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El inicio del Todo: El Big Bang

A partir de medidas de la expansión del Universo utilizando observaciones de las supernovas, en función de la variación de la temperatura en diferentes escalas en la radiación de fondo de microondas y en función de la correlación de las galaxias, la edad del Universo es de aproximadamente 13,7 ± 0,2 miles de millones de años.

El universo en sus primeros momentos estaba lleno homogéneamente de una energía muy densa con una temperatura y presión enorme. Se expandió y se enfrió, experimentando cambios de fase análogos a la condensación del vapor o a la congelación del agua, pero relacionados con las partículas elementales.

Aproximadamente 10-35 segundos después del tiempo de Planck un cambio de fase causó que el Universo se expandiese de forma exponencial durante un período llamado inflación cósmica. Al terminar la inflación, los componentes materiales del Universo quedaron en la forma de un plasma de quarks-gluones, en donde todas las partes que lo formaban estaban en movimiento en forma relativista. Con el crecimiento en tamaño del Universo, la temperatura descendió, y debido a un cambio aún desconocido denominado bariogénesis, los quarks y los gluones se combinaron en bariones tales como el protón y el neutrón, produciendo de alguna manera la asimetría observada actualmente entre la materia y la antimateria. Las temperaturas aún más bajas condujeron a nuevos cambios de fase, que rompieron la simetría, así que les dieron su forma actual a las fuerzas fundamentales de la física y a las partículas elementales. Más tarde, protones y neutrones se combinaron para formar los núcleos de deuterio y de helio, en un proceso llamado nucleosíntesis primordial. Al enfriarse el Universo, la materia gradualmente dejó de moverse de forma relativista y su densidad de energía comenzó a dominar gravitacionalmente sobre la radiación. Pasados 300.000 años, los electrones y los núcleos se combinaron para formar los átomos (mayoritariamente de hidrógeno). Por eso, la radiación se desacopló de los átomos y continuó por el espacio prácticamente sin obstáculos. Ésta es la radiación de fondo de microondas.

Al pasar el tiempo, algunas regiones ligeramente más densas de la materia casi uniformemente distribuida crecieron gravitacionalmente, haciéndose más densas, formando nubes, estrellas, galaxias y el resto de las estructuras astronómicas que actualmente se observan. Los detalles de este proceso dependen de la cantidad y tipo de materia que hay en el Universo. Los tres tipos posibles se denominan materia oscura fría, materia oscura caliente y materia bariónica. Las mejores medidas disponibles (provenientes del WMAP) muestran que la forma más común de materia en el universo es la materia oscura fría. Los otros dos tipos de materia sólo representarían el 20 por ciento de la materia del Universo.

El Universo actual parece estar dominado por una forma misteriosa de energía conocida como energía oscura. Aproximadamente el 70 por ciento de la densidad de energía del universo actual está en esa forma. Una de las propiedades características de este componente del universo es el hecho de que provoca que la expansión del universo varíe de una relación lineal entre velocidad y distancia, haciendo que el espacio-tiempo se expanda más rápidamente que lo esperado a grandes distancias. La energía oscura toma la forma de una constante cosmológica en las ecuaciones de campo de Einstein de la relatividad general, pero los detalles de esta ecuación de estado y su relación con el modelo estándar de la física de partículas continúan siendo investigados tanto en el ámbito de la física teórica como por medio de observaciones.

Pero…¿Dónde ocurrió el Big Bang? Hemos descrito bastante resumidamente el Big Bang, pero ahora nos hacemos la gran pregunta, donde ocurrió, hay alguna dirección privilegiada en el Universo, algún punto desde donde viene, sabemos que todo se expande pero… desde que punto. La respuesta a estas preguntas es la siguiente:

  • El Big Bang no ocurrió en ningún punto en el espacio, ocurrió en un punto en el tiempo (hace 13.800 millones de años), por tanto no hay un centro del Universo. En todos los puntos del espacio en el que nos encontremos sí observamos las galaxias que nos rodean vemos que se alejan siempre desde donde lo observemos. Por tanto podemos decir que somos el centro del Universo observable, todo se aleja desde nuestro punto de observación, pero si por ejemplo se pudiera llegar a una de las galaxias que observo que se aleja y observar desde allí como se mueve el resto ocurriría que esa galaxia volvería a ser el centro del Universo observable, todo se alejaría de ella. Por tanto el Big Bang no tiene un punto de inicio tiene un punto en el tiempo.

Descubiertas unas estructuras gigantes del universo que desafían los principios cosmológicos

Se ha descubierto un Arco Gigantesco de Galaxias que seguramente va a cambiar nuestra comprensión de la cosmología. Es un descubrimiento revolucionaro porque desafía lo que se pensaba hasta el momento en que se aseguraba que la materia en el espacio se distribuye por igual. Los conceptos anteriores que los científicos han asumido sobre el principio cosmológico dicen que los cúmulos de galaxias se distribuyen en un patrón homogéneo a grandes distancias. Sin embargo, el Arco Gigante recién descubierto podría alterar nuestro conocimiento actual del Universo a gran escala.

En la cosmología moderna , el principio cosmológico es la noción de que la distribución espacial de la materia en el universo es homogénea e isotrópica cuando se ve en una escala lo suficientemente grande, ya que se espera que las fuerzas actúen uniformemente en todo el universo y, por lo tanto no habrían irregularidades observables en la estructuración a gran escala en el curso de la evolución del campo de la materia que fue inicialmente establecido por el Big Bang. Pero en los últimos años se está descubriendo que esto no es del todo cierto, como lo ha hecho el descubrimiento de esta mega estructura.

Los investigadores encontraron que el Arco Gigante de Galaxias se extiende por alrededor de 3 mil millones de años luz, lo que representa aproximadamente una decimoquinta parte del universo observable. También revelaron que el Arco Gigante consta de varias galaxias, cúmulos galácticos y gas y polvo.

Créditos: Gran estructura observada por lo cosmólogos de la Universidad de Lancashire

Los investigadores pudieron hacer la revelación después de observar la luz de 40.000 cuásares, los núcleos luminosos de las galaxias, que también albergan los agujeros negros supermasivos. Los científicos e investigadores descubren el espacio y nuestro universo observando firmas de luz provenientes de estos cuásares. El patrón de luz detectable llega a la Tierra después de ser absorbido por átomos y objetos alrededor de las galaxias, lo que permite a los científicos sumergirse en los conocimientos del espacio, con la ayuda de estas firmas de luz únicas.

El equipo de cosmólogos de la universidad de Lancashire detectó la luz de estos cuásares formando un arco gigante, que se extiende a lo largo de una quinceava parte del radio del universo observable. Revelaron una imagen de sus hallazgos en la que se puede ver el arco gigante formado, que parece ser una curva en forma de sonrisa en el centro de la imagen.  

En cualquier caso, esta no es la única megaestructura descubierta presente en el Universo, ya que los astrónomos han descubierto conglomerados enormes como la Gran Muralla de Sloan, la Muralla del Polo Sur, el Gran LQG y la Gran Muralla de Hércules-Corona Boreal.

Recomendaciones:

Nuestro primer libro de Astronomía: Curiosidades Astronómicas

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Los astrofísicos has detectado una enorme onda gravitacional, la más grande observada hasta la fecha

Dos detectores en Europa y EE UU han descubierto la colisión de dos agujeros negros más potente jamás observada, creando una onda gravitacional que está siendo estudiada por la peculariedad de los objetos que la han producido.

 Interpretación artística de la fusión del sistema binario de dos agujeros negros responsable de la señal de ondas gravitacionales GW190521. El espacio-tiempo, representado por un tejido en el que una imagen del cosmos está impresa, es distorsionado por la señal GW190521. Los mini-grids turquesa y naranja representan los efectos de arrastre producidos por cada uno de los agujeros negros en la rotación. Las flechas coloreadas indican los ejes de rotación (o «espines») estimados de los agujeros negros correspondientes. El fondo sugiere un cúmulo estelar, uno de los posibles entornos en donde GW190521 podría haber tenido lugar.
Créditos de la imagen / animación: Raúl Rubio / Virgo Valencia Group / The Virgo Collaboration.

Hace 7.000 millones de años, mucho antes de la formación del sistema solar y a una distancia de 17 mil millones de años luz, dos impresionantes agujeros negros, de 66 y 85 masas solares, se fusionaron en un nuevo agujero negro masivo, de alrededor de 142 masas solares. Tanto los componentes primarios como el remanente están en un rango de masa más alto de lo que se ha observado hasta la fecha, y el agujero negro resultante es el agujero negro más masivo jamás detectado con ondas gravitacionales. El sistema binario masivo ha sido bautizado como GW190521, desde que se percibió el evento de ondas gravitacionales el 21 de mayo de 2019. La señal, que se asemeja a unos cuatro movimientos cortos, es de duración extremadamente breve, menos de una décima de segundo. Por lo que los investigadores pueden decir, GW190521 fue generado por una fuente que se encuentra aproximadamente a 5 gigaparsecs de distancia, cuando el universo tenía aproximadamente la mitad de su edad, lo que lo convierte en una de las fuentes de ondas gravitacionales más distantes detectadas hasta ahora.

Fundamentalmente, el agujero negro restante es de masa intermedia, y esto está relacionado con uno de los acertijos más fascinantes y complejos de la astrofísica y la cosmología: el origen de los agujeros negros supermasivos. Estos monstruos gigantes, de millones a miles de millones de veces más masivos que el Sol y a menudo en el centro de las galaxias, podrían surgir de la fusión de agujeros negros de masa intermedia más pequeños.

Hasta la fecha, se han identificado muy pocos de estos candidatos únicamente a través de observaciones electromagnéticas y esta es la primera observación a través de ondas gravitacionales. Además, el rango de 100 a 1000 masas solares ha representado durante muchos años un desierto de agujeros negros.

Uno de los misterios del nuevo hallazgo es el origen de los dos agujeros negros principales ya que si surgieron del colapso de estrellas, están en un rango de masa en el que su presencia se considera, en teoría, imposible. Si pueden conocerlo y comprenderlo, podrían descubrir cuál es el origen de los agujeros negros supermasivos, uno de los misterios más complejos de la astrofísica y la cosmología.

Sin embargo, el último agujero negro de 142 masas solares producido por la fusión GW190521 se encuentra dentro de un rango de masa intermedio entre los agujeros negros de masa estelar y supermasivos, el primero de su tipo jamás detectado.

Los dos agujeros negros progenitores que produjeron el agujero negro final también parecen ser únicos en su tamaño. Son tan masivos que los científicos sospechan que uno o ambos pueden no haberse formado a partir de una estrella que colapsa, como ocurre con la mayoría de los agujeros negros de masa estelar.

Se sabe que los agujeros negros con masas entre 65 y 120 veces la masa del Sol no pueden haberse formado después del colapso de una estrella. A través de un fenómeno conocido como “inestabilidad de pares”, cuando las estrellas explotan con estas masas, solo dejan una nube de gas y polvo cósmico, “imposibilitando” la formación de agujeros negros de estas dimensiones. Por lo tanto, la comunidad astrofísica no esperaría observar ningún agujero negro en este rango de masas solares, entre aproximadamente 60 y 120. Ese es exactamente el rango de masas en el que se encuentra el componente más masivo de GW190521 (66 y 85 masas solares).

¿Qué son las ondas gravitacionales?

Las Ondas gravitacionales fueron predichas por el físico Albert Einstein en 1916, como consecuencia de su teoría de la relatividad general. Las ondas gravitacionales son ondulaciones en el tejido del espacio – tiempo producidas por un cuerpo masivo acelerado, son acontecimientos muy violentos en el universo distante, por ejemplo, por la colisión de dos agujeros negros o por explosiones de supernovas .

ondulaciones espacio tiempo

Ondulaciones en el espacio-tiempo generadas por las estrellas de órbitas muy rápidas (estrellas de neutrones, enanas blancas o agujeros negros). ver animación

En la teoría de Einstein de la relatividad general,la gravedad es tratada como un fenómeno resultante de la curvatura del espacio-tiempo. Esta curvatura es causada por la presencia de masa. Generalmente, cuanto más masa esté contenida dentro de un volumen determinado del espacio, mayor es la curvatura del espacio-tiempo en el límite de este volumen.  Como objetos con masa se mueven en el espacio-tiempo, la curvatura cambia para reflejar las distintas ubicaciones de esos objetos. En ciertas ocasiones, los objetos muy acelerados generan cambios en esta curvatura, que se propagan hacia el exterior a la velocidad de la luz en una forma de onda. Estos fenómenos de propagación son conocidos como ondas gravitacionales.

Estas ondulaciones en el tejido espacio-temporal puede  llevar información acerca de sus violentos orígenes y sobre la naturaleza de la gravedad que no puede ser obtenida por otras herramientas astronómicas. La influencia de las emisiones de ondas gravitacionales en los sistemas de púlsar binario (dos estrellas de neutrones orbitando entre sí) se han medido con precisión y está en excelente acuerdo con las predicciones:

ondasgravitacionles

En 1993, los científicos Russell Hulse y Joseph Taylor recibieron el Premio Nobel por este trabajo (realizado en los años 70 y 80).
Por fin un proyecto científico las ha detectado, el proyecto LIGO (Estados Unidos), que han sido premio novel.

Fue el Premio Nobel de Física 2017 que fue otorgado para los físicos: Raider Weiss, Barry C. Barish y Kip S. Thorne, por la primera observación experimental directa de las ondas gravitacionales. Fue el 14 de septiembre de 2015 cuando se observaron estas ondas tan especiales, de las cuales Albert Einstein ya había predicho su existencia 100 años antes. Los tres investigadores fueron los artífices de la cooperación internacional que permitió la implementación de los instrumentos Ligo y Virgo.

Las ondas gravitatorias tienen propiedades muy importantes y únicas. Una de las más importantes es que las ondas gravitatorias pueden pasar a través de cualquier medio sin ser dispersada de manera significativa. Mientras que, por ejemplo, la luz de las estrellas distantes pueden ser bloqueados por el polvo interestelar las ondas gravitacionales pasarán sin impedimentos.Estas características permiten a las ondas gravitacionales llevar información sobre fenómenos astronómicos nunca antes observadas por los seres humanos. Por lo tanto se nos abre un camino increíble en el estudio del Cosmos.

Las ondas gravitacionales están acaparando con fervor y entusiasmo a la comunidad científica, después del premio nobel a la detección de estas ondas se produjo en 2017 otra observación, está aún más espectacular pues se han detectado las ondas gravitacionales y la luz en forma de estallido de rayos gamma del evento que las provocó, nada más y nada menos que la fusión de dos estrellas de neutrones, abriendo un nuevo camino en la astrofísica.

Para saber más:

Nota de prensa del descubrimiento. VIRGO

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El Redshift y la calculadora cosmológica

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.

rojo
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.

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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

Para saber más:

Paper-and-pencil cosmological calculator

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Viajando por el tiempo y el espacio: Agujeros de Gusano

Un agujero de gusano es una entidad teórica permitida por la teoría de la relatividad general de Einstein en 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.

agujero de gusano

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:  

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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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Para saber más:

Agujeros negros ¿Qué son?

Interstellar, la película

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