Representar un Agujero negro no resulta nada fácil y, se hace de manera que aparezca en la imagen lo que se cree que podríamos ver en el caso de estar allí cerca, contemplando a uno de ellos, y, como existen varias formas teóricamente posibles de agujero negro, las representaciones que podemos contemplar pueden ser distintas las unas de las otras.

                               La NASA realizó la primera imagen animada digital de un agujero negro

Según sean estrellas medianas como nuestro Sol, grandes o muy grandes, lo que antes era una estrella, cuando finaliza el derrumbe o implosión, cuando la estrella es aplastada sobre sí misma bajo su propio peso, cuando finalice su ciclo y consuma todo el combustible nuclear que la hace brillar, tendremos una estrella enana blanca, una estrella de neutrones o un agujero negro.

Alrededor del agujero negro puede formarse un disco de acreción cuando cae materia sobre él desde una estrella cercana que, para su mal,  se atreve a traspasar el horizonte de sucesos. Es tan enorme la fuerza de gravedad que genera el agujero negro que, en tal circunstancias, literalmente hablando se come a esa estrella compañera próxima. En ese proceso, el agujero negro produce energía predominantemente en longitudes de onda de rayos X a medida que la materia está siendo engullida hacia la singularidad.  De hecho, estos rayos X pueden ser detectados por satélites en órbita. Se ha localizado una enorme fuente de rayos X en el centro mismo de nuestra galaxia. En realidad han sido varias las fuentes localizadas allí, a unos 30.000 años luz de nosotros. Son serios candidatos a agujeros negros, siendo el más famoso Cygnus X-1.

Existen varias formas teóricamente posibles de agujeros negros. En el centro de la Galaxia existe uno

• Un agujero negro sin rotación ni carga eléctrica (Schwarzschild).
• Un agujero negro sin rotación con carga eléctrica (Reissner-Nordström).

En la práctica es más fácil que los agujeros negros estén rotando y que no tengan carga eléctrica, forma conocida como agujero negro de Kerr. Los agujeros negros no son totalmente negros; la teoría sugiere que pueden emitir energía en forma de radiación Hawking.

La estrella supermasiva, cuando se convierte en un agujero negro se contrae tanto que realmente desaparece de la vista, de ahí su nombre de “agujero negro”. Su enorme densidad genera una fuerza gravitatoria tan descomunal que la velocidad de escape supera a la de la luz, por tal motivo, ni la luz puede escapar de él.

En la singularidad, dejan de existir el tiempo y el espacio; podríamos decir que el agujero negro está fuera, apartado de nuestro universo, pero en realidad deja sentir sus efectos ya que, como antes dije, se pueden detectar las radiaciones de rayos X que emite cuando engulle materia de cualquier objeto estelar que se le aproxime más allá del punto límite que se conoce como horizonte de sucesos.

Con la explicación anterior he querido significar que, de acuerdo con la relatividad de Einstein, cabe la posibilidad de que una masa redujera sin límite su tamaño y se autoconfinara en un espacio infinitamente pequeño y que, alrededor de esta, se forme una frontera gravitacional a la que se ha dado el nombre de horizonte de sucesos. He dicho al principio de este apartado que en 1.916, fue Schwarzschild el que marca el límite de este horizonte de sucesos para cualquier cuerpo celeste, magnitud conocida como radio de Schwarzschild que se denota por:

Donde M es la masa del agujero negro, G es la constante gravitacional de Newton, y c² es la velocidad de la luz elevada al cuadrado. Así, el radio de Schwarzschil para el Sol que tiene un diámetro de 1.392.530 Km, sería de sólo tres kilómetros, mientras que el de la Tierra es de 1 cm: si un cuerpo con la masa de la Tierra se comprimiera hasta el extremo de convertirse en una singularidad, la esfera formada por su horizonte de sucesos tendría el modesto tamaño de una bolita o canica de niños. Por otro lado, para una estrella de unas 10 masas solares el radio de Schwarzschild es de unos 30 kilómetros. Que para nuestro Sol, como he dicho antes, se quedaría en sólo tres kilómetros, tal es su grado de encogimiento sobre sí mismo.

Por otra parte, los acontecimientos que ocurren fuera del horizonte de sucesos en un agujero negro, tienen un comportamiento como cualquier otro objeto cósmico de acuerdo a la masa que presente. Por ejemplo, si nuestro Sol se transformara en un agujero negro, la Tierra seguiría con los mismos patrones orbitales que antes de dicha conversión del Sol en agujero negro.

Ahora bien, y en función de la fórmula anteriormente descrita, el horizonte de sucesos se incrementa en la medida que crece la masa del agujero a medida que atrae masa hacia él y se la traga introduciéndola en la singularidad. Las evidencias observacionales nos invitan a pensar que en muchos centros de galaxias se han formado ya inmensos agujeros negros supermasivos que han acumulado tanta masa (absorciones de materia interestelar y estrellas) que su tamaño másico estaría bordeando el millón de masas solares, pero su radio de Schwarzschil no supera ni las 20 UA (unidad astronómica = 150 millones de Km), mucho menor que nuestro sistema solar.

Comprender lo que es una singularidad puede resultar muy difícil para una persona alejada de la ciencia en sí.

Es un asunto bastante complejo el de la singularidad en sí misma, y para los lectores más alejados de los quehaceres de la física, será casi imposible aceptarla. En el pasado, no fue fácil su aceptación, a pesar de las conclusiones radicales que expuso Kart Schwarzschild en su trabajo inspirado en la teoría y ecuaciones de Einstein. De hecho, hasta el mismo Einstein dudó de la existencia de tales monstruos cosmológicos. Incluso durante largo tiempo, la comunidad científica lo consideró como una curiosidad teórica. Tuvieron que transcurrir 50 años de conocimientos experimentales y observaciones astronómicas para empezar a creer, sin ningún atisbo de duda, que los agujeros negros existían realmente.

El concepto mismo de “singularidad” desagradaba a la mayoría de los físicos, pues la idea de una densidad infinita se alejaba de toda comprensión.  La naturaleza humana está mejor condicionada a percibir situaciones que se caracterizan por su finitud, cosas que podemos medir y pesar, y que están alojadas dentro de unos límites concretos; serán más grande o más pequeñas pero, todo tiene un comienzo y un final pero… infinito, es difícil de digerir.  Además, en la singularidad, según resulta de las ecuaciones, ni existe el tiempo ni existe el espacio. Parece que se tratara de otro universo dentro de nuestro universo toda la región afectada por la singularidad que, eso sí, afecta de manera real al entorno donde está situada y además, no es pacífica, ya que se nutre de cuerpos estelares circundantes que atrae y engulle.

                              En el Universo existen aún muchos misterios que debemos desvelar

La noción de singularidad empezó a adquirir un mayor crédito cuando Robert Oppenheimer, junto a Hartlan S. Snyder, en el año 1.939 escribieron un artículo anexo de otro anterior de Oppenheimer sobre las estrellas de neutrones. En este último artículo, describió de manera magistral la conclusión de que una estrella con masa suficiente podía colapsarse bajo la acción de su propia gravedad hasta alcanzar un punto adimensional; con la demostración de las ecuaciones descritas en dicho artículo, la demostración quedó servida de forma irrefutable que una estrella lo suficientemente grande, llegado su final al consumir todo su combustible de fusión nuclear, continuaría comprimiéndose bajo su propia gravedad, más allá de los estados de enana blanca o de estrella de neutrones, para convertirse en una singularidad.

Los cálculos realizados por Oppenheimer y Snyder para la cantidad de masa que debía tener una estrella para terminar sus días como una singularidad estaban en los límites másicos de M =~ masa solar, estimación que fue corregida posteriormente por otros físicos teóricos que llegaron a la conclusión de que sólo sería posible que una estrella se transformara en singularidad, la que al abandonar su fase de gigante roja retiene una masa residual como menos de 2 – 3 masas solares.

Oppenheimer y Snyder desarrollaron el primer ejemplo explícito de una solución a las ecuaciones de Einstein que describía de manera cierta a un agujero negro, al desarrollar el planteamiento de una nube de polvo colapsante. En su interior, existe una singularidad, pero no es visible desde el exterior, puesto que está rodeada de un horizonte de suceso que no deja que nadie se asome, la vea, y vuelva para contarlo. Lo que traspasa los límites del horizonte de sucesos, ha tomado el camino sin retorno. Su destino irreversible, la singularidad de la que pasará a formar parte.

Ni el mismo Einstein creyó la predicción que surgió de sus ecuaciones de la Relatividad General, no podía dar crédito a que, en el Universo pudieran existir tales “monstruos”.

Desde entonces, muchos han sido los físicos que se han especializado profundizando en las matemáticas relativas a los agujeros negros. John Malher (que los bautizó como agujeros negros), Roger Reyrose, Stephen Hawking, Kip S. Thorne (que recibió el Nobel por las Ondas gravitacionales), Kerr y muchos otros nombres que ahora no recuerdo, han contribuido de manera muy notable al conocimiento de los agujeros negros, las cuestiones que de ellas se derivan y otras consecuencias de densidad, energía, gravedad, ondas gravitacionales, etc, que son deducidas a partir de estos fenómenos del cosmos.

Se afirma que las singularidades se encuentran rodeadas por un horizonte de sucesos, pero para un observador, en esencia, no puede ver nunca la singularidad desde el exterior. Específicamente implica que hay alguna región incapaz de enviar señales al infinito exterior. La limitación de esta región es el horizonte de sucesos, tras ella se encuentra atrapado el pasado y el infinito nulo futuro. Lo anterior nos hace distinguir que en esta frontera se deberían reunir las características siguientes:

– debe ser una superficie nula donde es pareja, generada por geodésicas nulas;

– contiene una geodésica nula de futuro sin fin, que se origina a partir de cada punto en el  que no es pareja, y que

– el área de secciones transversales espaciales jamás pueden disminuir a lo largo del tiempo.

                                             Dicen que esta es la primera foto de un agujero negro

Todo esto ha sido demostrado matemáticamente por Israel, 1.967; Carter, 1.971; Robinson, 1.975; y Hawking, 1.978 con límite futuro asintótico de tal espaciotiempo como el espaciotiempo de Kerr, lo que resulta notable, pues la métrica de Kerr es una hermosa y exacta formulación para las ecuaciones de vacío de Einstein y, como un tema que se relaciona con la entropía en los agujeros negros.

No resulta arriesgado afirmar que existen variables en las formas de las singularidades que, según las formuladas por Oppenheimer y su colaborador Snyder, después las de kerr y más tarde otros, todas podrían existir como un mismo objeto que se presenta en distintas formas o maneras.

Ahora bien, para que un ente, un objeto o un observador pueda introducirse dentro de una singularidad como un agujero negro, en cualquiera que fuese su forma, tendría que traspasar el radio de Schwarzschild (las fronteras matemáticas del horizonte de sucesos), cuya velocidad de escape es igual a la de la luz, aunque esta tampoco puede salir de allí una vez atrapada dentro de los límites fronterizos determinados por el radio. Este radio de Schwarzschild puede ser calculado usándose la ecuación para la velocidad de escape:

Para el caso de fotones u objeto sin masa, tales como neutrinos (que tienen poca masa), se sustituye la velocidad de escape por la de la luz c².

“En ausencia de resistencia de fricción, un objeto lanzado desde la Tierra puede escapar de ella, cuando su energía cinética iguala en magnitud a su energía potencial.”

La velocidad de escape está referida a la velocidad mínima requerida para escapar de un campo gravitacional. El objeto que escapa puede ser cualquier cosa, desde una molécula de gas a una nave espacial. Como antes he reflejado está dada por , donde G es la constante gravitacional, M es la masa del cuerpo y R es la distancia del objeto que escapa del centro del cuerpo del que pretende escapar (del núcleo). Un objeto que se mueva a velocidad menor a la de escape entra en una órbita elíptica; si se mueve a una velocidad exactamente igual a la de escape, sigue una órbita parabólica, y si el objeto supera la velocidad de escape, se mueve en una trayectoria hiperbólica.

Así hemos comprendido que, a mayor masa del cuerpo del que se pretende escapar, mayor será la velocidad que necesitamos para escapar de él. Veamos algunas:

Como se ve en el cuadro anterior, cada objeto celeste, en función de su masa, tiene su propia velocidad de escape para que cualquier cosa pueda salir de su órbita y escapar de él.

Para escapar de la atracción de un agujero negro se necesita ir más rápido que la luz, y, como sabemos, la velocidad de la luz, c, es el límite que marca el universo para poder desplazarse. así que,,, ¡Nada escapa de un agujero negro una vez traspasado el horizonte de sucesos·

La excepción está en el último ejemplo, la velocidad de escape necesaria para vencer la fuerza de atracción de un agujero negro que, siendo necesario superar la velocidad de la luz 299.792’458 Km/s, es algo que no está permitido, ya que todos sabemos que conforme determina la teoría de la relatividad especial de Einstein, la velocidad de la luz es la velocidad límite en nuestro universo; nada puede ir más rápido que la velocidad de la luz, entre otras razones porque el objeto sufriría la transformación de Lorentz y su masa sería infinita.

Podría continuar explicando otros aspectos que rodean a los agujeros negros, pero estimo que el objetivo que perseguía de hacer conocer lo que creemos que  es un agujero negro y el origen del mismo, está sobradamente cumplido. De todas las maneras, no sería yo el que me presentara voluntario para visitar a uno de estos monstruos estelares de cuyas inmediaciones…hay que mantenerse alejados.

emilio silvera

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Llamamos Mente a eso inmaterial que surge del cerebro, algo que ni la filosofía ha sabido explicar, y, como hacemos siempre, se acude a la metafísica para tratar de dar una torpe explicación de lo que, en realidad, no hemos llegado a comprender.

  ¿La Mente? ¡Un Universo en sí misma!

 

 

 

Está claro que el tiempo pasa y cada generación trata de saber lo que hicieron las que las precedieron. Los vestigios del pasado son muchos y, no siempre sabemos traducir sus mensajes pero, los estudiamos y procuramos llegar a explicaciones lógicas de lo que aquello pudo ser, y, para ello, nos transportamos a aquellos contextos del pasado, a las mentalidades de los pobladores que dejaron monumentos que, con una mezcla de lo religioso-astronómico, quería simbolizar lo que ellos creían.

 

 

 

Desde el Parque Nacional del Teide se puede conseguir una buena vista de nuestra Vía Láctea

 

La “infinitud” de la Vía Láctea, inconmensurable para nosotros, es sólo una más, de decenas de miles de millones que pueblan nuestro Universo. Así, nuestra Galaxia para nosotros “infinita”, es, sencillamente, un objeto más de los muchos que pueblan las regiones del Cosmos. Cientos de miles de millones de estrellas que brillan por todas partes, asombrosos enjambres de planetas repartidos por cientos de miles de sistemas planetarios, cuásares y púlsares, estrellas enanas blancas, marrones y negras, gigantes rojas, Nebulosas de increíbles dimensiones en las que nacen nuevas estrellas y mundos, explosiones supernovas y aguejros negros gigantes que engullen todo el material que pueda capturar… ¡El Universo! nunca dejará de asombrarnos, ni por su inmensidad, ni por su diversidad.

 

 

 

 

Utilizando una cámara nueva y más poderosa, el Telescopio Espacial Hubble, ha descubierto lo que parece ser el objeto más distante jamás observado, una proto galaxia pequeña a 13.200 millones -luz de distancia, que se remonta a tan sólo 480 millones de años después del nacimiento del universo o Big Bang. Es decir, nos ha traído una galaxia en formación a escaso tiempo del comienzo del tiempo.

Immanuel Kant llegó a la conclusión de que las galaxias eran universos-islas  pero, él escribió primero que las nebulosas elípticas, ofrecían una visión que se podía asimilar a un “sistemade muchas estrellas” que se hallan a “enormes distancias”. Aquí, por primera vez se hizo un retrato del universo formado por galaxias a la deriva en  la vastedad del espacio cosmológico. El libro de Kant, titulado Historia general de la naturaleza y teoría del cielo, fue publicado -si esta es la palabra apropiada- en 1755, pero su editor quebró, los libros le fueron confiscados para sus deudas y la obra de Kant, cayó en el olvido.

 

 

 

 

Los entusiasmos galácticos de Kant, a pesar de todo, contribuyeron a sensibilizar la mente humana a la riqueza potencial y la vastedad del universo. Pero el arrobamiento por sí solo por muy perspicaz que sea, es, un fundamento inadecuado para fundamentar una cosmología científica. Determinar si el universo está constituido realmente por galaxias requería hacer un mapa del universo en tres dimensiones, mediante observaciones muy exactas, si no menos arrobadoras, que la contemplación meditativa de Lambert y Kant.

Entró en escena William Herschel, el primer astrónomo que llevó a cabo observaciones agudas y sistemáticas del universo más allá del Sistema solar, donde está la mayor parte de lo que existe. De hecho, en la primera parte del siglo XIX, miles de galaxias fueron identificadas y catalogadas por William y Caroline Herschel, y John Herschel. 1900, se han descubierto en exploraciones fotográficas gran cantidad de galaxias. Éstas, a enormes distancias de la Tierra, aparecen tan diminutas en una fotografía que resulta muy difícil distinguirlas de las estrellas. La mayor galaxia conocida tiene aproximadamente trece veces más estrellas que la Vía Láctea.

El observatorio espacial Herschel ha facilitado a un grupo de astrónomos observar cinco galaxias muy lejanas gracias al efecto lente gravitatoria. Así, de alguna manera, y en memoria de Herschel, el Telescopio que lleva su nombre continñua su que fue fundamental

 

 

 

 

En 1912 el astrónomo estadounidense Vesto M. Slipher, trabajando en el Observatorio Lowell de Arizona (EEUU), descubrió que las líneas espectrales de todas las galaxias se habían desplazado la región espectral roja. Su compatriota Edwin Hubble interpretó esto como una evidencia de que todas las galaxias se alejaban unas de otras y llegó a la conclusión de que el Universo se expandía. No se sabe si continuará expandiéndose o si contiene materia suficiente para frenar la expansión de las galaxias, de forma que éstas, finalmente, se junten de , parece que ésto último no sucederá nunca. La materia del Universo parece estar aproximadamente en la tasa del la Densidad Crítica. Si es así, el Universo se expandirá para siempre y tendrá una muerte térmica: El frío desolador del Cero Absoluto (^–273 ºC) donde ni los átomos se mueven.

Es curioso como Herschel, encontró en su camino la plenitud siguiendo las huellas de Kepler y Galileo a través del puente que lo llevó de la Música a la Astronomía. La habilidad de Herschel como observador era también muy refinada; sabía utilizar los telescopios. Él decía: “Ver es un arte que es necesario aprender”.

 

 

 

 

“La luz de las estrellas fijas es de la misma naturaleza [que] la luz del Sol” nos decía Newton, mientras que E. Hubble, comentaba que: “Las observaciones siempre involucran una teoría”. Ambos llevaban razón. Surgieron dos escuelas de pensamiento sobre la naturaleza de las “nebulosas elípticas” que predominaron en el siglo XIX. Una de ellas, la teoría del universo-isla de Kant y Lambert- la expresión es de Kant-, sostenía qwue nuestro Sol  es una de las muchas estrellas de una Galaxia, la Vía mLáctea, y que hay otras muchas galaxias, que vemos a través de grandes extensiones de espacio nebulosas espirales y elípticas. (como eran llamadas en aquel tiempo a las galaxias que, no se podían ver con la nitidez que nos proporcionan nuestras modernos telescopios.)

Einstein entra en escena. Nació en Ulm, donde Kepler antaño había deambulado en busca de un impresor, con el manuscrito de las Tablas Rudolfinas Bajo el brazo. Einstein como sabemos, fue un niño aislado y encerrado en sí mismo. No habló los tres años. Daremos un salto hasta 1905, año en el que comenzaron a cristalizar sus pensamientos pudiendo escribir cuatro artículos memorables que lo situaron en ese lugar de privilegio de los verdaderos maestros.

N0, Einstein no llegó a la Física y la Cosmología en bicicleta, él cogió una autopista mayor, esa que está conformada por los pensamientos y que nos pueden llevar más lejos, de lo que cualquier vehículo nos podrá llevar nunca. El primero de aquellos -ahora famosos- artículos, fue publicado tres días después de cumplir los veintiseis años, contribuiría a poner los fundamentos de la física cuántica. Otro modificó el curso de la teoría atómica y la mecánica estadística. Los otros dos enunciaron lo que se conoció como la teoría de la relatividad especial.

Cuando Planck, por aquel entonces director editorial de la Revista científica Annalen der Physik, levantó la mirada después de leer el artículo sobre la relatividad especial, sabiendo inmediatamente que el mundo había cambiado. La era Newton había terminado y había surgido una nueva ciencia reemplazarla.

La odisea que llevó a Einstein hasta la relatividad especial -y de ella a la relatividad general, que expresaría la cosmología de los espacios curvos- empezó cuando tenía cinco años y su padre le mostró una brujula de bolsillo para que estuviera entretenido pero, aquello, le fascinó y, no podía saber qué magia hacia que la aguja señalara siempre hacisa el mismo lugar sin tener en el movimiento. Al preguntar, le dijeron que la Tierra está envuelta dentro de un campo magnético que era el responsable de tal “milagro” y, aquello, al joven Einstein, le maravilló y despertó su curiosidad que nunca le dejó entonces. Él decía que detrás de las cosas debe haber algo profundamente oculto, que nos podría explicar el por qué se comportan de ciertas maneras.

Como antes decía, en el siglo XX hemos podido ser testigos de múltiples y maravillosos descubrimientos científicos que han cambiado la concepción que del mundo podíamos tener: La teoría de Planck del cuanto que nos llevó directamente a la Mecánica Cuántica-

En Relatividad de Einstein que nos lleva a un espacio-tiempo de cuatro dimensiones, nos dijo que la luz marcaba el límite de transmitir la información y, también, que la masa y la energía eran una misma cosa, así como que, ¡el Tiempo!, era relativo y no absoluto. Más tarde, en su ampliación de la teoría en 1916, nos dijo que la presencia de grandes masas distorsionaba el espacio-tiempo.

                                                 Deformación de la malla espacio-tiempo

Estos dos claros exponentes de aquella revolución científica nos abrieron los ojos y la mente a un Universo distinto que , después de dichas teorías, tenía más sentido. Otro de aquellos descubrimientos explosivos, fue la teoría cosmológica del big bang, que surgió como combinación de ambas, y, justo es que se diga,  quienes fueron sus protagonistas que, no por sabido, estará demás dejar aquí un pequeño homenaje.

Cuando Einstein publicó en 1916 la teoría de la relatividad general era consciente de que ésta modificaría la universal de Newton: la solución a sus ecuaciones no sólo sustituyo el planteamiento dinámico de fuerza de atracción por otro geométrico de deformación del espacio-tiempo, sino que permitía explicar el universo en su conjunto.

El Puente de Einstein-Rosen es una teoría creada por Albert Einstein así como la predicción de la existencia de Agujeros Negros en el Espacio, todo ello surge de sus maravillosas fórmulas.

Fue él el primer sorprendido al encontrar que dicha solución global traía como consecuencia un mundo cambiante, un universo que inicialmente estimó en contracción. Como esto no le cabía en la cabeza introdujo un término en las ecuaciones que contrarrestara el efecto gravitatorio: una fuerza repulsiva, a la que llamó constante cosmológica (Λ) constante dotaba al espacio vacío de una presión que mantenía separados a los astros, logrando así un mundo acorde a sus pensamientos: estático, finito, homogéneo e isótropo.

“La ecuación que gobierna la aceleración de la expansión del Universo, incluyendo la constante cosmológica. El aspecto de la gravedad incluye densidad (p) y presión (ρ) de la materia y la enegía, el signo negativo significa que este aspecto ralentiza la expansión. La constante cosmológica, representada con Λ, tiene signo positivo, por lo tanto contribuye a la aceleración. El parámetro “a” es un factor de escala que mide el tamaño del Universo, y los puntos dobles indican la segunda derivación (aceleración) con respecto al tiempo.”

 

Más tarde, Einstein comentaría que la introducción de constante, había sido el mayor error de su vida, porque (con una mejor estimación de la densidad) podía haber predicho la expansión del universo antes de que fuera observada experimentalmente. Claro que, su excusa era admisible, cuando el introdujo la constante cosmológica, nadie sabía que el universo estaba en expansión. Sin embargo, estudios posteriores han venido a confirmarla.

                             La Cruz de Einstein

Con todo y a pesar de su enorme importancia, la teoría de la relatividad no llegó a tener verdadera importancia hasta que, en 1919, Arthur Eddintong confirmó la predicción del físico alemán con respecto a la curvatura de la luz, aprovechó el eclipse solar de Sol de ese año. De la noche a la mañana, Einstein se convirtió en el físico más popular del mundo al predecir con su ingenio y con su enorme intuición fenómenos que eran reales antes de que éstos fueran comprobados. Así, con carácter desenfadado, expresándose en términos sencillos y muy distintos ( estirados) que los de sus colegas, había dado respuesta a preguntas que habían sido formuladas pero, que nadie hasta entonces, había sabido contestar.

El astrónomo holandés Willem de Sitter  obtuvo en 1917 una solución a las ecuaciones del sabio alemán, sugiriendo la posibilidad de que el universo fuera infinito, aparentemente estático y de densidad prácticamente nula en el que tan solo había energía. Por otro lado, el matemático ruso Alexander Friedmann consiguió en 1922 varias soluciones a las ecuaciones proponiendo universos que se contraían o que se expandían, según los valores que tomara la constante cosmológica. Cuando su se publicó en Alemania, Einstein respondió con una nota en la misma revista presumiendo un error matemático. El error resultó finalmente inexistente, pero Einstein tardó en rectificar, por lo que la respuesta de Friedmann quedó en un segundo plano.

Lo cierto es que Einstein, ha dado en el “blanco” con muchas de sus Ideas y, si pudiéramos coger una Gran Nave superlumínica y recorriéramos el espacio interestelar paseando por las distintas regiones del Universo, veríamos que – el vaticinó-,  todo es igual en todas partes: Cúmulos y supercúmulos de Galaxias, Galaxias cuajadas de estrellas en cúmulos y sueltas con sus sistemas planetarios, púlsares de giros alucinantes, magnéteres creando inmensos capos electromagnéticos, agujeros negros que se tragan todo lo que traspasa el Horizonte de suscesos, Hermosas y brillantes Nebulosas de las que surgen las nuevas estrellas, nuevos mundos y, muy probablemente… nuevas formas de vida.

Como se ha podido comprobar, las leyes fundamentales son las mismas en todas las regiones del Universo, sin importar lo lejos que estén. Otra cosa serán los fenómenos puntuales que se den en algunas de ellas

Está claro que pensar siquiera en que en nuestro universo, dependiendo de la región en la que nos encontremos, habrá distintas leyes físicas, sería pensar en un universo chapuza. Lo sensato es pensar como Einstein y creer que en cualquier parte del universo rigen las mismas leyes físicas, hasta que no se encuentre pruebas reales a de lo contrario, los científicos suponen con prudencia que, sea cual fueren las causas responsables de las pautas que llamamos “Leyes de la Naturaleza”, es mucho más inteligente adoptar la creencia de la igualdad física en cualquier parte de nuestro universo por muy remota que se encuentre; los elementos primordiales que lo formaron fueron siempre los mismos.

Arriba Satélite Gravity Probe B. Dedicado a medir la curvatura del campo gravitatorio terrestre debido a la teoría de la relatividad de Einstein. Abajo los científicos chinos comandados por Juan Yin crearon fotones entrelazados mediante la estimulación de un cristal con luz ultravioleta, que produjo  un par de fotones con la misma longitud de onda, pero opuestos. Por separado, ambas teorías funcionan muy bien y se pueden medir y comprobar límites excepcionales. Sin embargo, si las juntamos…

           Algunas de las contantes Universales

Cuando los físicos empezaron a apreciar el papel de las constantes en el dominio cuántico y explotar la nueva teoría de la gravedad de Einstein para describir el universo en conjunto, las circunstancias eran las adecuadas para que alguien tratara de casarlas. Y, entonces, en eso estamos pero, el casamiento, no se consuma.

Hay aspectos de la física que me dejan totalmente sin habla y quedan fuera de nuestra realidad que, inmersa en lo cotidiano de un mundo macroscópico, nos aleja de ese otro mundo misterioso e invisible donde residen los cuantos que con su comportamiento, me obligan a pensar y me transportan este mundo material nuestro a ese otro fascinante, donde residen las maravillas del universo, sus cimientos infinitesimales en los que residen las “ladrillos” de las estrellas y galaxias…también de los mundos y de los seres vivos. La materia es tan compleja que aún no hemos podido llegar a comprenderla…del todo.

emilio silvera

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                                  Moléculas precursoras de la Vida en el Espacio

Los astrónomos tienen localizadas una buena variedad de Nubes Moleculares Gigantes. Son Nubes masivas de gas y polvo interestelar compuesto fundamentalmente por moléculas. Su diámetro típico es de más de 100 años-luz y las masas varian entre unos pocos cientos de miles hasta diez millones de masas solares. Las NMGs (Nebulosas moleculares gigantes) consisten mayoritariamente  en moléculas de Hidrógeno (H₂, 73% en masa), átomos de Helio (H_e, 25%), partículas de polvo 1%, Hidrógeno atómico neutro (H I, menos del 1%) y un rico cóctel de moléculas interestelares (menos  del 0,1 %).

Arriba podemos contemplar la grandiosa Nebulosa Molecular Orión. Nuestra Galaxia contiene más de 3 000 NMGs, estando las más masivas situadas cerca de la radiofuente Sagitario B2 en el Centro Galáctico. Comprenden la mitad de la masa de toda la materia interestelar, aunque ocupan menos del 1% de su volumen. La densidad de gas promedio es de unas pocas miles de moléculas por cm³.

“Radiotelescopios: detectores de moléculas Se conocen hoy más de 120 especies moleculares diferentes en el espacio interestelar. Estas moléculas emiten radiación cuando cambian de estado de energía, y es esa radiación la que constituye los espectros de emisión que se detectan, sobre todo, en los dominios de ondas infrarrojas y de radio. La mayor parte de las moléculas se han detectado gracias a los radiotelescopios, sobre todo en ondas milimétricas (esto es, en ondas que son mil veces más cortas que las empleadas por las emisoras de radio FM). “

Como otros ingenios espaciales, Hercschel nos a proporcionado grandes conocimientos

Este espectro tomado por el telescopio espacial de infrarrojos HERSCHEL ilustra la variedad molecular existente en una nube interestelar como la de Orión. Agua, monóxido de carbono, metanol, formaldehído, cianuro de hidrógeno, óxidos de azufre y otras moléculas (de las cuales hay muchas aún sin identificar) dejan sus firmas inequívocas en la emisión del infrarrojo lejano que se origina en la nebulosa. El espectro se muestra superpuesto a una imagen (también infrarroja) tomada por el telescopio espacial Spitzer

Las Nebulosas Moleculares Gigantes se encuentran mayoritariamente en los Brazos Espirales de las galaxias de disco, y son el lugar de mayor nacimiento de estrellas masivas. Este tipo de Nebulosas perduran durante más de 30 millones de años, tiempo durante el cual, sólo una pequeña fracción de su masa es convertida en estrellas. La Nebulosa Molecular Gigante más próxima a nosotros se encuentra en Orión, y está asociada a la Nebulosa de Orión que más arriba podéis ver con sus claros y llamativos colores rojo, azulado y el espeso marrón oscuro molecular, todo ello, adornado por estrellas que brillan ionizando extensas regiones con sus potentes radiaciones ultravioletas.

Arriba una imagen de  NGC 7822 que se asemeja a una gran boca abierta llena de estrellas nuevas. Dentro de la nebulosa, bordes brillantes y formas oscuras se destacan en este paisaje colorido. Oxígeno atómico, hidrógeno y azufre en tonos azul, verde y rojo. Aquí se forman estrellas de manera continuada y van transformando el lugar con los fuertes vientos solares y la radiación de estrellas masivas. Con un diametro de 60 años-luz, la Nebulosa perdura en el espacio interestelar como si de un laboratorio natural se tratara, creando nuevos objetos y transformando la materia. Ahí se mezclan los gases Hidrógeno, Helio, Carbono, Nitrógeno, Oxígeno y otras pequeñas porciones de otros elementos que, forman moléculas que, a veces, alcanzar el nivel necesario para convertirse en los ladrillos necesarios para la vida.

Hermosa Nube Molecular en la Constelación de Cefeo donde ya se han creado cientos de miles de estrellas. Las Nebulosas son el producto residual de las estrellas gigantes y masivas cuando llegan al final de sus vidas y explotan en Súper-Novas, las capas exteriores de la estrella salen eyectadas hacia el espacio interestelar para formar la Nebulosa mientras que, la parte principal de la masa, implosiona, es decir, se contrae sobre sí misma bajo el peso de su propia masa para formar una estrella de neutrones o un agujero negro.

Moléculas orgánicas complejas se han descubierto en algunos de esos jóvenes sistemas planetarios de Orión y que nos marcan el camino que siguen los complejos compuestos quimicos prebióticos que llevan imparables hacia la vida.

 

Todo eso ha sido detectado en  objetos de masa planetaria en Orión. Particularmente interesantes son las moléculas orgánicas que se encuentran de manera generalizada en las nubes interestelares densas de nuestra Vía Láctea. Alcoholes, éteres, e incluso algún azúcar simple (como el glicoaldehído) poseen abundancias significativas en tales nubes. La detección de la glicina, un aminoácido simple, en el espacio interestelar se viene intentando desde hace varios años. Pero aunque se tienen indicios muy positivos sobre su presencia en el espacio -algunos meteoritos la tienen presente-, su detección todavía ha de ser confirmada de manera inequívoca. La posibilidad de que existan aminoácidos en el espacio puede tener consecuencias de gran importancia para nuestra comprensión del origen de la vida. Aminoácidos simples, como la glicina, son los ladrillos con los se construyen las cadenas de proteínas y éstas, a su vez, son los constituyentes del ADN.

emilio silvera

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Gordon Kane (en 2003), un físico teórico de la Universidad de Michigan, decía:

“… el Modelo Estándar es, en la historia de la Física, la más sofisticada teoría matemática sobre la naturaleza. A pesar de la palabra “modelo” en su nombre, el Modelo Estándar es una teoría comprensiva que identifica las partículas básicas y especifica cómo interactúan. Todo lo que pasa en nuestro mundo (excepto los efectos de la gravedad) es resultado de las partículas del Modelo Estándar interactuando de acuerdo con sus reglas y ecuaciones”.

De acuerdo con el Modelo Estándar, leptones y quarks son partículas verdaderamente elementales, en el sentido de que no poseen estructura interna. Las partículas que tienen estructura interna se llaman hadrones; están constituidas por quarks: bariones cuando están formadas por tres quarks o tres antiquarks, o mesones cuando están constituidas por un quark y un antiquark.

Nuevos datos del experimento BaBar, una colaboración internacional que tiene su sede en California, Estados Unidos, fueron analizados recientemente y los resultados obtenidos parecen indicar que existen posibles fallos en el Modelo Estándar de la Física de Partículas, teoría que hasta el momento es la que explica mejor cómo funciona el universo a escalas subatómicas.

Claro que, ya estamos acostumbrados a que el imparable avance del conocimiento de la física, a medida que se van descubriendo nuevas tecnologías, también nos posibilite para poder avanzar más y más profundamente en los modelos y teorías que manejamos y, lo que podemos ir viendo en los nuevos descubrimientos nos ayudan a mejorar los modelos y teorías actuales para ir adaptando la física a la realidad que la Naturaleza nos muestra.

Sin embargo, y a pesar de ello, lo cierto es que, el llamado Modelo Estándar (en lineas generales) nos ha servido bien como una teoría coherente y de extraordinario éxito en relación a las interacciones que operan en el Universo. De hecho, el Modelo Estándar incorpora las teorías relativistas y cuánticas de interacciones fuertes, electromagnéticas y débiles (dejando fuera la Gravedad) que ha superado todas las pruebas con la evidencia experimental, desde las energías más pequeñas hasta los millones de millones de electrón-voltios que se han alcanzado en los Laboratorios del Fermilab en Illinois; desde la precisión de las medidas de masas de estados ligados o de momentos magnéticos, a baja energía, hasta las fabulosas del acelerador LEP en el CERN y ahora del LHC los dos en Ginebra.

Un átomo de Helio 4 según el modelo estándar, se muestra de color rojo las interacciones electromagnéticas y de color naranja las Fuertes. Entrar en este “universo” de lo muy pequeño resulta verdaderamente fascinante. Ahí podemos ver cosas que, en la vida cotidiana están ausentes y, nos puede parecer habernos transportado a otro mundo donde las cosas funcionan de otra manera.

Según el Modelo Estándar, la gran cantidad de partículas elementales hasta hoy detectadas, cerca de 300, en aceleradores/colisionadores de partículas o en rayos cósmicos, puede ser agrupada en leptones, quarks y hadrones o en leptones y hadrones, ya que los quarks son constituyentes de los hadrones o, también, en leptones, bariones y mesones, pues los hadrones pueden ser divididos en bariones y mesones.

Las interacciones fundamentales tienen lugar como si las partículas que interactúan “intercambiasen” otras partículas entre sí. Esas partículas mediadoras serían los fotones en la interacción electromagnética, los gluones en la interacción fuerte, las partículas W y Z en la interacción débil y los gravitones (aún no detectados) en la interacción gravitacional. Es decir, partículas eléctricamente cargadas interactuarían intercambiando fotones, partículas con carga color interactuarían intercambiando gluones, partículas con carga débil intercambiarían partículas W y Z, mientras que partículas con masa intercambiarían gravitones.

Las partículas mediadoras pueden no tener masa, pero tienen energía, o sea, son pulsos de energía. Por eso, se llaman virtuales. De los cuatro tipos de partículas mediadoras, las del tipo W y Z tienen masa, pero es común que todas sean llamadas partículas virtuales.

Entonces, se podría decir que las partículas de materia o partículas reales (leptones, quarks y hadrones) interactúan intercambiando partículas virtuales (fotones, gluones, W y Z, y gravitones). Aquí hay que tener en cuenta que las partículas de materia pueden tener más de una carga, de modo que experimentarían varias interacciones y fuerzas, pero el ámbito de la interacción puede variar mucho, de tal manera que en un determinado dominio una cierta interacción puede ser irrelevante. La fuerza gravitacional, por ejemplo, puede ser despreciada en el dominio subatómico. Es decir, aunque existan cuatro interacciones fundamentales, cuatro cargas y cuatro fuerzas, eso no quiere decir que todas las partículas tengan las cuatro cargas y experimenten las cuatro interacciones. a Gravedad en este ámbito, es tan pequeña que, pasa desapercibida para nuestros actuales instrumentos.

¿Por qué hay algo en vez de nada? ¿Por qué hay tantas partículas elementales diferentes? Los señores que arriba vemos fueron premiados con el Nobel de Física por sus ideas teóricas que suministraron una comprensión más profunda de lo que sucede en el interior de los bloques más pequeños que forman la materia.

La naturaleza de las leyes de simetría se encuentran en el corazón de este asunto. O más bien, la ruptura de las simetrías, tanto las que parecen haber existido en nuestro universo desde el principio como aquellas que han perdido su simetría original en alguna parte del camino.

De hecho, todos somos hijos de la simetría rota. Ello debió ocurrir inmediatamente después del Big Bang, hace unos 14.000 millones de años cuando fueron creadas la materia y la antimateria. El contacto de materia y antimateria es fatal para ambas, se aniquilan mutuamente y se transforman en radiación. Es evidente que la materia, al final, ganó la partida a la antimateria, de otra manera nosotros no estaríamos aquí. Pero estamos, y una pequeña desviación de la simetría perfecta parece que ha sido suficiente –un exceso de una partícula de materia por cada diez mil millones de partículas de antimateria fueron suficientes para hacer que nuestro mundo exista-. Este exceso de la materia fue la semilla de nuestro universo, lleno de galaxias, estrellas y planetas y, eventualmente, de vida. Pero lo que hay detrás de esta violación de la simetría en el cosmos es aún un gran misterio y un activo campo de investigación.

La teoría de las partículas elementales considera tres formas básicas de simetría: simetría especular, simetría de carga y simetría temporal (en el lenguaje de la física la simetría especular es denominada P, de paridad; la simetría de carga, C y la simetría temporal,T).

En la simetría especular todos los sucesos ocurren exactamente igual si son observados directamente o reflejados en un espejo. Ello implica que no existe ninguna diferencia entre izquierda y derecha y nadie sería capaz de distinguir su propio mundo de otro reflejado en un espejo. La simetría de carga predice que las partículas cargadas se comportarán exactamente igual que sus antipartículas, las cuales tiene exactamente las mismas propiedades pero carga opuesta. Y de acuerdo con la simetría temporal, las cosas sucederían exactamente igual con independencia de que el tiempo transcurra hacia delante o hacia atrás.

                           Cotidianidad o simetría temporal

El Modelo Estandar es una síntesis de todas las ideas que la física de partículas ha generado durante más de un siglo. Se asienta sobre la base teórica de los principios de simetría de la física cuántica y la teoría de la relatividad y ha resistido a innumerables pruebas. No obstante, varias crisis se sucedieron poniendo en peligro el bien construido edificio del modelo. Estas crisis tuvieron lugar porque los físicos asumían que las leyes de la simetría eran aplicables al micromundo de las partículas elementales. Pero esto no era totalmente  cierto.

La primera sorpresa surgió en 1956 cuando dos físicos teóricos chino-americanos, Tsung Dao Lee y Chen Ning Yang (galardonados con el Premio Nobel al año siguiente, en 1967) comprobaron que la simetría especular (simetría P) era violada por la fuerza  débil.

Una nueva violación de las leyes de la simetría tenía lugar en la desintegración de una extraña partícula llamada kaón (Premio Nobel concedido a James Cronin y Val Fitch en 1980). Una pequeña fracción de los kaones no seguían las leyes de la simetría especular y de carga; se rompía la simetría CP y se desafiaba la estructura misma de la teoría.

Como ya se ha explicado el Modelo Estándar comprende todas las partículas elementales conocidas y tres de las cuatro fuerzas fundamentales. Pero, ¿por qué son estas fuerzas tan diferentes?. ¿Y por qué las partículas tienen masas tan diferentes?. La más pesada, el quark top, es más de tres mil cien veces más pesado que el electrón. ¿Por qué tienen todas masa? La fuerza débil destaca en este aspecto una vez más: sus portadores, las partículas Z y W son muy pesadas, mientras que el fotón, que transmite la fuerza electromagnética, carece de masa.

La mayoría de los físicos piensa que el llamado mecanismo de Higgs es el responsable de que la simetría original entre fuerzas fuera destruido dando a las partículas sus masas en las primeras etapas del universo.

Yoichiro Nambu en una charla en la Universidad de Osaka en 2014. [Universidad de Osaka]

 

“El pasado 5 de julio falleció en Osaka Yoichiro Nambu, catedrático emérito de la Universidad de Chicago y uno de los físicos teóricos más influyentes de la segunda mitad del siglo XX. En 2008, Nambu compartió el premio Nobel de física por introducir el concepto de ruptura espontánea de simetría en física de partículas, una idea que hoy permea la física teórica moderna y la noción básica en la que se apoya el mecanismo de Higgs, el fenómeno por el que las partículas elementales adquieren masa.”

El camino hacia ese descubrimiento fue trazado por Yoichiro Nambu quien, en 1960, fue el primero en introducir la violación espontánea de la simetría en la física de partículas. Es por este descubrimiento por el que se le concede el Premio Nobel de Física.

Tenemos algunos ejemplos banales de violación espontánea de la simetría en la vida diaria. Un lápiz en equilibrio sobre su punta lleva una existencia totalmente simétrica en la cual todas las direcciones son equivalentes. Pero esta simetría se pierde cuando cae -ahora sólo una dirección cuenta-. Por otro lado su condición es ahora más estable, el lápiz no puede volver a caer, ha llegado a su nivel más bajo de energía.

El vacío de Boötes es uno de los mayores del Universo. El Gran Vacío, Vacío Boötes o Vacío del Boyero es una región enorme y casi esférica del espacio, …

El vacío tiene el nivel de energía más bajo posible en el cosmos. En efecto, un vacío en física es precisamente un estado con la menor energía posible. Sin embargo, no está totalmente vacío. Desde la llegada de la física cuántica, el vacío está lleno de una burbujeante sopa de partículas que aparecen e inmediatamente desaparecen en invisibles y ubicuos campos cuánticos. Estamos rodeados por campos cuánticos que se extienden por el espacio; las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza también son descritas como campos. Uno de ellos, el gravitacional, es conocido por todos nosotros. Es el que nos mantiene pegados a la tierra y determina la dirección arriba-abajo.

Nambu indicó que las propiedades del vacío son de gran interés para el estudio de la rotura espontánea de la simetría. Un vacío, que es el estado más bajo de energía, no se corresponde con el estado de mayor simetría. Tan pronto como el lápiz se cae, la simetría del campo cuántico queda rota y sólo una de las muchas direcciones posibles es elegida. En las últimas décadas los métodos de Nambus para tratar la violación de la simetría espontánea en el Modelo Estándar han sido refinados y son frecuentemente usados hoy para calcular los efectos de la fuerza fuerte.

Hablar de todo esto nos lleva hacia caminos amplios y de un largo recorrido.

¡Pero faltan los campos! Los cuatro campos. Sabemos que un cuerpo con masa crea alrededor de sí un campo gravitacional, un campo de fuerza que ejerce una fuerza sobre otro cuerpo masivo y viceversa. Análogamente, un cuerpo cargado eléctricamente, crea un campo electromagnético (si está en reposo, se percibe sólo su componente eléctrico, si está en movimiento se manifiesta también el componente magnético) y ejerce una fuerza electromagnética sobre otro cuerpo electrizado y viceversa.

La fuerza nuclear fuerte es la responsable de mantener a los quarks unidos creando a los hadrones. Esta fuerza es mucho más compleja y también, más potente que las otras tres fuerzas.

De la misma manera, está el campo de la fuerza fuerte y el campo de la fuerza débil. O sea, hay cuatro campos fundamentales: el electromagnético, el fuerte, el débil y el gravitacional. Las  partículas mediadoras son los quantos de los campos correspondientes: los fotones son los quantos del campo electromagnético, los gluones son los quantos del campo fuerte, las partículas W y Z del campo débil y los gravitones serían los quantos del campo gravitatorio.

En otras palabras, los cuatro campos fundamentales son el campo de fotones (electromagnético), el de gluones (fuerte), el de partículas W y Z (débil) y el de gravitones (gravitacional). El problema en esa bella simetría de cuatro cargas, cuatro interacciones, cuatro fuerzas, cuatro tipos de partículas mediadoras y cuatro campos es que aún no fue detectado ningún gravitón y la gravedad, en sí, no encaja bien en esa teoría llamada Modelo Estándar y, por eso precisamente, se dice que es incompleto y que necesitamosm una teoría cuántica de la Gravedad. En ese aspecto, yo, no las tengo todas conmigo, dado que la fuerza de Gravedad parece una teoría aparte y no quiere mezclarse con las otras. Sin embargo, dicen los de la teoría de cuerdas que allí, sí encajan las cuatro fuerzas.

Mucho, muchísimo nos queda por explicar en relación al Modelo estándar y a todo lo que en él está unido. Sin embargo, en física se avanza poco a poco, vamos conociendo cositas que unidas a otras cositas finalmente forman un todo en el que podemos contemplar una perspectiva más amplia y general y, a veces, hasta puede llegar a enseñarnos la belleza que encierram esos cuadros que pinta la Naturaleza y que nosotros, osados, tratamos de descubrir.

emilio silvera

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