Autor: franciscogarcia

¿Porqué el agua es tan importante para la vida?

¿Porqué el agua es tan importante para la vida?

De todos es sabida la fundamental importancia del agua líquida para la existencia de la vida. Pero cabría preguntarse ¿por qué es tan importante el agua para la vida? ¿Qué tiene de especial el agua? De entrada está compuesta por dos de los elementos más abundantes del Cosmos, el hidrógeno y el oxígeno que ocupan los puestos primero y tercero en la lista de la abundancia. Además, el agua tiene tres características que le confieren su singularidad trascendental para la vida:


1) Es un disolvente casi universal. Las reacciones químicas que sustentan la vida no pueden darse “en seco”, es preciso que las diversas substancias, elementos y minerales estén en disolución para que puedan reaccionar entre sí. Los líquidos permiten concentraciones relativamente elevadas de moléculas, pero no imponen restricciones muy estrictas a sus movimientos, como hacen los sólidos. En los gases, las moléculas se desplazan con más libertad que en los líquidos, pero sus interacciones se dan con mucha menos frecuencia pues, por lo general, la densidad de un gas es más de mil veces inferior a la de un líquido. Dado que la evolución biológica es un proceso sumamente lento, con la edad actual del Universo es altamente improbable que haya habido tiempo suficiente para que evolucione vida sustentada en un gas. Y el agua, aunque no para todas, es un disolvente idóneo para muchas de estas substancias.


2) Todas las reacciones químicas, tanto las inorgánicas como las biológicas, tienen un rango de temperatura, más o menos estrecho, en el que se producen más óptimamente. Especialmente en el caso de las reacciones biológicas, si la temperatura es demasiado alta, puede ocurrir que las substancias se desnaturalicen y, si la temperatura es demasiado baja, las reacciones se ralentizan y no se producen al adecuado ritmo o, incluso, se detienen por completo. El agua se mantiene líquida, sin evaporarse ni congelarse, dentro del rango de temperaturas idóneo para la mayoría de las reacciones químicas biológicas.


3) La tercera peculiaridad del agua es algo evidente y que, sin embargo, es fácil que no reparásemos en ello. Todos hemos usado cubitos de hielo y hemos visto imágenes de los icebergs flotando en el mar. Sin embargo, si lo pensamos bien, esto no debería ser así. Las substancias cuando se calientan se dilatan, y cuando se enfrían se contraen y aumentan de densidad. Según esto, el hielo al ser más frio que el agua líquida, debería ser más denso y hundirse. El agua, como cualquier otro compuesto, al enfriarse se va volviendo más densa, pero sólo hasta que llega a 4ºC. A esta temperatura alcanza el máximo de densidad que vuelve a disminuir si sigue enfriándose. Esta propiedad hace que por debajo del hielo a 0ºC, puedan existir unas capas de agua líquida un poco más calientes, lo que es una buena noticia para los peces. De no ser por ello, cuando el agua superficial se enfriase a 0º y se congelase, el hielo se hundiría al fondo, y la siguiente capa de agua superficial se congelaría y hundiría a su vez, y así sucesivamente hasta que todo el volumen de agua de lagos, ríos y mares estuviese congelado imposibilitando la vida.

 

También es significante el que el agua tenga PH neutro, no es ni ácida ni básica, así como su elevado calor específico que implica que una masa de agua puede absorber o desprender grandes cantidades de calor, sin experimentar apenas cambios de temperatura, lo que tiene gran influencia en el clima.

Sabemos que en la Tierra la vida ha demostrado ser muy flexible y adaptativa a muy variadas condiciones de temperatura, salinidad, acidez, etc. Esto nos puede hacer ser optimistas a la hora de pensar como puede ser la vida en otros mundos. Pero antes de dejarnos llevar por la imaginación y conjeturar sobre vidas alienígenas exóticas, que no estén basadas en el carbono, ni el agua, conviene hacer un par de precisiones. Conocemos con mucha exactitud la química de los elementos y de los diversos compuestos en que se pueden dar y las reacciones que pueden producir. También conocemos con mucha exactitud los elementos y substancias que existen en el resto del Universo. No cabe esperar la existencia en algún lugar del Universo de algún elemento desconocido con propiedades raras y maravillosas, al menos no cabe esperar que exista en cantidades suficientemente significativas para que tenga una importancia trascendente en la formación de vida. De ser un elemento abundante casi seguro que ya lo hubiésemos detectado.

Los 3 compuestos más abundantes que pueden permanecer líquidos en un intervalo significativo de temperaturas son el amoníaco, el etano y el alcohol metílico, pero los 3 permanecen en estado líquido en intervalos muy por debajo del agua. El amoníaco, por ejemplo, se congela a -78º C y se evapora a -33º C. No se puede descartar por completo la existencia de vida basada en otro disolvente, por ejemplo metano líquido –abundante en Titán, satélite de Saturno-. Pero, aparte de que sería una vida tan diferente de la que conocemos que es difícil imaginarla, el caso es que el metano líquido solo se da a temperaturas muy bajas, posiblemente demasiado bajas para permitir una vida suficientemente evolucionada.

Por otro lado, el único elemento capaz de formar largas cadenas y formar también compuestos complejos como lo hace el carbono, es el silicio. El silicio puede crear los mismos tipos de compuestos que el carbono –ocupando el sitio de este-. Pero al final cabe esperar que el carbono resulte mejor que el silicio, no solo porque abunda 10 veces más en el cosmos, sino también porque el silicio forma enlaces químicos que son o bien considerablemente más fuertes, o bien sensiblemente más débiles que los del carbono. En concreto, la fuerza de los enlaces entre el silicio y el oxígeno permite conformar rocas duras, mientras que las moléculas complejas basadas en el silicio carecen de la resistencia necesaria para superar las tensiones ecológicas que si exhiben los átomos basados en el carbono. La corteza terrestre consta sobre todo de átomos de oxígeno y silicio, unidos con la suficiente fuerza como para durar millones de años, y por tanto incapaces de participar en la formación de nuevas clases de moléculas.

La diferente manera en que los átomos de silicio y carbono se combinan con otros átomos respalda la idea de que la mayor parte de la posible vida extraterrestre –si no toda- estará formada a partir del carbono, no del silicio. Aparte del carbono y el silicio, solo tipos de átomos relativamente exóticos, con una presencia cósmica muy inferior a la del silicio o el carbono, son capaces de unirse a otros cuatro átomos. Así la posibilidad de que la vida utilice átomos como el germanio es muy remota.

 

¿Qué son los neutrinos?

¿Qué son los neutrinos?

Los neutrinos son partículas subatómicas de masa casi nula (unas 10.000 veces menor que la de los electrones) y sin carga eléctrica, que se mueven a casi la velocidad de la luz.

Estas características hacen que prácticamente no interaccionen con la materia «normal», siendo capaces de atravesar enormes volúmenes de materia sin obstáculos. Cada segundo nuestros cuerpos son atravesados por miles de millones de neutrinos provenientes del Sol sin que nos afecten lo más mínimo.

Materia y energía oscuras

Materia y energía oscuras

LA MATERIA OSCURA

El descubrimiento de la materia y la energía oscuras supone uno de los acontecimientos astronómicos más importantes de los últimos tiempos. Para hacernos una idea hay que tener en cuenta que estas dos misteriosas substancias constituyen el 95% del contenido del universo. El 5% restante es la materia ordinaria.

Sabemos que la materia y la energía oscuras están ahí, que comparten algunas características: son invisibles, muy abundantes y están por todas partes; pero en realidad son radicalmente diferentes entre sí. La materia oscura está distribuida de manera desigual formando nubes gigantescas dentro y alrededor de las galaxias. Se calcula que representa un 27% del contenido total del universo y posiblemente esté constituida por algún tipo de partícula elemental aún desconocida, descartándose que sea materia ordinaria difícil de detectar, como planetas o asteroides errantes o polvo intergaláctico.

La energía oscura es aún más extraña. Consiste en una especie de energía asociada al propio espacio, que llena de manera uniforme todo el universo, incluso los espacios aparentemente vacíos. Aunque su densidad es minúscula (en el volumen de la Tierra sólo hay unos 7 mg. de energía oscura), el hecho de que se extienda por el universo todo hace que signifique el 68% de su contenido. La energía oscura es el ingrediente más abundante del universo, y el que marcará su destino.

 

EL DESCUBRIMIENTO DE MATERIA OSCURA

Podemos determinar la masa de los objetos celestes simplemente midiendo la velocidad de los cuerpos que orbitan en torno a ellos. Así ¿es posible determinar la masa de la Vía Láctea o cualquier otra galaxia? Sí, usando el método descrito anteriormente: estudiando las velocidades de objetos (típicamente estrellas) que orbitan alrededor de la galaxia en cuestión. Pero es más complicado medir el movimiento de estrellas en galaxias lejanas que el de la Luna o los planetas. En primer lugar es difícil seguir estrellas individuales en galaxias distantes, aunque se mueven a gran velocidad, la dimensión de sus órbitas es tan gigantesca que aparentan estar inmóviles. Para superar estas dificultades se usa una técnica basada en el efecto Doppler comparando el desplazamiento al azul o al rojo de la luz de las estrellas a estudiar con las líneas de emisión y absorción establecidas en laboratorio, básicamente del hidrógeno.

Al estudiar las estrellas de otras galaxias, se esperaba comprobar que cuanto más lejanas estuviesen del centro de su galaxia, más despacio deberían orbitar. Lo que se encontró fue que la velocidad de las estrellas parecía ser aproximadamente siempre la misma, aunque la distancia al centro fuera muy grande. La explicación más sencilla, aunque revolucionaria, es que además de la materia visible, existe otra invisible que se extiende mucho más allá de los límites visibles de la galaxia, de manera que la velocidad de la estrella no disminuye con la distancia.

Estas observaciones están confirmadas en múltiples galaxias estudiadas, incluida la nuestra, la Vía Láctea. En general se puede afirmar que la masa visible de una galaxia constituye el 10% de la misma, siendo el 90% restante materia oscura. Una posible explicación, que no implicaría la existencia de ninguna materia invisible, sería que la ley de gravitación universal de Newton, que funciona estupendamente en el Sistema Solar, quizá dejase de ser válida cuando están implicadas masas y distancias mucho más mayores, como es el caso de las galaxias. ¿Podría ser que la constante de gravitación universal G, después de todo no fuese tan “universal”? Se ha comprobado que esto no es así, pero para entenderlo primero hay que explicar el fenómeno astronómico de las “Lentes Gravitacionales”. Esta predicción extraordinaria de la relatividad general de Einstein pudo ser confirmada experimentalmente durante un eclipse total de Sol en 1919, lo que supuso un respaldo decisivo para la teoría y que Einstein se convirtiera en una celebridad mundial.

Esto puede usarse como procedimiento alternativo para determinar la masa de un objeto celeste al ya explicado de medir velocidades y distancias de cuerpos orbitantes. Midiendo cuanto curva los rayos de luz dicho objeto, se puede calcular cuál es su masa total. Comparando este total con la cantidad de materia ordinaria visible presente, podemos deducir la materia “que falta” para completar el total que será por tanto materia oscura, invisible. Hay que resaltar que las galaxias de los cúmulos, solo constituyen una pequeña parte de la materia ordinaria. La mayor parte –como 15 veces más que las galaxias en sí- se encuentra en forma de gas (principalmente hidrógeno y helio) que se extiende por los espacios intergalácticos. Este gas está muy caliente, con temperaturas del orden de 100 millones de grados, y puede ser observado gracias a la emisión de rayos X que produce. Esta emisión permite determinar tanto su temperatura como su masa. De todo esto se dedujo que para justificar la intensidad del efecto “lente gravitacional” de los cúmulos de galaxias, faltaba una cantidad de materia oscura cinco o seis veces superior a la ordinaria.

Pero como podemos estar seguros de que la ley de la gravitación de Newton es realmente UNIVERSAL y que todo esto no se debe a un efecto óptico debido a que la fuerza de la gravedad se comporta en forma extraña a grandes distancias. Si fuera así, entonces no existiría ninguna materia oscura, y la mayor parte de la masa de un cúmulo correspondería al gas intergaláctico quien sería el máximo responsable del efecto de lente gravitacional.

Veamos la siguiente foto

-Cúmulo Bala-


El cúmulo Bala es llamado así por el aspecto que adopta una de las dos nubes de gas, pertenecientes en realidad a ambos cúmulos en colisión. Como se aprecia en la imagen, las nubes de gas (manchas centrales) se han separado de las galaxias individuales y la materia oscura (manchas laterales rodeadas con óvalos blancos). Pensemos que estos cúmulos llevan cientos de millones de años chocando, y sus centros ya se atravesaron hace unos 150 millones de años. Al entrecruzarse, los dos enjambres galácticos se atraviesan casi sin tocarse debido a las enormes distancias que separan sus estrellas individuales. Pero las nubes de gas intergaláctico si que friccionan entre sí, quedando rezagadas y calentándose en el proceso, como se puede comprobar midiendo las emisiones de rayos X, alcanzando temperaturas mucho mayores a las acostumbradas, ya de por sí altísimas.

Pudo comprobarse que las zonas donde el efecto gravitacional es mayor corresponden a las rodeadas por óvalos, y por tanto es donde debe encontrarse la mayor parte de la materia, pese a tratarse las galaxias despojadas de sus nubes de gas. Por tanto, la mayor parte de la materia de los cúmulos no está en las nubes de gas, por lo que la ley de Newton sigue operando a esas enormes distancias y debe existir alguna materia que no vemos. Se han analizado varios choques de cúmulos y todos exhiben una separación entre las nubes de gas y la materia oscura. Lo que nos da pistas adicionales sobre su naturaleza, concretamente que la materia oscura no solo interacciona muy poco con la materia ordinaria, sino muy poco con ella misma. De lo contrario, las nubes de materia oscura también habrían friccionado entre sí y quedado rezagadas.

Una evidencia de que la materia oscura no puede ser materia ordinaria que no podamos detectar como, por ejemplo, planetas o asteroides vagando por el espacio, la tenemos en lo siguiente:

Utilizando las ecuaciones de la relatividad y todo lo que se sabe acerca de los procesos nucleares, es posible calcular que porcentaje de hidrógeno, helio y otros elementos se formaron en los primeros minutos después del Big Bang. Pues bien, midiendo la abundancia en el universo de estos elementos, se encuentra que los porcentajes reales concuerdan con los predichos teóricamente. En estos cálculos interviene una magnitud importante, la densidad de materia ordinaria en el universo. Esto quiere decir que la materia oscura (seis veces más abundante que la ordinaria, recordémoslo) no puede ser materia ordinaria, ya que si lo fuese la densidad de materia del universo sería siete veces mayor, y en ese caso las predicciones de la abundancia de los diversos elementos no concordaría con las observaciones. Por tanto la materia oscura ha de ser “otra cosa”.


RETRATO ROBOT DE LA MATERIA OSCURA

Resumamos los que sabemos de momento y formémonos un “retrato robot” sobre la materia oscura:

• No puede estar hecha de materia ordinaria como protones, electrones, etc. De lo contrario los cálculos de la nucleosíntesis primitiva arrojaría datos contradictorios con los observados.
• Reacciona muy débilmente con la materia ordinaria, hasta ahora sólo se han constatado efectos gravitatorios.
• La materia oscura ha de ser muy estable, si se desintegra lo hace a un ritmo muy lento, pues en el universo primitivo el porcentaje de materia oscura era aproximadamente el mismo que ahora.
• La materia oscura tampoco parece interaccionar mucho consigo misma, como vimos en choque y entrecruzamiento de los cúmulos de galaxias.
• Su abundancia equivale al 27% del contenido total del universo.

También sabemos que ha de ser fría, entendiendo por esto que la velocidad de sus componentes no podía ser demasiado próxima a la velocidad de la luz en el momento del agrupamiento de la materia para formar las galaxias, ya que en caso contrario las partículas de materia oscura se hubiesen escapado con facilidad a los efectos gravitatorios y dicho agrupamiento no se hubiera producido en la forma observada.


CANDIDATOS A MATERIA OSCURA

¿Podrían ser los neutrinos? De las diversas partículas que componen la materia ordinaria, el único candidato a ser constituyente de la materia oscura es el neutrino. Efectivamente, el neutrino tiene una serie de características que encajan en el retrato robot de la materia oscura: son las partículas de materia más ligeras que se conocen (de hecho, no se sabe su masa, solo ciertos límites entre los que tiene que encontrarse), son también las partículas más difíciles de detectar ya que interaccionan muy poco con la materia. Los neutrinos son también las partículas de materia más abundantes del universo, solo superadas en número por los fotones y en su mayor parte provienen de los primeros instantes del Big Bang (otros se están formando continuamente en las estrellas), constituyendo un “fondo de neutrinos” semejante a la radiación de fondo.

Sin embargo los neutrinos no pueden ser la materia oscura por dos razones. La primera es, que pese a su abundancia, no son suficientes para constituir el 27% de materia oscura que se ha calculado existe en el universo. La segunda es que los neutrinos supondrían un tipo de materia oscura “caliente” puesto que se mueven a la velocidad de la luz. Así que, desgraciadamente, los neutrinos quedan descartados como materia oscura.

Postulemos la existencia de una hipotética partícula, a la que llamaremos X, que cumpla todos los requisitos de nuestro retrato robot. Aunque no sabemos la masa de X ni la intensidad ni el tipo de sus interacciones con la materia ordinaria, estas no pueden ser cualesquiera, sino que han de estar en un delicado equilibrio. En concreto, en el universo primitivo, las partículas X debieron aniquilarse con sus antipartículas en una proporción adecuada para que la cantidad de materia oscura coincida con la abundancia del 27% observado. Lamentablemente a pesar de los delicados equilibrios que se necesitan entre la masa de X y sus interacciones, los rangos para estas son inmensos, por lo que seguimos sin tener muchas pistas sobre qué tipo de partícula sea X.

Unos candidatos sugeridos son los denominados WIMPs, (acrónimo inglés de Weakly Interacting Massive Particle, o sea “partícula masiva con interacción débil”). Son hipotéticas partículas con una masa de entre 10 y 1.000 veces la de un protón y que presenta solo interacciones débiles (una de las cuatro interacciones fundamentales). No entraremos en detalles, pero los WIMPs surgen en estudios teóricos para resolver ciertos problemas del modelo estándar, como el de la supersimetría. Para que el modelo estándar sea supersimétrico hace falta modificarlo, incluyendo nuevas partículas. Concretamente, cada partícula de las ya conocidas debe tener asociada una compañera supersimétrica. Una de estas partículas supersimétricas es el llamado neutralino, el cual, sin buscarlo, cumple las características perfectas de un WIMP: es estable, no tiene carga eléctrica, sus interacciones son solo de tipo débil y su masa está en el rango adecuado para producir la abundancia necesaria de materia oscura fría.

Otra propuesta son los modelos con dimensiones espaciales extras. Una partícula moviéndose en ellas (y no en las tres dimensiones convencionales) nos parecería que está en reposo, pero con mucha energía, es decir con masa. Precisamente una de esas partículas podría tener características de un WIMP.

 

LA MATERIA OSCURA ENTORNO NUESTRO

La materia oscura impregna la totalidad de las galaxias, también la Vía Láctea, por lo que está en todo momento con nosotros, atravesando nuestros cuerpos.
Actualmente se tiene una idea bastante precisa de la densidad de materia oscura en nuestra región de la Vía Láctea: aproximadamente media milmillonésima de gramo por km3. Esto se calcula a partir del movimiento de las estrellas alrededor del centro galáctico. Usando ese valor de la densidad y suponiendo que la partícula X fuera, por ejemplo, 100 veces más pesada que un protón, tendríamos 3 partículas de materia oscura por litro. Pero esas partículas se mueven a gran velocidad, y teniendo en cuenta que la materia oscura de la galaxia se encuentra en equilibrio gravitatorio, deducimos que su velocidad promedio es de 300 km/s. Como resultado cada centímetro cuadrado de nuestra piel está siendo atravesado por 100.000 partículas de materia oscura por segundo.

Así, pese a la muy escasa interacción de las partículas X con la materia ordinaria, su extraordinaria abundancia en nuestro entorno inmediato hace concebible pensar que, de tanto en tanto, alguna de ellas pudiera interaccionar con una partícula ordinaria, por lo que es posible diseñar algún sistema de detectar esta interacción ocasional.

Ya se están realizando experiencias encaminadas a ello, que consisten en observar si algún núcleo atómico de una muestra de materia ordinaria “siente” el impacto de una partícula de materia oscura. Cómo hay muchas otras clases de partículas que nos impactan continuamente, desde los rayos solares, ondas de radio, rayos cósmicos, radiactividad ambiental, etc. que hay que eliminar, estos experimentos se realizan habitualmente en minas o cuevas en el interior de montañas, mejor cuanto más profundas, para evitar los rayos cósmicos. También es preciso blindar la muestra dentro de plomo inerte para resguardarse de la radioactividad natural. Y pese a todas las precauciones no se puede evitar que algunas partículas ordinarias, como los neutrinos, alcancen la muestra, lo que exige un control muy preciso de este “ruido de fondo” para poder descontarlo de los resultados.

En cuanto a que tipo de interacción se espera detectar, hay dos técnicas básicas. La primera (habitual cuando la muestra de substancia es algún tipo de cristal, como germanio) es medir el pequeñísimo incremento de temperatura del material, el cual debe mantenerse a temperaturas muy bajas, próximas al cero absoluto. La segunda técnica (utilizada cuando la substancia es un gas noble, como el xenón) consiste en detectar el ligerísimo centelleo que se produce. En cualquier caso, son técnicas de una precisión extraordinaria y que requieren una tecnología punta.

También se hacen experimentos en el LHC (gran colisionador de hadrones) del CERN, tendentes a producir artificialmente partículas de materia oscura. Para ello se hacen chocar protones a altísimas velocidades, confiando que se produzca una partícula X y su antipartícula. De momento no se ha detectado ninguna, pero los experimentos ya realizados han permitido restringir el rango posible para la masa y las interacciones de la partícula X lo que ayuda enormemente a conocer la naturaleza de esa misteriosa Materia Oscura.

 

LA ENERGÍA OSCURA

La energía oscura es una extraña forma de energía que llena de manera uniforme todo el universo y de la que ignoramos su origen y su magnitud.

La teoría de la gravedad predice que el universo ha de pasar por una fase de expansión, como efectivamente se observa en la realidad. Hay que tener claro que no se trata que las galaxias vayan distanciándose cada vez más dentro de un vacío preexistente, si no que es la propia trama del espacio la que se expande, arrastrando consigo las galaxias. Si nos situamos mentalmente en cualquier punto veremos que todos los demás se alejan de nosotros, y que cuanto más distantes están su velocidad de alejamiento se incrementa proporcionalmente a la distancia que los separa. Esta es la llamada Ley de Hubble.

Ahora podríamos preguntarnos ¿en el futuro, el universo continuará expandiéndose al mismo ritmo? Pues bien, la teoría predice que para un universo lleno de radiación y materia (lo misma da que sea ordinaria que oscura), el ritmo de expansión debe ralentizarse. De hecho, si la cantidad de materia fuera suficiente, la atracción gravitatoria sería tan grande que llegaría un momento en que el proceso se invertiría, y las galaxias retrocederían sobre sí mismas. Es lo que se conoce como “Big Crunch”, o Gran Implosión. Todo depende de que la densidad del universo sea menor o mayor a una densidad crítica ρc.

Notemos que si la densidad del universo es la mayor que la densidad crítica ρ>ρc, el ritmo de expansión en el pasado tuvo que ser mayor que en caso contrario. En otras palabras, el Big Bang tuvo que ocurrir hace menos tiempo que cuando la densidad del universo es menor que la crítica. En este análisis teórico suponemos que el universo contiene solo materia (incluida la oscura) y radiación, pero la presencia de la energía oscura lo cambia todo.

Cuando miramos un objeto lejano no lo vemos como es ahora, si no como era cuando emitió la luz hace miles o millones de años. Por consiguiente, midiendo las velocidades de alejamiento de objetos situados a diferentes distancias, es posible deducir como era el ritmo de expansión del universo en distintas épocas. Para ello es necesario determinar la distancia a la que está el objeto y su velocidad de alejamiento. Una forma de calcular la distancia a un objeto sería midiendo su brillo aparente, cuanto más lejano menos brillará. Pero el brillo aparente por sí mismo no nos dice a qué distancia se encuentra, ya que un objeto lejano pero muy brillante nos puede parecer que tiene el mismo brillo aparente que otro más apagado pero también más cercano.

Necesitaríamos algo en el universo, una especie de faro cuyo brillo real conozcamos. En este sentido hay un tipo especial de supernovas denominadas del tipo Ia que son unos faros excelentes, porque producen siempre, con gran regularidad, el mismo brillo real. Y la velocidad de alejamiento se puede calcular por el desplazamiento al rojo de la luz que emiten.

En los años 90, dos equipos independientes de investigadores estudiaron numerosas supernovas Ia a fin de calcular como había variado el ritmo de expansión del universo desde épocas remotas hasta hoy. Ambos equipos esperaban encontrar una ralentización de la expansión, pero lo que encontraron fue que ¡la expansión del universo estaba acelerándose! Posteriormente estos resultados fueron confirmados por otros equipos. Si el universo está acelerando su expansión, es que algo falla en los razonamientos teóricos iniciales que predecían una ralentización.

La Teoría de la Relatividad predecía una expansión del universo, sin embargo cuando fue formulada se pensaba que el universo era estático ya que hasta los años 20 del siglo XX no se descubrió que las galaxias se alejan unas de otras. Para acomodar la teoría con las observaciones que mostraban un universo estático, Einstein introdujo en sus fórmulas un término de corrección al que denominó constante cosmológica. Cuando, posteriormente, pudo constatarse que en realidad el universo se estaba expandiendo, Einstein dijo que aquello había sido el mayor error de su vida.

Lo asombroso es que, a la luz de los últimos descubrimientos, aquella constante es capaz de explicar por qué el universo se expande aceleradamente. Ahora la constante cosmológica puede interpretarse como una contribución constante a la densidad de energía del universo. Su significado físico es el de una energía que produce una repulsión gravitatoria y que se extiende de manera uniforme por todo el universo, incluso por los espacios aparentemente vacíos y que supone sobre el 68% de la densidad total del universo (el otro 32% corresponde a la materia ordinaria y la materia oscura). Dado que no conocemos su origen, ni si es exactamente constante, se la denomina energía oscura.


EL DESTINO DEL UNIVERSO

El descubrimiento de la energía oscura obliga a reconsiderar la cuestión de cómo será el ritmo de expansión del universo en el futuro. La energía domina el contenido del universo y marca su ritmo de expansión y lo hará cada vez más en el futuro, ya que su densidad permanece constante, mientras que la densidad de materia y radiación se va diluyendo a medida que el universo se expande.

Así las galaxias continuarán alejándose una de otras a una velocidad cada vez mayor, hasta que superen la de la luz (esto puede parecer contradictorio con la teoría de la relatividad, pero lo que en rigor está pasando no es que las galaxias se alejen unas de otras cada vez más rápido, si no que se está creando espacio entre ellas a un ritmo creciente).

Llegados a este punto las galaxias, salvo las de nuestro grupo local que permanecerán unidas gravitatoriamente, se nos harán invisibles ya que la luz que emitan nunca nos alcanzará. Dentro de 100.000 millones de años, el Sol se habrá extinguido igual que muchas de las estrellas actuales, y otras nuevas habrán nacido. Pero, salvo por las estrellas de la vecindad inmediata, el universo será un oscuro vacío absoluto. Nada llegará de las profundidades del espacio, ni luz, ni radiación, nada. Si entonces hay habitantes inteligentes en la Vía Láctea, no verán nada, ni podrán deducir que una vez hubo un universo poblado por otros miles de millones de galaxias.

En épocas aún más futuras, todas las estrellas se apagarán, toda vida se extinguirá y el universo continuará expandiéndose y diluyéndose eternamente haciéndose cada vez más frío y más vacío.


EL PRINCIPIO ANTRÓPICO

Es una verdad autoevidente que “los seres vivos sólo pueden habitar en entornos físicos aptos para la vida”. Esto que parece una obviedad sin embargo adquiere una gran fuerza para explicar muchos de las intrigantes casualidades que nos permiten estar vivos.

Cuando estudiamos la Tierra observamos que muchas de sus condiciones físicas parecen expresamente diseñadas para permitirnos vivir en ella. Así pasa con la gravedad, distancia al Sol, temperatura, composición atmosférica, campo magnético, contenido de agua, etc. Pero no hay ningún diseño, simplemente existen miles de millones de planetas, la mayoría de los cuales tienen unas condiciones inapropiadas para permitir la existencia de una vida como la de la Tierra, e incluso de cualquier clase de vida concebible. Necesariamente nosotros, por el mero hecho de estar vivos, tenemos que habitar en uno de los raros planetas con condiciones privilegiadas.

Si desconociéramos la existencia de esa multitud de otros planetas, entonces las exquisitamente afinadas condiciones físicas de la Tierra para poder albergar vida, sí parecerían algo sorprendente e incluso inexplicable. Si no supiéramos de la existencia de otros planetas podríamos pensar, por ejemplo, que “alguien” había situado la Tierra a la distancia precisa del Sol para permitirle contener agua líquida. Pero sabiendo que hay miles de millones de planetas, entonces no hay nada de extraordinario en que esto pase en una fracción de ellos. Y el nuestro ha sido uno de los afortunados, porque en caso contrario no estaríamos aquí haciéndonos estas preguntas. Esto se conoce como principio antrópico.

¿Y qué tiene que ver todo esto con la energía oscura? Pues que sólo si la energía oscura está en un rango reducido de valores es posible el surgimiento de la vida en el universo. Si, por ejemplo, la densidad de energía oscura fuese mucho más grande, entonces el proceso de expansión acelerada habría comenzado demasiado pronto, forzando la dispersión de las partículas de materia que nunca hubiesen podido juntarse para formar estrellas y planetas. Por otro lado la energía oscura podría haber tenido un valor negativo cuyo efecto es que el universo colapse. Si la magnitud negativa fuera demasiado grande, el proceso de colapso se produciría antes de la formación de estrellas. Así nuestro universo está dentro del rango adecuado de densidad de energía oscura.

Ahora bien, si nuestro universo fuera el único existente, el principio antrópico no explicaría este adecuado valor (igual que si la Tierra fuera el único planeta, el principio antrópico no explicaría por qué su distancia al Sol es la conveniente). Sin embargo, si nuestro universo no es único, sino un elemento de un gran conjunto de universos, entonces el principio antrópico sí podría explicar el valor de la energía oscura que observamos. Según prevé la teoría, en la gran mayoría de estos hipotéticos universos la densidad de materia oscura tendrían un valor demasiado grande –positivo o negativo- para permitir el surgimiento de la vida. Pero en una pequeña fracción de ellos se producirá una cancelación casi perfecta de las diversas contribuciones a la energía oscura, de forma que esta será pequeña y dentro del rango apropiado. Sólo en estos raros universos podrá surgir vida y, con ella, observadores que contemplen su propio universo. Este hipotético conjunto de universos es lo que se conoce como multiverso.

-Multiverso-


EL MUTIVERSO

¿Cómo puede llegarse a una situación de multiverso? Anteriormente vimos que, en un futuro lejano, nuestro grupo de galaxias quedará totalmente desconectado del resto de galaxias, que serán totalmente invisibles a cualquier efecto. El universo se desgajará en regiones desconectadas unas de otras en una infinidad de universos-islas, de forma que lo que antes era un único universo se habrá transformado en un multiverso.

Existe la posibilidad de que un proceso semejante tuviera lugar al comienzo de nuestro universo. En ese caso, el universo se habría expandido inicialmente de forma vertiginosa, multiplicando su tamaño cuatrillones de cuatrillones de veces en una fracción de segundo. Este escenario se denomina universo inflacionario, y es una de las hipótesis más serias en la actual cosmología.

La energía capaz de producir el proceso de inflación del universo, pudo provenir del valor inicial de un campo, semejante al campo de Higgs, llamado inflatón. La idea es que el inflatón tendría inicialmente un valor que no era el que minimizaba su energía asociada. Una situación así de denomina “falso vacío”, ya que el campo puede durar un cierto tiempo en ese estado, pero finalmente terminará por caer a su valor natural que es el que minimiza su energía.

Podemos imaginarlo como se tuviéramos un lápiz pegado verticalmente en una mesa, y en lo alto del lápiz colocamos una pelota. Durante unos instantes la pelota puede mantenerse en la punta del lápiz, pero después caerá hacia la mesa, donde su energía potencial es mínima. En el caso del inflatón, esos breves instantes en lo “alto del lápiz” tuvieron consecuencias trascendentales, fue cuando se produjo una vertiginosa inflación que ocasionó que muchas regiones del espacio quedaran desconectadas unas de otras. Después el campo cayó a su valor natural (en nuestra analogía: la mesa). La pelota caerá aleatoriamente en una dirección cualquiera hasta detenerse en un algún lugar de la mesa. Pero la mesa no tiene porqué ser lisa y plana, puede tener irregularidades y abultamientos y la pelota no quedará a la misma altura si cae en una dirección o en otra. Habrá pequeñas diferencias relacionadas con las desigualdades de la superficie de la mesa. Análogamente, en el universo inflacionario, el inflatón caería en una dirección aleatoria, que podría ser distinta en cada región desconectada de las demás. Como consecuencia, en cada región el valor final de la energía del vacío, o sea la energía oscura, sería diferente.

El proceso inflacionario no tiene por qué haber sucedido una sola vez, puede estar ocurriendo continuamente. El universo puede encontrarse en una situación de falso vacío, en un proceso de inflación eterna. En algunos puntos, de forma aleatoria, se forman burbujas de vacío verdadero, en las que el inflatón adquiere un valor que minimiza su energía. Cada burbuja corresponde a un universo convencional. Estas burbujas se expanden a la velocidad de la luz, pero el espacio entre ellas crece aún más rápido y en el espacio intermedio se siguen generando nuevas burbujas, una de las cuales sería nuestro Universo.

En cualquier caso, actualmente, la explicación de la energía oscura basada en la noción de multiverso es solo una interesante y prometedora especulación.

 

La luz puede curvarse

La luz puede curvarse

Que la luz, a diferencia del sonido, siempre va en linea recta es algo evidente y sabido desde siempre, como se puede comprobar fácilmente por ejemplo en una tormenta: si cuando se produce un rayo estamos tras un muro, su luz no podrá alcanzarnos, en cambio podremos oír el ruido del trueno sin impedimento.

Sin embargo, según la teoría de la relatividad general de Einstein, las estrellas cuyos rayos de luz pasan cerca del borde del Sol deben desviar ligeramente su posición aparente, porque la luz se curva debido al campo gravitatorio del Sol que deforma el espacio-tiempo. Este efecto se puede observar experimentalmente sólo durante los eclipses, ya que de lo contrario el brillo del Sol oscurece las estrellas afectadas.

El 29 de mayo de 1919 se produjo un eclipse idóneo para poder verificar esta predicción observacionalmente. Se organizaron dos expediciones a Brasil y el golfo de Guinea para fotografiar la posición de la estrellas justo tras el borde del Sol en el momento del eclipse, y poder compararla con la que ocupan normalmente cuando el Sol no está delante. Las mediciones posteriores confirmaron que la luz de dichas estrellas se había curvado los 1’75 segundos de arco predichos por la relatividad general. Este espectacular resultado, muy publicitado por la prensa de la época, junto a la explicación de la precesión de Mercurio [Ver «EL PLANETA DONDE SE ENVEJECE MÁS DESPACIO»], contribuyó a la enorme popularidad que tuvo Einstein.

Para hacernos idea de lo pequeña que es en realidad esta desviación, y la precisión requerida en las mediciones, medir un ángulo de 1’75 segundos es como poder apreciar el grosor de una moneda de 20 céntimos puesta de canto a una distancia de 3 kms

El Big Bang y el futuro del Universo

El Big Bang y el futuro del Universo

EL INICIO DEL UNIVERSO

Para sorpresa de Einstein, cuando aplicó al conjunto el Universo sus fórmulas de la relatividad general se llegaba a una sorprendente conclusión: el tamaño total del Universo debe estar cambiando con el tiempo. La noción de un Universo que siempre había existido y nunca cambiaba estaba tan fuertemente arraigada que esta conclusión era demasiado, incluso para Einstein. Por esta razón revisó sus fórmulas y las modificó introduciendo algo denominado constante cosmológica, un término adicional que le permitía evitar esta predicción y gozar de la comodidad de un universo estático. Sin embargo, doce años más tarde, mediante mediciones detalladas de galaxias lejanas, el astrónomo norteamericano Edwin Hubble estableció experimentalmente que el Universo se expande. Einstein acabó reconociendo su modificación de las fórmulas con la constante cosmológica como el mayor error de su vida.

¿Cómo puede saberse que las galaxias se alejan? Para entenderlo deberemos recurrir a un efecto que le ocurre a las ondas en movimiento, ya sean sonoras o electromagnéticas, conocido como efecto Doppler. Y también a otro efecto físico muy conocido, que es el de la disociación de la luz solar en un espectro de colores, ya sea en el arco iris, o al hacer pasar un rayo de luz a través de un prisma de vidrio.

El efecto Doppler también afecta a las ondas electromagnéticas como la luz. Si una estrella está acercándose a nosotros, las ondas de su luz nos llegarán cada vez más “apelotonadas”. En el caso de la luz, esta se vuelve más azulada, su espectro se desplaza a la zona azul que es donde están las ondas más cortas. Y si la estrella se aleja de nosotros, su luz se desplazará a la zona de ondas más largas, y parecerá que enrojece. Estos movimientos de las estrellas con respecto a la Tierra se evidenciaban porque el espectro de algunas estrellas tenía las bandas oscuras manifiestamente desplazadas hacia el extremo rojo, y el de otras hacia el extremo azul.

Al estudiar los espectros de varias galaxias, Hubble observó que prácticamente todos mostraban un sensible desplazamiento al rojo, lo que significaba que las galaxias estaban separándose, y que este desplazamiento era proporcional a la distancia que estuviesen las galaxias. Una galaxia que estuviese 4 veces más lejos que otra, se separa de nosotros 4 veces más rápido que la segunda. Pudiera dar la sensación de que nuestra galaxia, la Vía Láctea, fuese el centro del Universo, puesto que todas las otras galaxias se alejan de nosotros, pero esto es una percepción errónea. En realidad todas las galaxias están alejándose unas de otras, incluida la nuestra. Para visualizar esto se suele recurrir el ejemplo de comparar el Universo con un globo en el que se haya dibujado en forma aleatoria una serie de manchas que representan las galaxias. Si inflamos el globo, veremos que todas las manchas se alejan de las demás, sin que ninguna ostente una posición central; y que, escogiendo una, cuanto más alejadas estuviesen inicialmente dibujadas las otras manchas, tanto más deprisa se alejaran de ella.

La evidencia de que el Universo está en expansión, llevó a la lógica conclusión de que en el pasado debía ser más pequeño. Que cuanto más retrocediéramos en el tiempo, las galaxias tenían que estar tanto más próximas entre sí que en la actualidad, hasta llegar a un punto en que todas estuviesen juntas, y el Universo entero se redujese a un punto cada vez más pequeño y de densidad creciente hasta, teóricamente, llegar a una dimensión cero con densidad infinita, lo que se conoce como singularidad, o también, más popularmente, huevo cósmico. En un momento dado, que se sitúa entre 10.000 y 15.000 millones de años atrás, este huevo cósmico produjo un estallido de una violencia súper-explosiva denominado Big Bang (en inglés: Gran Explosión). En el Big Bang se creó no sólo la energía y la materia que salió esparcida con tremenda violencia para dar lugar posteriormente a átomos que acabaron formando estrellas y galaxias, sino que también se creó el espacio e incluso el mismo tiempo. No tiene sentido plantearse donde estaba situado ese huevo cósmico, pues no estaba en ningún sitio dado que el espacio no existía antes de la explosión. Tampoco tiene sentido preguntarse que había antes del Big Bang. El tiempo no existía, se creó en el Big Bang, no había un antes. Este tipo de preguntas es de la misma índole que, por ejemplo: ¿qué zona de la Tierra está al norte del Polo Norte?, ¿cuánto pesa el amor?, ¿de qué color es el dolor? No es que no tengan respuesta, es que las preguntas están mal planteadas. Si consideramos el instante del Big Bang como el momento cero en que no existían ni el espacio ni el tiempo ¿cuál fue el instante inicial después del Big Bang? Esto es lo mismo que preguntar cuál es el menor número mayor que cero. Evidentemente, por muy pequeño que sea el número que escojamos, podemos encontrar otro aún menor. No existe un número menor que todos los demás. Igualmente no hay un instante inicial.

Con todo, no todos los científicos aceptaron la teoría del Big Bang. Otra teoría propuesta en 1948 que tuvo muchos adeptos es la llamada Teoría del Estado Estacionario, cuyo principal defensor fue el astrónomo y escritor británico Fred Hoyle. En ella se acepta un Universo en expansión, pero se niega que hubiese tenido un Big Bang. A medida que las galaxias se separan, nuevas galaxias se forman entre ellas, a un ritmo demasiado lento para ser detectado, con una materia que se crea de la nada merced a fluctuaciones cuánticas del espacio vacío1.

Según el modelo del estado estacionario, el Universo se está expandiendo, pero esta expansión no es una secuela de la explosión original, sino que es debida a una fuerza repulsiva análoga a la constante cosmológica de Einstein. Cualquiera que se la naturaleza de la fuerza repulsiva, alejaría las galaxias hasta que finalmente se desvanecieran más allá del “borde”, cuando sobrepasan la barrera de la luz. Esta desaparición se produciría, sin duda, respecto a de un observador en nuestra galaxia. Cuando un observador en la Tierra ve que la galaxia X y sus vecinas desaparecen, los observadores en la galaxia X ven a nuestra galaxia hacer exactamente lo mismo. Esta teoría se llama de Estado Estacionario porque afirma que el Universo sigue siendo esencialmente el mismo a lo largo de toda la eternidad. Ha tenido un aspecto como el actual a través de innúmeros eones en el pasado, y tendrá el mismo aspecto de ahora mismo a través de incontables eones en el futuro, por lo que no existe ni un principio ni un fin.

-Modelos del Big Bang, y del universo estacionario-


En 1961, las dos teorías rivales, la del Big Bang y la del estado estacionario, iban parejas. No se conocían los valores de los parámetros pertinentes con la precisión suficiente para decidir entre las dos teorías. La teoría de la relatividad es igualmente aplicable a ambas y las dos encajaban con los hechos conocidos sobre el Universo. De pronto, a mediados de los años sesenta, la teoría del estado estacionario sufrió su primer golpe importante con el descubrimiento de los quasars. Suponiendo que sus desplazamientos hacía el rojo no se deban a causas poco convencionales, tienen que ser estructuras que sólo existen en las regiones más alejadas del Cosmos. Esto quiere decir que se formaron hace miles de millones de años y que, desde entonces, no se ha formado ninguno más. Pero entonces la teoría del estado estacionario no puede dar cuenta de ellos.

El golpe más duro se lo asestó en 1965 el descubrimiento de la radiación de fondo del espacio. Esta radiación estaba predicha implícitamente en la teoría del Big Bang, y es -dicho de forma metafórica- el resto del ruido de la inmensa explosión y que aún resuena en todo el espacio. En 1964 fue detectada por los radioastrónomos norteamericanos Penzias y Wilson, y además mostraba una temperatura de 3º Kelvin, casi exactamente lo que se preveía. La existencia de este ruido de fondo es considerado por la mayoría de astrónomos como una prueba concluyente a favor de la teoría del Gran Estallido. Los defensores de la teoría del estado estacionario se resistieron a abandonarla, pero al final tuvieron que rendirse a la evidencia. Hoyle estuvo varios años proponiendo alternativas, algunas de ellas fantásticas. Casi todos los expertos coinciden en que el Universo se está expandiendo, en que no está entrando nueva materia procedente de otros espacios y en que se originó en una monstruosa explosión que tuvo lugar hace unos 15 o 20 mil millones de años.

El “cuerpo” de la cosmología moderna está formado por muchas disciplinas: astronomía, física, química, matemáticas, etc.… hasta podríamos incluir biología, geología, antropología y otras. La teoría del Big Bang encaja con todas ellas, formando un Todo en el que la Ciencia puede explicar de forma perfectamente lógica y coherente como se formó y evolucionó el Universo desde el principio hasta hoy. Bien, para ser precisos, no exactamente desde el principio, sólo desde 10-43 segundos después de la explosión. Pero no deja de ser un asombroso logro de la razón humana el poder explicar un complejísimo proceso de eones de duración, salvo esta inconmensurable fracción. Lo que ocurrió en estos 10-43 segundos de momento está fuera del conocimiento de la Ciencia, las leyes físicas conocidas dejan de ser válidas; y aquí es donde muchos ponen a Dios. Es una opción tan válida como otras. Lo que entendemos por Dios tampoco cumple las leyes de la física. Cómo no está dentro del conocimiento de la Ciencia no podemos opinar sobre ello, ni darle ni quitarle más validez que a otras opiniones.

 

EL FUTURO DEL UNIVERSO

Una vez acordado como pensamos que fue el principio del Universo, el siguiente desafío es intentar averiguar cómo será su futuro y su final. 

El Universo está destinado a morir, pero para saber la respuesta a la pregunta de cómo morirá, primero hemos de contestar otra: ¿Cuanta materia?, o mejor dicho ¿Cuanta densidad de materia tiene el Universo? Si la densidad de materia es suficientemente alta, la fuerza de la gravedad acabará frenando la expansión cosmológica hasta llegar un punto en que las galaxias ya no se separarán cada vez más, si no que empezarán a caer sobre ellas mismas y el Universo se contraerá hasta el colapso total. En caso contrario el Universo continuará su expansión hasta que la entropía alcance su nivel máximo, y la inexorable 2ª Ley de la Termodinámica venza.

Los astrónomos usan la expresión «densidad crítica» para indicar la cantidad de materia en un volumen, que es la justa y necesaria para provocar la contracción. Tal densidad es de alrededor un átomo por metro cúbico. La cantidad de materia luminosa visible, ósea las estrellas y nubes de gas de las galaxias, se estima en un 5% de la densidad crítica. Pero puede haber agujeros negros, planetas, estrellas oscuras, hidrógeno intergaláctico, energía de radiación o de gravitación, y neutrinos y también la materia oscura cuya composición se desconoce.

Examinemos algo más detalladamente las dos alternativas, empezando por la última:

Aunque sepamos que el Universo se está apagando, no sabemos la velocidad a que lo hace. Esta información solo se puede obtener a partir de un cuidadoso estudio de las más importantes fuentes de desequilibrio termodinámico: las estrellas. El porvenir generalmente aceptado para nuestro Sol es que se volverá gradualmente más luminoso y más grande dentro de unos 5.000 millones de años. Durante varios miles de millones de años más su comportamiento será algo errático, para acabar como una enana blanca, una estrella diminuta y comprimida que se irá enfriando lentamente. Al cabo de 100.000 millones de años solo quedará materia negra y consumida.

Durante ese tiempo otras estrellas nacerán y morirán. Las de mayor masa la consumen rápidamente y muchas acabarán como agujeros negros. Por el contrario las pequeñas se queman lentamente y pueden durar 100 veces más que el Sol. Pero con el tiempo también se agotará el suministro de la materia prima que se encuentra esparcida en grandes nubes de gas, y ya no se formarán nuevas estrellas.

La mayoría de las estrellas muertas se convertirán en agujeros negros que, de vez en cuando, colisionarán y se juntarán creando agujeros negros súper-masivos en los que caerá una gran cantidad de materia. Mientras tanto la expansión cosmológica habrá apartado a las demás galaxias a una distancia mucho mayor de la actual, y por tanto al expansionarse el Universo, bajará la temperatura de la radiación térmica primordial. Después de un trillón de años esta temperatura será inferior a la incluso pequeñísima de los agujeros negros (alrededor de una diez millonésima de grado por encima del 0 absoluto), por lo que estos empezarán a «evaporarse».

El tiempo que tarda un agujero negro en evaporarse es enorme, alrededor de 10 elevado a 100 años. Pero cuando finalmente esto también suceda, no quedará nada, excepto una radiación extremadamente tenue y decreciente. Se habrán agotado las últimas pequeñas reservas de energía libre, toda la maquinaria cósmica se habrá parado y el Universo será entonces un espacio negro, frío y vacío en expansión para el resto de la eternidad.

 

En el caso de que ocurra la primera alternativa el Universo se contraerá gradualmente durante miles de millones de años; de forma inapreciable al principio, pero cada vez más rápidamente a medida que las galaxias se vayan aproximando unas a otras y en consecuencia se intensifique la gravedad. Al desaparecer el espacio entre las galaxias, estas empezarán a colisionar entre sí y a llenar todo el Universo más o menos uniformemente.
Esta situación permanecerá unos millones de años, pero antes de que las estrellas empiecen a colisionar unas con otras, surgirá un nuevo fenómeno. La radiación de fondo primordial, hasta ahora inapreciable, se vuelve cada vez más caliente hasta llegar a serlo más que la misma superficie de las estrellas. Cuando esto suceda las estrellas ya no podrán desprenderse de la energía que generen, y la temperatura de la radiación que las rodee las vaporizará lentamente hasta su desaparición. En este punto, el Universo habrá vuelto a una nueva era del plasma, estando constituido por una materia opaca que llenará todo el espacio más o menos uniformemente con algunos agujeros negros como último vestigio.

Al alcanzar los 1.000 millones de grados el colapso será frenético, el Universo pasará por la misma secuencia de épocas del Big Bang invertidas. Cuando la temperatura llegue a los 10.000 millones de grados, los procesos cuánticos adquirirán importancia y el espacio-tiempo se empezará a romper, y a partir de aquí deja de funcionar la física conocida. Se supone que el espacio-tiempo acabará en una singularidad y probablemente todo el Universo quede comprimido con una densidad infinita. Esto se conoce como Big Crunch o Gran Implosión.

A algunos cosmólogos les gusta pensar que el resultado final de tan monstruosa contracción será una nueva explosión que arrojaría el hidrógeno al espacio como antes y, con el tiempo se condensaría en nuevas galaxias. Estos son los llamados modelos “pulsantes” u “oscilantes”. Diversos factores aleatorios pueden afectar a esta explosión, de manera que cada vez que nace un universo lo hace con su propio conjunto de partículas y leyes físicas. Constantemente surgen una infinidad de universos diferentes de breve existencia. Primero se expanden, pasando posteriormente a contraerse hasta caer el olvido. Vivimos un Universo que estalló precisamente del modo adecuado para dar lugar a las partículas y las leyes que permitieron que ciertas complicadas estructuras (nosotros) evolucionaran de tal forma que fuesen capaces de contemplarse a sí mismas.

Este era el panorama de las teorías cosmológicas admitido hasta el descubrimiento de la energía oscura a finales de los años 90. La energía oscura es el elemento determinante en el futuro del Universo y cambió todo este panorama al evidenciar que la expansión cosmológica no se está ralentizando como se pensaba, si no que se está acelerando. Esto se explica en detalle en el capítulo dedicado a la energía oscura.


 

[1] Esto suena un tanto fantástico, pero diremos sólo que es admitido por la Teoría Cuántica de la materia, como algo posible dentro de la denominada “incertidumbre energía-tiempo”.

Paseando por Mercurio

Paseando por Mercurio

Imagina el siguiente escenario: acabas de aterrizar tu nave en Mercurio, en la cara iluminada por el Sol -porque la otra está muy oscura-, y decides dar un paseo por las cercanías.

Protegido por tu traje espacial te has alejado 4 ó 5 kms de la nave dando saltitos (la gravedad es una tercera parte que en la Tierra), cuando de repente se estropea irremisiblemente la unidad de refrigeración del traje. Sólo tienes unos minutos antes que los 430ºC que el Sol está volcando sobre ti traspasen el aislamiento térmico del traje y te abrases. No tienes tiempo de regresar a la nave. Estás en un buen aprieto ¿qué puedes hacer? Afortunadamente ves que cerca hay una gran roca y decides refugiarte a su sombra hasta que se haga de noche y puedas volver a la nave.

Buena idea, siempre que la unidad de calefacción del traje no se haya estropeado también, porque en Mercurio no hay atmósfera y la diferencia de temperatura entre estar al Sol o a la sombra es brutal. Como explicamos en otra publicación [Ver “MERCURIO, DEL FUEGO AL HIELO”], la temperatura en el hemisferio en sombra es de 180ºC bajo cero. Aquí, a la sombra de la roca, será algún grado mayor porque el terreno del entorno irradia parte del calor que recibe del Sol, pero no va ser suficiente para evitar que te congeles si la calefacción no funciona.

Afortunadamente funciona, solo queda esperar a la noche ¿problema resuelto? Pues depende de donde hayas dejado la nave, si en el centro de la cara iluminada o al este o al oeste, porque Mercurio tiene unos peculiares movimientos de rotación y traslación que hacen que entre dos amaneceres, o dos anocheceres, transcurran 176 días terrestres. Así que, si no has tenido suerte, puede que tengas que esperar varios meses antes de que anochezca y, aunque no se te agote antes la batería, deberás elegir entre morir abrasado o morir de sed y hambre. Tú única solución es que haya alguien cerca que pueda venir a rescatarte.

Mercurio, del fuego al hielo

Mercurio, del fuego al hielo

 

Mercurio es el planeta más cercano al Sol del Sistema Solar, está a una tercera parte de la distancia a la que estamos nosotros. Esto ya nos hace sospechar que debe ser un lugar muy caliente y, efectivamente, en la cara orientada al Sol la temperatura media es 430ºC.

Sin embargo, la atmósfera de Mercurio es prácticamente inexistente, sólo tiene vestigios de sodio, potasio, oxígeno, argón y en menor medida de otros elementos. Al no tener atmósfera, a diferencia de lo que ocurre en la Tierra en la que los vientos, y también las corrientes oceánicas, difunden y mezclan el calor del ecuador con el frío de los polos, en Mercurio el calor recibido en el hemisferio iluminado no se dispersa por el resto del planeta y la temperatura del hemisferio que permanece a oscuras puede caer hasta los 180ºC bajo cero.

En astronomía es frecuente encontrarse con medidas llamativas de temperaturas, presiones, tamaños, distancias, etc. y es conveniente, siempre que sea posible, buscar una analogía que nos permita comparar y hacernos mejor idea de lo que representan tales medidas. En el caso que estamos tratando aquí, pensemos en lo siguiente: en la Tierra la diferencia de temperatura .que puede darse entre el lugar más caliente y el lugar más frio –lo que se conoce como gradiente de temperaturas- es, aproximadamente, de 50ºC en los desiertos a -50ºC en la Antártida. Es decir, un gradiente de 100ºC. En Mercurio va de 430ºC a -180ºC, ¡son más de 600ºC de diferencia, seis veces más que en la Tierra!

¿Estrellas matutinas o vespertinas?

¿Estrellas matutinas o vespertinas?

Al ser planetas más internos que la Tierra, cuando miramos a Mercurio o Venus los veremos siempre relativamente cerca del Sol, no aparecen muy alto sobre el horizonte y sólo es posible contemplarlos poco antes de la salida del Sol o, durante poco tiempo tras su puesta, de forma que nunca se apartan mucho de su resplandor. Cuando Mercurio y Venus se muestran por la noche tras la puesta del Sol, se ocultan poco después, por lo que se convierten en estrellas vespertinas. Y cuando aparecen al alba, no mucho antes de la salida del Sol, desaparecen a continuación entre el resplandor solar, convirtiéndose en este caso en estrellas matutinas.

Al principio, pareció natural creer que las dos estrellas vespertinas y las dos matutinas eran cuatro cuerpos diferentes. Gradualmente quedó claro que, cuando una de las estrellas vespertinas se encontraba en el firmamento, su correspondiente estrella matutina no era nunca vista, y viceversa. Comenzó a parecer evidente que se trataba de dos planetas, cada uno de los cuales se movía de un lado a otro del Sol, haciendo alternativamente las veces de estrella vespertina y matutina. El primero en expresar esta idea fue Pitágoras, aunque es posible que lo hubiese sabido por los babilonios.

Formación de galaxias y planetas

Formación de galaxias y planetas

LAS GALAXIAS

 

Esparcidas entre las estrellas, se habían observado ciertas manchas brumosas, que fueron llamadas nebulosas, de la voz griega para designar “nube”. Hacía 1800, el astrónomo francés Charles Messier había catalogado 103 de ellas. Todavía hoy se conocen con el número que él les asignó precedido por la “M” de Messier.

¿Qué eran estas manchas? ¿Simples nubes como indicaba su apariencia? Algunas, como la nebulosa de Orión, parecían en realidad ser sólo eso, una inmensa nube de gas y polvo. Otras resultaron ser cúmulos globulares, densas acumulaciones de entre 100.000 a varios millones de estrellas antiguas. Suelen tener forma esférica y están distribuidos alrededor de las galaxias a unas distancias medias de 50.000 años luz. La Vía Láctea tiene varios centenares de cúmulos alrededor suyo. Otras galaxias pueden tener miles.

-Andrómeda-

Pero seguía habiendo manchas nebulosas brillantes que parecían no contener ninguna estrella. La más espectacular era la llamada M31 o Nebulosa de Andrómeda. ¿Estaría constituida por estrellas tan distantes que no se pudieran llegar a identificar? Se llegó a la conclusión de que, si así fuera, Andrómeda debería encontrarse a una distancia increíble y, al mismo tiempo, tener enormes dimensiones para ser visible a tal distancia. En la segunda década del siglo XX, pudo demostrarse que por increíble que pudiera parecer, esa era la realidad. La Nebulosa de Andrómeda era un gigantesco conglomerado de estrellas -es decir una galaxia igual que nuestra Vía Láctea- que se encontraba a 2 millones de años luz de distancia. El tamaño del Universo resultó ser asombrosamente mayor de lo imaginado.


TIPOLOGÍA DE LAS GALAXIAS

La galaxia es la unidad estructural básica del edificio del Universo, el ladrillo con el que está construido. Hoy sabemos que hay miles de millones de galaxias de diversas formas, aunque se clasifican en 3 tipos básicos: elípticas, espirales e irregulares. La cantidad de estrellas que contienen varía, pero por término medio pueden tener entre 100.000 150.000 millones cada una. No se encuentran aisladas, sino que forman grupos ligados gravitatoriamente. Algunos son enormes. Así, Virgo y Coma Berenice contienen miles de galaxias en espacios cuyo diámetro alcanza 20 millones de años luz. En el otro extremo de la escala están los grupos pequeños, como el que contiene nuestra Vía Láctea. Este cúmulo, o Grupo Local, está constituido por unas treinta galaxias esparcidas en un espacio de casi 5 millones de años luz. Sus miembros más importantes son la Vía Láctea, Andrómeda y Triangulo. El Grupo Local es uno de los miles conocidos por los astrónomos. Estos cúmulos, a su vez, se reúnen en grupos mayores llamados supercúmulos que pueden extenderse a lo largo de centenares de millones de años luz.

-Cúmulo de galaxias-

El porqué las galaxias se estructuraban en los tres tipos básicos era un misterio. Inicialmente se pensaba que eran distintas fases en su evolución, que las galaxias empezaban teniendo forma elíptica, dado que suelen estar formadas por estrellas muy viejas, y que con el transcurso del tiempo adoptaban la espiral o irregular. Sin embargo, no está tan claro y también podría ser que simplemente adoptasen una forma u otra sin que haya un motivo especial. Finalmente este esquema evolutivo resultó ser falso. No sólo se omitían categorías enteras de galaxias irregulares, sino que más adelante los astrofísicos se enterarían de que las estrellas más viejas de cada galaxia tenían aproximadamente la misma edad, lo que daba a entender que todas las galaxias nacieron durante una era concreta de la historia del Universo.

Algunas galaxias presentan formas tan raras que ni siquiera el concepto “irregular” les hace justicia. Un estudio llevado en los años 60 del siglo pasado, llegó a la conclusión de que muchas de estas extrañas galaxias en realidad eran los restos fusionados de dos galaxias antaño separadas que han chocado. Cuando una galaxia se acerca a otra, la fuerza gravitatoria aumenta enseguida en los bordes principales del choque, extendiendo y combando ambas galaxias. Nuestra galaxia, la Vía Láctea, y la de Andrómeda están acercándose y dentro de varios millones de años acabarán colisionando.


FORMACIÓN DE LAS GALAXIAS

La formación de las galaxias tiene muchos interrogantes. Por ejemplo, si la materia que se formó en el Big Bang estaba regularmente repartida, parecería lógico que las galaxias también estuviesen más homogéneamente esparcidas y no formando cúmulos y supercúmulos. El propio Newton se planteó la cuestión de cómo la materia adquiría estructura: ¿cómo podemos llegar a construir cualquier estructura en el Universo sin que toda la materia del mismo se atraiga mutuamente para crear una única masa gigantesca? Como esto no ocurre, Newton llegó a la conclusión de que el Universo ha de ser infinito. Sin embargo también suponía que debía ser un Universo estático, que no se expandía ni contraía. Pero los cosmólogos actuales han de afrontar el hecho de que el Universo no es estático, sino que está expandiéndose. El problema de superar la tendencia “antiaglutinante” de la expansión se complica cuando consideramos que el Universo pasó por una fase inflacionaria de ultra-expansión poco después del Big Bang 1. El Cosmos se expandió tan deprisa que, si el Universo hubiera sido estrictamente homogéneo la gravedad no hubiese tenido ninguna oportunidad de aglutinar nada.

¿Qué provocó estas heterogeneidades que fueron las semillas de todas las estructuras del Cosmos? La mecánica cuántica afirma que, en las escalas de tamaños menores, ninguna distribución de materia puede permanecer homogénea. Las partículas aparecen, desaparecen y vuelven a aparecer y la distribución de la materia presenta fluctuaciones aleatorias. En un momento dado, ciertas regiones del espacio tendrán algunas partículas más, y por tanto una densidad algo mayor, que otras regiones. Estas regiones más densas tuvieron la oportunidad de atraer algunas partículas más gracias a la gravedad, y con el tiempo aparecieron estructuras.

El telescopio espacial Hubble ha permitido estudiar detalladamente regiones inexploradas de las galaxias, incluidos sus centros. Repetidamente se observó que las estrellas de estas galaxias se movían injustificadamente deprisa dada la gravedad deducida de la luz visible de otras estrellas de las inmediaciones. En la actualidad parece probable que cada galaxia gigante tenga en su centro un agujero negro supermasivo de millones o miles de millones la masa del Sol, que habría podido servir de semilla gravitatoria para acumular la materia de la galaxia. Según este esquema algunas galaxias inician su vida como cuásares. Cuando el agujero negro del cuasar ha engullido toda la materia de sus inmediaciones, simplemente se apaga. Y entonces tenemos una galaxia tranquila con un agujero negro inactivo en su centro.

Las inmensas nubes de gas existentes entre las estrellas también se agrupan para formar nuevas estrellas que suelen nacer “juntas” en grandes cúmulos estelares. Todo el gas de una galaxia espiral que no participó con rapidez en la fabricación de cúmulos de estrellas ha caído hacia el plano galáctico y ha creado un disco de materia que produce estrellas poco a poco, cada generación con más elementos pesados que la siguiente. En las galaxias elípticas no existe un plano así, y todo su gas ya se ha convertido en estrellas.

No se sabe por qué algunas galaxias espirales tienen múltiples brazos, como es el caso de la nuestra, o sólo dos como las galaxias barradas. La dinámica de los brazos plantea también muchas dudas. Las galaxias giran sobre si mismas alrededor de una zona central, pero como no son objetos sólidos, sino que están constituidas por millones de estrellas, cada una de éstas tiene un movimiento independiente aunque participe en la rotación general de toda la galaxia. Las estrellas situadas en las zonas exteriores van quedando rezagadas de las que están cerca del centro y que giran más rápidamente alrededor de éste. De esta forma los brazos van deshilachándose del centro. Pero dado el tiempo transcurrido, deberían haberse cerrado sobre sí mismos en muchos casos. Ahora se cree que las estrellas están apiñadas en éstos como en un embotellamiento cósmico de tráfico. Así como el atasco persiste aunque los coches entren y salgan de él, los brazos espirales conservan su forma a pesar de que las estrellas individuales que contienen estén cambiando continuamente. Pero los detalles de esta dinámica aún contienen numerosos interrogantes.

Incluso hay una gran incógnita sobre la estructura misma de las galaxias, como se vinculan gravitatoriamente al sistema de galaxias cercanas y se mantienen dinámicamente estables. Algunos modelos matemáticos indican que, para que esto sea posible, deberían contener mucha más masa de la que tienen. Éstos cálculos apuntarían a que hasta el 90% de la masa de una galaxia se encontraría envolviéndola en un halo de materia oscura que no se ha podido detectar.

 


LOS PLANETAS


Si las teorías sobre la formación de galaxias y estrellas aún están llenas de incógnitas, en el caso de la formación de planetas la cosa no está mucho mejor. El descubrimiento de gran cantidad de planetas exosolares ha permitido que los astrofísicos tengan mayor cantidad de datos e información, pero también ha complicado el asunto en muchos aspectos, de modo que la historia de la formación planetaria no está ahora más cerca del final. Concretamente, si bien se puede explicar bastante bien el proceso de formación una vez en marcha fabricando objetos grandes partiendo de otros pequeños, no existe una buena explicación de cómo empezaron a crearse los planetas a partir de gas y polvo.

En la actualidad los astrofísicos cuentan con pruebas convincentes de que las estrellas no se forman una a una, sino por miles dentro de inmensas nubes de gas. En líneas generales, la hipótesis predominante es la “hipótesis nebular”, en virtud de la cual una masa arremolinada de polvo y gas que rodea estas estrellas en formación, se condensa en aglomerados que llegarán a ser los planetas. El término “polvo” hace referencia a grupos de partículas que contienen, cada una, varios millones de átomos, sobre todo de carbono y silicio con oxígeno, en esencia piedras diminutas con mantos de hielo que rodean su centro rocoso. Esta formación de partículas de polvo en el espacio interestelar tiene sus propios misterios y teorías.

La producción de partículas de polvo interestelar supone un primer paso esencial en el camino hacia los planetas. ¿Qué hace la naturaleza para que el polvo se coagule y forme conglomerados de materia? En cuanto tenemos formados objetos con un tamaño de medio kilómetro denominados “planetesimales”, cada uno tendrá una gravedad lo bastante elevada para atraer otros objetos del mismo tipo. De manera que, en cuestión de unos millones de años, habremos pasado desde una multitud de conglomerados a mundos planetarios.

Pero a la hora de explicar cómo llegaron a formase esos planetesimales, los astrofísicos tienen problemas para desarrollar modelos convincentes. Su formación a partir del choque de partículas de polvo parece requerir mucho más tiempo del que han dispuesto, dado que los planetas estaban ya formados no mucho tiempo después del inicio del Sistema Solar. La existencia de numerosos cometas y asteroides pequeños, que se parecen a los planetesimales en cuanto a tamaño y composición, respalda el concepto de que millones de planetesimales crearon los planetas.

No debemos olvidar las lunas de los planetas. Las mayores de estas lunas, con diámetros entre unos centenares y unos cuantos miles de kilómetro, parecen encajar bien en el modelo de agregación de planetesimales. La creación de lunas se detuvo cuando las colisiones hubieron construido los satélites con su tamaño actual, sin duda porque para entonces los planetas cercanos, con su mayor gravedad, habían tomado posesión de casi todos los planetesimales próximos. Hemos de incluir en este cuadro los cientos de miles de asteroides que describen órbitas entre Marte y Júpiter. Los más grandes se formarían gracias a choques de planetesimales, tras lo cual no se habría producido más crecimiento debido a la influencia gravitatoria del gigante Júpiter. Los asteroides más pequeños serían planetesimales desnudos que crecieron a partir del polvo, pero que jamás chocaron unos contra otros debido, de nuevo, a la influencia de Júpiter.

Para las lunas que dan vueltas en torno a los planetas gigantes, este escenario parece funcionar bastante bien. En el caso de Marte sus dos satélites, Fobos y Deimos, seguramente sean asteroides capturados por el campo gravitatorio de Marte. Sólo la Luna, la nuestra, se aparta del modelo, pues su gran tamaño en comparación a la Tierra hace difícil explicar su origen por el sistema de agregación de planetesimales. La teoría sobre el origen de la Luna más comúnmente aceptada en la actualidad dice que procede de la colisión de una joven Tierra con un objeto del tamaño de Marte, como ya vimos en su momento.


[1] La era de la inflación duró desde 10 elevado a -37 segundos a 10 elevado a -33 segundos después del instante 0 del Big Bang, y el Cosmos aumentó de tamaño 10 elevado a 50 veces, desde un tamaño cien mil millones de mil millones de veces menor que el de un protón hasta unos 10 centímetros

Magnitud absoluta y aparente

Magnitud absoluta y aparente

En astronomía, magnitud absoluta es la magnitud aparente que tendría un objeto si estuviera a una distancia de 10 pársecs. La magnitud aparente es un número que indica la medida de su brillo tal y como es visto por un observador desde la Tierra.