sábado, 08 de agosto del 2020 Fecha
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Las escalas del Universo no son Humanas

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

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                                                        Smart City Nansha, en Guangzhou, China.

Las ciudades modernas, basadas en infraestructuras eficientes y durables de agua, electricidad, telecomunicaciones, gas, transportes, servicios de urgencia y seguridad, equipamientos públicos, edificaciones inteligentes de oficinas y de residencias, etc., deben orientarse a mejorar el confort de los ciudadanos, siendo cada vez más eficaces y brindando nuevos servicios de calidad, mientras que se respetan al máximo los aspectos ambientales y el uso prudente de los recursos naturales no renovables.

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                                        La simetría es externa e interna

La simetría bilateral se mantiene en el interior del cuerpo, en en los músculos y en el esqueleto, pero queda rota por la disposición fuertemente asimétrica de algunos órganos. El corazón, el estómago y el  páncreas están desviados hacia la izquierda; el hígado y el apéndice, hacia la derecha. El pulmón derecho es mayor que el izquierdo. Los retorcimientos y vueltas de los intestinos son completamente asimétricos. El cordón umbilical humano, una magnifica hélice triple formada por dos arterias y una vena, puede enrollarse en cualquiera de los dos sentidos.

  

 

 

 

Ludwig Boltzmann será el protagonista de hoy

 

Hay ecuaciones que son aparentemente insignificantes por su reducido número de exponentes que, sin embargo, ¡dicen tantas cosas…! En la mente de todos están las sencillas ecuaciones de Einstein y de Planck sobre la energía-masa y la radiación de cuerpo negro. Esa es la belleza de la que hablan los físicos cuando se refieren a “ecuaciones bellas”.   ¿Qué decir de la maravillosa fórmula de la entropía de Boltzman?

 

S = k log W

 

 

 

 

 

 

Antoine-Laurent Lavoisier (1743-1794) fue un financiero. Estableció un sistema de pesos y medidas que condujo al sistema métrico, vivió los primeros momentos turbulentos de la Revolución Francesa y fue pionero en la agricultura científica. Se casó con una jovencita de catorce años y fue decapitado durante el Terror. Se le ha llamado padre de la química moderna y, a lo largo de su atareada vida, sacó a Europa de las épocas oscuras de esta ciencia.

 

 

 

Pero vayamos al trabajo que nos ocupa hoy. “Las escalas del Universo no son Humanas”.
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Nosotros vivimos en un mundo de cosas grandes pero, no todo son mundos, estrellas y galaxias. Existe ese otro “mundo” de lo muy pequeño de cuyas escalas nos podemos asombrar cuando vemos en qué dimensiones están en comparación con nuestro mundo macro.
Los Matemáticos afirman que los Universos múltiples existen, y, si eso es así, coincide con algunas observaciones que han sido realizadas y que, de manera sorprendente, respaldan el resultado de la existencia de otros universos a partir del “borde” mismo del nuestro, y, además, es posible que, las grandes estructuras de estos universos (del más cercano), esté influenciando en el comportamiento del  nuestro que se comporta como si existiera más materia de la que realmente hay debido a que, “la fuerza de gravedad de esos universos” vecinos, incide de manera real en este Universo nuestro, y, si es así, la tan cacareada “materia oscura” podría ser el mayor fraude de la cosmología moderna.

              A nuestro alrededor pasan muchas cosas a las que no prestamos atención

Inmersos en los problemas cotidianos prestamos poca atención a lo que pasa a nuestro alrededor, en la Naturaleza y, sólo cuando son fenómenos muy llamativos, inusuales, o, que nos ponen en peligro, ponemos nuestros cinco sentidos en el acontecimiento. Muchas más cosas habríamos evitado y habríamos descubierto si por una sola vez hubiésemos estado más atentos, en lugar de estar pendientes de nosotros mismos, lo hubiéramos hecho con respecto a la Naturaleza que, en definitiva, es la que nos enseña el camino a seguir.

La edad actual del universo visible ≈ 1060 tiempos de Planck

Tamaño actual del Universo visible ≈ 1060 longitudes de Planck

La masa actual del Universo visible ≈ 1060 masas de Planck

Resultado de imagen de la bajísima densidad de materia en el universo

         No todo son cúmulo de galaxias, en realidad, el Universo tiene una baja densidad de materia.

Vemos así que la baja densidad de materia en el universo es un reflejo del hecho de que:

Densidad actual del universo visible ≈10-120 de la densidad de Planck

Y la temperatura del espacio, a 3 grados sobre el cero absoluto es, por tanto

Temperatura actual del Universo visible ≈ 10-30 de la T. de Planck

Estos números extraordinariamente grandes y estas fracciones extraordinariamente pequeñas nos muestran inmediatamente que el universo está estructurado en una escala sobrehumana de proporciones asombrosas cuando la sopesamos en los balances de su propia construcción.

Con respecto a sus propios patrones, el universo es viejo. El tiempo de vida natural de un mundo gobernado por la gravedad, la relatividad y la mecánica cuántica es el fugaz breve tiempo de Planck. Parece que es mucho más viejo de lo que debería ser.

Pero, pese a la enorme edad del universo en “tics” del Tiempo de Planck,  hemos aprendido que casi todo este tiempo es necesario para producir estrellas y los elementos químicos que traen la vida.

 

¿Por qué nuestro universo no es mucho más viejo de lo que parece ser? Es fácil entender por qué el universo no es mucho más joven. Las estrellas tardan mucho tiempo en formarse y producir elementos más pesados que son las que requiere la complejidad biológica. Pero los universos viejos también tienen sus problemas. Conforme para el tiempo en el universo el proceso de formación de estrellas se frena. Todo el gas y el polvo cósmico que constituyen las materias primas de las estrellas habrían sido procesados por las estrellas y lanzados al espacio intergaláctico donde no pueden enfriarse y fundirse en nuevas estrellas.

 

 

Resultado de imagen de Un cielo negro y pocas estrellas en unas regiones y, en otras, cielo azul abarrotado de estrellasResultado de imagen de cielo abarrotado de estrellas

 

Un cielo negro y pocas estrellas en unas regiones y, otras, abarrotadas de estrellas

 

Pocas estrellas hacen que, a su vez, también sean pocos los sistemas solares y los planetas. Los planetas que se forman son menos activos que los que se formaron antes, la entropía va debilitando la energía del sistema para realizar trabajo. La producción de elementos radiactivos en las estrellas disminuirá, y los que se formen tendrán semividas más largas. Los nuevos planetas serán menos activos geológicamente y carecerán de muchos de los movimientos internos que impulsan el vulcanismo, la deriva continental y la elevación de las montañas en el planeta. Si esto también hace menos probable la presencia de un campo magnético en un planeta, entonces será muy poco probable que la vida evolucione hasta formas complejas.

Las estrellas típicas como el Sol, emiten desde su superficie un viento de partículas cargadas eléctricamente que barre las atmósferas de los planetas en órbitas a su alrededor y, a menos que el viento pueda ser desviado por un campo magnético, los posibles habitantes de ese planeta lo podrían tener complicado soportando tal lluvia de radiactividad. En nuestro sistema solar el campo magnético de la Tierra ha protegido su atmósfera del viento solar, pero Marte, que no está protegido por ningún campo magnético, perdió su atmósfera hace tiempo.

Resultado de imagen de La vida, estará presente en muchos mundos

Mundos similares a la Tierra, calentados por su estrella, situados a la distancia adecuada, con atmósfera y océanos, recibiendo la precisa radiación…, con el agua líquida presente en arroyos y manatiales ¿Por qué no tendrían vida?

La vida (creo), estará presente en muchos mundos que, al igual que la Tierra, ofrece las condiciones adecuadas. recientemente se ha descubierto un planeta rocoso a 14 años luz de nuestro Sistema Solar. ¿Qué habrá allí?

Probablemente no es fácil mantener una larga vida en un planeta del Sistema solar. Poco a poco hemos llegado a apreciar cuán precaria es. Dejando a un lado los intentos que siguen realizando los seres vivos de extinguirse a sí mismos, agotar los recursos naturales, propagar infecciones letales y venenos mortales y emponzoñar la atmósfera, también existen serias amenazas exteriores.

Los movimientos de cometas y asteroides, a pesar de tener la defensa de Júpiter, son una seria y cierta amenaza para el desarrollo y persistencia de vida inteligente en las primeras etapas. Los impactos no han sido infrecuentes en el pasado lejano de la Tierra, habiendo tenido efectos catastróficos.  Somos afortunados al tener la protección de la Luna y de la enorme masa de Júpiter que atrae hacia sí los cuerpos que llegan desde el exterior desviándolos de su probable trayectoria hacia nuestro planeta.

La caída en el planeta de uno de estos enormes pedruscos podría producir extinciones globales y retrasar en millones de años la evolución que tantos miles de millones de años le costó al Universo para poder plasmarla en una realidad que llamamos vida.

El secreto reside en el tiempo biológico necesario para desarrollar la vida y el tiempo necesario para desarrollar estrellas de segunda generación y siguientes que en novas y supernovas cristalicen los materiales complejos necesarios para la vida, tales como el hidrógeno, nitrógeno, oxígeno, carbono, etc.

Parece que la similitud en los “tiempos” no es una simple coincidencia.  El argumento, en su forma más simple, lo introdujo Brandon Carter y lo desarrolló John D. Barrow por un lado y por Frank Tipler por otro. Al menos, en el primer sistema solar habitado observado, ¡el nuestro!, parece que sí hay alguna relación entre t(bio) y t(estrella) que son aproximadamente iguales; el t(bio) – tiempo biológico para la aparición de la vida – algo más extenso.

          Una atmósfera planetaria adecuada dará la opción de que evolucione la vida y se creen sociedades

La evolución de una atmósfera planetaria que sustente la vida requiere una fase inicial durante la cual el oxígeno es liberado por la fotodisociación de vapor de agua. En la Tierra esto necesitó 2.400 millones de años y llevó el oxígeno atmosférico a aproximadamente una milésima de su valor actual.  Cabría esperar que la longitud de esta fase fuera inversamente proporcional a la intensidad de la radiación en el intervalo de longitudes de onda del orden de 1000-2000 ángstroms, donde están los niveles moleculares clave para la absorción de agua.

Resultado de imagen de La atmósfera de titan

       La espesa atmósfera de Titán es igual que la de la Tierra hace algunos miles de millones de años

Este simple modelo indica la ruta que vincula las escalas del tiempo bioquímico de evolución de la vida y la del tiempo astrofísico que determina el tiempo requerido para crear un ambiente sustentado por una estrella estable que consume hidrógeno en la secuencia principal y envía luz y calor a los planetas del Sistema Solar que ella misma forma como objeto principal.

A muchos les cuesta trabajo admitir la presencia de vida en el universo como algo natural y corriente, ellos abogan por la inevitabilidad de un universo grande y frío en el que es difícil la aparición de la vida, y en el supuesto de que ésta aparezca, será muy parecida a la nuestra.

“Las historias de ciencia ficción en las cuales se sugiere la existencia de seres vivos construidos de silicio en vez de carbono han proliferado desde hace varias décadas, por ejemplo, en los argumentos de muchas películas y series de TV. La idea no es nueva, pues esta se originó en 1891 (¡!), cuando Julio Sheiner escribió sobre la posibilidad de vida extraterrestre fundada en el Silicio.”

 

Los biólogos, sin embargo, parecen admitir sin problemas la posibilidad de otras formas de vida, pero no están tan seguros de que sea probable que se desarrollen espontáneamente, sin un empujón de formas de vida basadas en el carbono. La mayoría de las estimaciones de la probabilidad de que haya inteligencias extraterrestres en el universo se centran en formas de vida similares a nosotros que habiten en planetas parecidos a la Tierra y que necesiten agua y oxígeno o similar con una atmósfera gaseosa y las demás condiciones de la distancia entre el planeta y su estrella, la radiación recibida, etc. En este punto, parece lógico recordar que antes de 1.957 se descubrió la coincidencia entre los valores de las constantes de la Naturaleza que tienen importantes consecuencias para la posible existencia de carbono y oxígeno, y con ello para la vida en el universo.

emilio silvera

El Horizonte de los Agujeros Negros

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

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La técnica de la interferometría de muy larga base a longitudes de onda milimétricas (mm-VLBI) ha permitido obtener imágenes de los motores centrales de las galaxias activas con una resolución angular de decenas de microsegundos de arco. Para aquellos objetos más cercanos (M87, SgrA) se obtienen resoluciones lineales del orden de las decenas de Radios de Schwarzschild, lo que permite estudiar con detalle único la vecindad de los agujeros negros  supermasivos.

El centro galáctico: un misterio en ondas de radio

Al sintonizar hacia el centro de la Vía Láctea, los radioastrónomos exploran un lugar complejo y misterioso donde está SgrA que…¡Esconde un Agujero Negro descomunal! Las observaciones astronómicas utilizando la técnica de Interferometría de muy larga base, a longitudes de onda milimétricas proporcionan una resolución angular única en Astronomía. De este modo, observando a 86 GHz se consigue una resolución angular del orden de 40 microsegundos de arco, lo que supone una resolución lineal de 1 año-luz para una fuente con un corrimiento al rojo z = 1, de 10 días-luz para una fuente con un corrimiento al rojo de z = 0,01 y de 10 minutos-luz (1 Unidad Astronómica) para una fuente situada a una distancia de 8 Kpc (1 parcec = 3,26 años-luz), la distancia de nuestro centro galáctico. Debemos resaltar que con la técnica de mm-VLBI disfrutamos de una doble ventaja: por un lado alcanzamos una resolución de decenas de microsegundos de arco, proporcionando imágenes muy detalladas de las regiones emisoras y, por otro, podemos estudiar aquellas regiones que son parcialmente opacas a longitudes de onda más larga.

 

Imagen de un chorro de 5000 años-luz de longitud que está siendo eyectado del núcleo activo de la galaxia M87 (una radiogalaxia). La radiación sincrotrón del chorro (azul) contrasta con la luz estelar de la galaxia albergadora (amarillo). Crédito: HST/NASA/ESA.


Las galaxias activas tienen núcleos que brillan tanto, que pueden llegar a ser más luminosos que las galaxias que los alberga. Estas galaxias activas se caracterizan porque en sus núcleos ocurren procesos no-térmicos que liberan enormes cantidades de energía que parece provenir de una región muy pequeña y brillante situada en el corazón de la galaxia.

Son muchos los indicios que favorecen la hipótesis de que tales objetos son agujeros negros muy masivos (del orden de 100-1000 millones de veces la masa del Sol), con un tamaño de 1 minuto-luz o varios días-luz. La enorme fuerza gravitatoria que ejercen estos agujeros negros atrae el gas y las estrellas de las inmediaciones, formando el denominado disco de acrecimiento que está en rotación diferencial en torno al objeto masivo.

El modelo de “Agujero Negro + disco de acrecimiento” es el más satisfactorio hoy día para explicar las propiedades de los núcleos activos de galaxias. Un aspecto muy destacado en la morfología de las regiones compactas de los núcleos activos es la presencia de una intensa emisión radio en forma de chorros (los denominados Jets relativistas), que están formados por un plasma de partículas relativistas que emanan del núcleo central y viajan hasta distancias de varios megaparsec.

Jet relativista de un AGN. Creditos: Pearson Education, Inc., Upper Saddle River, New Jersey

Estos Jets son los aceleradores de partículas más energéticos del Cosmos. Sin embargo, todavía se desconoce como se generan, aceleran y coliman, si bien a través de simulaciones magnetohidrodinámicas se conoce que el campo magnético juega un papel fundamental en estos procesos. La técnica de mm-VLBI proporciona imágenes directas y nítidas de las regiones nucleares de las galaxias activas y acotan tanto el tamaño de los núcleos como la anchura de los chorros en la vecindad del agujero negro supermasivo. De hecho, las resoluciones angulares proporcionadas por mm-VLBI corresponderían a escalas lineales del orden de miles, centenares y decenas de Radios de Schwarzschild dependiendo de la distancia y la masa del agujero negro.

Existen algunos casos espectaculares, las imágenes obtenidas con mm-VLBI trazan los chorros relativistas a escalas del subparsec, cartografiando los motores centrales de las fuentes compactas con una resolución lineal tal que nos permite acercarnos a la última órbita estable en torno al agujero negro supermasivo. Podemos mencionar algunos casos espectaculares que han dejado asombrados a propios y extraños.

Mrk 501: Es una radiogalaxia situada a un corrimiento al rojo de z = 0.oo34. La masa del agujero negro central es del orden de mil millones de masas solares, por lo que el tamaño del radio de Schwarzschild es de 0,12 días-luz. Las observaciones con mm-VLBI a 86 GHz, muestra que su núcleo es muy compacto. El tamaño del núcleo de la radio fuente se puede establecer en 0,03 pc.

M87: La galaxia M87 está situada a la una distancia de 16,75 Mpc tiene un agujero negro situado en la región nuclear con una masa del orden de los 3.000 millones de masas solares, lo que implica que el tamaño del Radio de Schwarzschild es de 0,34 días-luz, Las observaciones interferométricas a 45 y 43 GHz han mostrado la presencia de un chorro relativista, en la que se observan dos fenómenos muy relevantes: i) en la base del jet, el ángulo de apertura es muy grande, lo que indicaría que el chorro vuelve a recolimarse a una cierta distancia del Agujero Negro central; ii) el chorro presenta fuerte emisión en sus bordes (fenómeno conocido como “edge brightening”, mientras que presenta emisión muy débil en su interior.

Todo esto lleva consigo una serie de implicaciones y parámetros de tipo técnicos que no son al caso destacar aquí.

Astrometría diferencial

Las observaciones de VLBI a longitudes de onda centimétricas han mostrado que SgrA, la radio fuente compacta en el centro de nuestra Galaxia, tiene un tamaño angular que escala con la longitud de onda al cuadrado, resultado que se interpreta físicamente considerando que la estructura que detectamos para SgrA no es su estructura intrínseca sino la imagen resultado de la interacción de su emisión de radio con sus electrones interestelares de la región interna de la Galaxia (lo que técnicamente se conoce como el “disco de scattering”. Las observaciones con mm-VLBI a 86 GHz han permitido determinar por primera vez el tamaño intrínseco de SgrA que ha resultado ser de 1,01 Unidades Astronómicas.

Chandra image of Sgr A.jpg

                                      Imagen de Sagitario A proporcionada por Chandra

Considerando que SgrA se encuentra a una distancia de 8 Kpc y que su masa es de 4 millones de masas solares, este tamaño lineal corresponde a 12,6 Radios de Schwarzschild. Con todo esto, vengo a decir que estamos ya en la misma vecindad de los agujeros negros y, lo único que tenemos que despejar es la incógnita que nos pueda crear el efecto del que nos habla la Relatividad General cuando establece que la radiación proveniente de una superficie esférica a una cierta distancia del agujero negro, sufriría un proceso de lente gravitacional amplificadora dándonos un tamaño mayor que el real. Así, cualquier objeto emisor con un tamaño intrínseco inferior a 1,5 Radios de Schwarzschild tendría un diámetro aparente mayor que 5,2 R de Schwarzschild.

¡Es todo tan complejo!

emilio silvera

Lo que no sabemos: ¿Cómo se formaron las galaxias?

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

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         Tarde de domingo en la isla de la Grande Jatte  - Georges Pierre Seurat, 1884

El Art Institute de Chicago tiene una de las mejores colecciones del mundo de pintura de finales del siglo XIX francés, reunida durante la época en que la ciudad era realmente “un matarife para el mundo, jugando con los ferrocarriles de una nación”. Una de las obras más populares es un gran lienzo de George Seurat. Su título formal es La Grande Jatte, pero se conoce coloquialmente como Domingo por la tarde en el parque.

Muestra a un grupo de parisinos paseando por un parque junto al Sena. La pintura incluso inspiró una revista en Broadway llamada Domingo el el parque con George. Saurat utilizó una técnica pictórica que era bastante poco usual en su época. En lugar del pasar el pincel sobre el lienzo en la forma habitual, tocaba el lienzo sólo con la punta.

El resultado es una pintura formada por un gran número de pequeñas motas de color. Este estilo de Pintura se llama puntillismo. A causa de esa técnica, el mirar esa pintura resulta una experiencia extraña. Desde lejos se ve lo que pretendía el pintor, la escena de un parque con figuras en él. Sin embargo, si nos acercamos mucho, la escena desaparece y lo que se verá será una colección de puntos de color sobre un lienzo. La uniformidad, que es aparente cuando miramos a la “imagen grande”, oculta la apariencia real de lo que allí está presente.

¿Nos pasará a nosotros otro tanto cuando miramos el Universo? Seguro que sí, ya que, si tuviéramos las narices pegadas a cualquiera de esas galaxias, no veríamos nada excepto un borrón de luz y de color. ¡Qué extraño es el mundo que nos rodea y cuánto nos cuesta comprenderlo!

Grupo de Galaxias NGC 7771

La pintura de Saurat proporciona una útil analogía para una de las ideas favoritas de los astrónomos acerca de la estructura del Universo: la idea de que si miramos a una escala bastante grande, encontramos que el universo es uniforme y homogéneo. A partir de Einstein los cosmólogos de “punta” han supuesto que esta afirmación es cierta. Claro que, una cosa es lo que se supone y otra muy distinta lo que en realidad pasó.

Las galaxias, por ejemplo,  no pudieron comenzar a formarse hasta después de que radiación y materia se desparejan y otra solución que se sugiere sola, el empujón al colapso gravitatorio mediante concentraciones de masa o cualquier otro procedimiento físico, tal como la turbulencia en las nubes de gas después de la formación de los átomos. Pero ¡ay!, esta línea de argumentación nos lleva hasta una tercera reconsideración del problema en el que finalizamos aceptando que, las turbulencias tampoco sirven.

File:Orion Nebula (M42) part HST 4800px.jpg

El “impulso a través de turbulencia” es una idea simple, cuyas primeras versiones fueron aireadas allá por los años 50. El postulado es este: cualquier proceso tan violento y caótico como las primeras etapas del Big Bang no sería como un río profundo y plácido, sino como una corriente de montaña, llena de espumas y turbulencias.

En este flujo caótico podemos esperar encontrar remolinos, vórtices de gas. En esta teoría, un remolino es en efecto una concentración de masa del tipo Jeans, presionando sobre la materia que le rodea a causa de la atracción gravitatoria. Si el remolino es del tamaño necesario, puede reunir una masa del tamaño de una galaxia antes de que tenga una posibilidad de disiparse. Para entonces esa masa sería suficientemente grande, de forma que se mantendría unida por la fuerza de la gravedad cuando pase el remolino.

Está bien, pero existen algunas dificultades. En primer lugar, un remolino que se forma antes de la marca de los 500.000 años es todavía una concentración de masa, y como cualquier otra concentración de masa será destruída por la presión de la radiación. Por consiguiente, los turbulentos remolinos que sirven como núcleos de concentración para las galaxias deben acceder a la existencia después de la aparición de los átomos.

Resultado de imagen de galaxias en proceso de formación

La diversidad de galaxias es grande y mientras unas tienen miles de millones de años, otras se forman

Galaxia en proceso de formación.  A pesar de la enorme técnica y sofisticación de los aparatos con que contamos para la observación del cosmos, no se ha podido encontrar ninguna a protogalaxia cercana, lo cual indica que todas o la mayoría de las galaxias se formaron hace mucho tiempo.

Lo que esto significa es que los remolinos que se forman justo después de la congelación atómica son los que más probablemente conducirán a las galaxias, porque son los que tienen más tiempo para recoger materia. Si estos remolinos son del tamaño necesario, podrían realmente producir galaxias como las que podemos ver ahí arriba. Sólo tendríamos que suponer que hubiera remolinos del tamaño de galaxias (o próximos a ellas) presentes en el momento de la congelación.

Resultado de imagen de Fusión de galaxiasResultado de imagen de Fusión de galaxias

Con todo, la teoría plantea un extraño tema filosófico. Podemos mirar las galaxias visibles, extrapolar hacia atrás en el tiempo y proponer un conjunto de turbulentos remolinos que las produzcan. Esto no resuelve el problema, sólo plantea la vieja cuestión de otro modo, retrocediendo una muesca. En lugar de preguntas: “¿Por qué las galaxias son como son?”, preguntamos “¿Por qué eran los remolinos como eran?” Y, seguimos sin avanzar en el problema de saber como se formaron las galaxias.

Tampoco las galaxias han tenido tiempo para formar cúmulos, y, sin embargo, ahí están. ¿Qué sabemos de los enigmas del Universo? En realidad, vamos sabiendo algo pero, lo cierto es que, son muchas más las preguntas que las respuestas.

Resultado de imagen de El cúmulo de galaxias Hidra

                     Aquí podemos contemplar el hermoso cúmulo de galaxias de Hydra

Miramos la bella imagen y vemos como dos brillantes y supermasivas estrellas destacan en el primer plano, pertenecen a la Vía Láctea, y están más cerca a nosotros. Más allá, lejos en el fondo, relucen las galaxias del cúmulo que, en el centro exhiben unas predominantes galaxias de más de 150.000 años-luz de diámetro, dos son elípticas de color amarillo (NGC 3311 y NGC 3309) la Azulada, es la espiral NGC 3312 y, justo por encima de la izquierda de NGC 3312 aparece una misteriosa pareja de galaxias superpuestas que están catalogadas como NGC 3314.

Estas imágenes, cuando se contemplan por personas no expertas, pueden también llevar al engaño. Por ejemplo, mientras que las estrellas del primer plano se encuentran a cientos de años-luz de distancia, el cúmulo de galaxias de Hydra está a más de 100 millones de años-luz. Es una de los tres grandes cúmulos que hay dentro de los 200 millones de años-luz de la Vía Láctea. También es conocido como Abell 1060. En nuestro Universo, las galaxias están gravitacionalmente unidad en cúmulos y, a su vez, estos cúmulos en supercúmulos mucho mayores de muchos miles o cientos de miles de galaxias. La Imagen tiene un diámetro de cera del millón y medio de años-luz.

La gravedad es la gran fuerza estabilizadora del universo. Nunca lo abandona del todo; siempre está actuando, tratando de unir pedazos de materia. En cierto sentido, la historia entera del universo se puede pensar como un último y fútil intento de superar la gravedad. Sería asombroso, dada la naturaleza universal de la fuerza gravitatoria, que no hubiera desempeñado un papel importante en la formación de las galaxias.

Supongamos que el universo ha comenzado como una colección de materia uniformemente emplastada, en la que ninguna parte tenía mayor concentración de materia que otra. En esta situación se podría esperar se que la fuerza de la gravedad tuviera que actuar para unir todo lo que hay en el universo en un imposible sol central. Claro que, una cosa es pensarlo y otra muy distinta es la realidad.

El problema es que en cualquier colección de materia, por uniformemente distribuida que esté, habrá ligeras concentraciones en alguna parte. Incluso, aunque tengamos que descender al nivel microscópico para verlo, el movimiento aleatorio de los átomos resultará al final en un estado de la cuestión en el que hay un pequeño exceso de átomos en algunos puntos y un pequeño déficit en otros.

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No es difícil visualizar lo que pasa a continuación. En un momento dado, el pequeño extra de materia se acumula en alguna parte, bien por causa del movimiento atómico o por alguna otra razón. Debido al momentáneo exceso de materia en ese punto, la fuerza gravitatoria ejercida por los puntos de alrededor. Por consiguiente entrará más masa en el área en que tuvo lugar la concentración original. Con más masa, la concentración puede ejercer todavía más fuerza gravitatoria y atraer todavía más materia hacia ella. No importa lo equitativa que fuera la distribución inicial, una vez que se ha formado la más pequeña concentración, la masa uniforme se romperá en pequeños pedazos cada uno formado alrededor de la concentración original de masa. Esta inestabilidad inherente a una masa de materia fue señalada por primera vez en los años veinte por el astrofísico británico sir James Jeans.

Resultado de imagen de El cúmulo de galaxias Hidra

A primera vista parece un rayo de esperanza. El universo debe romperse en pequeñas unidades de masa, y con suerte, estas unidades se convertirían en galaxias. Incluso resulta que, aunque sólo hemos hablado de un universo, el resultado de Jeans sigue siendo verdad si hay la expansión de Hubble. Pero el problema no es tan sencillo. La misma teoría que nos dice que una distribución uniforme de materia es inestable frente a la rotura de pequeños pedazos, también nos dice cuánto tardará el proceso de rotura.

(Lo que mostró realmente Jeans fue que una masa en gravitación es inestable para la rotura en piezas de cierto tamaño. Si una masa es más pequeña que el pedazo más pequeño en el que puede ser dividida, la masa será estable. En otro caso, se romperá. Esta prueba se conoce como el criterio de Jeans para los expertos tiene una bien conocida fórmula, la longitud de Jeans).

La cuestión viene a ser: ¿pueden actuar las fuerzas gravitatorias con suficiente rapidez después que ha tenido lugar el desplazamiento, para reunir la materia en grupos del tamaño de una galaxia, antes de que la expansión de Hubble ponga todo fuera del alcance? Una de las grandes conmociones para la comunidad astronómica de los años treinta fue que la respuesta a esta pregunta fue un rotundo “¡NO!” Lo que parecía ser el mecanismo más probable para la formación de galaxias –el mecanismo de inestabilidad gravitatoria que acabamos de describir- no funcionará en un universo en expansión.

Quizá este hecho fue lo que condujo a Jeans, al final de su vida, a proponer un universo en el que la materia se iba creando continuamente en los vacíos que dejaba la expansión galáctica. En esta visión, la formación de galaxias es un proceso continuo, no confinado a ningún tiempo particular de la historia del universo. Esta teoría de Jeans que, al final se clasificó como universo estacionario, sería abandonada después de la acumulación de pruebas muy convincentes a favor del big bang.

Resultado de imagen de Big bang

La idea del universo estacionario fue un modelo cosmológico desarrollado en 1948 por Hermann Bondi, Thomas Gold y Fred Hoyle como una alternativa a la teoría del Big Bang que, finalmente, prevalecería como la teoría más probable y la que más se acercaba a la observación del espacio interestelar y que vino a confirmar la radiación de fondo cósmico como la huella dejada por aquella explosión primera.

Todo lo relacionado con la formación de las galaxias resulta muy enigmático y para los entendidos también, ya que, a ciencia cierta, como se pudieron formar… Nadie lo sabe pero, las conjeturas abundan…

Resultado de imagen de ... y se formaron los primeros átomos

Se cree que unos 10.000 años después del Big Bang la temperatura había descendido a unos 100.000 grados centígrados y se formaron los primeros átomos de hidrógeno.

Después de formase los átomos, la situación habría sido marcadamente diferente. El hecho clave aquí es que la radiación no interacciona tan fuertemente con los átomos como con las partículas cargadas en un plasma. Podéis consultar la propia memoria para ver que esta afirmación es cierta. Si habéis estado en la cima de una montaña o de un edificio alto y habéis mirado desde allí al paisaje circundante, probablemente han podido ver lindes, por ejemplo, hasta unos cincuenta o quizá cien km de distancia. En algunos lugares, como las cimas de las montañas que se elevan en el aire límpido del norte de España, pueden ver incluso más lejos.

Pero antes de que vean esas lindes, es necesario que la luz viaje desde el objeto visto hasta su ojo. La simple experiencia de ver a lo lejos, por tanto, nos dice que la luz puede viajar por el aire largas distancias sin ser dispersada o distorsionada. Esto no puede suceder en un plasma. Que suceda en el aire, que está hecho de átomos y moléculas, muestra que la interacción de la luz con esas dos formas de materia debe ser muy diferente.

Resultado de imagen de El en universo primitivo, la materia estaría en forma de plasma

Así que en el universo inicial, la secuencia de los acontecimientos debe haber sido algo así. Hasta unos 100 000 años la materia estaba en forma de plasma y no se podían haber formado objetos del tamaño de una galaxia. A los 200 000 años, los átomos comenzaron a aparecer y la interacción de la luz con la materia comenzó a debilitarse. La formación de los átomos no tuvo lugar de golpe, sino que continuó hasta la cota del millón de años. Entre esos dos momentos, el maquillaje del universo viró desde el plasma a los átomos, y cuando terminó la transición quedaban pocas partículas cargadas libres. La forma dominante de la materia era el

En algún momento durante de la formación de los átomos, la fuerza de la interacción entre la materia y radiación disminuyó hasta el punto en el que la radiación ya no se quedara atrapada dentro del plasma. La radiación circulaba libremente y, desde ese momento en adelante, tuvo poco efecto sobre el proceso de formación de los átomos, la radiación se desparejó la de la materia.

Aunque el desparejamiento fue gradual, me gustaría hacer una referencia ocasional al proceso. Hablaré de él como si hubiera ocurrido hacia la cota de los 500 000 años, pues éste es un número redondo a medio camino de la congelación de los átomos. Esto es simplemente para abreviar; no quiero dar entender que el universo fuera opaco hasta 500 000 años más un segundo.

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He encontrado una analogía muy útil para visualizar el proceso de desparejamiento. Cuando os toméis una bebida, como té helado servida en un vaso alto, observen lo que sucede si remueven el azúcar. Al principio, la bebida se vuelve turbia, porque el azúcar está en forma de terrones relativamente grandes y los terrones grandes dispersan la luz con eficacia. Saben que la dispersión es eficaz porque la luz no puede atravesar todo el vaso, sino que es dispersada. Esta luz dispersa es la que da al té su apariencia turbia. En este estado, el té es análogo al universo antes de la formación de los átomos, cuando la radiación estaba interaccionando con el plasma. Tras unos pocos momentos, el té se vuelve repentinamente transparente de nuevo. Lo que ha sucedido es que el azúcar se ha disuelto y ahora existe en forma de moléculas que interaccionan débilmente con la luz. La luz pasa ahora a través del té sin ser dispersada y la niebla ha desaparecido. Este cambio de turbio a transparente en el té se parece a lo que sucedió en el universo cuando se formaron los átomos. El universo se volvió transparente al despejarse la radiación, y no quedaba nada que contrarrestase la fuerza de la gravedad cohesionando la materia.

Así, la interacción de la radiación y la materia impide el comienzo de procesos que pudieran conducir a las galaxias antes de que el universo tuviera 500 000 años de edad. Esto resulta ser un problema importante, a causa de la lógica que nos dice que las galaxias no tuvieron tiempo de formarse.

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Todo esto de las Galaxias siempre me ha planteado muchas dudas pues, lógicamente, las galaxias no pudieron haberse formado antes que los átomos. Podemos pensar en el Universo durante las primeras etapas de la expansión de Hubble como formado por dos constituyentes: materia y radiación. La materia sufrió una serie de congelaciones al construir gradualmente estructuras más y más complejas. A medida que tienen lugar esos cambios en la forma de la materia, la manera en que interaccionan materia y radiación cambia radicalmente. Esto, a su vez, desempeña un papel fundamental en la formación de galaxias.

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Físicos rusos, fueron los primeros en obtener antimateria con ayuda de la luz

Aquella primera “sopa de plasma primordial” posibilitó que se juntaran protones y neutrones para formar el elemento más simple del Universo: El Hidrógeno. El elemento número uno de la Tabla Periódica que, evolucionado en las estrellas nos lleva a la complejidad de la materia.

La luz y otros tipos de radiación interaccionan fuertemente con partículas libres eléctricamente cargadas, del tipo de las que existen en el plasma que constituía el universo antes de que los átomos se formaran. A causa de esta interacción, cuando la radiación se mueve por el plasma, colisiona con partículas, rebotando y ejerciendo una presión del mismo modo que las moléculas de aire, al rebotar sobre las paredes de un neumático, mantienen el neumático inflado, Si se diese el caso de que una conglomeración de materia del tamaño de una galaxia tratase de formarse antes de la congelación de los átomos, la radiación que traspasaría el material habría destruído el conglomerado. Por la misma razón, la radiación tendería a quedar atrapada dentro de la materia. Si tratase de salir, sufriría colisiones y rebotaría.

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No es fácil sobreestimar la importancia de esta afirmación. Lo que significa es que mientras que la materia permaneció como plasma (es decir, mientras los átomos no se habían congelado) ninguna galaxia podría haberse formado, o ni siquiera empezado a formarse. Se deduce que hubo un período determinado, que comenzó alrededor de los 100.000 años, en el que tuvo lugar la formación de Galaxias. Antes de ese Tiempo, la interacción de la radiación con la materia habría impedido que se formase cualquier cosa como nuestro Universo actual.

El problema de explicar la existencia de la galaxias ha resultado ser uno de los más espinosos de la cosmología. Con todo derecho no deberían estar ahí y, sin embargo, ahí están. Es difícil comunicar el abismo de frustración que este simple hecho produce entre los científicos. Una y otra vez han surgido nuevas revelaciones y ha parecido que el problema estaba resuelto. Cada vez la solución se debilitaba, aparecían nuevas dificultades que nos transportaban al punto de partida.

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Cada pocos años, la American  Physical Society, la Asociación Profesional  de físicos, tienen una sesión en una de sus reuniones en la que los Astrofísicos hablan de los más nuevos métodos de afrontar el problema de las galaxias. Si te molestas en asistir a varias de esas reuniones, dos son las sensaciones contradictorias que te embargan: Por una parte sientes un gran respeto por la ingenuidad de algunas propuestas que son hechas “de corazón” y, desde luego, la otra sensación es la de un profundo escepticismo hacia las ideas que allí se proponen, al escuchar alguna explicación de cómo las turbulencias de los agujeros negros, las explosiones durante la formación de galaxias, los neutrinos pesados y la materia oscura fría resolvía todos aquellos problemas…, puedes llegar a la conclusión de que, en verdad, no sabemos nada y queremos, ocultar nuestra ignorancia con respuestas ¿descabellas? Bueno, algunas veces sí.

Lo cierto es que, a pesar de lo que se pueda leer en la prensa en comunicados oficiales y otros medios, todavía no tenemos ese “bálsamo milagroso” que nos permita responder a una pregunta simple:

¿Por qué está el Universo lleno de galaxias?

emilio silvera