« ¿Podremos llegar a conocer nuestro Universo?

 

La Luna es nuestra compañera en el espacio, Viaja junto a nosotros alrededor del Sol y es el más próximo de todos los cuerpos astronómicos naturales. No es de extrañar que tendamos de manera instintiva a concederle importancia y a considerarla como algo nuestro. Desde tiempos inmomoriales, nuestros ancestros, le concedieron a la Luna unos poderes mágicos sobre cosechas, embarazos…y otras cuestiones como las mareas entre ellas.

Hsi y Ho, dos astrólogos de la antigua China, no tuvieron tanta suerte como Einstein (gracias a un eclipse de Sol, pudo ver confirmada su teoría de la relatividad General). Su ignorancia les costó la vida a ambos por no predecir el eclipse total de Sol que se produjo en el año 2137 a. C., lo que causó las iras del emperador Tshung-Kong, que ordenó ejecutarlos.

Está claro que la Luna, ese plateado espejo que refleja nuestro mundo por las noches, le ha brindado a la ciencia la oportunidad de descifrar numerosos enigmas cada vez que oculta al Sol durante un eclipse. Si se analiza en detalle la historia podría comprobarse que la Luna se ha convertido en una maravillosa herramienta para los Astrónomos, que han sacado tanto partido científico de ella como belleza han podido percibir sus afortunados observadores.

¿Quién no ha representado alguna vez esta bonita escena? Con un testigo tan especial, el momento se hace sublime. Siempre hemos tenido símbolos de la Naturaleza que nos han acompañado en nuestras diferentes actividades. Como por ejemplo, la estrella Polar para los antiguos marinos.

La Luna es el astro más observado. En la antigüedad y hasta mediados del siglo XX, los principales astrónomos y los principales Observatorios centraron en ella una gran parte de sus observaciones e investigaciones de primera línea. Bien es cierto que, al ser tan conocida, salvo algunos proyectos específicos, en la actualidad ha quedado un poco relegada y, la verdad es, que aún le quedan cosas por decir.

     Hace más de 40 años que el mundo, asombrado, contempló  esta imagen

Allá por al año 1969, el hombre puso sus pies sobre la superficie lunar y pareció culminar una etapa de las exploraciones y, así, practicamente todo el mundo (pasados aquellos primeros momentos de excitación colectiva) empezó a olvidarse de ella. ¿Alguien podría pensar que quedara algo por descubrir en ese polvoriento satélite de apariencia inerte?

La respuesta llegó en 1996 gracias a la sonda Clementine de la NASA, cuyas fotografías dieron un inusitado vuelco a nuestra concepción lunar. La nave aportó pruebas de que en el cráter Aitkin, que se halla en el polo sur de la Luna, existe hielo. Esto es, que en el lugar más árido que se conoce del Sistema Solar hay agua. Aquello lo cambió todo y comenzaron a salir carpetas archivadas y llenas de polvo para retomar algunos proyectos olvidados.

Es verdaderamente sorprendente que, en la Luna, pueda haber agua. Tal hallazgo supone una buena baza para los futuros proyectos de la Base Lunar. No es despreciable la idea de poder en la Luna un Gran Complejo Espacial, con Base de lanzamientos de Naves hacia otros mundos con el enorme ahorro en el coste que eso supondría, o, Laboratorios que podrían investigar en el vacío del espacio, o, Telescopios libres de contaminación que, al igual que el Hubble pudiera llegar a todos los rincones del Universo pero, con menor mantenimiento y, el que necesitara sería más cómodo y menos costoso.

Entre los muchos enigmas que aún rodean a nuestra compañera Luna. De hecho, la Astronomía tiene pendiente allí otro de sus grandes enigmas, como es la naturaleza de los fenómenos transitorios lunares, que se denominan habitualmente con la abreviatura TLP, correspondiente a la desripción inglesa transient lunar phenomenon. Consite en repentinos cambios de brillo en la superficie o en llamaradas, y se cree que están causados fundamentalmente por erupciones internas que se producen de forma esporádica, en especial en algunos cráteres. No todos están de acuerdo con este dictamen pero, la verdad es que se han producido suficientes testimonios de TPL como para dudar de ello, y, aunque exista la Incertidumbre de la verdadera causa…Ahí están.

Luces misteriosas aparecen en algunos cráteres de la Luna de manera inexplicable y, han sido observados con cierta frecuencia pero nunca se ha podido dar una explicación científica a los mismos. Lo cierto es que, en la Luna como en otros cuerpos celestes que nos circundan, se producen extrañas transiciones que nos son desconocidas y de cuyos orígenes quisiéramos saber.

 

En el verano de 1178, varios monjes observaron desde la Catedral de Canterbury un espectáculo increíble: La Luna, que estaba en fase creciente, comenzó a arder en su borde, que escupió varias llamaradas y chispar enormes. Con toda probabilidad vieron las nubes igneas de polvo y roca desprendidas por el impacto de un gigantesco meteorito en la cara oculta, desde la que asomó el resplandor producido por la colisión.

Se ha sugerido que el impacto de 1178 formó el cráter Giordano Bruno, pero de lo que no cabe duda es de que la aparentemente mortecina quietud lunar se rompe de forma ocasional por suscesos como éste. Y, aunque el caso más famoso se ha centrado en aquellos monjes de la Catedral de Canterbury, la verdad es que, también encontramos entre los testigos a famosos astrónomos como el mismísimo Herschel, descubridor de Urano, que en 1783 creyó ver un repentino destello rojizo en el hemisferio no iluminado de la Luna. Los resplandores rojizos constituyen el aspecto más llamativo de la mayoría de las observaciones de este tipo de fenómenos.

                                            Los sentidos nos pueden confundir pero, ¡cuándo el río suena!

Muchos son los que se han recogido sobre este tipo de fenómenos en la Luna, y, su diversidad y abundancia, nos lleva a pensar que, fenómenos hay, lo que hace falta es que despejémos las incognitas y podamos dar con los diversos orígenes de los mismos. El fogonazo del Cráter Alphonsus observado por Kozyrev en 1958 es uno de esos extraños fenómenos.

El artífice del espectáculo de las Leónidas es el cometa Temple- Tuttle, descubierto en 1865. La corriente de corpúsculos que este objeto celeste va dejando en el espacio al describir su órbita es atravesada todos los años por la Tierra en torno al 16-17 de noviembre, pero cada treinta y tres años el cometa se adentra en la partem interior del Sistema Solar y alcanza su perihelio, lo que da lugar a extraordinarias tormentas de “estrellas fugaces”, como las que se observaron en 1966 y 1999.

Merced a los escasos 384 000 Kilómetros de distancia que separan la Tierra de la Luna, puede considerarse que ambas viajan juntas por el espacio y, por tanto, atraviesan al mismo tiempo las corrientes meteóricas que dejan el Tempel-Tuttle y otros cometas. Era evidente que el mes de noviembre de 1999 se presentaba como una magnifica ocasión para analizar la incidencia de las Leónidas en la Luna, de esta forma, se han conseguido detectar, por primera vez los destellos luminosos causados por los impactos y fragmentos del Cometa sobre la superficie lunar. El Estudio fue realizado por:  El Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA), Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) y el Centro Hispano-Alemán de Calar Alto (Almería), en colaboración con la Universidad de Monterrey (México).

Muchos son los instrumentos con los que podemos contar para realizar toda clase de observaciones del cielo profundo, y, la Luna, al estar más cerca y casi a nuestro lado (384 000 Km de distancia en el espacio…es bien poca cosa), nos abre la posibilidad de conocerla mejor.

El papel desempeñado por las colisiones meteóricas en la evolución de la Tierra y la Luna no ha dejado de sorprender a los científicos desde hace tres décadas, pero la teória más fascinante es la que ha obtenido una mayoritaria aceptación relativamente reciente tras décadas de discusión: El origen de la Luna es la consecuencia de una de las mayores catátrofes cósmicas ocurridas en el Sistema Solar, al chocar contra la Tierra un planetoide de varios miles de kilómetros de diámetro. Esa colisión, se cree que se produjo hace unos 4.500 millones de años, poco después de la formación de nuestro planeta, y el planetoide intruso, mezclado con la enorme masa de materiales que arranco del manto terrestre a causa del impacto, acabó transformándose en la Luna con el paso del Tiempo. La coincidencia de la composición lunar con los materiales pesentes en las capas exteriores de la Tierra concuerda con esa teoría, que es la mejor asentada en la actualidad acerca del nacimiento de la Luna.

Con certeza no podemos saber si en realidad ocurrió así. Sin embargo, es lo cierto que de haber sucedido de esa manera, aquél drámatico Caos en la joven Tierra, nos proporcionó una bonita compañera de viaje que nos acompañó y fue testigo callado de todas esas Civilizaciones perdidas de la Antigüedad.

Es bien conocida la interacción gravitatoria que la Luna intercambia con la Tierra y los fenómenos mareales que esa fuerza produce, y, de la misma manera, se cree que otros fenómenos también son producto de la proximidad del satélite de la Tierra que, los Humanos, desde tiempo inmemoriales, ha utilizado para muchas de sus de su actividades de todo tipo, atribuyéndo a sus rayos de plata unos  poderes que no siempre serían beneficiosos.

   Escapar del planeta Tierra, es difícil, costoso y peligroso. Sin embargo, de la Luna sería barato y fácil

El diámetro de la Luna es de 3 476 Km y su masa de 7,348 x 10²² Kg, su volumen es un 0,12% del de la Tierra, y, su velocidad de escape es de 0,02 Km/s, mientras que conseguir que una nave escape de la fuerza de Gravedad terrestre, nos hace tener que vencerla mediante una velocidad de 11 Km/s, con lo cual, las ventajas de una Base lunar serían enormes.

Mucho más podríamos estar hablando sobre la Luna y sus enigmas. Muchos de los datos que aquí han sido reseñados se tomaron del libro de Vicente Aupi: Los Enigmas del Cosmos. Otros, han sido rescatados de la Biblioteca, sección del espacio, y, algunos…de mi archivo mental.

Un saludo amigos.

emilio silvera

 « El Lenguaje…ese don que nos adorna

Cuando hablamos de un agujero negro estamos hablando de un objeto con un campo gravitacional tan intenso que su velocidad de escape supera la velocidad de la luz. Los agujeros negros se forman cuando las estrellas masivas colapsan al final de sus vidas. Un objeto que se colapsa se convierte en un agujero negro cuando su radio se hace menor que un tamaño crítico, conocido como radio de Schwarzschild, y la luz no puede escapar de él.

La superficie que tiene este radio crítico se denomina horizonte de sucesos, y marca la frontera dentro de la cual esta atrapada toda la información. De esta forma, los acontecimientos dentro del agujero negro no pueden ser observados desde fuera. La teoría muestra que tanto el espacio como el tiempo se distorsionan dentro del horizonte de sucesos y que los objetos colapsan a un único punto del agujero, que se llama singularidad, situada en el propio centro del agujero negro. Los agujeros negros pueden tener cualquier masa.

Pueden existir agujeros negros supermasivos con cientos de miles de masas solares, verdaderos montruos, en los centros de las galaxias activas. En el otro extremo, miniagujeros negros con un radio de 10^-10 m y masas similares a las de un asteroide pudieron haberse formado en las condiciones extremas que se dieron poco después del Big Bang.

El proceso comienza al final de la vida de las estrellas que, dependiendo de sus masas, serán enanas blancas, estrella de neutrones, o, en último lugar, Agujeros Negros, los más masivos y densos. Se habla ahora de la existencia de las estrellas de Quarks que, de existir, estarían en el punto intermedio entre las de neutrones y los agujeros negros.

Nunca se ha observado directamente un agujero negro. Kart Schwarzschild (1.837 – 1.916), dedujo la existencia de agujeros negros a partir de las ecuaciones de Einstein de la relatividad general de 1.915 que, al ser estudiadas en 1.916, un año después de la publicación, encontró en estas ecuaciones que existían tales objetos supermasivos.

Antes, en la explicación sobre las estrellas, queriendo dejarlo para este momento, deje de explicar lo que hace el equilibrio en la vida de una estrella. La estrella está formada por una inmensa nube de gas y polvo que a veces tiene varios años luz de diámetro. Cuando dicho gas (sus moléculas) se va juntando se produce un rozamiento que ioniza los átomos de la nube de hidrógeno que se juntan y se juntan cada vez más, formando un remolino central que gira atrayendo al gas circundante, que poco a poco va formando una inmensa bola. En el núcleo, la fricción es muy grande y las moléculas apretadas al máximo por la fuerza de gravedad, por fin produce una temperatura de varios millones de grados K que es la causante de la fusión de los protones que forman esos átomos de hidrógeno. La reacción que se produce es una reacción en cadena; comienza la fusión que durará todo el tiempo de vida de la estrella. Así nacen las estrellas cuyas vidas están supeditadas al tiempo que tarde en ser consumido su combustible nuclear, el hidrógeno que mediante la fusión es convertido en helio.

 

Es estas regiones comienza la historia de lo que muchos millones de años más tarde, será un agujero negro. Estrellas nuevas supermasivas, azuladas y de intensa radiación ultravioleta (como esa que vemos abajo a la derecha), un día lejano en el tiempo llegará a su final y se convertirá en supernova, eyectará las capas exteriores de su masa al espacio interestelar y, el resto de la estrella, quedando libre de la fuerza de radiación que producía la fusión nuclear, quedará a merced de la fuerza de Gravedad que, haciendo su trabajo, la comprimirá hasta extremos insispechados convirtiéndola en un Agujero Negro. Si la masa es más pequeña (2 – 3 masas solares) será una estrella de neutrones, ya que, al ser comprimido los protones y electrones allí presentes, se fusionaran para convertirse en neutrones que, al sentirse estrechamente enpaquetados, se degenerarán e impedirán que la masa de la estrella siga comprimiéndose.

Las estrellas muy grandes, conocidas como supermasivas, son devoradoras de hidrógeno y sus vidas son mucho más cortas que el de las estrellas normales. Una vez que se produce la fusión termonuclear, se ha creado el equilibrio de la estrella; veamos como. La inmensa masa que se juntado para formar la estrella genera una gran cantidad de fuerza de gravedad que tiende a comprimir la estrella bajo su propio peso. La fusión termonuclear generada en el núcleo de la estrella, hace que la estrella tienda a expandirse. En esta situación, la fusión que expande y la gravedad que contrae, como son fuerzas similares, se contrarresta la una a la otra y así la estrella continua brillando en equilibrio perfecto.

 

                       Pero, ¿qué ocurre cuando se consume todo el hidrógeno?

Pues que la fuerza de fusión deja de empujar hacia fuera y la gravedad continúa (ya sin nada que lo impida) hasta conseguir que la masa de la estrella implosiones, es decir, caiga sobre sí misma contrayendose más y más hasta llegar a tener una demnsidad enorme y un radio mucho más pequeño que el original. El resultado final dependerá de la masa inicial y conforme a ella se produce la transición de fase hacia una u otra clase de estrella.

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 por su propio peso, tendremos una estrella enana blanca, una estrella de neutrones o un agujero negro.

Como si fuera una mariposa, esta estrella enana blanca comienza su vida envolviéndose en un capullo. Sin embargo, en esta analogía, la estrella sería más bien la oruga y el capullo de gas expulsado la etapa verdaderamente llamativa y hermosa. La nebulosa planetaria NGC 2440 contiene una de las enanas blancas conocidas más calientes. La enana blanca se ve como un punto brillante cerca del centro de la fotografía. Eventualmente, nuestro Sol se convertirá en una “mariposa enana blanca”, pero no en los próximos 5 mil millones de años. Las estrellas conocidas como “enanas blancas” pueden tener diámetros de sólo una centésima del Sol. Son muy densas a pesar de su pequeño tamaño.

        Hermosas Nebulosas planetarias con una enana blanca en su centro

Sí, en el Universo son muchas las cosas que existen para nuestro asombro y, no pocas veces, nuestras mentes tienen que hacer un alto en el camino, para pensar profundamente, hasta llegar a comprender lo que allí existe y como llegó a poder formarse.

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.

 

Esta es una de las representaciones artísticas que nos hacen de Signus X-1. Es un ejemplo clásico de una Binaria de Rayos X, un sistema binario formado por un objeto compacto, que puede ser un agujero negro o una estrella de neutrones, y la estrella supergigante azul azul HDE 226868 de magnitud aparente 8,9. Como en toda binaria de rayos X, no es el agujero negro el que emite los rayos X, sino la materia que está a punto de caer en él. Esta materia (gas de plasma) forma un disco de acreción que orbita alrededor del agujero negro y alcanza temperaturas de millones de Kelvin que, quizás un día lejano aún en el futuro, podamos aprovechar como fuente de energía inagotable.

(EUROPA PRESS)

   Astrónomos que utilizan una red mundial de radiotelescopios han encontrado pruebas sólidas de que un potente chorro de materia o jet impulsado a la velocidad de la luz por el agujero negro central de la galaxia está soplando grandes cantidades de gas fuera de la galaxia. Este proceso está limitando el crecimiento del agujero negro y la tasa de formación de estrellas en la galaxia, por lo que es una clave para entender cómo se desarrollan las galaxias, según estos científicos.

En los núcleos de las galaxias se han detectado las radiaciones que son propias de la existencia allí de grandes agujeros negros que se tragan toda la materia circundante de gas y polvo e incluso de estrellas vecinas. El espacio a su alrededor se curva y el tiempo se distorsiona.

Existen varias formas teóricamente posibles de agujeros negros.

• 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.

Puesto que el tamaño de un agujero negro depende de la energía absorbida por el mismo, cuanto mayor es la masa del agujero negro, tanto mayor es el radio de Schwarzschild, que viene dada por:

donde:

• G es la constante gravitacional,
  
• M es la masa del objeto y
• c es la velocidad de la luz en el vacío.

Una explicación algo más precisa sería: Siguiendo la fórmula de arriba de la imagen: 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.

 

La singularidad es el pico de abajo que llega a desaparecer de la vista, la densidad adquirida por la materia es tan inmensamente grande que, parece como si hubiera entrado en otro mundo. Sin embargo, su infinita fuerza de gravedad se deja sentir y atrae a todos aquellos objetos que, en las cercanias de sus dominios, osen traspasar el horixonte de sucesos, es decir, la línea de irás y no volverás.

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.

 

Sí, es posible que una vez que hayamos representado la singularidad mediante las matemáticas de la relatividad general, la única otra manera de hacerlo sea en el interior de nuestras mentes, imaginando lo que puede ser. Claro que, también la imagen pueda estar refiriéndose a que, nuestras mentes también son singularidades de la materia que han llegado a ser conscientes.

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.

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.

Un largo recorrido de estrella masiva a Agujero Negro

Estrellas de Neutrones que, con sus campos magnéticos influyen en todo el espacio circundante y, sus pulsos luminosos cuando se dejan ver como púlsares, son como los faros del cielo que avisan a seres de mundos lejanos, que maravillas como esa están ahí.

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.

 

Alrededor de un agujero negro, y, en objetos cercanos a él, se pueden ver efectos extraordinarios que finalizan con su desaparición dentro del Agujero Negro que, los engulle y cada vez se hace más y más poderoso. Algunos son verdaderos monstruos del Universo y llegan a poseer miles de millones de masas solares. ¿Os imaginais dar un paseo por sus cercanias?

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, 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.

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.

El espacio se distorsiona en presencia de grandes masas. ¿Qué transformaciones no sufrirá en presencia de un Agujero Negro?

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, se sustituye la velocidad de escape por la de la luz c². Para otros objetos mayores como naves espaciales, hay que cumplir los requisitos exigidos por la Ley de la Gravedad que habrá que vencer para escapar del objeto o planeta del que queramos salir.

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:

Objeto	Velocidad de escape
La Tierra	………….11,18 Km/s
El Sol	………….617,3 Km/s
Júpiter	……………59,6 Km/s

La velocidad requerida para escapar de:

Saturno……………35,6 Km/s, Venus………….10,36 Km/s, Agujero negro….+ de 299.000 Km/s (no se puede.

Ponernos a comentar sobre objetos y fenómenos que en el Universo están presentes, puede llegar a sar fascinante. A medida que nos sumergimos en las complejidades de las cosas, los procesos mediante los cuáles cambian para convertirse en otras diferentes de las que en un principio eran, los ritmos y energías, las fuerzas fundamentales que actúan sobre ellos…Es una maravilla.

emilio silvera

El proceso mediante el cual la fuerza nuclear fuerte se congela es un ejemplo de un cambio de fase, similar en muchos aspectos a la congelación del agua. Cuando el agua se convierte en hielo, se expande; una botella de leche explotará si se deja en el exterior una noche fría del crudo invierno. No debería ser demasiado sorprendente que el universo se expanda del mismo modo al cambiar de fase.

Lo que sí sorprende es la enorme magnitud de la expansión. El tamaño del universo aumentó en un factor no menor de 10⁵⁰. Este número es tan inmenso que virtualmente no tiene significado para la mayoría de la gente. Y es lógico que así sea, ya que, si su altura aumentase de repetente en un factor tan grande como ése, se extendería de un extremo del universo al otro y les faltaría sitio. Incluso un solo protón de un solo átomo de su cuerpo, si sus dimensiones aumentaran en 10⁵⁰, sería mayor que el universo.

En 10^-35 segundos, el universo pasó de algo con un radio de curvatura mucho menor que la partícula elemental más pequeña a algo con el tamaño de una buena naranja. No es extraño que el nombre inflación esté ligado a este proceso en un cambio de fase tan descomunalmente inusual.

Todas estas ideas han dado lugar a que los científicos se planteen el problema de la clase de universo en el que vivimos, y, se ha llegado a la conclusión de que será el que determine la cantidad de materia que contenga, es decir, conforme lo determine Ω, signo que significa toda la masa que contiene el universo y que será la que determine su geometría final y también, qué clase de final le espera en función de ese parámetro que llamamos Densidad Crítica del Universo y que según las medidas más afinadas está en 10^-29 g/cm³.

Claro que cuando uno lee estas cosas y le dicen que el universo sufrío una expansión de tal magnitud, no se puede sustraer a la pregunta: ¿No violaría un crecimiento tan rápido las reglas de Einstein contra viajar más rápido que la luz? Si un cuerpo material viajó de un extremo de una naranja al otro en 10^-35 segundos, su velocidad excedió la de la luz en una cantidad muy considerable.

Claro que la respuesta a tal objeción la podemos encontrar, de manera simple y sencilla, en un globo que tiene dibujadas algunas galaxias. A medida que le añadimos aire y el globo se hincha (se expande), podemos apreciar cómo las galaxias se van separando las unas de las otras. Sin embargo, no son las galaxias las que viajan velozmente a medida que el aire entra en el globo, sino que es, el espacio mismo dentro del globlo el que se infla haciendo que las galaxias se muevan y dando la sensación de que son éstas las que corren, cuando, en realidad, es el espacio el que se está expandiendo. Ningún cuerpo material, ninguna de las galaxias se mueve a altas velocidades en el espacio. Las reglas contra el viaje a velocidad mayor que la luz sólo se aplica al movimiento dentro del espacio, no al movimiento del espacio mismo. Así que, nunca se ha violado la regla impuesta por la relatividad especial y la velocidad de la luz es una constante del universo inviolable.

La consecuencia de la ráoida expansión se puede describir mejor con referencia a la visión einsteniana de la gravitación. Antes de que el universo tiuviera 10^-35 segundos de edad, es de suponer que habia algún tipo de distribución de la materia (su forma precisa no importa). A causa de esta materia, el espacio-tiempo tendrá alguna forma caracteríostica. Podríamos suponer que estaba algo arrugado o banboleado, es decir, no era uniforme y en presencia de materia se curvaba en función de la masa allí presente. Pero llegó la inflación y comenzó una especie de estiramiento del espacio-tiempo que dejó al universo como lo podemos ver hoy, es decir, según la materia que parece que contiene, es casi perfectamente plano por lo general.

 

Se ha tratado de medir la Densidad Crítica del Universo par apoder saber en qué calse de universo estamos y, parece que es plano

Universo cerrado

Si Ω>1, entonces la geometría del espacio sería cerrada como la superficie de una esfera. La suma de los ángulos de un triángulo exceden 180 grados y no habría líneas paralelas. Al final, todas las líneas se encontrarían. La geometría del universo es, al menos en una escala muy grande, elíptico.

En un universo cerrado carente del efecto repulsivo de la energía oscura, la gravedad acabará por detener la expansión del universo, después de lo que empezará a contraerse hasta que toda la materia en el universo se colapse en un punto. Entonces existirá una singularidad final llamada el Big Crunch, por analogía con el Big Bang. Sin embargo, si el universo tiene una gran suma de energía oscura (como sugieren los hallazgos recientes), entonces la expansión será grande.

 

 

                                 Universo abierto

 

Si Ω<1, la geometría del espacio es abierta, p.ej., negativamente curvada como la superficie de una silla de montar. Los ángulos de un triángulo suman menos de 180 grados (llamada primera fase) y las líneas paralelas no se encuentran nunca equidistantes, tienen un punto de menor distancia y otro de mayor. La geometría del universo sería hiperbólica.

Incluso sin energía oscura, un universo negativamente curvado se expandirá para siempre, con la gravedad apenas ralentizando la tasa de expansión. Con energía oscura, la expansión no sólo continúa sino que se acelera. El destino final de un universo abierto es, o la muerte térmica” o “Big Freeze” o “Big Rip”,  dónde la aceleración causada por la energía oscura terminará siendo tan fuerte que aplastará completamente los efectos de las fuerzas gravitacionales, electromagnéticas y los enlaces débiles.

 

                           Universo plano

 

Si la densidad media del universo es exactamente igual a la densidad crítica tal que Ω=1, entonces la geometría del universo es plana: como en la geometría ecuclidiana,  la suma de los ángulos de un triángulo es 180 grados y las líneas paralelas nunca se encuentran.

Sin energía oscura, un universo plano se expande para siempre pero a una tasa continuamente desacelerada: la tasa de expansión se aproxima asintóticamentre a cero. Con energía oscura, la tasa de expansión del universo es inicialmente baja, debido al efecto de la gravedad, pero finalmente se incrementa. El destino final del universo es el mismo que en un universo abierto, la muerte caliente del universo, el “Big Freeze” o el “Big Rip”. En 2005, se propuso la teoría del destino del universo Fermión-Bosón,  proponiendo que gran parte del universo estaría finalmente ocupada por condensado de Bose-Einstein  y la quasipartícula análoga al fermión,  tal vez resultando una implosión. Muchos datos astrofísicos hasta la fecha son consistentes con un universo plano.

 

 

     Simulación del Big Rip

En un Universo abierto, la relatividad general predice que el Universo tendrá una existencia indefinida, pero con un estado donde la vida que se conoce no puede existir. Bajo este escenario, la energía oscura causa que las tasa de expansión del universo se acelere.  Llevándolo al extremo, una aceleración de la expansión eterna significa que toda la materia del Universo, empezando por las galaxias y eventualmente todas las formas de vida, no importa cuán pequeñas sean, se disgregarán en partículas elementales  desligadas. El estado final del Universo es una singularidad, ya que la tasa de expansión es infinita.

      El Big Crunch. El eje vertical se puede considerar como tiempo positivo o negativo

La teoría del Big Crunch es un punto de vista simétrico del destino final del Universo. Justo con el Big Bang empezó una expansión cosmológica, esta teoría postula que la densidad media del Universo es suficiente para parar su expansión y empezar la contracción. De ser así, se vería cómo las estrellas tienden a ultravioleta, por efecto Doppler.  El resultado final es desconocido; una simple extrapolación sería que toda la materia y el espacio-tiempo en el Universo se colapsaría en una singularidad espaciotemporal adimensional, pero a estas escalas se desconocen los efectos cuánticos necesarios para ser considerados -se aconseja mirar en Gravedad-Cuántica-..

Este escenario permite que el Big Bang esté precedido inmediatamente por el Big Crunch de un Universo precedente. Si esto ocurre repetidamente, se tiene un universo oscilante. El Universo podría consistir en una secuencia infinita de Universos finitos, cada Universo finito terminando con un Big Crunch que es también el Big Bang del siguiente Universo. Teóricamente, el Universo oscilante no podría reconciliarse con la segunda ley de la termodinámica:

 

 

 

 

la entropía aumentaría de oscilación en oscilación y causaría la muerte caliente. Otras medidas sugieren que el Universo no es cerrado. Estos argumentos indujeron a los cosmólogos a abandonar el modelo del Universo oscilante. Una idea similar es adoptada por el modelo cíclico, pero esta idea evade la muerte caliente porque de una expansión de branas se diluye la entropía acumulada en el ciclo anterior.

Como podéis comprobar por todo lo anteriormente leído, siempre estamos tratando de saber en qué universo estamos y pretendemos explicar lo que pudo pasar desde aquel primer momento que no hemos podido comprender de manera exacta y científicamente autosuficiente para que sea una ley inamovible del nacimiento del universo. Simplemente hemos creado modelos que se acercan de la mejor manera a lo que pudo ser y a lo que podría ser.

 

 

Cuando pasen algunos miles de millones de años más, no sabemos que será del Universo ni que rumbo habrán tomado las cosas, toda vez que, el Universo es dinámico y cambiante. Si todo sigue como ahora lo podemos contemplar, lo que parece es que vamos, sin remisión, hacia una muerte térmica del Universo en el que el espacio continuará expandiéndose y las galaxias se alejanran las unas de las otras hasta que, la entropía deje sin energía a todo el universo que, como sistema cerrado, se verá abocado a quedar estático, en el frío más profundo de los -273 ºC. Allí, entonces, nada se moverá, ni los átomos tendrán la posiblidad de que sus componentes se muevan.

Todas las galaxias, incluída la nuestra, podrían estar completamente rodeadas por una enorme esfera de agujeros negros. Esa es la extraordinaria conclusión de un equipo de investigadores del Centro Espacial Goddard, de la NASA, que ha sugerido la posibilidad de que la misteriosa y hasta ahora esquiva materia oscura esté hecha, en realidad, de “agujeros negros primordiales“, esto es, formados durante el primer segundo tras el Big Bang.

Para Alexander Kashlinsky, director de la investigación, la idea es consistente con lo que observamos en el fondo cósmico, tanto en la longitud de onda del infrarrojo como en la de los rayos X, y puede explicar también las masas inesperadamente elevadas de los dos agujeros negros en proceso de fusión observadas el año pasado, durante la primera detección de ondas gravitacionales. El estudio se acaba de publicar en The Astrophysical Journal Letters.

“Este estudio -explica el investigador- constituye un gran esfuerzo para unir toda una serie de ideas y observaciones y ver lo bien que encajan. Y resulta que encajan sorprendentemente bien. Si esto es correcto, entonces todas las galaxias, incluyendo la nuestra, serían parte de una gran esfera de agujeros negros, cada uno de ellos de aproximadamente 30 masas solares”.

Ya en 2005, Kashlinsky dirigió a un equipo de astrónomos, que usaron el telescopio espacial Spitzer para explorar el brillo del fondo cósmico en el rango del infrarrojo en una porción concreta de cielo. Los científicos reportaron una irregularidad excesiva en ese brillo, y concluyeron que probablementese se debía a la suma de los brillos de las primeras fuentes de luz que iluminaron el Universo primitivo, hace más de 13.000 millones de años. Estudios posteriores confirmaron que este brillo del fondo cósmico de infrarrojos (CIB, por sus siglas en inglés) tiene la misma e inesperada estructura irregular también en otras partes del cielo.

En 2013, otra investigación hizo lo mismo, pero esta vez observando el brillo del fóndo cósmico en el rango de los rayos X (CXB), utilizando el telescopio espacial Chandra, y en la misma porción de cielo en la que se había medido el brillo en el infrarrojo. Las primeras estrellas, que emiten la mayor parte de su radiación en el espectro visible y en el ultravioleta, no contribuyen en exceso al CXB.

El resultado fue que los brillos irregulares en el fondo cósmico coincidían muy bien tanto en los rayos X como en el infrarrojo. Y el único objeto conocido capaz de ser lo suficientemente luminoso en cualquier rango de energía es un agujero negro. Los investigadores, pues, concluyeron que los agujeros negros primordiales, los que se formaron durante el Big Bang, debieron de ser muy abundantes entre las primeras estrellas, tanto como para constituir al menos una de cada cinco de las fuentes que contribuyen al CIB.

No es materia oscura, sino agujeros negros

Y aquí es donde entra en juego la materia oscura, cuya auténtica naturaleza sigue siendo uno de los problemas no resueltos más importantes de la astrofísica. Cinco veces más abundante que la materia ordinaria, de la que están hechas todas las galaxias, estrellas y planetas que podemos ver, la materia oscura no “brilla”, es decir, no emite radiación, en ninguna longitud de onda, por lo que resulta indetectable para cualquiera de nuestros instrumentos. Sabemos que está ahí, sin embargo, porque su fuerza gravitatoria obliga a la materia ordinaria (la que sí podemos ver) a moverse de formas que, sin la existencia de esa masa invisible, serían imposibles.

Hasta ahora los físicos han tratado de construir modelos teóricos que puedan explicar la materia oscura con una partícula exótica muy masiva, pero todas las pruebas llevadas a cabo para encontrar esa hipotética partícula han fracasado sin excepción.

Según Kashlinsky, “estos estudios están proporcionando resultados cada vez más sensibles, reduciendo lentamente el abanico de parámetros donde las partículas de materia oscura se podrían ocultar. Pero el fracaso a la hora de encontrarlas ha llevado a un renovado interés por el estudio de lo bien que los agujeros negros primordiales -agujeros negros formados en primera fracción de segundo del universo- podrían funcionar como materia oscura”.

Los físicos creen que hay varias formas en que el universo temprano, muy caliente y en rápida expansión, pudo producir agujeros negros primordiales en la primera milésima de segundo tras el Big Bang. Y cuanto más tarde se pusiera en marcha este mecanismo, mayores serían los agujeros negros “fabricados” por el Universo recién nacido. Dado que la “ventana” para crear estos agujeros negros dura apenas una fracción de segundo, los agujeros negros primordiales, según los investigadores, deberían de estar todos dentro de un estrecho rango de masas.

Ondas gravitacionales, la primera pista

 

El pasado 14 de septiembre, los observatorios LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) detectaron las ondas gravitacionales causadas por la fusión de dos agujeros negros a 1.300 millones de años luz de distancia. Fue la primera (y por ahora la única) vez que se lograba detectar las ondas gravitacionales que había predicho Einstein hace un siglo, pero también fue la primera detección directa de un agujero negro en toda la historia de la Ciencia. La señal captada por los investigadores aportó información sobre las masas de los dos agujeros negros en proceso de fusión: 29 y 36 masas solares, respectivamente. Valores inesperadamente grandes y, sobre todo, sorprendentemente similares.

“Según cuál sea el mecanismo que está actualdo -explica Kashlinsky- los agujeros negros primordiales podrían tener propiedades muy similares a las detectadas por LIGO. Si asumimos que ese es el caso, y que LIGO captó la fusión de dos agujeros negros nacidos en el universo temprano, entonces podemos estudiar las consecuencias que esto tiene en nuestra comprensión de cómo el cosmos, en última instancia, evolucionó”.

En su nuevo trabajo, Kashlinsky analiza lo que podría haber sucedido si la materia oscura realmente consiste en una gran población de agujeros negros similares a los detectados por LIGO. Esos agujeros negros, por ejemplo, distorsionaron la distribución de la masa en el universo temprano, añadiendo una pequeña fluctuación que tuvo consecuencias cientos de millones de años más tarde, cuando las primeras estrellas empezaron a formarse.

Durante los primeros 500 millones de años de existencia del Universo, la materia ordinaria estaba demasiado caliente como para unirse y formar las primeras estrellas. Pero la materia oscura no resultó afectada por la temperatura ya que, debido a su propia naturaleza, no depende de la radiación e interactúa fundamentalmente a través de la gravedad. Agregándose a causa de esta atracción gravitatoria, la materia oscura se agrupó primero en estructuras llamadas “mini halos”, lo que proporcionó una serie de “semillas gravitacionales” alrededor de las cuales la materia ordinaria pudo ir acumulándose. Así, el gas caliente (la materia ordinaria) se fue acumulando alredodor de los “mini halos”, dando lugar a “paquetes” de gas lo suficientemente densos como para colapsar sobre sí mismos y formar las primeras estrellas.

Kashlinsky observa que si efectivamente los agujeros negros son la materia oscura, el proceso de formación estelar sucedería más rápidamente y se producirían con más facilidad las irregularidades en la luminosidad del fondo cosmico observadas en el rango de los infrarrojos por el telescopio Spitzer. Y esto sería así incluso si solo una pequeña parte de los “mini halos” estuviera produciendo estrellas.

Por supuesto, los agujeros negros también capturarían una parte del gas caliente que era atraído lor los “mini halos”. Esa materia, se recalentaría según se fuera acercando a los agujeros negros y terminaría, también, por producir rayos X. Juntas, la luz infrarroja procedente de las primeras estrellas y los rayos X emitidos por la materia atraída por los agujeros negros, producirían los mismos efectos que los científicos han observado en los brillos en CIB y el CXB.

De vez en cuando, además, alguno de estos agujeros negros primordiales pasaría lo suficientemente cerca de otro como para ser capturado por su gravedad y formar un sistema binario. Durante eones, los dos agujeros negros de esos sistemas binarios se orbitarían mutuamente, para terminar fundiéndose en uno solo, como el encontrado el año pasado por los detectores LIGO.

“Las futuras observaciones de LIGO -afirma Kashlinsky- nos dirán mucho más sobre la población de agujeros negros en el Universo, y no hará falta demasiado tiempo para saber si el escenario que propongo se sostiene o no”.