Doppler

Físicos haciendo Medicina: Christian Doppler

«Pídele un doppler», dice el torradillo adjunto al residente, quien lo apunta tal cual en el papel, a lo mejor con una ‘p’ de menos. La ecografía-doppler es una prueba de lo más común actualmente, pero el principio en el que se basa fue formulado hace 175 años en Praga por el físico, matemático y astrónomo Christian Andreas Doppler. La RAE acepta ‘doppler’ con minúscula y cursiva para referirse a la prueba médica, y ‘efecto doppler’ como denominación del fenómeno físico. No sé si cuando el propio nombre pasa a ser el nombre de una cosa y a escribirse con minúscula significa un rotundo éxito profesional o, al contrario, una desmemoria del personaje.

La historia del efecto Doppler comenzó con una aberración óptica y su explicación astronómica, pasó a los pitos de los trenes, después a la radiación electromagnética y a la relatividad especial, de allí se aplicó a la expansión del universo, a los radares, a los sonares, a los satélites y, por último, a los ultrasonidos para que las embarazadas lagrimeen cuando escuchan el corazón de su fetito.

Christian Doppler

Christian Andreas Doppler en foto de 1853. Vía www.christian-doppler.net.

Toda la vida picando piedra

Christian Doppler nació en Salzburgo en 1803. Su casa natal está a cuatro pasos de la de Mozart (números 1 y 8 de la Makartplatz, respectivamente) y, al igual que Mozart, hizo fama en otros lares y poco pisó su ciudad natal tras abandonarla. La mala salud respiratoria que siempre padeció el muchacho le permitió librarse del negocio familiar de picar piedra en cantera-construcción y pudo cultivar su talento para la matemática y la física. Sin embargo, tras acabar sus estudios en Linz y Viena siguió «picando piedra» con contratos temporales, bajas, becas, portamaletines de profesores, etc. Tras cuatro años de oposiciones fallidas y precariedad laboral (nada nuevo bajo el sol) estuvo tan harto que decidió irse a hacer las Américas, pero en último momento encontró una plaza de profesor preuniversitario en Praga y allá se fue a vivir durante más de una década.

Tanto en la preparatoria como en la Universidad de Praga Doppler picó piedra como nadie, asumió una enorme carga lectiva, con muchos alumnos, muchas clases y muchas evaluaciones. Tuvo fama de coco, de profesor durísimo. Ese mantenido esfuerzo vocal en sus conferencias no le ayudó en su salud, considerando que padecía tuberculosis laríngea.

En 1848 se cambió al Instituto Politécnico de Viena y en 1850 fue nombrado director del recién inaugurado Instituto de Física de la Universidad de Viena. Allí tuvo entre sus discípulos al padre Gregor Mendel, famoso horticultor de leguminosas. La tuberculosis siguió consumiéndolo y en 1853 se trasladó a Venecia, como tantos tuberculosos de su época, en busca de un clima beneficioso para su mal. Doppler murió allí al cabo de unos meses.

Publicó medio centenar de trabajos científicos, de los que casi ninguno tuvo relevancia, bien por ser ideas de bombero o por quedarse atrás respecto a contribuciones de sus contemporáneos. Únicamente la descripción del efecto Doppler le ha valido merecida fama.

Fiiiiiiiiiiuuuuuuuu… el efecto Doppler

El origen de la observación, el planteamiento del fenómeno y su aplicación para explicar lo que Doppler pretendía no fueron correctos del todo, pero la idea central resultó ser cierta y trascendente. Doppler buscaba una explicación para la aberración de la luz estelar descrita por Bradley en 1725, es decir, un desplazamiento aparente de la posición de una estrella debido a la velocidad de traslación de la órbita terrestre. El profesor Doppler filosofó acerca del efecto que podía tener un desplazamiento a alta velocidad sobre las ondas emitidas por las estrellas: argumentó que si un cuerpo celeste se desplaza a gran velocidad distorsiona las ondas de la luz que emite, de modo que por una parte estarán más apretadas —tendiendo al azul— y por otra más holgadas —tendiendo al rojo—. Así lo publicó en 1842 en su obra Ueber das farbige Licht der Doppelsterne und einiger anderer Gestirne des Himmels (Sobre el color de la luz de las estrellas binarias y otros astros celestes).

Doppler publicación

Portada de la breve obra original de Christian Doppler donde enuncia su efecto epónimo. Vía Google Books.

La verdad es que ello no explicaba la aberración de Bradley y la tecnología de la época no estaba para observar corrimientos al rojo o al azul en los cuerpos celestes. Sin embargo, el principio propuesto por Doppler era aplicable a cualquier variedad de onda, sea electromagnética, de sonido o las ondas mecánicas producidas en un estanque tranquilo por un objeto que se desplaza en su superficie.

Tres años después de la publicación el efecto fue demostrado experimentalmente para las ondas sonoras por el holandés Buys Ballot. Puso a músicos a emitir una nota concreta desde un tren en marcha y a otros músicos a replicar la nota que oían desde tierra según pasaba el tren. Así se observó un aumento de la frecuencia aparente del sonido cuando el tren se acercaba y una reducción de frecuencia cuando se alejaba.

Doppler Buys-Ballot

Buys Ballot intentó demostrar que la idea de Doppler era errónea, pero acabó confirmándola. Aunque se nos antoja un experimento sencillo y evidente, a Buys Ballot le costó lo suyo acabarlo con éxito. El músico del tren no aprecia cambios en su nota, mientras el que oye en tierra sí detecta un cambio aparente del tono por el cambio de frecuencia inducido por el desplazamiento.

Actualmente el efecto Doppler es fácil de observar a pie de calle con cualquier coche que pasa, cualquier sirena de ambulancia o quinqui con música a toda castaña en su vehículo tuneado. Pero antes de la revolución industrial no había objetos que se desplazaran a gran velocidad y que pudieran distorsionar el sonido, excepto proyectiles de cañón —si bien durante un bombardeo nadie se pone a pensar en frecuencias de onda—.

Musicis digressio.- Los compositores clásicos no han usado mucho la imitación del efecto Doppler en sus obras. Lo más parecido que me viene a la mente es precisamente en simulación de bombas y pirotecnia bélica. El ejemplo más siniestro está en la Octava Sinfonía de Shostakovich. Las «sinfonías de guerra» de Shostakovich son la auténtica banda sonora de la Segunda Guerra Mundial. La 8.ª sinfonía data de 1943, en lo más álgido del conflicto. Su tercer movimiento es una hipotiposis bélica de seis minutos de música tensísima, conducidos por un tema en ostinato de las cuerdas sobre el que los bajos y la percusión dan golpes como de detonación y, cada tanto, se repite una figura con una larga nota aguda seguida por un salto con ligadura a su octava inferior, cosa que recuerda el paso doppleriano de un obús.

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Fragmento del tercer movimiento de la octava sinfonía Op. 65 de Dimitri Shostakovich, donde se observa la figura musical que recuerda al efecto Doppler de un proyectil. Los violines hacen una nota larga y aguda in crescendo, que súbitamente baja en glissando. Las violas tocan el tema en ostinato que vertebra la pieza.

El segundo ejemplo está traído por los pelos, la verdad: está en el Concierto Emperador de Beethoven. Este 5.º concierto para piano también tiene un trasfondo bélico pues se compuso durante el ataque de Napoleón a Viena. Hay un breve momento de diez compases en el desarrollo del primer movimiento donde el pianista toca progresiones ascendentes del tema principal (fortspinnung) mientras la mano izquierda acompaña con escalas descendentes cromáticas que acaban con la pulsación del compás acompañadas de acentos de la orquesta. El efecto es una reminiscencia de batalla con proyectiles cayendo —no digo que ésta fuera la intención del compositor—, como aquellos cañonazos franceses que tanto aterraron a Beethoven, escondido en el sótano de casa de su hermano y cubriendo su cabeza con cojines para mitigar el malestar que las explosiones tenían que causar a sus perjudicados laberintos. Ni este enorme concierto ni ninguna otra obra de su período «heroico» puede encasillarse como música marcial y de soldaditos —bueno, la excepción es ese truñico llamado La batalla de Vitoria, Op. 91—, aunque algunos analistas se queden en esa observación superficial. La obra de Beethoven es infinitamente trascendente.

beethoven emperador

Pequeño segmento del quinto concierto para piano Op. 73 de Beethoven. La mano derecha del pianista toca un fortspinnung del tema principal, con aire batallador, mientras la izquierda hace repetidos descensos cromáticos. Estas figuras descendentes también las usó Beethoven en su antes mencionado Op. 91.

Doppler, relatividad y big bang

El efecto Doppler es un postulado relativístico, ya que depende del movimiento relativo del objeto emisor respecto a un observador referencial. El músico que va en el tren no nota ninguna variación en la nota que está emitiendo, mientras que el observador que escucha inmóvil sí nota la deformación sonora inducida por el desplazamiento de la fuente emisora.

De hecho Einstein tiró del efecto Doppler-Fizeau como parte de su teoría de la relatividad especial de 1905 (Hippolyte Fizeau describió en 1848 el mismo fenómeno que Christian Doppler aplicado a las ondas electromagnéticas). Según ello un objeto que se acerca al observador a una velocidad cercana a la luz presentaría un corrimiento al azul en la luz que emite, mientras que si se aleja se apreciaría un corrimiento al rojo.

Los astrofísicos observaron mediante espectroscopia que las galaxias muestran un corrimiento al rojo, es decir, se están alejando unas de otras. Ello condujo al padre Lemaître y a Hubble (en 1927 y 1929, respectivamente) a formular la teoría de la expansión del universo. Si se está expandiendo es porque en el pasado la materia cósmica estuvo concentrada en un punto, y esa es la base de la teoría del big bang y del cálculo de la edad del Cosmos. Casi na.

Doppler

Christian Doppler (1803-1853), aquí con el disfraz de “efecto Doppler” de Sheldon Cooper.

El efecto Doppler es uno de los principios del radar. También se considera en telecomunicaciones para corregir señales de satélites; incluso una persona que usa su móvil desde un vehículo en marcha presenta una deformación de las ondas de radiofrecuencia que puede afectar a su rendimiento.

El doppler para detectar flujos

Hablo de flujo sanguíneo, por supuesto, no lo que los ‘gines’ llaman flujo. La tecnología del eco-doppler suma los principios del efecto Doppler y de la ecolocalización; este último es la base de la ecografía convencional y del sonar que usan los barcos, los cetáceos y los murciélagos.

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Shigeo Satomura y su publicación en japonés sobre eco-doppler en la Revista de la Sociedad Acústica Japonesa de 1959. Satomura murió al año siguiente por una hemorragia subaracnoidea.

El grupo del físico Shigeo Satomura (1919-1960), en Osaka, fue el primero en pensar cómo aplicarlo en el estudio no invasivo del sistema cardiovascular durante los años 50 del s.XX. En la siguiente década se sumaron más investigadores en otros países, entre quienes destaca Robert F. Rushmer (1914-2001), de Seattle. En los años 80 se desarrolló el eco-doppler bidimensional.

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Foto de Robert Rushmer, pionero del doppler clínico (vía U.S. National Library of Medicine) y figura de su artículo junto con Dean Franklin en la revista Science del 25 de agosto de 1961.

Los equipos de doppler médico se fueron sofisticando y redujeron su tamaño. Ahora es de uso común en cualquier centro de ecografía, cirugía vascular, hemodinamia u obstetricia. Hasta se venden dopplers de andar por casa por poco más de 20 € para que las embarazadas escuchen el corazón de sus bebés cuando quieran.

El doppler permite localizar vasos sanguíneos al detectar su flujo, mide la velocidad del flujo, su dirección, la presencia de turbulencias y el ritmo de las pulsaciones. En los modos dúplex y tríplex suma información funcional a la información anatómica que da la ecografía modo B. Resulta básico en la monitorización fetal, en la enfermedad vascular periférica, en el estudio de la enfermedad carotídea, determina inversiones de flujo en venas arterializadas por fístulas o malformaciones arteriovenosas, y no se diga su utilidad en ecocardiografía.

doppler umbilical

Imagen de ecografía doppler de la vena y las arterias umbilicales (www.kpiultrasound.com).

De nuevo vemos aquí dos características de la buena Ciencia: primero, la universalidad de sus principios permite aplicarlos en áreas totalmente alejadas de donde se realizó la investigación original; así, una idea originada en lejana astrofísica ha terminado aplicándose en la vida común, sea para ponerte una multa por radar o para diagnosticarte la cardiopatía que afloró tras recibir la multa. Segundo, el trabajo aditivo y colaborativo de los científicos, pues la ecografía-doppler no existiría sin otro montón de aportes, desde la propuesta de Spallanzani sobre la existencia del ultrasonido hasta el descubrimiento del efecto piezoeléctrico hecho por los Curie. La pseudociencia y la charlatanería no logran recorrido, hacen daño en donde se inventan (por lástima, demasiado en salud) y no pueden progresar con nuevas evidencias.

«Ceterum censeo Podemus esse delenda»

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Los ojitos de los astronautas

[Material complementario de la conferencia incluida en el X Curso de Neurooftalmología del Hospital Ramón y Cajal, Madrid, 17 de febrero de 2017.]

Los retos más significativos para la colonización humana del espacio se relacionan con la manera de mantener vivos y sanos a las personas que abandonen nuestro planeta. Agua, alimento, oxígeno, temperatura, efecto de la microgravedad, efecto de la radiación cósmica, disponibilidad de medios para diagnosticar y tratar enfermedades… Todas las funciones fisiológicas se trastornan en el espacio y deben readaptarse a las nuevas circunstancias, pues a fin de cuentas somos organismos delicados, acostumbrados a un margen estrecho de temperatura, presión, humedad, etc.

La medicina astronáutica tendrá cada vez más relevancia, a medida que sean más los humanos que salten sobre la línea de Kármán. Los astronautas actuales son a la vez investigadores e individuos estudiados, gracias a los cuales cada especialidad médica puede conocer cómo influyen en su área las durísimas condiciones del espacio. Aquí comentaremos algunos aspectos concernientes a la oftalmología espacial.

Efectos generales de los viajes espaciales en la salud

astro_mesa-de-trabajo-2mdpiEfectos de aceleración/desaceleración: la salida y la entrada de la atmósfera terrestre implican grandes fuerzas de empuje sobre la tripulación. El cohete debe acelerar rápidamente hasta superar los 40.000 km/h (11,2 km/s, velocidad de escape) y ello afecta a la homeostasis circulatoria y al sistema vestibular, además de los aspectos traumatológicos del trasteo espacial.

astro_mesa-de-trabajo-3mdpiEfectos de la microgravedad: son los más estudiados y afectan prácticamente a todos los aparatos y sistemas del cuerpo. Nuevamente es el sistema vestibular el primero en sentirse desorientado, pero también el primero en adaptarse. El bombeo cardíaco, la tensión arterial y la filtración renal deben acondicionarse a la microgravedad. La pérdida de masa ósea y muscular es ampliamente conocida y proporcional al tiempo de estadía en órbita.

astro_mesa-de-trabajo-4mdpiEfectos de la radiación: señores, el Universo es radiactivo, sin la protección de la atmósfera y de la magnetosfera estaríamos fritos hasta la raspa. Radiación UV, rayos X, rayos gamma, viento solar, lluvias de neutrinos, radiación cósmica galáctica y radiación de Cherenkov. Ríete tú del wifi… Los efectos de todos estos tipos de radiación son conocidos en modelos experimentales terrestres, por accidentes nucleares y por los resultados de la radioterapia, pero el riesgo de exposición en astronautas aún no está del todo establecido.

astro_mesa-de-trabajo-5mdpiEfecto sobre ritmos circadianos: la pérdida de los ciclos día/noche puede alterar múltiples sistemas, sobre todo endocrino y neurológico.

Acerca de los cambios oftalmológicos, nos centraremos en su relación con la microgravedad y la radiación espacial.

La presbicia de los astronautas

Los viajeros espaciales no son chavalitos de veinte años, sino gente ya rodada, con una media de edad entre 45 y 50 años. Por tanto, todos son présbitas. Un hallazgo repetido en las tripulaciones espaciales es el aumento de la presbicia durante la estancia en microgravedad.

El 60 % de los astronautas refiere algún tipo de síntoma visual durante el viaje y el más frecuente de ellos es la dificultad de visión próxima, que obliga a usar dioptrías adicionales a las que llevan en sus gafas terrestres. De hecho ya es un protocolo estándar que los destinados a la Estación Espacial Internacional (ISS) porten gafas supletorias con mayor poder dióptrico. El debilitamiento de la visión próxima se hace más notorio a medida que se alarga el tiempo de estancia en la ISS.

¿Por qué pasa esto? Se debe a que el ojo es un globo lleno de agua, que por detrás tiene un tubo lleno de agua que envuelve al nervio óptico y que a su vez se conecta con un compartimiento lleno de agua, el neuroeje, donde flota el cerebro y la médula espinal. La microgravedad altera los compartimientos hídricos, como veremos a continuación.

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El agua flota en el espacio (y dentro del cuerpo)

Todos hemos visto videos de astronautas jugando con burbujas de agua como si fueran pelotas. El agua no se derrama en el espacio, sino que se mantiene unida en forma de globo gracias a la tensión superficial. De hecho, las lágrimas de un astronauta no bajan por su mejilla, sino que se quedan bailando sobre la córnea y pueden dificultar su capacidad visual, como cuenta el astronauta canadiense Chris Hadfield en este video.

El agua corporal también sufre importantes cambios, pues se pierde el gradiente hidrostático cabeza-pies que existe en gravedad terrestre. En microgravedad el fluido tiende a concentrarse en tronco y cabeza, mientras se reduce en los miembros. El corazón debe apañarse para hacer frente al aumento de la volemia torácica y a los cambios en la resistencia periférica.

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Estos cambios fluídicos también afectan al agua intraocular y al líquido cefalorraquídeo (LCR). Los líquidos del ojo son principalmente el humor acuoso, el vítreo y la sangre que circula por los plexos de la úvea. En microgravedad aumenta la presión venosa cefálica y ello congestiona la vasculatura uveal y aumenta la presión venosa epiescleral; como resultado hay un aumento de la presión intraocular (PIO) durante los primeros días de estancia espacial, aunque en una semana o menos suele estabilizarse. Otra alteración de la PIO en el espacio es la pérdida de las oscilaciones circadianas de su valor. Lo que ocurre con el LCR es más peliagudo.

¿Hipertensión intracraneal espacial?

Volviendo al aumento de presbicia de los astronautas, se observó que esto se debía a una hipermetropización por acortamiento de la longitud axial del globo. En los casos más acentuados se detectó un aplanamiento posterior del globo ocular debido a la dilatación del LCR en la vaina del nervio óptico que apretaba al ojo desde atrás.

Efecto de la microgravedad sobre el globo ocular y el LCR perióptico. A la izquierda RM previa, con curvatura posterior normal. A la derecha, RM del mismo astronauta tras volver de una estancia espacial prolongada; se observa el aplanamiento del polo posterior por la distensión del espacio perióptico. (Alperin et al. RSNA, 2016)

Efecto de la microgravedad sobre el globo ocular y el LCR perióptico. A la izquierda RM previa, con curvatura posterior normal. A la derecha, RM del mismo astronauta tras volver de una estancia espacial prolongada; se observa el aplanamiento del polo posterior por la distensión del espacio perióptico. (Alperin et al. RSNA, 2016)

En algunos de estos casos el empuje de la vaina distendida del nervio se tradujo en formación de pliegues retinocoroideos y hasta en pliegues maculares —hay que incluir aquí una posible alteración de la vasculatura coroidea—. En una docena de casos la distensión de la vaina llegó a producir papiledema o al menos ingurgitación de fibras ópticas. ¿Se trata, pues, de una hipertensión intracraneal (HIC)?

Al volver a la Tierra se les realizó resonancia magnética y punción lumbar a los astronautas afectados. En muchos de los casos se detectó una presión de apertura discretamente elevada y signos inespecíficos de HIC en la neuroimagen. Sin embargo, resultaba muy curioso que, aunque presentaban múltiples signos físicos de HIC, en general ninguno tenía sus típicos síntomas: cefalea, tinnitus sincrónico con el pulso arterial, oscurecimientos visuales transitorios, paresia de VI nervio craneal, náuseas o contracción campimétrica —excepto un caso—.

Papiledema asimétrico tras vuelo espacial prolongado. Fuente: 1. Nelson, E et al. Microgravity-Induced Fluid Shift and Ophthalmic Changes. Life 4, 2014. Hay un buen puñado de artículos publicados sobre el tema, pero los pacientes y fotos presentados son los mismos siempre...

Papiledema asimétrico tras vuelo espacial prolongado. Fuente: 1. Nelson, E et al. Microgravity-Induced Fluid Shift and Ophthalmic Changes. Life 4, 2014. Hay un buen puñado de artículos publicados sobre el tema, pero los pacientes y fotos presentados son los mismos siempre…

Por ello no se ha catalogado este cuadro como una HIC al uso, sino que se le ha dado el eufemístico y perifrástico nombre de síndrome de deterioro visual por presión intracraneal (visual impairment intracraneal pressure, VIIP). Los casos son pocos y la población es riesgo es muy escasa, por lo que cuesta hacer investigación sobre su causa y evolución. Actualmente la ISS cuenta con protocolos de estudio oftalmológico y buen instrumental a bordo: ecógrafo, tonómetro, retinógrafo y OCT. Difícil será tener allá un armatoste de RM y posibilidad de medir la PIC, aunque se están ideando métodos no invasivos mediante impedancia timpánica.

A qué se debe el VIIP

Actualmente no se tiene claro del todo. El principal responsable parece ser el cambio hidrostático en microgravedad con inversión cefálica de la presión hidrostática. Los astronautas notan esa inversión, refieren «tener la sangre en la cabeza» y suelen notarse los rostros edematosos. De hecho, los experimentos terrestres que intentan simular tal circunstancia se hacen manteniendo individuos en posición de Trendelemburg durante horas o días, de modo que aumente la presión hidrostática cefálica.

El VIIP aparece en viajes espaciales de larga duración, de más de tres o seis meses. Se supone que el aumento de la presión venosa cefálica dificulta la reabsorción del LCR y ello termina aumentando la PIC. La mala adaptación a los cambios fluídicos intracraneales hace que la enfermedad se establezca progresivamente. También se propone una vasodilatación arterial cerebral que favorece la producción de LCR.

Pero se barajan otros elementos causales, como la hiperpresión localizada en la vaina del nervio, debido a factores anatómicos locales que estorben el flujo del LCR —curiosamente el VIIP afecta mucho más a ojos derechos—. La presión parcial de CO2 relativamente elevada dentro de algunos compartimientos de la ISS podría ser otro factor, igual que el contenido alto de sodio en los alimentos a bordo, o el efecto del Valsalva repetido durante las sesiones de ejercicio para evitar la atrofia osteomuscular.

Hasta ahora ningún tripulante ha requerido tratamiento en órbita. No se plantea el uso de acetazolamida (ya sería una putada dar diurético a alguien obligado a mear en una aspiradora) o corticoides. En tierra tampoco suelen necesitar medicación y los defectos tienden a regresar, aunque no de forma rápida ni completa. Se investiga si la aplicación de torniquetes en la base de los muslos o de pantalones de presión negativa podrían reducir la inversión del gradiente hidrostático.

La radiación del Universo

Como comentamos antes, el espacio es un hervidero de diferentes tipos de radiaciones, tanto del espectro electromagnético como de partículas ionizadas. Todas las estrellas emiten estas radiaciones, incluyendo el Sol. Aparte de los rayos ultravioleta, X y gamma, el Sol emite protones de alta energía que constituyen el viento solar. Estos protones son núcleos de hidrógeno ionizados que son expelidos a altísima velocidad; en el viento solar también hay núcleos ionizados de helio, es decir, las famosas partículas α radiactivas. Un tercer tipo de emisión solar son los neutrinos, partículas subatómicas escurridizas, generadas en las reacciones de fusión nuclear y de desintegración β. Llegan miles de millones de neutrinos por segundo y atraviesan la atmósfera, los edificios, a nosotros y, de hecho, atraviesan todo el puto planeta como si no existiera y pasan de largo, casi sin interactuar con la materia que traspasan. Hasta donde se sabe, el flujo de neutrinos no es peligroso para la salud.

Pero el Sol no llega ni a camping-gas cuando se compara con otras fuentes de radiación cósmica, como novas, supernovas, estrellas de neutrones, cuásares y, en un escalón más arriba, agujeros negros supermasivos y galaxias activas (o radiogalaxias). La radiación emitida por estas estructuras es muchísimo más potente que la del Sol y nos alcanza desde todas las direcciones en forma de rayos cósmicos.

Los rayos cósmicos contienen, al igual que el viento solar, protones de alta energía (> 90 %) y partículas α, pero también núcleos ionizados de elementos más pesados, desde litio hasta hierro, expulsados en el estallido de estrellas masivas.

Aquí en casita estamos protegidos de toda esa radiación por dos barreras: la magnetosfera y la atmósfera. El campo magnético generado por la Tierra forma los cinturones de Van Allen, especie de cebolla magnética que envuelve al planeta y lo protege de las partículas ionizadas del viento solar y los rayos cósmicos. Ese escudo de Van Allen atrapa buena parte de las partículas radiadas y las desvía hacia los polos, donde ionizan los gases atmosféricos y generan las preciosas auroras polares.

vanallen

Aquellas partículas de radiación cósmica que logran pasar la magnetosfera y alcanzan la atmósfera sufren un frenazo al entrar desde el vacío espacial a un medio más denso. El resultado es una desintegración de estos átomos en partículas subatómicas, más o menos como ocurre cuando se chocan protones en los aceleradores de hadrones. Los protones y neutrones se desmigajan en una cascada desintegrativa que genera piones, muones, electrones, positrones, neutrinos y fotones. A este proceso se le llama radiación de Cherenkov y no me meto más en esto por mi vil ignorancia en el tema. La cosa es que a pie de calle llega poca radiación cósmica.

Algo interesante de los rayos cósmicos es que actúan sobre el nitrógeno atmosférico (14N) y lo transmutan en carbono 14 (14C), un isótopo inestable. El 14C es incorporado en las moléculas de los seres vivos igual que el estable 12C. De modo que la datación por 14C para calcular la edad de fósiles y restos orgánicos es posible gracias a los rayos cósmicos.

Radiación y salud

De todos los venenos que amenazan nuestra vida quizás la radiactividad sea de los más temidos, a causa del peligro de guerra nuclear y de los accidentes de centrales termonucleares. Son de sobra conocidos los efectos de la radioterapia y de la radiación accidental sobre el organismo.

La irradiación generalizada tiene dos efectos: frenar la división celular en fase aguda y generar neoplasias a mediano o largo plazo. Lo primero se traduce en aplasia medular y alteraciones cutáneas y mucosas; lo segundo, en cáncer de tiroides, neoplasias hematológicas y muchas otras.

En los astronautas se ha investigado el efecto de su exposición en el espacio, pero aún no está bien establecido el riesgo de neoplasias —parece ser algo mayor— ni la dosis admisible. Es realmente difícil proteger a los pasajeros en los viajes orbitales.

Radiación y ojos

Las estructuras oculares más sensibles a la radiación son la córnea, el cristalino, la retina y el nervio óptico. La radioterapia órbito-craneal da frecuentemente queratopatías, retinopatías y neuropatías ópticas secundarias, así como cataratas corticales y subcapsulares posteriores.

En los viajeros espaciales solamente se ha detectado un riesgo mayor de sufrir cataratas, pero no las otras complicaciones mencionadas. Lo reducido de la muestra astronáutica (poco más de 300 sufridos privilegiados) dificulta hacer estadísticas sólidas para cuantificar el riesgo global y el período de exposición peligroso.

Se ha visto mayor frecuencia de cataratas en otros colectivos expuesto a radiación laboral, como personal de radiología intervencionista y en pilotos comerciales (que sí, que a la altitud de un vuelo comercial se chupa más radiación cósmica que a pie de calle).

Auroras intraoculares

Una de las primeras anomalías visuales observadas en el espacio fue la lluvia de fotopsias que misteriosamente percibían los tripulantes cuando oscurecían la cápsula para dormir. El primero en reportarlo fue Buzz Aldrin durante la misión Apolo 11. Hasta el 80 % de los astronautas ha notados estos fosfenos, en ráfagas variables, desde chispazos esporádicos hasta varios por minuto. Después de mucho elucubrar, se descubrió que el pico de fotopsias coincidía con un mayor flujo de rayos cósmicos.

Eran las partículas de la radiación cósmica las que causaban los destellos dentro de los ojos de los astronautas; es algo similar a lo que perciben los pacientes sometidos a radioterapia órbito-craneal. Como ya comentamos, los rayos cósmicos contienen protones a toda leche y partículas α, ¿cómo actúan en el ojo para generar chispazos?

Ocurre un mecanismo parecido a la radiación de Cherenkov originada por la interacción de los rayos cósmicos con la atmósfera: las partículas ionizadas se desintegran en forma de cascada de partículas subatómicas, entre las que hay un 15 % de fotones. Estos fotones estimulan los fotorreceptores retinianos y se produce el fosfeno.

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Cascada de desintegración de partículas de radiación cósmica en el ojo de los astronautas. H+: protón, núcleo ionizado de hidrógeno. α: partícula alfa, núcleo de helio ionizado. μ: muon. π: pion. ν: neutrino. γ: fotón. Supongo que cualquier físico detectará errores en el esquema de desintegración que he puesto aquí, lo siento, no doy para más; mi objetivo es ilustrar cómo se generan los fotones causantes de las fotopsias espaciales.

En el caso de los astronautas, la desintegración ocurre por el choque de las partículas contra las paredes del vehículo o, más probablemente, contra la córnea, el cristalino y el vítreo. Al final, lo que ocurre en el ojo del tripulante es, a escala miniwini, lo mismo que en un acelerador o en una aurora polar.

Da vértigo pensar que esos corpúsculos espaciales fueron generados en gigantescos cataclismos galácticos de potencias inimaginables, a distancias extraordinarias, han viajado por el espacio a velocidades cercanas a la luz durante cientos de miles o millones de años hasta que terminan estampándose en la retina de un astronauta que pasaba por ahí.

Implicaciones en la colonización espacial

Hasta ahora los problemas visuales descritos no han representado una amenaza seria para la salud de los tripulantes ni para la seguridad de las misiones. Muy pocos han estado en órbita durante un año o poco más, y al volver reciben los cuidados médicos más especializados que requieran.

Otra cosa es la colonización espacial, viajes de larga duración, seguramente sin retorno, con disponibilidad submínima de medios diagnósticos y terapéuticos. Un posible viaje a Marte duraría entre dos y tres años, un período de microgravedad hasta ahora no experimentado, y una exposición a la radiación espacial de consecuencias desconocidas.

A ver quién será la primera persona en hacer una facoemulsificación o una derivación lumboperitoneal fuera del planeta, si es que para entonces aún se practican estas intervenciones.

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“Ceterum censeo Podemus esse delenda”