¿Y las estrellas ultramasivas?

La detección de ondas gravitacionales abre una nueva ventana en la Astronomía.
Estas ondas se producen en un evento donde intervienen objetos masivos.
Cuando dos objetos se orbitan mutuamente en un sistema binario, emiten ondas gravitatorias o gravitacionales. La amplitud de esas ondas depende de las masas involucradas. Su frecuencia, depende de la frecuencia orbital del sistema binario.
Si los cuerpos comienzan a precipitarse, a medida que se acercan aumentan su velocidad orbital. Eso se debe a lo que se conoce como conservación del momento angular, el mismo principio por el que un patinador gira más rápido o más lento a medida que acerca o aleja los brazos del cuerpo.
De esta manera, la frecuencia de las ondas gravitatorias aumenta a medida que los cuerpos se acercan, y la onda llega a su máximo de intensidad cuando ambos, finalmente, chocan y se fusionan.

LIGO ( https://www.ligo.caltech.edu/) y Virgo (https://www.ego-gw.it/public/about/whatis.aspx), son dos sistemas detectores de ondas de este tipo.
Por el momento, detectan las producidas por fusiones de objetos masivos. Toda fusión de estrellas binarias produce ondas gravitatorias, pero nuestros sistemas aún no llegan a detectar a las producidas por fusión de estrellas de baja masa por un tema de sensibilidad. Así es cómo, por ahora, detectamos las relacionadas con la fusión de objetos de mayor masa.
Hasta fines del año 2018, se han detectado 11 ondas gravitacionales. De ellas, sólo una está relacionada con la fusión de estrellas de neutrones con masas de 1,5 y 1,3 masas Solares respectivamente. El resto corresponde a fusiones de agujeros negros, y acá aparecen los datos curiosos.

La detección relacionada con la fusión de las mayores masas corresponde a agujeros negros de 50,6 y 34,3 masas Solares. Es decir que no se detectaron eventos relacionados con agujeros negros mayores a las 50 masas Solares, ¿por qué…?
Puede ser que los agujeros negros más masivos que 50 masas Solares no suelan estar en sistemas binarios. También, podría ser que no sean muy comunes, por eso no se los encuentra en sistemas binarios. Luego, las estrellas ultramasivas que los generan no serían muy comunes, al menos en sistemas binarios.

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En el gráfico se muestran las masas involucradas en las detecciones en unidades de masas Solares.
Se han detectado masas mayores a las medidas con anterioridad por otros métodos, tales como observaciones en Rayos X mostradas en color violeta.
En azul se grafican las masas involucradas en la fusión de agujeros negros detectadas por LIGO y Virgo; nótese que ninguna supera las 50 masas Solares.
En amarillo se muestran las masas de estrellas de neutrones. Finalmente se señala en color anaranjado las masas de la binaria de neutrones que se fusionó dando origen a la única detección de ese tipo hasta ahora.

¿Qué pasa con la detección de fusiones de agujeros negros supermasivos?
Cuando dos galaxias se fusionan, sus agujeros negros centrales supermasivos se orbitan mientras van precipitando entre sí, hasta que finalmente de fusionan. Según sea la rotación (spin) de los involucrados, el agujero negro resultante puede quedar en el centro de la galaxia resultado de la fusión, o puede salir despedido como agujero negro en retroceso.
En ambos casos se producen tremendas ondas gravitatorias.
Si observamos galaxias resultantes de una fusión y hay evidencias de agujeros negros en retroceso, como por ejemplo B3 1715, aparentemente expulsado de ZwCl 8183 (pdp, 23/mar./2017, Un agujero negro en retroceso, https://paolera.wordpress.com/2017/03/23/un-agujero-negro-en-retroceso-viajero/), ¿por qué no detectamos esas ondas que debieron producirse?

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Imagen publicada en el trabajo de J. J. Condon et al.. La Cruz señala el centro de la galaxia y el círculo señala al agujero negro solitario.

Bien, por un lado, cuando se dieron esos eventos aún no disponíamos de los sistemas detectores de ondas gravitatorias. En realidad no teníamos la Astronomía que Hoy tenemos y en particular, nosotros no existíamos aún.
Por otro, si bien la fusión de galaxias es algo factible, y de hecho las galaxias crecen de esa manera, no son eventos frecuentes.
Sólo hay que esperar.

Referencia:

pdp.

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Energía obscura y materia obscura en una sola teoría.

La energía obscura y la materia obscura sólo comparten el calificativo.
Eso se debe a que aún se desconoce la naturaleza de ambas.
La materia obscura es la que se encarga de mantener unidas las estructuras galácticas. Por ejemplo: las estrellas más alejadas del centro galáctico se mueven más rápido de lo esperado por lo que deberían escapar. Así, las regiones externas deberían desmenuzarse. Sin embargo, es la materia obscura la que gravitacionalmente las mantiene en la galaxia.
No interactúa de otra manera con la materia ordinaria por lo que no puede detectársela de otra manera que la gravitatoria.

La energía obscura, es la que se encarga de hacer que la expansión del Universo sea cada vez mayor. Es el trabajo encargado de acelerar el alejamiento de las galaxias lejanas.
Si bien se la considera parte inherente del tramado espacio-tiempo, su naturaleza aún se estudia.

Para diciembre del 2018, se desarrolló un modelo que pretende explicar la naturaleza de ambas y más; las vincula como que tienen al mismo origen.
Recordemos que un modelo explicativo del comportamiento de un sistema, no necesariamente debe tener el mismo aspecto o apariencia física que ese sistema.
Por ejemplo: El modelo atómico de Bohr dado por un núcleo formado por protones y neutrones rodeado de electrones, es eso, un modelo que explica el comportamiento del átomo. Ahora, nadie vio un átomo para saber si es así o no… y no importa, el modelo sirve, explica y predice fielmente su comportamiento.

El modelo que trata de explicar a la materia y energía obscuras, se basa en un tipo de materia con una propiedad muy particular; es una materia “negativa”.
Si la materia es una forma de energía, y hay energías negativas como por ejemplo la potencial gravitatoria y los trabajos hechos en contra de una fuerza, bien, a alguien se le ocurrió que podría haber materia negativa.
No es la primera vez que se habla de materia negativa.
Se pueden modelar burbujas de aire en agua a través de materia negativa.

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Imagen crédito:  Mike Lewinski/Flickr, CC BY-ND

De hecho, hay modelos de materia negativa que explican el comportamiento de ciertas partículas halladas en experimentos de la laboratorio.

Para que este tipo de materia exista, habría que retocar otras teorías para que permitan su aparición en el Universo.
Esta materia tendría una propiedad repulsiva con la materia “positiva”.
Así, a gran escala, aceleraría por repulsión el alejamiento de los grandes sistemas galácticos. A escalas galácticas, los halos de materia obscura de las galaxias, se habrían formado de una manera similar a las burbujas de aire en el agua.

Video: Simulation of a Forming Dark Matter Halo.
This is a simulation from a scientific paper titled “A unifying theory of dark energy and dark matter: Negative masses and matter creation within a modified LambdaCDM framework” by Jamie Farnes.

Publicado el 21 nov. 2017

Las estrellas de las regiones externas de las galaxias no escaparían y podrían moverse más rápido de lo esperado, gracias a la repulsión que sienten desde afuera por parte de esta materia negativa. Dentro de la galaxia, la mayor cantidad de materia estaría dada por la materia ordinaria, por lo que la gravitación atractiva que todos conocemos sería la dominante.

Si bien no es mi especialidad, el único detalle que le encuentro a este modelo basado en materia negativa, es que su repulsión con la positiva no está de acuerdo con que la materia ordinaria se acumuló en los filamentos de materia obscura para formar las estructuras galaxias. Quizás este sea otro modelo a corregir.

Referencia:

Fuente:

  • A Unifying Theory of Dark Energy and Dark Matter: Negative Masses and Matter Creation within a Modified ΛCDM Framework, J. S. Farnes.
    (Submitted on 18 Dec 2017 (v1), last revised 26 Oct 2018 (this version, v2)).
    https://arxiv.org/abs/1712.07962

pdp.

Las auroras de SIMP J01365663+0933473.

En Astronomía, la masa suele ser el parámetro aleatorio que establece el tipo de objeto que es un astro.

Es la masa, además de la composición, la que distingue estrellas de planetas y sus tipos.
Así es como existen estrellas fallidas, objetos que no llegan a detonar el Hidrógeno que puedan tener. Se las conoce como Enanas Marrones (EMs). Tienen masas entre 13 y 80 veces la masa de Júpiter. Emiten energía en bajas frecuencias básicamente por contracción; por su baja masa, no presentan reacciones nucleares. Por encima de las 80 masas jovianas, comienzan a brillar como estrellas propiamente dichas (https://es.wikipedia.org/wiki/Enana_marr%C3%B3n).

Masas gaseosas menores, son catalogadas como planetas gaseosos o Jovianos (similares a Júpiter).
Como siempre, el límite entre Jovianos y EMs es algo “difuso”. Con objetos con masas entre Jovianos y EMs, se puede hablar de superjovianos o EMs de baja masa.
Por lo general, si un objeto de este tipo está orbitando una estrella se lo cataloga como planeta gaseoso súper gigante o superjoviano; y si está aislado, como EM de baja masa.

Pero hay objetos aislados con masas menores a una EM de baja masa.
En este caso se trata de planetas gaseosos errantes, de los cuales ya hay varios detectados, por lo que serían comunes (pdp, 07/jun./2011, Planetas errantes, https://paolera.wordpress.com/2011/06/07/planetas-errantes/).

Un ejemplo de este tipo de objetos es el catalogado como SIMP J01365663+0933473 (SIMP J0136). Se encuentra vagando a 20 años luz de Casa en un grupo estelar conocido como Grupo Cercano de Carina.
Se trata de un grupo de estrellas de unos 200 millones de años de edad, donde algunas fallidas dieron origen a objetos como SIMP J0136.
Este errante tiene una masa de una docena de Jovianos, por lo que está cerca de la masa mínima de una EM y planeta errante superjoviano.

Con un campo magnético 200 veces el de Júpiter, este objeto presenta emisiones en radio-ondas típicas de las que se originan en auroras como en la Tierra (y otros planetas del Sistema Solar).

Brown Dwarf Artist's Conception

Ilustración crédito de Chuck Carter, Caltech, NRAO/AUI/NSF

Cuando el viento Solar rico en partículas cargadas llega a un planeta con un cierto campo magnético, esas partículas interactúan con ese campo, son desviadas hacia los polos magnéticos cercanos a los geográficos e interactúan con la atmósfera excitándola y produciendo las auroras. Es en esa interacción donde se produce también una particular radiación en radio-ondas.
Y aquí es donde aparece el evento curioso.
Si SIMP J0136 es errante, no siente el viento estelar de una estrella hospedante para tener auroras. Además, se encuentra alejado de las estrellas del grupo de Carina como para que los vientos estelares las provoquen.
Luego, de algún lado provienen las partículas cargadas que producen esas auroras.
Se conjetura que está acompañado de un objeto de masa planetaria de donde recibe gravitacionalmente la donación de materia. Así es como le llegan partículas cargadas que interactúan con su campo magnético y capas superiores de su atmósfera originando las auroras.

Referencia:

Fuente:

pdp.

El inusual crecimiento de SN 2018oh.

Artículo actualizado al 05/dic./2018 a las 15:20 HOA (GMT -3).
Las supernovas (SNs) son la colosal muerte de estrellas masivas.
Luego del estallido, queda un núcleo colapsado formando una estrella de neutrones, que puede terminar agujero negro, rodeada de material remanente de la explosión.

Si bien es conocido el proceso que genera semejante explosión que las hace brillar más que toda la galaxia donde habitan, hay detalles que aún se deben mejorar.
Un tipo se SN son las Ia.
Éstas se producen cuando una estrellas de tipo enana blanca (resto evolutivo de una estrella de tipo Solar) recibe masa de una compañera. Esta donante puede ser una gigante roja u otra enana que precipita sobre su compañera.
Los orígenes del evento de SN dan información de cómo se produjo la donación de materia que, la que al superar la tolerancia de la receptora, hace que ésta se desmorone sobre ella misma en cuestión de segundos generando tremenda explosión. Así es muy importante observar las primeras evoluciones del aumento de brillo, cosa que no siempre ocurre.

Los modelos indican cómo debe aumentar gradualmente el brillo hasta llegar a un máximo. Luego viene una disminución paulatina, menos rápida que el aumento inicial.
La SN 2018oh de tipo Ia fue observada desde sus primeras horas de evolución, y durante las 4 horas iniciales, tuvo un crecimiento inusual, mostró un brillo adicional.

Image

Imágenes donde se muestra la galaxia hospedante de la SN 2018oh antes de su aparición (fila de arriba) y luego de su detección (fila de abajo) – Créditos visibles en las imágenes.

Primero se pensó que ese fulgor extra se debió al choque con su compañera. Pero el análisis de esa radiación no se corresponde con un proceso de colisión.
Otra idea es que la radiación inicial del evento, “chocó” con una estrella provocando que ésta irradie esa energía adicional; pero tampoco este proceso parece ajustarse a lo observado.
Si bien los estudios deben continuar, lo más aceptado es que se trató de una distribución de radiación expulsada en forma inusualmente despareja.

La explosión en un evento de SN, no es uniforme como se puede pensar. La energía liberada no necesariamente es expulsada de la misma forma en todas las partes de la estrella ni al mismo tiempo. Puede darse que inicialmente en algunas regiones se libere más energía que en otras, dando origen a una estallido “desordenado” que en instantes se generaliza.
Hay evidencias de estallidos asimétricos que empujaron a la estrella de neutrones resultante fuera del centro del remanente de la explosión (pdp, 04/jun./2013, Explosiones asimétricas…, https://paolera.wordpress.com/2013/06/04/explosiones-asimetricas-en-supernovas-entregan-grandes-impulsos-a-estrellas-de-neutrones-y-a-agujeros-negros/).

En este caso, se pudo dar una explosión muy asimétrica donde la mayor parte de la energía vino en nuestra dirección de observación. Así, en el mismo tiempo que hubiéramos detectado la energía proveniente hacia nosotros, también detectamos la que debería haber salido en otras direcciones. Esto podría haber dado origen a la energía adicional recibida.

Referencia:

Fuentes:


Actualización del 05/dic./2018 a las 15:20 HOA.
La SN 2018oh de dió en la galaxia UGC 4780 a unos 160 millones de Años Luz de Nosotros.

Referencia:


pdp.

El evento de Tall el-Hammam.

La Norte del Mar Muerto, se hallaron evidencias de un estallido en el cielo.

Ilustración crédito de: Shutterstock

En la región de Tall el-Hammam, se hallaron cerámicas de unos 3700 años de antigüedad con llamativas particularidades.
Tenían su superficie vitrificada y las piezas de circón dentro de la cerámica estaban evaporadas.
Para producir esto, las piezas debieron estar sometidas a temperaturas del orden de los 4000ºC. Pero para no terminar de quemarlas y destruirlas por completo, ese golpe de temperatura tuvo que ser breve; un flash de calor.
Ésto, y la ausencia de un cráter de impacto, son consistentes con un estallido en el aire propio de un objeto que penetró la atmósfera, como un asteroide o cometa, y estalló antes de tocar el suelo. Un evento similar al de Tunguska en 1908 (pdp, 04/jul./2013, El evento de Tunguska… https://paolera.wordpress.com/2013/07/04/el-evento-de-tunguska-pudo-ser-explicado-mejor-por-un-meteorito/).

El evento de Tall el-Hammam barrió con una zona de unos 500 Km2, eliminando toda forma de vida y cubriendo la región con una mezcla de sal y sulfatos del Mar Muerto recalentada y esparcida por la onda expansiva. Se estima que el objeto estalló a baja altura, a no más de 1 Km. del suelo.

Recordemos que cuando un objeto penetra la atmósfera a gran velocidad, fricciona con ella y comprime el aire delante en su camino. Esa compresión produce aumento de la temperatura, la que en parte excita el aire compimido produciendo el fulgor que se observa y en parte calienta al objeto. Así el bólido incremente su temperatura y puede presentar evaporaciones y aumento de la presión en su interior, lo que puede conducir a un estallido.

Se calcula que tuvieron que pasar unos 600 años hasta que la zona se descontaminó y pudo ser habitada de nuevo.

Referencia:

pdp.

El telescopio espacial James Webb podría confirmar la estructura de la materia obscura.

La elusiva materia obscura podría mostrar interacciones no gravitatorias con la materia ordinaria de los albores de Universo.

Esta materia es la que mantiene unida a las galaxias. En sus filamentos colapsó la materia ordinaria dando origen a las estructuras galácticas, las que son enjambres enormes de estrellas que conviven con materia ordinaria.

Video: The first stars turning on in the Universe.

Ethan Siegel
Publicado el 23 ene. 2015.
Animation / simulation by NASA’s Spitzer Space Telescope team of the formation of the first stars in the Universe.

Pero la materia obscura sólo interactúa con la ordinaria en forma gravitacional, de ahí su calificativo de obscura. Lamentablemente al menos hasta ahora no se observó ni detectó materia obscura que no sea por su acción gravitatoria.

Sabemos que los eventos ultralejanos, se dieron en el origen del Universo. También sabemos que la energía o radiación proveniente de esos eventos o de las fuentes involucradas, llega a nosotros “corrida” a longitudes de onda mucho mayores por un efecto relativístico. Así es como vigorosos eventos energéticos ultralejanos dados en longitudes de onda cortas, nos llegan en longitudes de onda mayores, en el infrarrojo, infrarrojo cercano y más allá; en luz donde nuestros telescopios no son sensibles.
Nos estamos perdiendo una ventana de observación.

El Universo es activo en la longitud de onda de 21 cm. observable con radiotelescopios. En esa longitud de onda el Hidrógeno emite naturalmente.
Las nubes de Hidrógeno lejanas, las primeras en darse en el Universo, envían esa actividad en 21 cm. la que nos llega corrida más aún hacia longitudes de onda mayores.
En observaciones del Universo joven realizadas en esas longitudes de onda, se detectó radiación estelar de cuando el Universo tenía apenas 180 millones de años de edad.
Aquí hay un enorme descubrimiento, las primeras estrellas ultralejanas.

Además, estas estrellas están interactuando con el Hidrógeno que las rodea. Analizando esos escenarios, se detectó que el Hidrógeno irradió en esa frecuencia entre los 180 millones y 260 millones de años de edad del Universo. Lo sorprendente es que estaba más frío de lo esperado.
Los modelos actuales (standard) no explican esa menor temperatura observada. Algo se está escapando en los modelos standard. Así, surge la idea de que ese proceso de enfriamiento se deba a interacciones del Hidrógeno primordial (materia ordinaria) con materia obscura.
De ser así, sería la primera evidencia de interacción entre ambos tipos de materia que no sea de manera gravitacional. Pero esto debe confirmarse con observaciones hechas en esa ventana que nos estamos perdiendo.

El telescopio espacial James Webb, aún en tierra, será sensible a las longitudes de onda del infrarrojo necesarias para obtener datos del Universo en esa ventana observacional que nos estamos perdiendo.
Luego, este instrumento podría llevar a otro gran descubrimiento: la interacción no gravitatoria entra la materia obscura y la ordinaria en los albores del Universo, lo que está relacionado con las partículas componentes de la materia obscura y sus propiedades.
Cha, cha, cha, chaaaaaaaannnn…. (continuará).

Referencia:

Fuente:

pdp.

¿Qué veremos con el Telescopio de Horizonte de Eventos?

Se proyecta observar el centro galáctico para tener registros observacionales de Sgr.A*.
El agujero negro supermasivo que radica en el centro de la Vía Láctea es conocido como Sgr.A*. Eso se debe a que se encuentra en la constelación de Sagitario (abreviada Sgr. o Sag.). El asterisco denota su actividad o excitación, y la letra “A” indica que es la primera y más brillante fuente de rayos X en detectarse en esa zona (pdp, 07/sep./2017, El asterisco de Sag.A, https://paolera.wordpress.com/2017/09/07/el-asterisco-de-sag-a/).

Veamos cómo se planea observarlo.
Los telescopios dependen de su diámetro o abertura para ser potentes y poder observar objetos muy lejanos. A mayor abertura, corresponde mayor capacidad de observación.
Pero para observar a Sgr.A*, este tipo de telescopio no es lo más indicado.

Muchos objetos astronómicos (como las estrellas) se observan puntuales debido a la distancia a la que se encuentran; pero en realidad, tienen dimensiones, y a veces muy grandes. La luz tiene un comportamiento ondulatorio. Luego, la luz que parte de diferentes lugares de un objeto, recorre diferentes caminos hasta nosotros y esos rayos de luz se interfieren entre ellos. Si varios observadores analizan esa interferencia desde diferentes lugares del Planeta, podemos resolver el tamaño y forma de ese objeto. A esta técnica se la llama interferometría y ya se la utilizó para observar estrellas, por ejemplo a Betelgeuse (pdp, 06/ene/2010, Betelgeuse, https://paolera.wordpress.com/2010/01/06/betelgeuse/).

La idea es utilizar varios radiotelescopios (telescopios que detectan energía emitida en radio-ondas) a manera de un gran sistema interferométrico. La ventaja de las ondas de radio, es que atraviesan el polvo y material que hay en el plano galáctico y el que pueda haber en el espacio entre Sgr.A* y nosotros.

Veamos qué esperamos ver con el telescopio de horizonte de eventos.
Un agujero negro es una región del espacio de donde no escapa ni la luz. A su límite se lo conoce como horizonte de eventos ya que la luz entra por él pero no sale.Luego, no esperemos ver luz, preparémonos a ver sombras.
Recordemos que Sgr.A* tiene un disco de materia que cae arremolinadamente hacia Él. En la parte exterior de ese disco, la materia que gira en torno a Sgr.A* se encuentra con la que está precipitando hacia el agujero negro y en ese choque libera energía. Así, en esa región puede haber energía irradiada en forma de frente de choque (recordemos esta región).
Luego de ese choque, la materia se frena y continúa cayendo en forma de remolino aumentando nuevamente su velocidad a medida que se acerca a Sgr.A*. Ya cerca del agujero negro, su autorfricción, dada por su velocidad y densidad, es tan grande que se recalienta y vuelve a emitir energía, esta vez en una región que rodea a Sgr.A*.
Ese disco tiene un cierto espesor e inclinación respecto del fondo del cielo. Luego, hay un aparte de ese disco entre nosotros y el agujero negro. Lo que está detrás de Sgr.A* no lo veremos a menos que el disco esté muy inclinado respecto del fondo. Así, observaremos una región obscura (el agujero negro) donde una parte está detrás de una región iluminada. Digamos que veremos una parte del agujero negro.
Si la inclinación del disco es muy grande, podríamos llegar a ver un resplandor de la parte brillante que queda detrás del agujero negro; y en el centro, el agujero negro dado por una región obscura.
En alguna parte, podría observarse una mancha más luminosa. Sería esa región explicada antes, donde la materia del disco choca contra la que precipita desde “afuera” en las regiones exteriores.
Además, el disco puede estar inclinado respecto de nuestra horizontal o línea de los ojos.
No nos olvidemos de la existencia de los chorros de materia y energía bipolares perpendiculares al disco de acreción.
Finalmente, recordemos que todo esto está deformado por la masa de Sgr.A* que modifica la marcha de los rayos de luz que nos puedan llegar (en este caso de gran longitud de onda, la equivalente a la radiofrecuencia), o sea que deforma el espacio-tiempo que observamos.

Con esto en mente, podemos esperar cosas como estas.

GRMHD SIMULATIONS OF VISIBILITY AMPLITUDE VARIABILITY FOR EVENT HORIZON TELESCOPE IMAGES OF SGR A*, L. MEDEIROS ET AL.

HIGH-ANGULAR-RESOLUTION AND HIGH-SENSITIVITY SCIENCE ENABLED BY BEAMFORMED ALMA, V. FISH ET AL.

Referencia:

Fuentes:

  • arXiv:1601.06799v3 [astro-ph.HE] 6 Aug 2018, GRMHD SIMULATIONS OF VISIBILITY AMPLITUDE VARIABILITY FOR EVENT HORIZON TELESCOPE IMAGES OF SGR A*, Lia Medeiros et al.
    https://arxiv.org/pdf/1601.06799.pdf
  • arXiv:1309.3519v1 [astro-ph.IM] 13 Sep 2013, HIGH-ANGULAR-RESOLUTION AND HIGH-SENSITIVITY SCIENCE ENABLED BY BEAMFORMED ALMA, VINCENT FISH et al.
    https://arxiv.org/pdf/1309.3519.pdf

pdp.