La vida microscópica está por todas partes…¡En otros mundos (creo) que también.

“La idea de que la vida en el Universo sólo existe en la Tierra es básicamente precopernicana. La experiencia nos ha enseñado de forma repetida que este tipo de pensamiento es probablemente erróneo. ¿Por qué nuestro pequeñísimo asentamiento debe ser único? Al igual que ningún país ha sido el centro de la Tierra, tampoco la Tierra es el centro del Universo.”

 

Así se expresaba Fred Hoyle.

Los icebergs, esas enormes montañas de hielo desgajado que flotan en el mar y que se hicieron famosas por causar el hundimiento del Titanic, ya no son patrimonio exclusivo de la Tierra. Gracias a la nave espacial Galileo, desde 1997 sabemos que también existen en Europa, uno de los cuatro satélites principales de Júpiter, que con sus 3.138 Km de diámetro tiene un tamaño muy similar al de la Luna. Si exceptuamos Marte, puede que no exista ningún otro lugar próximo a la Tierra sobre el que la ciencia tenga depositadas tantas esperanzas de que pueda haber formas de vida, con el aliciente de que en esta luna joviana ha ocurrido un proceso opuesto al del planeta rojo merced a su exploración.

Mientras que los ingenios espaciales enviados por el hombre revelaron que la naturaleza marciana es mucho más hostil para la vida de lo que insinuaban los telescopios de Schiaparelli, Lowell y Pickering, las sondas Voyager y Galileo han encontrado en Europa el mejor candidato del Sistema solar para albergar la vida extraterrestre (sin olvidar Encelado).

                                         Los familiares paisajes de Marte

Para los exobiólogos, esos científicos que estudian la existencia de la vida en otros lugares del Universo, Europa ha sido la gran revelación del siglo XX, y Titán, una luna de Saturno que es la segunda más grande del Sistema Solar, constituye una gran incógnita que, poco a poco, se va desvelando gracias a la misión Cassini-Huygens, uno de los más ambiciosos proyectos de la NASA.

          Titán se parece a la Tierra hace algunos millones de años

                                                          Encelado

También se sueña con llegar a Europa y llegar a su océano interior, para ver si la vida está allí

Lo más importante de la exploración sobre Europa, a pesar de su enorme interés científico, no fueron sus fotografías, sino los indicios inequívocos de su océano líquido bajo la superficie que, además, tiene todas las características de ser salado

Esos dos satélites de Júpiter y Saturno conforman, junto a Marte (y Encelado), los principales puntos de atención en la búsqueda de la vida extraterrestre, aunque eso no significa que vayamos a encontrarla allí, según todos los datos que se van acumulando, el índice de probabilidades de que ciertamente exista alguna clase de vida en el planeta y las lunas mencionadas, es muy alto. Es decir, si al margen del caso privilegiado de la Tierra existen tres nombres propios en el Sistema Solar donde no está descartada su existencia, esos son, Marte, Europa y Titán.

Sobre Marte, el planeta más parecido a la Tierra, a pesar de sus notables diferencias, nuestros conocimientos actuales son extensos y muy valiosos, pero nos falta desvelar lo fundamental. Y es que, a pesar de los grandes avances conseguidos durante las exploraciones espaciales, los astrónomos actuales siguen obligados a contestar con un “no lo sé” cuando alguien le pregunta sobre la existencia de vida en aquel planeta.

                                                                                         Europa

En lo concerniente a Europa, pocas fotografías entre las centenares de miles logradas desde que se inició la era espacial han dejado tan atónitos a los científicos como las transmitidas en 1997 por la nave Galileo. Desde 1979 se sospechaba, gracias a las imágenes de la Voyager 2, que la superficie del satélite joviano estaba formada por una sorprendente costra de hielo. Su predecesora, la Voyager 1, llegó al sistema de Júpiter en marzo de ese año, pero no se aproximó lo necesario a Europa y sólo envió fotografías de apariencia lisa como una bola de billar surcada por una extraordinaria red de líneas oscuras de naturaleza desconocida. En julio de 1979, poco después, la Voyager 2 obtuvo imágenes más detalladas, que desconcertaron a los científicos porque sugerían que la helada superficie podía ocultar un océano líquido, un paisaje inédito hasta el momento en el Sistema Solar.

Pero lo más asombroso estaba por ver, y transcurrieron dieciocho años hasta que una nueva misión espacial les mostró a los científicos que Europa es una luna tan extraordinaria que incluso parece albergar escenarios naturales como los descritos por Arthur C. Clarke en su novela 2010, Odisea dos. En enero de 1997, la NASA presentó una serie de imágenes en las que la helada superficie de Europa aparecía fragmentada en numerosos puntos. La increíble red de líneas oscuras que había mostrado una década antes la nave Voyager apareció en estas imágenes con notable detalle, que permitió ver surcos, cordilleras y, sobre todo, hielos aparentemente flotantes, algo así como la réplica joviana a los icebergs terrestres.

Lo más importante de la exploración sobre Europa, a pesar de su enorme interés científico, no fueron sus fotografías, sino los indicios inequívocos de su océano líquido bajo la superficie que, además, tiene todas las características de ser salado. La NASA ha tenido que reconocer que todos los estudios realizados en Europa dan a entender la posibilidad y muestran una notable actividad geológica y fuentes intensas de calor. Las posibilidades de vida en la superficie parecen prácticamente nulas, puesto que se halla a una distancia media del Sol de unos ochocientos millones de kilómetros y su temperatura es inferior a los 150 grados bajo cero. Sin embargo, si bajo la helada corteza existe un océano de agua líquida como creen la mayor parte de los investigadores y expertos, nos encontramos ante la mayor oportunidad para la vida en el Sistema Solar después de la Tierra.

Los sensores de las naves exploradoras han detectado un campo magnético en Europa que cambia de forma constante de dirección, hecho que sólo puede explicarse si este mundo en miniatura posee elementos conductores muy grandes. Como quiera que el hielo, presente en la corteza, no sea un buen conductor, la NASA ha sugerido que esas fluctuaciones del campo magnético de Europa estarían asociadas a la existencia de un océano de agua salada bajo la superficie.

Quizá no debamos dejarnos llevar por la imaginación pero, incluso muchos de los científicos de la NASA, tras haber visto los Icebergs fotografiados por la Galileo, recordaron emocionados el pasaje de 2010, Odisea dos, en el que el profesor Chang lanza a la Tierra un estremecedor grito desde los lejanos abismos del Sistema Solar: “¡Hay vida en Europa!” Repito: “¡Hay vida en Europa!”.

Del extraordinario viaje emprendido para dar un merecido homenaje a Cassini y Huygens y financiado de manera conjunta por la NASA y la ESA, todos tenemos un conocimiento aceptable a través de las noticias y de nuestras lecturas científicas. En el año 2004 la nave nodriza Cassini, lanzada en 1997, inició la exploración de Saturno y su corte de satélites y, la información recibida hasta el momento es de tan alto valor científico que nunca podremos agradecer bastante aquel esfuerzo.

                                                                                                Titán

No cabe dudas de que la NASA tenía su principal interés puesto en la nave Cassini y Saturno, pero Titán ha tenido una atención especial que los americanos compartieron con la Agencia Europea ESA, la nave principal o nodriza Cassini se desprendió del módulo Huygens de la ESA, cuya misión será caer sobre Titán, pero antes tenía que estudiar su atmósfera, su superficie y otros elementos científicos de interés que nos dijeran como era aquel “mundo”.

Titán es, de hecho, la luna más enigmática que se conocía. Junto a Io y Tritón en Neptuno forma el trío de únicos satélites del Sistema Solar que mantiene atmósfera apreciable; pero Titán es radicalmente diferente, puesto que mientras en aquellos dos la densidad atmosférica es muy baja, en la luna mayor de Saturno supero, incluso a la de la Tierra. Esto es algo insólito que dejó pasmado a los científicos del Jet Propulsión Laboratory de la NASA cuando obtuvieron los primeros datos a través de la Voyager. La presión atmosférica es 1,5 veces la de la Tierra, un hecho sorprendente para su tamaño, puesto que en otros lugares más grandes como el mismo Marte, la Gravedad ha sido insuficiente para retener una atmósfera apreciable.

Paisajes de la Tierra Prehistórica, lluvia de metano, ¿cuántas sorpresas más?

Titán tiene 5 150 Km de diámetro, es la segunda luna mas grande conocida y supera en tamaño a Mercurio, pero en comparación con nuestro planeta es un mundo en miniatura, por lo que resulta excepcional algunas de las características en el halladas. Orbita Saturno en 15,945 días a una distancia de 1 221 830 Km. Es conocido desde 1655, cuando Huygens lo descubrió. De ahí que la NASA, pusiera su nombre a la sonda que acompañó a la Cassini para investigar Titán. Aunque está compuesto por rocas y hielos a partes iguales, aproximadamente. De sus océanos de metano, ¿qué podemos decir? Sabemos que es el único satélite del Sistema Solar que tiene una atmósfera sustancial, de una gran densidad y que su composición es muy parecida a la de la Tierra, ya que el elemento fundamental, como aquí, es el nitrógeno. El papel secundario -aunque primordial- que en la Tierra desempeña el oxígeno, le corresponde en Titán al metano y también se han hallado trazas de hidrógeno. Se tienen muchas esperanzas de que, ésta luna de características tan especiales, sino ahora, algún día más lejano en el futuro podría contener formas de vida y, más adelante, incluso ser un hábitat para nosotros.

La Huygens nos ha enviado imágenes más que suficientes para poder estudiar el enorme conglomerado de datos que en ellas aparecen y, tantos las fotografías como otros datos de tipo técnico tomados por los censores de la Huygens y enviados a la Tierra, tendrán que ser estudiados durante mucho tiempo hasta estar seguros de muchos de los enigmas que con ellos podamos desvelar.

Ningún otro cuerpo del sistema solar se parece más a la Tierra que Titán, la luna de Saturno. Cuenta con lagos y mares de metano, y los científicos creen ahora que, hasta un océano subterráneo

La verdadera incógnita de Titán está en su superficie que aún, no se ha estudiado debidamente y, aparte de esos océanos de metano, ¿podrían existir también océanos de agua? Científicamente nada lo impide.

¡Ya veremos!

emilio silvera

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En esta inmensa, colorida y hermosa Nebulosa se crean nuevas estrellas que, llenas de energía emiten radiaciones ultravioletas que ionizan toda la región que las circundan y hace que la Nebulosa resplandezca  como una inconmensurable isla de luces y colores que nos desata la imaginación sabiendo que nuevas estrellas y mundos surgen de todo ese conglomerado de gas y polvo que interacciona con las fuerzas de la Naturaleza presentes en todas partes.

El universo entero es energía. En sus formas diferentes la energía cambia continuamente y lo mismo hace que brillen las estrellas del cielo, que los planetas giren, que los estables átomos formen moléculas y materia, que las plantas crezcan o que las civilizaciones evolucionen.

La ciencia del siglo XIX reconoció la universalidad de la energía y supo ver que la Humanidad sin energía que hiciera el trabajo más duro, no evolucionarían en el bienestar social y el saber. De todas maneras, aún hoy día, a comienzos del siglo XXI, no tenemos un conocimiento unificado de todos los ámbitos y disciplinas, que relacionados de una u otra manera con la energía, nos presente una visión global y completa de este problema. Los estudios energéticos modernos se presentan fragmentados, divididos en disciplinas, y los científicos que trabajan en cada una de ellas están muy ocupados para leer el resultado obtenido en los otros estudios.

Los geólogos, por ejemplo, al tratar de entender las grandes fuerzas que transforman la superficie del planeta por el movimiento de las placas tectónicas, rara vez están al día de los descubrimientos en las otras ramas de la energética moderna, donde se estudia desde el esfuerzo de un corredor de élite hasta el vuelo de un colibrí.

Los ingenieros se preocupan por las plantas generadoras de electricidad y piensan poco en las constantes fundamentales de la energía o en los cambios que determinaron la evolución de las sociedades antes de la llegada de la civilización de los combustibles fósiles.

Energía es todo, desde el Sol hasta un embarazo; desde el pan que comemos hasta un microchip. Sin embargo, es difícil que un técnico pueda pensar en ello cuando está centrado en resolver el problema del momento.

         También aquí está presente la energía

La progresión lógica se realiza siguiendo una secuencia progresiva desde los flujos de energía planetarios a la vida de las plantas y los animales, siguiendo con la energía humana, la energía en el desarrollo de las sociedades preindustriales y modernas, y concluyendo con el transporte y los flujos de información, que son las dos características más importantes de la civilización de los combustibles fósiles.

Los que han leído algunos de mis trabajos saben que aquí podrán encontrarse con datos y materias diversas, y aunque el tema central, como he reseñado por título, es la evolución por la energía, también podrán leer sobre la entropía, las fuerzas de la naturaleza, el átomo, o incluso, del Sol, los vientos, radiación solar o cualquier dato que, en realidad, pueda estar conectado con el concepto de energía.

El conocimiento, las peculiaridades y las complejidades de las diferentes formas de energías, así como su almacenamiento y transformación, requiere que cuantifiquemos esas cualidades y procesos. Para ello debemos introducir cierto número de conceptos científicos y medidas, así como sus unidades correspondientes.

Al hablar sobre energía nos encontramos con el problema de que el uso en el habla común de muchos términos científicos está equivocado. Como dice Henk Tennekes, “hemos creado una terrible confusión con los conceptos físicos simples en la vida ordinaria”. Pocos de esos malentendidos son tan generales y molestos como los relacionados con los términos energía, potencia y fuerza.

Definimos fuerza como la intensidad con la que intentamos desplazar – empujar, tirar, levantar, golpear… – un objeto. Podemos ejercer una fuerza enorme sobre la roca que sobresale en una montaña incluso si ésta permanece inmóvil. Sin embargo, sólo realizamos trabajo cuando el objeto que empujamos se mueve en la dirección de la fuerza aplicada. De hecho, se define el trabajo realizado como el producto de la fuerza aplicada por la distancia recorrida. La energía, como se define en los libros de texto, es “la capacidad de hacer trabajo”, y así, ésta se medirá con las mismas unidades que el trabajo.

Si medimos la fuerza en unidades denominadas newton (N), llamada así en honor de Isaac Newton, y la distancia en metros (m), el trabajo se mide en la malsonante unidad de newton-metro. Para simplificar, los científicos llaman al newton-metro julio (J), en honor de James Prescot Joule (1.818 – 1.889), quien publicó el primer cálculo preciso de la equivalencia entre trabajo y energía. El julio es la unidad estándar de trabajo y energía.

La potencia es simplemente la tasa de trabajo, es decir, un flujo de energía por unidad de tiempo. A un julio por segundo lo llamamos vatio (W) en honor de James Watt (1.736 – 1.819), inventor de la máquina de vapor mejorada y el hombre que estableció la primera unidad de potencia, que no fue el vatio sino el caballo de vapor (CV), una unidad aproximadamente igual a 750 W.

Seguimos con algunas tablas para documentarnos:

Para avanzar un poco más tenemos que pasar de empujar y tirar (lo que llamamos energía mecánica o energía cinética) a calentar (energía térmica). Definimos una unidad llamada caloría como la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de un gramo de agua desde 14’5 a 15’5 ºC. Usando esta unidad podemos comparar energías térmicas, pero una vez más, esta unidad no nos permite comparar todas las clases diferentes de energías.

Si nos preguntamos ¿qué es la energía?, esta pregunta no es fácil de contestar. Incluso uno de los más grandes físicos modernos resulta de poca ayuda: “es importante darse cuenta de que en física, en realidad, no se sabe muy bien qué es la energía. No tenemos una idea de por qué la energía está formada por pequeños pulsos de una cantidad definida”, decía Richard Feynman en su libro Lectures on Physics.

David Rose, para definir la energía, decía: “es un concepto abstracto inventado por los físicos en el siglo XIX para describir cuantitativamente una amplia variedad de fenómenos naturales”.

Definir la energía no ha sido nunca cosa fácil, dado que está presente en todo lo que podamos mirar desde una piedra que yace en las finas arenas del fondo de un río, la montaña que majestuosa nos mira desde su altanera e imponente figura, la simple visión de un hermoso árbol, y, sobre todo, energía para mí… ¡son las estrellas del espacio interestelar! que crean el material del que se forjan los mundos y surje la vida, la más elevada forma del energía que está presente en nuestro Universo.

El conocimiento moderno de la energía incluye un número de descubrimientos fundamentales: la masa y la energía son equivalente; los diferentes tipos de energía están relacionados por muchas transformaciones; durante esas transformaciones, la energía no se destruye (primer principio de la termodinámica) y esta conservación de la energía está inexorablemente acompañada por una pérdida de utilidad (segundo principio de la termodinámica).

El primer descubrimiento, descrito en una carta de Einstein a un amigo suyo como una “idea atrevida, divertida y atractiva”, se resume en su ecuación m = E/c², que en su versión más famosa se escribe como E = mc²; la ecuación más conocida de la física.

El segundo descubrimiento se demuestra continuamente en miles de trasformaciones energéticas que se producen en el universo. La energía gravitatoria mantiene las galaxias en movimiento, a la Tierra girando alrededor del Sol y confinada la atmósfera que hace nuestro planeta habitable. La transformación de la energía nuclear en el interior del Sol produce el continuo flujo de energía electromagnética, llamada radiación solar. Una pequeña parte de esa energía llega al planeta Tierra que, a su vez, libera energía geotérmica. El calor producido en ambos procesos pone en movimiento la atmósfera, los océanos y las gigantescas placas tectónicas terrestres.

Una pequeña parte de la energía radiante del Sol se transforma, a través de la fotosíntesis, en reservas de energía química, que son utilizadas por muchas clases de bacterias y plantas. Los seres heterótrofos (organismos que van desde las bacterias, los protozoos y los hongos hasta los mamíferos), ingieren y reorganizan vegetales de las plantas en nuevos enlaces químicos y los utilizan para crear energía mecánica (cinética).

        Piscina de energía geotérmica en el Parque Nacional Yellowstone en Wyoming EE.UU.

¿Qué decir de la atmósfera de la Tierra?

La atmósfera terrestre (troposfera y estratosfera) es tan delgada que, dibujando el planeta con un diámetro de 10 cm, tendría un espesor de unos 0’4 milímetros, equivalente al grosor de una línea de lápiz. Sin embargo, esta delgada capa gaseosa posee una importancia crítica para mantener el balance energético de la Tierra.

El planeta es adecuado para el desarrollo de la vida debido a que su atmósfera el llamativamente diferente de la de sus vecinos más próximos. La atmósfera de Venus está compuesta en un 96 por ciento de CO₂, con un 3’5 por ciento de nitrógeno y trazas de gases nobles. La atmósfera de Marte contiene un 95’3 por ciento de CO₂, un 2’7 por ciento de nitrógeno, 1’6 por ciento de argón y también trazas de agua y O₃. Una atmósfera parecida a la terrestre determinaría que en la superficie marciana la temperatura sería superior a los 200º C y la presión de unos pocos MPa. En tales condiciones no podría existir vida compleja basada en el carbono con tejidos húmedos.

Hay pocas dudas de que la primera atmósfera de la Tierra contuviera abundante CO₂, pero no está claro si su posterior desaparición se debió exclusivamente a procesos geoquímicos inorgánicos (sobre todo a la pérdida de ácido carbónico), o si los primeros organismos fueron importantes en la posterior conversión de CO₂ en sedimentos de CaCO₃. Parece claro, por el contrario, que la fotosíntesis llevada a cabo inicialmente por bacterias fue la responsable de la transformación de la atmósfera sin oxígeno en el Arcaico.

               La Biosfera se vio protegida contra la radiación ultravioleta que llegaba del espacio

El aumento de oxígeno comenzó a acelerarse hace unos 2.100 millones de años y el actual nivel del 20 por ciento se alcanzó hace unos 300 millones de años. El aumento del oxígeno troposférico permitió la formación de ozono estratosférico, que protegió la biosfera de la energética radiación UV de longitudes de onda inferiores a 295 nm. Sin esta protección no hubiera sido posible la evolución de plantas y animales más complejos, ya que si la radiación UV de frecuencias menores ya mata los gérmenes y quema la piel, la de frecuencias altas es letal para la mayoría de los organismos.

Las actividades humanas pueden modificar poco las proporciones de los constituyentes atmosféricos. La cantidad de nitrógeno que se utiliza para sintetizar amoniaco representa una fracción despreciable de las enormes reservas troposféricas y la desnitrificación finalmente recicle todo el gas. Incluso el consumo de todas las reservas conocidas de combustibles fósiles (un hecho imposible debido a los costos prohibitivos de la extracción de algunas de estas fuentes de energía, sumergidas en las fosas abisales a miles de kilómetros de profundidad) reduciría la concentración de O₂ en menos de un 2 por ciento.

Las emisiones locales y regionales de aire contaminado contienen muchos gases, pero los riesgos de un cambio climático global sólo pueden venir de mayores emisiones de compuestos en trazas. Algunos de esos gases (sobre todo CO₂, N₂O y CH₄), así como el vapor de agua, absorben fuertemente la radiación en el espectro IR. Consecuentemente, la radiación IR emitida por la superficie de la Tierra tiene longitudes de onda comprendidas en distintas ventanas intercaladas entre bandas de absorción.

Las bandas de absorción más importantes del vapor de agua están comprendidas entre 2’5 y 3 μm y entre 5 y 7 μm, mientras que el CO₂ tiene dos picos estrechos en 2’5 y 4 μm, y una banda más ancha cerca de los 15 μm. Como la radiación terrestre está completamente incluida en el espectro IR, esta absorción tiene un gran efecto en el balance de la radiación de la Tierra.

Para mantener la biosfera habitable hacen falta solamente concentraciones muy pequeñas de gases de “efecto invernadero”. El CO₂ representa actualmente sólo unos 360 ppm* (menos del 0’04%) de la atmósfera terrestre, y los demás gases en traza miden en ppb o ppt. Esta composición hace que la temperatura media en la superficie del planeta sea de unos 16º C, la cual, combinada con una presión superficial de 101 KPa, asegura que el agua permanezca líquida y que sea posible la fotosíntesis y el metabolismo heterótrofo. Hay que procurar (hablando coloquialmente) que Gaia no se enfade, ya que el aumento de las concentraciones de gases en traza elevaría gradualmente la temperatura media de la troposfera.

La conversión de bosques y praderas en campos de cultivo y la utilización de combustibles sólidos han hecho aumentar las emisiones de CO₂, mientras que el creciente uso de fertilizantes nitrogenados, la cada vez más numerosa cabaña vacuna y el aumento del cultivo de arroz emiten cantidades adicionales de N₂O y CH₄. Los fluorforocarbonados, además de sus destructivos efectos sobre el ozono troposférico, son gases con efecto invernadero muy potentes. Debido a la acción combinada de los gases invernaderos antropogénicos, el flujo medio de calor absorbido ha aumentado en 2’5 W/m² en grandes áreas del hemisferio norte, pero no estamos seguros de hasta dónde llegará esta tendencia ni de su velocidad. Lo mejor sería no confiarse; mi padre, hombre no cultivado, decía a menudo que “más vale un por si acaso que un yo creí”.

La atmósfera también interviene en el balance energético del planeta redistribuyendo el calor sensible y el calor latente del agua con los vientos y las lluvias, y de una manera completamente diferente pero más espectacular, con los rayos. La mayoría de esas descargas de elevadísima concentración de energía se originan en los cumulonimbos, y tienen una enorme potencia (duplicar el tamaño de la nube implica aumentar la potencia del rayo treinta veces). Un rayo normal descarga entre 20 y 50 MJ, la mayor parte de esa energía en 10 μs, produciendo la impresionante potencia de 1-10 GW. La luz visible emitida representa solamente el 0’2-2% de la energía disipada, invirtiéndose el resto en calentar la atmósfera a su alrededor y en la energía acústica del trueno. La observación de satélites indica que por término medio se producen unos cien mil relámpagos por segundo.

Sabemos que la atmósfera es la envoltura gaseosa que rodea a un cuerpo astronómico. Varios planetas (incluyendo la Tierra) poseen atmósferas considerables debido a su intensa gravedad. Los movimientos de los gases en las atmósferas planetarias en respuesta al calentamiento, junto con las fuerzas rotacionales, generan sistemas meteorológicos. Los satélites planetarios Titán y Tritón también poseen atmósferas.

¡Nuestra casa! De cuyas maravillas y su relación con el Sol, sería interesante y muy instructivo saber

Creo que la atmósfera es quizá el término más vago para identificar una parte de un cuerpo celeste. Está referido a su envoltura superficial, generalmente de un planeta o estrella. Parece fácil decirlo, pero los gases no son como un líquido o un trozo de roca, en los que puede determinarse exactamente dónde está la superficie que los separa del entorno circundante de una manera precisa. Es imposible indicar el nivel exacto donde acaba la atmósfera y comienza el plasma interplanetario. De hecho, los gases apenas están sometidos a la fuerza de la gravedad; se “esfuman” hacia el espacio y abandonan continuamente el cuerpo celeste. En el caso de la Tierra, por estar cerca del Sol, determinar dónde termina la atmósfera terrestre y dónde empieza la solar es un problema al que sólo puede responderse teóricamente, que dicho sea de paso, permite licencias literarias que prohíben las matemáticas.

emilio silvera

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Especialmente intrigante es la apariencia de una estrella en implosión observada desde un sistema de referencia externo estático, es decir, vista por observadores exteriores a la estrella que permanecen siempre en la misma circunferencia fija en lugar de moverse hacia adentro con la materia de la estrella en implosión. La estrella, vista desde un sistema externo estático, empieza su implosión en la forma en que uno esperaría. Al igual que una pesada piedra arrojada desde las alturas, la superficie de la estrella cae hacia abajo (se contrae hacia adentro), lentamente al principio y luego cada vez más rápidamente. Si las leyes de gravedad de Newton hubieran sido correctas, esta aceleración de la implosión continuaría inexorablemente hasta que la estrella, libre de cualquier presión interna, fuera aplastada en un punto de alta velocidad. Pero no era así según las fórmulas relativistas de Oppenheimer y Snyder. En lugar de ello, a medida que la estrella se acerca a su circunferencia crítica su contracción se frena hasta hacerse a paso lento. Cuanto más pequeña se hace la estrella, más lentamente implosiona, hasta que se congela exactamente en la circunferencia crítica.

Por mucho tiempo que uno espere, si uno está en reposo fuera de la estrella (es decir, en reposo en el sistema de referencia externo estático), uno nunca podrá ver que la estrella implosiona a través de la circunferencia crítica. Este era el mensaje inequívoco de Oppenheimer y Snyder.

¿Se debe esta congelación de la implosión a alguna fuerza inesperada de la relatividad general en el interior de la estrella? No, en absoluto, advirtieron Oppenheimer y Snyder. Más bien se debe a la dilatación gravitatoria del tiempo (el frenado del flujo del tiempo) cerca de la circunferencia crítica. Tal como lo ven los observadores estáticos, el tiempo en la superficie de la estrella en implosión debe fluir cada vez más lentamente cuando la estrella se aproxima a la circunferencia crítica; y, consiguientemente, cualquier cosa que ocurre sobre o en el interior de la estrella, incluyendo su implosión, debe aparecer como si el movimiento se frenara poco a poco hasta congelarse.

Por extraño que esto pueda parecer, aún había otra predicción más extrañas de las fórmulas de Oppenheimer y Snyder: si bien es cierto que vista por observadores externos estáticos la implosión se congela en la circunferencia crítica, no se congela en absoluto vista por los observadores que se mueven hacia adentro con la superficie de la estrella. Si la estrella tiene una masa de algunas masas solares y empieza con un tamaño aproximado al del Sol, entonces vista desde su propia superficie implosiona hacia la circunferencia crítica en aproximadamente una hora, y luego sigue implosionando más allá de la criticalidad hacia circunferencias más pequeñas.

Allá por el año 1939, cuando Oppenheimer y Snyder descubrieron estas cosas, los físicos ya se habían acostumbrados al hecho de que el tiempo es relativo; el flujo del tiempo es diferente medido en diferentes sistemas de referencia que se mueven de diferentes formas a través del Universo. Claro que, nunca antes había encontrado nadie una diferencia tan extrema entre sistemas de referencia. Que la implosión se congele para siempre medida en el sistema externo estático, pero continúe avanzando rápidamente superando al punto de congelación medida en el sistema desde la superficie de la estrella era extraordinariamente difícil de comprender. Nadie que estudiara las matemáticas de Oppenheimer y Snyder se sentía cómodo con semejante distorsión extrema del tiempo. Pero ahí estaba, en sus fórmulas. Algunos podían agitar sus brazos con explicaciones heurísticas, pero ninguna explicación parecía muy satisfactoria. No sería completamente entendido hasta finales de los cincuenta.

Fue Wheeler el que discrepó del trabajo de Oppenheimer y Snyder, alegando, con toda la razón que, cuando ellos habían realizado su trabajo, habría sido imposible calcular los detalles de la implosión con una presión realista (presión térmica, presión de degeneración y presión producida por la fuerza nuclear), y con reacciones nucleares, ondas de choque, calor, radiación y expulsión de masa. Sin embargo, los trabajos desde las armas nucleares de los veinte años posteriores proporcionaron justamente las herramientas necesarias.

Presión, reacciones nucleares, ondas de choque, calor radiación y expulsión de masa eran todas ellas características fundamentales de una bomba de hidrógeno; sin ellas, una bomba no explosionaría. A finales de los años cincuenta, Stirling Colgate quedó fascinado por el problema de la implosión estelar. Con el apoyo de Edward Teller, y en colaboración con Richard White y posteriormente Michael May, Colgate se propuso simular semejante implosión en un ordenador. Sin embargo, cometieron un error, mantuvieron algunas de las simplificaciones de Oppenheimer al insistir desde el principio en que la estrella fuera esférica y sin rotación, y, aunque tuvieron en cuenta todos los argumentos que preocupaban a Wheeler, aquello no quedó perfeccionado hasta después de varios años de esfuerzo y, a comienzo de los años sesenta ya estaban funcionando correctamente.

Un día a principio de los años sesenta, John Wheeler entró corriendo en la clase de relatividad de la Universidad de Princeton. Llegaba un poco tarde, pero sonreía con placer. Acababa de regresar de una visita a Livermore donde había visto los resultados de las simulaciones recientes de Colgate y su equipo. Con excitación en su voz dibujó en la pizarra un diagrama tras otro explicando lo que sus amigos de Livermore habían aprendido.

Cuando la estrella en implosión tenía una masa pequeña, desencadenaba una implosión de supernova y formaba una estrella de neutrones precisamente en la forma que Fritz Wicky había especulado treinta años antes. Sin embargo, si la estrella original era más masiva lo que allí se producía (aparte de la explosión supernova) era un agujero negro notablemente similar al altamente simplificado  modelo que veinticinco años  calcularon Oppenheimer y Snyder. Vista desde fuera, la implosión se frenaba y se quedaba congelada en la circunferencia crítica, pero vista por alguien en la superficie de la estrella, la implosión no se congelaba en absoluto. La superficie de la estrella se contraía a través de la circunferencia crítica y seguía hacia adentro sin vacilación.

Lo cierto fue que allí, por primera vez, se consiguió simular por ordenador la implosión que debía producir agujeros negros. Está claro que la historia de todo esto es mucho más larga y contiene muchos más detalles que me he saltado para no hacer largo el trabajo que, en realidad, sólo persigue explicar a ustedes de la manera más simple posible, el trabajo que cuesta obtener los conocimientos que no llegan (casi nunca) a través de ideas luminosas, sino que, son el resultado del trabajo de muchos.

Hoy, sabemos mucho más de cómo finaliza sus días una estrella y, dependiendo de su masa, podemos decir de manera precisa que clase de Nebulosa formará, que clase de explosión (si la hay) se producirá, y, finalmente, si el resultado de todo ello será una estrella enana blanca que encuentra su estabilidad final por medio del Principio de exclusión de Pauli (en mecánica cuántica)que se aplica a los fermiones pero no a los Bosones (son fermiones los quarks, electrones, protones y neutrones), en virtud del cual dos partículas idénticas en un sistema, como los electrones en un átomo o quarks en un hadrón (protón o neutrón, por ejemplo), no pueden poseer un conjunto idéntico de números cuánticos.

Una estrella masiva alejándose de su antiguo compañero se manifiesta haciendo un imponente surco a través de polvo espacial, como si se tratase de la proa de un barco. La estrella, llamada Zeta Ophiuchi, es enorme, con una masa de cerca de 20 veces la de nuestro Sol. En esta imagen, en los que se ha traducido la luz infrarroja a colores visibles que vemos con nuestros ojos, la estrella aparece como el punto azul en el interior del arco de choque. Zeta Ophiuchi orbitó una vez alrededor de una estrella aún más grande. Pero cuando la estrella explotó en una supernova, Zeta Ophiuchi se disparó como una bala. Viaja a la friolera 24 kilómetros por segundo, hacia la zona superior izquierda de la imagen.

Mientras la estrella se mueve través del espacio, sus poderosos vientos empujan el gas y el polvo a lo largo de su camino en lo que se llama un arco de choque. El material en el arco de choque está tan comprimido que brilla con luz infrarroja qu el WISE puede ver. El efecto es similar a lo que ocurre cuando un barco cobra velocidad a través del agua, impulsando una ola delante de él.  Esta onda de choque queda completamente oculta a la luz visible. Las imágenes infrarrojas como esta son importantes para arrojar nueva luz sobre la región.

¿Cuál es la razón por la que la materia no se colapsa sobre sí misma? El mismo principio que impide que las estrellas de neutrones y las estrellas enanas blancas implosionen totalmente y que, llegado un momento, en las primeras se degeneran los neutrones y en las segundas los electrones, y, de esa manera, se frena la compresión que producía la gravedad y quedan estabilizadas gracias a un principio natural que hace que la materia normal sea en su mayor parte espacio vacio también permite la existencia de los seres vivos. El nombre técnico es: El Principio de Exclusión de Pauli y dice que dos fermiones (un tipo de partículas fundamentales) idénticos y con la misma orientación no pueden ocupar simultáneamente el mismo lugar en el espacio. Por el contrario, los bosones (otro tipo de partículas, el fotón, por ejemplo) no se comportan así, tal y como se ha demostrado recientemente por medio de la creación en el laboratorio de los condensados de Bose-Einstein.

Ahí se ha formado ya una Nebulosa planetaria y en su centro, muy caliente y radiando en el ultravioleta más energético, la “nueva” estrella enana blanca, hecha de la materia de la estrella orioginal muy comprimida y densa que, poco a poco se irá enfriando hasta quedar como lo que en realidad es, un cadáver estelar.

Pero, estábamos diciendo: “…no pueden poseer un conjunto idéntico de números cuánticos.” A partir de ese principio, sabemos que, cuando una estrella como nuestro Sol deja de fusionar Hidrógeno en Helio que hace que la estrella deje de expandirse y quede a merced de la Gravedad, ésta implosionará bajo el peso de su propia masa, es decir, se contraerá sobre sí misma por la fuerza gravitatoria pero, llegará un momento en el cual, los electrones, debido a ese principio de exclusión de Pauli que les impide estar juntos, se degeneran y se moverán de manera aleatoria con velocidades relativista hasta el punto de ser capaces de frenar la fuerza provocada por la gravedad, y, de esa manera, quedará estabilizada finalmente una estrella enana blanca.

Enana blanca en formación y nebulosa planetaria en expansión. Este gas está impulsado por un súper-viento del que absorbe su radiación ultravioleta más intensa en la región interior y la reemite en la zona exterior en forma de radiaciones de menor frecuencia, ya en el visible, provocando hermosas combinaciones de colores y formas.

Finalmente queda el remanente estelar en forma de estrella enana blanca que alcanza la estabilidad al ser frenada la Gravedad estaba comprimiendo la masa al ser frenada por la degeneración de los electrones que, al ser fermiones están sometidos al Principio de exclusión de Pauli.

Si la estrella original es más masiva, la degeneración de los electrones no será suficiente para frenar la fuerza gravitatoria y, los electrones se fusionaran con los protones para convertirse en neutrones que, bajo el mismo principio de exclusión sufrirán la degeneración que frenará la fuerza de gravedad quedando entonces una estrella de neutrones. Por último, si la estrella es, aún más masiva, ni la degeneración de los neutrones será suficiente para frenar la inmensa fuerza gravitatoria generada por la masa de la estrella que, continuará la implosión contrayéndose cada vez más hasta desaparecer de nuestra vista convertida en un agujero negro.

¿Qué forma adoptará, qué transición de fase se produce en la materia dentro de una Singularidad?

¡Resulta todo tan complejo!

emilio silvera

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