricas que éstas tienen no se pueden explicar como “accidentes” cósmicos.
A mi juicio, hay fuertes indicios de que el curso de la evolución de un objeto autogravitante, como lo es una galaxia, depende en gran medida de sus propiedades físicas iniciales. He propuesto, y defendido, la idea —ahora compartida por otros astrónomos— de que son los parámetros primigenios globales, cuando menos 2 o tal vez 3, con los que empieza su vida una galaxia, los que forjan su “destino”. Extendiéndome un poco más diré que: un parámetro global muy importante es la masa total de la gran nube primordial galáctica, más otro parámetro independiente, que puede ser el momento angular total y su distribución. Los campos magnéticos han sido también importantes en las primeras etapas gaseosas, antes de la formación de la componente estelar de una galaxia. En principio, si conocemos el estado dinámico del sistema estelar, por ejemplo, si la galaxia está en estado estacionario, es posible deducir los parámetros restantes de la galaxia como son: su curva de rotación, la variación de la dispersión de velocidades y otros. Aún estamos lejos de dar cauce cuantitativo a estas proposiciones.
Es altamente probable que la masa total primordial de una galaxia haya permanecido constante (o casi constante), a lo largo de su evolución. De aquí proviene la importancia de estimar la masa total de una galaxia. Tal estimación se basa en consideraciones dinámicas y es más confiable para las espirales llamadas normales que para las de barra. En todo caso, se supone que las galaxias están en estado estacionario, y que, en las espirales, la fuerza gravitacional interior a un punto es igual a la fuerza centrífuga, debido a la rotación alrededor del centro de la galaxia. Los datos que se han obtenido por observación o son velocidades radiales medidas con líneas espectrales ópticas, en general de emisión, o bien de radio ondas con la línea λ = 21 cm del hidrógeno neutro. De esta manera se han determinado las masas de unos centenares de galaxias espirales.
Mencionaré más tarde que las masas estimadas dan apoyo a la hipótesis de que la masa es uno de los parámetros globales que determina la suerte de una galaxia. En efecto, hemos encontrado que al pasar de los tipos morfológicos Sa a Sb, Sc e irregulares, la masa total de la galaxia disminuye paulatinamente, haciendo evidente que la masa total es un dato determinante para distinguir los diferentes tipos. (Véase figura 6, Pishmish y Maupomé 1978). Señalaremos que las edades de las espirales (que han proporcionado este resultado), son comparables entre sí, indicando con ello que las diferentes formas no se deben a la evolución. Sin embargo, se ve en la gráfica anterior que la dispersión de los valores que dan como promedio la masa representativa de los diferentes tipos Hubble es grande. Esto indica que la masa no es la única que determina el tipo, sino que existe otro parámetro independiente, primigenio, aún no precisado.
La energía rotacional de una galaxia puede ser otro parámetro primigenio. Cabe mencionar que se ha encontrado una relación estadística entre el momento angular por unidad de masa y la masa total de los objetos celestes, como lo son los cúmulos estelares, galaxias y cúmulos de galaxias (Brosche 1973; Carrasco et al., 1982). A mayor masa total, mayor es el momento angular por unidad de masa. En cuanto a campos magnéticos es preciso aclarar que aún no los conocemos satisfactoriamente. La fuerza es del orden de 1025 gauss como máximo. Las fuerzas magnéticas iniciales deben haber sufrido serias alteraciones, en especial durante la formación de las estrellas dentro de la nube galáctica.
Resumiendo podemos afirmar que la secuencia de Hubble, empírica por excelencia, no se ha podido interpretar hasta la fecha y que constituye un problema de frontera.
Deseo ahora abarcar otro problema respecto de un tema reciente y de frontera en todos los aspectos: el de la actividad en los núcleos de las galaxias. A mi modo de ver, este último problema apunta la posibilidad de explicar la incógnita perenne: la de la evolución de las galaxias y, por ende, la explicación de la horquilla de Hubble.
Actividad de los núcleos galácticos
Creemos que las galaxias cercanas que observamos en el presente han alcanzado un estado estacionario. Los movimientos de sus estrellas y nubes interestelares son de rotación en torno a su eje de simetría, con cierta dispersión alrededor de la velocidad promedio de rotación. En el estado estacionario no deben existir movimientos radiales del centro hacia afuera (o hacia dentro).
Pero actualmente se sabe que existen expulsiones de los núcleos de algunas galaxias; dicho fenómeno será el tema principal del resto de este artículo.
Algunos indicios de la actividad en los núcleos aparecieron a principios de los años 40. Carl Seyfert (1943) en el Observatorio de Mt. Wilson, seleccionó y observó galaxias espirales con núcleos muy brillantes. Las líneas espectrales de los núcleos de unas siete galaxias, resultaron ser mucho más anchas que en galaxias en general. Seyfert interpretó sus datos correctamente, como evidencia de la expulsión de gases ionizados del núcleo galáctico, teniendo velocidades entre 1000 y 10000 kilómetros por segundo. Este tipo de galaxias se catalogó bajo el nombre de Seyfert 1 y Seyfert 2.
Tuvo que transcurrir más de una década antes de que se prestara atención a este problema, quizá por falta de medios instrumentales adecuados. A principios de los 60, con el uso del novedoso (y primer) intensificador de imágenes, construido por el electrónico francés A. Lallemand, M. Walker pudo analizar con más detalle los espectros de los núcleos de algunas galaxias, incluyendo las Seyferts. Encontró evidencia de que el material que el núcleo eyecta está en forma de nubes, 3 o 4 por núcleo. En los años siguientes se han encontrado y analizado otras galaxias Seyfert, confirmando así el modelo de expulsión de nubes discretas de los núcleos activos.
La era de los cuásares
El descubrimiento de los cuásares dio gran impulso al estudio de fenómenos no estacionarios en el cosmos. Los cuásares son objetos cuasi estelares (en esencia son galaxias) lejanos; algunos de ellos de los confines del universo conocido. Estos se caracterizan por la exuberante energía radiada que es de 100 o 1000 veces la que emite una galaxia promedio (del esquema de Hubble). Es importante señalar que al borde del universo alcanzado por los astrónomos, una galaxia (o cuásar), se ve como era hace 5-6 × 109 años atrás, o sea, en su “juventud”.
Núcleos activos de las galaxias: AGN
En la última década y media, se han registrado grandes avances en el estudio de los núcleos galácticos activos, a los que se designa con la sigla AGN: (active galactic nuclei), principalmente por medio de radio-ondas aunado a algunos medios ópticos convencionales. Bajo AGN se suele agrupar los cuásares, las radio-galaxias, objetos BL Lac y galaxias Seyfert 1 y 2. Esta es una secuencia de energía o potencia total. Los más energéticos y altamente activos son los cuásares (objetos cuasi estelares y compactos). A partir de los cuásares la energía total de la secuencia de las AGN, disminuye hasta llegar a los Seyfert 2.
Núcleos levemente activos MAGN
He señalado anteriormente (Pishmish 1986), que la actividad puede darse, aunque con energía relativamente más leve, en galaxias aparentemente más normales que los Seyferts, y que el estudio de las manifestaciones en los núcleos galácticos debe extenderse hasta los núcleos más débiles como el de M31, la nebulosa de Andrómeda o de nuestra Galaxia. Había sugerido entonces la sigla MAGN para cubrir las galaxias cuyo grado de actividad no calificaba para ser incluida entre los AGN. Un ejemplo de MAGN es NGC4736, cuyo núcleo muestra una espiral cerrada, producto de emanación bipolar de gas de su núcleo en rotación, como hemos demostrado (Pishmish y Moreno, 1984).
Los MAGN están en nuestras cercanías y ofrecen la ventaja de poderlas estudiar en detalle, tanto su morfología como su cinemática. Un modelo propuesto para explicar las observaciones de las MAGN, puede extrapolarse para servir en la confección de modelos más realistas, aplicables a los AGN, las cuales por ser lejanas no pueden ser observadas detalladamente. Estoy suponiendo implícitamente, que el mecanismo de la actividad es universal y que la diferencia entre AGN y MAGN, se debe solamente a los parámetros globales intrínsecos, siendo la energía de los núcleos lo más importante (Pishmish, 1987). Actualmente muchos investigadores tienden a prestar atención también a las galaxias con leve actividad, reconociendo el papel que puedan jugar en descifrar los AGN (Davies, 1989).
El resto de mi artículo versará sobre AGN y los enigmas que presentan, causando así verdaderos retos a enfrentar. La actividad en el núcleo de las galaxias no solo es un tema de fronteras, sino que, a través del estudio de esta actividad, puede resolverse el problema de frontera que es la horquilla de Hubble.
Estructura en los núcleos galácticos: espirales cerradas
En algunas galaxias, la mayoría barradas, el núcleo contiene una espiral cerrada que les da la apariencia de un “anillo”. Tal espiral cerrada nuclear, esta delineada, en muchos casos, por nebulosas de emisión como “nudos”. Estos brazos espirales y los nudos, muestran la expansión del núcleo al mismo tiempo que rotan. Hemos demostrado que tales espirales se forman con el material eyectado de dos regiones simétricas en el ecuador de un núcleo en rotación. La bipolaridad de la eyección, hemos supuesto, se debe a un campo magnético. Lo que se observa después de un tiempo, aproximadamente 107 años, es el lugar geométrico del material eyectado. La aplicación al caso concreto a la galaxia NGC 4736, ha mostrado acuerdo notable, tanto en la morfología, como en lo cinemático (Pishmish y Moreno, 1984).
Podemos afirmar que la existencia de una espiral cerrada, en el núcleo de una galaxia, con velocidad de expansión, aunque (de otra forma normal) da evidencia de una actividad pasada (o presente). En este caso la eyección es observada directamente. En otros casos, como hemos mencionado antes en relación con las galaxias Seyfert, la actividad se deduce del ancho de las líneas espectrales. La estructura nuclear es demasiado pequeña para que se puedan observar las nubes individuales.
Vale la pena abundar en el episodio del descubrimiento de estos objetos enigmáticos. Años atrás se habían detectado imágenes ópticas intensas, de apariencia estelar, con la leve sospecha de que no eran perfectamente estelares. Por otro lado, un censo del cielo con radio ondas, había mostrado fuentes intensas de radiación. ¿A qué objetos ópticos correspondían estas radiofuentes? Se encontró que un buen porcentaje de ellas correspondían a objetos cuasi estelares (CUASARes). Pero no se conocía la distancia de ellos y, por ende, su luminosidad intrínseca era desconocida. El espectro obtenido no se parecía a algún patrón espectral conocido. Fue una sensación muy especial cuando el misterio se aclaró, gracias a la genial idea de dos astrónomos del Tecnológico de California: M. Schmidt y J. Greenstein. Ellos demostraron que el desplazamiento al rojo de la región del espectro en el ultravioleta, no observable por la presencia de la atmósfera terrestre, ahora sí se observaba, debido al gran desplazamiento hacia el rojo que los trajo a la región visible; es decir que los cuásares eran como galaxias y se encontraban a grandes distancias, más allá de las galaxias comunes y corrientes. También se observó que los brillos absolutos de los cuásares eran 100 y 1000 veces mayores que cualquier galaxia conocida, y que eran sumamente compactas. Los más energéticos AGN′s son también los más compactos.
Los cuásares se están estudiando intensamente desde 1963, en cuanto a sus espectros, su luminosidad integrada, distancias, colores, variabilidad, etcétera. Algunos radian en radio ondas, pero hay los que son “quietos” en radio. Los cuásares están en la “cabeza” de las AGN. Las propiedades salientes de las AGN pueden resumirse como sigue:
A medida que disminuye la energía del núcleo a lo largo de la secuencia, disminuye la concentración luminosa de la AGN y empiezan a aparecer las regiones circundantes del núcleo, así en los Seyferts la galaxia en su totalidad no difiere de una galaxia normal. A guisa de ejemplo mencionaremos que los núcleos de Seyfert 1 son más pequeños y compactos, en comparación con los de Seyfert 2 (Brecher, 1977). Sería deseable poder comprobar estos resultados estadísticos con más amplios datos en toda la secuencia de los AGN (véase Pishmish, 1987). Una tendencia semejante se advierte también en la secuencia de las espirales, en la horquilla de Hubble. El tamaño del bulbo decrece al recorrer de las Sa hasta las Sc e irregulares; de hecho esta propiedad es un criterio adicional de la clasificación de las espirales.
Estructura del núcleo de los AGN
En general los núcleos contienen nubes discretas. En los Seyfert esta propiedad es bien conocida, como lo hemos mencionado antes. En una galaxia MAGN, NGC 4736 o en NGC 4314 (barrada), las nubes se observan como “manchas calientes” (hot spots), llamados así por su alto contraste de brillo, en comparación de su entorno. En los casos observados con precisión, las manchas carentes (condensaciones) muestran velocidad de alejamiento del centro, al mismo tiempo que rotan alrededor del centro de la galaxia. Debido a que los movimientos radiales no están permitidos en el estado estacionario de una galaxia, los movimientos hacia fuera (o hacia dentro) dan la evidencia de actividad en el núcleo. En este caso la actividad en el núcleo se detecta cinemáticamente, mientras que en los núcleos más compactos y pequeños, esta actividad se deduce por el ancho de las líneas espectrales en cuestión (y unas pocas en absorción).
En los núcleos muy energéticos, como en los cuásares, se han observado nubecitas como puntos brillantes en el radio continuo, gracias a una hazaña más de la tecnología y a la colaboración internacional. En la última década los grandes radiotelescopios en diferentes continentes como América, Europa y a veces hasta Australia, observan objetos AGN, en el continuo del radio-espectro, casi simultáneamente. Una técnica de computación sofisticada proporcionando datos interferométricos. La resolución (es decir el poder de separación de los puntos cercanos) con estas bases intercontinentales, se llega a alcanzar en milisegundos de arco, casi mil veces más que la resolución alcanzada ópticamente. Este proceso lleva la sigla VLBI (very long baseline interferometry). La sede donde se procesan los datos acumulados es el Instituto de Radioastronomía Max Planck, en Bonn, Alemania.
Velocidad en los núcleos activos: ¿superlumínicas?
Ahora bien, con el VLBI se ha encontrado una treintena de núcleos activos de gran energía, que muestran 2 o más puntos radio luminosos. La sorpresa radicó en descubrir que, en el lapso de unos pocos años, la separación (proyectada naturalmente) de estas manchas aumentaba sensiblemente. Este fenómeno lo habían sugerido algunos científicos del Tecnológico de California, Marshall Cohen en especial, (en los primeros años de los 70), pero no se les creyó hasta que se comprobó el fenómeno definitivamente, gracias a observaciones más precisas. (La figura 7 es un ejemplo de tal fenómeno.)
Dada la gran distancia de estos AGN′s (la distancia determinada por el corrimiento al rojo de sus líneas espectrales ópticas), la velocidad de separación de los “puntos calientes” resulta ser 2, 3 o más veces la velocidad de la luz. Físicamente se sabe que no puede existir velocidad de ninguna índole más grande que la de la luz (según la teoría de la relatividad). El gran reto ha sido poder interpretar estas velocidades “superlumínicas”. Parece ser que la misma teoría de la relatividad explica este enigma como una ilusión (favoritismo Doppler). Mencionaremos más tarde, una vez más, los efectos del favoritismo Doppler.
A medida que aumenta la resolución espacial alcanzable, se revelan más y más pequeñas estructuras, nubecitas de plasma en los núcleos activos con dimensión del orden de un año luz. Aquí urgen algunas dudas: ¿continuará la disminución de los detalles observados en los núcleos activos? ¿Un aumento de a resolución requiere una mayor distancia (línea de base) entre los radiotelescopios? ¿La interferometría con base tierra satélite, será lo que se requiera para este problema? ¡No creo que las sorpresas cósmicas estén agotadas!
Otra pregunta interesante aún no atacada: ¿las nubecitas nucleares están arregladas simétricamente, como en el caso de las manchas calientes de una galaxia semejante a NGC 4736? (Véase figura 8). En esta última, las nubecitas más grandes que las de AGN delinean una espiral doble simétrica cerrada, dándole el aspecto de un “anillo”. Sería interesante saber si la simetría mencionada tiene alguna correlación con otros parámetros físicos del núcleo, como por ejemplo la energía contenida en ellos.
Radio galaxias y lóbulos
A principios de los sesenta se comprobó que las radio galaxias mostraban una estructura de dos lóbulos, simétricamente dispuestos alrededor del centro de la galaxia total, extendiéndose a grandes distancias. NGC 5128, una radio-galaxia (también galaxia óptica), que es una de las más cercanas AGN, mostraba dos lóbulos simétricos que se extendían a mega años luz. Aunque no se han observado velocidades en el material de los lóbulos, es de esperar, y así se supone, que estas estructuras están formadas por gas emanado de la galaxia, en especial por el bulbo de estas galaxias.
Energía total radiada (luminosidad) de los diferentes tipos de AGN
Una estadística de objetos activos catalogados por Verón y Verón-Cetty, muestra que la secuencia de los objetos activos, es también una de las energías promedio radiadas por las diferentes clases de galaxias activas (Ana María Cervantes, Tesis de Licenciatura, 1989). Esta afirmación se basa en los valores dados en la tabla 2.
Fenómeno de los jets
De nuevo en radio ondas se han encontrado estructuras intensas y altamente colimadas, llamadas chorros (jets), partiendo de núcleos energéticos de galaxias. Los jets atraviesan por en medio de los lóbulos menos intensos. Se cree que los jets suministran energía a los lóbulos. La bi-simetría de los jets, así como en la mayoría de los lóbulos, es de alto grado. La gran extensión de los jets astrofísicos se observan en cuásares o radiogalaxias, asociados a sus núcleos de alta energía. En general, el núcleo de donde parte el chorro, se cree, es un objeto muy denso, colapsado, o un hoyo negro que seguramente esta rotando. La linealidad de los jets, si estos tienen masa suficiente para ser sujeta a la gravedad del núcleo, implica que la orientación está a lo largo del eje de rotación. Los alabeos pequeños pueden deberse al medio ambiente, a la interacción con el material intergaláctico no homogéneo; o bien, pueden ser el resultado de una pequeña desviación de la orientación del jet, del eje de rotación del sistema. Dos ejemplares de jets astrofísicos aparecen en la figura 9.
Los jets más energéticos se observan en cuásares y en galaxias elípticas gigantes, con gran concentración central. En elípticas menos masivas, los jets son poco energéticos. En los Seyferts y en MAGN′s, la radioestructura es semejante a los lóbulos, pero menos extensas y de menor intensidad. A menudo se observan tres acumulaciones de radio continuo, una en el núcleo y dos a ambos lados del núcleo, simétricamente dispuestos. Será interesante determinar la existencia de los jets como función de los parámetros de la galaxia, por ejemplo, la masa total o la concentración de ésta.
A la fecha, se han detectado alrededor de 200 objetos con jets. Los lóbulos son casi siempre dobles, pero no así los jets. Hay los que son dobles y los que no lo son. Suponiendo que la emanación del plasma que forma el jet es igualmente intensa en ambos lados del núcleo, la pregunta será entonces: ¿por qué se observa solo uno de ellos? Puede ser también que la emanación no tiene simetría y que sólo sale el plasma de un lado. Pero si no es así, existe una interpretación a la ausencia del otro lado, como un efecto relativista, si la velocidad de eyección es relativista y la dirección está cerca de la línea de vista del observador, (favoritismo Doppler). Esta situación causa que la radiación del lado que se acerca al observador aparezca 5000 ó 6000 más intensa que el opuesto, por lo tanto este último no será detectable. Es necesario tener una muestra más amplia de jets, con diferentes energías, para resolver satisfactoriamente algunos fenómenos, entre otros, la duplicidad o no de los jets. La velocidad del plasma de los jets no se ha medido, pues no muestra (al límite de detección instrumental) ninguna línea espectral para determinar directamente el efecto Doppler. Sin embargo cabe señalar que el movimiento superlumínico de algunos núcleos activos, parece indicar que estos puntos en movimiento pueden marcar el principio de un chorro.
La figura 10 es muestra del movimiento superlumínico de las manchas en el núcleo de un cuásar.
Campos magnéticos
Se han observado campos magnéticos asociados a los jets. La orientación es el dato que se puede obtener con más seguridad, pero no es así con la fuerza del campo. La polarización del continuo del radio muestra que en los objetos de alta energía las líneas de campo son paralelas y, más adelante, más lejos del núcleo, pueden ser perpendiculares al jet. En casos menos energéticos, el campo es perpendicular al jet. ¿Cuál es el papel de los campos magnéticos en el origen de la estabilidad y confinamiento del plasma en el jet?, no está claro aún. Es evidente que el campo magnético es importante en el origen y evolución de la actividad galáctica; el complejo problema del “dinamo hidromagnético”, postulado recientemente, necesita mucha mayor atención, tanto teórica como observacional. Un grupo soviético especializado en la teoría y los radio astrónomos de VLBI, MERLIN y otros en lo observacional, pueden encontrar, en un futuro próximo, la respuesta que requerimos.
No hay un consenso respecto al origen de los campos magnéticos en las galaxias. El origen del campo puede ser primordial pero de muy leve fuerza, o sea 10-12 gauss, y ampliarse en el curso de la evolución de una galaxia. Un grupo numeroso de astrónomos aboga por los cambios producidos en el proceso de la eyección del plasma por las supernovas; o bien, por la emanación del plasma de las estrellas, llevando consigo líneas de fuerza magnéticas. Tanto las eyecciones de las supernovas, como las de las estrellas, producirían campos magnéticos caóticos. El origen por supernovas y estrellas, tiene que pasar una prueba: ¿Por qué los campos magnéticos tienen bipolaridad (en los jets)? ¿Cómo se transforman los campos caóticos en confinamientos tan estrechos en los jets observados? Esas preguntas no parecen tener respuesta, hasta la fecha.
De nuevo los parámetros primigenios globales
Habíamos mencionado al principio de este artículo que los diferentes tipos de galaxias que constituyen el esquema de Hubble, se debían esencialmente a los diferentes parámetros globales con las que inicia su vida una galaxia (la masa total, por ejemplo). Si bien la evolución dinámica debe jugar un papel en este problema, las galaxias en la clasificación de Hubble no cubren un lapso suficientemente largo, como para que se note una diferencia evolucional. Por esta razón hemos atribuido las diferentes formas galácticas esencialmente a los parámetros globales primigenios.
Perspectivas para elucidar la evolución de las galaxias
Creemos que las galaxias evolucionan de diferente manera, dependiendo de sus propiedades iniciales; ahora bien, las galaxias con núcleos activos, pueden ser observadas, ya sean las cercanas o las que están en los confines del Universo (los cuásares). Esto equivale a decir que estamos observando galaxias en el intervalo de tiempo más largo posible. Los cuásares, radio-galaxias con jets enormes, son los más lejanos. La estructura y otras propiedades que se observan nos llegan en un lapso de 5 × 109 años. Es decir que nosotros vemos estos objetos no como están ahora, sino como estuvieron en su niñez o juventud. 5 × 109 años es un lapso considerable para que varíen las galaxias dinámicamente. Estudiando los objetos activos a diferentes distancias, a partir de 5 × 109 años luz de distancia hasta lo cercano, podremos presenciar el cambio que sufren estos objetos durante un lapso de 5 mil millones de años. Es concebible que con el estudio en galaxias a diferentes distancias, y por lo tanto de edades decrecientes, se descifrara el efecto de evolución. Una vez eliminado el efecto de la evolución, el resto será entonces atribuible a los parámetros globales iniciales de las galaxias activas. Dicho de otro modo, se debe deconvolucionar los efectos de evolución y los de los parámetros físicos inherentes. Si se lograra tal deconvolución, podremos tener más certidumbre del papel que juegan los parámetros iniciales en el desarrollo de estos sistemas, y así poder explicar la secuencia de Hubble, el enigma que ha permanecido como problema de frontera en las últimas siete décadas.
Variabilidad de los núcleos activos
Se han observado otras muchas propiedades claves, no mencionadas en las páginas anteriores, como lo es la variabilidad de la radiación de los núcleos activos, donde se han detectado tanto rayos X como rayos γ. Estos fenómenos se están estudiando intensamente. Eventualmente, el estudio combinado de todas estas manifestaciones, podrá indicar el camino que conducirá a descifrar el fenómeno global de la actividad de los núcleos.
Se ha detectado el periodo representativo de la variabilidad en un gran número de AGN′s, del orden de semanas, lo que da información sobre el tamaño de los núcleos. La causa todavía se discute sin que se haya llegado a un acuerdo razonable. El tiempo característico de la variación aumenta con la longitud de onda. Es pequeño en rayos X y crece hacia la longitud de onda grande, como son las de radio, e indican la dimensión variable de la región.
Yo creo que en la próxima década podremos encontrar, o cuando menos obtener una pista en la solución del problema de poder separar el efecto de la evolución, del efecto de los parámetros primigenios, en los objetos activos. Es también concebible que la actividad de un núcleo galáctico ocurra en la etapa definida en la vida de una galaxia. El hecho de que el 15% de los objetos conocidos muestren actividad en el núcleo, puede implicar que si la vida de una galaxia es 1010 años, la fase activa del núcleo puede durar cuando mucho 109 años. También es posible que una galaxia muestre, varias veces, brotes cortos de actividad en su vida. Pero aún no se conoce la fuente que suministra la energía perdida por el núcleo activo.
Epílogo
El tema de la actividad en las galaxias está en gran ebullición. La acumulación de datos observacionales en toda la gama del espectro electromagnético, es formidable. Todo esto produce una especie de confusión, lo que hace más compleja la interpretación teórica. El científico debe saber discernir cuáles son los procesos claves y básicos, en medio de una multitud de detalles aparentes, que forman una especie de bruma. El investigador también debe poder penetrar más allá de esta bruma y localizar los parámetros esenciales básicos que decidan la suerte de los sistemas galácticos.
No es posible hablar de la actividad en las galaxias sin evocar los hoyos negros. Estos son atractivos por su naturaleza extraña y por ser una especie de talismán para resolver problemas difíciles de descifrar de otro modo. Se cree que en los núcleos galácticos, justo en el centro, existe un cuerpo pequeño en dimensiones y sumamente masivo y denso —un hoyo negro— siendo esta densidad el límite de la densidad máxima posible. Las galaxias más activas (o cuásares), tienen en el núcleo un hoyo negro muy masivo. Se postula que existe en el núcleo de nuestra Galaxia un hoyo negro, aunque sea un “mini hoyo”. Alrededor del hoyo negro puede formarse un disco de acreción, con la materia que cae al centro, materia supuestamente liberada por estrellas evolucionadas o supernovas. Se supone que este hoyo tiene un campo dipolar magnético, perpendicular al disco de acreción y que los jets emanan del hoyo negro en dirección a los polos del campo magnético. Todo esto es aún hipotético. Esperemos que las observaciones, aunadas a la teoría, diluciden el enigma de los núcleos galácticos.
Resumiendo, nos interesa señalar, una vez más, que hay indicios fuertes en cuanto a que la intensidad de las manifestaciones de actividad en las galaxias (o cuásares), es mayor en los objetos más lejanos y llega a su máximo, en los objetos que están en los confines del universo conocido hasta la fecha. Parece haber una correlación entre la potencia energética de la actividad y la distancia del objeto. Si esta se confirma, podremos presenciar la evolución de las galaxias, cuando menos desde su infancia hasta el presente, pues a las más lejanas (distancia 5 × 109 años luz), estamos viéndolas en su infancia; de hecho sus propiedades son las que tenían cuando la radiación recibida ahora en la tierra partió de la galaxia, hace 5 × 109 años, o sea cuando el objeto era joven, en su adolescencia o su infancia. Teniendo tan extenso lapso a nuestra disposición, podremos descifrar la evolución de las galaxias y llegar a separar del efecto observado la contribución de la evolución en el tiempo y, por ende (esto es mi convicción), podremos descifrar también el esquema de Hubble, esquema que ha intrigado a los astrónomos desde hace casi 70 años y que aún es un problema de frontera.
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Referencias Bibliográficas
Beglman, M. C. Blandford, R. D., and Rees, M. J. 1984 Reviews of Modern Physics 56, 255.
Brecher, K. 1977. Frontiers of Astrophysics, 10, p. 43s. Bridle, A. M. and Perley, R. A. 1984. Ann. Rev. Astron. and Astrophys. 22, 319. Brosche, P. 1973. Astron. and Astrophys. 13: 293. Carrasco, L., Roth, M. and Serrano, A. 1982. Astron. and Astrophys. 106, 89. Davies, R. 1989. Presentado en la XI Reunión Astronómica Europea celebrada en Tenerife, Islas Canarias. Pishmish, P. y Maupomé, L. 1978. Revista Mexicana de Astron, y Astrof. 4, 319. Pishmish, P,. 1986, En: Structure and Evolution of Active Galactic Nuclei. Ed. Giurcin, et al. p. 679. |
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Nota:
Conferencia impartida dentro de la serie “Concepto de frontera”, organizada por el Dr. Eli de Gortari. Noviembre, 1989.
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Paris Pishmish
Instituto de Astronomía,
Universidad Nacional Autónoma de México.
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cómo citar este artículo → Pishmish, Paris. 1991. Evolución de sistemas galácticos. Ciencias núm. 23, julio-septiembre, pp. 22-34. [En línea] |
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| Carlos Amador |
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El concepto de vectorización es, en realidad, muy sencillo.
Pero, como pasa con la inmensa mayoría de los conceptos científicos, requiere de una larga introducción que le dé contexto. En contraste, el arte, la metafísica y unas cuantas ideas científicas (notables excepciones) no necesitan de esta introducción. Están cerca del hombre, son evidentes, tienen sentido inmediato, son universales. (Decimos que una idea científica es universal si, de acuerdo con la teoría aceptada en ese momento, se aplica o se cumple en todas las instancias que somos capaces de imaginar. Y no hacemos ninguna referencia a su alcance entre los hombres. Alternativamente, la otra universalidad se refiere precisamente a lo que nos alcanza a todos, a aquello a lo que todos somos sensibles. Una es antropocentrista de clóset, la otra anda de loca.) Porque también es una imposición reciente la idea de que para apreciar una obra de arte se necesite una educación académica especial. Concedo la posibilidad de que haga falta una sensibilidad especial, un terreno fértil y receptivo. Pero esa fertilidad no requiere cursos, grados, problemas particulares específicos; para adquirirla basta con estar vivo; los únicos antecedentes necesarios son el amor, la pasión, el miedo, la soledad: algo de lo que todos sabemos.
En cambio, para entender un concepto científico, de los que podríamos llamar menores, y que son los más abundantes, hace falta haber viajado una larga ruta en un tren de pensamiento dado. Hace falta haberla seguido fielmente. No hay manera de llegar a ellos de golpe. En eso, algunos hemos encontrado motivo de orgullo y hemos llegado a suponer que esa particularidad hace de ésta la indiscutible forma superior de conocimiento, como si la universalidad de la otra fuera un defecto. La verdadera obra de arte, la intuición metafísica genial, es universal y evidente. Requiere de una mínima explicación, un esfuerzo accesible a todos los hombres. El concepto técnico, en cambio, implica necesariamente la prisión del contexto.
Así pasa con la vectorización. Una de las cosas más difíciles de enseñar en la física, en las matemáticas o en la química, es eso que en nuestro limitado vocabulario llamamos respectivamente intuición física, matemática y química. Pedimos que, en el que aprende, se desarrolle pronto la capacidad de pensar en un problema como una situación natural. Decimos algo así como —imagínate que vas por la calle y de pronto tienes que multiplicar una matriz por otra. Como cuando un maestro de cello le dice a su alumno —así, natural. ¿Ves qué fácil?—, en el momento preciso en que esa posición le acalambra los brazos. ¿Por qué un ser humano ha de adoptar esa posición tan rara? ¿Por qué otro ha de multiplicar dos matrices? Porque esa es la ruta específica que les lleva a lo que se proponen. No hay otra; pero mientras, el primero produce algo que provocará una reacción en todos los hombres; el segundo, produce solamente otra matriz (o, dependiendo de los detalles del problema, un vector e incluso un número).
Podemos construir un contexto para nuestra multiplicación. Podemos contar una larga historia que justifique ante nuestro auditorio, con más o menos éxito según convenza más o menos, la necesidad de multiplicar esas dos matrices. Podríamos, con alguna imaginación, encontrar un problema cuya solución requiera la dichosa multiplicación con el que nuestro auditorio alcance cierto grado de identificación. (Insisto, la limitación no está en nuestro auditorio.) A menudo, sin embargo, sucederá que en el camino, desde el problema planteado hasta la multiplicación, perdamos la atención de nuestro auditorio conforme lo vayamos elaborando. En esta ocasión ya nos arriesgamos bastante. Así que olvidemos el pretexto y empecemos a darle contexto al concepto de vectorización (que queremos demostrar que es muy sencillo), a partir de la concedida necesidad de multiplicar dos matrices.
Las matrices son conjuntos de números acomodados en renglones de acuerdo con una convención, por ejemplo:
Este acomodo particular sugiere otra descripción: las matrices son conjuntos de números acomodados en columnas. Por ejemplo:
Es imposible vencer la tentación de hacer las definiciones que siguen. Así, decimos que la matriz de nuestro ejemplo es una matriz de tres renglones por tres columnas, o para ir más rápido, de 3 × 3. Y para referirnos a una elemento particular de esa matriz darnos sus coordenadas; así, el siete que aparece en el primer renglón, en la segunda columna, es el elemento “12” (léase “uno dos” y no ‘“doce”).
Queremos multiplicar dos matrices, es decir, necesitamos otra. Sólo que en lugar de inventar otro conjunto de números cualesquiera para escribirla, podemos referirnos a cualquier matriz representando sus elementos en general. Supongamos que la nueva matriz está representada por:
Y ya que llegamos hasta aquí, olvidémonos de la primera matriz y utilicemos otra de estas generales:
Ahora sí. Ya podemos hacer la multiplicación. Ésta se define (y aquí aparece de nuevo el fantasma que estamos tratando de exorcizar desde el principio; las preguntas ¿por qué se define así?, ¿para qué se define así?, son legítimas y deben contestarse, pero para llegar a demostrar que el concepto de vectorización es muy sencillo las tenemos que descartar por el momento) de la siguiente manera: el resultado de la multiplicación será otra matriz.
cuyos elementos son,
cij = ai1b1j + ai2b2j + ai3b3j, (3)
(i y j representan, como convenimos, el renglón y la columna donde está situado el elemento cij de la matriz C). Existe una representación esquemática de la forma en que se obtiene cada elemento del producto:
Por ejemplo, para obtener el elemento c12 del resultado hay que utilizar los elementos del renglón 1, de la primera matriz y los de la columna 2 de la segunda. Y multiplicarlos entre sí —el primer elemento del renglón con el primero de la columna, el segundo con el segundo y así sucesivamente— y sumar los resultados. Este proceso se encuentra representado en la ecuación (4).
Ahora sí, ya casi llegamos a la vectorización. Sólo falta ver cómo se programa una multiplicación de matrices en una computadora. Queremos obtener todos los elementos de la matriz que resulta de multiplicar A por B. Es decir, queremos obtener los elementos de la matriz C, cij dados por la ecuación 4, para todos los valores de i y j. En nuestro ejemplo, tanto i como j pueden tomar los valores 1, 2 y 3. En FORTRAN esto se indica de la siguiente manera:
do 100 i = 1,3
do 100 j = 1,3 do 100 k = 1,3 c(i, j) = c(i, j) + a(i, k) * b(k, j) 100 continue. La primera instrucción inicia un proceso repetitivo en el que el índice i va a tomar los valores, 1, 2 y 3. Para cada uno de estos valores existe otro proceso repetitivo en el que el índice j va a tomar los valores 1, 2 y 3. Finalmente, un último proceso repetitivo hace que k tome los valores 1, 2 y 3. Para cada terna de valores de i, j y k, la cuarta línea indica la operación que se efectúa entre los elementos correspondientes de las matrices y el elemento al cual se suma el resultado. El lector puede convencerse de que este proceso iterativo produce los elementos definidos por la ecuación (4).
Para cada valor de i (el ciclo repetitivo más interno), se suma a c(i, j) el número que resulta de la multiplicación de a(i, k) * b(k, j): a(i, k) es un número distinto para cada valor de i (que es el índice que está cambiando más aprisa), en cambio, b(k, j) es una constante independiente del valor (y del cambio en el valor) de i. Así lo que tenemos es la multiplicación de una variable, a(i, k), por una constante, b(k, j), y su adición a otra variable, c(i, j).
Y, ahora sí, ya está todo listo para entender qué es la vectorización y por qué ésta hace tanto más rápidas a las supercomputadoras. Esencialmente, la diferencia está en la forma en que la computadora realiza el proceso indicado. Mientras que las máquinas normales ejecutan sus instrucciones una por una, las supercomputadoras pueden hacer varias operaciones simultáneamente.
Una máquina normal (también llamadas secuenciales) funciona paso a paso. Cada determinado lapso, ejecuta una nueva instrucción. Y durante ese tiempo sólo hace eso. Como en el cine, la ilusión de continuidad proviene de la brevedad de ese lapso. (No son ya escasas las máquinas en las que ese lapso es de la cuarta parte de una millonésima de segundo.) La parte de la máquina donde se hacen las sumas y multiplicaciones se denomina procesador. En él están programados los algoritmos necesarios para hacer sumas, multiplicaciones, divisiones, comparaciones lógicas, y una o dos operaciones más. Supongamos que, en nuestro ejemplo, los índices k y j valen respectivamente 3 y 2, y nos encontramos al inicio del ciclo sobre i. El procesador trae de la memoria central el elemento b(3,2), la siguiente instrucción (que se efectúa después de que ha transcurrido el lapso de tiempo mencionado) llama al elemento a(1,3); un instante después, ambos números entran en el algoritmo de la multiplicación. Este consiste típicamente en unos siete pasos (comparar los signos, sumar los exponentes, etcétera) y, consume por lo tanto, siete instantes más. De nuevo, durante este tiempo la máquina no puede hacer ninguna otra cosa. Luego viene la suma; hay que traer el número c(1,2) y sumarlo al resultado de la multiplicación: otros siete u ocho instantes. En total, producir cada nuevo término consume unos veinte intervalos.
El procesador de una supercomputadora, en cambio, está diseñado para permitir cierto grado de simultaneidad. Los algoritmos que utiliza el procesador para sumar, multiplicar, dividir, etcétera, son idénticos a los de las otras máquinas: las diferencias se encuentran en la arquitectura misma de la máquina. La primera es que en el procesador de una supercomputadora pueden estar presentes, al mismo tiempo, varios números. Así, para hacer la multiplicación de nuestro ejemplo, la supercomputadora, en un solo lapso, lleva al procesador toda una columna de la matriz A: a(1,3), a(2,3) y a(3,3). En seguida llama el número por el que tiene que multiplicar toda esta columna: b(3,2). Con todos estos números en el procesador inicia las operaciones. Mete en el algoritmo de la multiplicación la primera pareja de números: a(1,3) y b(3,2). Y aquí aparece la segunda gran diferencia: el algoritmo de la multiplicación es el mismo, pero está completamente segmentado. Lo que esto significa es que, un instante después, cuando la primer pareja ya está en el segundo paso de los siete que componen la multiplicación, la siguiente pareja (que incluye ahora a a(2,3) y de nuevo a b(3,2), inicia su proceso. Así, cuando la primera está en el tercer paso de la multiplicación, la segunda ya está en el segundo y la tercera está empezando. Desde luego, para obtener el primer producto, tienen que pasar varios instantes; pero a partir del momento en que la primera pareja acaba su proceso, cada instante se obtiene un nuevo producto. Y eso no es todo. La tercera diferencia es que en las supercomputadoras el procesador está dividido de tal manera, que la parte encargada de la multiplicación es independiente de la parte encargada de la suma (y de la parte que divide y de la que hace comparaciones lógicas), es decir, las unidades funcionales son independientes. Entonces, cuando el primer producto está disponible se puede iniciar la suma, sin esperar hasta que todos los productos se hayan calculado. La suma funciona de manera similar: las parejas de sumandos se van alimentando en el algoritmo una cada instante. Y, de nuevo, una vez que llenan esa “línea de montaje”, es decir una vez que hay una pareja de sumandos en cada una de las etapas de la suma, cada instante sale un término; de manera muy similar a como se fabrican productos en serie: autos, televisores, computadoras (pero no supercomputadoras; de esas sólo se hacen unas cincuenta cada año).
Nuestro ejemplo es demasiado chico para llenar la línea de montaje. Pero es muy fácil imaginar la situación análoga en la que las matrices que multiplicamos tengan, digamos, cien renglones y cien columnas. Después del tiempo de “arranque” (el tiempo que tarda en llenarse la línea) la supercomputadora estará produciendo una multiplicación y una suma en cada instante. La aplicación de la vectorización aumenta, por sí sola, unas veinte veces la rapidez de cálculo. Además, ya que de todas maneras la supercomputadora va a ser una máquina extremadamente cara, los fabricantes se pueden dar el lujo de emplear los materiales más rápidos conocidos y que resultan demasiado costosos para las computadoras más modestas. Los instantes característicos de estas máquinas son de unas pocas mil millonésimas de segundo.
Desde luego, esperamos de una computadora que haga algo más que multiplicar matrices. Quizá resulte sorprendente saber que, sin embargo, la mayor parte de las aplicaciones científicas de las computadoras utilizan multiplicaciones de matrices, y, de hecho, consumen la mayor parte del tiempo en este simple proceso. Pero sí, es cierto: si un programa de computadora no multiplica matrices, el empleo de una supercomputadora es un poco excesivo. Excepto por otra característica fundamental de las supercomputadoras: algunas de ellas tienen varios procesadores trabajando simultáneamente. Todos ellos capaces de vectorización.
Y ya. Así de fácil. Desde luego, los problemas de diseño asociados con la aplicación de estas ideas tan simples son gigantescos. Y eso hace que cada supercomputadora cueste entre cinco y veinte millones de dólares y que los fabricantes en todo el mundo sólo sean cinco o seis. Pero, quisiera insistir, la idea de vectorización es sencilla.
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Carlos Amador
Facultad de Química,
Universidad Nacional Autónoma de México.
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cómo citar este artículo →
Amador Bedolla, Carlos. 1991. El concepto de vectorización. Ciencias, núm. 23, julio-septiembre, pp. 15-18. [En línea].
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Las arañas han sido animales fascinantes desde tiempos
antiguos. Los griegos mencionan cuando Aranae fue convertida en la primera araña tejedora después de pretender tejer tan bien como la diosa Diana. También hay cuentos antiguos en España acerca de los efectos de la picadura de las grandes Lycosidae, las arañas lobo que, confusamente, eran llamadas “tarántulas”: la persona picada por dicha araña bailaría hasta la muerte —los famosos bailes tarantelas. Sin embargo, en la mayoría del mundo de los animales, los cuentos verdaderos son más complejos y más interesantes que los mitos antiguos y populares.
El orden Araneae es uno de los más diversos dentro del grupo Arachnida, que a su vez incluye once subórdenes, entre ellos los alacranes (Scorpiones), ácaros (Acari) y falángidos (Opiliones). Todas las ramas existentes de Arachnida se identifican por tener doce apéndices: ocho patas locomotoras; los pedipalpos, dos patas modificadas ubicadas en cada lado de la boca, y los quelíceros: pinzas o picas que utilizan para comer. Las arañas se distinguen de los demás Arachnida por varios caracteres, los más destacados son: 1) La capacidad de tejer seda, compartida solamente con los Pseudoscorpiones; 2) El cuerpo dividido en dos partes, el opistosoma y el prosoma, con un pedicelo (cintura) muy delgado; 3) Los pedipalpos en forma de patas cortas en el caso de las hembras y en los individuos juveniles, pero modificados para la transferencia de esperma en los machos, y 4) Los quelíceros de dos segmentos, el más distal es un aguijón. Todas las arañas son depredadoras, principalmente de insectos. Por lo general, capturan las presas con las patas y las pican con los quelíceros, los que, por lo general, conducen veneno. Aun si no producen veneno, las arañas inyectan enzimas por los quelíceros y saliva por la boca, y el insecto es digerido fuera del cuerpo de la araña. Las arañas sólo pueden comer líquidos, dado que tienen un filtro muy fino en la faringe, la lámina faringeal, que admite únicamente partículas muy pequeñas (< 1μm).
Existen más de 30,000 especies de arañas, clasificadas en 60 familias, las que, a su vez, se dividen tradicionalmente en dos subórdenes, Orthognatha, las “tarántulas” y Labidognatha, las arañas “verdaderas”. El sistema de clasificación superior de las arañas está en desorden, y las relaciones evolutivas entre las familias actualmente son objeto de un intenso estudio. A los ecólogos nos interesan más las relaciones que tienen estos animales con su medio ambiente y, en particular, con sus presas. Estas relaciones se determinan en gran parte, como en todos los depredadores, por su manera de cazar. Según Huey y Pianka (1981), los depredadores se pueden clasificar por la forma de encontrar sus presas, desde los que esperan y cazan presas activas, hasta los que buscan y cazan presas no activas. Con cierta modificación así se pueden organizar las arañas, pero sin olvidar un elemento muy importante: el papel que juega la seda en la caza. Entonces, dividimos las arañas en tejedoras y cazadoras: las que dependen del uso de seda para refrenar sus presas y las que no. En cada uno de estos grupos, se encuentra un continuo conductual desde las que esperan a sus presas hasta las que las buscan.
De acuerdo a su dependencia o independencia de la seda para capturar presas, hay varias modificaciones morfológicas, especialmente en el desarrollo de los ojos y la forma de las patas. Las arañas menos activas suelen poseer seis u ocho ojos pequeños, que al parecer sólo pueden distinguir la sombra de la luz, así como el movimiento cerca de las arañas. En contraste, las arañas que buscan a sus presas suelen tener los ojos dispersos sobre la parte anterior del cefalotórax y, frecuentemente, un par de ojos grandes ubicado enfrente del cefalotórax. Las patas de las arañas reflejan su vida sobre seda u otro sustrato. Las arañas que viven sobre seda, normalmente poseen tres garras en cada tarso, y las patas no son peludas, mientras que las que viven fuera de telas, por lo general tienen dos garras y, con frecuencia, patas muy peludas, sobre todo en la parte inferior del tarso y metatarso. A este parche de pelo denso se le llama la escópula. Comúnmente hay también un grupo de pelos densos entre las dos garras, el mechón de las garras. Dos grupos de arañas tejedoras tienen sus pelos modificados para el manejo de la seda: las arañas cribeladas tienen el calamistro en el metatarso de la cuarta pata, y las Theridiidae tienen un peine en el tarso de la cuarta pata.
Las arañas cazadoras son menos conocidas porque no dejan un artefacto: la tela; no obstante, presentan un rango de conducta depredador muy interesante: las que esperan generalmente se esconden de diversas maneras, ya sea que ellas mismas construyan sus escondites o que desarrollen una compleja modificación corporal. En cambio las que buscan, tienen altamente desarrollado sus sentidos de la vista y la vibración. Dentro de las arañas que esperan a sus presas se incluyen a las famosas tarántulas de tubos y puertas y las de bolsillos. Las primeras, principalmente de la familia Ctenizidae, escarban tubos y, para cerrar, tejen una puerta o escotillón hecho de seda combinada con pequeñas piezas de hojarasca y tierra. Estos escotillones pueden ser muy simples, o pueden ser muy gruesos y en forma de tapón. La araña suele esperar debajo de la puerta o en la boca, con las primeras patas extendidas hasta que un insecto camine demasiado cerca. Entonces sale inesperadamente (para el insecto), lo agarra y regresa hasta su tubo —casi siempre está fuera del tubo solamente por unos segundos. Una vez dentro del tubo, consume a su presa con tranquilidad y vuelve a esperar.
Las arañas de bolsillos, Atypidae, también viven en tubos, a veces escarbados al lado de los árboles. Para esconderse, tejen una bolsa plana de seda sobre la entrada del tubo, que sube por el árbol o sobre el suelo, en la que pueden caminar. La bolsa, camuflageada con hojarasca y tierra, se extiende en ocasiones varios centímetros. Dentro de ella, la araña espera caminando sobre la seda, con la espalda hacia el árbol o al suelo. Cuando siente que un insecto camina por el otro lado, se lanza hacia él, picándole a través de la seda, luego abre un pequeño hueco para pasarlo hacia dentro.
Existen otras arañas que viven también en rincones o en tubos, pero cuya evolución ha dependido más de la seda: tanto algunas tarántulas como las arañas de las familias Filistatidae y Segestriidae, viven en tubos forrados con seda y, de la boca abierta del tubo, extienden hilos de seda en todas direcciones. Los que le sirven a la araña, ya que al tocarlos siente las vibraciones de cualquier insecto que pase. Las Filistatidae han mejorado este sistema al incorporar un tipo de seda llamado cribelada, que tiene la capacidad de detener por un rato a la presa potencial, lo que les da un mayor tiempo para atacar. Lo más probable es que las arañas de telas aéreas hayan evolucionado, una o varias veces, de las arañas que utilizan estas líneas como señales para extender su área de actividad más allá de sus patas. A ellas volveré luego.
Además de la construcción de escondites, un depredador puede ocultarse mediante camuflaje corporal. En varias familias las arañas muestran esta táctica, pero es difícil saber cuándo es por presión de sus propios depredadores, lagartijas y aves, y cuándo para esconderse mejor de sus presas. Es casi seguro que, solamente en el caso de ciertas arañas que comen principalmente abejas y abejorros, la presión evolutiva principal fue evitar que sus presas las detectaran. Estas son las arañas cangrejo, Thomisidae y Philidromidae que posiblemente son una sola familia, Thomisidae), que han tomado sus colores de las flores en donde esperan a las abejas y son casi invisibles. Así escondidas, esperan con sus primeras y segundas patas, largas y fuertes, extendidas. Cuando llega la abeja, y poliniza la flor, simplemente cierran estas patas, atrapando al insecto. Para esconderse mejor, algunas arañas cangrejos cazan únicamente en flores de cierto color; otras poseen la capacidad de cambiar su color a colores cercanos, como entre blanco y rosado, o entre blanco y amarillo.
Las arañas cangrejo son más activas que las arañas que viven en tubos: no buscan a sus presas, pero para obtener una mayor cantidad de presas potenciales se esconden en las flores frescas de su mismo color. Más activas aún son las arañas lobo: Ctenidae y Lycosidae, entre las que se incluyen a las famosas arañas de los plátanos, conocidas así porque se esconden en estos frutos para salir después en puertos muy lejanos a sus hogares tropicales. Por lo general, estas arañas son del color del suelo o de la hojarasca, comúnmente rayadas y con líneas oscuras; tienen muy desarrollada la capacidad de recibir vibraciones por aire y suelo, para lo cual cuentan con dos órganos exclusivos de los arácnidos: las tricobotrias y los órganos liriformes. El primero es un pelo muy largo y fino, cuya base es un alveolo enervado. Los más ligeros movimientos del aire mueven el pelo, excitando los nervios de la base, y la araña puede entonces “oír”. Los órganos liriformes son dobleces cuticulares cerca de una articulación en la pata de una araña, cuya función es recibir vibraciones del sustrato. Una vibración del sustrato, digamos la hoja en donde espera la araña al insecto, causa pequeños movimientos de las patas que flexionan las articulaciones, y la araña percibe tales flexiones por el órgano litiforme. Entonces, estas arañas se estacionan sobre una hoja en el caso de las Ctenidae, o en el suelo u hojarasca en el caso de las Lycosidae, y esperan la llegada del insecto. Si una mosca se posa encima de la hoja, la mueve, y la araña queda así notificada de la cercanía de una presa potencial. Como son cazadoras más activas, tienen más desarrollada la vista que las arañas que simplemente esperan a sus presas. Pero no tanto como las cazadoras más famosas, las Salticidae.
Las Salticidae son unas de las arañas más bellas a pesar de ser tan pequeñas. Este grupo ha dejado de esperar a sus presas para andar en una búsqueda siempre activa, por lo que han desarrollado la mayor capacidad visual de los arácnidos: la percepción de colores y de profundidad. Cada par de ojos, de ocho que posee, están especializados: los cuatro grandes anteriores les sirven para una mejor percepción del color y de la profundidad; los cuatro laterales y posteriores los usan para detectar movimientos. La conducta depredadora de estas arañas ha sido comparada con la del gato, debido a la capacidad que tienen de orientación en tres dimensiones. Acechan a su presa hasta que esté lo suficientemente cerca para entonces saltar sobre ella; de este salto le viene su nombre común y científico: araña saltadora o Salticidae. La bella coloración que distingue a los machos de estas arañas de otras, no está relacionada con su manera de cazar, sino con el cortejo de las hembras, ya que como ellas sí tienen visión de color, han escogido, en el tiempo evolutivo, a los machos más llamativos.
Las arañas tejedoras, por su parte, han tomado otro camino evolutivo: como se mencionó anteriormente, lo más probable es que estas arañas provengan de aquellas que utilizaron hilos alrededor de sus escondites. Mientras que las cazadoras activas dejaron de tejer trampas (pero siguen tejiendo nidos), las tejedoras por lo general están restringidas a sus telas, a tal grado que algunas casi no pueden caminar sobre un sustrato plano, y sus percepciones están orientadas a la recepción de vibraciones transmitidas por la seda. La distinción entre la cazadora activa y la que espera, es un poco más sutil en este grupo, dependiendo de la frecuencia con que abandonan el sitio de una red para construir en otro lugar. Esto a su vez, depende en parte del tipo de seda utilizado y de la facilidad con que la araña puede consumirla.
Las arañas de ciertas familias tienen la capacidad de comer y reutilizar su seda, ya que ésta, y todas las sedas, están hechas a base de proteínas, cuya composición determina sus propiedades: si incluye muchos aminoácidos cortos, como la glicina, tenemos una seda poco elástica pero muy fuerte, mientras que, si incluye aminoácidos largos, el resultado es una seda más elástica. En realidad, un hilo de seda tiene secciones elásticas y secciones duras, o cristalinas, y la proporción relativa de los dos tipos determina las propiedades físicas del hilo (Denny, 1976). Cada araña cuenta con cuatro o seis hileras, conectadas a dos o tres pares de glándulas, cada una de las cuales produce una seda químicamente distinta. La tela de una araña es un complejo de hilos de diferentes tipos de seda, y cada hilo de la tela está compuesto por dos o más hilos de seda. Por lo general, la seda menos cristalina es digerida más fácilmente, pero también más fácilmente destruida con la captura de las presas, por lo que las arañas que tejen este tipo de seda tienen que reemplazarla frecuentemente debido al daño ocasionado durante la captura.
Otra importante propiedad de la seda, para entender su función en la vida depredadora de la araña, es su viscosidad. Por un lado tenemos la seda no pegajosa, o seca, que forma la mayor parte de la que tejen las arañas; por otro lado, y en menor proporción, está la seda pegajosa que es de dos tipos: la cribelada y la viscosa. La primera es pegajosa por las propiedades del tejido en sí: cada hilo está compuesto en realidad, por cientos de hilos microscópicos, tejidos laxamente sobre un hilo central. El resultado parece funcionar como la parte dura del cierre mágico: cada insecto tiene miles de pequeños pelos que se atoran en estos finísimos hilos, lo que hace que se quede allí hasta que la araña pueda atacar. Las arañas que tejen este tipo de seda tienen un órgano especial, el cribelo, que produce los hilos finísimos y tienen también los peines en los metatarsos de las cuartas patas para doblar los hilos sobre el hilo central, el calimistro. La seda viscosa funciona igual a la cribelada, pero mediante otra propiedad. En ésta, el hilo está cubierto por gotitas de glicoproteína pegajosa, el insecto que choca con tal hilo se pega en varias de las gotas y se queda allí detenido hasta que llega la araña. La seda viscosa es la menos permanente, dado que cada presa u objeto que toca la tela, remueve gotas de glicoproteína, además de que se cubre de polvo, lo que reduce su efectividad; por otro lado si llueve, la glicoproteína se disuelve en el agua dejando la tela seca y no pegajosa.
Tenemos entonces que se puede organizar a las arañas tejedoras, de acuerdo a la permanencia de su tela, que refleja el tipo de seda utilizada y que corresponde aproximadamente a su tendencia de esperar o buscar presas. Las telas muy permanentes están hechas de seda no viscosa, fuerte, que no se daña fácilmente en la captura de las presas o con el clima, mientras que, las menos permanentes, son telas orbiculares, hechas con la espiral de seda viscosa y elástica. Entre estos extremos hay una amplia gama de telas, más o menos débiles, cuya seda puede o no ser reciclada por la araña cuando la reemplaza o se cambia de un lugar al otro.
Las más permanentes son las telas no pegajosas que incluyen las fabricadas por las tarántulas de bolsillo ya discutidas, que raramente cambian de lugar, y por las familias que tejen telas aéreas desordenadas. Todos los que hacen limpieza conocen bien a estas últimas porque son las que invaden los rincones de los edificios con sus telas de laberinto: Theridiidae. Fuera de las casas, hay una cribelada que también tiene telas desordenadas, las minúsculas Dictinidae, que tejen sus telas entre ramitas secas. Las telas de taza y platillo también son bastante resistentes a las fuerzas ambientales. Estas telas son de las Linyphiidae, tejidas en forma de una taza de seda, a veces tienen una plataforma debajo, conocida como platillo. La araña vive colgada de la taza sobre el platillo, capturando insectos que, confundidos por el laberinto de seda sobre la taza, caen en ella.
La seda cribelada tiende a ser más fuerte que la seda viscosa y, como se ha mencionado, es producto de una glándula especial. Muy interesante resultan entonces los paralelos en forma de telas cribeladas y telas secas o viscosas de las arañas no cribeladas. Telas alrededor de tubos, tejidas por la cribelada Filistatidae y la no cribelada Segestria; las telas de laberinto por Dictinidae (cribelada) y Theridiidae (no cribelada), y las telas orbiculares hechas por familias de los dos grupos. Los orígenes respectivos de la seda cribela y la forma de la tela, han sido objeto de mucha especulación, particularmente en el caso de las telas orbiculares.
Las telas orbiculares o telas modificadas de la forma orbicular, son tejidas por seis familias no cribeladas (las arañas araneoideas) y dos familias cribeladas (Uloboridae y Dinopidae). No está claro cuántas veces ha evolucionado, tampoco si es la forma primitiva de las telas de Theridiidae y Linyphiidae, o si la orbicular evolucionó de estas telas menos organizadas (Coddington, 1986). Lo que sí es cierto es que, considerando la inversión de seda contra la captura de presas, es una trampa muy eficiente, y es uno de los artefactos más bellos de los animales. Las telas más conocidas son de las familias Araneidae y Uloboridae. Las arañas de la familia Araneidae reemplazan sus telas una o dos veces al día, y la mayor parte de ellas reciclan la seda con eficiencia no menor de 30%, posiblemente alcanzando 90%. Las Uloboridae tejen telas orbiculares que no son recicladas, sino que son bastante permanentes, con la espiral hecha de seda cribelada sobre radios secos.
Una vez que fabrican la tela, algunas arañas esperan a los insectos en el mismo centro de la tela, mientras que otras las modifican y, tejen un hilo-señal que va desde el centro de la tela, hasta su escondite en una hoja cercana. Desde el centro o desde un escondite, la araña tiene que responder rápido ante una presa detenida, ya que aún con la seda pegajosa, el insecto queda preso solamente por unos segundos. Entre los insectos más rápidos para escapar están las mariposas, particularmente las nocturnas. Es posible que las telas viscosas sean una de las fuerzas evolutivas para el desarrollo de las escamas en sus alas, ya que al dejar tales escamas pegadas en la tela, pueden escapar más rápido de lo que responde la araña. Sin embargo, varios Araneidae han desarrollado telas especiales para la captura de dichos insectos.
Resulta apropiado, antes de discutir sobre las arañas especializadas, mencionar algo sobre las arañas de tela menos conocidas y tal vez las más espectaculares: las arañas sociales. Generalmente, pensamos que las arañas, depredadoras, son altamente solitarias, y eso es cierto. Pero en cinco familias de tejedoras, se ha desarrollado una cierta sociabilidad, que va desde la convivencia hasta la formación de grupos que actúan en conjunto para cazar y para criar. Las más estudiadas son las Agelena consociata (Agelenidae) de África y la Anelasimus eximus (Theridiidae) de América. Ambas, aunque podrían considerarse verdaderamente no sociales en la definición de Wilson (1971), son altamente sociales. La relación sexual está sesgada hacia las hembras, cazan presas muy grandes por acción conjunta, y juntas protegen los huevecillos de los parásitos y alimentan por regurgitación a las crías. Muchas arañas son periódicamente sociales, formando grupos en microhábitats ricos en alimento, o viviendo juntas por un tiempo, después de salir de la bolsa de huevecillos. Probablemente, la socialidad en las arañas proviene de estos grupos familiares. Algunos experimentos con arañas no sociales, han mostrado que dando suficiente comida a grupos de arañitas, éstas siguen viviendo juntas sin canibalismo por varios estados. Es notable que todas las arañas sociales conocidas viven en lugares tropicales húmedos lo que nos hace pensar que, a lo mejor, la abundancia de presas es crítica en la evolución de la vida social.
En general, las arañas no están especializadas y capturan casi cualquier presa dentro del rango de tamaño que puedan manipular; así las cazadoras prefieren presas que sean entre 40-50% su propio tamaño, mientras que las tejedoras, pueden capturar presas de hasta 100 o 130% su tamaño. La sociabilidad es una manera de aumentar la eficiencia de captura, por lo que los grupos de arañas logran presas mucho más grandes que las que lograrían individualmente. En la eterna competencia entre depredador y presa, ciertas arañas se han especializado en la captura de insectos no disponibles a la tela normal. Dos casos, particularmente interesantes lo son la captura de insectos que caminan sobre el sustrato y la captura de mariposas nocturnas.
Hay dos arañas que se destacan por su capacidad de capturar insectos sobre el sustrato: la Dinopis y arañas de la familia Scytodidae. En ambos casos, el uso de la seda es reducido. Las scitodidas no tejen telas de trampa, sino telas desordenadas en las que viven. Cuentan con prosomas muy grandes que les permiten contener las glándulas de veneno y el pegamento que producen. Una presa que pasa por un radio de acción de la araña (1-2 cm) se verá cubierta por el pegamento venenoso, que arrojan los quelíceros, de la araña y que pegan a la presa al sustrato y la envenena. Por otro lado, están las arañas con pequeñas telas derivadas de la tela orbicular, las Dinopis. Ellas tejen una pequeña red rectangular de seda cribelada, que sostienen entre sus primeras cuatro patas. Luego, suspendidas de unos hilos sobre el suelo, esperan el paso de insectos nocturnos. Cuando pasa un insecto en su radio de acción, extienden sus patas estirando la tela capturándolo, como lo haría un pescador tirando su red para pescar.
Varias arañas de la familia Araneae, independientemente unas de otras, han desarrollado redes reducidas para la captura de mariposas nocturnas. Estas redes toman varias formas, dos de las más comunes están hechas de hilos sueltos y escaleras. Las telas escaleras todavía se parecen a la tela orbicular: tienen un centro que puede estar al final o al principio de la escalera, y unos pocos rayos se extienden verticalmente. Se han descubierto dos casos, una en África y la otra en Sudamérica, que funcionan en la misma manera. Una mariposa que choca con la tela cae, y al caer pierde escamas hasta que las alas, desnudas se pegan a la tela y la araña puede capturarla. Las más hábiles cazadoras de mariposas, lo son las arañas boleadoras, Mastophora. Estas arañas no tejen nada parecido a la tela orbicular de sus ancestros, y capturan solamente mariposas nocturnas masculinas. Su sistema consiste en que se cuelgan de unos hilos, extienden otro más con una gota pegajosa al final y lo hacen girar en el aire. Esta gota además de pegajosa, tiene un elemento clave: la araña produce un pegamento que tiene el olor de la mariposa hembra; así los machos son atraídos hacia su muerte.
Las arañas ofrecen modelos para el estudio de la coevolución de presa y depredador, y el estudio de la evolución de la conducta animal. Para entender la coevolución y las causas próximas y últimas de la conducta, necesitamos entender mejor las relaciones evolutivas y la sistemática de varios grupos de arañas. De esta manera se podría obtener una serie de estudios comparativos entre y dentro de géneros y familias, sobre lo cual comenzar a estudiar la evolución de la conducta. Pero todavía no sabemos mucho de la conducta, la fisiología ni la ecología de la mayoría de las familias de las arañas, incluso de las familias más conocidas, como Salticidae y Araneidae, tenemos estudios sobre pocas especies. Es necesario recabar más información básica, antes de tener esperanzas para la reconstrucción filogenética y la construcción de modelos de la evolución de las relaciones entre las arañas y sus presas.
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Referencias Bibliográficas
Coddington, J. 1986. “The monophyletic origin of the orb web” in: Spiders: Webs, behavior and evolution. W. Shear, ed., Stanford University Press, Stanford, CA., pp. 319-363.
Denny, M. 1976. “The physical properties of spiders’ silk and their role in the design of orb-webs”. J. Exp. Biol. 65:483-506. Huey, R. B. y E. R. Pianka. 1981. “Ecological consequences of foraging mode”, Ecology 61: 991-999. Wilson, E. O. 1971. The Insect Societies, The Belknop Press of Harvard University Press, Cambridge, MA. |
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Linden E. Higgins
Centro de Ecología,
Universidad Nacional Autónoma de México.
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cómo citar este artículo →
Higgins, Linden E. 1991. Las arañas: cazadoras y tejedoras, visión y seda. Ciencias núm. 23, julio-septiembre, pp. 4-11. [En línea]
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