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Agujeros negros: los dragones de las galaxias

M. VillarPor Montserrat Villar (CSIC)*

Érase una vez un dragón que dormitaba en el interior de una gruta, en pleno corazón del reino. Los habitantes de aquel país vivían plácidamente y sin grandes avatares, salvo los propios de una existencia cotidiana. Todos sabían que allí moraba un temible monstruo. Sin embargo, residían despreocupados pues este pasaba los días escondido y tranquilo, sin molestar a nadie. Salvo a quienes entraban en la cueva: estos no regresaban jamás. La bestia entonces despertaba y las consecuencias eran devastadoras.

Muchas galaxias, incluida nuestra Vía Láctea, contienen agujeros negros en sus centros. Son los monstruos de nuestra historia. Los denominamos ‘supermasivos’ por sus masas enormes. Si usamos la de nuestro Sol como unidad, las masas pueden estar en un rango de entre unos pocos millones y hasta 20 mil millones de soles. Habría que juntar todas las estrellas de una galaxia como la Gran Nube de Magallanes para reunir una masa equivalente. Con la asombrosa diferencia de que ocuparían un volumen menor que el del Sistema Solar.

Superviento

Impresión artística de un superviento generado en el entorno de un agujero negro en la galaxia activa NGC 3783. / ESO-M. Kornmesser.

En general, los agujeros negros supermasivos se hallan en estado latente. No sabríamos de su existencia si no fuera porque vemos que las estrellas y el gas en las proximidades del centro galáctico se mueven tan deprisa y en un volumen tan pequeño, que solo un agujero negro puede explicar movimientos tan extremos. Sin embargo, en un 10% de las galaxias estos agujeros negros presentan una actividad frenética. Son las llamadas galaxias activas. En ellas el agujero negro está siendo alimentado; aportes suficientes de material (gas, estrellas) hacen que se active. Como el dragón que dormita tranquilo sin molestar a nadie hasta que entra algún incauto despistado y su furia se desata. En estos casos la actividad del agujero negro puede hacer que el centro de una galaxia brille tanto como decenas, hasta miles de galaxias juntas. Esta luz tan intensa es emitida por material muy caliente cercano al agujero negro, pero situado fuera del horizonte de sucesos, pues nada que cruce este horizonte puede escapar, ni siquiera la luz.

Un descubrimiento de gran importancia realizado hace tan sólo unos 15 años ha mostrado que (dicho de manera simplificada) la masa de las estrellas de una galaxia y la del agujero negro supermasivo se hallan relacionadas, siendo la masa del agujero negro aproximadamente una milésima (0,1%) la de la galaxia. Es decir, cuanta más masa tiene uno, más masa tiene la otra. Como si lo que pesa el dragón de la historia estuviera relacionado con lo que pesan todos los habitantes del reino juntos.

Grafica

La masa del agujero negro supermasivo está íntimamente relacionada con la masa de las estrellas de la galaxia que lo alberga (K. Cordes y S. Brown, STScI).

Esto sugiere que la galaxia y el agujero negro central no se formaron y crecieron de manera independiente, sino que hubo algún mecanismo que los conectaba. Sin embargo, dada la enorme diferencia en masa, la región en la que se siente la gravedad del agujero negro es diminuta en relación a la galaxia entera. Esto puede imaginarse al comparar el tamaño de una moneda de euro con el de una ciudad como Madrid. ¿Qué mecanismos pueden conectar la evolución de algo tan pequeño y la de algo comparativamente gigantesco? Es una cuestión que actualmente causa un acalorado debate en la comunidad científica, puesto que su respuesta tiene implicaciones importantes en cuanto a nuestra comprensión de la formación y la evolución de galaxias.

Un posible mecanismo es el de los llamados ‘supervientos’. Los modelos predicen que con su enorme potencia, la energía liberada en las proximidades del agujero negro activo podría ser capaz de expulsar gran parte del gas en las galaxias en formación. Este ‘superviento’ privaría a las galaxias de buena parte del combustible necesario para formar nuevas estrellas y alimentar el agujero negro. Así, la energía inyectada en el medio circundante regularía simultáneamente el crecimiento del agujero negro y el de la galaxia que lo alberga, que podría así ralentizarse, llegando incluso a detenerse. Según esto, los agujeros negros supermasivos ‘conspiraron’ en los inicios para manipular la formación de las galaxias; algo comparativamente minúsculo consiguió así moldear la evolución de algo gigantesco.

El dragón de la historia no ha medido las consecuencias de su devastadora violencia: ha destruido su entorno causando dramáticos efectos que impiden el crecimiento futuro de la población del reino y ha provocado además su propia muerte por inanición.

¿O no…?

¿Qué ocurrirá si un día, cuando todo parezca inerte y en calma, un aventurero temerario se arriesgue a entrar en la gruta?

¿Volverá a despertar el monstruo?

 

* Montserrat Villar es investigadora en el Centro de Astrobiología (CSIC-INTA) en el grupo de Astrofísica extragaláctica. 

Baade y Zwicky: la extraña pareja que descubrió las estrellas supernovas

autorPor Miguel A. Pérez Torres (CSIC)*

Si el director de cine Gene Saks hubiera decidido hacer una versión de la excelente comedia La extraña pareja (1968) protagonizada por científicos, sin duda habría escogido a Walter Baade en el papel de Félix (Jack Lemmon) y a Fritz Zwicky para el de Óscar (Walter Matthau).

Fritz Zwicky (Bulgaria 1898 – EE.UU. 1974), físico especialista en materia condensada, llegó al Instituto de Tecnología de California (el famoso CalTech) en los años veinte del siglo pasado, procedente de Suiza, donde se crió y cursó estudios universitarios. Era brillante y polifacético, pero su corrosiva y neurótica personalidad, así como su arrogancia sin límites, lo convirtieron en poco más que un bufón para muchos de sus colegas.

Pareja

Walter Baade (arriba) y Fritz Zwicky (abajo).

En una ocasión, en el colmo de la arrogancia, Zwicky llegó a afirmar que él y Galileo eran las dos únicas personas que sabían utilizar correctamente un telescopio. Un ejemplo de su bufonería neurótica estaba relacionado con el fanatismo que profesaba por el deporte. No era raro encontrarlo en el suelo del recibidor del comedor de CalTech haciendo flexiones con un solo brazo, demostrando así su virilidad ante cualquiera que, en su opinión, la hubiera puesto en duda.

Asimismo, era tan agresivo y sus modales tan intimidatorios que incluso su colaborador más cercano, Walter Baade (Alemania 1893 – 1960), el otro protagonista de este artículo, y que tenía una personalidad tranquila, llegó a negarse a que lo dejaran solo con Zwicky entre las cuatro paredes de un despacho. En un más que probable acceso de paranoia, Zwicky llegó a acusar a Baade de ser nazi, lo cual era completamente falso. Y, al menos en una ocasión, Zwicky amenazó con matar a Baade, que trabajaba en el observatorio de Mount Wilson, colina arriba de Caltech, si alguna vez lo veía en el campus de su instituto.

En fin, Zwicky era un científico que la mayoría no querría tener como compañero de despacho, pero cuya brillantez y colaboración con Baade iban a resultar fundamentales para explicar la aparición de unas estrellas extremadamente brillantes, y que habían traído de cabeza a los astrónomos durante décadas.

En marzo de 1934, Baade y Zwicky enviaron dos comunicaciones a la Academia de Ciencias de los Estados Unidos que marcarían un antes y un después en la astrofísica.

En la primera de esas comunicaciones, titulada ‘On Super-novae’, los autores proponían la existencia de un nuevo tipo de estrellas ‘nova’, las ‘super-novas’. Las novas, estrellas que aumentan su brillo enormemente durante periodos típicos de días o semanas, eran conocidas al menos desde el siglo anterior, y quizá por ello habían dejado de llamar la atención de los astrónomos. La aparición de una nova excepcionalmente brillante en la nebulosa de Andrómeda, en 1885, renovó el interés de los científicos por este tipo de astros. Sin embargo, nadie había logrado explicar satisfactoriamente este fenómeno.

En su trabajo, Baade y Zwicky proponían que las supernovas eran un fenómeno general en las nebulosas (en aquella época, el término ‘galaxias’ no estaba todavía asentado). Además, estas supernovas ocurrirían con mucha menor frecuencia que las novas, de ahí que se hubieran descubierto tan pocas.

Baade y Zwicky utilizaron como supernova-patrón el objeto descubierto en 1885 en la galaxia de Andrómeda, y calcularon que su luminosidad máxima debió de ser unas 70 millones de veces la de nuestro sol, compitiendo así con la luminosidad total de una galaxia. Posiblemente, esta colosal luminosidad fue decisiva para que propusieran el nombre de ‘super-novas’.

Supernova 1994D (punto brillante en la parte inferior derecha) captada por el teloscopio Hubble. / NASA-ESA-

Supernova 1994D (punto brillante en la parte inferior derecha) captada por el teloscopio Hubble. / NASA-ESA-

La pareja también estimó que la estrella tuvo que haber perdido una fracción significativa de su masa inicial, incluso varias veces la masa del sol. La conclusión principal del trabajo era que las supernovas representaban la transición de una estrella ordinaria a un objeto con una masa mucho menor. Aunque expresada con ciertas reservas, ya que la presencia de objetos como la supernova de 1885 en Andrómeda era todavía muy escasa, la hipótesis de Baade y Zwicky se vio plenamente confirmada por observaciones y estudios posteriores.

En la segunda comunicación, titulada explícitamente ‘Cosmic Rays From Super-Novae’, Baade y Zwicky sugerían que los rayos cósmicos se producían en las supernovas (¡cuya existencia habían propuesto en la página anterior!) y explicaban satisfactoriamente las observaciones de rayos cósmicos existentes en la época.

Estos resultados habrían bastado, por sí solos, para ganarse una reputación de por vida, como así fue por otra parte. Pero la pareja fue más allá en su segundo trabajo y, “con todas las reservas”, avanzó la hipótesis de que las supernovas representaban la transición de una estrella ordinaria a una estrella de neutrones.

Hay que tener en cuenta que James Chadwick había descubierto el neutrón apenas año y medio antes, en 1932. Baade y Zwicky entendieron que ese nuevo estado de la materia en las estrellas las haría estables, pero quisieron ser especialmente cautos. Solo así también se entiende que separaran sus resultados sobre las supernovas en dos comunicaciones, en lugar de publicarlas como un único artículo.

Son muy pocos los trabajos en astrofísica que, como estos de Baade y Zwicky, presentan tantos conceptos nuevos, incluso revolucionarios, al tiempo que dan con la solución a problemas que habían permanecido largo tiempo sin respuesta satisfactoria alguna. La presentación de estos resultados en dos breves, concisos y muy claros artículos, propició su rápida difusión, no sólo entre los astrofísicos, sino también entre el público en general.

Hoy día, todos los estudiantes de astrofísica aprenden en los libros de texto que la muerte de una estrella masiva da como resultado una supernova, que a su vez deja como remanente una estrella de neutrones (o quizá un agujero negro, como hoy sabemos). También aprenden que las supernovas representan la principal fuente de rayos cósmicos en el universo. Todo esto se lo debemos a los estudios pioneros realizados por Baade y Zwicky en los años 1930. Insisto, a “Baade y Zwicky”, ya que es muy habitual citar solamente a Zwicky como la persona que realizó estas gestas científicas, algo que posiblemente se deba a su peculiar personalidad, que contrastaba con la del tranquilo y caballeroso Baade.

 

* Miguel A. Pérez Torres es investigador del CSIC en el Instituto de Astrofísica de Andalucía.

A la ‘caza’ de exoplanetas por la sierra almeriense de Los Filabres

cara2Por J.M. Valderrama (CSIC)*

Más allá de los estereotipos que identifican Almería con las playas y el calor, nos encontramos ante una de las provincias geográficamente más heterogéneas de España. En efecto, el conjunto de relieves que la jalonan da lugar a una orografía que históricamente ha complicado las comunicaciones pero que, a la vez, contribuye a enriquecer la variedad paisajística. Una de estas cadenas montañosas es la sierra de Los Filabres, un muro de más de 2.000 metros en el que se encuentra el Centro Astronómico Hispano-Alemán, también conocido como el Observatorio de Calar Alto, financiado conjuntamente por el Instituto Max Planck y el CSIC.

Aquí, en lo alto de la montaña, a salvo de la contaminación lumínica, reina la calma y el frío. Una niebla envuelve a estos telescopios, los más relevantes de la Europa continental. Cuando uno los visita, de la mano del personal del Instituto de Astrofísica de Andalucía del CSIC, una de las primeras cosas que llaman la atención es la transformación que ha sufrido la observación del firmamento desde los tiempos de Galileo. Así, los primeros telescopios refractores (que utilizaban lentes) han sido reemplazados por los reflectores (que utilizan espejos); en Calar Alto los dos más grandes tienen 2,2 y 3,5 metros de diámetro. La razón es la siguiente: para llegar más lejos hacen falta lentes o espejos cada vez más grandes (el espejo de 3,5 metros tiene 60 centímetros de grosor y pesa 12 toneladas) y es más asequible la segunda opción, pues hacer una lente perfecta y gigante resulta técnica y económicamente inasequible.

Calar Alto nevado

Paisaje nevado en la sierra de Filabres, donde se encuentra el Observatorio Astronómico de Calar Alto / Santos Pedraz, IAA (CSIC).

El segundo cambio afecta al observador. No hay un ojo al otro lado de las estrellas, sino detectores que recogen las briznas de luz que nos llegan desde millones de kilómetros. Así, ahora los telescopios captan la radiación emitida por los cuerpos celestes y forman la imagen de los objetos observados. Hay dos tipos de instrumentos: las cámaras, que captan imágenes en distintas longitudes de onda, y los espectrógrafos, que descomponen la luz de los objetos en sus diferentes longitudes de onda, de modo que permiten conocer datos como la gravedad de un planeta, su composición química o la distancia al objeto observado.

Además de resultar más cómodo, hay un motivo esencial para justificar la observación remota: la temperatura en el interior de la cúpula, donde están el telescopio y los instrumentos, debe ser lo más parecida posible a la del exterior, con el fin de evitar cualquier mínima turbulencia y así mejorar la calidad de las observaciones. Esto implica varias cosas, como por ejemplo construir observatorios de color blanco con el fin de reducir la absorción de calor por el día, o eliminar cualquier fuente calorífica (personas, estufas, ordenadores) en el interior de la cúpula. Hay soluciones más radicales, y por eso algunos observatorios cuentan con cúpulas que se abren completamente. El hándicap es el viento y una exposición a los elementos que pueden deteriorar el delicado instrumental.

Todos los detalles se tienen en cuenta para que la estación sea operativa el mayor número de noches posible. Solo ante eventualidades extremas, poco frecuentes, se detienen los telescopios. En Calar Alto se han llegado a registrar temperaturas inferiores a los quince grados bajo cero, por lo que, para hacer frente a las duras condiciones, las instalaciones están conectadas mediante túneles para ir de un lado a otro cuando el espesor de nieve es excesivo (y seguimos en Almería).

Telescopio

Telescopio de 3,5 metros de diámetro de Calar Alto / Santos Pedraz, IAA (CSIC).

La observación astronómica tiene como fin conocer el universo. La búsqueda de exoplanetas (planetas fuera del Sistema Solar) es uno de los proyectos que se llevan a cabo en Calar Alto y alcanzará un impulso importante cuando en 2016 empiece a funcionar el espectrógrafo de alta resolución CARMENES, en cuyo diseño participa el Instituto de Astrofísica de Andalucía. Colateralmente, la tecnología desarrollada en la observación astronómica (potentes mecanismos para mover cúpulas o instrumentos diseñados para captar fotones a miles de años luz) enriquece y facilita nuestra vida cotidiana: ¿quién no tiene un CCD ─un sensor con diminutas células fotoeléctricas que registran la imagen─ en la cámara de su móvil? Pues ese cacharro se concibió inicialmente para capturar la luz de las estrellas.

La niebla va abriendo, dejando un paisaje asombroso y una noche que volverá a ser espectacular aquí arriba.

*J. M. Valderrama trabaja en la Estación Experimental Zonas Áridas del CSIC y escribe en el blog Dando bandazos, en el que entremezcla literatura, ciencia y viajes. Agradecimientos a Héctor Magán y Jorge Iglesias, del Instituto de Astrofísica de Andalucía del CSIC.

El origen del universo: las tres grandes evidencias del Big Bang

AutorPor Alberto Fernández Soto (CSIC)*

Todo cambia: nosotros, otros seres vivos, la geografía de nuestro planeta, etc. El universo también evoluciona, aunque habitualmente lo hace en escalas de tiempo mucho mayores. Existen procesos, como la explosión de una supernova, que podemos observar en tiempo real. Pero además el cosmos cambia como un todo, y hace aproximadamente 13.800 millones de años conoció la mayor transformación que podemos imaginar: surgió de repente, de modo que la materia, la energía, e incluso el espacio y el tiempo aparecieron espontáneamente a partir de la nada en lo que hoy llamamos la ‘Gran Explosión.

Esta es una idea difícil de digerir, y como tal requiere evidencias muy sólidas que la apoyen. Tres son las grandes pruebas en que se basa:

  1. El universo se expande. Edwin Hubble observó hacia 1925 que las galaxias se alejan unas de otras a velocidades proporcionales a la distancia entre ellas. Georges Lemâitre había probado anteriormente que un universo en expansión representaba una solución válida de las ecuaciones de Einstein, aunque éste se había mostrado reticente (sus ecuaciones son correctas, pero su física es abominable, cuentan que le dijo). Si el cosmos se encuentra en expansión es fácil imaginar que en el pasado ocupaba un volumen mucho menor y, en el límite, un volumen nulo. Tal instante, en el que la temperatura y la densidad serían extremadamente altas, es lo que llamamos ‘Gran Explosión’ o ‘Big Bang’.
  1. La composición del universo es tres cuartos de hidrógeno y un cuarto de helio, los dos elementos más ligeros. Todo el resto de la tabla periódica, incluyendo los elementos que componen la mayor parte de nuestros cuerpos y nuestro planeta (silicio, aluminio, níquel, hierro, carbono, oxígeno, fósforo, nitrógeno, azufre…), representa aproximadamente el 2% de la masa total. Cuando hacia 1950 algunos físicos (entre ellos Fred Hoyle, William Fowler y el matrimonio formado por Geoff y Margaret Burbidge) entendieron por primera vez las ecuaciones que regían las reacciones nucleares en las estrellas, probaron que todos esos átomos ‘pesados’ habían nacido en los núcleos estelares. George Gamow, Ralph Alpher y Robert Herman aplicaron las mismas ecuaciones a la ‘sopa’ de partículas elementales que debería haber existido en los primeros instantes del universo, teniendo en cuenta su rápido proceso de enfriamiento. Dedujeron que, aproximadamente tres minutos después del instante inicial, la temperatura habría bajado lo suficiente como para frenar cualquier reacción nuclear, dejando un universo con las cantidades observadas de hidrógeno y helio.

    Arno Penzias y Robert Wilson en la antena de Holmdel (Bell Labs, Nueva Jersey) con la que descubrieron la radiación de fondo de microondas. / NASA.

    Arno Penzias y Robert Wilson en la antena de Holmdel (Bell Labs, Nueva Jersey) con la que descubrieron la radiación de fondo de microondas. / NASA.

  1. Si el universo nació en ese estado indescriptiblemente caliente y se ha ido enfriando, ¿cuál será su temperatura actual? Eso se preguntaban Robert Dicke, Jim Peebles, Peter Roll y David Wilkinson en Princeton a mediados de los sesenta. Antes de completar su antena para intentar medir esa temperatura, supieron por un colega que dos astrónomos de los cercanos laboratorios Bell, que utilizaban una gran antena de comunicaciones para medir la emisión de la Vía Láctea, detectaban un ruido de fondo que no conseguían eliminar. Arno Penzias y Robert Wilson habían descubierto, sin saberlo, la radiación de microondas causada por la temperatura de fondo2,7 grados Kelvin (aproximadamente menos 270 grados)– que constituye el eco actual de la Gran Explosión.

Otros resultados recientes, como la medida de la tasa de expansión del universo a partir de observaciones de supernovas (1998) o la detección de escalas ‘fósiles’ características en el agrupamiento de galaxias (2005), han permitido estimar con precisión los parámetros del modelo. Así, la edad del universo es 13.800 millones de años (con una precisión menor del 1%).

La evolución de la estructura del universo según una simulación por ordenador, en escalas de tiempo que cubren desde hace 12.800 millones de años (línea superior) al presente (línea inferior), y escalas de tamaño que van desde 325 (columna izquierda) a 50 millones de años-luz (columna derecha). / Millennium-II Simulation: M. Boylan-Kolchin et al. (Max Planck Institute for Astrophysics), Volker Springel (Heidelberg Institute for Theoretical Studies).

La evolución de la estructura del universo según una simulación por ordenador, en escalas de tiempo que cubren desde hace 12.800 millones de años (línea superior) al presente (línea inferior), y escalas de tamaño que van desde 325 (columna izquierda) a 50 millones de años-luz (columna derecha). / Millennium-II Simulation: M. Boylan-Kolchin et al. (Max Planck Institute for Astrophysics), Volker Springel (Heidelberg Institute for Theoretical Studies).

Eso sí, menos de un 5% del contenido del cosmos es la materia que estamos acostumbrados a ver. Existe otro tipo de materia del que hay una cantidad cuatro veces mayor que de materia normal –sólo notamos su efecto gravitatorio, y la llamamos ‘materia oscura–. Además una nueva componente, que llamamos ‘energía oscura a falta de un nombre mejor, representa casi un 75% del contenido del cosmos. ¿Su propiedad principal? Que genera una presión que se opone a la gravedad haciendo que el universo se encuentre en un proceso de expansión desbocada.

Hace 10.000 millones de años se formó nuestra galaxia, y nuestro sistema solar apareció solamente unos 5.000 millones de años atrás. En uno de sus planetas aparecieron hace casi 4.000 millones de años los primeros seres vivos: entes capaces de almacenar información genética, reproducirse y evolucionar. Tuvieron que pasar casi todos esos años para que, prácticamente ayer, apareciera una especie de primate capaz de observar el mundo a su alrededor, hacerse preguntas, y almacenar información de un nuevo modo: el instinto, el habla, la escritura, la cultura, la ciencia…

La cosmología observacional ha conseguido hoy responder a muchas preguntas que hace poco más de un siglo eran absolutamente inatacables para la física. No obstante un gran número de nuevos problemas se han abierto: ¿Qué es la materia oscura? ¿Cuál es la naturaleza de la energía oscura y cómo provoca la expansión? ¿Qué produjo la asimetría inicial entre materia y antimateria? ¿Tuvo el universo temprano una fase inflacionaria de crecimiento acelerado? Multitud de programas observacionales y esfuerzos teóricos y computacionales se dedican a intentar resolver estas cuestiones. Esperamos que al menos algunas de ellas tengan respuesta en los próximos años.

 

* Alberto Fernández Soto investiga en el Instituto de Física de Cantabria (CSIC-UC) y en la Unidad Asociada Observatori Astronòmic (UV-IFCA). Junto con Carlos Briones y José María Bermúdez de Castro, es autor de Orígenes: El universo, la vida, los humanos (Crítica).

A la caza del agujero negro en el corazón de la Vía Láctea

M. VillarPor Montserrat Villar (CSIC)*

Si pudiéramos reducir el tamaño de la Tierra al de un azucarillo, nuestro planeta se convertiría en un agujero negro. En teoría, lo mismo ocurriría con cualquier objeto siempre que contáramos con un sistema capaz de comprimirlo lo suficiente: una casa, una mesa, yo misma. Por debajo de un tamaño crítico el efecto de la gravedad será imparable: ninguna fuerza podrá impedir el colapso e inevitablemente se formará un agujero negro. Ese tamaño crítico viene determinado por el llamado ‘radio de Schwarschild’ y depende únicamente de la masa del objeto en cuestión. Es decir, conocida la masa, el radio de Schwarschild se deduce con facilidad. Para la Tierra es aproximadamente 1 centímetro, mientras que para el Sol son unos 3 kilómetros. Por tanto, si el Sol se redujera a una bola de unos 3 kilómetros de radio, nada impediría que se convirtiera en un agujero negro.

Agujero negro

Distorsión visual que observaríamos en las proximidades del agujero negro en el centro de la Vía Láctea debida a los efectos de la gravedad.

La existencia de un agujero negro en el centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea, fue propuesta en 1971 a partir de evidencias indirectas. Las pruebas concluyentes empezaron a acumularse hacia 1995 y hoy su existencia está confirmada. ¿Cómo lo sabemos?

Para comprobarlo necesitamos determinar cuánta masa hay en el centro galáctico y el volumen que ocupa. Si es menor que el correspondiente al ‘radio de Schwarchild’, tendremos la prueba definitiva. Sin embargo, no podemos ver un agujero negro. En el interior de dicho radio (que coincide con el llamado horizonte de sucesos del agujero negro), la fuerza de la gravedad es tan intensa que nada, ni siquiera la luz, puede escapar. ¿Cómo medir la masa y el volumen de algo que no podemos ver?

Esto se ha logrado estudiando cómo se mueven las estrellas más cercanas a la localización de ese objeto invisible en el centro de nuestra galaxia, región llamada Sagitario A*. Puesto que la fuerza de la gravedad determina los movimientos de dichas estrellas, midiendo la velocidad, forma y tamaño de sus órbitas podremos inferir la masa responsable y determinar su tamaño máximo.

A mediados de la década de los 90 y durante casi veinte años se han rastreado los movimientos de unas treinta estrellas, las más próximas conocidas a Sagitario A*. Para estas observaciones astronómicas se utilizaron los mayores telescopios ópticos del mundo (telescopios VLT y Keck, en Chile y Hawai respectivamente). Así se obtuvo la visión más nítida conseguida hasta la fecha del centro de nuestra galaxia.

örbitas

Imagen generada por ordenador. Órbitas de las estrellas conocidas más próximas a Sagitario A* rastreadas a lo largo de veinte años (Keck/UCLA/A. Ghez).

La estrella más cercana a Sagitario A* tarda poco más de quince años en describir su órbita y se acerca a una distancia mínima equivalente a unas tres veces la distancia media entre el Sol y Plutón. Llega a alcanzar una velocidad de ¡18 millones de kilómetros por hora! Para explicar movimientos tan extremos se necesita una masa equivalente a cuatro millones de soles. El ‘radio de Schwarschild’ correspondiente a esta masa es de unos 13 millones de kilómetros. Medidas realizadas con técnicas diversas demuestran que ese objeto invisible ocupa un volumen con un radio de, como máximo, unos 45 millones de kilómetros; es decir, unas 3.5 veces el ‘radio de Schwarschild’. Aunque estrictamente no podemos afirmar que la masa central está contenida en un volumen inferior al de Schwarshchild, sabemos que se trata de un agujero negro. Pensemos que en un volumen menor que el que contiene al Sol y Mercurio, tendríamos que ‘empaquetar’ cuatro millones de soles. No hay explicación alternativa: nada que conozcamos puede tener una masa tan enorme y ocupar un volumen tan pequeño.

 

* Montserrat Villar es investigadora en el Centro de Astrobiología (INTA/CSIC) en el grupo de Astrofísica extragaláctica

El universo es un globo que se hincha a toda velocidad

Balloon-AnalogyPor Mar Gulis

Una de las mejores imágenes para representar la expansión del universo es la de un globo que se hincha. Si sobre la superficie de este globo marcamos previamente unos puntos con tinta, veremos que los puntos no se mueven con respecto al globo, sino que la ‘cantidad de globo’ entre ellos aumenta a medida que lo inflamos. En el caso de que pudiéramos anclar observadores en las marcas, estos verían cómo se alejan mutuamente entre sí a velocidades proporcionales a su distancia, por más que ellos no gasten ninguna energía en moverse.

Las galaxias se parecen a estos puntos: flotan como objetos inertes en el espacio, pero se alejan entre sí arrastradas por el propio crecimiento de la ‘cantidad’ de espacio. Por esta razón no se puede hablar de un centro del universo, como no se puede hablar de un país que esté en el centro de la superficie terrestre.

Resulta muy fácil observar marcas en un pequeño globo desde fuera, pero en el caso de nuestro universo estamos situados dentro de algo que, por lo demás, es enorme. ¿Por qué entonces sabemos que las galaxias se alejan entre sí?

Como explica el físico del CSIC José Luis Fernández Barbón, para entenderlo hay que tener en cuenta que en la teoría de Einstein una expansión del espacio conlleva un ‘estiramiento de las ondas de luz que lo atraviesan. En consecuencia, si intercambiamos señales de luz entre dos galaxias que se alejan, la longitud de onda en recepción tiene que ser mayor que en emisión. Cuanto más tiempo dura el viaje de los fotones, más estiramiento sufrirán.

Ondas

Este efecto se parece al cambio de agudo a grave en el sonido de un tren que pasa por nuestro lado a gran velocidad (el llamado efecto Doppler). En astronomía se llama corrimiento al rojo cosmológico, un concepto clave para determinar las distancias de las galaxias lejanas: cuanto más rojas se ven, más lejos están y más rápido van. Esto es así porque en el espectro visible el rojo se corresponde con mayores longitudes de onda.

Corrimiento al rojo

Cuanto más lejos están las galaxias (eje vertical), mayor es la longitud de onda medida en nanómetros (eje horizontal) y, por tanto, más rojo se aprecia su espectro.

Estudiando el espectro de las galaxias podemos deducir a qué velocidades se alejan. Si nos fijamos en el cúmulo de Virgo, a una distancia media de 50 millones de años luz, veremos que todas se alejan de nosotros a velocidades entre 1.000 y 2.000 kilómetros por segundo. Y en el supercúmulo de Coma Berenice, a 300 millones de años luz, las velocidades oscilan entre 7.000 y 8.500 por segundo.

El corrimiento al rojo cosmológico ocurre con todas las galaxias, salvo las situadas en nuestro cúmulo local, como Andrómeda. En este caso, el desplazamiento del espectro se produce hacia el azul, lo cual quiere decir que, en lugar de alejarse, se acerca a nosotros a una velocidad de 60 kilómetros por segundo. Eso significa que dentro de 4.000 millones de años Andrómeda y la Vía Láctea se fusionarán, pero eso es otra historia…

 

Si quieres más ciencia para llevar sobre la expansión del universo y el corrimiento al rojo consulta el libro Los agujeros negros (CSIC-Catara), de José Luis Fernández Barbón, la web de divulgación sobre astronomía NASE y la web de Henrietta Leavitt del Instituto Astrofísico de Andalucía (CSIC).

¿Qué pasará si el universo no frena su expansión?

AutorPor José Luis Fernández Barbón (CSIC)*

El universo se expande, sí, pero ahora sabemos que lo hace de forma acelerada. Todas las galaxias lejanas se escapan de nosotros más rápido que las cercanas, pero además lo hacen hoy más deprisa que ayer. Esto significa que, de seguir así, todas ellas acabarán por aproximarse a la velocidad de la luz, y también que hay galaxias en el universo cuya luz nunca llegará hasta nosotros. Aunque esperemos una eternidad, la fabricación constante de espacio entre medias impide que los fotones puedan completar el viaje.

Universo lejano

Campo ultraprofundo del Telescopio Hubble. La imagen recoge una colección de galaxias de las más distantes que se han logrado observar. / NASA,
ESA, S. Beckwith (STScI) y HUDF Team

Todas las consideraciones nos dicen que, en un espacio-tiempo en expansión acelerada como el que parece corresponder a nuestro universo, debe existir un horizonte de sucesos cosmológico. Desde nuestro punto de vista, ese horizonte se ve como una gigantesca esfera negra con un tamaño de unas 20.000 veces la distancia que nos separa de la galaxia de Andrómeda. Lo que sucede más allá de este horizonte siempre estará fuera del alcance de nuestros instrumentos.

Bajo la hipótesis de que la expansión acelerada se mantenga eternamente, acabaremos por tener a todas las galaxias lejanas congeladas sobre nuestro horizonte cosmológico, cada vez más tenues, hasta que los fotones de su luz sean tan débiles que no los podamos detectar. En este caso, la astronomía será poco interesante para nuestros descendientes.

Para ellos, después de fusionarse con Andrómeda, la Vía Láctea parecerá una isla solitaria en el centro de un universo vacío. Resultaría irónico que una visión ‘galactocéntrica’ acabara por imponerse miles de millones de años después de que el geocentrismo griego hubiera sido relegado por la historia. Si así fuera, vivimos en una época privilegiada, una época en la que todavía podemos echar la vista atrás y divisar las reliquias del Big Bang.

 

* José Luis Fernández Barbón es investigador del CSIC en el Instituto de Física Teórica (CSIC-UAM) y autor del libro Los agujeros negros (CSIC-Catarata).

Neutrinos, los ‘chivatos’ galácticos de las explosiones de estrellas

Mar Gulis

Nadie lo sabe. Pero los neutrinos, esas misteriosas partículas sin carga que pasan a través de la materia ordinaria sin apenas perturbarla, pueden servir de mensajeros y detectores tempranos de las supernovas, espectaculares explosiones estelares.

Supernova Remnant W49B

W49B. Resto de una supernova que explotó sobre el año 1000 /NASA Goddard Space Flight Center

Vayan por delante algunos números para familiarizarnos con estas partículas de masa muy pequeña [menos de una milmillonésima de la masa de un átomo de hidrógeno] que casi no se hablan con la materia ordinaria, lo que les ha valido el nombre de ‘partículas fantasma’, como nos cuenta el físico Sergio Pastor Carpi en su libro ‘Los neutrinos’ (CSIC-Los Libros de la Catarata).

Una persona es atravesada cada segundo por unos 600 billones (600 millones de millones) de neutrinos del Sol, del orden de 50.000 millones de neutrinos creados por la radiactividad natural y unos 10.000 millones de neutrinos originados en reactores nucleares, dependiendo de la distancia a la que se encuentre la correspondiente central. Además, en cada instante, el volumen medio de una persona está siendo atravesado por unos 20 millones de neutrinos remanentes de los primeros instantes del universo.

Hace unos 168.000 años estalló una estrella en una de las galaxias satélites de la Vía Láctea: la Gran Nube de Magallanes, visible desde el hemisferio sur. Cuando se descubren, las supernovas se nombran con SN seguido del año y de una letra o serie de letras. Como esta supernova fue la primera que se vio en 1987, recibió el nombre de SN 1987 A. El 23 de febrero de 1987 los neutrinos de SN 1987 llegaron a la Tierra, la atravesaron y produjeron señales en tres experimentos: KamiokanNDE, IMB  y un detector en Baksan, en el Cáucaso ruso.

Detector antártico de neutrinos

Detector antártico de neutrinos Ice Cube /Felipe Pedreros

Estas partículas subatómicas llegaron a nuestro planeta tres horas antes que la luz de la supernova, cuyo brillo puede superar al de una galaxia entera, fuera vista por los telescopios ópticos. El motivo no es que los neutrinos viajen más rápido que los fotones, sino que la luz tarda más en atravesar las capas externas de la supernova. Los neutrinos, por tanto, pueden avisarnos de la explosión de una supernova con tiempo suficiente para que los astrónomos apunten sus telescopios y estudien el fenómeno lo antes posible.

En la actualidad existe una red compuesta por seis detectores de neutrinos llamada SNEWS (Supernova Early Warning System, Sistema de Alerta Temprana de Supernova), creada para proporcionar un aviso coordinado de la detección de un pulso repentino de neutrinos como el esperado de una supernova. A través de su página web, cualquier persona puede inscribirse  para recibir en su móvil una alerta de detección de neutrinos de una supernova. Tiene sentido estar preparados para un acontecimiento así de excepcional: la última supernova visible en nuestra galaxia fue observada por Jonannes Kepler en 1604.

¿Queda algo por contar sobre los agujeros negros?

M. Villar

Por Montserrat Villar (CSIC)*

Se ha hablado y escrito tanto sobre los agujeros negros que, quizás, se podría pensar que es difícil contar algo nuevo e interesante. Sin embargo, hay motivos para afirmar sin dudarlo que aún queda mucho por decir sobre ellos.

Imagen generada por ordenador. Ilustra la distorsión visual que observaríamos en las proximidades de un agujero negro debida a los efectos de la gravedad. / Alain Riazuelo

Imagen generada por ordenador. Ilustra la distorsión visual que observaríamos en las proximidades de un agujero negro debida a los efectos de la gravedad. / Alain Riazuelo

Los agujeros negros siguen siendo objetos misteriosos. Según las ecuaciones de la teoría de la relatividad general de Einstein (enunciada hace unos cien años), toda la masa de un agujero negro está contenida en una zona infinitamente pequeña, no ocupa espacio en absoluto. Se trata de algo tan extraño que desde su predicción, y aún hoy, sigue desafiando a las mentes más brillantes. El propio Einstein afirmó que, aunque la teoría predijera su existencia, no podría haber objetos tan exóticos en el mundo real. Hoy todo parece indicar que existen. Es más, son algo común en el universo.

Contamos con dos teorías exitosas cuando se aplican por separado. Una de ellas es la teoría de Einstein que acabo de mencionar. Da cuenta de manera sublime de la forma en que la gravedad ejerce influencia sobre el movimiento de los planetas, estrellas y galaxias. Describe el mundo de las distancias enormes y las masas gigantescas. Pero no explica, por otro lado, el mundo en las escalas más pequeñas, el de los átomos y las partículas que los forman, aquel en que las masas son diminutas y la gravedad despreciable. Para ello contamos con una teoría diferente y también maravillosa: la mecánica cuántica, que describe cómo funciona la naturaleza en el nivel más fundamental. A su vez, no puede explicar la gravedad, que funciona en escalas de espacio y masas mucho mayores. Ambas teorías, por tanto, aportan visiones parciales de la realidad.

Los intentos de combinar la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad general de Eintein se engloban en la llamada teoría de la gravedad cuántica. / CERN

Los intentos de combinar la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad
general de Einstein se engloban en la llamada teoría de la gravedad cuántica. / CERN

En general, la mecánica cuántica y la relatividad general no entran en conflicto porque actúan en ámbitos en apariencia independientes. Sin embargo, existe un escenario en el que ambas deberían ser aplicables: allí donde el tamaño es muy pequeño y la masa gigantesca: los agujeros negros. Pues bien, aquí ambas teorías son incompatibles.

Hay miles de millones de agujeros negros en el universo y, por tanto, miles de millones de lugares donde dos teorías magníficas por separado, dejan de funcionar. Los esfuerzos que durante décadas se han dedicado a formular una teoría (la llamada gravedad cuántica) que unifique la relatividad general y la mecánica cuántica no han logrado el objetivo hasta el momento. Las dificultades son enormes, desde incertidumbres conceptuales en cuanto al tratamiento del espacio y del tiempo, hasta los obstáculos inherentes al diseño de experimentos y observaciones (particularmente en el área de la astronomía, en concreto la cosmología) y, por consiguiente, la escasez de datos que permitan poner a prueba los posibles avances teóricos. ¿Cómo pueden coexistir ambas teorías? No hay muchas preguntas que representen un reto tan grande para el pensamiento científico y filosófico.

Los agujeros negros seguirán dando que hablar durante mucho tiempo, porque son un símbolo de lo que no entendemos y porque son enigmáticos y complicados. El desafío de comprenderlos es formidable y, como consecuencia, mayor es su atractivo.

 

* Montserrat Villar es investigadora en el Centro de Astrobiología (INTA/CSIC) en el grupo de Astrofísica extragaláctica.

¿Qué tiene que ver la nieve de tu televisor con el origen del universo?

televisor nievePor Mar Gulis

Hay que echarle algo de imaginación, pero si nos lo proponemos podemos convertir cualquier momento en el que no haya nada interesante en la televisión en una observación de los orígenes del universo. Y todo sin moverse del sofá.

Lo primero es olvidarse de los canales digitales y ponerse a sintonizar alguna frecuencia analógica, igual que en los viejos tiempos. Como después del ‘apagón analógico’ en España ninguna cadena realiza este tipo de emisiones, encontraremos algo que seguramente nos resulte familiar: la famosa nieve o ruido blanco. La mayor parte de ese ruido proviene del mismo receptor o de otras emisiones de origen humano, como las de radio. No obstante, se estima que el 1% de ese ruido está provocado por la llamada radiación cósmica, que se originó hace unos 13.700 millones de años, cuando el universo ‘acababa’ de nacer.

La radiación cósmica había sido predicha por el astrofísico de origen ruso George Gamow en 1948, pero fueron los jóvenes radioastrónomos A. Penzias y R. Wilson quienes, en 1965, recogieron la primera evidencia de este fenómeno… aunque lo hicieron de forma totalmente casual.

Penzias y Wilson habían dedicado enormes esfuerzos a ‘limpiar’ el ruido parásito y las interferencias de una antena que pretendían utilizar para captar ondas de radio emitidas por nuestra galaxia. Sin embargo, había una extraña señal de microondas en forma de silbido que no lograban hacer desaparecer por  más que limpiaran y desmontaran la antena una y otra vez.

Lo asombroso de esa señal es que parecía venir de todas partes y llegaba a todas horas. Penzias y Wilson no comprendieron la importancia de este descubrimiento hasta que contactaron con el equipo de Robert Dicke, que casualmente estaba buscando aquello de lo que ellos querían librarse solo a 50 kilómetros de su antena, en la Universidad de Princeton. El divulgador Bill Bryson cuenta que poco después la revista Astrophysical Journal publicó un artículo de Penzias y Wilson en el que describían su experiencia con el silbido y otro de Dicke que explicaba que su origen era la radiación cósmica… pero el Nobel de física de 1978 fue solo para los primeros.

Una pena por Dicke, ¿pero qué es eso de la radiación cósmica? El físico del CSIC Alberto Casas explica que su origen se remonta a cuando el universo tenía ‘solo’ 380.000 años. Hasta entonces el cosmos era una especie de ‘sopa traslúcida’, conocida como plasma, compuesta principalmente por fotones, electrones y núcleos de elementos ligeros, como el hidrógeno y el helio.

Sin embargo, en aquel momento la temperatura descendió por debajo de los 3.000 grados y los electrones (con carga negativa) se hicieron suficientemente lentos como para que los núcleos (con carga positiva) los capturaran para formar átomos neutros. Eso, a su vez, hizo que los fotones dejaran de chocar constantemente con partículas positivas y negativas y pudiesen viajar libremente y en todas las direcciones sin interrupciones… La luz, tal y como la conocemos, acababa de ‘nacer’.

Final del plasma

Lo que pasa es que esos fotones han ‘envejecido’ junto con el universo y por eso ya no nos llegan en forma de luz, sino en forma de microondas: a medida que el cosmos se ha ido expandiendo, la longitud de onda de los fotones de la radiación cósmica también lo ha hecho.

Ondas

Como resultado estos fotones, además de invisibles, se han hecho menos energéticos y más fríos: ahora, en lugar de 3.000 grados centígrados, su temperatura es de 270 bajo cero. Esto puede parecer poco pero curiosamente significa que son la calefacción del universo: si no estuvieran en todas partes, la temperatura del cosmos se encontraría en el cero absoluto, a menos 273 grados.

Sin embargo, la temperatura de la radiacón cósmica no es totalmente homogénea. Existen pequeñísimas diferencias del orden de la cienmilésimas de grado en la radiación que alcanza la Tierra desde distintas direcciones. Los fotones de esta radiación que llegan a nuestro planeta ‘justo’ ahora partieron cuando el plasma dio lugar a un universo de átomos neutros, por lo que el mapa de nuestro cielo que representa las diferencias de temperatura de la radiación cósmica constituye la ‘fotografía’ más antigua que tenemos del universo. Esas inhomogeneidades de temperatura corresponden a las diferentes densidades que tenía el plasma en aquel momento y son una enorme fuente de información para conocer cómo era el cosmos en sus primeros años de vida.

Temperatura de la radiación de fondo

Mapa del cielo representando la temperatura de la radiación de fondo. / NASA-WMAP Science Team.

Así que la próxima vez que aparezca nieve en tu televisor no pienses que no hay nada que ver. Ese ruido puede tener más contenido que la programación habitual…

 

Si quieres más ciencia para llevar sobre la radiación cósmica y la historia del universo consulta el libro El lado oscuro del universo (CSIC-Catarata), de Alberto Casas.