¿Es igual el Universo en todas partes?

La curiosidad siempre nos ha empujado a querer asomarnos al lugar del suceso, sin pensar en los posibles riesgos, los testigos del acontecimiento se acercan al lugar.

En libros de Ciencia Ficción, no pocas veces hemos leído sobre una nave extraterrestre que cae en la Tierra. La escena que describen era la que se podía esperar después de la caída de una nave en plena montaña. Los pocos testigos que por el lugar estaban, llamaron a las autoridades que enviaron, de inmediato, a personal especializado en este tipo de investigaciones.¡

“Mira, un trazo de la nave caída, ¿de qué materiales estará hecha? Nunca he visto algo así! ¿De dónde vendrán estos seres, de qué estará conformado su mundo? Esto preguntaba uno de los investigadores al otro que con él, recogía muestras de aquella extraña nave caída y que, según el seguimiento hecho en su acercamiento a la Tierra, venía de más allá de los confines del Sistema Solar y, quién sabe de dónde pudieron partir. Sin embargo, el material que recogían, debería ser el mismo que está repartido por todo el Universo.

Veamos los materiales más densos del Universo:

El Iridio tiene una Densidad de 22.560 Kg/m³ . Es decir, es más denso que el núcleo terrestre que pesa 13.000 Kgs/m^3.

Osmio que tiene una Densidad de 22.570 Kgs/m³ . Es posiblemente el metal más denso del Universo y se utiliza en aleaciones con el Platino.

Densidad de 40.700 Kgs/m^{3 .}  No es un elemento Natural

El Núcleo del Sol tiene una Densidad de 150.000 Kgs/m³ . Es la densidad media del núcleo estelar. Sin embargo, a partir de aquí, las cosas parecen de Ciencia Ficción.

Densidad de una Enana Blanca es de 10.000.000.000 kg/m3. El satélite GAIA de la ESA, pudo comprobar por primera vez como se solidifica  (o cristaliza) una estrella como el Sol al final de su vida, cuando se convierte en Gigante roja primero y enana blanca después. La enana blanca es 66.000 veces más densa que el Sol. 

El punto blanco del centro de la Nebulosa planetaria es la enana blanca que radia en ultravioleta e ioniza el material de la Nebulosa. A este final se llega debido al Principio de exclusión de Pauli.

“Los productos de las reacciones nucleares de fusión que tuvieron lugar durante las etapas previas en la vida de la estrella) junto a trazas de otros elementos químicos, como los isótopos 22Ne (neón), 25Mg (magnesio) y 54Fe (hierro). Las enanas blancas tienen una masa similar a la del Sol, pero un tamaño equiparable al de la Tierra. Su densidad alcanza valores formidables, del orden de una tonelada por centímetro cúbico.”

                           

“Su densidad es tan alta que si llenáramos una botella de 1 litro con el material de su corteza y la trajéramos a la Tierra, esa botella pesaría tanto como 71 millones de ballenas azules. En cambio, una botella llena de osmio, el elemento más denso de la tabla periódica, «sólo» pesaría 22,3 kilos.”

“Una estrella de neutrones puede contener 500 000 veces la masa de la Tierra en una esfera de un diámetro de una decena de kilómetros.”

“Una estrella de neutrones típica tiene una masa entre 1,35 y 2,1 masas solares,¹​²​³​^a​ con un radio correspondiente aproximado de 12 km.⁴​^b​ En cambio, el radio del Sol es de unas 60 000 veces esa cifra. Las estrellas de neutrones tienen densidades totales de 3,7×10¹⁷ a 5,9×10¹⁷ kg/m³ (de 2,6×10¹⁴ a 4,1×10¹⁴ veces la densidad del Sol),^c​ comparable con la densidad aproximada de un núcleo atómico de 3×10¹⁷ kg/m³.⁵​ La densidad de una estrella de neutrones varía desde menos de 1×10⁹ kg/m³ en la corteza, aumentando con la profundidad a más de 6×10¹⁷ u 8×10¹⁷ kg/m³ aún más adentro (más denso que un núcleo atómico).⁶​ Esta densidad equivale aproximadamente a la masa de un Boeing 747 comprimido en el tamaño de un pequeño grano de arena.”

Densidad de la Estrella de neutrones: 10^17 kg/m3

 

                                 Evolución estelar en función de sus masas

“!Una estrella de neutrones es un tipo de remanente estelar resultante del colapso gravitacional de una estrella supergigante masiva después de agotar el combustible en su núcleo y explotar como una supernova tipo II, tipo Ib o tipo Ic. Como su nombre indica, estas estrellas están compuestas principalmente de neutrones, más otro tipo de partículas tanto en su corteza sólida de hierro, como en su interior, que puede contener tanto protones y electrones, como piones y kaones. Las estrellas de neutrones son muy calientes y se apoyan en contra de un mayor colapso mediante presión de degeneración cuántica, debido al fenómeno descrito por el principio de exclusión de Pauli. Este principio establece que dos neutrones (o cualquier otra partícula fermiónica) no pueden ocupar el mismo espacio y estado cuántico simultáneamente.”

                       

                                Plasma de quarks: 10^19 kg/m3

“Seguimos con cosas increíbles. Y a partir de ahora son tan asombrosas que su presencia de forma natural no se ha observado. Empecemos esta nueva etapa con el conocido como “plasma de quarks”. Se trata de un estado de la materia que se cree que era la forma en la que se encontraba el Universo apenas unos milisegundos después del Big Bang.

Todo lo que daría lugar al Cosmos estaba contenido en este plasma asombrosamente denso. Su posible existencia en los orígenes del Universo se demostró cuando, en 2011, científicos del Gran Colisionador de Hadrones consiguieron crear la sustancia en cuestión haciendo colisionar (valga la redundancia) átomos de plomo entre ellos a la (casi) velocidad de la luz.”

“Llegamos a la densidad de Planck. La partícula de Planck es una hipotética partícula subatómica que se define como un agujero negro en miniatura. Y muy miniatura. Para entenderlo “fácilmente”, imaginemos esta partícula como un protón, pero 13 millones de cuatrillones de veces más pesada y varios trillones de veces más pequeña.”

Partícula de Planck: 10^96 kg/m3

Y como un agujero negro es un punto del espacio en el que la densidad es tan alta que genera una gravedad de la que ni siquiera la luz puede escapar, de ahí que digamos que una partícula de Planck es un “agujero negro en miniatura”.

                                   

“El agujero negro es el objeto más denso del Universo. Y nunca nada le quitará este trono porque, básicamente, las leyes de la física impiden que haya algo más denso. Un agujero negro es una singularidad en el espacio, es decir, un punto de infinita masa sin volumen, por lo que, por matemáticas, la densidad es infinita. Y esto es lo que hace que genere una fuerza gravitacional tan alta que ni la luz puede escapar de su atracción. Más allá de esto, no sabemos (y seguramente nunca lo haremos) qué sucede en su interior. Todo son suposiciones.”

        Es posible que se puedan realizar aleaciones que no conocemos

Sabiendo todo esto sobre los materiales que existen en nuestro Universo, también sabemos que lo único que puede diferir, es la forma en que se utilice, el tratamiento que se le pueda dar, y, sobre todo el poseer el conocimiento y la tecnología necesarios para poder obtener, el máximo resultado de las propiedades que dicha materia encierra, llevando a cabo aleaciones con técnicas para nosotros desconocidas. Porque, en última instancia ¿es en verdad inerte la materia?

¿Os podéis imaginar que pudiéramos manejar el material de la estrella de neutrones para hacer vehículos espaciales  indestructibles?

Sí, son muchas las cosas que nos quedan por aprender e incluso, el agua tan familiar en nuestras vidas esconde secretos que ahora se están desvelando, Algún día conoceremos la verdadera “personalidad” de éste líquido elemento y de la luz, y, entonces, seremos un poco más sabios,

El Agua y la Luz son esenciales para la Vida. Sin embargo, aún esconden secretos que debemos desvelar

Tiene y encierra tantos misterios la materia que estamos aún y años-luz de saber y conocer sobre su verdadera naturaleza. Nos podríamos preguntar miles de cosas que no sabríamos contestar.  Nos maravillan y asombran fenómenos naturales que ocurren ante nuestros ojos pero que tampoco sabemos, en realidad, a que son debidos.  Si, sabemos ponerles etiquetas como, por ejemplo, la fuerza nuclear débil, la fisión espontánea que tiene lugar en algunos elementos como el protactinio o el torio y, con mayor frecuencia, en los elementos que conocemos como transuránicos. Los que están más allá del Uranio y que son artificiales, no se encuentran libres en el Universo.

Algunos son:

ATÓMICO	NOMBRE	SÍMBOLO	MASA ATÓMICA
92	uranio	U	283,03
93	neptunio	Np	237,048
94	plutonio	Pu	244
95	amercio	Am	243
96	curio	Cm	247
97	berquelio	Bk	247
98	californio	Cf	252
99	Einstenio	Es	254
100	fermio	Fm	257
101	mendelevio	Md	258
102	nobelio	No	259
103	laurencio	Lr	260
104	rutherfordio	Rf	261
105	dubnio	Db	262

 

 

A medida que los núcleos se hacen más grandes, la probabilidad de una fisión espontánea aumenta.  En los elementos más pesados de todos (einstenio, fermio y mendelevio), esto se convierte en el método más importante de ruptura, sobre pasando a la emisión de partículas alfa.

            ¡Parece que la materia está viva!

Son muchas las cosas que desconocemos y, nuestra curiosidad nos empuja continuamente a buscar esas respuestas. El electrón y el positrón son notables por sus pequeñas masas (sólo 1/1.836 de la del protón, el neutrón, el antiprotón o antineutrón), y, por lo tanto, han sido denominados leptones (de la voz griega lentos, que significa “delgado”).

Aunque el electrón fue descubierto en 1.897 por el físico británico Josepth John Thomson (1856-1940), el problema de su estructura, si la hay, no está resuelto.  Conocemos su masa y su carga negativa que responden a 9,1093897 (54)x10^-31kg la primera y, 1,602 177 33 (49)x10^-19 culombios, la segunda, y también su radio clásico:  no se ha descubierto aún ninguna partícula que sea menos cursiva que el electrón (o positrón) y que lleve  una carga eléctrica, sea lo que fuese (sabemos como actúa y cómo medir sus propiedades, pero aun no sabemos qué es), tenga asociada un mínimo de masa, y que esta es la que se muestra en el electrón.

Lo cierto es que, el electrón, es una maravilla en sí mismo.  El Universo no sería como lo conocemos si el electrón (esa cosita “insignificante”), fuese distinto a como es, bastaría un cambio infinitesimal para que, por ejemplo, nosotros no pudiéramos estar aquí ahora para poder construir conjuntos tan bellos como el que abajo podemos admirar.

         ¡No por pequeño, se es insignificante! La enorme complejidad del átomo lo hace importante

Recordémoslo, todo lo grande está hecho de cosas pequeñas. En realidad, existen partículas que no tienen en absoluto asociada en ellas ninguna masa (es decir, ninguna masa en reposo).  Por ejemplo, las ondas de luz y otras formas de radiación electromagnéticas se comportan como partículas (Einstein en su efecto fotoeléctrico y De Broglie en la difracción de electrones. Esta manifestación en forma de partículas de lo que, de ordinario, concebimos como una onda se denomina fotón, de la palabra griega que significa “luz”.

        A la izquierda la imagen captada de un fotón, la otra imagen es una conjetura de como sería

El fotón tiene una masa de 1, una carga eléctrica de o, pero posee un espín de 1, por lo que es un bosón. ¿Cómo se puede definir lo que es el espín? Los fotones toman parte en las reacciones nucleares, pero el espín total de las partículas implicadas antes y después de la reacción deben permanecer inmutadas (conservación del espín).  La única forma que esto suceda en las reacciones nucleares que implican a los fotones radica en suponer que el fotón tiene un espín de 1. El fotón no se considera un leptón, puesto que este termino se reserva para la familia formada por el electrón, el muón y la partícula Tau con sus correspondientes neutrinos: V_e, V_u y V_T.

Existen razones teóricas para suponer que, cuando las masas se aceleran (como cuando se mueven en órbitas elípticas en torno a otra masa o llevan a cabo un colapso gravitacional), emiten energía en forma de ondas gravitacionales.  Esas ondas pueden así mismo poseer aspecto de partícula, por lo que toda partícula gravitacional recibe el nombre de gravitón.

La fuerza gravitatoria es mucho, mucho más débil que la fuerza electromagnética.  Un protón y un electrón se atraen gravitacionalmente con sólo 1/10³⁹ de la fuerza en que se atraen electromagnéticamente. El gravitón (aún sin descubrir) debe poseer, correspondientemente, menos energía que el fotón y, por tanto, ha de ser inimaginablemente difícil de detectar.

De todos modos, el físico norteamericano Joseph Weber emprendió en 1.957 la formidable tarea de detectar el gravitón.  Llegó a emplear un par de cilindros de aluminio de 153 cm. De longitud y 66 de anchura, suspendidos de un cable en una cámara de vacío.  Los gravitones (que serían detectados en forma de ondas), desplazarían levemente esos cilindros, y se empleó un sistema para detectar el desplazamiento que llegare a captar la cienmillonésima parte de un centímetro.

Las débiles ondas de los gravitones, que producen del espacio profundo, deberían chocar contra todo el planeta, y los cilindros separados por grandes distancias se verán afectados de forma simultánea.  En 1.969, Weber anunció haber detectado los efectos de las ondas gravitatorias.  Aquello produjo una enorme excitación, puesto que apoyaba una teoría particularmente importante (la teoría de Einstein de la relatividad general).  Desgraciadamente, nunca se pudo comprobar mediante las pruebas realizadas por otros equipos de científicos que duplicaran el hallazgo de Weber.

De todas formas, no creo que, a estas alturas, nadie pueda dudar de la existencia de los gravitones, el bosón mediador de la fuerza gravitatoria.  La masa del gravitón es o, su carga es o, y su espín de 2.  Como el fotón, no tiene antipartícula, ellos mismos hacen las dos versiones.

                             Agujeros negros binarios. Mejor no pasar por allí

Tenemos que volver a los que posiblemente son los objetos más misteriosos de nuestro Universo: Los agujeros negros.  Si estos objetos son lo que se dice (no parece que se pueda objetar nada en contrario), seguramente serán ellos los que, finalmente, nos faciliten las respuestas sobre las ondas gravitacionales y el esquivo gravitón.

La onda gravitacional emitida por el agujero negro produce una ondulación en la curvatura del espacio-temporal que viaja a la velocidad de la luz transportada por los gravitones.

                                                                        Espuma cuántica

Hay aspectos de la física que me dejan totalmente sin habla, me obligan a pensar y me transporta de este mundo material nuestro a otro fascinante donde residen las maravillas del Universo.  Hay magnitudes asociadas con las leyes de la gravedad cuántica. La longitud de Planck-Wheeler,  es la escala de longitud por debajo de la cual el espacio tal como lo conocemos deja de existir y se convierte en espuma cuántica.  El tiempo de Planck-Wheeler (1/c veces la longitud de Planck-Wheeler o aproximadamente 10^-43 segundos), es el intervalo de tiempo más corto que puede existir; si dos sucesos están separados por menos que esto, no se puede decir cuál sucede antes y cuál después. El área de Planck-Wheeler (el cuadrado de la longitud de Planck-Wheeler, es decir, 2,61×10^-66cm²) juega un papel clave en la entropía de un agujero negro.

Me llama poderosamente la atención lo que conocemos como las fluctuaciones de vacío, esas oscilaciones aleatorias, impredecibles e in-eliminables de un campo (electromagnético o gravitatorio), que son debidas a un tira y afloja en el que pequeñas regiones del espacio toman prestada momentáneamente energía de regiones adyacentes y luego la devuelven.

     Andamos a la caza del vacío, del gravitón, de las ondas gravitatorias…

Ordinariamente, definimos el vacío como el espacio en el que hay una baja presión de un gas, es decir, relativamente pocos átomos o moléculas.  En ese sentido, un vacío perfecto no contendría ningún átomo o molécula, pero no se puede obtener, ya que todos los materiales que rodean ese espacio tienen una presión de vapor finita.  En un bajo vacío, la presión se reduce hasta 10^-2 pascales, mientras que un alto vacío tiene una presión de 10^-2-10^-7 pascales.  Por debajo de 10^-7 pascales se conoce como un vacío ultra-alto.

De ese “vacío” nos queda muchísimo por aprender. Al parecer, todos los indicios nos dicen que está abarrotado de cosas, y, si es así, no es lo que podemos llamar con propiedad vacío, ese extraño lugar es otra cosa, pero, ¿Qué cosa es?

Antes se denominaba éter luminífero (creo) a toda esa inmensa región. Más tarde, nuevas teorías vino a desechar su existencia. Pasó el tiempo y llegaron nuevas ideas y nuevos modelos, y, se llegó a la conclusión de que el Universo entero estaba permeado por “algo” que algunos llamaron los océanos de Higgs. Ahí, se tiene la esperanza de encontrar al esquivo Bosón que le da la masa a las demás partículas, y, el LHC del CERN, es el encargado de la búsqueda para que el Modelo Estándar de la Física de Partículas se afiance más.

Andamos un poco a ciega, la niebla de nuestra ignorancia nos hace caminar alargando la mano para evitar darnos un mamporro. Pero a pesar de todo, seguimos adelante y, es más la fuerza que nos empuja, la curiosidad que nos aliente que, los posibles peligros que tales aventuras puedan conllevar.

Está claro que, dentro del Universo, existen “rincones” en los que no podemos sospechar las maravillas que esconden, ni nuestra avezada imaginación, puede hacerse una idea firme de lo que allí pueda existir. Incansables seguimos la búsqueda, a cada nuevo descubrimiento nuestro corazón se acelera, nuestra curiosidad aumenta, nuestras ganas de seguir avanzando van creciendo y, no pocas veces, el físico que, apasionado está inmerso en uno de esos trabajos de búsqueda e investigación, pasa las horas sin sentir el paso del tiempo, ni como ni duerme y su mente, sólo tiene puesto los sentidos en ese final soñado en el que, al fín, aparece el tesoro perseguido que, en la mayor parte de las veces, es una nueva partícula, un parámetro hasta ahora desconocido en los comportamientos de la materia, un nuevo principio, o, en definitiva, un nuevo descubrimiento que nos llevará un poco más lejos.

Encontrar nuevas respuestas no dará la opción de plantear nuevas preguntas.

Emilio silvera V.

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