Verdaderamente si pudiéramos contemplar de cerca, el comportamiento de una estrella cuando llega el final de su vida, veríamos como es, especialmente intrigante las transiciones de fase de una estrella en implosión observada desde un sistema de referencia externo estático, es decir, vista por observadores exteriores a la estrella que permanecen siempre en la misma circunferencia fija en lugar de moverse hacia adentro con la materia de la estrella en implosión. La estrella, vista desde un sistema externo estático, empieza su implosión en la forma en que uno esperaría. Al igual que una pesada piedra arrojada desde las alturas, la superficie de la estrella cae hacia abajo (se contrae hacia adentro), lentamente al principio y luego cada vez más rápidamente. Si las leyes de gravedad de Newton hubieran sido correctas, esta aceleración de la implosión continuaría inexorablemente hasta que la estrella, libre de cualquier presión interna, fuera aplastada en un punto de alta velocidad. Pero no era así según las fórmulas relativistas que aplicaron Oppenheimer y Snyder. En lugar de ello, a medida que la estrella se acerca a su circunferencia crítica su contracción se frena hasta hacerse a paso lento. Cuanto más pequeña se hace la estrella, más lentamente implosiona, hasta que se congela exactamente en la circunferencia crítica y, dependiendo de su masa, explosiona como supernova para formar una inmensa nebulosa o, se transforma en nebulosa planetaria, más pequeña.

Ahí podemos observar a una estrella muy joven, de dos o tres millones de años que, en un futuro lejano será una gran Supernova. Los procesos que podríamos observar al final de la vida de una estrella gigante… ¡Son fascinantes! Arriba, envuelta en una nube de gas y polvo contemplamos a Eta Carinae.

En la escena que antes explicábamos, por mucho tiempo que nos quedemos esperando y contemplando el suceso, si uno está en reposo fuera de la estrella (es decir, en reposo en el sistema de referencia externo estático), uno nunca podrá ver que la estrella implosiona a través de la circunferencia crítica. Ese fue el mensaje inequívoco que Oppenheimer y Snyder nos enviaron. Para poder ver eso, habría que estar dentro de la estrella, instalado en la materia que está sufriendo la contracción y, no sabemos por qué eso es así.

¿Se debe esta congelación de la implosión a alguna fuerza inesperada de la relatividad general en el interior de la estrella? No, en absoluto, advirtieron Oppenheimer y Snyder. Más bien se debe a la dilatación gravitatoria del tiempo (el frenado del flujo del tiempo) cerca de la circunferencia crítica. Tal como lo ven los observadores estáticos, el tiempo en la superficie de la estrella en implosión debe fluir cada vez más lentamente cuando la estrella se aproxima a la circunferencia crítica; y, consiguientemente, cualquier cosa que ocurre sobre o en el interior de la estrella, incluyendo su implosión, debe aparecer como si el movimiento se frenara poco a poco hasta congelarse.

Por extraño que esto pueda parecer, aún había otra predicción más extrañas de las fórmulas de Oppenheimer y Snyder: si bien es cierto que vista por observadores externos estáticos la implosión se congela en la circunferencia crítica, no se congela en absoluto vista por los observadores que se mueven hacia adentro con la superficie de la estrella. Si la estrella tiene una masa de algunas masas solares y empieza con un tamaño aproximado al del Sol, entonces vista desde su propia superficie implosiona hacia la circunferencia crítica en aproximadamente una hora, y luego sigue implosionando más allá de la criticalidad hacia circunferencias más pequeñas.

Allá por el año 1939, cuando Oppenheimer y Snyder descubrieron estas cosas, los físicos ya se habían acostumbrados al hecho de que el tiempo es relativo; el flujo del tiempo es diferente medido en diferentes sistemas de referencia que se mueven de diferentes formas a través del Universo. Claro que, nunca antes había encontrado nadie una diferencia tan extrema entre sistemas de referencia. Que la implosión se congele para siempre medida en el sistema externo estático, pero continúe avanzando rápidamente superando al punto de congelación medida en el sistema desde la superficie de la estrella era extraordinariamente difícil de comprender. Nadie que estudiara las matemáticas de Oppenheimer y Snyder se sentía cómodo con semejante distorsión extrema del tiempo. Pero ahí estaba, en sus fórmulas. Algunos podían agitar sus brazos con explicaciones heurísticas, pero ninguna explicación parecía muy satisfactoria. No sería completamente entendido hasta finales de los cincuenta.

Fue Wheeler el que discrepó del trabajo de Oppenheimer y Snyder, alegando, con toda la razón que, cuando ellos habían realizado su trabajo, habría sido imposible calcular los detalles de la implosión con una presión realista (presión térmica, presión de degeneración y presión producida por la fuerza nuclear), y con reacciones nucleares, ondas de choque, calor, radiación y expulsión de masa. Sin embargo, los trabajos desde las armas nucleares de los veinte años posteriores proporcionaron justamente las herramientas necesarias.

Presión, reacciones nucleares, ondas de choque, calor radiación y expulsión de masa eran todas ellas características fundamentales de una bomba de hidrógeno; sin ellas, una bomba no explosionaría. A finales de los años cincuenta, Stirling Colgate quedó fascinado por el problema de la implosión estelar. Con el apoyo de Edward Teller, y en colaboración con Richard White y posteriormente Michael May, Colgate se propuso simular semejante implosión en un ordenador. Sin embargo, cometieron un error, mantuvieron algunas de las simplificaciones de Oppenheimer al insistir desde el principio en que la estrella fuera esférica y sin rotación, y, aunque tuvieron en cuenta todos los argumentos que preocupaban a Wheeler, aquello no quedó perfeccionado hasta después de varios años de esfuerzo y, a comienzo de los años sesenta ya estaban funcionando correctamente.

Un día a principio de los años sesenta, John Wheeler entró corriendo en la clase de relatividad de la Universidad de Princeton. Llegaba un poco tarde, pero sonreía con placer. Acababa de regresar de una visita a Livermore donde había visto los resultados de las simulaciones recientes de Colgate y su equipo. Con excitación en su voz dibujó en la pizarra un diagrama tras otro explicando lo que sus amigos de Livermore habían aprendido.

Cuando la estrella en implosión tenía una masa pequeña, desencadenaba una implosión de supernova y formaba una estrella de neutrones precisamente en la forma que Fritz Wicky había especulado treinta años antes. Sin embargo, si la estrella original era más masiva lo que allí se producía (aparte de la explosión supernova) era un agujero negro notablemente similar al altamente simplificado  modelo que veinticinco años  calcularon Oppenheimer y Snyder. Vista desde fuera, la implosión se frenaba y se quedaba congelada en la circunferencia crítica, pero vista por alguien en la superficie de la estrella, la implosión no se congelaba en absoluto. La superficie de la estrella se contraía a través de la circunferencia crítica y seguía hacia adentro sin vacilación.

Lo cierto fue que allí, por primera vez, se consiguió simular por ordenador la implosión que debía producir agujeros negros. Está claro que la historia de todo esto es mucho más larga y contiene muchos más detalles que me he saltado para no hacer largo el trabajo que, en realidad, sólo persigue explicar a ustedes de la manera más simple posible, el trabajo que cuesta obtener los conocimientos que no llegan (casi nunca) a través de ideas luminosas, sino que, son el resultado del trabajo de muchos.

Hoy, sabemos mucho más de cómo finaliza sus días una estrella y, dependiendo de su masa, podemos decir de manera precisa que clase de Nebulosa formará, que clase de explosión (si la hay) se producirá, y, finalmente, si el resultado de todo ello será una estrella enana blanca que encuentra su estabilidad final por medio del Principio de exclusión de Pauli (en mecánica cuántica)que se aplica a los fermiones pero no a los Bosones (son fermiones los quarks, electrones, protones y neutrones), en virtud del cual dos partículas idénticas en un sistema, como los electrones en un átomo o quarks en un hadrón (protón o neutrón, por ejemplo), no pueden poseer un conjunto idéntico de números cuánticos.

La estrella azul cerca del centro de esta imagen es Zeta Ophiuchi. Cuando se ve en luz visible aparece como una estrella roja relativamente débil rodeada de otras estrellas tenues y sin polvo. Sin embargo, en esta imagen infrarroja tomada con campo amplio por el Explorador Infrared Survey de la NASA, o WISE, un punto de vista completamente diferente emerge. Zeta Ophiuchi es en realidad una muy masiva y caliente estrella azul, brillante que traza su camino a través de una gran nube de polvo y gas interestelar.

Una estrella masiva alejándose de su antiguo compañero se manifiesta haciendo un imponente surco a través de polvo espacial, como si se tratase de la proa de un barco. La estrella, llamada Zeta Ophiuchi, es enorme, con una masa de cerca de 20 veces la de nuestro Sol. En esta imagen, en los que se ha traducido la luz infrarroja a colores visibles que vemos con nuestros ojos, la estrella aparece como el punto azul en el interior del arco de choque. Zeta Ophiuchi orbitó una vez alrededor de una estrella aún más grande. Pero cuando la estrella explotó en una supernova, Zeta Ophiuchi se disparó como una bala. Viaja a la friolera velocidad de 24 kilómetros por segundo arrastrando con ella un conglomerado de polvo que distorsiona la región por la que pasa.

Mientras la estrella se mueve través del espacio, sus poderosos vientos empujan el gas y el polvo a lo largo de su camino en lo que se llama un arco de choque. El material en el arco de choque está tan comprimido que brilla con luz infrarroja que  WISE puede captar. El efecto es similar a lo que ocurre cuando un barco cobra velocidad a través del agua, impulsando una ola delante de él.  Esta onda de choque queda completamente oculta a la luz visible. Las imágenes infrarrojas como esta son importantes para arrojar nueva luz sobre lo que ocurre en situaciones similares.

Una estrella como el Sol, al final de su existencia en la secuencia principal, forma una nebulosa planetaria y se convierte en una estrella enana blanca. En la imagen de la derecha vemos como queda lo que fue una estrella normal. En el centro, ese puntito blanco, es la enana blanca que emite radiación gamma con tanta violencia que ioniza todo el material que la circunda.

Pero, siguiendo con el tema de las implosiones de las estrellas, ¿cuál es la razón por la que la materia no se colapsa, totalmente, sobre sí misma? El mismo principio que impide que las estrellas de neutrones y las estrellas enanas blancas implosionen totalmente y que, llegado un momento, en las primeras se degeneran los neutrones y en las segundas los electrones, y, de esa manera, se frena la compresión que producía la gravedad y quedan estabilizadas gracias a un principio natural que hace que la materia normal sea en su mayor parte espacio vacio también permite la existencia de los seres vivos. El nombre técnico es: El Principio de Exclusión de Pauli y dice que dos fermiones (un tipo de partículas fundamentales) idénticos y con la misma orientación no pueden ocupar simultáneamente el mismo lugar en el espacio. Por el contrario, los bosones (otro tipo de partículas, el fotón, por ejemplo) no se comportan así, tal y como se ha demostrado recientemente por medio de la creación en el laboratorio de los condensados de Bose-Einstein.

¿Cuál es la diferencia?

Los bosones son sociables; les gusta estar juntos. Como regla general, cualquier átomo con un número par de electrones+protones+neutrones es un bosón. Así, por ejemplo, los átomos del sodio ordinario son bosones, y pueden unirse para formar condensados Bose-Einstein.

Izquierda: Los bosones son sociables; los fermiones son antisociales.

Los fermiones, por otro lado, son antisociales. No pueden juntarse en el mismo estado cuántico (por el “Principio de Exclusión de Pauli” de la mecánica cuántica). Cualquier átomo con un número impar de electrones+protones+neutrones, como el potasio-40, es un fermión.

Pero, estábamos diciendo: “…no pueden poseer un conjunto idéntico de números cuánticos.” A partir de ese principio, sabemos que, cuando una estrella como nuestro Sol deja de fusionar Hidrógeno en Helio que hace que la estrella deje de expandirse y quede a merced de la Gravedad, ésta implosionará bajo el peso de su propia masa, es decir, se contraerá sobre sí misma por la fuerza gravitatoria pero, llegará un momento en el cual, los electrones, debido a ese principio de exclusión de Pauli que les impide estar juntos, se degeneran y se moverán de manera aleatoria con velocidades relativista hasta el punto de ser capaces de frenar la fuerza provocada por la gravedad, y, de esa manera, quedará estabilizada finalmente una estrella enana blanca.

Si hablamos de una estrella supermasiva, su produce la implosión arrojando las capas externas al espacio interestelar mientras que el grueso de la estrella se comprime más y más sin que nada la pueda frenar, aquí no sirve el Principio de exclusión de Pauli para los fermiones y, es tal la fuerza gravitatoria que se desencadena como consecuencia de que la estrella supergigante no puede seguir fusionando y queda a merce4d de una sola fuerza: La Gravedad, que ésta, la comprime hasta lo inimaginable para convertir toda aquella ingente masa en una singularidad, es decir, un punto de densidad y energía “infinitas” que ni la luz puede escapar de allí, y, el tiempo se ralentiza y el espacio se curva a su alrededor.

Si la estrella original es más masiva, la degeneración de los electrones no será suficiente para frenar la fuerza gravitatoria y, los electrones se fusionaran con los protones para convertirse en neutrones que, bajo el mismo principio de exclusión sufrirán la degeneración que frenará la fuerza de gravedad quedando entonces una estrella de neutrones. Por último, si la estrella es, aún más masiva, ni la degeneración de los neutrones será suficiente para frenar la inmensa fuerza gravitatoria generada por la masa de la estrella que, continuará la implosión contrayéndose cada vez más hasta desaparecer de nuestra vista convertida en un agujero negro.

¿Qué forma adoptará, qué transición de fase se produce en la materia dentro de una Singularidad?

¡Resulta todo tan complejo! Sin embargo, nuestra curiosidad nos lleva, imparables, hacia el conocimiento del que carecemos.

Emilio Silvera V.

  ¿Podremos pertubar el Universo?

Siempre buscando la realidad de las cosas

Investigadores dicen que el Universo no tiene principio ni fin. pone en cuestión el Big Bang y sugiere que el Cosmos existió siempre.

¡Vivir para ver!

 

Miramos la Naturaleza y su asombrosa belleza, y, no siempre podemos explicar lo que vemos. Miramos el Universo y sus maravillas y sólo podemos asombrarnos.  Nos pasamos todo el tiempo haciendo preguntas que, la mayoría de las veces nadie sabe contestar. Aprendemos a base de equivocarnos una y otra vez y, la observación y el estudio, la teoría y las matemáticas nos han llevado a discernir en qué lugar estamos pero… ¿No habremos tomado el camino hacia ninguna parte?

“¿Dónde estaríamos nosotros cuando se conformaron los cimientos de la Tierra?”

El titulo de ésta pagina es la pregunta que se hicieron los filósofos desde tiempos inmemoriales, y, en relación a las preguntas que se plantean, con los conocimientos que actualmente tenemos podríamos exponer diversas respuestas que serían el resultado de las distintas perspectivas que, cada una de ellas, pueden mostrarnos. Lo cierto es que, a ciencia cierta, nadie sabría contestar y todas esas posibles respuestas serían aproximaciones más o menos acertadas a los problemas planteados.

“Nosotros, los humanos, llegamos muchísimo más tarde, cuando los materiales que formaron la Tierra estaban más fríos y se formaron los océanos, cuando había ya una atmósfera y, lo cierto es que, los materiales que hicieron posible nuestra presencia aquí, estaban en aquella nebulosa que se esparcía en el espacio interestelar que hoy ocupa nuestro Sistema solar, una supernova hace ahora miles de millones de años, fue el pistoletazo de salida. Después, el Tiempo, aliado con la materia y la fuerza de gravedad, hicieron posible que surgiera el Sol y, a su alrededor, los planetas y lunas de nuestro entorno, y, con la ayuda de lo que hemos llamado evolución y los ingredientes precisos de atmósfera, agua, radioactividad y otros parámetros necesarios, surgió aquella primera célula replicante que lo comenzó todo, es decir, la aventura de la Vida.”

 

            Una Tierra ígnea, incandescente, sin vida

Todas estas explicaciones, son muy pobres para describir los acontecimientos que aquí tuvieron lugar antes de que nosotros hiciéramos acto de presencia como seres humanos verdaderos. Ya me gustaría saber para poder contestar a todas las preguntas que me plantean.

La especulación sobre el origen del Universo es una vieja y destacada actividad humana. Vieja por el simple hecho de que la especie humana, no tiene ningún certificado de nacimiento y, tal desconocimiento de sus orígenes, les hace ser curiosos, deseosos de saber el por qué están aquí y pudo suceder su venida. Estamos obligados a investigar nuestros orígenes nosotros sólos, sin la ayuda de nadie, es el caso que, ningún ser inteligente nos puede contar lo que pasó y, siendo así, nos vemos abocados a tener que hurgar en el pasado y valernos de mil ingeniosos sistemas para tratar de saber. Así que, si investigamos sobre el mundo del que formamos parte, esas pesquisas terminarán por decirnos más, sobre nosotros mismos que sobre el universo que pretendemos describir. En realidad, todos esos pensamientos, que no pocas veces mezclan lo imaginario con la realidad, todo eso, en cierta medida, son proyecciones psicológicas, esquemas proyectados por nuestras mentes sobre el cielo, como sombras danzantes de un fuego fatuo que no siempre nos transmite algún mensaje.

Aquellos mitos de la creación pre-científicos dependían en su supervivencia menos de su acuerdo con los datos de la observación (de los que, de todos modos había pocos) que del grado en que eran satisfactorios, o tranquilizantes  o poéticamente atractivos. Aficionados a ellos puesto que eran nuestros, esos cuentos ponían de relieve lo que más importaba a las sociedades que los conservaban. Los sumerios vivían en una confluencia de ríos, y, concebían la creación como una lucha en el barro entre dos dioses. Los mayas, obsesionados por los juegos de balón, conjeturaban que su creador se transformaba en balón cada vez que planeta Venus desaparecía detrás del Sol. El pescador tahitiano, hablaba de un dios pescador que arrastro sus islas desde el fondo del océano. Los espadachines japoneses formaron sus islas de gotas de sangre que caían de una espada cósmica. Para los griegos amantes de la lógica, la creación fue obra de los elementos: Para Tales de Mileto, el universo originalmente fue Agua; para Anaxímenes, fue Aire; para Heráclito, Fuego…Todos los pueblos tenían su propia génesis… Y, ¿Cuál será la nuestra?

En Cosmología, las condiciones “iniciales” raramente son absolutamente iniciales, pues nadie sabe como calcular el estado de la materia y el espacio-tiempo antes del Tiempo de Planck, que culminó alrededor de 10^-43 de segundo después del comienzo del tiempo. ¿Qué pasó en ese brevísimo intervalo de tiempo? Nadie lo sabe. Pero, a pesar de ello, nosotros pretendemos saber cómo comenzamos nuestra andadura en este mundo que, en realidad, comenzó en otro lugar muy lejano y muy caliente.

Es verdaderamente encomiable la pertinaz insistencia del ser humano por saber, y, en el ámbito de la Astronomía, desde los más remotos “tiempos” que podamos recordar o de los que tenemos alguna razón, nuestra especie ha estado interesada en saber, el origen de los objetos celestes, los mecanismos que rigen sus movimientos y las fuerzas que están presentes.

         Nuestros ancestros miraban asombrados la salida y puesta del Sol

Claro que, nosotros, los Humanos, llevamos aquí el tiempo de un parpadeo del ojo si lo comparamos con el Tiempo del Universo. Sin embargo, nos hemos valido de todos los medios posibles para llegar al entendimiento de las cosas, incluso sabemos del pasado a través del descubrimiento de la vida media de los elementos y mediante algo que denominamos datación, como la del Carbono 14, podemos saber de la edad de muchos objetos que, de otra manera, sería imposible averiguar. La vida de los elementos es muy útil y, al mismo tiempo, nos habla de que todo en el Universo tiene un Tiempo Marcado. Por ejemplo, la vida media del Uranio 238 sabemos que es de 4.000 millones de años, y, la del Rubidio tiene la matusalénica vida media de 47.000 millones de años, varias veces la edad que tiene el Universo.

Hablaremos ahora del Big Bang (lo único que tenemos para agarrarnos a lo que “parece que fue”), esa teoría aceptada por todos y que trata de explicar cómo se formó nuestro universo y comenzó su evolución hasta llegar a ser como ahora lo podemos observar. De acuerdo a esta teoría, el universo se originó a partir de un estado inicial de alta temperatura y densidad, y entonces ha estado siempre expandiéndose. La teoría de la relatividad general predice la existencia de una singularidad en el comienzo, la temperatura y la densidad eran infinitas.

La mayoría de los cosmólogos interpretan singularidad una indicación de que la relatividad general de Einstein deja de ser válida en el universo muy primitivo (no existía materia), y el comienzo mismo debe ser estudiado utilizando una teoría de cosmología cuántica.

El Tiempo de Planck es una unidad de tiempo considerada como el intervalo temporal más pequeño que ser medido. Se denota mediante el símbolo t_P. En cosmología, el Tiempo de Planck representa el instante de tiempo más antiguo en el que las leyes de la física pueden ser utilizadas para estudiar la Naturaleza y evolución del Universo. Se determina como combinación de otras constantes físicas en la siguiente:

  5.39124(27) × 10⁻⁴³ segundos

Esta que es una de las célebres unidades de Planck, está formada por una combinación de la constante de estructura fina racionalizada (, la constante gravitacional (G), y la velocidad de la luz elevada a la quinta potencia.

La Era de planck: Es la era que comenzó cuando el efecto gravitacional de la materia empezó a dominar sobre el efecto de presión de radiación. Aunque la radiación es no masiva, tiene un efecto gravitacional que aumenta con la intensidad de la radiación. Es más, a altas energías, la propia materia se comporta como la radiación electromagnética, ya que se mueve a velocidades próximas a la de la luz. En las etapas muy antiguas del universo, el ritmo de expansión se encontraba dominado por el efecto gravitacional de la presión de radiación, pero a medida que el universo se enfrió, efecto se hizo menos importante que el efecto gravitacional de la materia. Se piensa que la materia se volvió predominante a una temperatura de unos 10⁴ K, aproximadamente 30.000 años a partir del Big Bang.  Este hecho marcó el comienzo de la era de la materia.

La materia salió de ese clima de enormes temperaturas inimaginables y, durante varias etapas o eras (de la radiación, de la materia, hadrónica y bariónica… llegamos al momento presente habiendo descubierto muchos de los secretos que el Universo guardaba celosamente para que nosotros, los pudiéramos desvelar.

Era de la radiación

Periodo 10^-43 s (la era de Planck) y 300.000 después del Big Bang… Durante periodo, la expansión del universo estaba dominada por los efectos de la radiación o de las partículas rápidas (a altas energías todas las partículas se comportan como la radiación). De hecho, la era leptónica y la era hadrónica son ambas subdivisiones de la era de radiación. La era de radiación fue seguida por la era de la materia que antes se reseña, durante la cual los partículas lentas dominaron la expansión del universo.

Era hadrónica

Corto periodo de tiempo entre 10^-6 s y 10^-5 s después del Big Bang en el que se formaron las partículas atómicas pesadas, protones, neutrones, piones, kaones entre otras. del comienzo de la era hadrónica, los quarks se comportaban como partículas libres. El proceso por el que se formaron los quarks se denomina transición de fase quark-hadrón. Al final de la era hadrónica, todas las demás especies hadrónicas habían decaído o se habían desintegrado, dejando sólo protones o neutrones. Inmediatamente después de esto el universo entró en la era leptónica.

Era Leptónica

Intervalo que comenzó 10^-5 s después del Big Bang, en el que diversos tipos de leptones eran la principal contribución a la densidad del universo. Se crearon pares de leptones y antileptones en gran en el universo primitivo, pero a medida que el universo se enfrió, la mayor parte de las especies leptónicas fueron aniquiladas. La era leptónica se entremezcla con la hadrónica y ambas, como ya dije antes, son subdivisiones de la era de la radiación. El final de la era leptónica se considera normalmente que ocurrió cuando se aniquilaron la mayor parte de los pares electrón-positrón, a una temperatura de 5×10⁹ K, más o un segundo después del Big Bang. Después, los leptones  se unieron a los hadrones formar átomos.

El universo es el conjunto de todo lo que existe, incluyendo ( he dicho) el espacio, el tiempo y la materia.  El estudio del universo se conoce como cosmología. Los cosmólogos distinguen al Universo con “U” mayúscula, significando el cosmos y su contenido, y el universo con “u” minúscula, que es normalmente un modelo matemático deducido de alguna teoría física como por ejemplo, el universo de Friedmann o el universo de Einstein-de Sitter. El universo real está constituido en su mayoría de espacios que aparentemente están vacíos, existiendo materia concentrada en galaxias formadas por estrellas, planetas, gases y otros objetos cosmológicos.

En 1932 Einstein y de Sitter propusieron que la constante cosmológica debe tomar valor cero, y construyeron un modelo cosmológico homogéneo e isótropo que representa el caso intermedio los modelos abierto y cerrado de Friedmann. Einstein y de Sitter supusieron que la curvatura espacial del Universo no es ni positiva ni negativa, sino nula.

La geometría espacial de modelo es por lo tanto la geometría plana de Euclides; sin embargo el espacio-tiempo en su conjunto no es plano: hay curvatura en la dirección temporal. El tiempo comienza también en una Gran Explosión y las galaxias se alejan continuamente entre sí, sin embargo la velocidad de recesión (constante de Hubble) disminuye asintóticamente a cero a medida que el tiempo avanza.

  “El Universo de Einstein-de Sitter es un caso particularmente sencillo de un universo de materia fría no relativista donde la tendencia a la expansión y la atracción gravitatoria están en un punto crítico, de tal manera que la energía total es cero. Aunque actualmente este modelo está prácticamente descartado por las observaciones, su manipulación matemática es de tal simplicidad que nos sirve como ejercicio de gran utilidad para entender cómo se relacionan los distintos parámetros en cosmología.”

Debido a que la geometría del espacio y las propiedades de la evolución del Universo están unívocamente definidas en el modelo de Einstein-de Sitter, mucha gente lo considera el modelo más apropiado describir el Universo real.

Durante los últimos años de la década de los 70 surgió un firme soporte teórico para ideas a partir de los estudios en física de partículas. Además, las observaciones experimentales sobre la densidad media del Universo apoyan esta concepción, aunque las evidencias aún no son concluyentes.

Todo esto está muy bien pero… ¿De donde venimos? ¿Hacia donde vamos? ¿Quiénes somos?

¡Si supiera contestar esas preguntas!

Emilio Silvera Vázquez

“Un estudiante de la Universidad Monash de Melbourne ha resuelto un problema que ha desconcertado a los astrofísicos durante décadas, el descubrimiento de parte de la llamada «masa perdida» del Universo.

El descubrimiento, publicado en la revista Monthly Notices de la Royal Astronomical Society, ha sido liderado por Amelia Fraser-McKelvie, de 22 años y becaria en la Escuela de Física de la facultad, que en una investigación con rayos X ha conseguido identificar en tres meses la conocida como «missing mass»”.

   Particularmente no creo que estemos preparados para encontrar -si es que existe- esa “masa perdida”

La idea de la masa perdida se introdujo porque la densidad observada de la materiaen el universo está cerca del valor crítico. Sin embargo, hasta comienzos de los ochenta, no hubo razón teórica firme para suponer que el universo tenía efectivamente la masa perdida. En 1981, Alan Guth -del que ya hablamos aquí-, publicó la primera versión de una teoría que desde entonces se ha conocido como “universo inflacionista”. Desde entonces, la teoría ha sufrido cierto número de modificaciones técnicas, pero los puntos centrales no han cambiado.

Para lo que aquí tratamos, el aspecto principal del universo inflacionista es que estableció por primera vez una fuerte presunción de que la masa del universo tenía realmente su valor crítico. Esta predicción viene de las teorías que describen la congelación de la fuerza fuerte en el segundo 10^-35 del Big Bang.

Aquí se pretende representar el pasado y el futuro del universo que, se expandió primero de manera muy rápida, después más lenta, y de nuevo la velocidad aumentó, de manera tal que el recorrido representa una especie de S que nos habla del pasado y del futuro.

Entre los otros muchos procesos en marcha en aquellos primeros momentos del nacimiento del universo, en aquel tiempo, uno de los principales parámetros a tener en cuenta es el de la rápida expansión, ese proceso que ha venido a ser conocido como inflación. Es la presencia de la inflación la que nos conduce a la predicción de que el universo tiene que ser plano.

El proceso mediante el cual la fuerza 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; todos hemos podido ver una botella de líquido explotar si alcanza la congelación, el contenido se expande y el recipiente no puede contenerlo. No debería sert demasiado sorprendente que el universo se expanda del mismo modo al cambiar de fase.

Claro que no es fácil explicar cómo a medida que el espacio crece debido a esa expansión, se hace más y más voluminoso cada vez y también, cada vez menos denso y más frío. Lo que realmente sorprende es la inmensa magnitud de la expansión. El tamaño del Universo aumentó en un factor no menor de 10⁶⁰  longitudes de Planck. Acordáos de aquellos números que en aquel trabajo que titulé,  ¿Es viejo el Universo?, os dejaba aquí expuestos unos datos interesantes sobre nuestro universo. Volvamos a verlos:

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

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. Lo cierto es que, son tan grandes y tan pequeñas esos números y fracciones que, para nosotros, no tienen significación  consciente, no las podemos asimilar al tratarse, como se dice más arriba, de medidas sobrehumanas. Si un átomo aumentara en esa proporción de 10⁶⁰ no tendría cabida en el Universo, el átomo sería mayor.

Decíamos que 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 naranja. No debe sorprendernos pués, que el nombre inflación esté ligado a este proceso. Es cierto que cuando oímos por primera vez este proceso inflacionista, podamos tener alguna dificultad con el índice de inflación que se expone sucedió en el pasado. Nos puede llevar, en un primer momento, a la idea equivocada de que se han violado, con un crecimiento tan rápido, las reglas de Einstein que impiden viajar más veloz que la luz, y, si un cuerpo material viajó desde la línea de partida que señalan los 10^-35 segundos hasta aquella otra que marca la dimensión de una naranja…¡su velocidad excedió a la de la luz!

Claro que la respuesta a que algo sobrepasara la velocidad de la luz, c, es sencilla: NO, nada ha sido en nuestro universo más rápido que la luz viajando, y la explicación está en el hecho cierto de que no se trata de algo pudiera ir tan rápido, sino que, por el contrario, en lugar de que un objeto material vciajara por el espacio, lo que ocurrió es que fue el espacio mismo el que se infló -acordaos de la masa de pan que crece llevando las pasas como adorno-, y, ahora, esa expansión hace que las galaxias -las pasas de la masa-, se alejen cada vez más las unas de las otras, haciendo el universo más grande y frío cada vez.

Así que, con la expansión o inflación, ningún cuerpo material se movió a grandes velocidades en el espacio, ya que, fue el espacio mismo el que creció y, de alguna manera, su tremenda expansión, incidió sobre los objetos que contenía que, de esa manera, pasaron de estar muy juntos a estar muy separados. Las reglas contra el viaje a velocidades superiores a la de la luz sólo se aplican al movimiento al movimiento dentro del espacio, no al movimiento del espacio. Así no hay contradicción, aunque a primera vista pudiera parecerlo.

Las consecuencias del período de 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 materia. A causa de esa materia, el espacio-tiempo tendrá alguna forma característica.

Se dice que el espacio está arrugado y, conforme a la expansión, el universo será plano independientemente de la forma en que pudiera empezar encogido y arrugado para después expandirse y hacerse cada vez más plano, grande, de menor densidad y frío. La lisura no es ningún accidente, es la consecuencia necesaria de la física de la congelación que tuvo lugar en el segundo 10^-35.

Los aceleradores construidos en los años cuarenta y cincuenta llegaron hasta la marca de un segundo.  El Tevatrón del Fermilab llevó el límite a menos de una milmillonésima de segundo después del comienzo del Tiempo.  El nuevo LHC proporcionara un atisbo del medio cósmico cuando el Universo tenía menos de una billonésima de segundo de edad.

Esa es una edad bastante temprana: una diez billonésima de segundo es menos que un pestañeo con los párpados en toda la historia humana registrada.  A pesar de ello, extrañamente, la investigación de la evolución del Universo recién nacido indica que ocurrieron muchas cosas aún antes,  durante la primera ínfima fracción de un segundo.

Todos los teóricos han tratado de elaborar una explicación coherente de los primeros momentos de la historia cósmica.  Por supuesto, sus ideas fueron esquemáticas e incompletas, muchas de sus conjeturas, sin duda, se juzgaran deformadas o sencillamente erróneas, pero constituyeron una crónica mucho más aclaradora del Universo primitivo que la que teníamos antes.

Empleamos todos los medios a nuestro alcance e ideamos nuevos ingenios para poder asomarnos a las escalas más extremas del universo, con los telescopios queremos llegar hasta las primeras gaalxias y, con los aceleradores de partículas nos queremos asomar a ese momento primero en el que se formó la materia.

A los cien millones de años desde el comienzo del tiempo, aún no se habían formado las estrellas, si acaso, algunas más precoces.  Aparte de sus escasas y humeantes almenaras, el Universo era una sopa oscura de gas hidrógeno y helio, arremolinándose aquí y allá para formar proto-galaxias.

A la edad de mil millones de años, el Universo tiene un aspecto muy diferente.  El núcleo de la joven Vía Láctea arde brillantemente, arrojando las sobras de cumulonimbos galácticos a través del oscuro disco; en su centro brilla un quásar blanco-azulado.  El disco, aún en proceso de formación, es confuso y está lleno de polvo y gas; divide en dos partes un halo esférico que será oscuro en nuestros días, pero a la sazón corona la galaxia con un brillante conjunto de estrellas calientes de primera generación.

Nuestras galaxias vecinas del supercúmulo de Virgo están relativamente cerca; la expansión del Universo aún no ha tenido tiempo de alejarlas a las distancias-unas decenas de millones de años-luz a las que las encontraremos ahora.   El Universo es aún altamente radiactivo.  Torrentes de rayos cósmicos llueven a través de nosotros en cada milisegundo, y si hay vida en ese tiempo, probablemente está en rápida mutación.

El Supercúmulo de Virgo, o Supercúmulo Local, es el supercúmulo de galaxias que contiene al Grupo Local y con él, a nuestra galaxia, la Vía Láctea. Tiene la forma de un disco plano, con un diámetro de 200 millones de años luz. El supercúmulo contiene alrededor de 100 grupos y cúmulos de galaxias, y está dominado por el cúmulo de Virgo, localizado cerca de su centro. El Grupo Local está localizado cerca del borde del cúmulo de Virgo, al cual es atraído.

Hay algo que es conocido por el término técnico de desacoplamiento de fotones, en ese momento, la oscuridad es reemplazada por una deslumbrante luz blanca, se cree que ocurrió cuando el Universo tenía un millón de años.   El ubicuo gas cósmico en aquel momento se había enrarecido los suficientes como para permitir que partículas ligeras –los fotones– atraviesen distancias grandes sin chocar con partículas de materia y ser reabsorbidas.

(Hay gran cantidad de fotones en reserva, porque el Universo es rico en partículas cargadas eléctricamente, que generan energía electromagnética, cuyo cuanto es el fotón.) Es esa gran efusión de luz, muy corrida al rojo y enrarecida por  la expansión del Universo, la que los seres humanos, miles de millones de años después, detectaran con radiotelescopios y la llamaran la radiación cósmica de fondo de microondas. Esta época de “sea la luz” tiene un importante efecto sobre la estructura de la materia.  Los electrones, aliviados del constante acoso de los fotones, son ahora libres de establecerse en órbita alrededor de los núcleos, formando átomos de hidrógeno y de helio.

Poco a poco, el Universo evolucionó y continuó expandiéndose mientras se formaban nuevas galaxias

Disponiendo de átomos, la química puede avanzar, para conducir, mucho tiempo después, a la formación de alcohol y formaldehído en las nubes interestelares y la construcción de moléculas bióticas en los océanos de la Tierra primitiva. La temperatura ambiente del Universo se eleva rápidamente cuanto más marchamos hacia atrás en el tiempo, a los cinco minutos del big bang es de 1.000 millones de grados kelvin.

Por elevada que se esta energía, a la edad de cinco minutos el Universo ya se ha enfriado lo suficiente para que los nucleones permanezcan unidos y formen núcleos atómicos.  Podríamos haber comptemplado a protones y neutrones unirse para formar núcleos de deuterio (una forma de hidrógeno), y a los núcleos de deuterio aparearse para formar núcleos de helio (dos protones y  dos neutrones). De esta manera, un cuarto de toda la materia del Universo se combina en núcleos de helio, junto con rastros de deuterio, helio-3 (dos protones y un neutrón) y litio.   Todo el  proceso, se cree que termina en tres minutos y veinte  segundos.

Asomarse a la historia del universo puede ser un viaje alucinante que nos cuente cómo pudieron pasar las cosas para que ahora, el Universo sea tal como lo podemos contemplar y, para que eso haya sido posible, mucha imaginación hemos tenido que emplear para poder inventar artilugios y generar ideas que, inspiradas en la observación y el experimento, nos llevaron a saber…¡lo poco que sabemos!

Emilio Silvera Vázquez