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¿Cuerdas cósmicas?

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Cosmología    ~    Comentarios Comments (4)

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Aunque no todas si son muchas las GUT y teorías de supersimetría las que predicen la formación de cuerdas en la congelación del segundo 10-35 despues del comienzo del tiempo, cuando la fuerza fuerte se congeló y el universo se infló. Las cuerdas se deben considerar como un subproducto del proceso mismo de congelación. Es cierto que aunque las diversas teorías no predicen cuerdas idénticas, sí predicen cuerdas con las mismas propiedades generales. En primer lugar las cuerdas son extremadamente masivas y también extremadamente delgadas; la anchura de una cuerda es mucho menor que la anchura de un protón1. Las cuerdas no llevan carga eléctrica, así que no interaccionan con la radiación como las partículas ordinarias. Aparecen en todas las formas; largas lineas ondulantes, lazos vibrantes, espirales tridimensionales, etc. Sí, con esas propiedades podrían un candidato perfecto para la “materia oscura”. Ejercen una atracción gravitatoria, pero no pueden ser rotas por la presión de la radiación en los inicios del Universo.

1. El espesor estimado de una cuerda es de 10-30 centímetros, comparados con los 10-13 de un protón. Además de ser la más larga, y posiblemente la más vieja estructura del universo conocido, una cuerda cósmica sería también la más delgada: su diámetro sería 100.000.000.000.000.000 veces más pequeño que el de un protón.. Y cada cuerda sería terriblemente inquieta, algo así como un látigo agitándose por el espacio casi a la velocidad de la luz. Las curvas vibrarían como enloquecidas bandas de goma, emitiendo una corriente continua de ondas gravitacionales: rizos en la misma tela del espacio-tiempo. ¿Qué pasaría si una cuerda cósmica tropezara con un planeta? Al ser tan delgada, podría traspasarlo sin tropezar con un solo núcleo atómico. Pero de todos modos, su intenso campo gravitatorio causaría el caos.

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Simulación del efecto de lente generado por una cuerda cósmica. Crédito: PhysicsWorld.com

Por tanto, cuando observásemos un objeto con una cuerda cósmica en la trayectoria de nuestra mirada, deberíamos ver este objeto dos veces, con una separación entre ambas imágenes del orden del defecto de ángulo del cono generado por la curvatura del espaciotiempo. Esta doble imagen sería característica de la presencia de una cuerda cósmica, pues otros cuerpos, como estrellas o agujeros negros, curvan el espaciotiempo de manera distinta, generando al menos cuatro imágenes deformadas. Por tanto, una observación de este fenómeno no podría dar lugar a un falso positivo.

En este sentido, el nombre de cuerda cósmica está justificado debido a que son impresionantemente pesadas, pasando a ser objetos macroscópicos aun cuando su efecto es pequeño. Una cuerda de seis kilómetros de longitud cuya separación entre ambas geodésicas es de apenas 4 segundos de arco tendría ¡la masa de la Tierra!. Evidentemente, cuerdas de este calibre no se espera que existan en la naturaleza, por lo que los defectos de ángulo esperados son aún menores y, por tanto, muy difíciles de medir.

Y esta es una de las razones de que todavía no se haya encontrado ninguna cuerda de este tipo. Si bien en los últimos años han surgido muchas imágenes candidatas a estar formadas por un efecto de lente de este tipo, la mayoría han resultado ser dos cuerpos distintos pero muy similares entre sí. Pese a ello, los astrofísicos y los teóricos de cuerdas no puerden la esperanza de encontrar en los próximos años, y gracias a telescopios cada vez más potentes, como el GTC; evidencias directas de la existencia de este tipo de cuerdas; evidencias que no sólo nos indicarían que las teorías de cuerdas van por buen camino, si no que el modelo del Big Bang es un modelo acertado.

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                                               Esquema del trazado de rayos para el efecto de lente gravitatoria de una cuerda cósmica

Las cuerdas cósmicas, desde el momento de su formación en el segundo 10-35,  constituyen un entorno masivo, apelmazado, contra el que se desarrolla la evolución de las partículas, núcleos y átomos. Como no son afectadas por la presión de la radiación,como el plasma, pueden servir como núcleos de condensación -las semillas- para la formación de galaxias, cúmulos galácticos y supercúmulos, siempre que puedan sobrevivir lo necesario para hacerlo.

Neil Turok, titular de la cátedra de Física Matemática en el Departamento de Matemáticas Aplicadas y Física Teórica de la Universidad de Cambridge. Es coautor, con Paul Steinhardt, de Universo Infinito: Más allá del Big Bang. El principal portavoz de la idea de las cuerda cósmica es Niel Turok, un joven físico teórico que trabaja en el Imperial College de Londres y pasa muicho tiempo en EE UU haciendo un periplo por diversas Universidades. Ha hecho del desciframiento de la conducta de las cuerdas cósmicas  el trabajo de su vida (al menos por el momento) y, se aplica en las complejas ecuaciones de la teoría de campos cuánticos que describen dichas cuerdas. Su enfoque es admirable por su integridad:

En lugar de seguir el camino normal desarrollando la conducta de las cuerdas y dejando a otros hallar el efecto que las cuerdas tienen sobre el problema de las galaxias, Turok y los jovenes que le rodean han decidido aprender cosmología. Dicha decisión no es frecuenta y por inusual, ha llamado la atención que se quieran especializar de manera específica en otro campo distinto al suyo para poder hacer y comprender mejor su trabajo. Y, otra curiosidad es que, el más duro crítico de las cuerdas cósmicas, P.J.E. Peebles, de Princeton, haya estado actuando como su tutor, lo cual, es tan significativo que se podría alorar como uno de los gestos más desinteresados y de alta calidad que en la Física se pueda haber producido.

Una de las virtudes de esta teoría es que puede observarse por la observación. Aunque las cuerdas en sí son invisibles, sus efectos no tienen por qué serlo. La idea de las supercuerdas nació de la física de partículas, más que en el campo de la cosmología (a pesar del nombre, la cuerdas cósmicas no tienen nada que ver con la teoría de las “supercuerdas”, que mantiene que las partículas elementales tienen forma de cuerda). Surgió en la década de los sesenta cuando los físicos comenzaron a entrelazar las tres fuerzas no gravitacionales – electromagnetismo y fuerzas nucleares fuertes y débiles – en una teoría unificada.

En 1976, el concepto de las cuerdas se había hecho un poco más tangible, gracias a Tom Kibble. Kibble estudiaba las consecuencias cosmológicas de las grande teorías unificadas. Estaba particularmente interesado en las condiciones del 10^-35 segundo después del Big Bang, cuando las temperaturas en el cosmos embrionario bajaron más de billones de billones de grados. Ese fue el momento en que las fuerzas y las partículas se diferenciaron unas de otras.

 

 

El misterioso “universo” de los campos cuánticos

 

A los cosmólogos les gusta visualizar esta revolucionaria transición como una especie de “cristalización”: el espacio, en un principio saturado de energía, cambió a la forma más vacía y más fría que rodea actualmente nuestro planeta. Pero la cristalización fue, probablemente, imperfecta. En el cosmos recién nacido podría haberse estropeado con defectos y grietas, a medida que se enfriaba rápidamente y se hinchaba.

 

 

Otras cuerdas están en La Teoría M de E. Witten que nos explica muy bien las implicaciones de las cuerdas en el contexto del Universo, y, ademas, lleva implícita la Gravedad Cuántica que tantos físicos buscan desde hace mucho tiempo para explicar cuestiones que hasta el momento carecen de ella. Sin embargo, estas son otras cuerdas que, implicadas en las profundidades de la materia, nos podría explicar otras muchas cosas a diferente nivel de lo que la cuerda cósmica pretende explicar.

Turok nos dice:

“Durante los últimos diez años he estado trabajando principalmente en la cuestión de cómo empezó el universo – o no comenzar. ¿Qué sucedió en el Big Bang? Para mí, esto parece ser una de las cuestiones más fundamentales de la ciencia, porque todo lo que sabemos de salir de la Gran Explosión. Ya se trate de partículas o los planetas o las estrellas o, en última instancia, incluso la vida misma.

En los últimos años, la búsqueda de las leyes fundamentales de la naturaleza nos ha obligado a pensar en el Big Bang, mucho más profundamente. De acuerdo con nuestras mejores teorías – la teoría de cuerdas y la teoría M – todos los detalles de las leyes de la física son en realidad determinada por la estructura del universo, en concreto, por la disposición de pequeñas enrollada dimensiones extra del espacio. Este es un cuadro muy hermoso: la física de partículas en sí es ahora más que otro aspecto de la cosmología. Pero si se quiere entender por qué las dimensiones extra están dispuestos como están, hay que entender el Big Bang porque ahí es donde todo proviene.

De alguna manera, hasta hace muy poco, la física fundamental se había llevado bien sin realmente hacer frente a ese problema. Ya en la década de 1920, Einstein, Friedmann y Lemaitre – los fundadores de la moderna cosmología – di cuenta que había una singularidad en el Big Bang. Que de alguna manera, cuando se traza el universo de nuevo, todo lo que salió mal unos 14 millones de años. Al salir mal, me refiero a todas las leyes de la física dejan: dan infinitos y resultados sin sentido. El mismo Einstein no interpretó esto como el principio de los tiempos, que acaba de decir, bueno, mi teoría falla. La mayoría de las teorías fallan en algún régimen, y entonces usted necesita una teoría mejor. La teoría de Isaac Newton falla cuando las partículas se muevan muy rápido, sino que no logra describir eso. Necesita relatividad. Del mismo modo, Einstein dijo, necesitamos una mejor teoría de la gravedad que la mía.

 

 

Pero en la década de 1960, cuando la evidencia observacional para el Big Bang se hizo muy fuerte, los físicos de alguna manera saltó a la conclusión de que debe haber sido el principio del tiempo. No estoy seguro de por qué lo hicieron, pero tal vez se debió a Fred Hoyle – el principal impulsor de la rival de estado estacionario teoría – que parece haber ridiculizado con éxito la teoría del Big Bang, diciendo que no tenía sentido porque implicaba un principio de los tiempos y que sonaba absurdo.

A continuación, el Big Bang fue confirmado por la observación. Y creo que todo el mundo acaba de comprar argumento de Hoyle y dijo, bueno, el Big Bang es cierto, el tiempo está bien, así que debe de haber comenzado. Así que nos metimos en esta forma de pensar: que de alguna manera el tiempo comenzó y que el proceso o evento, en el que se inició no es descriptible por la física. Eso es muy triste. Todo lo que vemos a nuestro alrededor se basa por completo en ese caso, y sin embargo ese es el caso de que no se puede describir. Eso es básicamente donde estaban las cosas en la cosmología, y la gente se preocupa más preguntas para los próximos 20 años.”

Para algunos, no parece que pueda caber la menor duda en el sentido de que, fueron las cuerdas cósmicas las que posibilitaron que se puedieran formar las grandes estructuras del universo surviendo de semilla o núcleo sobre el que se fueron adhiriendo inmensas porcianes de materia que conformarían el objeto final.

Es posible que las cuerdas cósmicas nos den una visión particularmente atractiva del universo y nos hace pensar en que, en el núcleo de cada galaxia hay una cuerda cósmica que, como el esqueleto de nuestros cuerpos, es la que la mantiene firme tal como la podemos contemplar y hace posible su existencia. Sin embargo, la teoría nos dice que las cuerdas cósmicas (como todo en el universo), tienen un tiempo de vida que una vez cumplido, desaparecen.

Está claro que la cuerda cósmica tal y como la presenta la teoría, es todo energía. Cuando comienza a despedir ondas gravitatorias, el proceso sigue hasta que la cuerda se ha radiado a si misma simplemente fuera de la existencia. Cuando su energía se agota, no queda nada. Por tanto sería posible utilizar las proporciones de pérdida de energía que predice la teoría de la relatividad general para calcular cuanto tiempo durará la energía almacenada en cualquier cuerda cósmica.

De hecho hubo un período de nervios cuando en cierto tiempo pareció que la cuerda cósmica tendrían una vida demasiado corta para poder realizar su trabajo de formar las galaxias, que romperían los anillos y se radiarian así misma fuera de la existencia antes que la materia y la radiación y la materia ordinaria se desparejaran. Sin embargo, los nuevos cálculos parecen mostrar ahora que los anillos capaces de formar las semillas de las galaxias durarían lo suficiente para llevar a cabo su función.

 

 

Claro que estas teorías de cuerdas, como tantas otras antes que ella, también han desarrollado una gran avalancha de excepticismo que es mostrado por algunos en esos momentos de la última cerveza en charlas distendidas entre compañeros físicos y cosmólogos que están unidos por esa curiocidad por saber si, en realidad, esas cuerdas han existido alguna vez. Y, esos excepticos, en verdad, no eran más duros en las críticas a las teorías de los demás que con las suyas propias.

Pero claro, nunca se debe decir que no. Hay maneras de comprobar las evidencias, al menos dos. Una, la llamada lente gravitatoria, se apoya en los efectos que las cuerdas cósmicas tendrían sobre la luz de las galaxias distantes. El otro método, algo más indirecto, implica la búsqueda de ondas gravitatorias despedidas por las cuerdas al comienzo de la vida del Universo.

 

 

 

La lente gravitacional es el Efecto en el que los rayos de luz son doblados por el campo gravitacional de un objeto masivo (en este caso serían las cuerdas cósmicas las responsables), también las galaxias y los agujeros negros producen el efecto de Lente gravitacional.

 

 

Las ondas gravitatorias están siendo buscadas por varios programas y proyectos construídos para tal fin, como LIGO y otros, y, hasta el momento, no parece que se haya tenido muchos resultados a pesar de que, la teoría nos dice que las cuerdas cósmicas emitían una gran cantidad de radiación gravitatoria en los primeros días del Universo. Sin embargo, sí se ha localizado la radiación cósmica del fondeo de microondas y las ondas gravitacionales no.

Está claro que la idea de la cuerda cósmica es sugestiva y nos podría explicar (por fín) como se pudieron formar las galaxias. La gran masa de la cuerda apunta a que debieron ser creadas muy pronro en la vida del Universo, probablemente mucho antes que la materia ordinaria cuando las temperaturas eran muy altas y había disponible mucha energía para formar objetos exóticos.

Si en verdad estuvieron allí, no lo podemos saber a ciencia cierta, y, se trabaja en la búsqueda de pruebas irrefutables que nos confirmen su presencia y su trabajo y contibución en la formación de las grandes estructuras del Universo.

 

 

Las grandes estructuras de nuestro Universo se pudieron haber formado a partir de unas semillas (cuerdas cósmicas) de gran densidad que atraían a la materia ordinaria para formarlas, y, de esa manera, pudieron haberse formado las galaxias y estrellas del cielo. De momento, ninguna explicación mejor que esa nos puede aclarar esa incognita que persiste desde siempre y que, en no pocas ocasiones, produce verguenza a los cosmólogos que, en realidad, no saben qué contestar a una simple pregunta:

¿Cómo se formaron las galaxias?

emilio silvera

 

 

  1. 1
    Roberto Conde
    el 25 de agosto del 2012 a las 12:13

    Las existencia de lentes gravitatorias es para mí muy dudosa.
    Mi parecer es el siguiente:

    1.  Las observaciones relativas al sol están provocadas por la inhomogeneidad del plasma que lo rodea, probablemente por un campo eléctrico aproximadamente constante en sus cercanías, provocado por la diferencia de masa entre protones y electrones. Sería por lo tanto un efecto indirecto de la gravedad. De hecho, no se observa ningún efecto lenticular más allá del plasma solar, aunque según la TGR debería observarse.

    2. El resto de supuestas “observaciones” de lentes gravitatorias en el espacio tienen una probabilidad de ocurrencia ridícula, y sin embargo cada vez más se están usando indiscriminadamente para apoyar las teorías que cada autor defienda o descartar las propuestas de otros. 
    Un ejemplo de lo primero, se están usando para justificar la materia oscura (o las cuerdas cósmicas).
    Un ejemplo de lo segundo, las muchas observaciones de quasars con desplazamiento al rojo delante de galaxias con desplazamiento al rojo menor, cuando no se ignoran, se atribuyen a oportunísimas (la probabilidad de que estén justo ahí y sean justo así es ridículamente baja) lentes gravitatorias para no aceptar la propuesta de Arp de que más desplazamiento al rojo no implica más distancia. Véase la cruz de Einstein, que tarde o temprano será realmente su cruz :P

    Cada vez que se acude a lentes gravitatorias, dudo de la falta de sesgo del artículo.

    Los fenómenos relacionados con la luz deberían intentar justificarse primero atendiendo a su naturaleza electromagnética, y no a una interacción gravitatoria que podría no existir. 

    Responder
    • 1.1
      emilio silvera
      el 26 de agosto del 2012 a las 8:31

      ¡Hola, amigo Roberto!:
      Como de costumbre, estamos de acuerdo en algunas cuestiones y no en otras. Cuando dices:
      “Los fenómenos relacionados con la luz deberían intentar justificarse primero atendiendo a su naturaleza electromagnética, y no a una interacción gravitatoria que podría no existir.”
      Estamos totalmente de acuerdo, la luz debe ser así considerada, toda lo demás, estará equivocado y será un error mayúsculo. Sin embargo, tengo mis dudas en cuanto a lo que dices de las lentes gravitacionales. Un buen ejemplo es el que has mencionado en el que se forman cuatro imágenes de un objeto lejano. El primer ejemplo de este tipo en ser detectado, el quasar G2237+0305, muestra cuatro imágenes distintas dispuestas simétricamente alrededor de una galaxia más cercana, que actúa como lente. El quasar que sufre el efecto está situado a unos 8 000 millones de años-luz, mientras que la galaxia se encuentra a 500 millones de a.l. Este objeto se conoce a veces como Lente de Huchra en honor de su descubridor. Otros muchos han sido descubiertos con posterioridad con estas mismas características y que también son denominados cruces de Einstein.
      Es cierto que todo lo que creemos cierto hoy, mañana no lo será pero, sin embargo, hay cuestiones que son invariantes y, ¿por qué no este fenómeno?
      Es posible, como apuntas que la diferencia de masa entre protones y electrones pueda ser la causa de lo que podemos observar en cuanto a la inhomegeneidad del plasma que rodea al Sol. Sin embargo, en cuanto a nuestro astro más cercano, son muchas las cosas que aún desconocemos y no podemos ni explicar como la Corona alcanza temperaturas de 2 millones de K.
      Con todas estas cuestiones debemos esperar a que se vayan despejando incógnitas que de momento, no hemos podido desvelar y cosas que no comprendemos. Acuerdate lo que que costó llegar al conocimiento de lo que conocemos como el Proceso Triple Alfa, esa cadena de interacciones mediante la cual se sintetiza el Carbono en el interior de las estrellas.
      En lo que se refiere al “Universo Eléctrico”, sería un sin sentido negarlo pero, de la misma manera, lo seróa negar el “Universo Gravitatorio” y, en definitiva, el Universo de las cuatro fuerzas que todo lo rigen en mayor o menor proporción y, sobre todo, cada una de éstas fuerzas, tienen sus campos muy bien delimitados y, al menor para mí, ofrecen poca confusión.
      El Universo está contextuado en esas cuatro fuerzxas fundamentales pero, no debemos olvidar esos números invariantes que llamamos constantes universales y que, junto a las otras fuerzas hacen que el universo sea como es, como lo vemo y no de otra manera.
      Y, a todo esto, habalamos de muchas cuestiones y olvidamos que, de entre todas ellas, la LUZ, quizá sea la más importante y, seguramente encierra secretos que cuando puedan ser desvelados…Veremos el Universo de manera muy distinta, la imagen que ahora tenemos del Universo cambiará.
      Un abrazo amigo.
       

      Responder
      • 1.1.1
        Roberto Conde
        el 26 de agosto del 2012 a las 12:28

        Efectivamente Emilio, respecto a las interacciones fundamentales ¡no se puede despreciar lo que no es despreciable!
        Respecto a lo de las lentes que enfocan a cuásares supuéstamente mucho más lejanos que las galaxias, la cuestión es que lo único que hace pensar que sea así es el desplazamiento al rojo mucho mayor de estos quasars.
        Se oponen dos visiones:

        1) La rocambolesca casualidad de esa lente justo ahí, y el quasar alineado justo detrás, además, de forma que cree, por una anisotropía de la lente, 4 imágenes del mismo cuásar, además formando un tetraedro (si atendemos a la proyección en la imagen 2D de un cuásar de la misma luminosidad) . Si fuera un único caso podría tener sentido. Pero esto se da con más cuásares. Recuerdo haber visto el cálculo de la probabilidad de que este hecho ocurriera, y estadísticamente era ridícula, lo que se dice una imposibilidad estadística.

        2) Son cuatro cuásars, como muchos de los otros que Halton Arp cataloga como cuerpos expulsados de los núclesos galácticos activos. Cuásares que tienen desplazamiento al rojo mayores que ésta y conectados a la galaxia que los expulsó.

        El único problema de la 2 es que se carga la hipótesis nunca confirmada de que mayor desplazamiento al rojo implica mayor distancia. Que a su vez se cargaría la teoría del Bing Bang y muchas cosas más… 
         
        Como ya sabes yo opto por la 2. Lo que da pena es que el debate en la comunidad científica apenas exista.

        Además, como comentaba, las lentes gravitatorias son el arma perfecta para hacer no falsable casi cualquier teoría astrofísica. Si ves algo que no debería estar ahí, o no ves algo que debería estar ahí, o la forma y luminosidad de lo que ves no se corresponde con lo que tu teoría predice, pues dices que hay una lente gravitatoria entre nosotros y ese objeto de las carácterísticas adecuadas y problema resuelto. Y si encima está hecha de materia oscura pues ya ni te digo. 

        No sé cual es la masa crítica de “epiciclos” en las teorías asentadas para que haya un cambio de paradigma, pero espero que se alcance pronto. 

        El padre Occam estaría muy agradecido.

        Un abrazo. 

        Responder
  2. 2
    Fandila
    el 26 de agosto del 2012 a las 13:03

    El campo gravitatoro que rodea a una masa, y que se incrementa o debilita, hacia ella o a partir de ella, de forma cuadrática, considerado en abstracto como campo no nos dirá gran cosa respecto a las llamadas lentes gravitacionales.
    Realmente el efecto de lente vendrá dado por las diferencias de densidad (Algo existe en el entorno de las masas, digamos: ondas, energía oscura, materia oscura… y en definitiva unas variaciones de curvatura, en abstracto)
    Que duda cabe que al pasar la luz de un medio menos denso a otro más denso, el respectivo rayo se acerca a a la normal, como ocurriría en una lente de vidrío imaginario de densidad creciente hacia su interior.
     
    ¿Por qué las masas se rodean de ese “halo” sutil, de varibilidad creciente hacia ellas?:
    * Porque quizá sean el excedente oscuro de que la materia nace, a la vez que constituyan sus desechos entrópicos.
    * Porque en un vacío expansivo, la presión en todas direcciones hace que la dicha materia o radición se acumule en los obstáculos que encuentra, las masas.
    Ambos condicionamientos supondrían el efecto gravitacional y el mantenimiento energético de la materia,
     
    Gravitones o no garavitones serían una manera de cuantizar el efecto gravitatorio o de no considerar tal cosa, que constatar la presión oscura ya sería suficiente. Los gravitones  habrán de ser  variables en extremo oara abarcar el posible ilimitado de la materia.
     
    Saludos

    Responder

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