EL EFECTO DOPPLER, LA ENERGÍA OSCURA Y LA MUERTE DEL UNIVERSO

Seguro que todos hemos oído alguna vez hablar del Big Bang, el origen, esa explosión inicial que tuvo lugar hace unos 13.500 millones de años y que creó tiempo, espacio y nuestro universo. Es lógico pensar que, como en toda buena explosión, los pedazos salgan disparados y se dispersen unos de otros, pero… ¿Hasta cuándo?.

Entendiendo el universo como materia y energía es fácil llegar a deducir el “big crunch”. Tras esa explosión las partículas se separarán cada vez a menor velocidad hasta detenerse por la acción gravitaroria, las galaxias y cúmulos empezarán a atraerse y volverán a unir toda la materia del universo en un solo punto, un big bang pero a la inversa.

Sin embargo la teoría del big cruch y de un universo oscilante cada día tiene menos adeptos y parece seguro que nuestro universo se dirige irremediablemente hacia otro final, el big rip*.

Y es que no podemos entender el universo como materia y energía únicamente ya que de los efectos gravitacionales del universo se deduce que solo el 5% de la densidad de energía es lo que nosotros conocemos como materia y energía. Todas las galaxias, con sus estrellas, planetas, nubes gaseosas y toda su radiación electromagnética no sería más que una mísera veinteava parte del universo.

Las galaxias, lejos de frenarse y volver a aproximarse por gravedad se alejan unas de otras y cuanta mayor es la distancia entre galaxias, mayor es la velocidad a la que se alejan. Existe un fenómeno conocido como efecto Doppler que permite calcular la velocidad aparente de un cuerpo frente a otro. Cuando un foco emisor de una onda y otro que la percibe se mueven uno con respecto al otro la longitud de onda aparente percibida por el receptor es distinta de la emitida por el foco. Si foco y receptor se están acercando la onda percibida tiene una longitud menor y si se están separando la longitud de onda aumenta. Es este efecto el utilizado por ejemplo en los radares de tráfico para calcular la velocidad a la que circulamos o es lo que explica que cuando una ambulancia se acerca a nosotros oímos su sirena con un tono agudo y cuando se aleja con un tono más grave. Al analizar la luz que nos llega de distintas galaxias podemos saber si se alejan o acercan a nosotros y a qué velocidad lo hacen; pues bien, al observar los cuerpos más distantes de nosotros como cuásares observamos un desplazamiento al rojo, (desplazamiento hacia longitudes de onda mayores), que es mayor cuanto más lejos se encuentran de nosotros, lo que nos indica que a mayor distancia mayor es la velocidad a la que se alejan.

Cuanto mayor es la distancia de la galaxia emisora mayor es su desplazamiento al rojo.

Pero, ¿por qué sucede esto?. La respuesta está en ese 95% de universo que no conocemos. Se estima que aproximadamente un 25% del total de la densidad de energía del universo es materia oscura, un tipo de materia que no interacciona de ninguna manera con la radiación electromagnética y un 70% es energía oscura, un tipo de energía que crearía una presión negativa o fuerza gravitacional repulsiva y que sería la responsable de separar unas galaxias de otras. Dentro de las galaxias, la gravedad es lo suficientemente intensa como para permitir que las estrellas que la forman giren alrededor de un centro que posee un agujero negro supermasivo, formando los brazos característicos de una galaxia en espiral. En los sistemas planetarios ocurre lo mismo, pero en el espacio intergaláctico la energía oscura gana por goleada. Nuestro universo tiene un pedal de freno, (la gravedad) que trata infructuosamente de retener la expansión y un acelerador, (la energía oscura), que está pisado a fondo y que nos conduce indefectiblemente hacia el big rip.

Aun así no hay que empezar a preocuparse…aún. Se calcula que nuestro universo tendrá una vida de aproximadamente 35.000 millones de años, así que aún nos queda más de la mitad. Según esta teoría las galaxias se alejarán unas de otras y llegará un momento en que, desde nuestra óptica todo el universo sea un solo punto en el cielo con un alto desplazamiento al rojo. Cuando aún queden unos 60 millones de años para el fin, la energía oscura desgarrará las galaxias, en los últimos meses separará sistemas planetarios, desgarrará planetas y llegará a desgarrar incluso los átomos hasta que ya no exista materia en el universo y lo único que quede sea una sopa de radiación enfriándose.

DEP, universo

Últimos 60 millones de años

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*Otras teorías, probablemente más aceptadas, determinan que la evolución del universo hacia una entropía máxima producirá una muerte térmica por enfriamiento o Big Freeze, parecida al Big Rip pero quizás menos dramática

ONDAS GRAVITACIONALES

¿Habéis escuchado alguna vez una onda gravitacional? buuuuuuhuuhuuhuGRIP!! Y se acabó. Es la conversión en ondas sonoras de un fenómeno predicho por Einstein en su teoría de la relatividad general en 1915 y detectado por los físicos de LIGO, (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), 100 años después.

En este pequeño archivo de sonido estamos escuchando el frenético baile que se produjo hace unos mil millones de años entre dos agujeros negros de unas 30 masas solares cada uno, justo en el momento antes de fusionarse. Es un proceso que sólo duró una fracción de segundo, pero que liberó tanta energía como la energía lumínica de todas las estrellas del universo juntas. Si escuchamos con atención podemos oír incluso un GRIP final, momento en el cual los dos agujeros negros se convierten en uno.

Para explicar que es una onda gravitacional deberíamos empezar por explicar que es una onda. Una onda es la manera en la que se propaga la energía sin necesidad de propagar materia. Si tengo una cuerda y quiero generar una energía y que tú la recibas tengo dos opciones; podría lanzarte la cuerda y que esta te golpease, en cuyo caso habríamos tenido una transmisión de energía mediante un desplazamiento de la materia o puedo pedirte que agarres un extremo de la cuerda, coger yo el otro y generar una onda, de este modo la energía se habría propagado a través de la cuerda, pero las partículas materiales que transmitirían la energía a tu mano no serían las mismas a las que yo suministré energía. Un ejemplo análogo podemos observarlo en una ola del mar; cuando estás en la orilla y ves como una boya, 100 metros mar adentro se eleva y vuelve a bajar sabes que esa energía acabará golpeándote, sin embargo las moléculas de agua que estaban en contacto con esa boya no son las que te golpearán

Las ondas necesitan de un medio material para propagarse. La ola el agua del mar, el sonido el aire o la energía que yo generé, necesitaba de la cuerda. Pero… ¿toda onda necesita de un medio material para propagarse? Hasta hace poco la respuesta era No; todas salvo las ondas electromagnéticas (la de la luz). Hoy la respuesta ha cambiado.

Una onda electromagnética varía el campo eléctrico y magnético de una región del espacio durante su propagación. Esta era, hasta hoy, la única manera que teníamos de mirar al universo. Todo lo que nos llegaba de él era luz y, mediante esta luz, hemos podido hacer un mapa y una cronología del universo increíble. Podíamos detectar agujeros negros por el cambio en la velocidad de las estrellas que se acercaban a ellos, calcular lo lejos que estaba una galaxia de nosotros mediante el desplazamiento al rojo de la luz que nos llegaba de ella e, incluso, podíamos hacer un mapa del universo primitivo con la radiación de fondo de microondas… Pero la capacidad de analizar esta luz era la única ventana que teníamos abierta al universo, era nuestro único sentido. Podíamos ver el universo, pero aun no podíamos escucharlo, tocarlo, olerlo, saborearlo…

Con la detección de ondas gravitacionales se abre un sentido nuevo para conocer el universo. A partir de hoy tenemos un tipo más de ondas que nos podrán dar información de él. Es como si acabáramos de demostrar que el universo, además de visto, puede ser oído. Con este nuevo sentido se podrán estudiar el comportamiento de los grandes monstruos del universo como agujeros negros o estrellas de neutrones, pero ¿serán las ondas gravitacionales capaces de demostrar la existencia de materia y energía oscura y posibilitar su estudio? Hasta ahora la existencia de materia y energía oscura es un supuesto teórico del que nadie duda, pero el hecho de no emitir radiación electromagnética imposibilitaba su demostración y estudio.

¿Y qué son entonces las ondas gravitacionales? Para explicarlas debemos pensar en el universo con una concepción relativista, es decir, un universo según la visión de Einstein y no un universo clásico newtoniano. En este universo relativista el espacio y el tiempo no son magnitudes fijas e inmutables. El tiempo se puede ralentizar y el espacio curvarse hasta llegar a desgarrarse en un agujero negro. Debemos imaginarnos el universo como una malla sobre la cual descansa la materia. Mediante esta concepción del universo, la gravedad cambia por completo su definición. Los campos gravitatorios debemos imaginarlos ahora como una deformación de esa malla en el espacio en el que se encuentra una masa (fig 1). La relatividad predice fenómenos en este tejido que han sido comprobados, como la curvatura que sufre la luz cuando entre el emisor y el receptor se interpone una gran masa (fig 2 y 3).

Fig 1

Fig 2

Fig 3

Pues bien, una vez fijado nuestro campo de acción como ese universo en forma de malla, es más fácil entender qué es una onda gravitacional. Los fenómenos supermasivos que ocurren en algún punto del universo, como la fusión de dos agujeros negros o la explosión de una supernova, crean una perturbación en ese tejido en forma de malla. Se produce una ligera elongación en uno de los ejes del espacio y una contracción en los ejes perpendiculares, y esa perturbación se va propagando a lo largo del universo de forma que puede ser detectada. Esto es una onda gravitacional.

¿Cómo se detectan estas ondas? Para ello se construyeron unos túneles de 4 Km cuya distancia es medida con una precisión asombrosa mediante luz láser, midiendo el tiempo que tarda la luz en llegar de un extremo a otro del túnel. Las ondas gravitacionales provocan pequeñísimas elongaciones en uno de los ejes del túnel y el consiguiente acortamiento en el otro eje. Estas ondas son medidas en diferentes observatorios de la red LIGO, eliminando así la posibilidad de confundirlas con ruido de fondo.

 Esta variación es tan pequeña que Einstein, al predecirla, dijo que jamás podría ser detectada. Sin embargo, y sin que sirva de precedente, Einstein se equivocó y el pasado 10 de febrero los científicos del LIGO anunciaban: “¡Hemos detectado ondas gravitacionales! ¡Lo conseguimos!”

El inmenso vacío del sistema solar

Cuando observamos en cualquier libro de texto el sistema solar deberían advertirnos que la imagen no está hecha a escala. Podemos imaginar a los planetas, tan grandes, tan próximos unos a otros...

Nada mas lejos de la realidad. El sistema solar es, sin embargo, un gran vacío.

Cuesta trabajo imaginar que de todo el espacio comprendido por el sistema solar la materia no llega a ocupar ni la milésima parte de este.

Para hacernos una idea vamos a escalar el sistema solar, reduciéndolo para ello hasta que la tierra sea solamente una pequeña esfera de medio centímetro de diámetro, similar a la pupila dilatada de un ojo humano. Con esta escala, podríamos representar los diámetros, distancias al Sol y volúmenes de cada planeta* del sistema solar y de su estrella más cercana:

Comenzaremos nuestro viaje en el centro del patio del colegio donde doy clases. En la primera imagen ya podemos observar la verdadera escala del sistema solar:

Al ir alejándonos observamos la enorme distancia entre planetas:

Aquí tenemos a Saturno y Urano:

De tal manera que Plutón estaría prácticamente fuera de la ciudad:

¿Y después?....

Viajaremos rumbo a Próxima Centauri, la estrella más cercana al Sol. De camino encontraríamos el Cinturón de Kuiper, un disco formado por objetos de tipo cometario de entre cien y mil kilómetros de diámetro. Estos cometas estarían en los alrededores de Alcorcón y serían aquellos cometas de periodo corto que visitan el sistema solar. ¿Y después?. Viajando de camino a Próxima Centauri encontraríamos un cúmulo inmenso de cuerpos llamado la Nube de Oort. Formada por millones de cuerpos, ninguno de ellos sería mayor que una mota de polvo. Esta es una nube hipotética, ya que no se ha podido observar ninguno de sus supuestos objetos, pero se cree que es la fuente de cometas de periodo largo y de tipo Halley. Esta Nube de Oort podría llegar hasta el año luz del Sol:

Y para llegar a Próxima Centauri, tendríamos que viajar hasta Australia. Allí encontraríamos a nuestra vecina... una pelota de Béisbol

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*Hemos incluido a Plutón como planeta del Sistema Solar por pura nostalgia. La Unión Astronómica Internacional (UAI), "despojó" a Plutón de la categoría de planeta en el 2006

El quásar 3C 279

3C 279

Hace unos días me sorprendía la increíble resolución conseguida al fotografiar el quásar 3C 279 desde tres puntos distantes con tres potentes telescopios.

Con una resolución de aproximadamente un año luz, podrían sondear regiones del quásar interestelares, ( la distancia entre el sol y alfa centauri es de 4,4 años luz). Impresiona pensar que pueda observarse un objeto situado a 5500 millones de años luz con dicha precisión.

Y es que la luz que nos llega de allí ha estado viajando por el espacio una eternidad. Cuando 3C 279 emitió la preciosa imagen que hoy captan nuestros telescopios, a nuestro sol aun le faltaban unos 1000 millones de años para comenzar a brillar.

Pero, ¿qué es un quásar?, ¿por qué son tan luminosos? , ¿por qué están tan distantes?. Todas estas preguntas tienen relación con el desarrollo propio de las galaxias y sus respuestas han sufrido un giro de 180 grados en los últimos 15 años, con un descubrimiento tan increíble por parte de los astrónomos como es la presencia de un agujero negro supermasivo con la masa de millones de soles en el centro de cada galaxia.

Cuando la galaxia es joven, su centro es un auténtico enjambre de estrellas con una vida media insignificante a escala cosmológica. Es un verdadero frenesí de estrellas naciendo, consumiendo todo su combustible en pocos millones de años, chocando, y sí, siendo engullidas y alimentando a ese joven monstruo conocido como agujero negro. Cierto es que un agujero negro no deja escapar la luz, (obviamos en esta afirmación los haces de rayos X que son expulsados por éste  mientras se alimenta y que precisamente sirven para detectar su presencia), pero la materia descomponiéndose al acercarse a él es zarandeada de tal forma que eleva su temperatura y su velocidad hasta límites insospechados.

Un medio de detección de agujeros negros es analizar los cambios en las órbitas de estrellas próximas a ellos. Cuando pasan "cerca" de uno de estos gigantes pueden acelerar a velocidades relativistas, (de hasta un 2% de la velocidad de la luz). Pues sólo hay que imaginarse millones de estrellas, en un centro galáctico moviéndose a esas velocidades y siendo desintegradas por las enormes fuerzas allí presentes. La cantidad de energía que emiten en forma de luz es bestial. Eso es un quásar, los objetos más brillantes del universo. Si uno de estos quásares estuviera a 3 millones de años luz, de él nos llegaría tanta luz como de nuestro sol, que sólo de encuentra a unos 8 minutos luz de nosotros, pero entonces, ¿por qué están tan lejos?

Recreación de un pequeño agujero negro tragándose a una supergigante (se observa el haz perpendicular de rayos X)

Los quásares son objetos con un gran desplazamiento al rojo, lo que quiere decir que se encuentran muy lejos de nosotros y alejándose aún más. Esto se debe precisamente a que son galaxias jóvenes, en formación, con un gran agujero negro supermasivo en su centro alimentándose. Con el transcurso del tiempo, ese afán destructor del agujero negro tiene en realidad un carácter formador, moldeador. Es quien realmente da forma a la galaxia. El desenfreno que ocurre en la parte central de la galaxia, "empuja" al resto de estrellas hacia regiones periféricas, alejándolas del centro y dando lugar a galaxias maduras, espirales, con una distribución en la que el centro galáctico es una gran acumulación , abultamiento, de estrellas jóvenes y el resto se distribuyen en sus brazos en espiral. Para estos momentos el agujero negro supermasivo ha terminado su festín y la galaxia ya no es un quásar.


Es por esta razón que los quásares son tan lejanos. Al observar a 3C 279 en todo su esplendor, estamos viajando no sólo en la distancia, 50 000 trillones de kilómetros, (5x10Exp22), sino también en el tiempo, 5 500 millones de años. Probablemente 3C 279, ya no será un quásar, probablemente sea una galaxia espiral como la vía láctea o quizás ya no exista como tal al chocar con alguna otra galaxia cercana. Quizá hoy se publique en algún diario de algún planeta de 3C 279 una espléndida fotografía de la vía láctea cuando aún era un quásar.