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Kepler o cómo detectar una mosca posada en el Empire State a 30 km

Por Mar Gulis (CSIC)

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Momento del lanzamiento de Kepler en 2009 / NASA / S. Joseph / K. O’connell

A las 10:49 del 6 de marzo de 2009 la NASA lanzó al espacio, desde Cabo Cañaveral (Florida), el telescopio Kepler. Situado a unos 120 millones de kilómetros de la Tierra, este sofisticado instrumento se diseñó para identificar planetas similares al nuestro orbitando alrededor de estrellas parecidas al Sol y en torno a la zona de habitabilidad de las mismas. En un principio, Kepler apuntó “única y exclusivamente a una pequeña región del firmamento, tomando imágenes cada 30 minutos de alrededor de 150.000 estrellas”, tal y como explicaron David Barrado y Jorge Lillo, del Centro de Astrobiología (CSIC-INTA).  Pero después de varios fallos y de no poder apuntar con precisión a esa área, se entró en la denominada fase K2. Así, “Kepler realiza ahora campañas de tres meses en las que apunta a una región determinada, pero siempre en lo que se denomina la eclíptica, el plano de la órbita de la Tierra”, puntualiza Barrado.

Según estos investigadores, “la precisión del telescopio Kepler es tal que puede detectar disminuciones en el brillo de una estrella del orden de 10 partes por millón”. Para que cualquiera pueda entender estas cifras, ponen el siguiente ejemplo: la sonda sería capaz de detectar, “a una distancia de 30 kilómetros, una mosca posada en una de las ventanas del emblemático edificio Empire State”. Y es esa asombrosa precisión la que permite a Kepler obtener datos que sirven para constatar la existencia de cientos o incluso miles de planetas con tamaños y características semejantes a los de la Tierra.

Estos complejos cálculos se llevan a cabo de la siguiente manera: al medir con exactitud “las variaciones en el brillo de cada astro, se pueden detectar objetos que, al pasar por delante del mismo (como ocurre en los eclipses de Sol), lo oculten parcialmente y produzcan estos descensos de luminosidad. Este es el llamado método de los tránsitos”, afirman Barrado y Lillo. Eso mismo sucede en nuestro sistema solar cuando Mercurio o Venus se proyectan sobre el sol. Como su tamaño es mucho menor que el de nuestro astro, obviamente seguirá siendo de día, pero si se efectúan mediciones con la instrumentación adecuada, se apreciará una disminución del brillo estelar. Con los exoplanetas –aquellos planetas que están fuera de nuestro sistema solar– se procede de la misma manera y, en función de lo grande que sea esa disminución y de cuánto dure, “podemos obtener parámetros del planeta como su radio, el periodo de su órbita o la distancia a la que está de su estrella”, añaden. En general, cuando más pequeño sea el planeta (su masa), más difícil será detectarlo y confirmar su existencia.

Pese a la complejidad de estas mediciones, el pasado mayo los responsables del telescopio Kepler anunciaron el descubrimiento de 1.284 nuevos exoplanetas, el doble de los conocidos hasta la fecha. El hallazgo fue el resultado de un segundo análisis de los datos captados por Kepler en julio de 2015, que señalaban ya unos 4.302 candidatos a planetas. Los científicos emplearon un método estadístico que calcula la probabilidad de que cada planeta detectado exista realmente, es decir, que las señales captadas por el telescopio sean de naturaleza planetaria, y no causadas por estrellas u otros cuerpos celestes. Según los datos obtenidos, que fueron publicados en The Astrophysical Journal, hay más de un 99% de posibilidades de que esos 1.284 planetas sean reales, mientras que los restantes son solo candidatos probables o bien señales que habrían producido otros fenómenos astrofísicos, según la propia NASA.

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Ilustración de la NASA del telescopio Kepler / NASA

Aunque Kepler finalizará su misión en 2018, se prevé que para entonces el equipo de investigadores que trabaja con él habrá elaborado una especie de censo o catálogo de planetas en nuestra galaxia, la Vía Láctea. Kepler ha supuesto un punto de inflexión porque antes de su lanzamiento no se sabía si los exoplanetas eran algo frecuente o una rareza galáctica. “Ahora sabemos que podría haber más planetas que estrellas”, afirmó en mayo Paul Hertz, otro científico de la NASA.

No solo eso. Ya hay evidencias de que de los 1.284 planetas detectados, unas cuantas decenas podrían ser rocosos y de un tamaño similar al de la Tierra. De ellos, la comunidad científica subraya que nueve orbitan en la denominada zona habitable, es decir, la distancia adecuada respecto a su estrella para permitir que tengan agua líquida en la superficie. Así, desde el lanzamiento de Kepler en 2009, se ha constatado la existencia de 21 planetas con esas características. Son los exoplanetas más parecidos a la Tierra y con más posibilidades a albergar algún tipo de vida.

Si se extrapola el número de planetas detectados hasta la fecha a la población de estrellas conocidas, las cifras resultantes apabullan: podrían existir decenas de miles de millones de planetas ‘habitables’ en toda la Vía Láctea.

Como señalan Barrado y Lillo, “si hace solo 10 años era difícil afirmar si seríamos capaces de detectar planetas similares a la Tierra, ¿cuáles serán los siguientes logros de la ciencia en el campo exoplanetario?”. Dado que los planetas del sistema solar no están solos en el universo, tal vez, dicen, “el hallazgo de un gemelo de la Tierra, en cuanto a condiciones y habitabilidad, no esté tan lejos”.

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.

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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

Agujeros negros, ‘monstruos’ en el centro de cada galaxia

Por Mar Gulis

El físico norteamericano John A. Wheeler acuñó en 1967 el término ‘agujero negro’ para referirse a una de las consecuencias más extrañas de las teorías de Einstein: una región del espacio que se comporta como una puerta giratoria de un solo sentido. Cualquier objeto que entre por la puerta accede al interior del agujero, pero nada, ni siquiera la luz, puede salir. Con esta analogía explica José Luis Fernández Barbón, físico teórico del CSIC, qué son estas misteriosas regiones del espacio en su libro Los agujeros negros (CSIC-Catarata).

En efecto, estos exóticos objetos ejercen una gran fascinación sobre los físicos, que han encontrado en ellos auténticas piedras filosofales de los fundamentos de la física. Aunque tienen una larga historia como posibilidad teórica, fue en los años 70 y 80 cuando los agujeros negros empezaron a formar parte del pensamiento cotidiano de los astrofísicos. Más tarde los progresos en instrumentación astronómica permitieron asomarse al mismo centro de las grandes galaxias, como nuestra Vía Láctea, proporcionando pruebas de la existencia de agujeros negros gigantes con masas equivalentes a miles de millones de soles.

La Via Láctea vista desde el desierto de Atacama

La Via Láctea vista desde el desierto de Atacama. / Google imágenes.

Antes de seguir, aclaremos varios conceptos. Las galaxias están compuestas de estrellas, gas, polvo y materia oscura, y sus dimensiones son enormes, llegando a superar los 300.000 años luz de diámetro. La galaxia a la que pertenece el Sol, la Vía Láctea, tiene 100.000 millones de estrellas y en el universo hay miles de millones de este tipo de galaxias.

Los agujeros negros pueden formarse cuando una cantidad de materia equivalente a la masa del Sol queda concentrada en una región de unos pocos kilómetros. Esto puede suceder cuando una estrella masiva estalla como supernova. Si hay más materia, digamos un millón de soles, basta que esta se concentre en una región de unos pocos millones de kilómetros, y así sucesivamente. La superficie esférica del agujero negro se llama horizonte de sucesos. Cualquier objeto que la sobrepase es engullido y no podrá dar marcha atrás en su camino. Es el punto en el que la atracción gravitacional de un agujero negro es tan fuerte que nada puede escapar de él.

Aunque no se ven directamente, diversos candidatos a agujeros negros han sido descubiertos en el universo gracias a otros objetos visibles que giran en su órbita, como por ejemplo una estrella compañera. Sin embargo, los candidatos más espectaculares están en los confines del universo. Mirando muy muy lejos se ven las galaxias tal como eran cuando el universo era mucho más joven, hasta la décima parte de su edad actual. Estas galaxias, llamadas quásares, emiten casi toda su radiación desde el mismo centro, como volcanes en erupción. La única explicación aceptada de su funcionamiento es un agujero negro gigante que se alimenta violentamente, engullendo a borbotones y emitiendo ‘salpicaduras’ que vemos como la radiación del quásar. Pero si las galaxias tenían agujeros negros gigantes en su adolescencia, deben mantenerlos en su vejez, ocultos como dragones dormidos…

Chandra's image (left) has provided evidence for a new and unexpected way for stars to form. A combination of infrared and X-ray observations indicates that a surplus of massive stars has formed from a large disk of gas around Sagittarius A* (illustration on right). According to the standard model for star formation, gas clouds from which stars form should have been ripped apart by tidal forces from the supermassive black hole. Evidently, the gravity of a dense disk of gas around Sagittarius A* offsets the tidal forces and allows stars to form. The tug-of-war between the black hole's tidal forces and the gravity of the disk has also favored the formation of a much higher proportion of massive stars than normal.

Esta imagen tomada por el satélite Chandra muestra el centro de nuestra galaxia. La flecha señala la ubicación del agujero negro, conocido como Sagitario A*, o Sgr A* de modo abreviado. / NASA/CXC/MIT/F. K. Baganoff et al.

Justo en el centro de nuestra galaxia, a solo 27.000 años luz de nosotros, hay un anillo de gases que emite radiación mientras gira a grandísimas velocidades. Fue descubierto en 1974 por los estadounidenses Bruce Balick y Robert Brown, que lo denominaron Sagittarius A*. Con el tiempo se ha comprobado que las estrellas en su vecindad trazan órbitas rapidísimas. Para que se produzcan estos fenómenos es necesario que haya en el centro galáctico una gigantesca masa de tres o cuatro millones de soles, que, según muchos científicos, sólo puede ser un agujero negro.

La hipótesis de que todas las grandes galaxias tienen un agujero negro gigante en el centro, testigo mudo de su pasado quásar, ha dejado hace tiempo de ser un ámbito limitado a los ‘pioneros’ de los años 60, como el ruso Yakov Zeldovich, el norteamericano Edwin Salpeter, o los británicos Donald Lynden-Bell y Martin Rees. Hoy, el papel de estos ‘monstruos en la vida de las galaxias es una de las áreas de trabajo esenciales en la astrofísica contemporánea.

Nuestro ‘dragón’ particular en el centro de la Vía Láctea pesa lo equivalente a cuatro millones de soles. Sin embargo, su tamaño sería relativamente pequeño en el club de los monstruos. Se estima que muchos quásares tienen agujeros negros con masas de miles de millones de soles. Incluso las estimaciones realizadas para la zona central de la galaxia Andrómeda revelan que su agujero negro podría ser unas 100 veces mayor que el nuestro. Dado que ambas galaxias están en rumbo de colisión parece claro quién llevará la voz cantante en el baile cósmico que tendrá lugar en unos 4.000 millones de años.

Te contamos la historia del cosmos comprimida en un año

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Por Ricardo Moreno, Susana Deustua y Rosa M. Ros *

Supongamos que todo el tiempo desde el Big Bang hasta ahora [13.700 millones de años aproximadamente] lo comprimimos en un año, del 1 de enero al 31 de diciembre. Hasta mayo no se formó nuestra Vía Láctea. A primeros de septiembre se formó el Sol, y la Tierra tuvo forma esférica a mediados de ese mes. Pero no es hasta primeros de diciembre cuando el oxígeno se hace presente en nuestra atmósfera. Aunque unas células vivas muy sencillas aparecen enseguida sobre la Tierra, las células con núcleo como las actuales aparecen el 2 de diciembre y el día 12 los primeros organismos pluricelulares. El 19 aparecen las plantas y peces, y el 23 los árboles, insectos y reptiles. El 25 aparecen los dinosaurios, que duran hasta el 28. En el día 30 los mamíferos viven ya sobre la Tierra, pero no es hasta el 31 de diciembre, a las 23:00, cuando aparece el homo sapiens. En el último minuto se pintan las cuevas de Altamira. Cinco segundos antes de las doce de la noche es cuando nace Jesucristo. El último siglo serían las últimas dos décimas de segundo.

Calendario cósmico

 

* Este pasaje forma parte del libro 14 pasos hacia el Universo (2012). Es una de las múltiples iniciativas puestas en marcha por la Network for Astronomy School Education (NASE), con la que colabora el CSIC, con el objetivo de acercar la astronomía al profesorado de Primaria y Secundaria.

¿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).

Athena, un invento para ver el universo con rayos x

Por Agustín Camón (CSIC)*

Cuando observamos el cielo en una noche estrellada no solemos reparar en todo lo que no vemos. Olvidamos que hay muchas cosas que se le escapan a nuestra retina. Pensar que en esos instantes estamos viendo ‘todo’ es tan absurdo como pensar que por haber oído una emisora de radio ya hemos escuchado todas. La luz, la radio, los rayos X o las microondas, todo es lo mismo, radiación electromagnética. La diferencia, al igual que entre las distintas emisoras, es la frecuencia.

Nuestros ojos son sensores capaces de detectar frecuencias un millón de veces más altas que las de la radio, pero solo en un determinado rango. Si la frecuencia se hace demasiado grande ya no podemos ver la luz; es lo que llamamos el ultravioleta. Lo mismo ocurre si la frecuencia es demasiado baja; en ese caso hablamos del infrarrojo. Así pues, nuestros ojos son como un aparato de radio que puede ‘ver’ las emisoras que van desde el infrarrojo al ultravioleta. Cada una de esas frecuencias intermedias es interpretada por nuestro cerebro como un color, creando por ejemplo el maravilloso espectáculo del cielo nocturno. Pero nos estamos perdiendo todas las frecuencias que no vemos. ¿Cómo sería una noche estrellada si pudiéramos ver el infrarrojo o los rayos X?

    De arriba a abajo, la Vía Láctea a las distintas frecuencias: radio (las cuatro primeras franjas), infrarrojo, infrarrojo medio, infrarrojo cercano, rango visible (u óptico), ustravioleta, rayos X y rayos gamma / NASA

De arriba a abajo, la Vía Láctea a las distintas frecuencias: radio (las cuatro primeras franjas), infrarrojo, infrarrojo medio, infrarrojo cercano, rango visible (u óptico), ustravioleta, rayos X y rayos gamma / NASA

 

Es lo que la NASA ha querido mostrar con esta imagen, donde vemos La Vía Láctea a las distintas frecuencias. Fijaos, por ejemplo, en que lo que en el visible son nubes negras, en el infrarrojo emiten gran cantidad de luz. Son nubes de gas y polvo que no dejan pasar la luz visible pero que, al estar calientes, emiten en el infrarrojo.

Junto con otros laboratorios europeos y españoles, en el Instituto de Ciencias de Materiales de Aragón un grupo de investigadores estamos desarrollando nuevos sensores de rayos X que se utilizarán en ATHENA, un telescopio que la Agencia Espacial Europea lanzará al espacio en 2028. Este telescopio nos permitirá mirar al universo con otros ojos o, siguiendo el símil de la radio, escuchar otra emisora, la que nos hablará de los procesos más violentos y energéticos que tienen lugar en el cosmos: el Big Bang, los agujeros negros, la formación de las estrellas y las galaxias…

Y así no nos perderemos nada.

 

* Agustín Camón es investigador del CSIC en el Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón.