martes, 27 de julio del 2021 Fecha
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El Universo dinámico

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

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Nacimiento de una estrella (IRAS-Renacuajo) captado desde el Hubble.

            El Hubble captó el nacimientio de una estrella en el Espacio lejano. Le llaman renacuajo

En muchos de los trabajos aquí presentados he procurado explicaros lo que son las estrellasl, como se forman, como evolucionan y finalmente mueren para convertirse en otro objeto distinto. Durante sus vidas, durante miles de millones de años, las estrellas hacen posible que mediante el proceso de fusión, unos elementos se conviertan en otros cada vez más complejos para que sea posible, como ahora sabemos, la existencia de todos esos elementos que hemos relacionado en la Tabla Periódica, los más complejos formados en explosiones de Supernovas.

materia estados

                              En nuestro Universo, el Plasma es el estado más común de la materia

Las estrellas son cuerpos celestes compuestos de materia del plasma, o de materia degenerada, que se concentra en un solo lugar por la fuerza de la gravedad. Están formadas principalmente por hidrógeno y helio. Estrella a lo largo de su vida produce la radiación electromagnética en forma de luz visible a través de los procesos de fusión de átomos de hidrógeno en el núcleo.

“Hoy en día, es muy fácil poder ver y disfrutar de hermosas imágenes astronómicas con mucho muy coloridas, que realmente parecen unas verdaderas obras de arte. Sin embargo, cuando tenemos la oportunidad de mirar estos objetos a través de un telescopio, se ven en “blanco y negro” lo que puede representar una decepción mayúscula para alguien que esperaba ver a todo locos un objeto del cielo profundo.”

 

 

The Eta Carina Nebula

 

                                                                                   Eta Carinae – NGC 3372

“¿Sera acaso que los astrónomos nos mienten mostrándonos imágenes falsas? La respuesta es la siguiente, los instrumentos actuales para fotografiar el cielo, son tan sensibles a la luz, que pueden captar el color real de los objetos que se encuentran a millones de años luz, almacenándola en medios digitales e interpretando el color, pero nuestros ojos, no son capaces de almacenar luz, como lo hacen los aparatos electrónicos, y debido a la poca cantidad de luz que nos llega a nuestra vista, solo vemos con los “bastones” de nuestros ojos, células que son más sensibles a la luz, pero que no captan el color.”

 

 

 

                                                      Esta es la Nebulosa Roseta. NGC 7635

¿Cómo estan formadas las estrellas? están formadas en las nubes de materia interestelar, compuesta principalmente de hidrógeno. Una cuarta parte se compone de helio, mientras que el 1% restante es una mezcla de polvo y otros átomos. Esta nube es densa, y los átomos de hidrógeno mismo se combinan para hidrógeno molecular. Nube molecular se forma en fase terminal, lo que aumenta su tamaño y peso. La densidad de la nube está a unos pocos millones de partículas por centímetro cúbico, y el peso de 100 000 a 10 000 000 masas solares. El tamaño es enorme, de 50 a 300 años luz. Como una nube fría y fina, y el proceso de su creación, dura un tiempo relativamente corto.

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/7f/NGC_6745.jpg

                                   El Colapso gravitatorio del Gas y el Polvo hace que nazcan nuevas estrellas

Estrellas masivas

“Cuando una estrella sobrepasa en masa el valor límite de Chandrasekhar, gasta rápidamente su combustible y empieza a comprimirse. No hay nada que detenga su colapso: la fuerza de compresión gravitacional es tan intensa que las partículas materiales que la conforman ya no obedecen el principio de exclusión y todas terminan por estar en la misma posición y con la misma velocidad, justamente, un punto sin masa, en el espacio.

Ese punto es una singularidad, con una densidad de cientos miles de millones toneladas por centímetros cúbicos. En este caso, la masa no se habría destruido porque sería una violación al principio de conservación de la materia, sino mas bien, transformada en energía gravitacional de acuerdo a la ecuación de Einstein E= mc2.”

 

 

 

El recorrido que hacen las estrellas desde que “nacen” en la Nebulosa, hasta que consumen su combustible nuclear de fusión, es fascinante. Y, según la masa que puedan contener, finalizarán sus vidas como enanas blancas, estrella de neutrones o agujeros negros.

¿Qué sucede a una estrella, cuando se “quema”? Núcleo de la estrella comienza a colapsar bajo su propio peso, mientras que las capas exteriores son violentamente expulsados​​. En función del peso que la estrella estaba en el principio, se puede transformar en una enana blanca (con aproximadamente el mismo tamaño de la Tierra), que después del enfriamiento se convierte en un enano negro. Si la masa de la estrella es de 8 masas solares, entonces tras el derrumbe ocurre la erupción, y una explosión crea la supernova. Pero cuando la masa de la estrella supera las 10 masas solares, cuando colapsa forma un agujero negro.

También hemos hablado aquí, de las galaxias y sus diferentes tipos, de radiogalaxias y de los cuásares, además de otras cuestiones de interés que, en todo momento, he tratado de explicar de manera muy sencilla con el objeto de que su comprensión sea fácil para las personas no versadas en Astronomía.

Es preciso que todos sepais que, en cualquier región del Universo, por muchos años luz que de nuestra Galaxia esté alejada, las leyes que rigen son las mismas que aquí, en nuestra región, interaccionan con la materia. Todo el Cosmos es lo mismo en cualquier lugar. Los Cúmulos de Galaxias y los espacios “vacíos” que existen entre ellos, las Nebulosas, los Agujeros Negros que ocupan el corazón de las Galaxias, el gas y el polvo interestelar que forman nuevas estrellas, y, en fin, todas las maravillas que a través de los procesos nucleares, forman la materia compleja a partir del Hidrógeno y del Helio.

Descubren restos de la materia prima original del Universo

Simulación computacional del gas pristino. Cuando salió la noticia del descubrimiento, se pudo leer:

“Astrónomos de la Universidad de California en Santa Cruz han encontrado, por primera vez, restos de la materia prima original del Universo en nubes de gas que datan de la noche de los tiempos. Estas nubes contienen remanentes absolutamente intactos del gas «limpio» que apareció en los primeros minutos después del Big Bang y que nunca llegó a formar parte de las estrellas. El hallazgo, que aparece publicado en la revista Science, coincide con las predicciones teóricas sobre los orígenes de los elementos en el Cosmos.

Descubren restos de la materia prima original del Universo

 

 

Solo los elementos más ligeros, principalmente hidrógeno y helio, se crearon en el Big Bang. A continuación, tuvieron que pasar varios cientos de millones de años para que grupos de este gas primordial se condensaran para formar las primeras estrellas, momento en el que los elementos más pesados se forjaron. Hasta ahora, los astrónomos han detectado siempre «metales» (término para referirse a todos los elementos más pesados que el hidrógeno y el helio) en cualquier lugar que buscaran en el Universo.”

 

Antes de que se formaran las primeras estrellas, el 75% del material era Hidrógeno

 

Hidrógeno y Helio es el material primario del Universo y, a partir de ellos, se forman las estrellas que convierten ese material en una especie de plasma a altas temperaturas que en la superficie de la estrella puede ser de 6.000 grados y en el núcleo de 15 millones.

La fusión nuclear, convierte el hidrógeno en helio, el helio en carbono, el carbono en oxígeno, y, de esta manera hasta llegar al hierro. Otros materiales más complejos se producen cuando las estrellas supermasivas explotan en supernovas sembrando el espacio con una nueva Nebulosa y, su núcleo se convierte en una estrella de neutrones o en un agujero negro.

Pero veamos algún objeto más de los que pueblan el inmenso espacio del Universo.

La luz está compuesta por fotones y precisamente ya se ha dicho que es la luz la que tiene el record de velocidad del universo al correr a unos 300.000 Km/s, exactamente 299.792’458 Km/s.

¿Y los neutrinos?

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Existen 3 tipos de neutrinos y los científicos creen poco probable que haya algún otro «sabor», a menos que tenga propiedades muy diferentes a las de los encontrados. Estos se asocian con distintas partículas cargadas y de allí se derivan sus nombres: Están asociados al electrón (neutrino electrónico), al muón (neutrino muónico) y a la partícula Tau (neutrino tauónico).

Resultado de imagen de La masa de los Neutrinos

Un grupo de investigadores del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) determinó que la masa de los neutrinos no excede de 0,26 electronvoltios, dos millones de veces inferior a la masa del electrón. El equipo ha descubierto que la suma de las masas de los tres tipos de neutrinos que existen (electrónicos, muónicos y tauónicos) no representa más del 6 por mil del total de la masa-energía del cosmos.

Los neutrinos se forman en ciertas reacciones nucleares y ningún físico atómico ha sido hasta ahora capaz de medir su masa. Es probable que los neutrinos, como los fotones, tengan una masa en reposo nula, aunque en realidad el neutrino nunca podrá estar en reposo y, como el fotón, siempre se está moviendo a 299.792’458 Km/s y adquieren esa velocidad desde el instante en que se forma.

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Los fotones son los cuantos de la luz y transmisores del electromagnetismo y de cualquier clase de radiación en el Universo.

Pero los neutrinos no son fotones, porque ambos tienen propiedades muy distintas. Los fotones interaccionan fácilmente con las partículas de materia y son retardados y absorbidos al pasar por la materia. Los neutrinos, por el contrario, apenas interaccionan con las partículas de materia y pueden atravesar un espesor de años luz de plomo sin verse afectados.

Parece claro, por tanto, que si los neutrinos tienen una masa en reposo nula, no son materia. Por otro lado, hace falta energía para formarlos, y al alejarse se llevan algo de ella consigo, de modo que son una forma de energía.

Para capturarlos, han ideado grandes depósitos de agua pesada en las profundidades de la Tierra.

Los neutrinos atraviesan cualquier espesor de materia sin interaccionar apenas, de modo que prácticamente no efectúan trabajo. Lo cual les distingue de cualquier otra forma de energía. En su momento se habló de que los neutrinos podían ser la energía oscura que tanto fascina a todos los físicos, astrofísicos y astrónomos, sin embargo, al no haber detectado la masa de los neutrinos, se desechó la idea.

El neutrino es de la familia de los leptones y existe en tres formas. Una asociada al electrón y se conoce como neutrino electrónico (Ve), otra al muón y es el neutrino múonico (Vµ) y por último el que está asociado con la partícula tau, que es el neutrino tauónico (Vt). Cada forma tiene su propia antipartícula.

El neutrino fue postulado en 1.931 para explicar la energía “perdida” en la desintegración beta. Fue identificado de forma tentativa en 1.953, y definitivamente en 1.956, dando la razón a Wolfgang Pauli que presintió su existencia.

Los neutrinos no tienen carga y como dijimos antes, tampoco tienen masa; son pura energía que viaja siempre por el espacio a la velocidad de la luz. En algunas teorías de gran unificación se predice que los neutrinos tienen masa no nula, pero no hay evidencia concluyente para eso.

Cuando Pauli propuso su existencia para justificar la energía perdida en la desintegración beta, Enrico Fermi lo bautizó con el nombre de neutrino.  La ley de conservación de la energía prohíbe que ésta se pierda, y en la desintegración beta, que es un tipo de interacción débil en la que un núcleo atómico inestable se transforma en un núcleo de la misma masa atómica pero de distinto número atómico, hace que en el proceso un neutrón se convierta en un protón con la emisión de un electrón, o de un protón en un neutrón con la emisión de un positrón. Pero la cuenta no salía, allí faltaba algo, no se completaba en la transformación la energía original, así que Pauli añadió en la primera un antineutrino electrónico y la segunda la completó con un neutrino electrónico.

Evitamos fórmulas y explicaciones complejas.

Así fue como se dio a conocer al mundo la existencia de neutrinos.

Ahora para ir conociendo mejor el Universo, dejemos aquí explicados algunos conceptos:

Asteroide.

 

(Planetas menores; planetoides)

Pequeños cuerpos que giran alrededor del Sol entre las órbitas de Marte y Júpiter en una zona alejada entre 1’7 y 4’0 Unidades astronómicas del Sol (cinturón de asteroides).  El tamaño de estos objetos varía desde el más grande, Ceres (con un diámetro de 933 km.), a los objetos con menos de 1 km. De diámetro.  Se estima que hay alrededor de 10 cuerpos con diámetro mayor de 250 km. Y unos 120 cuerpos con diámetros por encima de 130 km.

Aunque son millones, su masa total es apenas una pequeña fracción de la Tierra, aunque no por ello dejan de ser preocupantes en el sentido del peligro que pueda suponer para nuestro planeta, la colisión con uno de estos pedruscos enormes del espacio estelar.  La desaparición de los Dinosaurios podría ser una prueba de los efectos devastadores de una colisión de este calibre. Según algunos creen uno de estos cuerpos enormes cayó en Mexico y arrasó con la vida de los grandes reptiles.

Astrofísica.

Ciencia que estudia la física y la química de objetos extraterrestres.  La alianza de la física y la astronomía, que comenzó con la creación de la espectroscopia, permitió investigar lo que son los objetos celestes, y no solo donde están. Es una de las ciencias más antiguas, cuyo objetivo es explicar los fenómenos del Universo apoyándose en los conocimientos de la Física y otras ciencias afines. Asi también la astrofísica pretende determinar el origen, la formación y la evolución de los planetas, estrellas y galaxias.

Esta ciencia nos permite saber la composición de elementos que tiene un objeto estelar situado a miles de años-luz de la tierra, y, de momento, se confirma que el material existente en el Universo entero, es igual en todas partes.

El Universo primitivo era un plasma, cuando se enfrió se convirtió en Hidrógeno y algo de Helio (los dos elementos más simples) y más tarde, cuando se formaron las primeras estrellas y galaxias, se pudo fabricar,  en los hornos termonucleares de las estrellas, el resto de elementos más complejos y pesados, tales como litio, carbono, oxigeno, nitrógeno, todos los gases nobles como argón, kriptón, neón, etc., el hierro, mercurio… uranio y se completó la tabla periódica de elementos naturales que están, de una u otra forma dispersos por el Universo.

Nosotros mismos, la especie humana, estamos hechos de un material que solo se puede producir en las estrellas, así qué, sin lugar a ninguna duda,  el material que nos formó se fabricó hace miles de millones de años en estrellas situadas a miles o cientos de miles de años-luz de nuestro Sistema Solar. ¡Qué insignificante somos comparados con la enormidad del Universo! Sin embargo, el hecho de pertenecer a él nos da cierta importancia, y, además, somos conscientes de Ser.

Astronomía invisible.

Estudio de objetos celestes observados mediante la detección de su radiación o longitudes de onda diferentes de las de la luz visible.

Mediante este método se ha detectado, por ejemplo, una fuente emisora de rayos X, Cygnus X-I, que consiste en una estrella supergigante que rota alrededor de un pequeño compañero invisible con una masa unas diez veces mayor que la del Sol y, por tanto, por encima del límite de Chandrasekhar y que todos los expertos le conceden su voto para que, en realidad sea un agujero negro situado en el corazón de nuestra Galaxia a 30.000 años-luz de la Tierra.

Astronómica, unidad.

 

Distancia media de la Tierra al Sol, igual a 149.600 millones de km., ó 499,012 segundos-luz, ó 8’316 minutos-luz.  Cuando se utiliza para medir distancias entre Galaxias, se redondea en 150 millones de km.

Átomo.

La parte más pequeña que puede existir de un elemento.  Los átomos constan de un pequeño núcleo muy denso de protones y neutrones rodeado de electrones situados por capas o niveles y moviéndose.  El número de electrones es igual al de protones y, siendo la carga de estas positivas y la carga de aquellas negativa, pero equivalentes, el resultado final del total de la carga es cero y procura la estabilidad entre cargas opuestas pero iguales.

La estructura electrónica de un átomo se refiere a la forma en la que los electrones están dispuestos alrededor del núcleo y, en particular, a los niveles de energía que ocupan.  Cada electrón puede ser caracterizado  por un conjunto de cuatro números cuánticos: el núm. Cuántico principal, el orbital, el magnético y el número cuántico de espín.

De acuerdo con el principio de exclusión de Pauli, dos electrones en un átomo no pueden tener el mismo conjunto de números cuánticos.  Los números cuánticos definen el estado cuántico del electrón y explicar como son las estructuras electrónicas de los átomos.

En el núcleo reside casi por completo, la masa del átomo que esta compuesta, como se ha dicho por protones y neutrones que, a su vez, están hechos por quarks.

Se puede dar el caso  de que, en ocasiones, se encuentren átomos exóticos en el que un electrón ha sido reemplazado por otra partícula cargada negativamente, como un muón o mesón.  En este caso, la partícula negativamente cargada finalmente colisiona con el núcleo con la emisión de fotones de rayos X.  Igualmente, puede suceder que sea el núcleo de un átomo el que sea reemplazado por un mesón positivamente cargado.  Ese átomo exótico tiene que ser creado artificialmente y es inestable.

Resultado de imagen de El Modelo cosmológico del Big Bang

Big Bang.

Teoría cosmológica en la que toda la materia y energía del Universo se originó a partir de un estado de enorme densidad y temperatura que explotó en un momento finito en el pasado hace unos 15 mil millones de años.  Esta teoría explica de forma satisfactoria la expansión del Universo, la radiación de fondo de microondas observada, característica de la radiación de cuerpo negro a una temperatura de 3 K y la abundancia observada de helio en el Universo, formado por los primeros 100 segundos después de la explosión a partir del denterio a una temperatura de 10.000.000.000 K. Ahora es considerada generalmente como más satisfactoria que la teoría de estado estacionario de un Universo quieto e inamovible.  La teoría del Big Bang fue desarrollada por primera vez en 1.927 por A.G.E. Lamaitre (1894-1966) y retomada y revisada en 1.946 por George Camow (1904-1968). Han sido propuestas varias variantes de ella.

Resultado de imagen de La teoría de la relatividad general

La teoría de la relatividad general predice la existencia de una singularidad en el comienzo, cuando la temperatura y la densidad eran infinitas.  La mayoría de los cosmólogos interpretan esta singularidad como una indicación de que la relatividad general deja de ser válida en el Universo muy primitiva, y que el comienzo mismo debe ser estudiado utilizando una teoría cosmológica cuántica.

Con el conocimiento actual de la física de partículas de altas energías, podemos hacer avanzar el reloj, hacia atrás y a través de las eras Leptónica y la hadrónica hasta una millonésima de segundo después del Big Bang cuando la temperatura era de 1013 k.  Utilizando una teoría más especulativa los cosmólogos han intentado llevar el modelo hasta 10-35 segundos después de la singularidad, cuando la temperatura estaba en 1018 K.

En el instante del Big Bang comenzó la expansión del Universo y en ese mismo momento, nació el espacio-tiempo. En un principio la simetría lo dominaba todo y reinaba una sola fuerza unificada.  Más tarde, a medida que el Universo se enfriaba, la simetría se rompió y surgió la materia y las 4 fuerzas fundamentales que rigen hoy, la opacidad desapareció y todo fue transparencia, surgieron los fotones que transportaron la luz a todos los rincones del cosmos. Doscientos mil años más tarde surgieron las primeras estrellas, se formaron las Galaxias y, partir de la materia inerte, nosotros, la especie humana que, hoy, tan pretenciosa, quiere explicar como ocurrió todo.

Todo esto quedó bien explicado en días anteriores, sin embargo, se deja aquí un resumen como recordatorio para que todos, sin excepción, se familiaricen con estos conceptos del Cosmos.

Carbono, reacción de.

Importante proceso de fusión nuclear que se produce en las estrellas.  Lo inicia, el carbono 12 y, después de interacciones con núcleos de nitrógeno, hidrógeno, oxígeno y otros elementos, reaparece al final. Este es el fenómeno que hace posible que las estrellas estén brillando en los cielos.

En la atmósfera, el aire que respiramos hay una reducida cantidad de carbono ( CO2). Pero es suficiente para que el cuerpo la inhale, las plantas que inhalan el carbono (CO2) el cual llega a formar parte del tejido de las plantas necesitan el carbono para formar cosas las cuales para ellas son de importancia, tales como los azucares. el carbono 14 permanece poco tiempo y después regresa a su estado anterior (nitrógeno).
El científico Willard Libby dice que el C14 rompe su equilibrio en una vida media predecible, aproximadamente la mitad cambia de regreso al N14 cada 5730 años.

Cefeida variable.

 

 

 

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Ahí la tenéis. Se trata de una de las estrellas más importantes del cielo. La estrella pulsante RS Puppis  es el astro más brillante en el centro de la imagen. Es aproximadamente diez veces más masiva que el Sol y, en promedio, quince mil veces más luminosa.

De hecho, RS Puppis es una estrella Cefeida,  es decir, una estrella cuyo brillo varia de manera regular y por esto mismo se la utiliza para estimar la distancia a las galaxias cercanas. Este es uno de los primeros pasos para establecer las escalas de las distancias cósmicas, y, este tipo de estrellas se denominan estrellas variables Cefeidas.

Una estrella variable pulsante cuya periocidad (esto es, el tiempo que su brillo tarde en variar) está directamente relacionada con su magnitud absoluta. Esta correlación entre el brillo y el período hace útiles las cefeidas para medir distancias intergalácticas.

Se han combinados datos sobre las curvas de luz de estrellas variables como Delta Cephei y Beta Lyrae

Uno de los grupos importantes de gigantes o supergigantes amarillas variables pulsantes, llamadas así por su prototipo, Delta Cephei.  Este término general y aplicado comúnmente a más de un tipo estelar, en particular a los cefeadas clásicas antes mencionadas Delta Cephei, y a los menos numerosas estrellas conocidas como W virginia. En su tamaño máximo, los Cefeidas son típicamente un 7-15% mayores que en su tamaño mínimo.

Centauro A

Centauros A.

Intensa radiofuente o fuente de rayos X situada en la constelación Centauros,  identificada con la Galaxia elíptica gigante de una magnitud 7 NGC 5128.  Centauros A es una radio galaxia clásica con dos pares de lóbulos radioemisores, el mayor de los cuales extendiéndose hasta a 1’5 millones de a.l. y con un chorro que unos 10.000 a.l. de longitud.  Estando situada a 15 millones de a.luz, se trata de la radiogalaxia más cercana al Sol.  Aunque la Galaxia madre se identifica como eliptica, tiene una banda de polvo poco característica cruzándola, que se cree es el resultado de la unión de una galaxia eliptica en otra espiral.

Esta situada entre el Grupo Local y el centro del supercúmulo de Virgo.

Colapso gravitacional

 

Fenómeno predicho por la teoría de la relatividad general en el que la materia comprimida más allá de una densidad crítica se colapsa como consecuencia de la atracción gravitacional hasta que aparece una singularidad puntual.

La singularidad resultante del colapso gravitacional puede ser interpretada como una indicación de que se ha llegado al límite de la teoría de la relatividad general y de la necesidad de construir una gravedad cuántica.

La hipótesis de la censura cósmica sugiere que el punto final del colapso gravitacional debe ser un agujero negro, pues las singularidades están siempre ocultas en astrofísica, pues suministra una evidencia indirecta de la existencia de los Agujeros negros.

También, dependiendo de la masa de la estrella, cuándo finalmente agotan su combustible nuclear de fusión (hidrógeno, helio, oxigeno, carbono, etc.) y la gravedad no encuentra oposición para realizar su trabajo, las estrellas colapsan bajo su propio peso, no siempre hasta agujeros negros, como nuestro Sol un día en el futuro, podrán colapsar a estrellas enanas blancas o estrellas de neutrones y los supermasivas, estas así, serán agujeros negros.

Cometas

Miembros secundarios del Sistema Solar que, según se cree, son montones de suciedad y hielo que son residuos de la formación del sistema solar.  Se cree que hay millones de cometas en la Nube de Oort, una región esférica con un radio de treinta mil a cien mil unidades astronómicas con centro en el Sol.  Los cometas que llegan de la Nube de Oort son calentados por el Sol y desarrollan colas brillantes que los hacen visibles en los cielos de la Tierra.

Resultado de imagen de Corrimiento al rojo

Corrimiento al rojo.

Desplazamiento de las líneas espectrales en la luz proveniente de las estrellas de las galaxias distantes, que se considera producido por la velocidad de alejamiento de las galaxias en un universo en expansión (ley de Hubble). Cuando las galaxias en lugar de alejarse se acercan (caso de Andrómeda), el corrimiento es hacia el azul.

Cósmica, densidad de la materia. (Densidad crítica)

Densidad de materia que se obtendría si toda la materia contenida en las Galaxias fuera distribuida uniformemente a lo largo de todo el Universo.  Aunque las estrellas y los planetas tienen densidades mayores que la densidad del agua (alrededor 1 gr/cm3),  la densidad media cosmológica es extremadamente baja (menos de 10-29 gr/cm3, o 10-5 átomos/cm), ya que el Universo está formado casi exclusivamente por espacio virtualmente vacío entre galaxias.  La densidad media de materia determina si el Universo continuará expandiéndose o no.

La llamada densidad crítica, es la densidad media de materia requerida para que la Gravedad detenga la expansión del Universo. Un Universo con una densidad muy baja se expandirá por siempre, mientras que uno con una densidad muy alta colapsará finalmente.  Un Universo con exactamente la densidad crítica, alrededor de 10-29 gr/cm3, es descrito por el modelo Einstein- de Sitter, que se encuentra en la línea divisoria de estos dos extremos.

La densidad media de materia que puede ser observada directamente en nuestro Universo representa sólo el 20% del valor crítico.  Puede haber, sin embargo, una gran cantidad de materia oscura que elevaría la densidad hasta el valor crítico.  Las teorías de universo inflacionario predicen que la densidad presente debería ser muy próxima a la densidad crítica; estas teorías requieren la existencia de materia oscura que, hoy por hoy, es el misterio más grande de la Astrofísica.

Cósmicos, rayos.

Partículas subatómicas, principalmente protones,  que atraviesan velozmente el espacio y chocan con la Tierra.  El hecho de que sean masivas sumado a sus altas velocidades, hace que contengan considerable energía: de 108 a más de 1022 eV (electrón-voltios).

El 90% de los rayos cósmicos son protones (núcleos de hidrógeno) y partículas alfa (núcleos de helio) la mayor parte del resto.  Los núcleos más pesados son muy raros.   También están presentes un pequeño número de electrones, positrones, antiprotones y neutrinos y rayos gamma.

Los rayos cósmicos fueron detectados por primera vez durante el vuelo de un globo en 1.912 por V.F.Hess, y el término fue acuñado en 1.925 por el físico norteamericano Robert Andrews Millikan (1868-1953).

Resultado de imagen de Cosmología

En la física la cosmología se refiere al estudio de la evolución y el destino del universo, así como también al desarrollo de las teorías de la relatividad, …

Cosmología.

  1. Ciencia que se ocupa de estudiar la estructura y la composición del Universo como un todo.  Combina la astronomía, la astrofísica y la física de partículas y una variedad de enfoques matemáticos que incluyen la geometría y la topología.
  2. Teoría cósmica particular.

Cosmología constante.

Un término empleado a veces en cosmología pasa expresar una fuerza de “repulsión” o “repulsión cósmica”, como la energía liberada por el falso vacío que los modelos del Universo inflacionario consideran que potenció exponencialmente la expansión del universo.  Que exista tal repulsión cósmica o que haya desempeñado alguna vez un papel en la historia cósmica es un problema aún no resuelto, como ocurre con la constante cosmológica de Einstein.

Cúmulo de estrellas.

Conjunto de estrellas unidas por la Gravitación, más pequeños y menos masivos que las Galaxias.  Los cúmulos “globulares” son más abundantes; son viejos y pueden contener de cientos de miles de millones de estrellas; se les encuentra dentro y lejos del disco Galactico.

Se extienden sobre un radio de unos pocos megaparsecs (también existen pequeños Grupos de Galaxias, como nuestro Grupo Local de solo unas pocas Galaxias.)

Este apartado final del trabajo de hoy, es debido a una petición de un profesor amigo que, me lo ha pedido para introducir a sus alumnos en el mundo de la Astronomía y que tomen conciencia del lugar en el que se encuentra,.

emilio silvera

De como llegamos hasta los Quarks

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

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Ahora todos hablamos del LHC. Sin embargo, la historia de los aceleradores no comenzó con éste moderno y complejo conglomerado de sofisticadas estructuras que hacen posible que visitemos lugares muy lejanos en el corazón de la materia. Tendríamos que recordar al acelerador lineal también llamado LINAC (linear accelerator) es un tipo de acelerador que le proporciona a la partícula subatómica cargada pequeños incrementos de energía cuando pasa a través de una secuencia de campos eléctricos alternos.

               Generador de Van de Graaff.                          El rodillo y peine superior.

Mientras que el generador de Van de Graaff proporciona energía a la partícula en una sola etapa, el acelerador lineal y el ciclotrón proporcionan energía a la partícula en pequeñas cantidades que se van sumando. El acelerador lineal, fue propuesto en 1924 por el físico sueco Gustaf Ising. El ingeniero noruego Rolf Wideröe construyó la primera máquina de esta clase, que aceleraba iones de potasio hasta una energía de 50.000 eV.

Durante la Segunda Guerra Mundial se construyeron potentes osciladores de radio frecuencia, necesarios para los radares de la época. Después se usaron para crear aceleradores lineales para protones que trabajaban a una frecuencia de 200 MHz, mientras que los aceleradores de electrones trabajan a una frecuencia de 3000 MHz.

El acelerador lineal de protones diseñado por el físico Luis Alvarez en 1946, tenía 875 m de largo y aceleraba protones hasta alcanzar una energía de 800 MeV (800 millones). El acelerador lineal de la universidad de Stanford es el más largo entre los aceleradores de electrones, mide 3.2 km de longitud y proporciona una energía de 50 GeV. En la industria y en la medicina se usan pequeños aceleradores lineales, bien sea de protones o de electrones.

El SLAC, ubicado al sur de San Francisco, acelera electrones y positrones a lo largo de algo más de tres kilómetros hacia varios blancos, anillos y detectores ubicados en su finalización. Este acelerador hace colisionar electrones y positrones, estudiando las partículas resultantes de estas colisiones. Construido originalmente en 1962, se ha ido ampliando y mejorando para seguir siendo uno de los centros de investigación de física de partículas mas avanzados del mundo. El centro ha ganado el premio nobel en tres ocasiones. Y, una vez recordada de manera breve la historia, pasaremos directamente al tema que en realidad nos ha tríado aquí: ¡El descubrimiento de los Quarks!

Ahora los medios con los que cuentan los físicos del LHC son inmensamente más eficaces y están más adelantados que aquellos viejos aceleradores que, sin embargo, fueron los pioneros y los que hicieron posible adquirir conocimientos que nos han traído hasta el moderno LHC.

En 1967 se emprendió una serie de experimentos de dispersión mediante los nuevos haces de electrones del SLAC. El objetivo era estudiar más incisivamente la estructura del protón. Entra el electrón de gran energía, golpea un protón en un blanco de hidrógeno y sale un electrón de energía mucho menor, pero en una dirección que forma un ángulo grande con respecto a su camino original. La estructura puntual dentro del protón actúa, en cierto sentido, como el núcleo con las partículas alfa de Rutherford. Pero el problema era aquí más sutíl.

Richard Edward Taylor

               Richard Edward Taylor

Richard Edward Taylor fue uno de los veintidós científicos que trabajó intensamente en el acelerador lineal de Stanford (SLAC), en una serie de pruebas experimentales que vinieron a demostrar que los protones y los neutrones son poseedores de una estructura interna, lo que a su vez confirma las predicciones teóricas del neoyorquino Murray Gell-Mann (1929- ), acerca de la existencia de los denominados quarks.

Junto con sus colegas de Stanford junto con Jerome I. Friedman y Henry W. Kendall -con los que luego habría de compartir el Nobel-, Taylor investigó sobre la estructura interna de la materia, en su mínima expresión, para lo que partió del modelo teórico de los quarks, postulado por Gell-Mann y -de forma independiente- G. Zweig. Tras sus descubrimientos experimentales en el acelerado lineal de Stanford, Taylor perfeccionó dicho modelo añadiéndole la existencia de unas subpartículas desconocidas hasta entonces, que luego fueron denominadas leptones; además, introdujo en el modelo teórico de Gell-Mann otras partículas no estructurales, sino de intercambio de fuerza, a las que en Stanford comenzaron a llamar bosones.

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                   James Bjorken.

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                      Richard Feynman

Los dos últimos párrafos los he tomado prestados de www.mcnbiografias.com., que es lo que se explica de este tema en casi todas partes. Sin embargo, pocos cuentan que, el equipo de Stanford, dirigido por el físico del SLAC por Richard Taylor y los otros dos físicos del MIT, Jerome Friedman y Henry Kendall, tuvieron la gran suerte de que, Richard Feynman y James Bjorken, metieran sus narices en el proyecto llevados por la curiosidad y como habían prestado  su energía y su imaginación a las interacciones fuertes  y se preguntaban: ¿que habrá dentro del protón?

Amnos, Feynman y Bjorken visitaban con frecuencia Stanford desde su base en el  Cal Tech, en Pasadena. Bjorken, teórico de Stanford, estaba muy interesado en el proyecto experimental y en las reglas que regían unos datos aparentemente incompletos. Estas reglas, razonaba Bjorken, serían indicadoras de las leyes básicas (dentro de la “caja negra”) que controlaba la estructura de los hadrones.

        Los cuatro experimentos del LHC: ATLAS, CMS, LHCb y ALICE
Créditos: CERN.

No estaría mal echar una mirada hacia atrás en el tiempo y recordar, en este momento, a Demócrito que, con sus postulados, de alguna manera venía a echar un poco de luz sobre el asunto, dado que él decía que  para determinar  si algo era un á-tomo habría que ver si era indivisible. En el modelo de los quarks, el protón, en realidad, un conglomerado pegajoso de tres quarks que se mueven rápidamente. Pero como esos quarks están siempre ineludiblemente encadenados los unos a los otros, experimentalmente el protón aparece indivisible.

Acordémonos aquí de que Boscovich decía que, una partícula elemental, o un “á-tomo”, tiene que ser puntual. Y, desde luego, esa prueba, no la pasaba el protón. El equipo del MIT y el SLAC, con la asesoría de Feynman y Bjorken, cayó en la cuenta de que en este caso el criterio operativo era el de los “puntos” y no el de la indivisibilidad. La traducción de sus datos a un modelo de constituyentes puntuales requería una sutileza mucho mayor que el experimento de Rutherford.

Precisamente por eso era tan conveniente fue tan conveniente para Richard Edward Taylor y su equipo, tener a dos de los mejores teóricos del mundo en el equipo aportando su ingenio, agudeza e intuición en todas las fases del proceso experimental. El resultado fue que los datos indicaron, efectivamente, la presencia de objetos puntuales en movimiento dentro del protón.

En 1990 Taylor, Friedman y Kendall recogieron su premio Nobel por haber establecido la realidad de los quarks. Sin embargo, a mí lo que siempre me ha llamado más la atención es el hecho cierto de que, este descubrimiento como otros muchos (el caso del positrón de Dirac, por ejemplo), han sido posible gracias al ingenio de los teóricos que han sabido vislumbrar cómo era en realidad la Naturaleza.

A todo esto, una buena pregunta sería: ¿cómo pudieron ver este tipo de partículas de tamaño infinitesimal, si los quarks no están libres y están confinados -en este caso- dentro del protón?  Hoy, la respuesta tiene poco misterio sabiendo lo que sabemos y hasta donde hemos llegado con el LHC que, con sus inmensas energías “desmenuza” un protón hasta dejar desnudos sus más íntimos secretos.

   Este es, el resultado ahora de la colisión de protones en el LHC

Lo cierto es que, en su momento, la teoría de los Quarks hizo muchos conversos, especialmente a medida que los teóricos que escrutaban los datos fueron imbuyendo a los quarks una realidad creciente, conociendo mejor sus propiedades y convirtiendo la incapacidad de ver quarks libres en una virtud. La palabra de moda en aquellos momentos era “confinamiento”. Los Quarks están confinados permanentemente porque la energía requerida para separarlos aumenta a medida que la distancia entre ellos crece. Esa es, la fuerza nuclear fuerte que está presente dentro del átomo y que se encarga de transmitir los ocho Gluones que mantienen confinados a los Quarks.

Así, cuando el intento de separar a los Quarks es demasiado intenso, la energía se vuelve lo bastante grande para crear un par de quark-anti-quark, y ya tenemos cuatro quarks, o dos mesones. Es como intentar conseguir un cabo de cuerda. Se corta y… ¡ya tenemos dos!

¿Cuerdas? Me parece que estoy confundiendo el principal objetivo de este trabajo y, me quiero situar en el tiempo futuro que va, desde los quarks de Gell-Mann hasta las cuerdas de Veneziano y John Schwarz y más tarde Witten. Esto de la Física, a veces te juega malas pasadas y sus complejos caminos te llevan a confundir conceptos y  momentos que, en realidad, y de manera individualizada, todos han tenido su propio tiempo y lugar.

¿Cuántas veces no habré pensado, en la posibilidad de tomar el elixir de la sabiduría para poder comprenderlo todo? Sin embargo, esa pósima mágica no existe y, si queremos saber, el único camino que tenemos a nuestro alcance es la observación, el estudio, el experimento… ¡La Ciencia!, que en definitiva, es la única que nos dirá como es, y como se comporta la Naturaleza y, si de camino podemos llegar a saber, por qué lo hace así…¡mucho mejor!

emilio silvera