La materia oscura

La materia oscura es uno de los conceptos que más veces le rondan por la cabeza a los físicos desde mediados del siglo pasado. Veamos qué es este concepto.

Debido a una epidemia de peste, un joven llamado Isaac Newton abandonó temporalmente sus estudios en Cambridge y se retiró a Woolsthorpe, donde entre 1665 y 1667 dedujo las leyes de la mecánica newtoniana, el cálculo diferencial y la Ley de la Gravitación Universal:

$\vec{F}=-G\displaystyle\frac{Mm}{r^3}\vec{r}$

De este modo fue capaz de aunar en una sola ecuación cielo y tierra, ya que la fuerza que hacía caer una manzana de un árbol era la misma que la que mantenía a la Luna en órbita circular.

Ya en tiempos de Galileo se conocía que la aceleración de la gravedad era aproximadamente $g_0=9,8 m/s^2$. Por la segunda ley de Newton, tendríamos que $g_0R_T^2=GM_T$. Como el radio de la Tierra era ya conocido, Newton sabía ya el valor de $G\cdot M$. Igualando la aceleración de la gravedad terrestre sobre la Luna a la fuerza centrípeta, y conocido el radio orbital lunar, Newton predijo con total exactitud el periodo de traslación de la Luna alrededor de nuestro planeta. De este maravilloso modo, especialmente una vez determinado el valor de $G$ por Cavendish en 1798, se podrá determinar la masa de cualquier cuerpo midiendo la velocidad de un cuerpo que orbite en torno a él por la formulita:

$v=\sqrt{\displaystyle\frac{GM}{r}}$

En los años setenta del siglo pasado, se intentó hacer lo mismo con las galaxias, es decir, determinar sus masas a partir de las velocidades de las estrellas que las componen. Como es muy complicado medir la velocidad de las estrellas alrededor de las galaxias, se utiliza el efecto Doppler y el corrimiento al rojo de los espectros emitidos por las estrellas para deteminar sus velocidades.

A esto se dedicaron los científicos Vera Rubin y Kent Ford, midiendo datos de más de sesenta galaxias cuando se dieron cuenta de algo. En efecto, es previsible que cuando más lejos se encuentre una estrella del centro de la galaxia, más despacio debería moverse. Pero lo que realmente ocurría era que todas las estrellas parecían moverse a la misma velocidad. En el gráfico superior, se esperaba que ocurriese algo como (A) pero lo que realmente ocurría era (B). Las soluciones eran simples: o la Ley de Newton no era válida en esos casos...o existía una extraña materia que aumentaba enormemente la masa total de la galaxia: la materia oscura.

Sin meternos en muchos berenjenales, algunos físicos defendían teorías tipo MOND, acrónimo en inglés de Modified Newtonian Dynamics. Defendían incluso que $G$ no era una constante, sino que $G=G(r)$, es decir, que $G$ aumentaba cuando las distancias entre los astros eran grandes, y de ese modo no era necesario postular la existencia de materia oscura. 

En 1915, Einstein presentó su Teoría de la Relatividad General, con lo que pudo comprobar aquellos "huecos" en los que la teoría de Newton no era muy precisa. Un claro ejemplo es la precesión del perihelio de Mercurio. Con ésta, podemos hacer la siguiente corrección a la Ley de la Gravitación Universal:

$F=G\displaystyle\frac{Mm}{r^2}-\displaystyle\frac{4}{c^2}\cdot \displaystyle\frac{G^2M^2m}{r^3}+...$

Pero aún así no conseguimos solucionar el problema que nos atañe. La solución está en otro fenómeno derivado del genio de Einstein: las lentes gravitacionales.

La masa, según la Teoría de la Relatividad, curva el espacio-tiempo. Esa curvatura es capaz de desviar rayos luminosos. El efecto de una lente gravitacional es la curvatura de los rayos de luz que provienen desde detrás de la lente. El ángulo de desviación es proporcional a la masa de la "lente gravitacional", de modo que disponemos de un método alternativo para conocer las masas de galaxias o cúmulos galácticos. Lo sorprendente es que esta masa resulta ser la misma que la calculada por la Ley de Newton, es decir, tiene que existir esa materia oscura para "rellenar esa masa que nos falta".

Cúmulo "bala" estudiado como choque entre galaxias

En realidad, la mayoría de científicos rechazan las teorías MOND gracias al estudio de choques entre galaxias. En estos choques, las nubes de gas (helio e hidrógeno principalmente) se retrasan respecto de la galaxia, pero esta sigue comportándose como una lente gravitacional, a pesar de que la mayor parte de la masa ordinaria de una galaxia se debe a la nube de gas. Esto es prueba clara de la existencia de materia oscura, de una naturaleza distinta a la de la materia ordinaria.

Gracias a un estudio exhaustivo sobre la radiación de fondo de microondas, es posible deducir la existencia de materia oscura y su proporción respecto a la materia ordinaria. A partir del mapa de la imagen inferior y del análisis de las diferencias en la densidad o temperatura de las ondas recibidas, hemos podido deducir que la densidad de materia en el Universo es un 32% de la densidad crítica, de la cual un 5% es materia ordinaria y un 27% materia oscura. Actualmente se cree que el universo es plano, es decir, que su densidad es igual a la densidad crítica, de modo que el 68% que falta corresponde a "algo" diferente: a energía oscura. Es notable mencionar que los datos teóricos obtenidos del análisis del fondo de micrrondas concuerdan a la perfección con las medidas sobre la cantidad de materia en el universo.

Fondo cósmico de micrrondas. Satélite Planck.

La pregunta ahora es: ¿de qué está hecha la materia oscura? O mejor dicho, ¿de qué no está hecha?

Debe estar formada por alguna partícula que aún no hayamos detectado, y debería interaccionar muy poco o nulamente con el resto de la materia. No puede estar formada por protones, neutrones ni electrones: de lo contrario los cálculos de la nucleosíntesis primitiva no coincidirían con los observados. Tampoco puede estar formada por partículas con carga, y debe ser muy estable, al menos su vida debería ser superior a la edad del universo. Por último, tampoco puede interaccionar mucho consigo misma y ha de ser fría, para que de este modo se agrupe de la manera en que lo hace.

Estudios realizados con supercomputadoras ofrecen mapas de materia oscura muy semejantes a los medidos experimentalmente si aceptamos como hipótesis las características antes citadas sobre la materia oscura.

Un candidato a materia oscura fue el neutrino. Debido a su baja interacción con la materia, resulta un buen partido para ser lo que llamamos "materia oscura", pero no cumple la condición de ser frío, pues tiene unas velocidades muy próximas a la de la luz. Además, deberían tener más masa para constituir el 27% de la materia del universo.

Mapa de materia oscura en el universo

La mayor parte de la comunidad científica considera el modelo estándar de la física de partículas como inacabado: es necesaria una nueva Física que explique muchas de las cosas que el modelo estándar deja a medias, entre ellas las partículas básicas constituyentes de la materia oscura. Hablaríamos entonces de partículas exóticas (WIMPs) como el neutralino (partícula super-simétrica del neutrino), los axiones...Entraríamos ya en teorías más nuevas como la Supersimetría, la Teoría de Supercuerdas y demás.

Actualmente hay decenas de experimentos que se están llevando a cabo en todo el mundo que tratan de descubrir alguna de las partículas candidatas a materia oscura, como por ejemplo el experimento ANAIS en el Pirineo aragonés. Pese a todos los esfuerzos empleados, aún no existen evidencias claras del descubrimiento de esta exótica y misteriosa materia.

El Universo Elegante de Brian Greene

Todos hemos oído hablar de la Teoría de Supercuerdas (popularmente conocida como Teoría de Cuerdas). Básicamente es una teoría que abarcaría todo: con unas "simples" ecuaciones podríamos describir todos los procesos físicos del Universo. Es por eso que en inglés se conoce como TOE (Theory of Everything), ya que la palabra "toe" significa "punta del pie", que hace referencia al final o a la teoría final...juegos de palabras.

No hay una ni dos teorías de cuerdas, sino que hay hasta cinco. Lo que busca la física actual, entre otras cosas, es la llamada Teoría M, que englobaría todas. Es el Santo Grial de la ciencia. 

Desde Newton, quien juntó Cielo y Tierra con sus leyes del movimiento y su Teoría de la Gravitación Universal, los científicos han intentado reducir todo lo observable en el Universo a cuatro fuerzas fundamentales. En el siglo XX, la Relatividad de Einstein era capaz de comprender la gravedad, y la Teoría Cuántica podía entender el electromagnetismo, la fuerza nuclear débil y la fuerte. 

Puede parecer sencillo encontrar la teoría que lo explique todo, bastaría con unir la Relatividad y la Mecánica Cuántica...y ahí está el problema...no sabemos cómo hacerlo. Mejor dicho "no sabíamos cómo hacerlo hasta que surge la Teoría de Cuerdas", capaz de englobar la cuántica y la relatividad. El problema es la extrema complejidad de la teoría...

Otro problema es que se necesitarían entre 11 y 26 dimensiones para que la teoría funcionase. Además, la longitud de una cuerda es millones y millones de veces inferior a un átomo, por lo que aún no las podemos "ver". Algunos científicos consideran a la Teoría de Cuerdas como parte de la Filosofía, ya que trabaja con elementos abstractos no demostrables [aún].

Uno de los teóricos de cuerdas más conocidos por sus trabajos en la actualidad es el Profesor Brian Greene. Escribió, entre otros, un libro llamado "El Universo Elegante", que puedes encontrar en formato .pdf y .epub en la sección Archivos de este mismo blog.

Asimismo, Brian Greene participó en el episodio 20 de la 4ª Temporada de la serie The Big Bang Theory. Si quires echarte unas risas viendo como Sheldon menosprecia su trabajo, puedes verlo aquí. Greene sale desde el principio hasta el minuto 3 más o menos, dando una conferencia sobre su trabajo. 

De ese libro nació un documental donde el propio autor es protagonista. Dejo aquí abajo los vídeos, que lo explicarán todo mejor que yo.

Documental Teoría de Cuerdas Parte I

Documental Teoría de Cuerdas Parte II

Documental Teoría de Cuerdas Parte III

Documental Teoría de Cuerdas Parte IV

Espero que os haya resultado de interés este documental, y os recomiendo el libro de Greene.

Un saludo!

Efecto Doppler Relativista

Antes de comenzar, recomiendo leer la entrada anterior (Fórmulas del Efecto Doppler). Gracias al Efecto Doppler se pudo comprobar la Expansión del Universo. En la entrada de hoy combinaremos lo de las tres últimas entradas con la Teoría de la Relatividad Especial de Albert Einstein.

En la entrada anterior hemos considerado el espacio y el tiempo como dimensiones aisladas y absolutas. ¿Pero qué pasa cuando la aproximación entre fuente y observador se aproxima a la velocidad de la luz? Tal y como habíamos dicho en la serie sobre Relatividad Especial, el espacio y el tiempo dependen uno del otro y no son absolutos, sino que dos observadores que se muevan a distintas velocidades pueden medir tiempos y espacios diferentes, y todo ello porque la velocidad de la luz es constante para cualquier observador. A físicos como Albert Einstein o Hendrik Lorentz le debemos estas maravillas.

Recordemos que la Teoría de la Relatividad nace de la idea de que la luz viaja siempre a la misma velocidad en el vacío, tal y como demostró el experimento de Milchelson y Morley.

Supongamos que fabricamos un reloj que funciona con un fotón (partícula asociada a la luz) que rebota entre dos espejos. Cuando rebota, va haciendo tic-tac, como en el del vídeo inferior.

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La distancia d entre los dos espejos es igual a c·t, es decir, la velocidad de la luz por el tiempo que tarda en llegar de un espejo a otro. Dicho de otro modo, el tiempo es igual al espacio entre la velocidad: t = d/c.

Ahora supongamos que introducimos ese reloj en una nave espacial que se mueve a velocidad v. Un astronauta dentro de la nave seguirá oyendo esos tic-tac con la misma frecuencia, ¿pero cómo verá eso una persona desde la Tierra?

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El fotón visto para un astronauta dentro de la nave, sube y baja en línea recta. Pero visto desde fuera, realiza un movimiento en zig-zag, como muestra la imagen inferior. Mediante una serie de sencillas operaciones, deducimos que el tiempo que medía el observador en movimiento (t) es inferior al que mide el observador en reposo (t'):

Eso significa que el tiempo transcurre relativamente más lento para una persona que se mueva que para una en reposo. Si alguien viajase por el espacio a una velocidad de 260.000 km/s durante 50 años, al volver a la Tierra parecería que solo ha envejecido 25 años. A velocidades pequeñas (coches, meteoritos, misiles...), esa dilatación temporal es imperceptible. Necesitaríamos viajar más de 5 millones de años sin parar en coche para que nuestro reloj se atrase solo 1 segundo...antes se queda sin pila...

Una vez repasada la dilatación temporal, podemos comenzar con nuestros típicos ejercicios de imaginación:

Imaginemos que una nave espacial que se mueve hacia nosotros con una velocidad v emite pulsos luminosos a ritmo constante. A nosotros nos interesa calcular la longitud de onda de esos pulsos, entonces contamos el número de ellos que suceden en un tiempo t, y también calculamos cuánto espacio recorre la nave en ese tiempo. Si llamamos N al número de pulsos contados en un intervalo de tiempo t, la longitud de onda será:

A partir de la longitud de onda, hallamos la frecuencia:

Según la Relatividad Especial, la imagen inferior relaciona el periodo medido desde el sistema de referencia del observador (T) y el de la fuente (T'). 

Combinando las ecuaciones (I) y (II), obtenemos:

Racionalizando la expresión superior y simplificándola:

Tenemos que recordar que según el Principio de Relatividad, el movimiento es relativo. Imaginemos que viajamos en coche. Según este principio, es equivalente decir que el coche se mueve respecto a la carretera que decir que la carretera se mueve debajo de las ruedas del coche. Por tanto, no podemos saber si es la fuente la que se mueve o si somos nosotros, solo podremos decir que existe un movimiento.

Dependiendo si fuente y observador se alejan o acercan entre sí, aquí quedan las fórmulas para la frecuencia y la longitud de onda:

Si aumenta la frecuencia, disminuye la longitud de onda y viceversa, ya que c es constante para cualquier sistema de referencia. Otra forma de ver las ecuaciones superiores es considerar positiva la velocidad cuando es de aproximamiento y negativa cuando se alejan, teniendo solo que usar la primera.

Dicho esto, solo nos queda aclarar lo dicho en la entrada sobre la Expansión del Universo.  

Si una estrella se aleja de nosotros, según las ecuaciones superiores, su frecuencia debería disminuir. Por eso mismo se produce el corrimiento al rojo, porque el rojo es el color de menos frecuencia del espectro visible. 

Por el contrario, si una estrella se acerca, se produciría el corrimiento al azul debido al mismo efecto.

Para terminar, un "problema-chiste": Un físico iba pensando en sus ecuaciones sobre la Teoría de Supercuerdas mientras conducía, como cualquier mañana normal. De repente se da cuenta de que le persigue la policía por saltarse un semáforo en rojo, pero como es físico, intenta pensar una escusa rápida. Le dice al policía que no vio el semáforo rojo, sino verde, debido al efecto Doppler. De todos modos, el agente le puso una multa por exceso de velocidad...¿A qué velocidad iba nuestro amigo el físico? Intenta calcularla y deja la respuesta en los comentarios. (La longitud de onda del rojo es de 650 nm y la del verde es de 520 nm). Este problema y su solución están en la sección Ingenio.

Demostración desde la matriz de Lorentz

La ecuación de onda electromagnética, en la imagen inferior, es una invariante relativista.

Luego la fase del campo eléctrico también ha de serlo. Definimos el cuadrivector K como:

Por lo que, en la dirección del movimiento tenemos que:

Y en direcciones perpendiculares a la del movimiento:

Y aquí acaba esta serie de 4 entradas sobre el Efecto Doppler. Si te ha gustado, no olvides compartir y dejar comentarios. Nos "vemos" en la próxima.

Un saludo!

La expansión del Universo

En las primeras décadas del siglo XX ya se conocían muy bien los espectros de emisión de los diferentes elementos. Un espectro de emisión es el conjunto de longitudes de onda que emite un elemento cuando uno de sus electrones disminuye de orbital, tal y como podéis recordar en mi entrada sobre las Auroras Polares.

Podemos imaginar que un electrón de un átomo es un libro. Podemos subirlo de estante o bajarlo, y al hacerlo, emite o absorbe energía. Un ejemplo son los fuegos artificiales de colores, hechos con elementos cuyos espectros se corresponden con los colores de la pirotecnia.

El color verde se consigue gracias al Bario

En esta página encontraréis los espectros de todos los elementos de la tabla periódica.

Como el Sol está formado por diversos elementos, si descomponemos su luz en colores podremos obtener en qué longitudes emite y por tanto sus elementos constituyentes, ya que cada elemento emite unas longitudes de onda correspondientes y bien definidas, tal y como establece el modelo atómico de Bohr.

Lo que hizo Edwin Hubble en la primera mitad del siglo XX es comparar el espectro del Sol (el Sol ni se aleja ni se acerca de nosotros) con el de un tipo especial de estrellas llamadas cefeidas. Estas estrellas tienen un brillo característico y regular, como un faro. Si conocemos su brillo, podemos saber la distancia a la que se encuentra, porque cuanto más lejos esté, menos brillará. 

La luz que emite el Sol es la de la izquierda, y la de una cefeida, la de la derecha. Se puede observar que las líneas negras están más hacia arriba en la cefeida que en el Sol, el conocido corrimiento al rojo. Esto, tal y como vimos en la entrada del Efecto Doppler, significa que esa cefeida se aleja de nosotros, al igual que la galaxia que la contiene. Como se aleja, las ondas que nos llegan de ella cada vez recorren más espacio, lo que se traduce como un aumento de la longitud de onda, que es lo que vemos comparando los espectros.

Hubble comparó el espectro de muchas cefeidas con el del Sol, y desarrolló la famosa ley de Hubble. Esta ley dice que cuanto más lejos está una galaxia, más rápidamente se aleja de nosotros. La desarrolló viendo cómo cambiaban los espectros entre unas cefeidas más cercanas y otras más lejanas, ya que el grado de corrimiento al rojo es proporcional a la distancia que nos separa de la cefeida.

En términos matemáticos, la ley dice que D = v/H, donde D es la distancia, v la velocidad de alejamiento y H es la constante de Hubble (H = 2,5·10E-18 Hz). Esa fórmula implica que cuanto más lejos está la galaxia, más rápido se aleja.

Y lo más importante es que todas las galaxias se alejan las unas de las otras entre sí, igual que los puntitos del globo de la imagen de abajo cuando la niña lo infla:

Cuando Hubble descubrió que el Universo se expandía aceleradamente, surgieron bastantes cuestiones: ¿Qué hace que se expanda? Y si cada vez es más grande, antes debió ser más pequeño. ¿Qué hubo al principio? ¿Cómo será el fin de nuestro Universo? 

Todas estas cuestiones las intentan responder los físicos cada día en laboratorios, aceleradores de partículas como el CERN o mediante la física teórica. Hablaremos de ellos en entradas posteriores. 

Para conocer más sobre cómo sabemos que el Universo está expansión, visita la entrada del Efecto Doppler Relativista.

Un saludo!

¿Es posible la vida extraterrestre?

Enrico Fermi fue un físico italiano del siglo XX. Durante la II GM participó en el desarrollo de la bomba atómica, en el que se conoce como Proyecto Manhattan. El Fermio (elemento químico de símbolo Fm) y los fermiones (en el modelo estándar, familia de partículas constituyentes de la materia) le deben su nombre. En el año 1950 propuso la famosa Paradoja de Fermi en contraposición a la Ecuación de Drake. ¿Qué dice cada una?

Ecuación de Drake

La ecuación de Drake tiene en cuenta una serie de factores como el número de estrellas que se crean al año, la probabilidad de que desarrollen planetas en la zona habitable, de que desarrollen vida y que esta sea inteligente (entre otros parámetros) para calcular el número de civilizaciones inteligentes en nuestro universo. Resolviendo la ecuación obtuvo que debería haber 10 civilizaciones extraterrestres sólo en nuestra galaxia. Otros científicos proponen valores entre diez millones de civilizaciones y una sola: nosotros. Estas discrepancias son debidas a que no es posible tener en cuenta todos los factores de la ecuación, a que puede haber otros mecanismos de vida basados en otras estructuras moleculares (silicio, flúor, amoniaco…), o una imprecisión en esos datos que Drake obtuvo, ya que no podemos conocer con precisión el número de estrellas existentes o sus ciclos formativos. El número de civilizaciones inteligentes de nuestra galaxia se conseguiría, según Drake, multiplicando el número de estrellas que nacen cada año por la probabilidad de que tengan planetas, multiplicado por la fracción de éstos en la zona habitable, por la probabilidad de que desarrollen vida inteligente, por la fracción de que esa vida inteligente desee y pueda comunicarse y finalmente, multiplicado por el tiempo que puede existir esa civilización antes de su autodestrucción. Es demasiado simple para considerarse algo científico ya que no tiene en cuenta apenas ningún parámetro.

Si Drake tuviese razón, ¿dónde se esconden esas civilizaciones? A esta pregunta intenta responder la Paradoja de Fermi:

“La creencia común de que el Universo posee numerosas civilizaciones avanzadas tecnológicamente, combinada con nuestras observaciones que sugieren todo lo contrario es paradójica sugiriendo que nuestro conocimiento o nuestras observaciones son defectuosas o incompletas”. En la época en que la planteó, Fermi estaba trabajando en la bomba atómica, por lo que predijo lo que les sucedería a las civilizaciones avanzadas tecnológicamente: se auto aniquilarían. ¿Por qué no detectamos vida inteligente? Según Fermi, su elevada inteligencia les llevaría a su autodestrucción, prediciendo así el posible destino de la Humanidad. Otros científicos piensan que es la escasez de recursos lo que acaba con las civilizaciones inteligentes (debido a un crecimiento en forma de J o exponencial). Otros en cambio opinan que las condiciones del universo solo permiten la vida de nuestra especie (principio antrópico). Multitud de teorías científicas que pueden confundirse con especulaciones de ciencia ficción sin claros argumentos científicos.

Enrico Fermi señalando una ecuación de Einstein

Para saber si hay vida en otros planetas, primero debemos especificar qué es la vida. ¿Puede existir vida con otros elementos que no sean el carbono, hidrógeno, oxígeno…? ¿Qué tiene la Tierra de especial para haber desarrollado vida? Y multitud de preguntas más. Para generar vida, un planeta necesita de unas moléculas sencillas capaces de combinarse mediante la energía de una estrella, en nuestro caso del Sol. El planeta deberá encontrarse, según los elementos que posea, a una determinada distancia de su estrella. Si esas moléculas fuesen derivadas del amoniaco, cabe esperar que para que se desarrolle vida se encuentre a una distancia relativamente lejana de la estrella (aunque siempre dependerá del tamaño, edad y temperatura de la misma). Si por el contrario abundasen fluorocarburos, la distancia debería ser menor. Es evidente que la ecuación de Drake es demasiado simple, ya que hay más tipos de vida y no todas las estrellas son iguales. La presencia de campo magnético, de atmósfera, el tamaño y campo gravitatorio tanto del planeta como de su estrella, y así como las longitudes de onda de emisión de la estrella son factores importantes a tener en cuenta.

Nuevas investigaciones sostienen que la vida en la Tierra también es debida a la tectónica de placas, generada posiblemente por asteroides que nos visitaron en los inicios de nuestro planeta. Según el geofísico Tilman Spohn, la presencia de movimiento de las placas tectónicas hace posible la vida debido a que favorece los movimientos de materia y energía en los ciclos biogeoquímicos. Para que la corteza se dividiese en placas, geólogos y físicos como el profesor Norm Sleep (geofísico de la Universidad de Stamford) proponen la idea de que los causantes fuesen los impactos de meteoritos de hace 4.000 millones de años. En la Tierra es difícil detectarlos, debido precisamente a esa tectónica, pero en la Luna puede haber cráteres de esa edad.

Placas tectónicas en nuestro planeta

En Sudáfrica han encontrado una zona con sedimentos de hace más de 3.500 millones de años. En ellos, como ocurre en el límite KT (capa sedimentaria de iridio que dejó un asteroide que se cree como el causante hace 65 millones de años de la extinción de los dinosaurios y de los amonites), se han encontrado restos de elementos poco comunes en la corteza, como iridio, platino o cromo. Un gran avance en esta investigación sería el descubrimiento de algunos de esos cráteres. Cabe esperar que estas capas tan antiguas sean la muestra de que la Tierra estuvo bañada de asteroides en sus orígenes, lo que ayudó notablemente al desarrollo de la tectónica de placas, que combinada con la energía gravitacional y la energía interna del interior, permiten hoy día ese continuo desplazamiento horizontal de las placas litosféricas. Aún no sabemos si una tectónica de placas es indispensable para la vida. Si así lo fuese, otro factor más a tener en cuenta en la ecuación de Drake.

Capa oscura rica en Iridio que marca
el límite K-T

En mi opinión, es muy probable la existencia de vida extraterrestre. Más difícil es la existencia de vida inteligente, pero también posible. Organizaciones como el SETI están completamente convencidas de encontrar señales de vida inteligente antes de fin de siglo. El universo es muy grande y tiene mucha edad. Quizá en algún lugar lejano se hayan preguntado lo mismo, o incluso lo estén haciendo en este momento, aunque nuestro “rango de visión” (debido a la relativa lentitud de la velocidad de la luz) sea muy pequeño y nunca los encontremos. Quizá Drake sí que tuviese razón, ya que la probabilidad de encontrar un planeta con exactamente las mismas características que la Tierra es cada vez mayor, y si así fuese sería muy posible el desarrollo de la vida, y posiblemente también alguna especie que pueda llegar a auto considerarse como “inteligente”, teniendo en cuenta que lo que conocemos como vida es solo una de tantas posibilidades.

Espero que os haya gustado hoy esta entrada un poco diferente a las que suelo publicar.

Un saludo!

Proyecto Ilustris

Recientemente, un grupo de astrofísicos de las universidades de Harvard, Princeton, Cambridge y el Instituto Tecnológico de Massachusetts, junto con la colaboración de superordenadores de varios países, han conseguido crear una ambiciosa simulación de los 13.800 millones de años de historia de nuestro Universo. 

El proyecto, finalizado el pasado octubre y presentado el 8 de mayo de 2014, cuenta con total fidelidad física. En la simulación se introdujeron las leyes físicas, y las imágenes y vídeos simulados coinciden sorprendentemente con la realidad. Esto nos ayudará a conocer mejor el Universo en el que vivimos.

El ordenador con el que estás leyendo ahora esta entrada tardaría 2000 años en realizar todos los cálculos del Proyecto Ilustris.

Aquí tenéis el vídeo con el que se presentó el proyecto:

Para visualizarlo desde un móvil, clic aquí.

Si deseas visitar la página oficial del proyecto, clic en este enlace: Ilustris Project.

Un saludo lectores,

nos vemos en unos días con una entrada de radiación ;)

Ondas Gravitatorias Primigenias

Hoy, día 11 de febrero de 2016, los físicos están de fiesta. Han sido detectadas por el equipo de investigación LIGO ondas gravitatorias primigenias procedentes de la colisión de dos agujeros negros. Veamos un repaso general para ver de qué trata todo esto:

El Big Bang es una teoría de la evolución del Universo. Dado que es un hecho que el Universo está en expansión (demostrado por Edwin Hubble), en algún momento con anterioridad debió ocupar un volumen menor y menor...Así, podemos imaginar que al principio de los tiempos todo "estuviese concentrado en un punto". A partir de ahí surgió la Gran Explosión que originó el Universo actual. ¿Pero por qué esa explosión? 

Fruto del Big Bang, y 300.000 años después de este, los electrones se asociarían con los núcleos atómicos para formar los primeros elementos (hidrógeno, helio, litio...). En esas transiciones electrónicas se emitieron fotones, que hoy en día los detectamos con satélites como el WMAP (localización) o el novísimo Planck.

Debido al Efecto Doppler, detectamos esa radiación en forma de microondas.

Imagen proporcionada por el WMAP

Este mapa inicial del Universo, donde podemos observar que la materia no está uniformemente distribuida, puede ayudarnos a ver dónde se localizan los cúmulos masivos (galaxias, grupos...) de nuestro Universo. Este es un claro argumento a favor de la Teoría del Big Bang. Pero, ¿cómo se formó el Big Bang?

En 1981, Andrei Linde y Alan Guth, dos físicos estadounidenses, presentaron su Teoría de la Inflación. En ella, el Universo comenzó debido a una serie de fluctuaciones cuánticas (aniquilación entre materia y antimateria, clic aquí para saber más). Así, se inició una expansión exponencial llamada inflación. En un intervalo de tiempo lo más diminuto imaginable, el Universo pasó de ser del tamaño de una canica al de una galaxia...

Imaginemos que todo el espacio en expansión es una olla a presión llena de agua hirviendo. Nuestro universo se formaría a partir de burbujas de ese agua hirviendo, es decir, cuando esa inflación se frena y no sabemos por qué. Esa burbuja dejaría de expandirse exponencialmente, y toda la energía liberada en ese proceso se transformaría en la materia actual del Universo, la radiación, materia y energía oscura... A partir de aquí surgen teorías como la de universos múltiples...

En esa creación de energía y materia se producen fluctuaciones. Como nos muestra el WMAP, la distribución de esa materia no es uniforme.

Modelo inflacionario

Imaginemos el Universo como una enorme sábana (el espaciotiempo). Al crearse materia sobre esa sábana, se crean ondulaciones que se propagan por toda la sábana. Esas ondulaciones de la sábana son las ondas gravitatorias, predichas por Einstein hace 100 años. Se propagan a la velocidad de la luz, así que hay cierta relación entre el fondo de microondas y estas ondas. Debido a la gran densidad del universo primitivo, esas ondas eran bastante poderosas. Clic aquí para saber más sobre Relatividad Especial.

Vídeo para móviles

Esos fotones del fondo de microondas poseen una determinada polarización, que depende del último átomo en el que haya rebotado esa luz. Estudiando la polarización del fondo de microondas cósmico, los físicos han determinado que en ese ambiente existían ondas gravitacionales, lo que es un argumento a la teoría de la inflación y a la de la relatividad general.

Hace pocas horas, se ha descubierto la presencia de ondas gravitatorias primigenias, ondas procedentes de los comienzos del Universo. La presencia de estas perturbaciones, meras hipótesis durante más de 30 años, es un argumento a favor de la Teoría de la Inflación. Hoy dejan de ser hipótesis. 

Hoy sabemos un poco más sobre el origen del Universo.

Alan Guth, paul Steinhardt y Andrei Linde

Aquí os dejaré algunos enlaces sobre este magnífico descubrimiento:

Enlace 1

Enlace 2

Enlace 3

Enlace 4

Enlace 5

El Universo a escala

En esta breve entrada, os quiero mostrar algunas animaciones web donde podemos apreciar nuestro Universo a escala real. Haz clic sobre el título de cada apartado para visualizar el contenido.

How big is the space?

Se trata de una representación del Sistema Solar, pasando por las capas de la atmósfera y las regiones del espacio más próximas a nuestro planeta. Mediante un cohete espacial vamos recorriendo los distintos escenarios a distinta velocidad. En la esquina inferior derecha se muestra el tiempo que hubiese tardado la nave en llegar donde estamos si la velocidad fuese la misma todo el tiempo, ya que va aumentando (si no podríamos pasarnos más de 20 horas).

La Escala del Universo

En esta página puedes comparar el tamaño de un humano con todas las distancias existentes en el Universo, desde la plenitud del Universo observalble (un uno seguido de 18 ceros millones de kilómetros) hasta la distancia más diminuta posible: la longitud de Planck (un uno seguido de 35 ceros veces más pequeño que un metro). Clic aquí.

Estrellas a escala I

En este vídeo podemos comparar el tamaño de algunas estrellas con respecto a nuestro Sol. Clic aquí. 

Estrellas a escala II

En este otro vídeo, similar al anterior, podemos comparar también el tamaño de algunas estrellas. Clic aquí.

El Sistema Solar

¿Alguna vez creíste que el Sistema Solar era así?

En esa página puedes comprobar que esto no es así. Te sorprenderá comprobar que en la mayor parte no hay nada. Clic aquí. 

Otro vídeo que me ha comentado un seguidor de mi cuenta de Google + (Sígueme aquí) ha sido el siguiente. Espero que lo disfrutéis: Clic aquí

Si conoces algún vídeo interesante por el estilo, por favor déjalo en los comentarios.

Un saludo!

Hasta otra!

¿Qué es el Efecto Casimir?

Es probable que nunca hayas oído hablar de tal efecto, pero no por eso pierde su encanto. ¡Veamos en qué consiste!

A comienzos del siglo XX, Max Planck inaguró la Teoría Cuántica. Más tarde, en la década de 1930, el físico alemán Heissenberg propuso el 'Principio de Incertidumbre', pero ¿en qué consiste? 

Básicamente dice que no podemos saber con plena exactitud la posición y la velocidad de una partícula: si sabemos con precisión su velocidad, no podremos decir con exactitud dónde se encuentra, y viceversa.  En realidad la formulación original dice que no podemos conocer con total precisión la posición y el momento lineal (que es proporcional a la velocidad). El propio Heissenberg estableció el límite entre el producto de ambas incertidumbres. Para "observar" esa partícula, necesitamos de ondas con poca longitud, tales como rayos gamma o X. Al usar esos fotones con tanta energía, modificamos y desviamos a la partícula. Simplemente con el hecho de observarla, modificamos su velocidad. Esto es proporcional a la masa de la propia partícula. Como consecuencia, no podemos conocer exactamente ambos parámetros.

Ahora bien, imaginémonos en el espacio. Si estuviese realmente vacío, conoceríamos la velocidad de todas las partículas (0) y su posición (0). ¡Básicamente lo sabríamos porque no están! Esto niega el Principio de Incertidumbre, entonces tiene que haber algo...¿pero qué?

La respuesta es el 'Falso Vacío': pares de partículas y antipartículas que se generan espontáneamente, y que se autodestruyen al instante. Al destruírse, se emite energía (la misma que se necesitó para que surgiesen). ¿Os acordáis de la película Ángeles y Demonios de Tom Hanks? Pues la bomba que buscan está hecha de antimateria, por eso al juntarse con materia explota. Es una comparación con lo que pasa a pequeña escala en el espacio.

Al juntarse materia y antimateria, se autodestruyen liberando energía

Podemos decir que eso está ocurriendo continuamente en el espacio, conque este está repleto de esas ondas. Ahora 'colocaremos' dos placas de metal muy juntas. ¿Qué ocurrirá?

Efecto Casimir

Tal y como vemos en la imagen inferior, la energía que existe dentro y fuera de las placas puede interpretarse como fotones con diferentes longitudes de onda:

Pero dentro no caben todas las longitudes de onda que caben fuera, ya que solo serán posibles aquellas cuya longitud de onda sea divisor de la distancia entre las dos placas (más correctamente, la mitad de la longitud de onda). De esta forma, se crea una presión mayor fuera que dentro, lo que origina una fuerza atractiva entre las placas. Este efecto fue predicho en 1948 por Hendrik Casimir y Dirk Polder.

Como dato curioso, si la distancia entre las placas es de 10 nanómetros (la cienmilésima parte de 1 milímetro), la presión entre las placas sería aproximadamente igual a una atmósfera de presión.

Esto queda muy bonito teóricamente, pero en la práctica también se puede comprobar. Veamos ejemplos:

En el vídeo, a partir del minuto 2:20 aproximadamente, podemos observar un ejemplo de el Efecto Casimir en el agua.

Se cree que esta fuerza es la que pudo ocasionar la rápida expansión inicial del Big Bang. El científico estadounidense Alan Guth dijo: "...por eso, el Universo pudo surgir de la nada, porque es, básicamente, nada". En esta frase, lo que quiere decir es que la suma de todas las energías en el Universo es 0 (porque se considera la gravedad como negativa y la masa y energía positiva, y la suma debe dar 0), por tanto la idea del 'Falso Vacío' puede explicar el origen de nuestro Universo. Las diferencias en la distribución de la materia en el universo originan diferencias en la distribución de este falso vacío. Si fuera de las placas la energía es 0, y dentro es menor, en su interior debe ser negativa, ¿no? Esta energía negativa funcionaría al revés que la materia o la energía convencionales. Como la energía se atrae mutuamente por acción gravitatoria, la energía de vacío tendría carácter antigravitatorio, expandiendo el universo.

¿Por qué se expande nuestro Universo? Aunque esta pregunta necesitaría muchas entradas para ser explicada, nos limitaremos a decir que hay algo que lo expande. Unos lo llaman falso vacío, otros energía oscura, y Einstein llegó a decir que fue la constante cosmológica de sus ecuaciones, lo que creyó que fue el mayor error de su vida. Hasta los genios a veces se equivocan...

Esta energía puede tener aplicaciones increíbles, como la posibilidad de crear atajos en el espacio-tiempo para comunicarnos con otro punto del Universo o con otra época. La NASA está investigando un tipo de motor que funciona con esta energía, motor tipo WARP. Si quieres leer sobre cómo funcionan estos motores, te recomiendo leer esta entrada: Motores WARP

Una última cosa: la energía positiva (luz, materia...) curva el espacio-tiempo hacia "abajo", mientras que esta energía lo curva hacia "arriba". Este sería un escenario ideal para la creación de un agujero de gusano, una especie de atajo espaciotemporal que nos permite viajar a otra coordenada del espaciotiempo. ¿Qué quiere decir esto? Que los viajes en el tiempo a escalas subatómicas están un pasito más cerca...

Los agujeros de gusano fueron teorizados por Albert Einstein y Nathan Rosen, y fueron bautizados como los puentes de Einstein-Rosen. En un reciente artículo, se cree que en unos años seremos capaces de enviar pulsos de luz gracias a puentes estrechos, cuya vida media es muy pequeña. Puedes leer la noticia desde los siguientes enlaces: Enlace 1, Enlace 2 y Enlace 3.

Representación de un motor WARP. Curvan el espacio-tiempo
hacia arriba, de manera que "viajan más rápido que la luz"

Espero que os haya gustado esta entrada, comentad, compartid y muchas gracias. ¿Queréis que hable de los agujeros de gusano relacionándolo con este tema? Si es así, dejadlo en los comentarios.

¡Hasta otra!

Aceleradores de Partículas

Un acelerador de Partículas es una máquina capaz de hacer mover partículas a velocidades cercanas a la de la luz. Esto se consigue de diversas maneras, pero la más usual es mediante atracción y repulsión electrostática. Hay diversos tipos de aceleradores: los hay circulares, como el del CERN en Ginebra; y los hay lineales, como el que visité el verano pasado y dónde pasé una semana, del que voy a hablar.

¿Dónde se encuentra?

El acelerador se encuentra en Madrid, en la Universidad Autónoma. Pertenece al Centro de Microanálisis de Materiales. Se halla en un enorme edificio, con muros de hormigón de más de 1m de espesor, protegiendo la zona de cualquier peligro. Aquí podéis conocer más sobre este acelerador: Acelerador de Iones del CMAM.

¿Para qué sirve?

Su finalidad es el análisis de obras de arte, síntesis de nuevos materiales e investigación científica. En el caso de los circulares, su uso fundamental es el de colisionar partículas para conocer de qué está hecho todo. Gracias a ellos, en 2013 se demostró empíricamente la existencia del Campo de Higgs, postulado por Peter Higgs 50 años atrás. Otras veces para observar cómo fue el Universo en sus inicios. En posteriores entradas hablaré de este tema. En el de Madrid, el objetivo es bombardear con una haz de iones un material. Los iones se aceleran y dirigen hacia la muestra, y dependiendo de la intensidad de rebote, estaremos tratando con unos elementos u otros. Esta técnica, llamada RBS, es la más común.

Funcionamiento

Esquema de un acelerador lineal tipo tándem

El proceso comienza en la parte de la izquierda. Podemos observar dos fuentes de partículas, una para gases y otra para sólidos. Mediante distintas técnicas, arrancamos esas partículas y las ionizamos, es decir, las cargamos positiva o negativamente para poder atraerlas hacia la muestra.

Una vez ionizadas (normalmente se usa Cesio), mediante el uso de campos magnéticos, atraemos el haz de iones hacia la parte azul del dibujo. Aquí se ven atraídas por un voltaje de 5 millones de voltios hacia el centro del tanque. Una vez allí, mediante el uso de Nitrógeno, las cargamos positivamente, por lo que la fuerza que antes las atrajo, ahora las repele. De esta manera conseguimos acelerar nuestro haz a una velocidad de, aproximadamente, 10.000 km/s. Una vez que el haz sale de la zona pintada de rojo, lo desviamos mediante electroimanes de 4 polos y concentramos todas las partículas en un haz de una superficie como la de una moneda de 1 céntimo. Dirigimos el haz a la muestra, y mediante detectores conseguimos saber la relación en masas de las partículas que rebotan y las de la muestra. Así podemos saber de qué está hecho aquello que hemos bombardeado.

Tanque del acelerador

Una de las vías donde se depositan muestras para su análisis

En el interior del acelerador hay anillos, donde se aplica el voltaje deseado. Debido a esa gran cantidad de energía, es necesario ocupar el espacio entre esos anillos con un gas muy denso, a una presión de 7 atmósferas para evitar descargas eléctricas. El coste de mantener el acelerador funcionando 1 día es de más de 2000 €.

Análisis

Todos estos datos son llevados a un potente ordenador, aquí se grafican las energías de todos esos choques y rebotes. Son los llamados espectros. 

Pero aquí no acaba todo, ya que ahora viene la parte más difícil de todas: mediante distintos programas informáticos, hacemos una gráfica 'teórica' del espectro. En ese programa introducimos las sustancias que hemos usado de muestra, con sus porcentajes en masa de cada elemento. El programa simula lo que debería haber salido experimentalmente:

Construcción de un espectro

Los puntitos negros son los rebotes experimentales. La línea roja, lo que teóricamente debería haber salido.

El proceso de análisis de gráficas pude llevar horas y horas. Pude ser que algún elemento se haya oxidado, y salgan líneas en la gráfica que no deberían estar. 

Finalmente, cuando la línea teórica coincide con la real, podemos afirmar que hemos acabado nuestro trabajo.

Conclusión

El trabajo en un acelerador es muy variado. En el ejemplo de los lineales, se analizan muestras haciendo rebotar partículas en ellas. Con esos rebotes construimos una gráfica. Si la teórica coincide con la experimental, ya sabemos de qué está hacha nuestra muestra. Si no coincide, debemos modificar valores para ajustarla, ya que pueden haber reaccionado elementos, puede haber impurezas...

Durante esa semana que estuve en el acelerador, te acabas dando cuenta que ser científico no es estar en un laboratorio mezclando cosas, sino que es un trabajo laborioso, metódico y difícil. Trabajar como científico es duro, pero cuando consigues algo te das cuenta de que ese duro trabajo ha merecido la pena

Si te ha interesado el tema, en este enlace podrás ver un esquema del funcionamiento del acelerador, hecho por unos amigos y yo en el siguiente enlace: Prezi.

¿Qué pasaría si metemos la mano en un acelerador de partículas? 

La respuesta la encontrarás aquí: Peligros de un acelerador de partículas.

Cualquier duda, por favor, deja un comentario. La semana que viene volveré con un nuevo tema.

¡HASTA LA SEMANA QUE VIENE!