La galaxia estrecha que se curva elegantemente alrededor de su compañera esférica en la siguiente imagen es un ejemplo alucinante de un fenómeno muy extraño y raro. La imagen, tomada con el telescopio espacial Hubble, muestra el objeto GAL-CLUS-022058s, que está ubicado en la constelación de Fornax. GAL-CLUS-022058s es el más grande y uno de los anillos de Einstein más completos jamás descubiertos en nuestro Universo. El objeto ha sido apodado como el «anillo fundido«.
Créditosde la imagen: @europeanspaceagency / @hubbleesa & NASA, S. Jha. Reconocimiento: L. Shatz
Einstein teorizó por primera sobre estos anillos en su famosa teoría general de la relatividad, la forma inusual de este objeto puede explicarse mediante un proceso llamado lente gravitacional, que hace que la luz que brilla desde lejos sea doblada y atraída por la gravedad de un objeto entre su fuente y el observador. La gravedad provoca una desviación de la luz por el campo gravitacional de un cuerpo masivo. En este caso, una galaxia dobla la luz que emana de una galaxia que está directamente detrás de ella, enfocando la luz que de otro modo sería divergente en un anillo visible.En este caso, la luz de la galaxia de fondo se ha distorsionado en la curva que vemos por la gravedad del cúmulo de galaxias que se encuentra frente a ella. La alineación casi exacta de la galaxia de fondo con la galaxia elíptica central del cúmulo, vista en el medio de esta imagen, ha deformado y ampliado la imagen de la galaxia de fondo a su alrededor en un anillo casi perfecto.
Esta animación muestra cómo la gravedad de una galaxia masiva en primer plano puede desviar la luz de una galaxia más distante. Si las dos galaxias se alinean correctamente, el resultado es una imagen muy distorsionada de la galaxia distante conocida como anillo de Einstein. La parte de la imagen de radio del video es de la galaxia SDP.81, que fue captada por ALMA como parte de la Campaña Long Baseline del telescopio. Crédito: NRAO / AUI / NSF; ALMA (NRAO / ESO / NAOJ); Dana Berry / SkyWorksCrédito: NRAO / AUI / NSF; ALMA (NRAO / ESO / NAOJ); Dana Berry / SkyWorks
La composición química del Universo y la naturaleza física de su materia constituyente son temas que han ocupado a los científicos durante siglos. De echo en el Universo un 4.6 % es materia ordinaria, un 23 % es materia oscura, y un 72.4 % es energía oscura. Hablaremos un poco de cada una de ellas.
En todo el Universo, las estrellas funcionan como plantas gigantes de reprocesamiento que toman elementos químicos ligeros y los transforman en otros más pesados. La composición original, denominada primordial, del Universo se estudia con tanto detalle porque es una de las claves para nuestra comprensión de los procesos en el Universo temprano.
Helio en el universo temprano
El astrónomo europeo Peter Jakobsen investigó la naturaleza de la materia gaseosa que llena el vasto volumen del espacio intergaláctico. Al observar la luz ultravioleta de un cuásar distante, que de otro modo habría sido absorbida por la atmósfera de la Tierra, encontraron la firma del helio largamente buscada en el Universo temprano. Esta fue una importante pieza de evidencia de apoyo para la teoría del Big Bang. También confirmó la expectativa de los científicos de que, en el Universo temprano, la materia que aún no estaba encerrada en estrellas y galaxias estaba casi completamente ionizada (los átomos fueron despojados de sus electrones). Este fue un importante paso adelante para la cosmología.
Hoy, los astrónomos creen que alrededor de una cuarta parte de la masa-energía del Universo consiste en materia oscura . Esta es una sustancia bastante diferente de la materia normal que forma los átomos y el mundo familiar que nos rodea.
El enigma de qué está hecha la materia oscura aún está lejos de resolverse, pero las observaciones increíblemente nítidas de las lentes gravitacionales del telescopio espacial Hubble han proporcionado escalones para el trabajo futuro en esta área.
La materia oscura solo interactúa con la gravedad, lo que significa que no refleja, emite ni obstruye la luz (ni ningún otro tipo de radiación electromagnética). Debido a esto, no se puede observar directamente. Sin embargo, los estudios de Hubble sobre cómo los cúmulos de galaxias desvían la luz que pasa a través de ellos permite a los astrónomos deducir dónde se encuentra la masa oculta. Esto significa que pueden hacer mapas de dónde se encuentra la materia oscura en un cúmulo.
Los estudios de varios de estos grupos de astrónomos han demostrado que la ubicación de la materia oscura (como se deduce de las lentes gravitacionales con Hubble) no coincide con la distribución del gas caliente (como lo detectan en rayos X observatorios como el XMM-Newton de la ESA o el Chandra de la NASA). Esto apoya firmemente las teorías sobre la materia oscura: esperamos que los gases calientes disminuyan la velocidad a medida que chocan entre sí y aumenta la presión. La materia oscura, por otro lado, no debería experimentar fricción o presión, por lo que esperaríamos que atraviese la colisión relativamente sin obstáculos. De hecho, las observaciones de Hubble y Chandra han confirmado que este es el caso.
En 2018, los astrónomos utilizaron la sensibilidad de Hubble para estudiar la luz dentro de un grupo en la búsqueda de materia oscura . La luz intralúster es un subproducto de las interacciones entre galaxias. En el curso de estas interacciones, las estrellas individuales son despojadas de sus galaxias y flotan libremente dentro del cúmulo. Una vez libres de sus galaxias, terminan donde reside la mayor parte de la masa del cúmulo, principalmente materia oscura. Tanto la materia oscura como estas estrellas aisladas, que forman la luz intracúmulo, actúan como componentes sin colisiones. Estos siguen el potencial gravitacional del propio cúmulo. El estudio demostró que la luz intracluster está alineada con la materia oscura, trazando su distribución con mayor precisión que cualquier otro método que se base en trazadores luminosos utilizados hasta ahora.
Estas imagenes capturadas por el Hubble muestran el cúmulo de galaxias masivas Cl 0024 + 17 (ZwCl 0024 + 1652). A la izquierda en luz visible se observan arcos azules de aspecto extraño que aparecen entre las galaxias amarillentas. Estas son las imágenes magnificadas y distorsionadas de galaxias situadas muy por detrás de la agrupación. Su luz se dobla y amplificada por la inmensa gravedad de la agrupación en un proceso llamado lente gravitacional. A la derecha, un matiz azul se añade para indicar la ubicación de material invisible llamada materia oscura. Créditos: NASA, ESA, MJ Jee y H. Ford (Universidad Johns Hopkins)
Aunque la materia oscura constituye la mayor parte de la materia del universo, solo representa aproximadamente una cuarta parte de la composición. El universo está dominado por la energía oscura.
Después del Big Bang, el universo comenzó a expandirse, los científicos pensaron que fruto de esa expansión se quedaría sin energía, disminuyendo la velocidad a medida que la gravedad atraía los objetos dentro de ella. Pero los estudios de supernovas distantes revelaron que el universo de hoy se está expandiendo más rápido de lo hacia en el pasado, no más lento, lo que indica que la expansión se está acelerando. Esto solo sería posible si el universo contiene suficiente energía para superar la gravedad: la energía oscura.
Energía oscura
Más intrigante aún que la materia oscura es la energía oscura. Los estudios de Hubble sobre la tasa de expansión del Universo han encontrado que la expansión en realidad se está acelerando. Los astrónomos han explicado esto usando la teoría de la energía oscura, que empuja al Universo cada vez más rápido contra la fuerza de la gravedad.
Como nos dice la famosa ecuación de Einstein, E = mc 2 , la energía y la masa son intercambiables. Los estudios de la tasa de expansión del cosmos sugieren que la energía oscura es, con mucho, la mayor parte del contenido de energía de masa del Universo, superando con creces tanto la materia normal como la materia oscura: parece que la energía oscura constituye casi el 70% del Universo conocido.
Si bien los astrónomos han podido avanzar en el camino hacia la comprensión de cómo funciona la energía oscura y qué hace, su verdadera naturaleza sigue siendo un misterio.
El corrimiento al rojo o desplazamiento hacia el rojo (también llamado redshift, «z») ocurre cuando la radiación electromagnética, emitida o reflejada por un objeto es desplazada hacia el rojo al final del espectro electromagnético.
Gráfico de JPL/Caltech/Planck
El corrimiento al rojo de las galaxias es la consecuencia de su alejamiento, el cual fue descubierto en los años 20 por el astrónomo norteamericano Edwin Hubble. El carácter no estacionario de todo el sistema de galaxias del Universo había sido demostrado teóricamente por A. Fridman, uno de los fundadores de la cosmología moderna.
Según la ley pronosticada por la teoría de Fridman y demostrada por Hubble en sus observaciones, las galaxias se alejan de nosotros a velocidades proporcionales a las distancias hasta ellas, conforme más alejadas están mayor es el valor de la velocidad, para las galaxias próximas se demuestra que:
v = H d
Donde H es el coeficiente de proporcionalidad (constante de Hubble) que se determina a partir de observaciones, v es la velocidad y d la distancia.
La longitud de onda de la radiación observada depende del movimiento del objeto, es decir, la fuente de luz emisora, en el instante en que se emitieron los fotones. Todo el espectro del objeto se estira en rojo cuando el objeto se aleja de nosotros, y todo el espectro se compacta en azul mientras los objetos se mueven hacia nosotros. Tanto las líneas de absorción como la emisión continua experimentan este estiramiento y compactación. El esquema de colores de esta animación conserva los colores originales emitidos por el objeto, mientras muestra el cambio que ocurre en relación con una ventana de paso de banda fija, es decir, la longitud de onda, aquí en la Tierra. Crédito : NASA / JPL-Caltech
Esta ley es consistente con el principio cosmológico y muestra que no hay observadores privilegiados en el Universo. A causa del efecto Doppler, el alejamiento de las galaxias provoca el desplazamiento de sus lineas de emisión hacia el lado rojo del espectro. La dependencia del corrimiento al rojo z (desplazamiento de la frecuencia en el espectro electromagnético) de la velocidad de alejamiento v se expresa mediante la siguiente formula:
z = v/c (c es la velocidad de la luz)
Sí en esa formula introducimos la ley de Hubble, obtenemos la formula básica que se utiliza para determinar las distancias hasta las galaxias y cúmulos estelares:
z = Hd / c
Ahora es posible hacer una simple tabla relacionando el desplazamiento al rojo cosmológico observado,”z”, con los conceptos estándar de distancia y el tiempo. Así podemos hacer la tabla que podéis ver a continuación, donde el corrimiento al rojo z aparece en las primeras y últimas columnas, mientras que la correspondiente edad universal en miles de millones de años aparece en la columna central. Con una simple regla podréis saber sobre la tabla la edad del universo según su z.
Donde:
• z – corrimiento al rojo (redshift); • H – valor actual de la constante de Hubble, km / s / Mpc; • r comov – distancia comóvil, MPC; • dm – módulo de la distancia; • age– la edad del Universo, Gyr; • time – el tiempo al pasado, Gyr; • size 1 “- tamaño físico de un objeto que es visto como un 1” de arco en el cielo, kpc; • angle de 1 kpc – tamaño angular con tamaño físico 1 kpc, segundos de arco
Los miembros del equipo H0LiCOW (Lentes H0 en Wellspring de COSMOGRAIL) han usado el telescopio espacial Hubble y una técnica novedosa para medir la expansión del universo, un valor llamado constante de Hubble.
El valor obtenido representa la medición más precisa hasta ahora utilizando el llamado método de lente gravitacional, donde la gravedad de una galaxia en primer plano actúa como una lente de aumento gigantesca, amplificando y distorsionando la luz de los objetos de fondo. Este último estudio los investigadores emplearon la física exótica de las lentes gravitacionales para calcular la tasa de expansión del universo.
Probability distribution of the 6 lenses of the H0LiCOW sample presented in H0LICOW XIII. Figure credits : Martin Millon/Vivien Bonvin.
El resultado fortalece aún más una preocupante discrepancia entre la tasa de expansión calculada a partir de las mediciones del universo local y la tasa predicha por la radiación de fondo en el universo temprano, un tiempo antes de que existieran galaxias y estrellas. El nuevo estudio agrega evidencia a la idea de que pueden ser necesarias nuevas teorías para explicar lo que los científicos están encontrando.
Créditos: NASA, ESA, S.H. Suyu (Instituto Max Planck de Astrofísica, Universidad Técnica de Munich, e Instituto de Astronomía y Astrofísica Academia Sínica), y K.C. Wong (Instituto Kavli de la Universidad de Tokio para la Física y las Matemáticas del Universo)
¿Qué es la constante de Hubble?
El corrimiento al rojo o desplazamiento hacia el rojo (también llamado redshift, “z”) ocurre cuando la radiación electromagnética, emitida o reflejada por un objeto es desplazada hacia el rojo al final del espectro electromagnético.
Gráfico de JPL/Caltech/Planck
El corrimiento al rojo de las galaxias es la consecuencia de su alejamiento, el cual fue descubierto en los años 20 por el astrónomo norteamericano Edwin Hubble. El carácter no estacionario de todo el sistema de galaxias del Universo había sido demostrado teóricamente por A. Fridman, uno de los fundadores de la cosmología moderna.
Según la ley pronosticada por la teoría de Fridman y demostrada por Hubble en sus observaciones, las galaxias se alejan de nosotros a velocidades v proporcionales a las distancias d hasta ellas, conforme más alejadas están mayor es el valor de la velocidad, para las galaxias próximas se demuestra que:
v = H d
Donde H es el coeficiente de proporcionalidad (constante de Hubble) que se determina a partir de observaciones.
Esta ley es consistente con el principio cosmológico y muestra que no hay observadores privilegiados en el Universo. A causa del efecto Doppler, el alejamiento de las galaxias provoca el desplazamiento de sus lineas de emisión hacia el lado rojo del espectro. La dependencia del corrimiento al rojo z (desplazamiento de la frecuencia en el espectro electromagnético) de la velocidad de alejamiento v se expresa mediante la siguiente formula:
z = v/c (c es la velocidad de la luz)
Sí en esa formula introducimos la ley de Hubble, obtenemos la formula básica que se utiliza para determinar las distancias hasta las galaxias y cúmulos estelares:
z = Hd / c
Calculadora cosmológica
Aunque los seres humanos estamos familiarizados con la distancia y el tiempo, lo que se mide realmente para los objetos astronómicos es el llamado corrimiento al rojo o redshift, este como hemos visto es un desplazamiento de color que depende exactamente de cómo ha variado la densidad de nuestro universo.
Ahora es posible hacer una simple tabla relacionando el desplazamiento al rojo cosmológico observado,”z”, con los conceptos estándar de distancia y el tiempo. Así podemos hacer la tabla que podéis ver a continuación, donde el corrimiento al rojo z aparece en las primeras y últimas columnas, mientras que la correspondiente edad universal en miles de millones de años aparece en la columna central. Con una simple regla podréis saber sobre la tabla la edad del universo según su z.
Donde:
• z – corrimiento al rojo (redshift); • H – valor actual de la constante de Hubble, km / s / Mpc; • r comov – distancia comóvil, MPC; • dm – módulo de la distancia; • age– la edad del Universo, Gyr; • time – el tiempo al pasado, Gyr; • size 1 “- tamaño físico de un objeto que es visto como un 1” de arco en el cielo, kpc; • angle de 1 kpc – tamaño angular con tamaño físico 1 kpc, segundos de arco
Un agujero de gusano es una entidad teórica permitida por la teoría de la relatividad general de Einsteinen la cual la curvatura del espacio-tiempo conecta dos ubicaciones (o tiempos) distantes en el espacio. El nombre agujero de gusano fue acuñado por el físico teórico estadounidense John A. Wheeler en 1957, basado en una analogía de cómo un gusano podría hacer un agujero desde un extremo de una manzana a través del centro hasta el otro extremo, creando así un «atajo» a través del espacio intermedio.
El concepto más común de un agujero de gusano es el llamado puente de Einstein-Rosen, formalizado por primera vez por Albert Einstein y Nathan Rosen en 1935. Estos caminos, llamados puentes de Einstein-Rosen o agujeros de gusano , conectan dos puntos diferentes en el espacio-tiempo. Estos caminos teóricamente crean un atajo que reduce el tiempo y la distancia de viaje.
Los agujeros de gusano contienen dos bocas, con una garganta que conecta las dos. La boca probablemente sea esferoidal. La garganta puede ser un tramo recto, pero también puede estar retorcido.
En 1962, John A. Wheeler y Robert W. Fuller pudieron demostrar que tal agujero de gusano colapsaría instantáneamente después de la formación, entonces ni siquiera la luz pasaría. En un artículo de 1988, los físicos Kip Thorne y Mike Morris propusieron que ese agujero de gusano podría estabilizarse al contener alguna forma de materia o energía negativa (a veces llamada materia exótica ).
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Todavía hay mucha especulación sobre si es posible que los agujeros de gusano realmente existan y, de ser así, qué propiedades realmente poseerían.
La ciencia ficción está llena de historias de viajes a través de agujeros de gusano . Pero la realidad de tal viaje es más complicada. El tamaño es un gran problema. Se predice que los agujeros de gusano existen a niveles microscópicos de aproximadamente 10 -33 centímetros. Pero con un universo en expansión puede que sean de un tamaño mayor.
Otro problema proviene de la estabilidad . Los agujeros de gusano predichos de Einstein-Rosen serían inútiles para viajar porque se colapsan rápidamente. Pero investigaciones más recientes dicen que un agujero de gusano que contenga materia «exótica» podría permanecer abierto e invariable por períodos de tiempo mucho más largos. La materia exótica, no la materia oscura o la antimateria, contiene densidad de energía negativa y una gran presión negativa. Si un agujero de gusano contenía suficiente materia exótica, ya sea natural o artificialmente agregada, podría usarse como un método para transmitir información a un destino lejano o para enviar viajeros a través del espacio .
La tecnología de hoy es insuficiente para agrandar o estabilizar agujeros de gusano, en el caso de que encontráramos uno. Sin embargo, los científicos continúan explorando el concepto como un método de viaje espacial con la esperanza de que la tecnología futura pueda aprovecharlo.
Ejemplos en el cine:
Los agujeros de gusano son muy conocidos por su aparición en la ciencia ficción. La serie de televisión Star Trek, por ejemplo, habla de la existencia de un agujero de gusano estable y transversal que conectaba el «Cuadrante Alfa» de nuestra galaxia (que contiene la Tierra) con el distante «Cuadrante Gamma». De manera similar, películas como Sliders y Stargate han usado el concepto de agujeros de gusano como medio para viajar a otros universos o galaxias distantes. Da mucho de sí este curioso objeto, el momento sublime y muy bien explicado está en la preciosa película Interstellar, en el que atraviesan un agujero de gusano en forma de esfera y viajan hasta otra galaxia. Una pelicula que todo amante del cosmos debería ver.
Tal vez en un futuro, de momento bastante lejano, podamos detectar o tal vez crear uno, pero… aun tiene que aumentar mucho el conocimiento del cosmos. De momento tendremos que conformarnos con viajar a otros mundos con la ciencia ficción.
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