jueves, 14 de diciembre del 2017 Fecha
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Nuestro universo es dinámico, todo cambia, nada permanece

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Física    ~    Comentarios Comments (0)

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Cuando se produjo el Big Bang, de manera inmediata, aquella fluctuación del vacío explosiva, hizo que el espacio Tiempo se expandiera con una rapidez inusitada y todo, sin excepción, corria llevado en esa “nave superlumínica” que llamamos espacio-tiempo. Siendo así (que lo es), cuando se formaron los primeros núcleos de los átomos y los electrones corrieron a orbitarlos y formarlos, cuando se juntaron para formar moléculas y estas, a su vez, se juntaron para formar materia, es lógico pensar que esa materia corriera junto al Espacio en expansión, y, sin embargo, las galaxias se formarón, ¿por qué? ¿cómo fué posible?
 Entradas anteriores: En realidad, las Galaxias no debenrían exitir

Partículas y campos, clásicos y cuánticos. Las nociones clásicas de partícula y campo comparadas con su contrapartida cuántica. Una partícula cuántica está deslocalizada: su posición se reparte en una distribución de probabilidad. Un campo cuántico es equivalente a un colectivo de partículas cuánticas.

El concepto de “Campo” está muy ligado a los experimentos de Faraday. Históricamente fue introducido para explicar la acción a distancia de las fuerzas magnéticas, eléctricas y, más tarde de gravedad. Con el tiempo y los nuevos conocimientos,  su significado se ha extendido substancialmente, para describir varianciones de temperatura, tensiones mecánicas en un cuerpo, propagación de ondas…, y otros fenómenos a los que le son de aplicación el concepto de “campo”.

 

 

  

 

 

 

Resultado de imagen de Efecto Túnel

 

 

El efecto túnel explica que se den en el espacio reacciones químicas que no se producen en condiciones normale.Un fotón energético que viaja a la velocidad de la luz, choca con un electrón orbital de un átomo. El electrón absorbe la energía del fotón y, de inmediato, desaparece del lugar que ocupaba en el átomo y, de manera simultánea, sin saber por donde ha cogido y sin recorrer el camino que le separa, aparece en otro orbital diferente. Ese es, un ejemplo del efecto túnel.

  

 

 

 

Esquema de una estrella tipo Sol

 

Hoy en día, disponemos de dos herramientas muy potentes para el estudio del interior solar: Los neutrinos solares y la heliosismología. Bethe y Chitchfield (1938) propusieron un ciclo de reacciones de fusión nuclear para explicar la generación de energía en el caso de estrellas de masa pequeña como el Sol. El balance final de dicho ciclo de reacciones, Ciclo p-p, es:

4p → He4 + 2e+ +2ѵe +energía.

¿Cómo podemos estar seguros de que este es, efectivamente, el mecanismo dominante de generación de energía que utilizan algunas estrellas y, en particular el Sol? Sorprendentemente, la respuesta es que podemos “observar” el interior del Sol mediante detectores situados en el interior de la Tierra.

 

 

Por muy bien formulada que estén planteadas, cuando los físicos han tratado de juntar la Relatividad de Einstein con la cuántica de Planck, aquello “explota”, surge un galimatias sin sentido lleno de infinitos que no pueden ser renormalizados. De momento, los físicos persiguen esa teoría cuántica de la Gravedad pero, al menos de momento, no lo han conseguido. Una curiosidad es que, dentro de las cuerdas, subyace esa teoría.

                                                       Laboratorio estelar, la cuna de los mundos.

me sumerjo en los misterios y maravillas que encierra el universo, no puedo dejar de sorprenderme por sus complejas y bellas formaciones, la inmensidad, la diversidad, las fuerzas que están presentes, los objetos que lo pueblan, y, esa presencia invisible que permea todo el espacio y que se ha dado en denominar océano y campos de Higgs, allí donde reside esa clase de energía exótica, ese “éter” que, en definitiva hace que el Universo funcione tal como lo podemos ver. Existen muchos parámetros del Cosmos que aún no podemos comprender y de los que sólo podemos presentir, es como si pudiéramos ver la sombra de algo que no sabemos lo que es.

Todo el Universo conocido nos ofrece una ingente cantidad de objetos que se nos presentan en formas de estrellas y planetas, extensas nebulosas formadas por explosiones de supernovas y que dan lugar al nacimiento de nuevas estrellas, un sin fin de galaxias de múltiples formas y colores, extraños cuerpos que giran a velocidades inusitadas y que alumbran el espacio como si de un faro cósmico se tratara, y, objetos de enormes masas y densidades “infinitas” que no dejan escapar ni la luz que es atrapada por la fuerza de gravedad que generan.

A String of 'Cosmic Pearls' Surrounds an Exploding Star

                    Ya nos gustaría saber qué es todo lo que observamos en nuestro Universo

Sin embargo, todo eso, está formado por minúsculos e infinitesimales objetos que llamamos quarks y leptones, partículas elementales que se unen para formar toda esa materia que podemos ver y que llamamos Bariónica pudiendo ser detectada porque emite radiación. Al contrario ocurre con esa otra supuesta materia que llamamos oscura y que, al parecer, impregna todo el universo conocido, pero ni emite radiación ni sabemos a ciencia cierta de qué podrá estar formada, y, al mismo tiempo, existe una especie de energía presente también en todas partes de la que tampoco podemos explicar mucho.

Pensemos por ejemplo que un átomo tiene aproximadamente 10-8 centímetros de diámetro. En los sólidos y líquidos ordinarios los átomos están muy juntos. La densidad de los sólidos y líquidos ordinarios depende por tanto del tamaño exacto de los átomos, del grado de empaquetamiento y del peso de los distintos átomos.

Isaac Asimov en uno de sus libros nos explicó que,  los sólidos ordinarios, el menos denso es el hidrógeno solidificado, con una densidad de 0’076 gramos por cm3. El más denso es un metal raro, el osmio, con una densidad de 22’48 gramos/cm3. Si los átomos fuesen bolas macizas e incompresibles, el osmio sería el material más denso posible, y un centímetro cúbico de materia jamás podría pesar ni un kilogramo, y mucho menos toneladas.

The Cat's Eye Nebula: Dying Star Creates Fantasy-like Sculpture of Gas and Dust

Ese puntito blanco del centro de la Nebulosa planetaria, es mucho más denso que el osmio, es una enana blanca, y, sin embargo, no es lo más denso que en el Universo podemos encontrar. Cualquier estrella de neutrones es mucho más densa y, no hablemos de los agujeros negros, de su singularidad.

los átomos no son macizos. El físico neozelandés experimentador por excelencia, Ernest Ruthertord, demostró en 1909 que los átomos eran en su mayor parte espacio vacío. La corteza exterior de los átomos contiene sólo electrones ligerísimos, mientras que el 99’9% de la masa del átomo está concentrada en una estructura diminuta situada en el centro: el núcleo atómico.

El núcleo atómico tiene un diámetro de unos 10-15 cm (aproximadamente 1/100.000 del propio átomo). Si los átomos de una esfera de materia se pudieran estrujar hasta el punto de desplazar todos los electrones y dejar a los núcleos atómicos al desnud0, el diámetro de la esfera disminuiría hasta un nivel de 1/100.000 de su tamaño original. De manera análoga, si se pudiera comprimir la Tierra hasta dejarla reducida a un balón de núcleos atómicos, toda su materia quedaría reducida a una esfera de unos 130 metros de diámetro. En esas mismas condiciones, el Sol mediría 13’7 km de diámetro en lugar de los 1.392.530 km que realmente mide. Y si pudiéramos convertir toda la materia conocida del universo en núcleos atómicos  obtendríamos una esfera de sólo algunos cientos de miles de km de diámetro, que cabría cómodamente dentro del cinturón de asteroides del Sistema Solar.

El calor y la presión que reinan en el centro de las estrellas rompen la estructura atómica y permiten que los núcleos atómicos empiecen a empaquetarse unos junto a otros. Las densidades en el centro del Sol son mucho más altas que la del osmio, pero los núcleos atómicos se mueven de un lado a otro sin impedimento alguno, el material sigue siendo un gas.  Hay estrellas que se componen casi por entero de tales átomos destrozados.  La compañera de la estrella Sirio es una “enana blanca” no mayor que el planeta Urano, y sin embargo tiene una masa parecida a la del Sol.

Los núcleos atómicos se componen de protones y neutrones. Ya hemos dicho que todos los protonestienen carga eléctrica positiva y se repelen, de modo que en un lugar dado no se pueden reunir más de un centenar de ellos. Los neutrones, por el contrario, no tienen carga eléctrica y en adecuadas pueden estar juntos y empaquetados un número enorme de ellos para formar una “estrella de neutrones”. Los púlsares, según se cree, son estrellas de neutrones en rápida rotación.

Estas estrellas se forman las estrellas de 2 – 3 masas solares, agotado el combustible nuclear, no pueden fusionando el hidrógeno en helio, el helio en oxígeno, el oxigeno en carbono, etc, y explotan en supernovas. Las capas exteriores se volatilizan y son expulsados al espacio; el resto de la estrella (su mayor parte), al quedar a merced de la fuerza gravitatoria, es literalmente aplastada bajo su propio peso hasta tal punto que los electrones se funden con los protones y se forman neutrones que se comprimen de manera tan increíble que se degeneran (como consecuencia de que son fermiones y están afectados por el principio de exclusión de Pauli) y emiten una fuerza que contrarresta la gravedad, quedándose estabilizada como estrella de neutrones.

Resultado de imagen de El Gran Telescopio Canarias (GTC), instalado en el Observatorio del Roque de los MuchachosResultado de imagen de El Gran Telescopio Canarias (GTC), instalado en el Observatorio del Roque de los Muchachos

El Gran Telescopio Canarias (GTC), instalado en el Observatorio del Roque de los Muchachos (La Palma), ha obtenido imágenes de una profundidad “sin precedentes” de una estrella de neutrones del magnetar, de las que se conocen pocos ejemplares. Si el Sol se convirtiera en una estrella de neutrones, toda su masa quedaría concentrada en una pelota cuyo diámetro sería de 1/100.000 del actual, y su volumen (1/100.000)3, o lo que es lo mismo 1/1.000.000.000.000.000 (una milmillonésima) del actual. Su densidad sería, por tanto, 1.000.000.000.000.000 (mil billones) de veces superior a la que tiene ahora.

La densidad global del Sol hoy día es de 1’4 gramos/cm3. Una estrella de neutrones a partir del Sol tendría una densidad que se reflejaría mediante 1.400.000.000.000.000 gramos por cm3. Es decir, un centímetro cúbico de una estrella de neutrones llegar a pesar 1.400.000.000 (mil cuatrocientos millones de toneladas). ¡Qué barbaridad!

Imagen captada por el telescopio Hubble de la galaxia NGC 3393. El núcleo de la galaxia, donde se encuentra la pareja de agujeros negros se ver encuadrado (NASA). Está claro que lo que se dice ver a los agujeros negros… Nadie los ha podido ver y, sólo hemos podido captar su presencia por los fenómenos que a su alrededor ocurren en la emisión inusual de radiación y el comportamiento de la materia circundante.

Poemos decir que objetos tan fascinantes éstos (estrellas enanas blancas, de neutrones y agujeros negros), son los que nos muestran estados de la materia más densos que hemos podido llegar a conocer y que se forjan en la propia Naturaleza mediante transiciones de fase que se producen mediante los mecanismos de las fuerzas que todo lo rigen. Cuando hablamos de las cosas del universo estamos hablando de cosas muy grandes. Cualquiera se podría preguntar, por ejemplo: ¿ cuándo podrá mantener el Sol la vida en la Tierra? Está claro que podrá hacerlo mientras radie energía y nos envie luz y calor que la haga posible tal como la conocemos. Cuando agote su combustible nuclear de fusión, su vida se apagará y se convertirá en gigante roja primero y enana blanca después.

Como ya explicamos antes, la radiación del Sol proviene de la fusión del hidrógeno en helio. Para producir la radiación vertida por el sol se necesita una cantidad ingente de fusión: segundo tienen que fusionarse 4.654.600.000 toneladas de hidrógeno en 4.650.000 toneladas de helio  (las 4.600.000 toneladas restantes se convierten en energía de radiación y las pierde el Sol para siempre. La ínfima porción de energía que incide sobre la Tierra basta mantener toda la vida en nuestro planeta).

Los rayos del Sol que envían al planeta Tierra su luz y su calor para hacer posible la vida en un planeta maravilloso que es el habitats de millones de especies, unas más inteligentes que otras en relación al roll que, a cada una, le tocó desempañar en el escenario de este gran teatro que llamaos mundo.

Nadie diría que con consumo tan alto de hidrógeno por segundo, el Sol pudiera durar mucho tiempo, pero es que ese cálculo no tiene en cuenta el enorme tamaño del Sol. Su masa totaliza 2.200.000.000.000.000. 000.000.000.000 (más de dos mil cuatrillones) de toneladas. Un 53% de esta masa es hidrógeno, lo cual significa que el Sol contiene en la actualidad una cantidad de 1.166.000.000.000.000.000.0000.0000.000 toneladas.

Para completar diré que el resto de la masa del Sol es casi todo helio. Menos del 0’1 por 100 de su masa está constituido por átomos más complicados que el helio. El helio es más compacto que el hidrógeno. En condiciones idénticas, un dado de átomos de helio tiene una masa cuatro veces mayor el mismo número de átomos de hidrógeno. O dicho de otra manera: una masa dada de helio ocupa menos espacio que la misma masa de hidrógeno. En función del volumen – el espacio ocupado –, el Sol es hidrógeno en un 80 por ciento.

                     Este podría ser nuestro Sol en el pasado sólo era una protoestrella que se estaba formando

Si suponemos que el Sol fue en origen todo hidrógeno, que siempre ha convertido hidrógeno en helio al ritmo dicho de 4.654 mil toneladas  por segundo y que lo seguirá haciendo hasta el final, se calcula que ha radiando hace unos 4.000 millones de años y que seguirá haciéndolo durante otros cinco mil millones de años más. Pero las cosas no son tan simples. El Sol es una estrella de segunda generación, constituida a partir de gas y polvo cósmico desperdigado por estrellas que se habían quemado y explotado miles de millones de años atrás.  Así pues, la materia prima del Sol contenía ya mucho helio el principio, lo que nos lleva a pensar que el final puede estar algo más cercano.

Por otra , el Sol no continuará radiando exactamente al mismo ritmo que . El hidrógeno y el helio no están perfectamente entremezclados. El helio está concentrado en el núcleo central y la reacción de fusión se produce en la superficie del núcleo. Cuando el Sol se convierta en gigante roja… Nosotros tendremos que haber podido buscar la manera de salir de la Tierra unicarnos en otros mundos, dado que, dicha fase del Sol, no permitirá la vida en nuestro planeta.

  Los planetas interiores serán engullidos por nuestro Sol y, la Tierra, quedará calcinada, sus océanos se evaporarán y toda la vida, desaparecerá.

Las estrellas, todo en nuestro universo, tienen un principio y un final. La que en la imagen de arriba podemos contemplar, ha llegado al final de su ciclo, y, agotado su combustible nuclear, quedará a merced de la fuerza de la Gravedad que la convertirá en un objeto distinto del que fue durante su larga vida. Dependiendo de su masa,  las estrellas se convierten en enanas blancas -el caso del Sol-, estrella de neutrones o Agujeros negros.

La atracción gravitatoria de la Luna sobre la Tierra hace subir el nivel de los océanos a ambos lados de nuestro planeta y crea así dos abultamientos. A medida que la Tierra gira de oeste a , estos dos bultos – de los cuales uno mira la Luna y el otro en dirección contraria – se desplazan de este a oeste alrededor de la Tierra. Al efectuar este desplazamiento, los dos bultos rozan contra el fondo de los mares poco profundos, como el de Bering o el de Irlanda. Tal rozamiento convierte energía de rotación en calor, y este consumo de la energía de rotación terrestre hace que el movimiento de rotación de la Tierra alrededor de su eje vaya disminuyendo poco a poco. Las mareas actúan como freno sobre la rotación de la Tierra, y como consecuencia de ello, los días terrestres se van alargando un segundo mil años.

Pero no es sólo el agua del océano lo que sube de nivel en respuesta a la gravedad lunar. La corteza sólida de la Tierra también acusa el efecto, aunque en medida notable. El resultado son dos pequeños abultamientos rocosos que van girando alrededor de la Tierra, el uno mirando la Luna y el otro en la cara opuesta de nuestro planeta. Durante ese desplazamiento, el rozamiento de una capa rocosa contra otra va minando también la energía de rotación terrestre. (Los bultos, claro está, no se mueven físicamente alrededor del planeta, sino que a medida que el planeta gira, remiten en un lugar y se forman en otro, según qué porciones de la superficie pasen por debajo de la Luna y sean atraídas por su fuerza de gravedad).

La Luna no tiene mares ni mareas en el sentido corriente. Sin embargo, la corteza sólida de la luna acusa la fuerte atracción gravitacional de la Tierra, y no hay que olvidar que ésta es 80 veces más grande que la Luna. El abultamiento provocado en la superficie lunar es mucho mayor que el de la superficie terrestre. Por tanto, si la Luna rotase en un periodo de 24 horas, estaría sometida a un rozamiento muchísimo mayor que la Tierra. Además, nuestro satélite tiene una masa mucho menor que la Tierra, su energía total de rotación sería, ya de entrada, periodos de rotación iguales, mucho menor.

Así pues, la Luna, con una reserva inicial de energía muy pequeña, socavada rápidamente por los grandes bultos provocados por la Tierra, tuvo que sufrir una disminución relativamente rápida de su periodo de rotación.  Hace seguramente muchos millones de años debió de decelerarse el punto de que el día lunar se igualó con el mes lunar. De ahí en adelante, la Luna siempre mostraría la misma cara el planeta Tierra.

Esto, a su vez, congela los abultamientos en un aposición fija. Unos de ellos miran hacia la Tierra el centro mismo de la cara lunar que nosotros vemos, mientras que el otro está apuntando en dirección contraria desde el centro mismo de la cara lunar que no podemos ver. Puesto que las dos caras no cambian de posición a medida que la Luna gira alrededor de la Tierra, los bultos no experimentan ningún cambio ni tampoco se produce rozamiento alguno que altere el periodo de rotación del satélite. La luna continuará mostrándonos la misma cara indefinidamente; lo cual, como veis, no es ninguna coincidencia, sino la consecuencia inevitable de la gravitación y del rozamiento.

Durante unos ochenta años, por ejemplo, se pensó que Mercurio (el planeta más cercano al Sol y el más afectado por la fuerza gravitatoria solar) ofrecía siempre la misma cara al Sol, por el mismo motivo que la Luna ofrece siempre la misma cara a la Tierra. Pero se ha comprobado que, en el caso de planeta, los efectos del rozamiento producen un periodo estable de rotación de 58 días, que es justamente dos tercios de los 88 días que constituyen el período de revolución de Mercurio alrededor del Sol.

Hay tantas cosas que aprender que el corto tiempo que se nos permite estar aquí es totalmente insuficiente conocer todo lo que nos gustaría. ¿Hay algo más penoso que la ignorancia? Continuemos pues aprendiendo cosas nuevas.

En alguna ocasión dejé una reseña de lo que se entiende por entropía y así sabemos que la energía sólo ser convertida en trabajo cuando    dentro del sistema concreto que se esté utilizando, la concentración de energía no es uniforme. La energía tiende entonces a fluir desde el punto de mayor concentración al de menor concentración, hasta establecer la uniformidad. La obtención de trabajo a partir de energía consiste precisamente en aprovechar este flujo.

El agua de un río está más alta y tiene más energía gravitatoria en el manantial del que mana en lo alto de la montaña y energía en el llano en la desembocadura, donde fluye suave y tranquila. Por eso fluye el agua río abajo el mar (si no fuese por la lluvia, todas las aguas continentales fluirían montaña abajo el mar y el nivel del océano subiría ligeramente. La energía gravitatoria total permanecería igual, pero estaría distribuida con mayor uniformidad).

Una rueda hidráulica gira gracias al agua que corre ladera abajo: ese agua realizar un trabajo porque crea energía . El agua sobre una superficie horizontal no puede realizar , aunque esté sobre una meseta muy alta y posea una energía gravitatoria excepcional. El factor crucial es la diferencia en la concentración de energía y el flujo hacia la uniformidad.

Y lo mismo reza para cualquier clase de energía. En las máquinas de vapor hay un de calor que convierte el agua en vapor, y otro depósito frío que vuelve a condensar el vapor en agua. El factor decisivo es esta diferencia de temperatura. Trabajando a un mismo y único nivel de temperatura no se puede extraer ningún , por muy alta que sea aquella.

En realidad, la Entropía no debe resultarnos tan extraña como esa imagen de arriba, la Entropía está presente en nuestras vidas cotidianas y por todo el Universo, es algo que nació con el Tiempo al que acompaña y, cuando éste transcurre, aquella deja sentir sus efectos. Nos dice que nada es Eterno, que lo que nace muere, que todo cambia.

El término “entropía” lo introdujo el físico alemán Rudolf J. E. Clausius en 1.849 representar el grado de uniformidad con que está distribuida la energía, sea de la clase que sea. Cuanto más uniforme, mayor la entropía. Cuando la energía está distribuida de manera perfectamente uniforme, la entropía es máxima para el sistema en cuestión. El Tiempo, podríamos decir que es el portador de una compañera que, como él mismo, es inexorable. La entropía lo cambia todo y, en un Sistema cerrado (pongamos el Universo), la entropía siempre crece mientras que la energía es vez menor. Todo se deteriora con el paso del tiempo.

Marzo de 2009, Carolina del Sur, Estados Unidos. Lo que vemos son los desechos de cenizas de carbón en una planta generadora de electricidad. Foto: J. Henry Fair/Cortesía: Galería Gerald Peters.

Marzo de 2009, Carolina del Sur, Estados Unidos. Lo que vemos son los desechos de cenizas de carbón en una planta generadora de electricidad. Foto: J. Henry Fair/Cortesía: Galería Gerald Peters. De la misma manera, en el Universo, se producen transiciones de fase que desembocan en el deterioro de los objetos que lo pueblan. Nunca será lo mismo una estrella de 1ª generación que una de 3ª y, el material del que están compuestas las últimas serán más complejos y cada vez, tendrán menor posibilidad de convertirse en Nebulosas que sean capaces de crear nuevas estrellas.

Clausius observó que cualquier diferencia de energía dentro de un sistema tiende siempre a igualarse por sí sola. Si colocamos un objeto caliente junto a otro frío, el calor fluye de manera que se transmite del caliente al frío que se igualan las temperaturas de ambos cuerpos. Si tenemos dos depósitos de agua comunicados sí y el nivel de uno de ellos es más alto que el otro, la atracción gravitatoria hará que el primero baje y el segundo suba, hasta que ambos niveles se igualen y la energía gravitatoria quede distribuida uniformemente.

      Considerado Sistema Cerrado, la Entropía no deja de aumentar en nuestro Universo a medida que el Tiempo transcurre

Clausius afirmó, por tanto, que en la naturaleza era regla general que las diferencias en las concentraciones de energía tendían a igualarse. O dicho de otra manera: que la entropía aumenta con el tiempo. El estudio del flujo de energía puntos de alta concentración a otros de baja concentración se llevó a cabo de modo especialmente complejo en relación con la energía térmica. Por eso, el estudio del flujo de energía y de los intercambios de energía y recibió el de “termodinámica”, que en griego significa “movimiento de calor”.

Con anterioridad se había llegado ya a la conclusión de que la energía no podía ser destruida ni creada. regla es tan fundamental que se la denomina “primer principio de la termodinámica”. Sin embargo, cuando la entropía ataca, la energía quedar congelada e inservisble. La idea sugerida por Clausius de que la entropía aumenta con el tiempo es una regla general no básica, y que denomina “segundo principio de la termodinámica.”

Según segundo principio, la entropía aumenta constantemente, lo cual significa que las diferencias en la concentración de energía también van despareciendo. Cuando todas las diferencias en la concentración de energía se han igualado por completo, no se puede extraer más , ni pueden producirse cambios.

¿Está degradándose el universo?

Bueno, todos sabemos que el Universo evoluciona y, como todo, con el paso del tiempo cambia. Lo que hoy es, mañana no será. Existe una pequeña ecuación:   S = k log W que, aunque pequeña y sencilla, es la mayor aportaciópn de Boltzmann y una de las ecuaciones más importantes de la Física. El significado de las tres letras que aparecen (aparte la notación el logaritmo es el siguiente: S es la entropía de un Sistema; W el de microestados posibles de sus partículas elementales y k una constante de proporcionalidad que hoy día recibe el de constante de Boltzmann y cuyo valor es k = 1,3805 x 10-23 J(K (si el logaritmo se toma en base natural). En esta breve ecuación se encierra la conexión del micromundo y el macromundo, y por ella se reconoce a Boltzmann como el padre de la rama de la Física comocida como Mecánica Estadistica.

Pero esa, es otra historia.

emilio silvera

El Universo, las galaxias…

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en El Universo asombroso    ~    Comentarios Comments (0)

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Todas las galaxias contienen los mismos componentes de estrellas, cúmulos, nebulosas, miríadas de estrellas e infinidad de mundos (unos con vida (por lógica) y otros no, según estén situados en relación a la estrella que orbiten, fenómenos más extraños como agujeros negros y otros que, seguramente nos quedan por descubrir.

Nuestro universo es igual en todas partes. Las leyes que rigen en todo el universo son las mismas. La materia que puebla el universo, gases estelares, polvo cósmico, galaxias con cientos de miles de millones de estrellas y sistemas planetarios, también son iguales en cualquier confín del universo.   Todo el universo, por lo tanto, está plagado de sistemas solares, nebulosas, agujeros negros y de estrellas de neutrones. En realidad, con el transcurso del tiempo, el número de estos objetos masivos estelares irá en aumento, ya que cada vez que explota una estrella supermasiva, nace un nuevo agujero negro o una estrella de neutrones, transformándose así en un objeto distinto del que fue en su origen. De gas y polvo pasó a ser estrella y después se transformó en un agujero negro o en una estrella de neutrones. Pero hoy, hablaremos de…

GALAXÍAS

La Galaxia espiral que acoge a nuestro Sol y a las estrellas visibles a simple vista durante la noche; es escrita con G mayúscula para distinguirla de las demás galaxias. Su disco es visible a simple vista como una débil banda alrededor del cielo, la Vía Láctea; de ahí que a la propia Galaxia se la denomine con frecuencia Vía Láctea.

Nuestra galaxia tiene tres componentes principales. Uno es el disco de rotación de unas 6×1010 masas solares consistentes en estrellas relativamente jóvenes (población II), cúmulos cubiertos de gas y polvo, estando estrellas jóvenes y material interestelar concentrados en brazos espirales. El disco es muy delgado, de unos 1.000 a. l., comparado con su diámetro de más de 100.000 años luz. Aún continúa una activa formación de estrellas en el disco, particularmente en las nubes moleculares gigantes.

El segundo componente principal es un halo débil y aproximadamente esférico con quizás el 15 – 30% de la masa del disco. El halo está constituido por estrellas viejas (población II), estando concentradas parte de ellas en cúmulos globulares, además de pequeñas cantidades de gas caliente, y se une a un notable bulbo central de estrellas, también de la población II.

El tercer componente principal es un halo no detectado de materia oscura con una masa total de al menos 4×1011 masas solares. En total, hay probablemente alrededor de 2×1011 estrellas en la Galaxia (unos 200 mil millones), la mayoría con masas menores que el Sol.

La edad de la Galaxia es incierta, si bien el disco tiene al menos 10.000 millones de años, mientras que los cúmulos globulares y la mayoría de las estrellas del halo se cree que tienen entre 12.000 y 14.000 millones de años.

Resultado de imagen de El Centro galáctico

                     Centro Galáctico de la Vía Láctea visto desde el Observatorio Paranal

El Sol se encuentra a una distancia que está entre 26.000 y 30.000 años luz del centro galáctico, en el Brazo de Orión.

El mismo centro galáctico se halla en la constelación Sagitarius.

En el centro galáctico existe una descomunal presencia de soles y, también, la de un enorme agujero negro que no para de engullir el material que lo circunda haciéndolo cada vez mayor.

La Vía Láctea es una espiral, aunque las observaciones de su estructura y los intentos de medir las dimensiones de los brazos espirales se ven impedidos por el polvo oscurecedor del disco y por las dificultades en estimar distancias. Es posible que la Galaxia sea una espiral barrada dado que existen algunas evidencias de una estructura en forma de barra en las regiones centrales y el bulbo.

Todas las galaxias son sistemas de estrellas, a menudo con gas y polvo interestelar, unidas por la gravedad. Las galaxias son las principales estructuras visibles del universo. Varían desde las enanas con menos de un millón de estrellas a las supergigantes con más de un billón de estrellas, y un diámetro desde unos pocos cientos a mas de 600.000 años luz. Las galaxias pueden encontrarse aisladas o en pequeños grupos, como el nuestro conocido Grupo Local, o en grandes cúmulos como el Cúmulo de Virgo.

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Este esquema, que sólo descansa en la apariencia visual, no toma en cuenta otros aspectos, tales como la tasa de formación de estrellas o la actividad del núcleo galáctico.

Las galaxias se clasifican habitualmente de acuerdo a su apariencia (clasificación de Hubble). A parecen en dos formas principales: espirales (con brazos) y elípticas (sin brazos). Las elípticas tienen una distribución de estrellas suave y concentrada en el centro, con muy poco gas o polvo interestelar. De las espirales hay varios tipos, espirales ordinarias y barradas.  Ambos tipos tienen material interestelar además de estrellas. Las galaxias lenticulares presentan un disco claro, aunque sin brazos espirales visibles.

Las galaxias irregulares tienen una estructura bastante amorfa e irregular, en ocasiones con evidencias de brazos espirales o barras. Unas pocas galaxias no se parecen a ninguno de estos tipos principales, y pueden ser clasificadas como peculiares. Muchas de éstas son probablemente los resultados de choques entre galaxias que han quedado fusionadas quedando configuradas después de manera irregular.

El tipo de galaxia más numeroso pueden ser las galaxias esferoidales, pequeñas, y relativamente débiles, que tienen forma aproximadamente elíptica.

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Se cree que las galaxias se han formado por la acumulación gravitacional de gas, algún tiempo después de la época de la recombinación. Las nubes de gas podrían haber comenzado a formar estrellas, quizás como resultado de las colisiones mutuas. El tipo de galaxia generado podría depender del ritmo al que el gas era transformado en estrellas, formándose las elípticas cuando el gas se convertía rápidamente en estrellas, y las espirales si la transformación de estrellas era lo suficientemente lenta como para permitir crecer de forma significativa un disco de gas.

Las galaxias evolucionan al convertir progresivamente su gas remanente en estrellas, si bien no existe probablemente una evolución entre las diferentes tipos de la clasificación del conocido sistema de Hubble. No obstante, algunas galaxias elípticas pudieron haberse creado por la colisión y posterior fusión de dos galaxias espirales.

El número relativo de galaxias de los diferentes tipos está íntimamente relacionado con su brillo intrínseco y con el tipo de grupo o cúmulo al que pertenecen. En los cúmulos densos, con cientos o miles de galaxias, una alta proporción de las galaxias brillantes son elípticas y lenticulares, con unas pocas espirales (5 – 10%).

No obstante, la proporción de espirales pudo haber sido mayor en el pasado, habiendo perdido las espirales su gas de manera que ahora se asemejan a los lenticulares, o habiendo sufrido fusiones con otras galaxias espirales e irregulares para convertirse en elípticas. Ya sabéis que nada desaparece, sólo se transforma.

Fuera de los cúmulos, la mayoría de las galaxias pertenecen a grupos que contienen entre unos pocos y varias docenas de miembros, siendo raras las galaxias aisladas. Las espirales constituyen el 80% de las galaxias brillantes en estos entornos de baja densidad, con una correspondiente baja proporción de elípticas y lenticulares.

Algunas galaxias presentan una actividad inusual en su centro, como las galaxias Seyfert o las galaxias N. Una radiogalaxia es un emisor inusualmente intenso de energía en forma de ondas de radio.

Hablando de galaxias podríamos movernos en un amplio abanico de posibilidades de las que relaciono algunas a continuación:

Resultado de imagen de Galaxia head-tail

Galaxia head-tail: Una elíptica en la que una intensa emisión de radio en el núcleo está acompañada por una cola irregular de radioemisión difusa que se extiende cientos de miles de años luz. Es una radación sincrotrón de electrones energéticos.

Resultado de imagen de Galaxia Anular

Galaxia anular: Inusual galaxia con anillo luminoso bien definido alrededor de un núcleo brillante. El anillo puede parecer suave y regular, o anudado y deformado, y puede contener gas y polvo además de estrellas.  Un ejemplo es la galaxia de la Rueda de Carro.

nebulosasResultado de imagen de Galaxia compacta

Galaxia binaria: Par de galaxias en órbita de una en torno a la otra.  Las auténticas galaxias binarias son muy difíciles de distinguir de las superposiciones casuales de dos galaxias en la línea de visión. La investigación estadística de los pares binarios que sigue las órbitas es valiosa en el estudio de la estimación de las masas totales de algunos tipos particulares de galaxias.

Resultado de imagen de Galaxia compacta

 Una galaxia arveja es un tipo de galaxia compacta, azul y luminosa con una tasa muy alta de formación de estrellas.

Galaxia compacta: Tipo de galaxia que sólo puede ser distinguida de una estrella mediante placas de exploración del cielo tomadas con cámaras Schmidt. Tienen diámetros aparentes de 2 – 5” y una región de alto brillo superficial que puede ser definido y debido a núcleos brillantes de las regiones activas que están formando nuevas estrellas. Unos 2.000 objetos de este tipo fueron catalogados por F. Zwicky.

Resultado de imagen de Galaxia con bajo brillo superficial (LSB)

Galaxia con bajo brillo superficial (LSB): Tipo de galaxia cuya densidad de estrellas es tan baja que es difícil detectarla frente al fondo del cielo. Se desconoce la proporción de galaxias con bajo brillo superficial en relación a las galaxias normales, pudiendo representar una parte significativa del universo. Muchas de estas débiles galaxias son enanas, situadas particularmente en cúmulos de galaxias; algunas son tan masivas como las grandes espirales, por ejemplo, Malin-1.

Resultado de imagen de Galaxia con envoltura

Galaxia con envoltura: Galaxia espiral rodeada por débiles arcos o capas de estrellas, situados a ángulos rectos con respecto a su eje mayor.  Pueden observarse entre una y veinte capas casi concéntricas, aunque incompletas. Se disponen de manera que capas sucesivas puedan aparecer normalmente en lados opuestos de la galaxia. Alrededor del 10% de las elípticas brillantes presentan envolturas, la mayoría de ellas en regiones de baja intensidad o densidad de galaxias. No se conoce ninguna espiral con una estructura de capas de ese tipo. Podrían ser el resultado de una elíptica gigante que se come una compañera.

Resultado de imagen de Galaxia de anillo polar

Galaxia de anillo polar: Raro tipo de galaxia, casi siempre una galaxia lenticular, que tiene un anillo luminoso de estrellas, gas y polvo orbitando sobre los polos de su disco. Por tanto, los ejes de rotación del anillo y del disco forman casi un ángulo recto. Dicho sistema puede ser el resultado de una colisión, una captura de por maneras, o la unión de una galaxia rica en gas con la galaxia lenticular.

Resultado de imagen de Galaxia de disco

Galaxia de disco: Tipo de galaxia cuya estructura principal es un delgado disco de estrellas con órbitas aproximadamente circulares alrededor de su centro, y cuya emisión de luz típicamente disminuye exponencialmente con el radio. El término se aplica a todos los tipos de galaxias que no sean elípticas, esferoidales enanas o algunas galaxias peculiares. El disco de las galaxias lenticulares contiene muy poco material interestelar, mientras que los discos de las galaxias espirales e irregulares contienen cantidades considerables de gas y polvo además de estrellas.

Resultado de imagen de Galaxia de tipo tardío

Galaxia de tipo tardío: Galaxia espiral o irregular. El nombre proviene de la posición convencional de estas galaxias en el diagrama diapasón de los tipos de galaxias. Por razones similares, una galaxia espiral Sc o Sd pueden ser denominadas espiral del tipo tardío, en contraposición a una espiral Sa o Sb de tipo temprano.

Resultado de imagen de Galaxia de tipo tardío

Galaxia de tipo temprano: Galaxia elíptica o lenticular: una sin brazos espirales. El hombre proviene de la posición de las galaxias en el diagrama diapasón de las formas de las galaxias. Por razones similares, una galaxia Sa podría ser referida como una espiral de tipo temprano, en contraposición, en contraposición a una espiral Sc o Sd de tipo tardío.

Se podría continuar explicando lo que es una galaxia elíptica, enana, compacta azul, esferoidal enana, espiral (como la Vía Láctea), espiral enésima, espiral barrada, interaccionante, irregular, lenticular, peculiar, starburst, primordiales… etc, sin embargo, creo que ya se ha dejado constancia aquí de los datos necesarios para el que lector tenga una idea de lo que es una galaxia. Así que decido finalizar el apartado de galaxias, reflejando un cuadro del Grupo Local de galaxias en el que está situada la nuestra.

GRUPO LOCAL DE GALAXIAS

Galaxia

Distancia en Kpc

Andrómeda (M 31)

725

Vía  Láctea

- 0

Del Triángulo (M 33)

795

Gran Nube de Magallanes

49

IC 10

1250

M32 (NGC 221)

725

NGC 6822 (de Barnard)

540

M 120 (NGC 205)

725

Pequeña Nube de Magallanes

58

NGC 185

620

NGC 147

660

IC 1613

765

Wolf-Lundmark-Melotte

940

Enana de Fornax

131

Enana de Sagitarius

25

And I

725

And II

725

Leo I

273

Enana de Acuarius (DDO 210)

800

Sagitarius (Sag DiG)

1.100

Enana de Sculptor

78

Enana de Antlia

1.150

And III

725

IGS 3

760

Enana de Sextans

79

Enana de Phoenix

390

Enana de Tucana

870Resultado de imagen de el Grupo local de galaxias

Leo II

215

Enana de Ursa Minor

63

Enana de Carina

87

Enana de Draco

76

En el cuadro anterior del Grupo local de galaxias al que pertenece la Vía Láctea, en la que está nuestro Sistema Solar, se consigna las distancias a que se encuentran estas galaxias de la nuestra y se hace en kilopársec.

En el espacio exterior, el cosmos, lo que conocemos por universo, las distancias son tan enormes que se tienen que medir con unidades espaciales como el año luz (distancia que recorre la luz en un año a razón de 299.792.458 metros por segundo). Otra unidad ya mayor es el pársec (pc), unidad básica de distancia estelar correspondiente a una paralaje trigonométrica de un segundo de arco (1”). En otras palabras, es la distancia a la que una Unidad Astronómica (UA = 150.000.000 Km) subtiende un ángulo de un segundo de arco. Un pársec es igual a 3’2616 años luz, o 206.265 Unidades Astronómicas, o 30’857×1012 Km. Para las distancias a escalas galácticas o intergalácticas se emplea una unidad de medida superior al pársec, el kilopársec (Kpc) y el megapársec (Mpc).

Es posible calcular las distancias de las estrellas de varios modos diferentes. El más antiguo data sólo de hace aproximadamente un siglo: requería la aplicación de la trigonometría y dependía de cuidadosas observaciones del sol, la tierra y la estrella cuya distancia se medía. Una vez que los astrónomos aprendieron a tomar fotografías de las estrellas, se hizo posible otro procedimiento para medir dichas distancias. Y, mediante el espectroscopio, se cuenta con un tercer método.

Para tener una idea aproximada de estas distancias, pongamos el ejemplo de nuestra galaxia hermana, Andrómeda, situada (según el cuadro anterior a 725 kilopársec de nosotros) en el Grupo local a 2’3 millones de años luz de la Vía Láctea.

1 segundo luz

299.792’458 Km

1 minuto luz

18.000.000 Km

1 hora luz

1.080.000.000 Km

1 día luz.

25.920.000.000 Km

1 año luz

9.460.800.000.000 Km

2’3 millones de años luz

21.759.840.000.000.000.000 Km

Ahí tenemos la imposibilidad física de viajar a otros mundos, y no digamos a otras galaxias. Las velocidades que pueden alcanzar en la actualidad nuestros ingenios espaciales no llegan ni a 50.000 Km/h. ¿Cuánto tardarían en recorrer los 21.759.840.000.000.000.000 Km que nos separa de Andrómeda?

Incluso el desplazarnos hasta la estrella más cercana, Alfa Centauri, resulta una tarea impensable si tenemos en cuenta que la distancia que nos separa es de 4’3 años luz, y un año luz = 9.460.800.000.000 Km.

Hasta que no se busque la manera de esquivar la barrera de la velocidad de la luz, los viajes a otros mundos están algo complicados para nosotros.

emilio silvera

La Física no duerme

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Composición artística que muestra el efecto de localización de la luz desde las dimensiones cotidianas de una bombilla hasta las dimensiones atómicas donde puede sondear la vibración de una única molécula. / Universidad de Cambridge/Bart de Nijs</p>
<p>” /></p>
<p style=                                                     Lentes atómicas

Científicos del DIPC y el Centro de Física de Materiales (CSIC-UPV) y de la Universidad de Cambridge, han creado una lente que puede concentrar la luz en dimensiones inferiores a las de un átomo. Los investigadores han utilizado nanopartículas de oro para desarrollar estas lentes focalizadoras, que permiten ver enlaces químicos individuales en las moléculas.

Resultado de imagen de Lentes atómicas

Nuestras predicciones teóricas sugerían que esto podía ser posible, como así se ha comprobado ahora, asegura el profesor Javier Aizpurua, que lidera los esfuerzos teóricos de esta investigación, y cuyo desarrollo ha permitido entender el confinamiento y la interacción de la luz con moléculas en escalas tan pequeñas.

El equipo de investigadores experimentales de Cambridge, liderado por el profesor Jeremy Baumberg, ha utilizado oro altamente conductor para fabricar la cavidad óptica más pequeña del mundo (picocavidad), que confina la luz a una distancia inferior a una mil millonésima de metro.

Los resultados se han publicado en Science.

Fuente: Revista mensual electrónica de la Real Sociedad Española de Física.

El Mundo perdido que está en éste

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en El Universo asombroso    ~    Comentarios Comments (0)

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Ciencia

Un «mundo perdido» de nuevas especies podría existir bajo los hielos de la Antártida

Las cuevas, excavadas por el vapor de volcanes activos, pueden llegar a estar hasta a 25 grados de temperatura, lo que aumenta las posibilidades de que todo un ecosistema de flora y fauna prospere bajo la superficie helada

Resultado de imagen de ADN en las cuevas de la Antártida

Los científicos encontraron intrigantes muestras de ADN en las cuevas – Archivo

 

 

 

Todo un “mundo perdido” de animales y plantas desconocidos podría estar esperándonos en alguno de los vastos sistemas de cuevas subterráneas que hay justo debajo de los hielos perennes de la Antártida. La afirmación, que parece propia de una película de ciencia ficción, se basa en un estudio recién publicado en la revista Polar Biology.

La directora de la investigación, Ceridwen Fraser, de la Australian National University, sostiene que las cuevas, excavadas por el vapor de volcanes activos, pueden llegar a estar hasta a 25 grados de temperatura, lo que aumenta las posibilidades de que todo un ecosistema de flora y fauna esté prosperando bajo la superficie helada.

Resultado de imagen de ADN en las cuevas de la Antártida

Grandes cuevas cálidas formadas por los volcabes crearon ecosistemas para la vida

El estudio se llevó a cabo en el Monte Erebus, un volcán activo situado en la isla de Ross y que cuenta con un extenso sistema de cuevas subterráneas, algunas de las cuales fueron visitadas por los investigadores.

Durante su estudio, los científicos analizaron muestras del suelo de algunas de esas cuevas y encontraron en ellas intrigantes muestras de ADN. Material genético procedente, en su mayor parte, de algas, musgos y algunos pequeños animales. Pero no todas las secuencias de ADN pudieron ser identificadas, lo que podría indicar la presencia de especies totalmente nuevas y desconocidas hasta ahora.

Arqueólogos descubren evidencias de la existencia de la Atlántida

                   Quien sabe lo que nos podremos encontrar en esas regiones misteriosas de la Tierra

En palabras de la propia investigadora, “los resultados de este estudio nos dan una somera y tentadora idea de que podría haber algo vivo bajo los hielos de la Antártida, incluso podría tratarse de nuevas especies de animales y plantas. El siguiente paso es ir alli, echar un buen vistazo y ver si somos capaces de encntrar comunidades viviendo bajo los hielos”.

A pesar de las bajísimas temperaturas que reinan en el continente blanco, Fraser cree que el calor que emana de los volcanes podría convertir esas cuevas subterráneas en lugares muy hospitalarios, lo suficientemente calientes como “para pasear cómodamente en camiseta”, y además iluminados por la luz que se filtra a través del propio hielo.

Numerosas cuevas

 

 

Resultado de imagen de ADN en las cuevas de la Antártida

 

 

Charles Lee, de la Universidad neozelandesa de Waikato, afirma por su parte que, además del Monte Erebus, existen muchos otros volcanes en la Antártida, por lo que los sistemas de cuevas subglaciales podrían ser bastante comunes.

“No sabemos aún cuántos de estos sistemas de cuevas pueden existir alrededor de los volcanes antárticos -asegura el investigador-, o lo interconectados que podrían estar estos sistemas subglaciales, ya que resultan muy difíciles de identificar y explorar”.

Según se afirma en el artículo de Polar Biology, hay más de 15 volcanes en la Antártida que están activos en la actualidfad, o que muestran evidencias de haberlo estado muy recientemente. Y nuevos volcanes se descubren continuamente.

Imagen relacionada

                               Nos podríamos llevar muchas sorpresas

Sin embargo, asegura Fraser, y a pesar de los recientes avances en la comprensión de la biodiversidad de la Antártida, “los científicos todavía saben muy poco acerca de la vida en sistemas de cuevas subglaciales del continente, que pueden albergar comunidades muy diversas y complejas”.

“Nuestros resultados -concluye la investigadora- destacan la importancia de investigar más y con mayor detalle estos sistemas de cuevas, a pesar de los desafíos y del esfuerzo que suponen los trabajos de campo en ese entorno. Un esfuerzo que vale la pena hacer para poder confirmar la presencia de seres vivos allí”.

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