Se descubrieron rayos cósmicos de un misterioso objeto cercano

Investigadores descubrieron un enigmático exceso de electrones de alta energía que bombardean la Tierra desde el espacio. Aún se desconoce cuál es la fuente de estos rayos cósmicos.

Un equipo internacional de investigadores ha descubierto un enigmático exceso de electrones que bombardean la Tierra desde el espacio. Se desconoce cuál es la fuente de estos rayos cósmicos, pero debe de estar cerca del sistema solar y podría estar hecha de materia oscura. Los resultados del descubrimiento se informan en el ejemplar del 20 de noviembre de la revista Nature.

“Este es un gran descubrimiento”, dice el coautor del informe John Wefel, de la Universidad Estatal de Louisiana. “Es la primera vez que vemos una fuente discreta de rayos cósmicos acelerados que se destacan sobre el fondo galáctico”.

Los rayos cósmicos galácticos son partículas subatómicas aceleradas a casi la velocidad de la luz por explosiones de supernovas distantes y por otros sucesos violentos. Dichos rayos viajan por toda la Vía Láctea, formando una nube de partículas de alta energía que ingresa al sistema solar desde todas direcciones. Los rayos cósmicos están compuestos principalmente por protones y núcleos atómicos más pesados con una “pizca” de electrones y fotones que “condimentan” la mezcla.

Para estudiar los rayos cósmicos más poderosos e interesantes, Wefel y algunos colegas han pasado los últimos ocho años haciendo volar una serie de globos a través de la estratosfera, sobre la Antártida. En todas esas oportunidades, la carga útil fue un detector de rayos cósmicos financiado por la NASA, llamado ATIC (sigla que en idioma inglés significa: Advanced Thin Ionization Calorimeter o Calorímetro Avanzado de Baja Ionización, en idioma español). El equipo esperaba que el ATIC llevará la cuenta de la mezcla usual de partículas, principalmente de protones e iones, pero el calorímetro descubrió algo extra: abundancia de electrones de alta energía.

Wefel compara esto con conducir por una carretera entre sedanes, furgonetas y camiones, cuando de repente una gran cantidad de Lamborghini irrumpen en el tránsito normal. “Uno no espera ver tantos automóviles de carrera en el camino, o tantos electrones de alta energía en la mezcla de rayos cósmicos”. Durante cinco semanas, en las cuales se lanzaron globos, en 2000 y 2003, el ATIC contó 70 electrones en exceso en el rango de energía de 300-800 GeV. (“Exceso” significa sobre y por arriba de la cantidad usual esperada del fondo galáctico.) Setenta electrones puede no sonar como una gran cantidad pero, al igual que setenta Lamborghini en la carretera, es un exceso significativo.

“La fuente de estos exóticos electrones debe de estar relativamente cerca del sistema solar —a no más de un kiloparsec de distancia”, dice el coautor de la investigación, Jim Adams, del Centro Marshall para Vuelos Espaciales (Marshall Space Flight Center, en idioma inglés), de la NASA.

¿Por qué debe de estar cerca la fuente? Adams explica: “Los electrones de alta energía pierden energía rápidamente conforme vuelan a través de la galaxia. Se desprenden de la energía principalmente de dos maneras: (1) cuando colisionan con protones de menor energía, en un proceso llamado dispersión inversa de Compton y (2) cuando irradian parte de su energía moviéndose en forma de espiral a través del campo magnético de la galaxia”. Para cuando un electrón ha viajado un kiloparsec completo, ya no es de tan ‘alta energía’.

Por lo tanto, los electrones de alta energía son locales. Algunos miembros del equipo de investigación creen que la fuente podría estar a menos de unos cientos de parsecs de distancia. A modo de comparación, el disco de la galaxia espiral denominada Vía Láctea mide cerca de treinta mil parsecs de ancho. (Un parsec es equivale a aproximadamente tres años luz.)

“Lamentablemente”, dice Wefel, “no podemos ubicar la fuente en el cielo”. Aunque el ATIC mide la dirección de las partículas que ingresan, es difícil traducir esos ángulos de ingreso a coordenadas celestes. En primer lugar, el detector estaba alojado en una canasta de un globo que se balanceaba alrededor del Polo Sur en un vórtice turbulento de vientos de gran altitud; eso hace que sea difícil ubicar la fuente. Además, las direcciones de los electrones que ingresan han sido revueltas hasta cierto punto por los campos magnéticos galáticos. “Lo mejor que el ATIC podría esperar es medir una anisotropía general —un lado del cielo respecto del otro “.

Esta inexactitud da rienda suelta a la imaginación. Las posibilidades menos exóticas incluyen, por ejemplo, un pulsar cercano, un ‘microcuasar’ o un agujero negro de masa estelar (todos ellos son capaces de acelerar electrones a estas energías). Es posible que una fuente de este tipo merodee no muy lejos sin ser detectada. El recientemente lanzado Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi, de la NASA, está apenas comenzando a examinar el cielo con suficiente sensibilidad como para revelar algunos de estos objetos.

Una posibilidad aún más tentadora es la materia oscura.

Existe una clase de teorías físicas llamadas “teorías de Kaluza-Klein” que busca conciliar la gravedad con otras fuerzas fundamentales, y lo hace proponiendo dimensiones extra. Además de la familiar tridimensión de la experiencia humana, podría haber hasta ocho dimensiones más tejidas en el espacio que nos rodea. Una explicación popular sobre la materia oscura, que todavía no ha sido demostrada, es que las partículas que la forman habitan las dimensiones extra. Nosotros sentimos su presencia mediante la fuerza de gravedad, pero no las detectamos de ninguna otra manera.

¿Cómo es que esto produce rayos cósmicos en exceso? Las partículas de Kaluza-Klein tienen la curiosa propiedad (una de muchas) de ser sus propias antipartículas. Cuando dos de ellas colisionan, se aniquilan mutuamente, produciendo de este modo un rocío de fotones y electrones de alta energía. Sin embargo, los electrones no se pierden en dimensiones escondidas sino que se materializan en las 3 dimensiones del mundo real donde el ATIC puede detectarlas como “rayos cósmicos”.

“Nuestros datos podrían ser explicados por una nube o grumo de materia oscura en los alrededores del sistema solar”, dice Wefel. “En particular, existe una hipotética partícula Kaluza-Klein con una masa cercana a los 620 GeV que, al ser aniquilada, debería producir electrones con el mismo espectro de las energías que observamos”.

El hecho de poner a prueba esta posibilidad no es menor porque la materia oscura es muy, bueno, oscura. Pero puede ser posible encontrar la nube buscando otros productos de la aniquilación, tales como los rayos gamma. De nuevo, el Telescopio Espacial Fermi puede tener la mejor oportunidad de ubicar la fuente.

“Sea lo que sea”, dice Adams, “va a ser increíble”.

Para obtener más información acerca de esta investigación, consultar “Un exceso de electrones de rayos cósmicos a energías de 300-800 GeV” (“An excess of cosmic ray electrons at energies of 300-800 Gev”), por J. Chang y colaboradores, en el ejemplar del 20 de noviembre de 2008, de Nature.

Fuente: NASA

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 En astronomía, el vacío está referido a regiones del espacio con menor contenido de Galaxias que el promedio o ninguna galaxia.  También le solemos llamar vacío cósmico.  Han sido detectados vacíos con menos de una décima de la densidad promedio del Universo en escalas de hasta 200 millones de años-luz en exploraciones a gran escala.

Estas regiones son a menudos (aunque no siempre) esféricas.  El primer gran vacío en ser detectado fue el de Boötes en 1.981; tiene un radio de unos 180 millones de a.l. y su centro se encuentra a aproximadamente 500 millones de a.l. de la Vía Láctea.  La existencia de grandes vacíos me sorprende a la comunidad de astrónomos, dada la existencia de cúmulos de galaxias y supercúmulos a escalas muy grandes.

Claro que, según creo yo personalmente, ese vacío, finalmente, resultará que esta demasiado lleno, hasta el punto de que, su contenido, nos manda mensajes que, aunque hemos captado, no sabemos descifrar. Cuándo esté totalmente preparado para ello, os lo contaré, el mensaje permanece escondido fuera de nuestra vista.*

Sabemos referirnos al producto o cociente de las unidades físicas básicas, elevadas a las potencias adecuadas, en una cantidad física derivada.  Las cantidades físicas básicas de un sistema mecánico son habitualmente la masa (M), la longitud (L) y el tiempo (T).  Utilizando estas dimensiones, la velocidad que es una unidad física derivada, tendrá dimensiones L/T y la aceleración tendrá dimensiones L/T². Como la fuerza es el producto de una masa por una aceleración, la fuerza tiene dimensiones MLT^-2.  En electricidad, en unidades SI, la corriente, l, puede ser considerada como dimensionalmente independiente y las dimensiones de los demás unidades eléctricas se pueden calcular a partir de las relaciones estándar.  La carga, por ejemplo, se puede definir como el producto de la corriente por el tiempo.  Por tanto, tiene dimensión IT.  La diferencia de potencia está dada por la relación P=Vl, donde P es la potencia.  Como la potencia es la fuerza x distancia de dividir el tiempo (MLT²xLxT^-1=ML²T³), el voltaje V está dado por V=ML²T³l^-1.  Así queda expresado lo que en física se entiende por dimensiones referido al producto o cociente de las cantidades físicas básicas (como dijimos al principio.)

Pero volvamos de nuevo a las fluctuaciones de vacío que, al igual que las ondas “reales” de energía positiva, están sujetas a las leyes de la dualidad onda/partícula; es decir, tienen tanto aspectos de onda como aspectos de partícula.

Las ondas fluctúan de forma aleatoria e impredecible, con energía positiva momentáneamente aquí, energía negativa momentáneamente allí, y energía cero en promedio.  El aspecto de partícula está incorporado en el concepto de partículas virtuales, es decir, partículas que pueden nacer en pares (dos partículas a un tiempo), viviendo momentáneamente de la energía fluctuacional tomada prestada de regiones “vecinas del espacio”, y que luego se aniquilan y desaparecen, devolviendo la energía a esas regiones vecinas. 

Si hablamos de fluctuaciones electromagnéticas del vacío las partículas virtuales son fotones virtuales; en el caso de fluctuaciones de la Gravedad en el vacío, son gravitones virtuales.

Claro que, en realidad, sabemos poco de esas “regiones vecinas” de las que tales fluctuaciones toman la energía.

¿Qué es lo que hay allí? ¿Está en esa región la tan buscada partícula de Higgs?

En realidad sabemos que las fluctuaciones de vacío son, para las ondas electromagnéticas y gravitatorias, lo que “los movimientos de degeneración claustrofóbicos” son para los electrones.

Si confinamos un electrón a una pequeña región del espacio, entonces, por mucho que un trate de frenarlo y detenerlo, el electrón está obligado por las leyes de la mecánica cuántica a continuar moviéndose aleatoriamente, de forma impredecible. 

Este movimiento de degeneración claustrofóbico que produce la presión mediante la que una estrella enana blanca se mantiene contra su propia compresión gravitatoria o, en el mismo caso, la degeneración de los neutrones, mantiene estable a la estrella de neutrones que, obligada por la fuerza que se genera de la degeneración de los neutrones, es posible frenar la enorme fuerza de gravedad que está comprimiendo a la estrella.

De la misma forma, si tratamos de eliminar todas las oscilaciones electromagnéticas o gravitatorias de alguna región del espacio, nunca tendremos éxito.  Las leyes de la mecánica cuántica insisten en que siempre quedarán algunas oscilaciones aleatorias impredecibles, es decir, algunas ondas electromagnéticas y gravitatorias aleatorias e impredecibles.

Estas fluctuaciones del vacío no pueden ser frenadas eliminando su energía (aunque algunos estiman que, en promedio, no contienen energía en absoluto).

Claro que, como antes decía, aún nadie ha podido medir de ninguna manera la cantidad real de energía que se escapa de ese supuesto “vacío”, como tampoco se ha medido la cantidad de fuerza gravitatoria que puede salir de ese mismo espacio “vacío”.

Si la energía es masa y si la masa produce gravedad, entonces ¿Qué es lo que hay en ese mal llamado “espacio vacío”?

No puedo contestar de momento esa pregunta, sin embargo, parece que no sería un disparate pensar en la existencia allí, de alguna clase de materia que, desde luego, al igual que la bariónica que sí podemos ver, genera energía y ondas gravitacionales que, de alguna manera que aún se nos oculta, escapa a nuestra vista y solo podemos constatar sus efectos al medir las velocidades a que se alejan las galaxias unas de otras: velocidad de expansión del Universo que no se corresponde en absoluto, con la masa y la energía que podemos ver.

Estoy atando cabos sueltos, uniendo piezas y buscando algunas que están perdidas de tal manera que, por mucho que miremos, nunca podremos ver.  El lugar de dichas piezas pérdidas no está en nuestro horizonte y se esconde más allá de nuestra percepción sensorial.

Estamos en un momento crucial de la Física, las matemáticas y la cosmología, y debemos, para poder continuar avanzando, tomar conceptos nuevos que, a partir de los que ahora manejamos, nos permitan traspasar los muros que nos están cerrando el paso para llegar a las supercuerdas, a la materia oscura o a una teoría cuántica de la gravedad que, también está implícita en la teoría M.

Estamos anclados, necesitamos nuevas y audaces ideas que puedan romper las cadenas “virtuales” que atan nuestras mentes a ideas del pasado.

En su momento, esas ideas eran perfectas y cumplieron su misión.  Sin embargo, ahora no nos dejan continuar y debemos preparar nuestras mentes para evolucionar hacia nuevos conceptos y ahondar en aquellos que, aún estando ahí presentes, no somos capaces de utilizar, como por ejemplo, el Hiperespacio de tan enorme importancia en el futuro de la Humanidad.

Cuándo sepamos “ver” dimensiones más altas, todo será mucho más sencillo y encontraremos las respuestas a los problemas que hoy, no sabemos resolver. Sin embargo, esas domensiones más altas requieren disponer de energías que, en este momento, no tenemos y cuyos parámetros alcanzan la energía de Planck de 10 exp. 19 GeV.

emilio silvera

            emilio silvera

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Cuando pensamos en la edad y el tamaño del universo lo hacemos generalmente utilizando medidas de tiempo y espacio como años, kilómetros o años-luz. Como ya hemos visto, estas medidas son extraordinariamente antropomórficas. ¿Por qué medir la edad del universo con un “reloj” que hace “tic” cada vez que nuestro planeta completa una órbita alrededor de su estrella madre, el Sol? ¿Por qué medir su densidad en términos de átomos por metro cúbico? Las respuestas a estas preguntas son por supuesto la misma: porque es conveniente y siempre lo hemos hecho así.

Ésta es una situación en donde resulta especialmente apropiado utilizar las unidades “naturales”; la masa, longitud y tiempo de Stoney y Planck, las que ellos introdujeron en la ciencia física para ayudarnos a escapar de la camisa de fuerza que suponía la perspectiva centrada e el ser humano.

Es fácil caer en la tentación de mirarnos el ombligo y no hacerlo al entorno que nos rodea. Muchas más cosas habríamos evitado y habríamos descubierto si por una sola vez hubiésemos dejado el ego a un lado y, 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

Vemos así que la bajísima 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 Planck

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Universos múltiples y la función de onda del Universo

¿Quién no conoce al cosmólogo Stephen Hawking que, privado de sus cuerdas vocales, incapaz de sujetar un lápiz, utiliza dispositivos mecánicos para comunicarse y realiza todos los cálculos en su cabeza?

Pues, este señor en sillita de ruedas no sólo lleva a la práctica un intenso programa de investigación, sino que, además, le queda tiempo libre para escribir libros de éxito, tales como Historia del Tiempo y otros, además de dar conferencias por todo el mundo y ocupar la cátedra lucasiana de Cambridge que un día fue de Isaac Newton, donde imparte clases de física.

Hawking, junto con su amigo Kip S. Thorne, es uno de los mayores expertos mundiales en el conocimiento de la relatividad general y de los agujeros negros.

Tampoco Stephen Hawking, como antes le ocurrió a Einstein, ha podido resistir la tentación de embarcarse en la mayor búsqueda jamás soñada por un físico, la unificación final de la teoría de la gravedad de Einstein y la teoría cuántica. Como resultado, también él se ha sentido maravillado por la coherencia de la teoría decadimensional, y de hecho cierra su conocido libro con un análisis de la misma.

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Hasta hoy no se ha logrado, ni mucho menos, inventar una teoría de campo que incluya la gravedad. Se han dado grandes pasos, pero la brecha “científicounificante” es aún muy grande. El punto de partida, la base, ha sido siempre la relatividad y conceptos en ella y con ella relacionados, por la excelencia que manifiesta esa teoría para explicar la física gravitatoria cósmica. El problema que se plantea surge de la necesidad de modificar esta teoría de Einstein sin perder por ello las predicciones ya probadas de la gravedad a gran escala y resolver al mismo tiempo el problema de la gravedad cuántica en distancias cortas y de la unificación de la gravedad con las otras fuerzas de la naturaleza. Desde la primera década del siglo XX se han realizado intentos que buscan la solución a este problema, y que han despertado gran interés.

Después de la explosión científica que supuso la teoría de la relatividad general de Einstein que asombró al mundo, surgieron a partir e inspiradas por ella, todas esas otras teorías que antes he mencionado desde la teoría Kaluza-Klein a la teoría M.

Es de enorme interés el postulado que dichas teorías expone. Es de una riqueza incalculable el grado de complejidad que se ha llegado a conseguir para desarrollar y formular matemáticamente estas nuevas teorías que, como la de Kaluza-Klein o la de supercuerdas (la una en cinco dimensiones y la otra en 10 ó 26 dimensiones) surgen de otra generalización de la relatividad general tetradimensional einsteniana que se plantea en cuatro dimensiones, tres espaciales y una temporal, y para formular las nuevas teorías se añaden más dimensiones de espacio que, aunque están enrolladas en una distancia de Planck, facilitan el espacio suficiente para incluir todas las fuerzas y todos los componentes de la materia, tratando de postularse como la Teoría de Todo.

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