TARDÍGRADOS

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Conexión entre la Conjetura de Kepler y los números primos através de la Constante tridimensional de Hermite

Posted by Albert Zotkin en septiembre 10, 2016

Hola amigos de Tardígrados. Hoy os voy a presentar un espectacular hallazgo matemático hecho por mí hoy mismo. Os lo presento sin dilación ya mismo:

\displaystyle \sum_{i=1}^\infty \cfrac{(-1)^{\pi(i)-\pi(i-1)}}{i^2}= \frac{\pi}{3\sqrt{2}} (1)
donde π(x) es la función contador de números primos, no confundir con el número irracional trascendente π, el cual aparece en el lado derecho de la fórmula. Es decir, esa función contador nos dice cuántos número primos hay desde 0 hasta el número real x. La identidad que he hallado es simplemente la Constante de Hermite en tres dimensiones, o al menos se le aproxima mucho, pues esa fórmula la he comprobado hasta el término i = 1000000. Parece converger rápidamente hacia ese limite.

Respecto a la función contador de números primos expresada como diferencia:

\displaystyle \chi _{{{\mathbb  {P}}}}(n)=\pi(n)-\pi(n-1)

nos define exactamente una función característica χP(n) de números primos, es decir, una función tal que si n es primo entonces esa función es χP(n) = 1, y en caso contrario es χP(n) = 0.
En cuanto al número

\displaystyle  \frac{\pi}{3\sqrt{2}} = 0.740480489693061041169313495\dots

que es la llamada Constante de Hermite en tres dimensiones, es simplemente, la máxima densidad que se puede alcanzar empaquetando esferas tridimensionales, tal como se explica en la Conjetura de Kepler.

De igual forma que hemos definido una función característica de los número primos, también podemos definir una para los números no primos, es decir, para los números compuestos, así:

\displaystyle \chi _{{{\mathbb  {NP}}}}(n)=1-\pi(n)-\pi(n-1)

La función caracteristica χP(n) define una sucesión de ceros y unos, por lo que podemos considerar que representa a un número real expresado en sistema de numeración de base 2. Si la coma de ese número decimal la ponemos entre el primer digito a la izquierda y el siguiente tendremos en dicha base 2 el número:

\displaystyle \rho' =0.011010100010100010100010000\ldots _{2}

el cual, en base 10, se expresaría así:

\displaystyle \rho' =0.414682509851111660248109622\ldots

A este número real, el cual es fácil demostrar que es un número irracional, se le llama Constante Prima, y puede ser definida asi:

\displaystyle \rho' =\sum _{{p}}{\frac  {1}{2^{p}}}=\sum _{{n=1}}^{\infty }{\frac  {\chi _{{{\mathbb  {P}}}}(n)}{2^{n}}}

Podemos hacer lo mismo con los números compuestos y obtener la constante de los números compuestos asi:

\displaystyle \rho =\sum _{{n=1}}^{\infty }{\frac  {\chi _{{{\mathbb  {NP}}}}(n)}{2^{n}}} =0.085317490148888339751890377845692291634\ldots

Es fácil ver que \rho +\rho'=1/2. Pero, toda esta presentación de estas dos funciones características complementarias viene porque, al igual que hice al principio presentando la identidad (1), ahora también puedo hacer lo mismo, pero con la función caracteristica de los no primos, y obtenemos:

\displaystyle \sum_{i=1}^\infty \cfrac{(-1)^{\chi _{{{\mathbb  {NP}}}}(i)}}{i^2}= \sum_{i=1}^\infty \cfrac{(-1)^{1-\pi(i)-\pi(i-1)}}{i^2}=-\frac{\pi}{3\sqrt{2}} (2)
Intentemos ahora simplificar un poco las identidades (1) y (2). Fijémonos que podemos expresar

\displaystyle (-1)^{\chi _{{{\mathbb  {P}}}}(i)}= 1- 2 \chi _{{{\mathbb  {P}}}}(i) (3)
por lo que (1) puede ser escrita así:

\displaystyle \sum_{i=1}^\infty \cfrac{(-1)^{\chi _{{{\mathbb  {P}}}}(i)}}{i^2}= \sum_{i=1}^\infty \cfrac{1- 2 \chi _{{{\mathbb  {P}}}}(i)}{i^2}=
\displaystyle =\sum_{i=1}^\infty \cfrac{1}{i^2}- 2 \sum_{i=1}^\infty \cfrac{\chi _{{{\mathbb  {P}}}}(i)}{i^2} \\ \\ \\  \sum_{i=1}^\infty \cfrac{1}{i^2} =\zeta(2)=\frac{\pi^2}{6} \\ \\ \\  2 \sum_{i=1}^\infty \cfrac{\chi _{{{\mathbb  {P}}}}(i)}{i^2} = 2 \sum_{i=1}^\infty \cfrac{i\chi _{{{\mathbb  {P}}}}(i)}{i^3}=2 \sum_p \cfrac {p}{\pi(p)^3}
Por lo que, si la conjetura es cierta, tendremos que el siguiente sumatorio, que corre a lo largo de los infinitos números primos, está bastante relacionado con el número π:

\displaystyle \sum_p \cfrac {p}{\pi(p)^3} = \frac{\pi ^2-\pi \sqrt{2}}{12} (4)
donde, obviamente, π(p) es la función contador del número primo p, es decir, el orden que ocupa ese número primo en la sucesión de números primos.

Desafortunadamente la conjetura es falsa, ya que como demuestro en esta pregunta en math.stackexchange,

\displaystyle \sum_{i=1}^\infty \cfrac{(-1)^{\chi _{{{\mathbb  {P}}}}(i)}}{i^2}= \sum_{i=1}^\infty \cfrac{1- 2 \chi _{{{\mathbb  {P}}}}(i)}{i^2} = \sum_{i=1}^\infty \cfrac{1}{i^2}- 2 \sum_{i=1}^\infty \cfrac{\chi _{{{\mathbb  {P}}}}(i)}{i^2} = \\ \\ =\zeta(2)-2 \sum_p \cfrac{1}{p^2} = \zeta(2)-2 P(2)= \\ \\ \\ = 0.7404392267660954394593\ldots
donde P(2) es la función zeta prima de 2. Porque,

\displaystyle \frac{\pi}{3\sqrt{2}}\neq \zeta(2)-2 P(2)

y efectivamente,

\displaystyle \frac{\pi ^2 -\pi \sqrt{2}}{12}<P(2)

Saludos

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Armun, el exoplaneta de las auroras gigantes

Posted by Albert Zotkin en agosto 26, 2016

El alienígena Philip K. Dick nos regaló hace 63 años su relato corto titulado “The Variable Man” (el hombre variable, la variable hombre, el hombre del pasado, la guerra con Centauro, o como quieras traducirlo en español). illo1-small

Según nos relató el alienígena Philip K. Dick, Terra está en guerra contra el imperio de Centauro, cuyo cuartel general está en el planeta Armun en Proxima Centauri, a tan sólo 4,2 años-luz del sistema Solar.

Hace tan sólo dos días, astrofísicos del Observatorio Europeo Austral (ESO), dirigidos por el genio español Guillem Anglada-Escudé, nos informaron del descubrimiento de Próxima B, el exoplaneta tipo Terra en zona habitable más cercano a nosotros. La zona habitable de Proxima centauri, está cerca de ella, porque es una estrella enana roja. Por esa razón, Armun (Próxima B) posee una órbita casi circular (<0.35 de excentricidad), con radio de unos 7,4 millones de kilómetros de su centro. Armun posee una masa de casi cuatro tercios la masa de la Tierra, y podría ser un planeta rocoso con densa atmósfera. En condiciones normales, la posible agua existente en su superficie podría estar en estado líquido en su mayor parte. Se ha calculado que posee un periodo orbital de 11,186 días. Pero, dada su proximidad a su estrella, y debido a las fuerzas de marea, es muy probable que el periodo de rotación y el orbital estén acoplados y sean aproximadamente el mismo. Es lo que se llama acoplamiento de marea. Es lo mismo que se pasa a la Luna orbitando alrededor de la Tierra. La Luna siempre nos presenta la misma cara. En el caso de Armun, es muy probable que al presentar la misma cara siempre hacia su estrella, esa zona estaría muy caliente, y la cara oculta relativamente fría y más oscura. Aunque si poseyera una densa atmósfera, el efecto invernadero contribuiría bastante suavizar las temperaturas extremas por toda la superficie del planeta.
La proximidad de Armun a su estrella, una enana roja muy activa, hace que lleguen a él intensas tormentas de rayos X, y radiación ultravioleta, por lo que las condiciones para la vida, tal como la conocemos, no serían muy idóneas con tan peligrosa radiación. Si Armún además, posee una densa atmósfera y una gran magnetosfera, se puede conjeturar que sus auroras boreales y australes serían inmensas, de gran intensidad y bastantes persistentes. Por lo que no sería raro que en la cara oscura de Armun, su zona de noche perpetua, estuviera iluminada en todo momento por la luz fluorescente de sus brillantes auroras gigantes.

Además, siendo Armun un planeta rocoso tipo Terra, y con densa atmósfera, es muy probable que sea un infierno muy semejante a Venus. Un planeta, que aunque está en zona de habitabilidad, sería inhabitable, por sus condiciones más venusianas que terrestres. 1447349597013

Evidentemente, si el genio Guillem Anglada-Escudé y su equipo científico, hubieran sabido de la existencia del alienígena Philip K. Dick y de su relato bélico interestelar “The Variable Man“, habrían llamado Armun a Proxima B, sin apenas dudarlo. En su descubrimiento usaron el método de la velocidad radial, también conocido como espectroscopia Doppler.

Veamos brevemente en qué consiste este método de espectroscopía Doppler: Mediante un espectógrafo, como por ejemplo el HARPS, instalado en el telescopio de 3.6 m de ESO, se obtiene el espectro de la estrella. Por ejemplo este:

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donde se señalan algunas lineas espectrales de absorción de algunos elementos químicos, y hace un seguimiento espectral a lo largo de un periodo determinado de tiempo, para ver si existen variaciónes ( corrimientos) en esas mismas lineas espectrales. Así pues cuando la estrella se aleja de nosotros a cierta velocidad, las lineas espectrales se verán corridas ligeramente hacia el rojo, y cuando se esté acerca, observaremos cómo esas mismas lineas aparecen ligeramente corridas hacia el azul. Puesto que sabemos la longitud de onda de cada línea cuando la estrella esta en reposo, al aplicar nuestra fórmula del efecto Doppler podremos calcular fácilmente cual es su velocidad radial.

El genio Guillem Anglada-Escudé y su equipo pudieron calcular que la estrella se acerca y se aleja de nosotros con velocidades medias de aproximadamente 5 km/h, debido a que existe ese planeta llamado Armun, orbitando ambos alrededor de un baricentro común. sin

Una vez que se ha medido el periodo orbital de la estrella, observando los desplazamientos cíclicos de las lineas espectrales, entonces se aplican las leyes de Kepler del movimiento orbital y las de Newton, para deducir la distancia r al baricentro, la velocidad radial VPL, y la masa MPL del planeta, puesto que estamos ante el simple problema gravitatorio de los dos cuerpos,

\displaystyle r^{3}={\frac {GM_{\mathrm {star} }}{4\pi ^{2}}}P_{\mathrm {star} }^{2}

\displaystyle  V_{\mathrm {PL} }={\sqrt {\frac{GM_{\mathrm {star} }}{r}}}

\displaystyle  M_{\mathrm {PL} }={\frac {M_{\mathrm {star} }V_{\mathrm {star} }}{V_{\mathrm {PL} }}}

donde Mstar es la masa de la estrella, que debe ser conocida por otros métodos astrofísicos. Y el parámetro VPL es la velocidad radial de la estrella, que se deduce de las mediciones del efecto Doppler sobre las variaciones de su espectro:

\displaystyle  K=V_{\mathrm {star} }\sin(i)

donde k es la velocidad, e i es la inclinación del plano orbital respecto a nuestro linea de visión. Esto constituye el mayor inconveniente del método de espectroscopía Doppler: que la determinación de la velocidad radial dependa de saber previamente el ángulo de inclinación del plano orbital de la estrella respecto al observador (que somos nosotros). Si aplicamos una fórmula Doppler clásica, y asumiendo una inclinación orbital de cero grados, tendremos, para cualquier longitud de onda λ0 de linea espectral que se observe con un valor distinto λ

\displaystyle \lambda = \lambda_0 \left(1-\frac{K}{c}\right) \\ \\ \\  K = c \left(1-\frac{\lambda }{ \lambda_0}\right) \\ \\ \\  V_{\mathrm {star}} = K

En resumen: posiblemente Armun sea un infierno, con temperaturas medias de más de 500 grados Kelvin, con días y noches eternas iluminadas con brillantes luces fluorescentes procedentes de gigantes auroras. Sólo un potente campo magnético podría actuar como escudo protector de los rayos x y demás radiación peligrosa para la vida y su diversidad en Armun.

Saludos armunianos a todos 😛

Posted in Astrofísica, Cosmología, curiosidades y analogías, Exobiología, Relatividad | Etiquetado: , , , , , , , , , , , , , | 7 Comments »

 
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