Con este nuevo material inspirado en los dientes podríamos construir aviones más fuertes

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Imagen: Universidad de Míchigan

¿En qué se parecen los aviones a los dientes? Los aviones deben soportar un constante estrés mecánico sin agrietarse, pero no pueden ser blandos. Con el esmalte dental, la capa externa de nuestros dientes, ocurre lo mismo.

Si lo piensas, nuestra dentadura tiene que ser lo suficientemente fuerte como para romper y desgarrar los alimentos, pero también soportar décadas de vibraciones (como cuando caminamos) sin agrietarse o resquebrajarse. La mayoría de los materiales hechos por el hombre solo están diseñados para resistir a una de las dos cosas. El metal es fuerte, pero puede desarrollar fracturas de tensión con el tiempo. El caucho absorbe las vibraciones, pero no es el mejor material para construir aeronaves.

¿Qué es lo que hace que los dientes sean tan resistentes? Su estructura, por supuesto. A nivel microscópico, el esmalte dental es una estructura de gran pureza hecha de cristales de cerámica dura rodeados por una pequeña cantidad de proteínas orgánicas blandas. Cuando se ejerce presión sobre un diente al morder o masticar, las columnas se comprimen y se doblan, pero la fricción con el material proteico blando absorbe el exceso de energía que podría causar daños en la estructura del diente. Es un diseño que funciona desde que los dinosaurios vagaban a sus anchas por la Tierra.

Sabiendo esto, un equipo de investigadores de la Universidad de Míchigan ha desarrollado un esmalte de dientes sintético que algún día podría usarse para construir aviones estructuralmente más resistentes. El material tiene las mismas propiedades elásticas que nuestra dentadura, pero en lugar de cristales cerámicos y proteínas está hecho de nanocables de óxido de cinc y un polímero blando, según detalla un artículo en Nature.

Este esmalte de dientes artificial se presenta como una mejor alternativa a los metales para construir el fuselaje de los aviones y el chasis de los coches. No solo es más ligero, sino que puede soportar la presión, las vibraciones y las constantes expansiones y compresiones que experimentan los metales durante los vuelos, y que acaban produciendo grietas microscópicas o alguna falla estructural ocasional.

Hay una desventaja. Los investigadores aún no hay encontrado una manera eficiente de producir el material en masa. La fabricación del esmalte es increíblemente lenta: un solo micrómetro lleva cuarenta capas que tienen que ser construidas una a una. Construir un avión entero llevaría años, lo que resultaría prohibitivamente caro a pesar de todas sus ventajas.

Si consiguen superar ese pequeño inconveniente, tal vez en un futuro próximo nos subamos a un avión cuya estructura esté inspirada en nuestros dientes. Si no, los investigadores confían en encontrarle un uso en campos más pequeños, como la electrónica. [Nature vía New Atlas]

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Descubren un metal que rompe la ley de Wiedemann-Franz y conduce la electricidad, pero no el calor

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El equipo de Junqiao Wu con un microscopio de electrones. Foto: Marilyn Chung/Berkeley Lab

Científicos del Laboratorio Lawrence Berkeley y la Universidad de California han descubierto una característica muy interesante en un metal: es conductor de la electricidad, pero no del calor. El compuesto será de una gran utilidad en campos como los motores de automóvil o la electrónica.

La mayor parte de los metales cumple una propiedad denominada ley de Wiedemann-Franz que relaciona la conductividad eléctrica con la térmica. En otras palabras, si es conductor de la electricidad, también lo es del calor. Esta ley, sin embargo, no se aplica a algunosmetales de transición como el vanadio. El dióxido de vanadio, por ejemplo, cambia de aislante a conductor en función de la temperatura.

Los investigadores de Berkeley no han descubierto el dióxido de vanadio en sí, sino una propiedad de ese compuesto que hasta ahora no se conocía, y es que la conductividad térmica atribuible al movimiento de los electrones es diez veces menor de lo que dictaría la ley de Wiedemann-Franz. El físico de la Universidad de Berkeley y cabeza visible de este descubrimiento, Junqiao Wu, explica:}

En el dióxido de vanadio, los electrones se mueven al unísono, como en un fluido, en lugar de hacerlo en todas direcciones como en los metales comunes. Para los electrones, el calor es un movimiento aleatorio. Los metales normales transportan el calor de una manera tan eficiente porque hay muchas posibles configuraciones microscópicas por las que los electrones pueden viajar. En el dióxido de vanadio, el movimiento coordinado de los electrones, como si fueran la banda de un desfile actúa en detrimento de la conductividad térmica. Es un efecto del menor número de configuraciones disponibles para que los electrones salten de manera aleatoria.

No es el primer compuesto metálico que transmite la electricidad mejor que el calor. La diferencia es que este lo hace a temperatura ambiente en lugar de solo cuando se somete a temperaturas imposiblemente bajas. La mejor parte es que la cantidad de electricidad que transmite puede ajustarse añadiendo pequeñas concentraciones de otros metales. El dióxido de vanadio tiene algunas otras propiedades interesantes. Es transparente a temperaturas de 30 grados celsius, y absorbe la radiación infrarroja por encima de 60 grados.

Aún quedan algunas pruebas antes de comercializar el compuesto, pero su nueva característica tiene múltiples aplicaciones. Puede usarse, por ejemplo, como sistema para disipar el calor en motores al mismo tiempo que genera energía eléctrica. También haría un excelente aislante del calor en ventanas.

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¿Qué es un cuerpo negro?

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Sabemos que todo cuerpo absorbe y emite radiación en todas las frecuencias en cantidades que dependen de su temperatura. Por ejemplo, el lector de este artículo, puede estar recibiendo radiación procedente del Sol y emitir calor por ello. Dicho calor, puede detectarse con una cámara de infrarrojos.
Pero, ¿qué ocurre si queremos estudiar la radiación emitida por un cuerpo? Lo primero que tenemos que hacer es aislarla. Para ello, ideamos un objeto teórico que absorbe toda la luz y toda la energía radiante que incide sobre él, y nada de la radiación incidente se refleja o pasa a través de él. A este cuerpo teórico se le denomina cuerpo negro, nombre que fue introducido por Gustav Kirchhoff en 1862.

Como el cuerpo negro está cerrado, el sistema alcanza el equilibrio térmico en su interior. A la radiación que hay en su interior se la conoce como radiación de cuerpo negro. La radiación que entra en el cuerpo negro no escapa de él, pero comienza a reflejarse en las paredes. En este proceso, las paredes se calientan, lo que provocará la emisión de nuevas ondas electromagnéticas, que a su vez, rebotarán de nuevo en las paredes. De esta forma, en el interior del cuerpo negro tendremos una determinada energía electromagnética.

Ahora, abrimos un pequeño orificio en el cuerpo para analizar la radiación que escapa de él. Este orificio es tan pequeño que no afecta al equilibrio térmico alcanzado en el interior. Además, la energía que irradia del cuerpo negro es característica solamente de este sistema radiante y no depende del tipo de radiación que incide sobre él.
De antemano, sabemos que la radiación es emitida en todas las frecuencias, pero emite más intensamente para una frecuencia determinada que se puede calcular sabiendo la temperatura del cuerpo negro. Así que nuestro objetivo es analizar la radiación que escapa de muy poco en muy poco, lo que nos permitirá ver con qué frecuencias y con qué intensidad se encuentra la radiación dentro del cuerpo negro, para así conocer más sobre su naturaleza.
Una vez realizado el experimento, vamos a analizar los resultados obtenidos.
Para estudiar esta energía electromagnética empleamos una función de densidad espectral en la que la energía interna de la cavidad depende de la frecuencia de las ondas electromagnéticas y la temperatura del cuerpo. Recordamos que la radiación que sale por el pequeño orificio no es la misma que entró, sino que la radiación que vamos a analizar está relacionada con la densidad de energía del interior del cuerpo.
Llamando p(w,T) a la función de densidad espectral;  y considerando que el orificio posee de área la unidad (para simplificar cálculos), se obtiene que:
p(w,T) = 4/cR(w,T)
Es decir; que para cada par de valores de frecuencia y temperatura, la cantidad de energía radiada por el orificio será igual c / 4 veces la densidad de energía en el interior de la cavidad. Se constata así una relación directa entre la densidad de energía interna en la cavidad, y la energía radiada por el orificio.
Se observa además, que la esta relación se cumple para todo cuerpo negro en equilibrio, independientemente de las propiedades del material que lo forme y de su forma. Esto significa que el espectro de radiación emitida por un cuerpo negro en equilibrio térmico posee características universales: un cuerpo negro siempre va a emitir la misma cantidad de radiación para una determinada temperatura y frecuencia. Esto supone que la gráfica de emisión para un cuerpo negro en equilibrio es siempre la misma:
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El verdadero problema surgió cuando los científicos trataron de explicar los resultados obtenidos en este experimento mediante la física conocida, lo que llevó a la “Catástrofe ultravioleta”.
Bibliografía
Física Cuántica. Ediciones Pirámide (1999) Carlos Sánchez del Río (coordinador).
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Eclipse Solar 2017: horario, cómo verlo y en qué consiste el fenómeno

Datos para disfrutar y entender el fenómeno astronómico que ocurrirá en la Patagonia el 26 de febrero. Clarín ofrecerá transmisión en vivo.

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Un espectacular anillo de fuego será visto este domingo desde Sudamérica y África (Archivo / NASA)

Millones de personas alrededor del mundo estarán pendientes este próximo domingo del eclipse anular de Sol que será visible únicamente desde Sudamérica y Sur de África. El área de mejor visualización será la “zona de umbra”, una franja de 50 kilómetros de ancho que atravesará el mundo, donde la obturación de la luz será casi total.

Clarín desarrolló un mapa a partir de datos de la NASA que muestra exactamente la franja mencionada y el rango de latitudes y longitudes desde donde se verán alteraciones de luz.

Horarios

La totalidad del fenómeno se extenderá por 2:30 horas. En la Argentina iniciará aproximadamente a las 9:24 am del 26 de febrero. El apogeo se alcanzará a las 10:38 am con una finalización estimada de las 12:00 pm.

El GIF animado a continuación muestra cómo se desarrollará el fenómeno.

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Para los que se encuentren dentro de la zona de umbra, los horarios de ocurrencia serán:

País Localidad, Provincia Obturación Inicio Máximo Fin
Argentina Facundo, Chubut 97,3% 9:24 10:38 11:59
Argentina Camarones, Chubut 97,4% 9:27 10:43 12:06
Argentina Bahía Bustamante, Chubut 97,4% 9:26 10:42 12:05
Chile Puerto Aysén, Aysén 97,1% 9:25 10:35 11:55
Chile Pto. Chacabuco, Aysén 97,2% 9:22 10:35 11:55
Angola Changoroi 95,7% 12:30 1:27 2:28
Zambia Ikelengue 95,8% 12:27 1:30 2:27

Mientras que los puntos geográficos dentro de la zona de penumbra obtendrán una visualización parcial:

País Localidad Obturación Inicio Máximo Fin
Argentina Buenos Aires 65,6% 9:31 10:53 12:23
Argentina Córdoba 50,5% 9:26 10:42 12:06
Argentina Comodoro Rivadavia 95,86% 9:26 10:41 12:03
Argentina Mar del Plata 78,6% 9:31 10:54 12:24
Argentina Mendoza 54,1% 9:21 10:34 11:56
Argentina Viedma 85,2% 9:26 10:45 12:12
Argentina Ushuaia 66,4% 9:37 10:47 12:01
Chile Santiago 55,3% 9:19 10:31 11:52
Bolivia Santa Cruz 9,6% 9:54 10:48 11:47
Brasil San Pablo 40,2% 10:02 11:29 13:59
Uruguay Montevideo 68,5% 9:34 10:57 12:28

Si se encuentra fuera de la Argentina puede convertir el horario local con el de su ciudad en este enlace.

Tipos de eclipse solar

La astronomía define tres tipos bien definidos de eclipses solares:

Total

Solamente es visible desde una pequeña zona de la Tierra debido a que desde ahí, la luna cubre totalmente al Sol. Las personas que se encuentran en el centro de la sombra de la luna son quienes pueden ver un eclipse total de Sol, puesto que la umbra de la sombra de la luna “toca” una zona de la superficie terrestre. Ocurre cada 360 años.

Parcial

En este tipo de eclipse, solo se ve una parte del disco del Sol, por lo que no puede mirarse la corona ni la cromosfera. La penumbra de la sombra de la luna pasa a través de una zona de la superficie terrestre, así una persona ubicada en la penumbra observa un eclipse parcial.

Anular

Del disco del Sol solo es posible observar una pequeña sección de luz en forma de anillo, ya que el Sol y la Luna están alineados pero el tamaño de esta es menor que la estrella.

Mirá también

Eclipse Solar 2017: horario, dónde verlo y transmisión en vivo

Transmisión en vivo

Clarín realizará una cobertura especial en conjunto con Canal 7 de Chubut y acercará una transmisión en vivo a través de www.clarin.com y su página de Facebook. Todos los horarios expresado a continuación son en horario de Argentina (GMT -03:00).

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Un telescopio «tan grande como la Tierra» podría conseguir la primera imagen de un agujero negro

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Simulación de un agujero negro aparecida en la película «Interestellar» – Warner Bros. / Syncopy / Paramount Pictures

Un equipo internacional de astrónomos se está preparando para conseguir la primera imagen de la historia de un agujero negro. El proyecto, que aspira a obtener la fotografía partir de 2018, será fruto de la colaboración entre 12 radiotelescopios de todo el mundo, universidades, agencias, el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT, en inglés) y 100 investigadores de todo el mundo, entre otros. En teoría, el trabajo coordinado de varias antenas receptoras permitirá conseguir el rendimiento de un radiotelescopio tan grande como el planeta Tierra.

Sería una forma de poner a prueba las predicciones de la Relatividad General

Este gigantesco y virtual instrumento recibe el nombre de Telescopio del Horizonte de Sucesos (EHT, en inglés). Está previsto que se ponga en marcha del 5 al 14 de abril, fecha en la que tratará de obtener una imagen de Sagitario A, el agujero negro supermasivo que se encuentra en el centro de la Vía Láctea.

Pasados unos meses, los datos serán cruzados en un superordenador. Entonces se podría obtener la primera reconstrucción del horizonte de sucesos de un agujero negro, esa región que marca el punto de no retorno de estos objetos: por debajo de él, la gravedad del agujero es tan intensa que la luz no puede escapar, pero por encima de esta barrera virtual, sí.

Esto podría tener consecuencias muy importantes. En teoría, poder ver por primera vez el horizonte de sucesos sería una forma de poner a prueba las predicciones de la Relatividad General.

¿Los agujeros negros son invisibles?

Hay que tener en cuenta que los agujeros negros son invisibles, puesto que son tan masivos que son capaces de atrapar la luz. Solo se detecta su presencia cuando algo cae en su interior y emiten potentes oleadas de radiación, o bien cuando deforman el espacio-tiempo y generan un efecto de lente gravitacional. Por eso hasta ahora solo se han podido ver de forma indirecta, y nunca se ha alcanzado su superficie, el horizonte de sucesos

Los investigadores esperan que la imagen que crearán será similar a un anillo rodeando una gran gota negra. Es posible que ese anillo tenga forma de luna, a causa del efecto Doppler. Este se produce porque la materia que forma el disco tiene distintas velocidades en relación con la Tierra y esto distorsiona la forma como se observa. El efecto es parecido (aunque con muchas diferencias) al que pasa con el sonido de la sirena de una ambulancia: este suena distinto en función de la velocidad que lleve el coche, sobre todo dependiendo de si se acerca o se aleja de nosotros.

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Simulaciones hechas por el equipo del Telescopio del Horizonte de Sucesos (EHT- NASA/UMass/D.Wang et al., IR: NASA/STScI / Feryel Ozel

Aunque los datos se recogerán en abril de este año, los científicos no esperan obtener el resultado hasta 2018, a causa de la dificultad de procesar toda la información. Entre otras cosas, habrá que poner en común los datos recogidos por muchos telescopios. Se hará a través de una sofisticada técnica (conocida «Very long baseline array interferometry»), gracias a la cual instrumentos separados por continentes enteros se sincronizarán y funcionarán como si fueran una antena gigantesca.

Para que todo salga bien, será necesario que la meteorología acompañe y que toda la tecnología implicada funcione. Entre otras cosas, los científicos tendrán que usar relojes atómicos de precisión extrema y un superordenador para procesar los datos. La complejidad que supone esto explica que el proyecto lleve ya 20 años en marcha.

Foto al agujero negro supermasivo

La recompensa será analizar con detalle el agujero negro supermasivo Sagitario A. Es un cuerpo enorme, que tiene unos 20 millones de kilómetros de ancho (unas 30 veces más que el Sol), pero están tan lejos de la Tierra, a 26.000 años luz de distancia, que en el cielo ocupa una fracción mínima. Además de ser grande, se cree que es muy masivo: él solo acumula 4 millones de masas solares.

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Imagen en rayos X de Sagitario A- Observatorio Chandra de Rayos X/NASA

Según los cálculos de los astrónomos, Sagitario A ocupa un espacio tan pequeño como la punta de un alfiler en el cielo estrellado. Se cree que a su alrededor el espacio-tiempo está deformado y que por eso su imagen podría estar amplificada y distorsionada hasta formar una «sombra» de 50 millones de kilómetros. Desde la Tierra, ver esto sería como ver una naranja en la superficie de la Luna, según cálculos de Heino Falke y Fulvio Melia, del Instituto Max Planck de Radio Astronomía y de la Universidad de Arizona, respectivamente.

De hecho, este pequeño tamaño es la principal (pero no única) causa de que hasta ahora no se haya podido obtener una imagen del horizonte de sucesos. En radioastronomía se cumple la regla de que cuanto mayor sea la antena, mayor resolución o magnificación se alcanza. Por eso, la solución pasa este asunto pasar por construir un radiotelescopio virtualmente tan grande como la Tierra, por una parte, y por otra, por buscar el mayor agujero negro posible.

Estos son Sagitario A y el agujero negro supermasivo del centro de la galaxia elíptica M87, que es, de hecho, el segundo objetivo de este proyecto.

Actualmente, se cree que los agujeros negros residen en el corazón de la mayoría de las galaxias y en sistemas binarios (de dos estrellas) que emiten rayos X. Otras veces parecen ser los causantes de los famosos estallidos de rayos gamma.

Sea como sea, estudiarlos es clave para la física y la astronomía: son fundamentales para comprender la evolución de las estrellas, la formación de las galaxias y la naturaleza del espacio-tiempo.

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Proponen seis nuevas partículas en el Modelo Estandar para explicar los misterios del Universo

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Las seis nuevas partículas, iluminadas – APS/Alan Stonebraker

Un grupo formado por cuatro investigadores acaba de proponer, en un artículo recién publicado en Physical Review Letters, añadir seis nuevas partículas al Modelo Estándar de la Física. Gracias a ellas, Guillermo Ballesteros, de la Université París Saclay, Javier Redondo, de la Universidad de Zaragoza, Andreas Ringwld, del Instituto Max Planck de Física y Carlos Tamarit, de la Universidad de Durham, creen que podrían explicarse cuatro grandes misterios de la Física para los que el Modelo Estandar no tiene una respuesta. En su artículo, los investigadores describen cómo son y para qué sirven cada una de las partículas que pretenden añadir a las ya existentes.

La teoría estandar es un modelo desarrollado por los físicos durante los últimos cincuenta años para describir cómo funciona el Universo en que vivimos. Ese modelo incluye a tres las cuatro fuerzas fundamentales de la Naturaleza (electromagnetismo, interacción fuerte e interacción débil, dejando fuera la gravedad) y describe a todas las partículas que transportan esas fuerzas y que constituyen los ladrillos básicos de la materia. La teoría enumera 17 partículas fundamentales diferentes, y se ha enfrentado ya, superándolas, a todo tipo de test y pruebas. Sin embargo, y a pesar de su éxito indiscutible, el Modelo Estandar no incluye explicación alguna para toda una serie de cuestiones fundamentales.

Los cuatro investigadores dejan bien claro que lo que están proponiendo no tiene nada que ver con una “nueva Física”. En lugar de eso, han reunido las teorías que creen más prometedoras y sus posibles soluciones para hacer un esbozo que pueda servir de guía a investigaciones y experimentos futuros.

Las teorías manejadas por estos científicos buscan respuesta a cuatro preguntas fundamentales: ¿Qué es exactamente la materia oscura? ¿Por qué los neutrinos son tan ligeros? ¿Qué causó la inflación? ¿Por qué hay más materia que antimateria? El equipo ha bautizado su nuevo modelo como SMASH (Standard Model Axion See-saw Higgs portal inflation) y las nuevas partículas propuestas son el Rho (para ayudar a explicar la inflación), el axión (para la materia oscura) un nuevo fermión de tres colores y tres neutrinos estériles pesados.

Por supuesto, es demasiado pronto aún para saber si el nuevo modelo será aceptado por la comunidad científica, pero tiene a su favor el hecho de que las predicciones que realiza son muy claras, lo que significa que pueden ser fácilmente probadas (o refutadas) en experimentos de laboratorio. Cabe destacar que la nueva teoría sigue dejando aparte el problema de la gravedad (la única fuerza que aún no se ha logrado cuantificar), y cuestiones como el llamado problema de la jerarquía o la constante cosmológica.

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Buscan signos de vida en el planeta Wolf 1061c

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La ilustración muestra el aspecto de este nuevo planeta extrasolar – NASA/Ames/JPL-Caltech

Stephen Kane, astrofísico de la Universidad Estatal de San Francisco y uno de los más conocidos “cazadores” de planetas extrasolares, acaba de dar un paso decisivo en la búsqueda de vida fuera de la Tierra. Así, y en lugar de seguir buscando más mundos potencialmente habitables, Kane ha decidido dedicarse a localizar “zonas habitables” en la superficie de los planetas que ya conocemos. Entendiendo por zonas habitables aquellas en las que el agua podría existir en estado líquido. El estudio se publicará en el próximo número de Astrophysical Journal.

Para empezar, Kane y su equipo han examinado a fondo las posibles zonas habitables de Wolf 1061, un sistema planetario que se encuentra sólo a 14 años luz de distancia, uno de los más próximos a la Tierra. “Este sistema, afirma Kane- es importante porque está tan cerca que nos brinda la oportunidad de llevar a cabo otro tipo de estudios y seguimientos para comprobar si, efectivamente, alberga vida”.

Por supuesto, no es solo su proximidad a la Tierra lo que hace tan atractivo a Wolf 1061. De hecho, uno de sus tres planetas conocidos, un mundo rocoso llamado Wolf 1061c, se encuentra dentro de la “zona de habitabilidad” de su estrella, es decir, a la distancia exacta de ella para que las temperaturas permitan la existencia de agua en estado líquido sobre la superficie.

Kane y su equipo contaron con la ayuda de expertos de la Universidad Estatal de Tennessee y de Ginebra para estudiar a fondo el planeta y hacerse una idea más clara de si realmente la vida podría existir allí.

Cuando los científicos tratan de localizar mundos capaces de sustentar vida, lo que buscan es, básicamente, planetas que tengan propiedades similares a las de la Tierra. Es decir, que sean rocosos y que se encuentren en la “zona habitable” de sus estrellas, ni demasiado lejos ni demasiado cerca de ellas, ya que en el primer caso el agua se congelaría, como sucedió en Marte, y en el segundo se evaporaría, como le ocurrió a Venus.

Puesto que Wolf 1061c se encuentra cerca del borde interior de la zona hebitable (es decir, la más cercana a la estrella) Kane teme que su atmósfera se parezca más a la de Venus de lo que sería deseable. Pero los investigadores también se fijaron en que, a diferencia de la Tierra, que experimenta cambios climáticos (colo las edades de hielo) debido a las lentas variaciones en su órbita alrededor del Sol, la órbita de Wolf 1061c cambia a un ritmo mucho más rápido, lo que podría significar que su clima podría ser bastante caótico. “Podría ser -afirma Kane- que la frecuencia de congelación del planeta, o su calentamiento, se produjeran de forma rápida y brusca“.

Hallazgos que conducen a la gran pregunta: ¿Es posible la vida en Wolf 1061c?. Para Kane, existe la posibilidad de que las cortas escalas de tiempo entre los cambios orbitales sean suficientes para enfriar de forma efectiva el planeta, lo cual conlleva también una posibilidad de vida. Sin embargo, el investigador también afirma que para estar completamente seguros habrá que llevar a cabo nuevas investigaciones.

Durante los próximos años, la nueva generación de telescopios (como el James Webb, sucesor del Hubble), será capaz de detectar directemente los componentes atmosféricos de muchos exoplanetas, entre ellos la de Wolf 1061c. Y eso nos mostrará lo que realmente está sucediendo en sus superficies.

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