materias

Las herramientas actuales posibilitaron tener una imagen aproximada de cómo nació el Universo en el Big Bang y una mera comprensión sobre los misterios de la materia oscura.

Pero no son suficientemente precisos como para mapear la red cósmica que sostiene a las 100 mil millones de brillantes galaxias en el Universo conocido o revelar detalles de cómo se forman e interactúan las galaxias.

Según los autores, varios proyectos cambiarán eso.

“Estamos a punto de realizar progresos tremendos gracias a los nuevos observatorios (que se están planeando) y los avances en super computación”, explicó Claude-Andre Faucher-Giguere, autor de uno de los artículos.

“Hace mucho tiempo, el Universo estaba lleno de hidrógeno neutro, pero en un punto las primeras estrellas se formaron y el Universo pasó del neutro al ionizado y el hidrógeno neutro desapareció”, explica el científico.

Observatorios de baja frecuencia que se están desarrollando y el poderoso Telescopio Espacial James Webb a lanzarse en 2013 buscarán signos del hidrógeno neutro.

Otro proyecto clave es el Experimento GAIA, que medirá y mapeará los movimientos de más de mil millones de estrellas en nuestra galaxia, en 2011.

Otra frontera en la que se espera mucho progreso es el descubrimiento de los bariones perdidos, los núcleos atómicos de los que las estrellas, planetas y las personas estamos hechos.

Los astrofísicos pueden actualmente dar cuenta de sólo la mitad de la masa bariónica que debería estar presente bajo el modelo estándar del Universo. El remanente se cree que estaría escondido en una red de gas caliente en el medio intergaláctico.

“Encontra los bariones perdidos y así realizar un inventario completo es crucial para validar nuestro modelo cosmológico estándar”, escribe el autor Fabrizio Nicastro del Centro Harvard-Smithsonian.

Los artículos en la edición especial de Science son:

Cosmic Web

Warp and Woof

El fenómeno, llamado lentes gravitacionales, ocurre cuando una galaxia masiva en el fondo curva los rayos de luz de una galaxia distante detrás, como una lupa. Cuando ambas galaxias están alineadas la luz forma un círculo alrededor de la galaxia de primer plano al que se denomina Anillo de Einstein. Si otra galaxia más distante yace precisamente en la misma línea de visión, un segundo y más grande anillo aparecerá.

Las posibilidades de semejante alineamiento son tan escasas que Tommaso dice que “sacaron la lotería” con el descubrimiento.

La masiva galaxia de primer plano está casi perfectamente alineada en el cielo con dos galaxias de fondo a diferentes distancias. La galaxia de primer plano está a 3 mil millones de años luz. El anillo interior y el exterior están comprendidos de múltiples imágenes de dos galaxias a una distancia de 6 mil millones y 11 mil millones de años luz.

Adam Bolton del equipo SLACS identificó el lente en el Sloan Digital Sky Survey (SDSS).

La distribución de la materia oscura en las galaxias de primer plano puede ser mapeada con precisión. Además, la geometría de los dos anillos permitieron al equipo medir la masa de la galaxia del medio a un valor de mil millones de masas solares. El equipo reporta que es la primera medida de la masa de una galaxia enana a una distancia cosmológica (con un corrimiento al rojo de z=0.6).

Una muestra de varias docenas de anillos dobles como este podría ofrecer una medición puramente independiente. La comparativa de radios de los anillos podría ser usada además para proveer una medida independiente de la curvatura del espacio por la gravedad.

Las observaciones de la radiación de fondo de microondas (reliquia del Big Bang) favorece una geometría plana. Una muestra de 50 anillos doble apropiados podría ser suficiente para medir el contenido de materia oscura en el Universo y la ecuación de estado de la energía oscura (una medida de su presión). Otros anillos dobles de Einstein podrían ser hallados con estudios de telescopios espaciales de amplio campo que se están proponiendo para la misión Joint Dark Energy Mission (JDEM).

¿Los confites llenan completamente el contenedor?
La forma irregular de los confites resulta en que no estén fuertemente apretados; aproximadamente 80% del volumen de la botella está lleno.

El número de confites es el volumen ocupado del contenedor dividido por el volumen de un solo confite.

La fórmula sería:
número de confites= volumen ocupado / volumen de 1 confite

El volumen de un confite es aproximadamente el de un pequeño cilindro de 2 cm x 1,5 cm.
Para calcularlo, usamos la fórmula:
pi x r^2 x h
Esta fórmula sirve para calcular el volumen de un cilindro.
Tenemos una constante: pi (que sabemos que es 3,14159…), el radio al cuadrado y h que es la altura.
Nota:el símbolo ^ se usa para expresar potencia. Es decir que ^2 es al cuadrado, r^2 es el radio al cuadrado.

Nuestro confite, dijimos, tiene un diámetro de 1,5cm. El radio es la mitad del diámetro. La altura (h) dijimos que sería de 2cm.
Reemplazando, la fórmula sería:

pi x (1,5cm/2)^2 x 2cm =

=3,14 x 0,75^2 x 2

=3,14 x 0,5625 x 2

=3,53

El resultado se expresa en centímetros cúbicos.

Así que el volumen de un confite sería, en promedio, unos 3,5 cm3.

Volviendo a la ecuación para calcular el número de confites en el contenedor:

Número de confites=volumen ocupado del contenedor / volumen ocupado por 1 confite.

Si la botella o tarro es de un litro y dijimos que como no están todos muy muy apretados no ocupan todo el espacio, que quedan espacios vacíos, y dijimos que por eso, los confites ocupan, más o menos, 80% de la botella de un litro, entonces el volumen ocupado es:
el 80% de 1 litro. 1 litro son 1000 cm3.
Por lo tanto, el volumen ocupado es el 80% de 1000cm3, es decir, 800cm3.

El volumen del confite dijimos que es de 3.5 cm3, por lo que damos con el resultado:

Número de confites= 800 cm3(el volumen ocupado) / 3,5 cm3 (el volumen de un confite)=228,5 confites.

La idea la implementaron en la Reunión de la Sociedad Astronómica Americana celebrada en Austin, Texas, con una jarra de 1.5 galones llena con confites en la misma proporción que la distribución de masa del Universo, es decir, 96% oscura. Los más jóvenes debían participar con su respuesta sobre cómo calcular el número de confites en la jarra. El ganador se llevó la jarra con los confites (hmmm!) y un calendario de Chandra.

La teoría fue evolucionando hacia el concepto de supersimetría. La teoría cinco versiones diferentes hasta que en 1995 Edward Witten conjeturó que las cinco diferentes teorías de supercuerdas son casos límite de una desconocida teoría de 11 dimensiones llamada Teoría-M.

La teoría sigue siendo una de las candidatas posibles a la Gran Teoría del Todo, pero con grandes dificultades teóricas y experimentales que permitan una comprobación de la misma.

Ahora, un equipo de científicos dice que rastros de cuerdas pueden ser detectados en el fulgor del Big Bang. Liderados por Neil Bevis del Imperial College London, el equipo usó el satélite WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) para observar la llamada radiación de fondo de microondas.

El equipo usó computadoras para simular cómo se vería la radiación de fondo con y sin cuerdas y comparó los resultados con las observaciones de WMAP. Encontraron un mejor acuerdo cuando las cuerdas se incluían.

Aunque los autores del estudio se muestran entusiasmados por los resultados, otros científicos, como Charles Bennett, jefe científico de la misión WMAP considera que la preferencia para el escenario de cuerdas es probablemente una casualidad estadística.
Además apunta que la preferencia desaparece cuando se consideran otras observaciones como la medición del Telescopio Espacial Hubble de la tasa de expansión del Universo.

No parece que el estudio vaya a revolucionar la física. Por el contrario, se esperan nuevas observaciones de mayor precisión, por ejemplo con el satélite Planck que se lanzaría este año.

“Está claro que la antimateria no puede ser explicada usando la astrofísica convencional”, dice el autor Cosimo Bambi de la Wayne State University.

En cambio, los investigadores proponen que un enorme número de agujeros negros proveen la antimateria.

Los cosmólogos han sospechado ya que el Big Bang podría haber creado billones de agujeros negros primordiales. Estos pequeños agujeros negros habrían estado vagando por el espacio al tiempo que se evaporaban por el proceso llamado Radiación de Hawking.

La tasa de evaporación depende de su masa -cuanto más masivo, menos partículas puede evaporar.

El nuevo estudio sugiere que si los agujeros negros primordiales tienen una masa de alrededor de 10¹⁶ gramos -cerca de la misma masa de un asteroide de tamaño promedio- producirían naturalmente la cantidad correcta de antimateria para explicar las observaciones.

Bambi estima que hasta 10²⁴ agujeros negros primordiales podrían existir en el centro de la galaxia. En esta cantidad podrían proveer incluso una fracción significativa de materia oscura.

El nuevo estudio también sugiere una forma de testear la hipótesis. Bambi calcuó el número de partículas que serían radiadas de los agujeros negros con una masa de 10¹⁶ gramos y descubrió que produciría un notable incremento en el fulgor de alta energía de rayos gamma hacia el centro de la galaxia.

Pero podría ser muy difícil de observar la radiación. El satélite de rayos gamma INTEGRAL de ESA lleva un instrumento llamado SPI que es capaz de realizar la observación, pero, según el autor del estudio, la cantidad de tiempo necesaria para hacer una medición definitiva sería prohibitivo. Y la misión GLAST de NASA, no operará a las energías relevantes para testear la idea.

Hace diez años, los astrónomos hicieron el increíble descubrimiento de que el Universo se está expandiendo a un ritmo mayor que en el pasado.

“Esto implica que uno de dos posibilidades muy distintas debe ser cierta”, explica Enzo Branchini, miembro del equipo. “O bien el Universo está lleno con una misteriosa energía oscura que produce una fuerza repulsiva que combate el freno gravitacional de toda la materia presente en el Universo, o bien, nuestro actual teoría de la gravitación no es correcta y necesita ser modificada, por ejemplo, añadiendo dimensiones extras al espacio”.

Observaciones actuales de la tasa de la expansión no pueden distinguir entre estas dos opciones, pero un equipo de 51 científicos de 24 instituciones encontraron una manera que podría ayudar a abordar el problema. La técnica está basada en un fenómeno bien conocido: el hecho de que el aparente movimiento de galaxias distantes resulta de dos efectos: la expansión global del Universo que empuja las galaxias unas de otras y la atracción gravitacional de la materia presente en los vecindarios galácticos que las empuja conjuntamente, creando la tela cósmica de estructuras de gran escala.

“Al medir las aparentes velocidades de grandes muestras de galaxias en los últimos treinta años, los astrónomos han sido capaces de reconstruir un mapa tridimensional de la distribución de las galaxias a lo largo de grandes volúmenes del Universo. Este mapa revela estructuras de gran escala como cúmulos de galaxias y supercúmulos filamentarios”, dice Olivier Le Fèvre, miembro del equipo. “Pero las velocidades medidas también contienen información acerca de los movimientos locales de las galaxias; esto introduce pequeñas pero significativas distorsiones en los mapas reconstruídos del Universo. Hemos mostrado que midiendo esta distorsión a diferentes épocas de la historia del Universo es una forma de testear la naturaleza de la energía oscura”.

Guzzo y sus colaboradores han sido capaces de medir este efecto usando el espectógrafo VIMOS en el telescopio Melipal, uno de los cuatro telescopios de 8.2 metros, parte del VLT de ESO. Como parte del estudio profundo del VIMOS-VLT (llamado VVDS, por VIMOS VLT Deep Survey), en el que Le Fèvre es el principal investigador, espectros de muchos miles de galaxias en un campo de cuatro grados (o 20 veces el tamaño de la Luna llena) de épocas que corresponden a la mitad de la edad actual del Universo (unos 7 mil millones de años) fueron obtenidos y analizados.

“Este es el más campo más grande jamás cubierto homogeneamente por medio de espectrocopía a esta profundidad. Hemos colectado más de 13.000 espectros en este campo y el volumen total muestreado por el estudio es de más de 25 millones de años luz cúbicos”, indica Le Fèvre.

Los astrónomos compararon sus resultados con el estudio 2dFGRS que investigó el Universo local, es decir, mide la distorsión actual.

Con las actuales incertidumbres, la medición de este efecto provee una indicación independiente de la necesidad de un ingrediente de energía extra desconocido en la “sopa cósmica”, apoyando la forma más simple de energía oscura, la llamada constante cosmológica, introducida originalmente por Albert Einstein. Esto no excluye, sin embargo, otros escenarios con incertidumbres mayores.

“Hemos mostrado también que al extender las mediciones en volúmenes de unas dieces veces mayores que el VVDS, esta técnica debería ser capaz de decirnos si la aceleración cósmica se origina de un componente de energía oscura de origen exótico o si se requiere una modificación de las leyes de gravedad”, explica Guzzo.

“VIMOS en el VLT podría ciertamente ser una magnífica herramienta para realizar este futuro estudio y ayudarnos a responder esta pregunta fundamental. Esto fomenta fuertemente a los científicos a proceder con estudios aún más ambiciosos del Universo distante”, concluye Le Fèvre.

Tanmay Vachaspati de la Universidad de Princeton piensa que estudiar el superfluído helio-3 podría ayudar a resolver dos misterios: porqué el Universo está hecho casi enteramente de materia en vez de antimateria y el origen de los campos magnéticos galácticos.

Los cosmólogos creen que una cantidad similar de materia y antimateria deberían haberse creado en el Universo temprano. Pero como se aniquilan entre sí, algo debe haber ocurrido para crear un exceso de materia para ver el Universo tal como lo vemos. Algo de antimateria podría haber sido convertida a materia a través de un proceso que involucra partículas virtuales, dice Vachaspati. Entre éstas habría habido monopolos magnéticos - partículas hipotéticas que portarían una sola carga magnética. Al desaparecer los monopolos, habrían forzado a la antimateria cercana a volverse materia.

Los monopolos, agrega el científico, podrían haber dejado una traza: líneas de campos magnéticos distorsionados que habrían sido estiradas al expandirse el Universo, dando lugar a los campos magnéticos galácticos.

Esas trazas en el Universo temprano serían difíciles de ver en la radiación de fondo de microondas dejada por el Big bang, pero el superfluído helio-3 podría ser una forma de testear la idea.

Asimismo, se postuló en la reunión la posibilidad de usar lásers para recrear el horizonte de sucesos de un agujero negro.
La luz viaja a través de los materiales a diferente velocidad. En el vacío, la velocidad de la luz es la popularmente conocida de casi 300.000 km/s. Pero a través de otros materiales, la velocidad de la luz es diferente. También dependerá de las propiedaes de las ondas que viajan.
Aparentemente, usando rayos láser, uno lento y otro más rápido sería posible recrear las condiciones en un agujero negro. Se dispararía un pulso lentro en la fibra óptica, seguido de uno más rápido que debería alcanzar al primero. Sin embargo, el primer pulso al pasar a través del medio altera las propiedades ópticas de la fibra, causando al pulso rápido enlentecerse. Esto es lo que ocurre a la luz al tratar de escapar de un horizonte de sucesos, se hace tan lenta hasta quedar “atrapada”.

Según entiendo, lo que se ha hecho hasta ahora son cálculos teóricos que muestran que un sistema así sería capaz de investigar los efectos cuánticos de los horizontes, en particular la radiación de Hawking.