Año Internacional de la Astronomía 2009. En España (AIA-IYA2009)

Aquí, cada día procuramos exponer un tema que nos acerque al Universo, y, ayer alguien me comentaba que nunca se podría hacer una idea de lo que era una estrella supermasiva y por qué siendo más grande, tenía una vida más corta.

Lo cierto es que para las estrellas supermasivas, cuando llegan al final de su ciclo y dejan de brillar por agotamiento de su combustible nuclear, en ese preciso instante, el tiempo se agota para ella. Cuando una estrella pierde el equilibrio existente entre la energía termonuclear (que tiende a expandir la estrella) y la fuerza de gravedad (que tiende a comprimirla), al quedar sin oposición esta última, la estrella supermasiva se contrae aplastada bajo su propia masa. Queda comprimida hasta tal nivel que llega un momento que desaparece, para convertirse en un agujero negro, una singularidad, donde dejan de existir el “tiempo” y el espacio. A su alrededor nace un horizonte de sucesos, que si se traspasa se es engullido por la enorme gravedad del agujero negro.

El tiempo, de esta manera, deja de existir en estas regiones del universo que conocemos como singularidad. El mismo Big Bang surgió de una singularidad de energía y densidad infinitas que, al explotar, se expandió y creó el tiempo, el espacio y la materia.

Como contraposición a estas enormes densidades de las enanas blancas, estrellas de neutrones y agujeros negros, existen regiones del espacio que contienen menos galaxias que el promedio o incluso ninguna galaxia; a estas regiones las conocemos como vacío cósmico. Han sido detectados vacíos con menos de una décima de la densidad promedio del universo en escalas de hasta 200 millones de años luz en exploraciones a gran escala. Estas regiones son a menudo esféricas. El primer gran vacío en ser detectado fue el de Boötes en 1.981; tiene un radio de unos 180 millones de años luz y su centro se encuentra aproximadamente a 500 millones de años luz de la Vía Láctea. La existencia de grandes vacíos no es sorprendente, dada la existencia de cúmulos de galaxias y supercúmulos a escalas muy grandes.

Mientras que en estas regiones la materia es muy escasa, en una sola estrella de neutrones, si pudiéramos retirar 1 cm³ de su masa, obtendríamos una cantidad de materia increíble. Su densidad es de 10¹⁷ Kg/m³; los electrones y los protones están tan juntos que se combinan y forman neutrones que se degeneran haciendo estable la estrella de ese nombre que, después del agujero negro, es el objeto estelar más denso del universo.

Es interesante ver cómo a través de las matemáticas y la geometría, han sabido los humanos encontrar la forma de medir el mundo y encontrar las formas del universo. Pasando por Arquímedes, Pitágoras, Newton, Gauss o Riemann (entre otros), siempre hemos tratado de buscar las respuestas de las cosas por medio de las matemáticas.

Así, entre otras muchas cuestiones, hemos podido saber que el final de una estrella supermasiva, está en lo que llamamos una singularidad. Un objeto de enorme densidad.

Es tanta la densidad que no sólo distorsiona el espacio, sino que también distorsiona el tiempo según las ecuaciones de Einstein: el flujo del tiempo se frena cerca del agujero, y en un punto de no retorno (llamado el “horizonte” del agujero, o límite), el tiempo está tan fuertemente distorsionado que empieza a fluir en una dirección que normalmente sería espacial; el flujo de tiempo futuro está dirigido hacia el centro del agujero. Nada  puede moverse hacia atrás en el tiempo*, insisten las ecuaciones de Einstein; de modo que  una vez dentro del agujero, nos veremos arrastrados irremisiblemente hacia abajo con el flujo del tiempo, hacia una “singularidad” escondida en el corazón del agujero; en ese lugar de energía y densidad infinitas, el tiempo y el espacio dejan de existir.

Como he apuntado antes en alguna parte de este mismo trabajo, la descripción relativista del agujero negro procede de la obra de Kart Schwarzschil. En 1.916, apenas unos meses después de que Einstein formulara sus famosas ecuaciones, Schwarzschild fue capaz de resolver exactamente las ecuaciones de Einstein y calcular el campo gravitatorio de una estrella masiva estacionaria.

La solución de Schwarzschild tiene varias características interesantes:

• En primer lugar, una línea de no retorno rodea al agujero negro: cualquier objeto que se acerque a una distancia menor que este radio será absorbido inevitablemente en el agujero.
• En segundo lugar, cualquiera que cayera dentro del radio de Schwarzschild será consciente de un “universo especular”  al “otro lado” del espacio-tiempo.

Einstein no se preocupaba por la existencia de este extraño universo especular porque la comunicación con él era imposible. Cualquier aparato o sonda enviada al centro de un agujero negro encontraría una curvatura infinita; es decir, el campo gravitatorio sería infinito y, como ya dije antes, ni la luz podría escapar a dicha fuerza, e igualmente, las ondas de radio electromagnéticas también estarían prisioneras en el interior de un agujero negro, con lo cual, el mensaje nunca llegará al exterior. Allí dentro, cualquier objeto material sería literalmente pulverizado, los electrones serían separados de los átomos, e incluso los protones y los neutrones dentro de los propios núcleos serían desgajados. Además, para penetrar en el universo alternativo, la sonda debería ir más rápida que la velocidad de la luz, lo que no es posible; c es la velocidad límite del universo.

Así pues, aunque este universo especular es matemáticamente necesario para dar sentido a la solución de Schwarzschild, nunca podría ser observado físicamente (al menos por el momento).

En consecuencia, el famoso puente de Einstein-Rosen que conecta estos dos universos fue considerado un artificio matemático.

El puente de Einstein-Rosen conecta universos diferentes. Einstein creía que cualquier cohete que entrara en el puente sería aplastado, haciendo así imposible la comunicación entre estos dos universos. Sin embargo, cálculos más recientes muestran que el viaje a través del puente, aunque podría ser muy difícil, no sería imposible; existen ciertas posibilidades de que algún día se pudiera realizar

Posteriormente, los puentes de Einstein-Rosen se encontraron pronto en otras soluciones de las ecuaciones gravitatorias, tales como la solución de Reisner-Nordstrom que describe un agujero eléctricamente cargado. Sin embargo, el puente de Einstein-Rosen siguió siendo una nota a pie de página curiosa pero olvidada en el saber de la relatividad.

Las cosas comenzaron a cambiar con la solución que el trabajo matemático presentado por el neozelandés Roy Kerr, presentado en 1.963, encontró otra solución exacta de las ecuaciones de Einstein. Kerr supuso que cualquier estrella colapsante estaría en rotación. Así pues, la solución estacionaria de Schwarzschild para un agujero negro no era la solución físicamente más relevante de las ecuaciones de Einstein.

La solución de Kerr causó sensación en el campo de la relatividad cuando fue propuesta. El astrofísico Subrahmanyan Chandrasekhar llegó a decir:

“La  experiencia que ha dejado más huella en mi vida científica, de más de cuarenta años, fue cuando comprendí que una solución exacta de las ecuaciones de Einstein de la relatividad general, descubierta por el matemático Roy Kerr, proporciona la representación absolutamente exacta de innumerables agujeros negros masivos que pueblan el universo. Este estremecimiento ante lo bello, este hecho increíble de que un descubrimiento motivado por una búsqueda de la belleza en matemáticas encontrará su réplica exacta en la naturaleza, es lo que me lleva a decir que la belleza es aquello a lo que lleva la mente humana en su nivel más profundo“.

La solución de Kerr de un agujero negro giratorio permite que una nave espacial pase a través del centro del agujero por el eje de rotación y sobrevivir al viaje a pesar de los enormes pero finitos campos gravitorios en el centro, y seguir derecha hacia el otro universo especular sin ser destruida por la curvatura infinita.

El universo, como todos sabemos, abarca a todo lo que existe, incluyendo el espacio y el tiempo y, por supuesto, toda la materia está en la forma que esté constituida. El estudio del universo se conoce como cosmología. Si cuando escribimos Universo nos referimos al conjunto de todo, al cosmos en su conjunto, lo escribimos con mayúscula, el universo referido a un modelo matemático de alguna teoría física, ese se escribe con minúscula.

El universo real está constituido en su mayoría por espacios aparentemente vacíos, existiendo materia concentrada en galaxias formadas por estrellas y gas (también planetas, quásares, púlsares, cometas, estrellas enanas blancas y marrones, estrella de neutrones, agujeros negros y otros muchos objetos espaciales). El universo se esta expandiendo, las galaxias se alejan continuamente los unas de las otras. Existe una evidencia creciente de que existe una materia oscura invisible, no bariónica, que puede constituir muchas veces la masa total de las galaxias visibles. El concepto más creíble del origen del universo es la teoría del Big Bang de acuerdo con la cual el universo se creó a partir de una singularidad infinita de energía y densidad a inmensas temperaturas de millones de grados K, hace ahora unos 15.000 millones de años.

Los científicos y estudiosos del universo han especulado mucho con la clase de universo que nos acoge, y para ello han realizado las más diversas teorías de universo abierto, universo cerrado, universo estacionario, universo en expansión, inflacionario, estático, oscilatorio, etc, etc, etc.  Pero, ¿cuál tenemos?

En páginas de este mismo trabajo aparecen unos gráficos de figuras geométricas que pueden representar perfectamente tres clases de universos: el universo plano, el universo abierto y el universo cerrado.

El tipo de universo que nos acoja estaría diseñado y tendrá su final en función de la Densidad Crítica que, está referida a la “densidad media” requerida para que la gravedad detenga la expansión del universo. Un universo con una densidad muy baja se expandirá para siempre, mientras que uno con una densidad muy alta colapsará finalmente (universo cerrado). Sin embargo, un universo con exactamente la densidad crítica, alrededor de 10^-29 g/cm³, es descrito por el modelo de Einstein-de Sitter, que se encuentra en la línea divisoria de los otros dos extremos. La densidad media de materia que puede ser observada directamente en nuestro universo representa sólo el 20% del valor crítico. Pero como antes comentamos, puede existir, sin embargo, una gran cantidad de materia oscura que elevaría la cantidad hasta el valor crítico que es, el que parece que existe realmente.

¡Ya veremos! Si con los 10^-29 g/cm³ = 10^-5 átomos/cm³ + la materia oscura, el universo resultante es el ideal y equilibrado para evitar el Big Crunch que es el estado final del universo de Friedmaniano, cerrado, es decir que su densidad excede a la densidad crítica, dicho universo se expande desde el Big Bang inicial, alcanza un radio máximo, y luego colapsa hacia el Big Crunch, donde la densidad de materia se volvería infinita al confluir toda la materia del universo en un punto de una energía, densidad y temperatura infinitas. ¡Una singularidad !

El final del universo, sea cual fuere la densidad crítica, nunca será bueno para la humanidad. El universo cerrado nos achicharrará en una enorme bola de fuego. El universo abierto nos congelaría con el termómetro marcando el cero absoluto (-273,16º Celsius)*. ¿Qué más da el tipo de universo que nos acoge?  El final nos lo pondrá muy difícil.

Pero el problema de la humanidad – si es que llegamos -, está antes de todo eso. Nuestro planeta que tiene unos 4.000 millones de años, contiene los materiales necesarios, la atmósfera ideal, los ríos, los océanos y los mares, las plantas y todo aquello que podamos necesitar. Pero sobre todo, tenemos la luz y el calor que nos regala el Sol. Sin el Sol, la vida no sería posible en el planeta Tierra.

Nuestra atmósfera tiene una composición en volumen de 78% de nitrógeno, un 21% de oxígeno y un 0’9% de argón, además de dióxido de carbono, hidrógeno y otros gases como vapor de agua. La distancia que nos separa del Sol, unos 150 millones de kilómetros (una Unidad Astronómica), hace que la distancia sea la ideal para que la temperatura permita la vida en el planeta. De la enorme importancia que el agua tiene para la vida casi no es necesario mencionarlo aquí, sin agua no estaríamos.

Pues muy bien, todo eso está previsto que se acabe en unos 4.500 millones de años. Cuando nuestro Sol, estrella mediana amarilla del tipo G2V, con un diámetro de 1.392.530 Km, con una masa de 1,989 x 10³⁰ Kg, y, que consume 4.654.000 toneladas de hidrógeno cada segundo, de las que 4.650.000 las convierte en helio y 4.000 toneladas son expulsadas al espacio exterior en forma de luz y de calor, de lo que una pequeña parte llega a la Tierra y nos permite vivir (como expliqué antes en alguna parte anterior de este mismo trabajo).

La vida del Sol durará lo que dure su combustible nuclear, el hidrógeno, que la mantiene activa y su horno nuclear sirve de contrapunto a la enorme fuerza gravitatoria que genera su enorme masa.

Cuando se agote el hidrógeno, el Sol se resistirá a morir y fusionará helio y después oxígeno…, llegará un momento en que la estrella se convertirá en una gigante roja, su órbita aumentará tanto que se tragará el planeta Mercurio, se tragará Venus y quedará muy cerca del planeta Tierra. En ese proceso, las temperaturas de nuestro planeta habrán alcanzado miles de grados, los océanos se habrán evaporado y cualquier clase de vida desaparecerá.

La gigante roja se convertirá, mediante una enorme explosión en una nova; las capas exteriores de los materiales del Sol, serán expulsados de manera violenta al espacio y el resto, no teniendo la energía termonuclear que la contrarrestre, quedaría a merced de la fuerza gravitatoria que la estrujará literalmente sobre su propio núcleo, hasta convertirla en una estrella enana blanca de gran densidad que, con el tiempo, se irá enfriando para ser un cadáver estelar.

¿Qué podrán hacer nuestros descendientes? ¿Cómo podrán escapar a situación tan terrible?

En tales circunstancias debemos poner nuestras esperanzas en que sobre todo, sabrán aprovechar “el tiempo”* para ir buscando soluciones que nos permitan, antes de que todo eso pueda llegar, a trasladarnos a otros mundos. Si es posible, en otro sistema solar, ya que en el nuestro sin el Sol tendríamos algo de frío.

¡Qué poca gente piensa en éstos graves problemas que tiene planteados, a plazo fijo, nuestra humanidad!

emilio silvera

* Según Kip S. Thorne, sería posible utilizando un agujero de gusano, y para que esto sea posible, se necesita materia exótica.

* El cero absoluto está referido en realidad al punto cero de la escala de temperatura termodinámica, igual a -273.16° Celsius ó -459,69° Fahrenheit.  Se afirma la posibilidad de que allí cese el movimiento molecular.  El cero absoluto es teóricamente la temperatura más fría posible, en la práctica es inalcanzable.

* 4.000 millones de años (si antes no nos extinguimos como otras especies antes que nosotros).

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