jueves, 06 de agosto del 2020 Fecha
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¿Será igual el Universo en todas partes?

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en El Universo asombroso    ~    Comentarios Comments (5)

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Bueno, independientemente de las cosas que en una región particular pueda estar ocurriendo, en el contexto general, sí es igual el Universo en cualquier lugar que podamos mirar. Las mismas fuerzas y constantes, la misma materia, las mismas transiciones de fase y, seguramente también la misma vida, se repite una y otra vez a lo lo largo y a lo ancho de todo el Universo.

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La vieron caer y corrieron hasta el lugar. La escena era la que se podía esperar despues de la caída de una nave en plena montaña. Los pocos testigos que por el lugar estaban, llamaron a las autoridades que enviaron, de inmediato, a personal especializado en este tipo de investigaciones.¡

“Mira, un trazo de la nave caída, ¿de qué materiales estará hecha? Nunca he visto algo así! ¿De dónde vendrán estos seres, de qué estará conformado su mundo? Esto preguntaba uno de los investigadores al otro que con él recogía muestras dequella extraña nave accidentada y que, según el seguimiento hecho en su acercamiento a la Tierra, venía de más allá de los confines del Sistema Solar y, quién sabe de dónde pudieron partir. Sin embargo, el material que recogían, debería ser el mismo que está repartido por todo el Universo.

Lo único que puede diferir, es la forma en que se utilice, el tratamiento que se le pueda dar, y, sobre todo el poseer el conocimiento y la tecnología necesarios para poder obtener, el máximo resultado de las propiedades que dicha materia encierra. Porque, en última instancia ¿es en verdad inerte la materia?

Tiene y encierra tantos misterios la materia que estamos aún y años-luz de saber y conocer sobre su verdadera naturaleza. Nos podríamos preguntar miles de cosas que no sabríamos contestar.  Nos maravillan y asombran fenómenos naturales que ocurren ante nuestros ojos pero que tampoco sabemos, en realidad, a que son debidos.  Si, sabemos ponerles etiquetas como, por ejemplo, la fuerza nuclear débil, la fisión espontánea que tiene lugar en algunos elementos como el protactinio o el torio y, con mayor frecuencia, en los elementos que conocemos como transuránidos.

A medida que los núcleos se hacen más grandes, la probabilidad de una fisión espontánea aumenta.  En los elementos más pesados de todos (einstenio, fermio y mendelevio), esto se convierte en el método más importante de ruptura, sobre pasando a la emisión de partículas alfa.

            ¡Parece que la materia está viva!

Son muchas las cosas que desconocemos y, nuestra curiosidad nos empuja continuamente a buscar esas respuestas. El electrón y el positrón son notables por sus pequeñas masas (sólo 1/1.836 de la del protón, el neutrón, el antiprotón o antineutrón), y, por lo tanto, han sido denominados leptones (de la voz griega lentos, que significa “delgado”).

Aunque el electrón fue descubierto en 1.897 por el físico británico Josepth John Thomson (1856-1940), el problema de su estructura, si la hay, no está resuelto.  Conocemos su masa y su carga negativa que responden a 9,1093897 (54)x10-31kg la primera y, 1,602 177 33 (49)x10-19 culombios, la segunda, y también su radio clásico:  no se ha descubierto aún ninguna partícula que sea menos cursiva que el electrón (o positrón) y que lleve  una carga eléctrica, sea lo que fuese (sabemos como actúa y cómo medir sus propiedades, pero aun no sabemos qué es), tenga asociada un mínimo de masa, y que esta es la que se muestra en el electrón.

Lo cierto es que, el electrón, es una maravilla en sí mismo.  El Universo no sería como lo conocemos si el electrón (esa cosita “insignificante”), fuese distinto a como es, bastaría un cambio infinitesimal para que, por ejemplo, nosotros no pudiéramos estar aquí ahora para poder construir conjuntos tan bellos como el que abajo podemos admirar.

                                  ¡No por pequeño, se es insignificante! De todas las maneras, las medidas dependen del contexto en el que se estén midiendo. El conjunto de la imagen de arriba nos parecerá grande pero, ¿cómo de grande es si lo comparamos con la Galaxia?

Recordémoslo, todo lo grande está hecho de cosas pequeñas. En realidad, existen partículas que no tienen en absoluto asociada en ellas ninguna masa (es decir, ninguna masa en reposo).  Por ejemplo, las ondas de luz y otras formas de radiación electromagnéticas se comportan como partículas (Einstein en su efecto fotoeléctrico y De Broglie en la difracción de electrones. Esta manifestación en forma de partículas de lo que, de ordinario, concebimos como una onda se denomina fotón, de la palabra griega que significa “luz”.

El fotón tiene una masa de 1, una carga eléctrica de o, pero posee un espín de 1, por lo que es un bosón. ¿Cómo se puede definir lo que es el espín? Los fotones toman parte en las reacciones nucleares, pero el espín total de las partículas implicadas antes y después de la reacción deben permanecer inmutadas (conservación del espín).  La única forma que esto suceda en las reacciones nucleares que implican a los fotones radica en suponer que el fotón tiene un espín de 1. El fotón no se considera un leptón, puesto que este termino se reserva para la familia formada por el electrón, el muón y la partícula Tau con sus correspondientes neutrinos: Ve, Vu y VT.

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Existen razones teóricas para suponer que, cuando las masas se aceleran (como cuando se mueven en órbitas elípticas en torno a otra masa o llevan a cabo un colapso gravitacional), emiten energía en forma de ondas gravitacionales.  Esas ondas pueden así mismo poseer aspecto de partícula, por lo que toda partícula gravitacional recibe el nombre de gravitón.

La fuerza gravitatoria es mucho, mucho más débil que la fuerza electromagnética.  Un protón y un electrón se atraen gravitacionalmente con sólo 1/1039 de la fuerza en que se atraen electromagnéticamente. El gravitón (aún sin descubrir) debe poseer, correspondientemente, menos energía que el fotón y, por tanto, ha de ser inimaginablemente difícil de detectar.

De todos modos, el físico norteamericano Joseph Weber emprendió en 1.957 la formidable tarea de detectar el gravitón.  Llegó a emplear un par de cilindros de aluminio de 153 cm. De longitud y 66 de anchura, suspendidos de un cable en una cámara de vacío.  Los gravitones (que serían detectados en forma de ondas), desplazarían levemente esos cilindros, y se empleó un sistema para detectar el desplazamiento que llegare a captar la cienmillonésima parte de un centímetro.

Las débiles ondas de los gravitones, que producen del espacio profundo, deberían chocar contra todo el planeta, y los cilindros separados por grandes distancias se verán afectados de forma simultánea.  En 1.969, Weber anunció haber detectado los efectos de las ondas gravitatorias.  Aquello produjo una enorme excitación, puesto que apoyaba una teoría particularmente importante (la teoría de Einstein de la relatividad general).  Desgraciadamente, nunca se pudo comprobar mediante las pruebas realizadas por otros equipos de científicos que duplicaran el hallazgo de Weber.

De todas formas, no creo que, a estas alturas, nadie pueda dudar de la existencia de los gravitones, el bosón mediador de la fuerza gravitatoria.  La masa del gravitón es o, su carga es o, y su espín de 2.  Como el fotón, no tiene antipartícula, ellos mismos hacen las dos versiones.

Tenemos que volver a los que posiblemente son los objetos más misteriosos de nuestro Universo: Los agujeros negros.  Si estos objetos son lo que se dice (no parece que se pueda objetar nada en contrario), seguramente serán ellos los que, finalmente, nos faciliten las respuestas sobre las ondas gravitacionales y el esquivo gravitón.

La onda gravitacional emitida por el agujero negro produce una ondulación en la curvatura del espacio-temporal que viaja a la velocidad de la luz transportada por los gravitones.

Hay aspectos de la física que me dejan totalmente sin habla, me obligan a pensar y me transporta de este mundo material nuestro a otro fascinante donde residen las maravillas del Universo.  Hay magnitudes asociadas con las leyes de la gravedad cuántica. La longitud de Planck-Wheeler,  es la escala de longitud por debajo de la cual el espacio tal como lo conocemos deja de existir y se convierte en espuma cuántica.  El tiempo de Planck-Wheeler (1/c veces la longitud de Planck-Wheeler o aproximadamente 10-43segundos), es el intervalo de tiempo más corto que puede existir; si dos sucesos están separados por menos que esto, no se puede decir cuál sucede antes y cuál después. El área de Planck-Wheeler (el cuadrado de la longitud de Planck-Wheeler, es decir, 2,61×10-66cm2) juega un papel clave en la entropíade un agujero negro.

Me llama poderosamente la atención lo que conocemos como las fluctuaciones de vacío, esas oscilaciones aleatorias, impredecibles e ineliminables de un campo (electromagnético o gravitatorio), que son debidas a un tira y afloja en el que pequeñas regiones del espacio toman prestada momentáneamente energía de regiones adyacentes y luego la devuelven.

       Andamos a la caza del vacío, del gravitón, de las ondas gravitatorias…

Ordinariamente, definimos el vacío como el espacio en el que hay una baja presión de un gas, es decir, relativamente pocos átomos o moléculas.  En ese sentido, un vacío perfecto no contendría ningún átomo o molécula, pero no se puede obtener, ya que todos los materiales que rodean ese espacio tienen una presión de vapor finita.  En un bajo vacío, la presión se reduce hasta 10-2 pascales, mientras que un alto vacío tiene una presión de 10-2-10-7 pascales.  Por debajo de 10-7 pascales se conoce como un vacío ultraalto.

De ese “vacío” nos queda muchísimo por aprender. Al parecer, todos los indicios nos dicen que está abarrotado de cosas, y, si es así, no es lo que podemos llamar con propiedad vacío, ese extraño lugar es otra cosa, pero, ¿qué cosa es?

Antes se denominaba éter fluminigero (creo) a toda esa inmensa región. Más tarde, nuevas teorías vinieron  a desechar su existencia. Pasó el tiempo y llegaron nuevas ideas y nuevos modelos, y, se llegó a la conclusión de que el Universo entero estaba permeado por “algo” que algunos llamaron los océanos de Higgs. Ahí, se tiene la esperanza de encontrar al esquivo Bosón (que dicen haber hallado pero que yo, no estoy muy seguro de que así sea) que le da la masa a las demás partículas, y, el LHC del CERN, es el encargado de la búsqueda para que el Modelo Estándard de la Física de Partículas se afiance más.

Andamos un poco a ciega, la niebla de nuestra ignorancia nos hace caminar alargando la mano para evitar darnos un mamporro. Pero a pesar de todo, seguimos adelante y, es más la fuerza que nos empuja, la curiosidad que nos aliente que, los posibles peligros que tales aventuras puedan conllever.

Está claro que, dentro del Universo, existen “rincones” en los que no podemos sospechar las maravillas que esconden, ni nuestra avezada imaginación, puede hacerse una idea firme de lo que allí pueda existir. Incansables seguimos la búsqueda, a cada nuevo descubrimiento nuestro corazón se acelera, nuestra curiosidad aumenta, nuestras ganas de seguir avanzando van creciendo y, no pocas veces, el físico que, apasionado está inmerso en uno de esos trabajos de búsqueda e investigación, pasa las horas sin sentir el paso del tiempo, ni como ni duerme y su mente, sólo tiene puesto los sentidos en ese final soñado en el que, al fín, aparece el tesoro perseguido que, en la mayor parte de las veces, es una nueva partícula, un parámetro hasta ahora desconocido en los comportamientos de la materia, un nuevo principio, o, en definitiva, un nuevo descubrimiento que nos llevará un poco más lejos.

Encontrar nuevas respuestas no dará la opción de plantear nuevas preguntas.

emilio silvera

¡La Física! Una Historia Interminable

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Física Cuántica    ~    Comentarios Comments (1)

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                                   El universo de lo muy pequeño y de lo muy grande

Muy lejos quedan ya aquellas célebres palabras que pronunciara Enrico Fermi (el gran físico italiano): “Si yo pudiese recordar los nombres de todas estas partículas, habría sido un botánico”, y el físico Martinus Veltman más tarde reflexionó que “a medida que aumenta el número de partículas, lo único que logramos es aumentar  nuestra ignorancia”.

                                              Todo está hecho de Quarks y Leptones

Por aquellos tiempos (algunas décadas), hubo también demasiadas teorías, muchas incompatibles entre ellas. No pocos físicos se vieron frustrados hasta el punto de abandonar la física para siempre. Sin embargo, el torbellino y la confusión, no la tranquila seguridad, lo que hace crecer la mente, y, cuando aquel endiablado barullo empezó a calmarse y el polvo se disipó, la Física Cuántica emergió, no sólo como un campo vital y en rápido desarrollo de la ciencia, sino como uno de los mayores logros intelectuales de la historia del pensamiento humano. Aunque en modo alguno completa, entonces pudo hacer predicciones exactas sobre un imponente conjunto de fenómenos, desde la óptica y el diseño de ordenadores hasta el brillo de las estrellas, y hacerlo en términos de estructuras teóricas que, como ya podía verse, poseen una belleza y una amplitud dignas del universo que trataban de describir.

Las variadas teorías que llegaron a constituir la física cuántica a finales del primer cuarto del siglo pasado eran conocidas colectivamente como el Modelo Estándar.

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Considerado desde su punto de vista, el mundo está compuesto de dos categorías generales de partículas: las de espín fraccionario (½), llamadas fermiones, en homenaje a Enrico Fermi, y las de espín entero (0, 1 o 2), llamadas Bosones, en homenaje a Satyendra Nath Bose, quien junto con Einstein, desarrolló las leyes estadísticas que gobiernan su conducta.

Monografias.com

(El “espín” al que se alude aquí es el espín común, mecánico, aunque cuantizados, y se mide en términos de h, el cuanto de acción de Planck.)

Los Fermiones comprenden la materia. Obedecen a lo que se llama el Principio de exclusión de Pauli, formulado por este en 1925, según el cual dos fermiones no pueden ocupar al mismo tiempo un determinado estado cuántico. Debido a esta característica de los fermiones, sólo un número limitado de electrones pueden ocupar cada capa de un átomo, y hay un número superior para el número de protones y neutrones que pueden unirse para formar un núcleo atómico estable. Los protones, neutrones y electrones son todos fermiones.

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Los Bosones transmiten fuerza. Para aventurar una imagen hiperbólica, podríamos concebir los fermiones como similares a patinadores sobre hielo que se arrojan balones los unos a los otros y, los balones son los bosones y el cambio de trayectoria de cada patinador que se produce cuando arrojan o atrapan los balones revela, en lenguaje newtoniano, la presencia de una fuerza.

Los Bosones no obedecen el principio de exclusión, y por consiguiente varias fuerzas diferentes pueden actuar en el mismo lugar al mismo tiempo. Los átomos de cualquier objeto, por ejemplo, están sujetos simultáneamente a la atracción eléctrica entre sus protones y electrones, y a la fuerza gravitacional de la Tierra.

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Todos conocemos de las cuatro fuerzas fundamentales de la Naturaleza. Cada una tiene un papel distinto. La Gravitación, la atracción universal de todas las partículas materiales entre sí, mantiene unidos a cada estrella y planeta, y mantiene los planetas en sus órbitas dentro de la galaxia. El electromagnetismo, la atracción entre las partículas con carga eléctrica o magnéticas opuestas, produce luz y todas las otras formas de radiación electromagnética, incluyendo la radiación de onda larga llamada ondas radio y la radiación de onda corta llamada rayos X y rayos gamma. El electromagnetismo también une grupo de átomos para formar moléculas, y es la causa de la estructura de la materia tal como la conocemos. La Fuerza nuclear fuerte une protones y neutrones (llamados nucleones) en los núcleos de los átomos, y une las partículas elementales llamadas quarks para formar cada nucleón. La fuerza nuclear débil es la mediadora del proceso de desintegración radiactiva, la fuente de la energía emitida por los trozos de radio que estudiaron Rutherford y los Curie.

4interacciones

La conducta diferente de las fuerzas se refleja en la naturaleza de los bosones  que transportan. La Gravitación y el electromagnetismo tienen un alcance infinito, que es por lo cual nuestra Galaxia “siente” la atracción gravitacional del cúmulo de Virgo de galaxias, y por lo que podemos ver luz estelar proveniente de miles de millones de años-luz de distancia, pues los bosones que transporta estas dos fuerzas llamados respectivamente gravitones y fotones, tienen masa cero. La fuerza nuclear débil tiene un alcance muy corto porque las partículas que la transportan, llamadas bosones débiles, son masivas. La fuerza o interacción fuerte es llevada por las partículas llamadas gluones; son masivas pero tienen la curiosa y bella de que su fuerza aumenta, no disminuye, cuando los fermiones entre los que son intercambiadas (los quarks) se alejan. Un quark que empieza a apartarse de sus dos compañeros pronto se encuentra arrastrado por una red de gluones (confinamiento de los quarks), y, si se juntan, pueden moverse libremente (libertad asintótica). Por ello, los quarks en el universo contemporáneo permanecen ligados dentro de los protones y neutrones; aún no ha sido posible observar quarks libres, aunque han sido buscados en todas partes, desde las colisiones de aceleradores de partículas hasta el polvo de la Luna y en otros lugares más extraños.

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Los fermiones que constituyen la materia, aunque muy variados y numerosos, pueden ser clasificados como quarks, que responden a la interacción fuerte, o leptones, que no lo hacen. Los leptones son partículas ligeras; entre ellos se encuentran los electrones que giran alrededor de los núcleos atómicos. Los quarks son los ladrillos que componen los protones y neutrones. Tres quarks forman un nucleón. Se piensa que hay seis variedades de leptones y otras tantas de quarks. Ni los unos ni los otros muestran signo alguno de tener una estructura interna, aunque su anatomía ha sido sondeada hasta escalas de 10  ̄¹⁸ metros. Esto equivale a decir que si un átomo fuese ampliado hasta las dimensiones de la Tierra, todo subcomponente de quark y leptones tendría que ser más pequeño que una naranja para escapar a su detección. De modo que los quarks y los leptones son las partículas básicas de la materia, hasta donde llega nuestro conocimiento actual.

Todo suceso fundamental –lo cual significa simple- del Universo, en principio, puede ser interpretado mediante el modelo estándar. Cuando un niño mira una estrella, fotones de luz estelar chocan con electrones de los átomos exteriores de los receptores que hay en la retina del niño, poniendo en marcha otras interacciones de electrones que transportan la imagen al cerebro; todo esto es obra del electromagnetismo. Los procesos nucleares que producen la Luz estelar son generados por las fuerzas nucleares fuerte y débil que operan dentro de la estrella. Y la gravitación es la fuerza que mantiene unida la estrella y aferra los pies del niño (aunque sólo sea intermitentemente) al suelo.

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Las explicaciones científicas de cómo las diversas partículas de la materia se comportan bajo la influencia de tres de las cuatro fuerzas reciben el nombre de teorías cuánticas de campos relativistas. Son llamadas así porque utilizan tanto las reglas cuánticas como la teoría especial de la relatividad, a fin de tomar en cuenta los efectos que aumentan la masa de las partículas que se desplazan a una velocidad cercana a la de la luz.

El electromagnetismo se describe con exquisita exactitud por la teoría de electro cuántica, o EDC. La interacción fuerte es descrita por la Cromodinámica Cuántica, CDC. (“Cromo” proviene de un número cuántico caprichosamente llamado “color”, que desempeña una función para los Quarks comparable a la carga eléctrica en las cuestiones relacionadas con los electrones.) La fuerza débil ha pasado a pertenecer al dominio de la teoría electrodébil.

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La Gravitación sigue siendo la excepción. Sus acciones siguen siendo descritas por la teoría general de la relatividad de Einstein, que es una teoría clásica, lo cual significa que no incluye los principios cuánticos. Esto no origina problemas en la mayoría de las situaciones, pero la relatividad pierde su validez cuando se llega a campos gravitatorios sumamente intensos, como los que aparecen en el interior de los agujeros negros o en el Universo al comienzo de su expansión. Allí, la curvatura del espacio llega a infinito, punto en el cual la teoría saluda y hace mutis grácilmente.

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             La teoría de la Gravedad cuántica subyace en la Teoría de Cuerdas que no podemos verificar

No tenemos ninguna teoría cuántica de la gravitación con la cual completar la relatividad general y, de paso, el Modelo Estándar de la Física. Una razón de esto es que la Gravedad es débil. Normalmente, las partículas subatómicas individualmente son tan poco afectadas por la fuerza gravitatoria que ejercen sus colegas que se puede ignorar la gravedad. Otra razón es que las interacciones gravitacionales son interpretadas, mediante la teoría general de la relatividad de Einstein, como resultado de la geometría del espacio-tiempo. Los “gravitones” que, se piensa, transmiten la gravitación deben, por tanto, determinar la forma misma del espacio, y no es asunto simple para una teoría dilucidar como logran hacerlo.

La actual física de partículas es una casa dividida, y aunque el modelo estándar da un buen resultado, pocos creemos que sea la última palabra en este tema que, si aparece el Bosón de Higgs y algún que otro parámetro ahora perdido, todo podría cambiar.

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Sin embargo, la Física actual está a la espera de una próxima revolución que, sólo podría venir de la mano de una nueva y avanzada teoría de la gravitación cuántica que, de una vez por todas incluyera a la Gravedad, en el Modelo estándar de la Física que, de esa manera sí que sería un modelo completo y sin fisuras.

Un Modelo Estándar sin parámetros aleatorios, firme y seguro que, sin dificultad y sin generar infinitos a las preguntas planteadas, nos pueda dar una respuesta convincente de lo que el Universo es.

Esperemos que venga pronto.

emilio silvera

Queremos decubrir el Universo… Pero… a medias

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Reportajes de prensa    ~    Comentarios Comments (1)

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                                                ¡La Energía oscura! ¿Dónde?
Reportaje de Prensa: El País

“Aquí descubrimos el 70% del universo”

Un telescopio chileno confirma que la misteriosa energía oscura compone la mayor parte del cosmos

 

Cerro Tololo (Chile)
El Observatorio Interamericano del Cerro Tololo en Chile. Luis Manuel Rivas

“Mucha gente me pregunta: pero si no puedes verlo, ¿cómo lo estudias? Y yo respondo: ¿Has visto el viento? ¿Realmente has visto el viento? No. Has visto el viento mover las hojas o el polvo”, reflexiona el astrónomo estadounidense Chris Smith. Hace dos décadas, sin ver nada de nada, su equipo descubrió prácticamente todo. “Con este telescopio descubrimos el 70% del universo”, resume Smith. El 70% del universo, que se dice pronto.

El astrónomo habla desde el telescopio Víctor Manuel Blanco, una mole de color blanco situada en una montaña de 2.200 metros, a 80 kilómetros de la ciudad de La Serena, en el norte de Chile. Smith, nacido en Alabama en 1964, mira a su alrededor. Ve una pelota de baloncesto, con la que los astrónomos se entretienen cuando está nublado y no pueden escrutar el cielo. También dirige su mirada a las paredes. Y a las pantallas de control. Y al techo. Se mira sus propias manos. “El tipo de materia de la que estamos hechos representa solo el 4% del universo”, subraya.

 

 

 

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Las galaxias y los seres vivos, todos hechos de Quarks y Leptones, es decir, materia bariónica.

El telescopio Blanco posee una de las cámaras digitales más potentes del mundo, de 570 megapíxeles y ocho toneladas

Smith dirige el Observatorio Interamericano del Cerro Tololo, el complejo en el que se encuentra el telescopio Blanco. En 1998, sus astrónomos hicieron un descubrimiento mayúsculo. Observaron que las galaxias más distantes se estaban alejando de nosotros. En realidad, que todas las galaxias se alejaban unas de otras, cada vez más rápido.

 

 

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Lo que esperaban ver era justamente lo contrario. Tras la gran explosión conocida como el Big Bang, hace unos 14.000 millones de años, empezó una gran expansión del universo, formándose por el camino todo lo que conocemos hoy. La lógica decía que esa expansión debería estar frenándose, por la fuerza de la gravedad, la misma que devuelve un balón de baloncesto a la mano que lo ha lanzado hacia arriba. “Pero encontramos algo raro: la expansión del universo era cada vez más rápida”, recuerda Smith. Como si se lanzara un balón al aire y acabara saliendo del planeta Tierra cada vez más rápido.

El hallazgo significaba que, en los confines del espacio, había algo que tiraba del universo hacia el exterior. Los cosmólogos echaron cuentas y calcularon que ese algo, bautizado energía oscura, representa el 70% del universo. El restante 26% sería materia oscura, otro enigma para la ciencia. Los líderes de la investigación —Saul Perlmutter, Adam Riess y Brian Schmidt— ganaron el premio Nobel de Física de 2011 por descubrir la expansión acelerada del universo.

El telescopio Blanco, en el Observatorio Interamericano del Cerro Tololo (Chile). Luis Manuel Rivas

“Ahora estamos intentando entender qué es la energía oscura. Cuando un astrónomo habla de algo oscuro, como materia oscura o energía oscura, quiere decir que no sabe qué es”, bromea Smith, en un correcto español con acento chileno.

El equipo del astrónomo estadounidense se encuentra ahora enfrascado en el Mapeado de la Energía Oscura, un proyecto de 400 científicos en siete países para identificar la posición de cientos de millones de galaxias y revelar la naturaleza de la enigmática energía oscura. Smith muestra el corazón de esa búsqueda: una de las cámaras digitales más potentes del mundo, de 570 megapíxeles, montada en el telescopio Blanco. “Es una cámara digital que pesa ocho toneladas y cuesta 50 millones de dólares”, describe el investigador con una sonrisa.

 

 

 

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Si la Densidad Crítica del Universo es la que creemos que es, su final será muy frío. Se expandirápara siempre.

“El destino del universo es frío. Las galaxias seguirán volando, alejándose las unas de la otras”, explica el astrónomo Chris Smith

El proyecto, concebido para el periodo 2013-2018, empieza a ofrecer resultados. El pasado agosto, los científicos presentaron la medida más precisa jamás realizada de la estructura a gran escala del universo actual. Los resultados apoyan la teoría de que la materia que conocemos, por sí sola, es incapaz de formar las galaxias y las estrellas. La gravedad de la misteriosa materia oscura, invisible, sería necesaria para formar estructuras en el universo. Y los primeros datos también avalan la hipótesis de que la energía oscura le está echando un pulso a esta gravedad, empujando al universo hacia el exterior.

 

 

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“Es emocionante”, declaró el astrofísico Enrique Gaztañaga al presentar los resultados. “Pero todavía no hemos encontrado una pista definitiva de por qué el universo se está acelerando”. Gaztañaga es investigador del Instituto de Ciencias del Espacio de Barcelona, una de las instituciones españolas que participa en el proyecto.

La cámara del telescopio chileno es capaz de tomar imágenes de galaxias situadas a 8.000 millones de años luz de la Tierra. El mapa elaborado con sus datos cubre ya una trigésima parte de todo el cielo, pero el objetivo es que abarque una octava parte. De momento, al confirmar la expansión acelerada del universo, el proyecto ha puesto una ración de angustia existencial sobre la mesa. “El destino del universo es frío. Las galaxias seguirán volando, alejándose las unas de la otras. Y, al final, desde nuestra galaxia no se verán las estrellas de las otras galaxias, porque estarán demasiado lejos”, pronostica Smith. “Será un universo realmente oscuro”.

 

 

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“El universo terminará en una nada fría y oscura”

 

 

La astrofísica de la Universidad de Edimburgo (Reino Unido) trata de averiguar de qué está hecho el 95% del universo que aún desconocemos

Catherine Heymans, física, y especialista en materia oscura en la Fundación BBVA, en Madrid
Catherine Heymans, física, y especialista en materia oscura en la Fundación BBVA, en Madrid.

La astrónoma Catherine Heymans imagina un final desolador para el cosmos. Desde hace 20 años, se sabe que el universo se expande cada vez más rápido impulsado por una misteriosa energía oscura. “Aunque las galaxias permanecerán unidas, porque la gravedad es demasiado fuerte, las estrellas agotarán su combustible y se apagarán lentamente y todo terminará en una nada fría y oscura”. Justo después de acabar esta descripción trágica del universo conocido parece apenada durante medio segundo antes de soltar una risotada.

Heymans, catedrática de Astrofísica de la Universidad de Edimburgo, se enfrenta a los misterios del cosmos con emoción y humor. Lidera el proyecto KIDs (Dilo-Degree-Survey) uno de los principales proyectos del mundo diseñados para estudiar la materia y la energía oscuras, dos elementos desconocidos que componen el 95% del universo. Han rastreado 15 millones de galaxias en busca de información que ayude a crear una nueva teoría gravitatoria que supere las de Isaac Newton o Albert Einstein, muy útiles para explicar el universo visible que solo es el 5% del total.

La semana pasada, Heymans se acercó a Madrid para hablar sobre El lado oscuro del universo dentro del ciclo de conferencias de astrofísica y cosmología de la Fundación BBVA.

Deberíamos haber encontrado ya la partícula que compone la materia oscura en los aceleradores del CERN

 

Pregunta. Su trabajo consiste en ir más allá del modelo estándar de física que explica muy bien el comportamiento de la materia visible, pero ignora qué es esa materia oscura que tiene efectos en cómo se mueven las galaxias, y la energía oscura que hace que el universo se expanda cada vez más rápido. ¿Qué sabemos de esos dos componentes oscuros del universo?

Respuesta. Conocemos la materia oscura desde hace más tiempo que la energía oscura y hemos tenido más tiempo para investigarla y descartar teorías. Ahora estamos llegando al punto donde si nuestras mejores teorías sobre lo que es la materia oscura fuesen ciertas, deberíamos haber encontrado ya la partícula que compone la materia oscura en el CERN, debería haber sido detectada ya en uno de los aceleradores. Pero no ha sido así. Eso sugiere que nuestros modelos de la materia oscura no son suficientes y necesitamos teorías más complejas.

La energía oscura por otro lado es un mundo de misterio completamente nuevo y excitante. La energía oscura es algo que conocemos desde hace algo menos de veinte años. Ahora estamos acumulando datos con diferentes formas de detectarla para tratar de descubrir su origen.

Hay gente que está tratando de unir las dos cosas, encontrar una teoría que las pueda explicar a la vez. Pero hay todo un zoológico de teorías diferentes tratando de explicar sus componentes.

P. Con lo que sabemos ahora sobre la materia oscura, ¿cree que seremos capaces de detectarla pronto?

R. El CERN ya ha realizado obras de mejora desde que encontraron el bosón de Higgs y van a hacer una más en breve. Esperaban encontrar partículas de materia oscura con la mejora actual y no lo han logrado. Quizá con la siguiente lo consigan, pero ya han descartado los modelos más simples que tratan de explicar la materia oscura y se están empezando a preocupar porque habitualmente los modelos más simples suelen ser los correctos.

P. ¿Será necesaria una nueva teoría física como la de la Relatividad de Einstein para comprender la materia y la energía oscuras?

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Nuestras teorías sobre la gravedad funcionan muy bien, pero en una parte diminuta de nuestro universo

 

R. La Relatividad General es una de las teorías mejor comprobadas. Explica muy bien cómo giran los planetas alrededor del sol o cómo se curva la luz que llega desde las estrellas. Pero solo trata de una parte diminuta de nuestro universo en una región muy densa de nuestra galaxia. ¿Quién puede decir si la gravedad funcionaría igual a una escala mayor? Nunca se ha puesto a prueba.

Lo que estamos haciendo ahora es llevar a cabo nuevos mapas para probar el funcionamiento de la gravedad a gran escala en nuestro universo. Podría ser que la gravedad funciona diferente en un lugar muy denso con gran cantidad de materia como nuestra galaxia que en otros lugares. Einstein dijo que la gravedad curva el espacio y el tiempo del mismo modo, que no había diferencia entre el espacio y el tiempo. Sin embargo, sabemos que es diferente. El tiempo solo se mueve en una dirección, pero puedo saltar en cualquier dirección en el espacio. Quizá la gravedad funciona diferente en el espacio y el tiempo. Estas son las preguntas que estamos haciendo. Estamos en una etapa en la que no entendemos lo que vemos, así que tenemos que cuestionar el núcleo de nuestra comprensión de la física para tratar de entender lo que vemos.

P. ¿Están buscando algún tipo de observación específica?

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R. La técnica de la que he sido pionera durante mi carrera es el efecto de lente gravitacional. La idea es que miras a galaxias en el universo muy lejano, y vemos que hay cúmulos de materia oscura en medio. Cuando la luz de estas galaxias viaja hasta el observador se curva por los efectos de la gravedad. Lo que hacemos es tomar imágenes de millones de galaxias en el universo lejano y luego estudiamos cómo se ha curvado y distorsionado la luz que llega hasta nosotros. Eso nos permite hacer un mapa de toda la materia oscura entre nosotros y el universo lejano.

Las galaxias viven en el interior de la materia oscura y se están moviendo. Cuanta más materia oscura hay, más rápido se mueve la galaxia. Esa es otra forma de medir la gravedad. Lo que hacemos es combinar esas dos medidas, el de la lente gravitacional y el movimiento de las galaxias que nos permite medir directamente la gravedad en grandes escalas, tanto en el espacio como en el tiempo. Eso nos permite ver si la gravedad está evolucionando con el tiempo y si afecta de manera distinta al espacio y al tiempo.

 

La explicación más simple es que esta energía extra procede del vacío y surge a partir de la aparición de partículas virtuales

España está involucrada en un proyecto llamado Euclid. Es un gran proyecto europeo que consiste en un telescopio espacial que se lanzará en 2020. Va a hacer una exploración de todo el cielo. Con esos datos vamos a poder ver cómo la gravedad está curvando el espacio-tiempo y cómo eso cambia con el tiempo, y esperamos que nos permita comprender el origen de esta materia oscura y probar estas teorías que pueden ayudar a explicar la materia oscura y la energía oscura. Necesitamos más datos para confrontar la diversidad de teorías que tenemos.

P. Si tuviese que elegir una teoría sobre lo que es la energía oscura, ¿cuál sería?

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R. La explicación más simple es que esta energía extra procede del vacío. Hay grandes regiones de nuestro universo en las que no hay absolutamente nada, no hay gas, ni materia oscura, nada de nada. Pero la física cuántica nos dice que puedes tener partículas virtuales que pueden surgir y desaparecer, como si apareciese en el espacio por arte de magia. Parece una locura, pero es un fenómeno que hemos medido en laboratorios. Tienes un vacío y a través de fluctuaciones cuánticas se crean partículas en él. Si estas partículas virtuales aparecen, le dan energía al sistema, algo que puede causar una expansión que crea más vacío y más oportunidades para que estas partículas aparezcan. Es como que tienes esta máquina de movimiento perpetuo porque cuanto más rápido se expande el universo, más vacío se genera y más oportunidades se crean para que existan estas partículas virtuales que acaban produciendo más energía.

Esa es la teoría más simple. Es muy bonita y tiene base en nuestra comprensión de la física cuántica, pero el problema es que si calculas cuánta energía debería crear este mecanismo, nuestro universo no existiría porque se habría expandido hasta su desaparición hace tiempo. La energía oscura que medimos y causa esta aceleración es en realidad muy pequeña, un millón de veces más pequeña de lo que cabría esperar.

A la mayoría de los astrónomos les gusta esta teoría y piensan que es la mejor para explicar la energía oscura, pero de alguna manera ignoran el hecho de que estos números son incorrectos. La gente cree que cuando tengamos mejores medidas, se verá que estas teorías son las mejores para explicar nuestras observaciones.

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Estamos aquí porque en nuestro universo la energía oscura es baja y las galaxias y planetas se pueden formar, puede haber planetas y la vida puede existir.

 

Otra explicación es la que tiene en cuenta la existencia de múltiples universos. En el universo temprano tenemos el Big Bang. Nuestras mejores teorías nos dicen que el universo experimentó entonces un rápido periodo de inflación. Nuestro entendimiento fundamental de la física puede explicar esa inflación, pero es muy difícil detenerlo.

Muchas teorías sobre la inflación predicen que no se creará un solo universo sino muchos. Eso sugiere que no somos el único universo sino que hay otros. Hay una teoría según la cual cada vez que se crea un universo hay una nueva configuración de las constantes fundamentales que guían nuestro entendimiento de la física. La gravedad nos pega al suelo, pero en otro universo podría ser mucho más fuerte, que tengamos distintas constantes en distintos universos. Y podría ser que este universo particular tiene una energía oscura muy extraña, y en estos múltiples universos la energía oscura existe, pero con diferente fuerza. La razón por la que estamos aquí es porque estamos en un universo en el que la energía oscura es baja y las estrellas y las galaxias se pueden formar y los planetas se pueden formar y la vida puede existir. Vivimos en un universo que es adecuado para la vida y eso podría ser una explicación por la que la energía oscura es tan débil. No me gusta esa teoría porque es difícil de poner a prueba, pero es una solución posible al problema. También aborda otras cuestiones como que muchas de las otras constantes fundamentales que explican nuestro universo son muy apropiadas para la vida. Si cambias estos parámetros aunque sea de una forma muy pequeña, las estrellas no se formarían, el ADN no se formaría.

P. ¿Cree que las leyes de la física son arbitrarias, que podrían ser distintas en cada uno de esos universos?

R. Las leyes serían algo estable, pero las constantes variarían. La gravedad puede ser más fuerte o más débil en otros universos. Las leyes fundamentales de la física están bien ancladas a la lógica, pero lo que no se comprende es por qué tienen la fuerza que tienen. Pero hay muchos astrónomos a los que no les gusta esta idea porque no la pueden probar.

Reportaje: Entrevista