Mayo 2025 – Instituto de Física PUCV

Seminario de Astrofísica: “The Effect of Massive Stellar Feedback Across the Carina Nebula Complex”

Seminario de Astrofísica en el IFIS. Este martes 20 de mayo, Constanza Norambuena, estudiante de Astronomía UC, presenta “The Effect of Massive Stellar Feedback Across the Carina Nebula Complex” desde las 14:30 horas en la Sala 208 del Instituto de Física PUCV, Campus Curauma.

Compartimos el abstract de la presentación:

Massive stars play a crucial role in affecting their surrounding environment, influencing star formation through radiative feedback. The Carina Nebula, located approximately 2.3 kpc away, serves as an excellent laboratory for studying these processes due to its large spatial extent and diverse star-forming environments.

In this project, we analyze ten selected regions within the nebula using ALMA Band 3 observations with the Atacama Compact Array and Total Power. Our focus is on molecular line emission (HCO⁺, HCN, CS) to investigate the physical and chemical conditions of the gas affected by massive stellar feedback.

This talk will focus on providing a brief overview of interferometry, the data processing steps, including imaging the interferometric observations using the tclean task in CASA, the combination of images from two different arrays (ACA 7-m and Total Power), and the various techniques that can be applied. Additionally, I will explain the generation of spectral cubes and the construction of moment maps to trace different gas structures.

Extendemos la invitación a la comunidad a participar de este seminario que busca aportar a la comprensión sobre las huellas que van dejando las estrellas masivas en su entorno interestelar.

60 años del Fondo Cósmico de Microondas

Hoy se cumplen 60 años de la publicación de uno de los descubrimientos científicos más importantes de la historia. El 13 de mayo de 1965 se publicaron conjuntamente en la revista The Astrophysical Journal dos artículos que marcaron una nueva era en el estudio del Universo. El primero de los artículos fue escrito por Arno Penzias y Robert Wilson mientras buscaban desarrollar una antena de comunicación que tuviera la menor interferencia posible. Luego de evaluar todas las posibles fuentes de ruido – incluyendo un nido de palomas que habían hecho de la antena su hogar – descubrieron que persistía una señal no identificada que, como no dependía de la dirección en que miraran, no podía ser de origen terrestre. El segundo artículo, liderado por Robert Dicke de la Universidad de Princeton (incluyendo al reciente ganador del Premio Nobel, James Peebles), entregaba una explicación para la observación de Penzias y Wilson. Esta señal, explicaron Dicke y sus colaboradores, corresponde al brillo del Universo mismo, consecuencia de la expansión posterior al Big Bang.

Penzias y Wilson determinaron que esa fuente de luz tiene una temperatura de -270 °C o 3 grados sobre el cero absoluto. Dicke y su equipo explicaron que ésa es la temperatura del Universo. Tal como el cuerpo humano, a una temperatura de 36,5 °C, emite calor mayormente en forma de luz infrarroja, con una longitud de onda de unos 0.01 milímetros. La temperatura del Universo corresponde a una energía mucho menor, por lo que la emisión ocurre principalmente con longitudes de onda más largas: de aproximadamente 1 milímetro – microondas. A esa radiación se le conoce hoy por lo tanto como el Fondo de Radiación Cósmica o Fondo Cósmico de Microondas.

La importancia de este descubrimiento es enorme y les valió a Penzias y Wilson el Premio Nobel de Física en 1978. Aunque el equipo de Dicke no recibió tal reconocimiento (Peebles lo ganó en 2019 por sus contribuciones generales al estudio del Universo durante más de dos décadas, no específicamente por la explicación de Fondo Cósmico de Microondas), fue la explicación de estos últimos la que reveló la trascendencia del descubrimiento. La idea de un Big Bang propone que el Universo como lo conocemos proviene de un instante en que la densidad (y por lo tanto la temperatura) era infinita y que el espacio ha estado expandiéndose desde entonces y fue presentada por primera vez por el ruso Alexander Friedmann en 1922, como una consecuencia de la Teoría General de la Relatividad de Einstein. Sin embargo, fue el equipo de Dicke el que mostró que, si hubo un Big Bang, tenía que haber dejado un resplandor que sería visible en todas las direcciones y desde todas las ubicaciones, tal como encontraron Penzias y Wilson.

Una breve explicación permite entender el origen de este resplandor. Luego del Big Bang, el espacio comenzó a expandirse y, por lo tanto, la temperatura del Universo empezó a bajar. Inicialmente, las partículas se movían tan rápido que la fuerza electromagnética no era capaz de atraer a los protones y electrones, que generaban una pantalla opaca impidiendo que la luz viajara, como las moléculas de agua lo hacen en una neblina densa. Recién unos 380.000 años después del Big Bang la temperatura bajó lo suficiente – a unos 3500 °C – para que la fuerza electromagnética ganara y los electrones fueran capturados por los núcleos atómicos. En ese momento, la luz pudo por fin viajar e iluminar el Universo. Es como cuando la neblina se convierte en lluvia: sigue habiendo agua pero ya no bloquea la vista. Eso es lo que vieron por primera vez Penzias y Wilson. Esos rayos de luz llevan 13.800 millones de años viajando por el Universo y ahora algunos de ellos impactan nuestros telescopios. En estos 13.800 millones de años el diámetro del espacio ha multiplicado su tamaño por 1000 y su volumen por mil millones, de manera que la temperatura ha caído a los -270 °C que medimos.

Tres décadas después de su descubrimiento, los telescopios espaciales COBE (1990-1993), WMAP (2000-2009) y Planck (2009-2013) midieron con extrema precisión la temperatura y distribución de la luz del Fondo Cósmico de Microondas. Estas mediciones nos permiten entender con detalle la composición y geometría del Universo: gracias a esos tres satélites sabemos que la temperatura del Universo es -270,73 °C, que un 84% de la materia del Universo es de una forma que aún no entendemos pero que llamamos “oscura” porque no ilumina ni refleja luz, y que el espacio es plano, lo que significa que dos líneas que son paralelas en un punto del espacio son paralelas en todo el espacio.

Poco antes de finalizar la misión WMAP, en 2007, comenzaron a operar los primeros telescopios terrestres de larga duración, cuyo objetivo era similar al de los espaciales: caracterizar la primera luz del Universo. Al estar en la Tierra, estos telescopios pueden ser más grandes que los espaciales, lo que les da la capacidad de observar con mayor detalle. Observar el Fondo Cósmico de Microondas desde la Tierra presenta una dificultad muy alta, ya que la luz de las longitudes de onda en las que el Fondo Cósmico es más intenso es fácilmente absorbida por moléculas de agua, las que – ¡por suerte! – abundan en la atmósfera. Por esto, existen solo dos lugares en nuestro planeta desde donde se puede observar el Fondo Cósmico de Microondas en detalle por la extrema aridez de la atmósfera: las alturas del Desierto de Atacama y el Polo Sur. En efecto, gracias al Telescopio Cosmológico de Atacama (ACT en inglés), instalado en las cercanías de San Pedro de Atacama entre 2007 y 2022, Chile ha sido un polo de investigación de punta sobre los orígenes del Universo. Junto al Telescopio del Polo Sur (SPT) ha entregado las observaciones más detalladas de esta luz primordial. Pero además ese mayor detalle nos permite trazar los caminos que ha seguido esa luz desde que se emitió hasta llegar a nuestros telescopios. En ese camino ha interactuado con las galaxias que hoy pueblan el Universo y la materia en general, lo que nos permite estudiar también la evolución del Universo desde un punto de vista único usando las mismas observaciones.

El sitio donde una vez brilló – o más bien capturó el brillo – ACT ahora se encuentra su sucesor, el Observatorio Simons, cuya primera fase se construyó entre 2023 y 2024 y que ya está realizando sus primeras observaciones y pronto nos maravillará con más descubrimientos sobre el origen y la evolución del Universo. Este observatorio tiene una vida planificada de diez años pero ya tiene un sucesor: el llamado CMB-S4, que unirá a las comunidades del Fondo Cósmico de Microondas actualmente operando en Chile y en el Polo Sur, y que por el momento estará íntegramente ubicado en el Desierto de Atacama. Así, Chile seguirá siendo el principal polo de la investigación sobre el origen y la evolución del Universo a través de los ojos del Fondo Cósmico de Microondas durante las próximas dos décadas y posiblemente más.

Cristóbal Sifón

Profesor Auxiliar, Instituto de Física, Pontificia Universidad Católica de Valparaíso

Investigador Asociado al Centro de Astrofísica y Tecnologías Afines – CATA

Doctor en Astrofísica, Universidad de Leiden, Países Bajos

Inauguración del Año Académico “Inestabilidades mecánicas como explicación de la anti-adherencia vascular”

Te invitamos a participar del Inicio del Año Académico 2025 del Instituto de Física de la Pontificia Universidad Católica de Valparaíso, el día martes 20 de mayo desde las 11:00 AM en el Auditorio Otto Zollner de la Facultad de Ciencias, Campus Curauma.

En el evento se dictará la charla “Inestabilidades mecánicas como explicación de la anti-adherencia vascular” junto a nuestro invitado Dr. Enrique Cerda Villablanca, profesor del departamento de Física de la Universidad de Santiago de Chile.

Seminario de Astrofísica: “Simulation of the Impact of Jupiter-Type Rogue Planets on Circumstellar Disks”

Seminario de Astrofísica en el IFIS. Este martes 13 de mayo, Patricio Messen, estudiante del Magíster en Física de la Pontificia Universidad Católica de Valparaíso, presentará “Simulation of the Impact of Jupiter-Type Rogue Planets on Circumstellar Disks” a las 14:30 horas en la Sala 208 del Instituto de Física, Campus Curauma.

Compartimos el abstract de la presentación:

Circumstellar disks are structures of gas and dust that surround young stars during the early stages of their evolution. These disks are thought to be the sites of planet formation, and observations have revealed complex substructures with unclear origins, such as prominent spirals, low-density rings, and high-density regions where material accumulates.

In this work, we perform two-dimensional hydrodynamic simulations using the FARGO3D code, where we perturb a circumstellar disk with a Jupiter mass planet undergoing a coplanar flyby. We compare cases where the planet follows a prograde or retrograde trajectory. Simulations are carried out using two different equations of state: isothermal and adiabatic. The disk morphology varies significantly depending on the planet’s trajectory, and in all models, spiral-shaped density waves are generated and propagate throughout the disk.

In the retrograde case, two relatively close spiral arms form, while in the prograde scenario, two nearly symmetric spirals appear with respect to the central object. Under the isothermal condition, the spirals exhibit a more compact and well-defined structure compared to the adiabatic case, due to the absence of local temperature variations that would affect gas pressure. When local temperature variations are considered in the adiabatic models, we find that in the prograde case, the region where the spiral arms intersect experiences a significant temperature increase compared to the retrograde case.

To assess the observable differences between these scenarios, we adopt an approximation assuming dust perfectly coupled to the gas, and generate a synthetic spectral energy distribution (SED). This reveals that the temperature peak leads to an increase in the disk’s emitted flux. By evaluating viscous dissipation terms, we find that these events produce changes in bolometric luminosity below 1%, with prograde cases yielding the largest variation.

All simulated cases produce a low-density ring (gap) at approximately 8 AU from the central object. Uniquely in the prograde case with an adiabatic equation of state, a high-density ring forms just outside the gap, potentially acting as a dust trap and possibly triggering planetesimal formation. Finally, we perform a purely morphological comparison with Elias 2-27, a system that exhibits spiral arms with features resembling those of our simulated disks in the prograde scenario, which may provide insight into the origin of Elias 2-27’s observed morphology.

Extendemos la invitación a la comunidad a participar de este seminario que busca aportar al entendimiento de los procesos de formación planetaria.

Howard C. Berg y la locomoción bacteriana

Cuando la física encuentra la biología

Conducido por Darío Pérez - Invitados: Viviana Clavería y Claudia Reyes

“En el mundo microscópico de las bacterias, nuestras intuiciones sobre el movimiento fallan por completo: es como si viviéramos en universos diferentes.”

—— Adaptado de Howard C. Berg, Life at Low Reynolds Number, 1977

El Contexto Histórico

Howard C. Berg fue un biólogo físico cuyas contribuciones revolucionaron nuestra comprensión de cómo los microorganismos se desplazan en medios viscosos. Nacido en Iowa en 1934, Berg se formó en ingeniería y física antes de dedicarse a problemas biológicos fundamentales, combinando de manera magistral diferentes disciplinas científicas en su trabajo.

Berg fue pionero en el estudio de la locomoción bacteriana y sus contribuciones han tenido un gran impacto en el campo de la microbiología y la física de sistemas biológicos. Uno de sus artículos más influyentes, “Random Walks in Biology”, publicado en 1993, presentó una visión fascinante de cómo los movimientos aleatorios de las bacterias pueden tener importantes implicaciones en fenómenos biológicos como la búsqueda de alimento, la colonización de superficies y la formación de patrones.

En un entorno donde los científicos tendían a especializarse en campos estrictamente delimitados, Berg destacó por su enfoque interdisciplinario, combinando principios de física, biología y matemáticas para abordar preguntas fundamentales sobre el comportamiento bacteriano.

La Ciencia del Número de Reynolds Bajo

Número de Reynolds

El número de Reynolds (Re) es un parámetro adimensional que describe la relación entre las fuerzas inerciales y las fuerzas viscosas en un fluido:

R e = \frac{ρ v L}{μ}

donde ρ es la densidad, v es la velocidad, L es la longitud característica y μ es la viscosidad dinámica del fluido.

Para una bacteria, el número de Reynolds es extremadamente bajo (10⁻⁵), lo que significa que las fuerzas viscosas dominan completamente sobre las inerciales. En este régimen, la física del movimiento es radicalmente diferente a nuestra experiencia cotidiana.

θ ≃ 2.52 \times 10^{5} \frac{λ}{D} arcsec

La Quimiotaxis Bacteriana

Movimiento dirigido en un mundo aleatorio

Berg es conocido especialmente por su investigación sobre la quimiotaxis bacteriana, el proceso mediante el cual las bacterias detectan y responden a gradientes de sustancias químicas en su entorno. Sus estudios sobre la natación de bacterias en medios viscosos y su capacidad para seguir gradientes de nutrientes han contribuido significativamente a nuestra comprensión de cómo los microorganismos navegan y se adaptan a su entorno.

Berg desarrolló técnicas experimentales innovadoras para estudiar este fenómeno, incluyendo un ingenioso dispositivo de seguimiento tridimensional que permitía observar el movimiento de bacterias individuales durante periodos prolongados. Este trabajo reveló que la bacteria Escherichia coli alterna entre “carreras” en línea recta y “tumbos” aleatorios, permitiéndole explorar su entorno y moverse hacia condiciones más favorables.

Esta estrategia, que Berg caracterizó matemáticamente, es sorprendentemente efectiva y ha sido adaptada en algoritmos computacionales para la búsqueda de soluciones en espacios complejos.

Caminatas Aleatorias en Biología

En su obra seminal “Random Walks in Biology”, Berg explica cómo los procesos estocásticos —eventos que ocurren con cierta probabilidad pero sin determinismo estricto— son fundamentales en la biología. Los movimientos brownianos que afectan a las moléculas y a las células no son meros obstáculos, sino que a menudo cumplen funciones esenciales.

La difusión, por ejemplo, es crucial para el transporte de nutrientes y la señalización celular. Berg demostró que incluso procesos aparentemente dirigidos, como la quimiotaxis, están fundamentados en eventos aleatorios que, en conjunto, producen un comportamiento orientado. Este trabajo transformó nuestra comprensión de la dinámica celular y molecular.

Berg enfrentó desafíos únicos en su carrera, incluida la necesidad de desarrollar nuevas técnicas experimentales para estudiar la locomoción bacteriana en condiciones extremadamente pequeñas y viscosas. Sus innovaciones metodológicas y conceptuales abrieron nuevos campos de investigación en la interfaz entre la física y la biología.

El Legado de Berg

Howard Berg falleció en diciembre de 2021, pero su legado perdura en el campo de la biología de sistemas y la biología cuantitativa. Sus contribuciones no se limitaron a descubrimientos específicos, sino que transformaron fundamentalmente cómo entendemos la vida a escala microscópica.

El trabajo de Berg ha inspirado a generaciones de científicos a explorar la intersección entre la física y la biología. Sus ideas han influido en campos tan diversos como la microbiología, la biofísica, la ecología microbiana, y más recientemente, la robótica y la inteligencia artificial.

En la actualidad, investigadores de todo el mundo continúan expandiendo las fronteras abiertas por Berg. El estudio de la natación bacteriana ha evolucionado para incluir investigaciones sobre biofilms, comportamiento colectivo bacteriano, y diseño de micronadadores artificiales. En cada uno de estos campos, la influencia de Howard Berg es innegable.

Su enfoque interdisciplinario sigue siendo un modelo para la ciencia moderna, demostrando el poder de conectar diferentes campos del conocimiento para abordar problemas fundamentales. Como Berg mismo señaló alguna vez, “los problemas más interesantes suelen encontrarse en las fronteras entre disciplinas”, una filosofía que definió su carrera y continúa inspirando la ciencia contemporánea.

Referencias

Berg, H. C. (1993). Random Walks in Biology. Princeton University Press.
Berg, H. C. (1977). Physics of bacterial chemotaxis. In R. Balian, M. Kleman, & J.-P. Poirier (Eds.), Physics of Biological Systems (pp. 19-31). North-Holland.
Berg, H. C. (2004). E. coli in Motion. Springer-Verlag.
Purcell, E. M. (1977). Life at low Reynolds number. American Journal of Physics, 45(1), 3-11.
Lauga, E., & Powers, T. R. (2009). The hydrodynamics of swimming microorganisms. Reports on Progress in Physics, 72(9), 096601.
Alon, U., Camarena, L., Surette, M. G., Aguera y Arcas, B., Liu, Y., Leibler, S., & Stock, J. B. (1998). Response regulator output in bacterial chemotaxis. The EMBO Journal, 17(15), 4238-4248.
Turner, L., Ryu, W. S., & Berg, H. C. (2000). Real-time imaging of fluorescent flagellar filaments. Journal of Bacteriology, 182(10), 2793-2801.

Este podcast fue apoyado en parte por la Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo (ANID), Chile (ANILLO ATE220022; ALMA 31220004; FONDECYT 1211848) y Proyecto DGVM 3054 (PUCV).

Coloquio IFIS: “New Zealand Radio Astronomy: Past, present, and perspectives of NZ-Chile collaboration”

El próximo miércoles 7 de mayo, a partir de las 11:00 AM, Sergei Gulyaev, profesor de Astronomía en la Escuela de Ingeniería, Informática y Ciencias Matemáticas de la Universidad Tecnológica de Auckland, Nueva Zelanda, presentará “New Zealand Radio Astronomy: Past, present, and perspectives of NZ-Chile collaboration” en un nuevo Coloquio del IFIS PUCV. El encuentro tendrá lugar en la sala 208 del Instituto de Física.

Te dejamos el abstract de la presentación:

New Zealand radio astronomy has experienced two defining periods: an early emergence in the 1940s alongside the birth of the field, and a resurgence in the 21st century with the creation of the Warkworth Radio Astronomical Observatory at AUT. In this talk, Prof. Gulyaev will present current projects and instruments, recent changes post-pandemic, and future prospects — especially regarding the collaboration between AUT and the PUCV Institute of Physics.

Seminario de Astrofísica: “Bias Function and the Cosmic-Web connection”

Seminario de Astrofísica en el IFIS. Este martes 6 de mayo, Constanza Soto estudiante de Doctorado de Ciencias Físicas de la PUCV y UTFSM, presenta “Bias Function and the Cosmic-Web connection” desde las 14:30 en la Sala 208 del Instituto de Física PUCV.

Revisa el abstract de la presentación:

The spatial distribution of galaxies and dark matter haloes is not random and carries crucial information about the evolution of the universe. When referring to large-scale structure (LSS), we describe an inhomogeneous universe whose nature is studied through the evolution of perturbations in the density field. On larger scales, the evolution of these fluctuations, driven by the gravitational interaction of matter, gives rise to the formation of complex structures such as nodes, filaments, voids, and walls, collectively known as the cosmic web. Following this idea, the relation between the distribution of galaxies or dark matter haloes and the underlying matter density field is referred to as bias. The primary dependence of halo clustering is on halo mass, such that more massive haloes are more clustered than their less massive counterparts. However, secondary properties, at fixed halo mass, also influence clustering, leading to the so-called secondary bias. In this study, using the TNG300 hydrodynamical simulation, we employed an individual halo bias estimator, leveraging its advantages over traditional methods. With this estimator, we constructed the halo bias function, defined as the relation between the average individual bias per halo mass bin. By analyzing the halo bias function across different environments, we found that the trend varies for each environment, indicating that haloes located in the outskirts of nodes are highly clustered, in contrast to haloes in voids and walls. Similarly, linking to galaxy properties, we observed that haloes hosting red galaxies are more clustered, across all environments, than those hosting blue galaxies. Additionally, at low masses (log10(Mhost) < 12.5 h−1M⊙), red galaxies are significantly influenced by nearby massive haloes (log10(Mhost) > 13.5h−1M⊙)) within a radius of 5 h−1Mpc.