Agujeros Negros Gigantes

Un día de hace ya cerca de veinte años, allá por el año 1996, el pueblo americano escuchaba con asombro a su presidente, Clinton por aquel entonces, que en marte podía existir vida. La noticia de que un antiguo meteorito caído en la Tierra y proveniente de dicho planeta, así parecía confirmarlo al contener fósiles de vida microbiana. Como podréis comprender, aquello impactó en la opinión pública de todo el mundo y, la noticia, fue objeto de todas las primeras planas y también, de todas las conversaciones en los corrillos en el trabajo, en el café, por las calles y en familia. ¡Vida en otro planeta!

Aunque no lo podamos saber todo y no estemos al tanto de lo que pasa en el mundo científico (las noticias saltan cuando hay un descubrimiento relevante), lo cierto es que, durante los últimos años los científicos han llevado a cabo una espectacular puesta al día de sus ideas sobre el origen de la vida. Todos hemos podido leer en los libros de texto que, la vida, comenzó temprano en nuestro planeta. Según todos los indicios (los fósiles encontrados en las rocas más antiguas así lo afirman), la vida ha estado presente en la Tierra desde hace ya unos cuatro mil millones de años.

 

                         

       Encuentran microbios a dos kilómetros bajo tierra en un cráter en EEUU

Parece ahora que los primeros organismos terrestres vivían en el subsuelo profundo al calor de la joven Tierra, enterrados en rocas calentadas geotérmicamente en condiciones similares a las que podríamos encontrar en una olla a presión. Sólo posteriormente migraron estos organismos a la superficie. Sorprendentemente, los descendientes de esos microbios primordiales aún están allí, a kilómetros de profundidad bajo nuestros pies.

Hace algunos años nadie podía sospechar que la vida pudiera estar presente en un ambiente tan inhóspito escondidos en las rocas bajo la superficie de la Tierra y…  ¿de Marte?.

 

                      Fotografía del meteorito ALH 84001

¿Cómo empezó la vida exactamente? ¿Qué procesos físicos químicos pueden transformar la materia “inerte” en un  organismo viv0? Esta compleja pregunta sigue siendo uno de los más grandes misterios de la naturaleza y quizás, el reto científico también mayor. Ejércitos de químicos y biólogos desde hace años, están abordando el complejo problema y tratan de desvelar el secreto tan celosamente guardado por la Naturaleza. Muchos de ellos, han tenido que concluir diciendo que, las leyes de la Naturaleza están predispuestas a favor de la vida y dicen que la vida se formará y surgirá en todos aquellos lugares que tengan las condiciones idóneas para ello.

 

   Vista  microscópica de la estructura interna del ALH 84001

Así que, no sólo en la Tierra o Marte, también la vida podría estar presente en cualquier luna o planeta que, situado en la zona habitable de la estrella que los acoge, con atmósfera y elementos químicos y los demás ingredientes necesarios (Carbono, Hidrógeno, Oxígeno, Nitrógeno…) además de la presencia también de alguna clase de actividad tectónica-volcánica, una capa de ozono, la presencia de gases con efecto invernadero, agua líquida, ¿un planeta gigante?, existencia de un campo magnético…

La tectónica de placas y el vulcanismo activo de nuestro planeta habrían tenido un importante papel para mantener el clima estable. Estos procesos actúan como un gigantesco termostato natural que regula la cantidad de dióxido de carbono de la atmósfera, y manteniendo el efecto invernadero a raya.

Los gases de efecto invernadero tan satanizados hoy en día, son absolutamente imprescindibles para la vida. Los más importantes son el dióxido de carbono, vapor de agua y el metano que atrapan el calor del Sol que de otra forma escaparía al espacio. Sin estos gases en la atmósfera, el planeta entero sería un gigantesco congelador.

La capa de ozono es crítica para las plantas y animales bloqueando la mayor parte de estos nocivos rayos de alta energía procedentes del Sol.

 

                   

 

El agua líquida es absolutamente imprescindible para la vida como la conocemos. Los océanos proporcionan el ambiente líquido perfecto para que proliferen los organisnos vivos. A pesar de todo, existen algunos organismos vivos exóticos capaces de sobrevivir en ambientes mucho más secos. El agua se filtra a gran profundidad en las rocas actuando además como lubricante natural en los movimientos de las placas tectónicas.

Este es uno de los aspectos más importantes para que la vida pueda desarrollarse. La zona habitable de un sistema estelar se suele definir como aquella región del sistema en la que el agua puede existir en forma líquida. Distancias menores a la estrellas provocarían que los océanos hirviesen y se secasen, distancias mayores causarían que los océanos se congelasen.

 

                                                           

 

Algunos científicos opinan que la existencia de un planeta masivo como Júpiter en nuestro Sistema solar solar protege a la Tierra de impactos de asteroides y cometas. Júpiter actuaría como un escudo, absorbiendo la mayoría de impactos de asteroides y cometas, capaces de provocar una enorme destrucción en la biosfera.

Un planeta habitable necesitaría un campo magnético capaz de protegerlo de la embestida de partículas cargadas del viento estelar desviando la corriente. Sin la presencia de un campo magnético, el viento solar o estelar podría arrancar la atmósfera del planeta que escaparía al espacio. Un campo magnético también protege de la radiación cósmica…

 

                               

La creencia en que la vida está inscrita en las leyes de la Naturaleza trae un débil eco de una era religiosa pasada, de un universo concebido para ser habitado por criaturas vivas. Muchos científicos menosprecian tales ideas, e insisten en que el origen de la vida  fue un accidente anómalo de la química que sólo se dio en la Tierra; y que la posterior emergencia de organismos complejos, incluyendo los seres conscientes, es así mismo un resultado puramente fortuito de una gigantesca lotería cósmica. En este debate está en juego el lugar mismo de la Humanidad en el Cosmos: ¿Quiénes somos y dónde encajamos dentro del gran esquema?

 

                                   

 

Bueno, ahora estamos vigilantes y queremos desvelar ese misterio. En cuanto a que todo esto es el resultado de una gran lotería cósmica… me parece que no. En una lotería sale un número y, sin embargo, en lo relativo a la vida, sabemos que actualmente sólo viven en nuestro planeta aproximadamente un uno por ciento de todas las especies que lo han poblado a lo largo de su existencia. Y, si es así (que lo es), ¿como es posible esa diversidad de criaturas en un caso fortuito? ¿No será más lógico pensar que, la vida, es consustancial de la dinámica del Universo?

Hemos conformado un modelo del universo y de él partimos para poder explicar su Historia. Hemos inventado un Big Bang que, en parte, nos explica el suceso de la presencia del universo y de cómo pudo surgir. Su nacimiento explosivo estuvo acompañado por un inmenso destello de calor intenso. Durante la primera fracción se segundo emergieron las fuerzas físicas básicas y las partículas fundamentales de la materia. Al cabo de este primer segundo, los materiales esenciales del Cosmos ya estaban formados. El espacio está repleto por todas partes de una sopa de partículas subatómicas -protones, neutrones y electrones– bañadas en radiación a una temperatura de diez mil millones de grados.

 

 

Bueno, lo que en realidad estamos llamando el principio aquí es el universo cuando la temperatura rondaba los 100,000,000,000 K. El universo ya había existido al menos por una pequeña fracción de segundo y estaba dominado por radiación con unas pequeñas trazas de materia. La radiación estaba en forma de fotones, neutrinos y antineutrinos. La materia estaba en forma de electrones, positrones y una pequeña concentración de protones y neutrones (denominados nucleones) – aproximadamente un nucleón por cada 1,000 millones de partículas-.

 

         

 

A estas temperaturas y densidades tan extremas (la densidad equivalía a unos 3.800 millones de veces la densidad del agua), todas estas entidades se comportan como partículas. Eso significa que están todo el tiempo colisionando entre ellas, casi como lo harían un montón de canicas que estuvieran bien empaquetadas en un container. En el universo primitivo no existían “paredes” físicas que contuvieran a esas partículas, sino que el elevado número de colisiones y la rapidez de éstas jugaban perfectamente el papel de “paredes del universo”. Sin embargo, esas “paredes” no eran estáticas, sino que a medida que se producían las colisiones el universo aumentaba de tamaño. La expansión del universo producía una disminución de la densidad de energía que tenía que distribuirse en un volumen cada vez mayor. Este proceso implicaba a su vez una disminución de la temperatura del universo, proceso que continúa ocurriendo hoy en día.

 

                       

 Las colisiones entre partículas tenían tres importantes consecuencias. La primera es que el universo estaba en equilibrio térmico. Para dar al lector una idea de lo que esto significa, vamos a fijarnos en un vaso de agua a 40 grados. La temperatura de un objeto es una medida de la energía media del movimiento (energía cinética) de sus moléculas. Pero no todas las moléculas la misma energía cinética correspondiente a una temperatura de 40 grados, sino que existen moléculas con menos energía y moléculas con más energía.

PRIMER CAMINO

Los núcleos de deuterio colisionan con un protón formando ³He, y seguidamente con un neutrón formando ⁴He

SEGUNDO CAMINO

El deuterio colisiona primero con un neutrón formando ³H (habitualmente conocido como tritio), y posteriormente con un protón para formar de nuevo ⁴He

Este núcleo fue el más pesado que se formó en el universo primitivo, debido a que en el momento en que esto fue posible, la densidad de energía ya era demasiado baja para permitir que los núcleos colisionarán con suficiente energía para fundirse. En el momento en que comenzó la nucleosíntesis, la abundancia relativa de protones y neutrones era: 13% de neutrones y 87% de protones. Todos los neutrones fueron utilizados para formar los núcleos de Helio. Los protones quedarían de esa manera como núcleos de hidrógeno. Por lo tanto, tenemos que en el momento en que se completó la nucleosíntesis primigenia, el universo consistía en prácticamente un 25% de He y un 75% H (en peso) con ligeras trazas de otros elementos ligeros.

El paso final en la formación de los elementos fue la captura de los electrones libres por parte de los núcleos para formar los átomos neutros (proceso conocido curiosamente como recombinación a pesar de que es la primera vez que se ligaban electrones y núcleos).

Pero los electrones tenían aún suficiente energía para y el proceso de recombinación no ocurriría de forma masiva hasta que transcurrieran unos 700,000 años. La captura de los electrones para formar los átomos tuvo una consecuencia importantísima: sin electrones libres, la radiación electromagnética (los fotones) ya no tenían con quién interactuar y el universo se volvería transparente al paso de ésta. Esto significó que los fotones serían capaces de expandirse junto con el universo. Esos fotones que acabaron por ser libres tenían energías altísimas que se traducía en longitudes de onda muy cortas. Pero la expansión del universo causó el alargamiento de esta longitud de onda. Esos fotones de longitud de onda alargada debida a la expansión son a los que nos referimos cuando hablamos del fondo de microondas. Éste es un remanente del Big Bang. Hemos sido capaces de medir la intensidad de este fondo de radiación que se ajusta casi perfectamente a lo que predicen los cálculos teóricos. Ésta ha sido una de las evidencias más rotundas a favor de la imagen del universo que proporciona el modelo del Big Bang.

 

                                                               

 

Unos doscientos millones de años más tarde de todos aquellos sucesos, el universo estaba más frío y los átomos se unieron para formar las primeras estrellas que comenzaron a brillar en el espacio interestelar del joven universo. Así, durante diez mil millones de años, se fueron transmutando nuevos materiales en los nucleares, las estrellas masivas habían explosionado y dejado el rastro de nubes moleculares gigantescas, nacieron nuevas estrellas de II generación situadas en Sistemas solares que posibilitaron, presididos por una estrella mediana, amarilla de la clase G2V, que en un planeta situado a la distancia adecuada y con todos los ingredientes y parámetros necesarios, surgieran seres vivios a partir de la materia “inerte” evolucionada y, en alguna de aquellas especies, cuatro mil años más tarde, se llegó a adquirir la conciencia.

Personajes como Fred Hoyle, Brandon Carter, Eugene Wigner, Erwin Schrödinger, Martin Rees, Bernard Carr, Freeman Dyson y Tommy Gold, Lewis Wolpert y Sydney Brenner, Jhon Coway y Manfred Eigen y Grahan Cairns-Smith. Todos ellos grandes especialistas en sus campos que abarcaban desde la biología, las matemáticas, la genética hasta la astronomía y la astrofísica…Todos ellos y más tarde otros,  como Carl Sagan, creyeron ciegamente en la existencia de la vida por todo el universo. Para ellos (y para mí también), era una regla inamovible y consustancial con la dinámica y el ritmo que marca el Universo para que la Vida, esté en él presente.

 

La historia científica de la vida es una narración apasionante que, correctamente explicada, nos ayuda a comprender no sólo nuestro pasado biológico sino también la Tierra y toda la vida que nos rodea en la actualidad. Esa diversidad biológica es el producto de casi cuatro mil millones de años de evolución. Somos parte de ese legado; al intentar comprender la historia evolutiva de la vida, comenzamos a entender nuestro propio lugar en el mundo y nuestra responsabilidad como administradores de un planeta que nos dio cobijo y al que nos tuvimos que adaptar lo mismo que él, el planeta, se adaptó a la presencia de la vida que, de alguna manera cambió su entorno climático, precisamente debido, a esa presencia viviente que generó las precisas condiciones para poder estar aquí.

La historia de la vida tiende a relatarse (no pocas veces) al estilo de la genealogía de Abraham: las bacterias engendraron a los protozoos, los protozoos engendraron a los invertebrados, los invertebrados engendraron a los peces, y así sucesivamente. Tales listas de conocimientos adquiridos pueden memorizarse, pero no dejan mucho espacio para pensar. La cuestión no es tan sencilla y los descubrimientos de la paleontología, la más tradicional de las empresas científicas, se entrelazan con nuevas ideas nacidas de la biología molecular y la geoquímica.

 

                                                                           

Los huesos de los Dinosaurios son grandes y espectaculares y hacen que los que los contemplan (niños y mayores), abran los ojos como platos, asombrados de tal maravilla. Pero, aparte del tamaño de sus habitantes, el mundo de los dinosaurios se parecía mucho al nuestro. Contrasta con él la historia profunda de la Tierra, que nos cuentan fósiles microscópicos y sutiles señales químicas y que es, pese a ello, un relato dramático, una sucesión de mundos desaparecidos que, por medio de la transformación de la atmósfera y una evolución biológica, nos llevan hacia el mundo que conocemos hoy.

Pero, ¿cómo podemos llegar a comprender acontecimientos que se produjeron hace mil millones de años o más? Una cosa es aprender que en las llanuras mareales de hace mil quinientos millones de años vivían bacterias fotosintéticas, y otra muy distinta cómo se infiere que unos fósiles microscópicos pertenecen a bacterias fotosintéticas, cómo se averigua que las rocas que los rodean se formaron en antiguas llanuras mareales y cómo se estima su edad en mil quinientos millones de años.

                                                         

                                           

El proceso mediante el cual la fuerza nuclear fuerte se congela es un ejemplo de un cambio de fase, similar en muchos aspectos a la congelación del agua. Cuando el agua se convierte en hielo, se expande; una botella de leche explotará si se deja en el exterior una noche fría del crudo invierno. No debería ser demasiado sorprendente que el universo se expanda del mismo modo al cambiar de fase.

Lo que sí sorprende es la enorme magnitud de la expansión. El tamaño del universo aumentó en un factor no menor de 10⁵⁰. Este número es tan inmenso que virtualmente no tiene significado para la mayoría de la gente. Y es lógico que así sea, ya que, si su altura aumentase de repente en un factor tan grande como ése, se extendería de un extremo del universo al otro y les faltaría sitio. Incluso un solo protón de un solo átomo de su cuerpo, si sus dimensiones aumentaran en 10⁵⁰, sería mayor que el universo.

En 10^-35 segundos, el universo pasó de algo con un radio de curvatura mucho menor que la partícula elemental más pequeña a algo con el tamaño de una buena naranja. No es extraño que el nombre inflación esté ligado a este proceso en un cambio de fase tan descomunalmente inusual.

Todas estas ideas han dado lugar a que los científicos se planteen el problema de la clase de universo en el que vivimos, y, se ha llegado a la conclusión de que será el que determine la cantidad de materia que contenga, es decir, conforme lo determine Ω, signo que significa toda la masa que contiene el universo y que será la que determine su geometría final y también, qué clase de final le espera en función de ese parámetro que llamamos Densidad Crítica del Universo y que según las medidas más afinadas está en 10^-29 g/cm³.

                                       

Claro que cuando uno lee estas cosas y le dicen que el universo sufrió una expansión de tal magnitud, no se puede sustraer a la pregunta: ¿No violaría un crecimiento tan rápido las reglas de Einstein contra viajar más rápido que la luz? Si un cuerpo material viajó de un extremo de una naranja al otro en 10^-35 segundos, su velocidad excedió la de la luz en una cantidad muy considerable.

                           

                                El Universo se expande y lleva en volandas a las galaxias

Claro que la respuesta a tal objeción la podemos encontrar, de manera simple y sencilla, en un globo que tiene dibujadas algunas galaxias. A medida que le añadimos aire y el globo se hincha (se expande), podemos apreciar cómo las galaxias se van separando las unas de las otras. Sin embargo, no son las galaxias las que viajan velozmente a medida que el aire entra en el globo, sino que es, el espacio mismo dentro del globo el que se infla haciendo que las galaxias se muevan y dando la sensación de que son éstas las que corren, cuando, en realidad, es el espacio el que se está expandiendo.

                               

Ningún cuerpo material, ninguna de las galaxias se mueve a altas velocidades en el espacio. Las reglas contra el viaje a velocidad mayor que la luz sólo se aplica al movimiento dentro del espacio, no al movimiento del espacio mismo. Así que, nunca se ha violado la regla impuesta por la relatividad especial y la velocidad de la luz es una constante del universo inviolable.

                                   

La consecuencia de la rápida expansión se puede describir mejor con referencia a la visión einsteniana de la gravitación. Antes de que el universo tuviera 10^-35 segundos de edad, es de suponer que había algún tipo de distribución de la materia (su forma precisa no importa). A causa de esta materia, el espacio-tiempo tendrá alguna forma característica. Podríamos suponer que estaba algo arrugado, es decir, no era uniforme y en presencia de materia se curvaba en función de la masa allí presente. Pero llegó la inflación y comenzó una especie de estiramiento del espacio-tiempo que dejó al universo como lo podemos ver hoy, es decir, según la materia que parece que contiene, es casi perfectamente plano por lo general.

 

Se ha tratado de medir la Densidad Crítica del Universo para poder saber en qué clase de universo estamos y, parece que es plan, siendo la Densidad Crítica de materia cercana a la ideal.

Universo cerrado

Si Ω>1, entonces la geometría del espacio sería cerrada como la superficie de una esfera. La suma de los ángulos de un triángulo exceden 180 grados y no habría líneas paralelas. Al final, todas las líneas se encontrarían. La geometría del universo es, al menos en una escala muy grande, elíptico.

En un universo cerrado carente del efecto repulsivo de la energía oscura, la gravedad acabará por detener la expansión del universo, después de lo que empezará a contraerse hasta que toda la materia en el universo se colapse en un punto. Entonces existirá una singularidad final llamada el Big Crunch, por analogía con el Big Bang. Sin embargo, si el universo tiene una gran suma de energía oscura (como sugieren los hallazgos recientes), entonces la expansión será grande.

 

 

                 Universo abierto

Si Ω<1, la geometría del espacio es abierta, p.ej., negativamente curvada como la superficie de una silla de montar. Los ángulos de un triángulo suman menos de 180 grados (llamada primera fase) y las líneas paralelas no se encuentran nunca equidistantes, tienen un punto de menor distancia y otro de mayor. La geometría del universo sería hiperbólica.

Incluso sin energía oscura, un universo negativamente curvado se expandirá para siempre, con la gravedad apenas ralentizando la tasa de expansión. Con energía oscura, la expansión no sólo continúa sino que se acelera. El destino final de un universo abierto es, o la muerte térmica” o “Big Freeze” o “Big Rip”,  dónde la aceleración causada por la energía oscura terminará siendo tan fuerte que aplastará completamente los efectos de las fuerzas gravitacionales, electromagnéticas y los enlaces débiles.

                           Universo plano

 

Si la densidad media del universo es exactamente igual a la densidad crítica tal que Ω=1, entonces la geometría del universo es plana: como en la geometría ecuclidiana,  la suma de los ángulos de un triángulo es 180 grados y las líneas paralelas nunca se encuentran.

Sin energía oscura, un universo plano se expande para siempre pero a una tasa continuamente desacelerada: la tasa de expansión se aproxima asintóticamentre a cero. Con energía oscura, la tasa de expansión del universo es inicialmente baja, debido al efecto de la gravedad, pero finalmente se incrementa. El destino final del universo es el mismo que en un universo abierto, la muerte caliente del universo, el “Big Freeze” o el “Big Rip”. En 2005, se propuso la teoría del destino del universo Fermión-Bosón,  proponiendo que gran parte del universo estaría finalmente ocupada por condensado de Bose-Einstein  y la quasipartícula análoga al fermión,  tal vez resultando una implosión. Muchos datos astrofísicos hasta la fecha son consistentes con un universo plano.

 

En un Universo abierto, la relatividad general predice que el Universo tendrá una existencia indefinida, pero con un estado donde la vida que se conoce no puede existir. Bajo este escenario, la energía oscura causa que las tasa de expansión del universo se acelere.  Llevándolo al extremo, una aceleración de la expansión eterna significa que toda la materia del Universo, empezando por las galaxias y eventualmente todas las formas de vida, no importa cuán pequeñas sean, se disgregarán en partículas elementales  desligadas. El estado final del Universo es una singularidad, ya que la tasa de expansión es infinita.

La teoría del Big Crunch es un punto de vista simétrico del destino final del Universo. Justo con el Big Bang empezó una expansión cosmológica, esta teoría postula que la densidad media del Universo es suficiente para parar su expansión y empezar la contracción. De ser así, se vería cómo las estrellas tienden a ultravioleta, por efecto Doppler.  El resultado final es desconocido; una simple extrapolación sería que toda la materia y el espacio-tiempo en el Universo se colapsaría en una singularidad espaciotemporal adimensional, pero a estas escalas se desconocen los efectos cuánticos necesarios para ser considerados -se aconseja mirar en Gravedad-Cuántica-..

Este escenario permite que el Big Bang esté precedido inmediatamente por el Big Crunch de un Universo precedente. Si esto ocurre repetidamente, se tiene un universo oscilante. El Universo podría consistir en una secuencia infinita de Universos finitos, cada Universo finito terminando con un Big Crunch que es también el Big Bang del siguiente Universo. Teóricamente, el Universo oscilante no podría reconciliarse con la segunda ley de la termodinámica:

la entropía aumentaría de oscilación en oscilación y causaría la muerte caliente. Otras medidas sugieren que el Universo no es cerrado. Estos argumentos indujeron a los cosmólogos a abandonar el modelo del Universo oscilante. Una idea similar es adoptada por el modelo cíclico, pero esta idea evade la muerte caliente porque de una expansión de branas se diluye la entropía acumulada en el ciclo anterior.

Como podéis comprobar por todo lo anteriormente leído, siempre estamos tratando de saber en qué universo estamos y pretendemos explicar lo que pudo pasar desde aquel primer momento que no hemos podido comprender de manera exacta y científicamente autosuficiente para que sea una ley inamovible del nacimiento del universo. Simplemente hemos creado modelos que se acercan de la mejor manera a lo que pudo ser y a lo que podría ser.

 

                     

Cuando pasen algunos miles de millones de años más, no sabemos que será del Universo ni que rumbo habrán tomado las cosas, toda vez que, el Universo es dinámico y cambiante. Si todo sigue como ahora lo podemos contemplar, lo que parece es que vamos, sin remisión, hacia una muerte térmica del Universo en el que el espacio continuará expandiéndose y las galaxias se alejarán las unas de las otras hasta que, la entropía deje sin energía a todo el universo que, como sistema cerrado, se verá abocado a quedar estático, en el frío más profundo de los -273,15 ºC. Allí, entonces, nada se moverá, ni los átomos tendrán la posibilidad de que sus componentes se muevan.

Claro que, nada de todo lo anterior… ¡lo podemos asegurar!

emilio silvera