¿Qué es la energía oscura?

Rob Knop, Profesor de Ciencias Físicas de la Universidad Quest de Canadá.

Transcripción y traducción del Podcast 365 days of Astronomy.

Recientemente he hablado sobre el tema que mereció el Premio Nobel de este año, la aceleración en la expansión de universo. Cabría preguntarse por qué no puedo evitar hablar sobre este Premio Nobel, y la verdad es que simplemente creo que es genial. No es sólo porque el Premio Nobel se haya dado a un trabajo de astronomía y en particular de cosmología, sino también porque se trata de una investigación de la que yo era una parte importante cuando se hizo el descubrimiento.

El universo se está acelerando. Hoy, quiero hablar de lo poco que sabemos acerca de por qué el universo se está acelerando. En primer lugar, ¿por qué es sorprendente? El universo está lleno de cosas. En lo que respecta a la gravedad, normalmente pensamos que las cosas se atraen entre sí. Si el universo se está expandiendo, esas cosas se separan; la acción de la gravedad, por tanto, sería frenar la expansión, dado que la fuerza de gravedad intentara juntar a todas las cosas. Pero, cuando intentamos medir la historia de la expansión del universo, descubrimos que en realidad la expansión se está acelerando. Para explicar esto, decimos que el universo está lleno de una sustancia misteriosa llamada "energía oscura", una sustancia que tiene un efecto gravitacional negativo. Es decir, su gravedad empuja las cosas a separarse en lugar atraerlas.

¿Qué es exactamente la energía oscura? La verdad es que no lo sabemos. Es el nombre que le damos a nuestra ignorancia. Eso no quiere decir que no tengamos ideas acerca de lo que puede ser. De hecho, una idea es que la energía oscura no es algo real sino más bien un indicador de que nuestras teorías sobre la gravedad se vienen abajo cuando se consideran grandes escalas. De esta manera, podría ser análogo al éter luminífero de comienzos del siglo XX, el medio hipotético con respecto al cual se movía la luz. De hecho, el éter no era algo real en absoluto; se postuló como indicador de que nuestras teorías ya no eran adecuadas para explicar la realidad al nivel que éramos capaces de medirla. Finalmente fue reemplazado por la teoría de la Relatividad Especial, la teoría que se extendía desde la teoría de Newton a las teorías de la mecánica que funcionan a una velocidad mucho menor que la velocidad de la luz. Es posible que la energía oscura sea lo mismo, una indicación de que nuestra teoría de la gravedad de la Relatividad General no funciona muy bien a escala universal.

Sin embargo, para el resto del artículo, voy a asumir que la Relatividad General -una teoría muy bien probada que sabemos predice las cosas sobre una amplia gama de escalas espaciales- es una teoría correcta y que se aplica incluso al universo como un todo. Si es así, necesitaremos algunas cosas, como la energía oscura, para explicar la aceleración observada de expansión del universo.

Podemos añadir un poco más, sin embargo. No es que digamos simplemente, "bueno, el universo se está expandiendo, así qué existe la energía oscura" Para que el universo se expanda según lo descrito por la Relatividad General, la energía oscura tiene que tener algunas propiedades particulares. Sin embargo para entender lo que son estas propiedades, tenemos que hablar de gravedad.

En una visión tradicional newtoniana, la masa provoca gravedad. La Tierra orbita al Sol. Debido a la gran masa del Sol éste ejerce una fuerza gravitacional sobre la Tierra que la mantiene en órbita. Se podría decir, según la teoría de Newton, que la masa es el origen de la gravedad. Sin embargo, nuestra teoría moderna de la gravedad -que da las mismas respuestas que la teoría de Newton para cosas como satélites orbitando la Tierra o la Tierra orbitando el Sol- se llama Relatividad General. Para comprender el origen de la gravedad de la Relatividad General, tenemos que volver a una de las ecuaciones fundamentales de la relatividad y de hecho una de las ecuaciones más famosas: E=mc².

¿Qué significa E=mc²? A la izquierda, E significa energía. A la derecha, m representa la masa, y c la velocidad de la luz. Lo que está diciendo esta ecuación es que la masa es sólo una forma de energía; la ecuación es el factor de conversión que permite calcular la cantidad de energía, en unidades de energía como julios o calorías o kilovatios-hora, que hay en una cierta cantidad de masa (masa en unidades de masa como gramos o kilogramos). Masa y energía son, en cierto sentido, lo mismo. Bueno, no del todo, porque hay formas de energía distintas a la masa, pero la masa es sólo una forma de energía. Dado que la velocidad de la luz es un número enorme, en la vida cotidiana, mc² va a ser mucho, mucho más grande que cualquier otra forma de energía con la que tratemos. Por ejemplo, si un coche va a 100 km/h, la cantidad de energía en su movimiento -su energía cinética- es cien billones de veces más pequeña que mc², la cantidad de energía en la masa del coche.

En la Relatividad General, la masa no es el origen de la gravedad, sino de la energía. De hecho, mientras que en la gravedad de Newton a menudo se trata con un montón de masas individuales y se suman los efectos de todas esas masas para averiguar la fuerza gravitacional, en la Relatividad General tenemos que considerar la densidad de energía en un punto en el espacio y en todos los puntos cercanos, para calcular cual será la gravedad. Recordemos que mientras las cosas no se mueven a velocidades cercanas a la de luz, la gran mayoría de la energía total de algo es su energía de masa, lo que significa que muchas veces, la diferencia entre la densidad de energía y la densidad de energía sólo de masa, es insignificante. Por lo tanto, es justo decir que casi siempre, la fuente de la gravedad en Relatividad General es de hecho sólo densidad de masa, al igual que en gravedad tradicional.

Sin embargo, no tiene por qué ser así. Resulta que en el universo muy temprano (antes de que tuviera 100 mil años), la densidad de energía de la radiación, la luz, era superior a la densidad de energía de la materia. Como usted probablemente sabe, el fotón, la partícula de luz, tiene masa cero. Esto significa que en el universo temprano, la gravedad estaba dominada por la densidad de las cosas que tenían masa cero, pero no tenían energía cero. (¿Qué sucedió con toda la densidad de energía de esa luz? Se perdió en el desvío al rojo. A medida que el universo se expande, también lo hacen las longitudes de onda de los fotones. Cada fotón pierde energía, hasta el punto que hoy en día, la densidad de energía en fotones es insignificante en comparación con la densidad de energía en la materia normal).

Para describir el origen de la gravedad en la Relatividad General, no podemos hablar simplemente de masa, sino que tenemos que hablar de energía en general. Si consideramos un fluido que puede encontrarse en el espacio, podemos parametrizar su densidad de energía de dos maneras. En primer lugar, está sólo su densidad de energía, la cantidad de energía hay ahí y en segundo lugar, está la presión.

Pero ¿De dónde viene esta presión? Puede que usted sepa lo que es presión si nos referimos a la presión de aire. Por ejemplo tratar de apretar un globo de goma inflado. ¿De dónde viene esta presión a nivel microscópico? Se trata de los movimientos de las moléculas. Cuando se intenta comprimir el globo, este resiste. La razón por la que resiste es que todas las moléculas de aire que hay dentro del globo rebotan contra las paredes del globo, tratando de empujarla hacia afuera. Así, la presión está relacionada con los movimientos de las moléculas. Y porque hay energía -energía cinética- en movimiento, la presión representa la densidad de energía como resultado de ese movimiento.

Es importante recordar esto. No estamos hablando de presión como algo que está ejerciendo una fuerza propia. Sí, lo hace, la presión de aire mantiene el globo, y la presión del agua puede aplastarle si desciende demasiado profundo bajo el agua. Pero, en cuanto a la gravedad, esto no es importante. Lo importante es que la presión es un sustituto de la energía que hay en el movimiento de las moléculas o las partículas de un fluido.

Consideremos la materia normal. La materia normal, en forma de galaxias, normalmente se desplaza a una velocidad mucho menor que la velocidad de la luz. Por esa razón, su presión es insignificante en comparación con su densidad de energía, donde su energía es principalmente en su masa según E=mc². Le sorprenderá saber que los cosmólogos describirían al aire como "presión cero". Lo que realmente indican con eso es que la densidad de energía en el movimiento de moléculas de aire, representado por su presión, es mucho menor que la densidad de energía del aire. Por lo tanto, la materia normal tiene presión cero.

En la Relatividad General, aplicada a la expansión del universo, el origen de la gravedad es la densidad de energía, más tres veces la presión. Recordemos una vez más que la presión aquí no es nada que empuja, como normalmente se suele considerar la presión, sino que la presión es una forma de representar esa parte de la densidad de energía que tiene que ver con los movimientos de partículas. Para la materia normal, la presión efectiva es cero, como ya he descrito. Para la radiación -cosas como la luz, es decir, fotones- la presión es un tercio de la densidad de energía. Para la radiación, el origen de la gravedad es superior para una determinada cantidad de densidad de energía de lo que es para la masa únicamente, como he dicho antes.

Analicemos esto. Si el origen de la gravedad es la densidad de energía más tres veces la presión, entonces si tenemos una presión negativa, y es lo suficientemente negativa, entonces tendremos algo que proporciona gravedad negativa. Así es como se define la energía oscura. Es algo cuya presión es igual a menos un tercio negativo su densidad de energía.

¿Qué significa presión negativa? Es más bien una tensión. Si se intenta apretar un globo de goma, la presión empuja contra usted. Si se intenta estirar una goma elástica, su tensión intenta volver atrás sobre sí misma. Seguramente estará pensando que la presión negativa hizo que el universo se expandiera más rápido. Así es. Una vez más, no caiga en la trampa de pensar que es la presión misma la que empuja esta expansión. Por el contrario, es la gravedad resultante de esta presión quien lo hace. El hecho de que estemos hablando acerca de presión quizás es un poco engañoso; Estamos hablando de cómo la dinámica de la materia se relaciona con la densidad de energía de esa materia. Y, pensando en esos términos, tengo que admitir que me cuesta mucho formarme una imagen del verdadero significado de "presión negativa".

Así que ¿Qué puede tener presión negativa? El ejemplo más evidente es la energía del vacío. Partiendo de una región del espacio. Sacar todo de esa región del espacio; sacar todos los átomos, todos los fotones, todos los neutrinos, toda la materia oscura, por lo que no hay nada a la izquierda. Cuando queda nada, como resultado de la mecánica cuántica, todavía puede haber cierta densidad de energía residual. Esta densidad de energía es la energía del vacío; la energía que está presente sólo en el propio espacio. Esta densidad de energía de vacío tiene presión negativa; de hecho, resulta que la presión de la energía del vacío es igual a una vez negativa la densidad de energía. Si ponemos eso en la ecuación para el origen de la gravedad, que está relacionada con la densidad de energía más tres veces la presión, obtendremos una fuente de gravedad igual a dos veces negativas la densidad de energía de vacío. Por lo tanto, la energía del vacío es una posibilidad para la energía oscura; de hecho, muchas personas piensan que es la posibilidad más probable.

Puede que haya oído hablar de la constante cosmológica de Einstein. Einstein creyó que podría introducir este término en sus ecuaciones de la Relatividad General sin modificar la teoría. Introdujo esta constante porque se dio cuenta que cuando se aplica la teoría al universo como un todo, éste o bien se está expandiendo o bien se está contrayendo. En aquel momento, todo el mundo creía que el universo era estático. Einstein introdujo la constante cosmológica, que tuvo un efecto gravitacional negativo, a fin de equilibrar la atracción de toda la masa y lograr un equilibrio frágil que condujo a un universo inestable, pero estático. Poco después, cuando descubrimos que de hecho el universo se está expandiendo, Einstein descartó la constante cosmológica, refiriéndose a su inclusión como intento de hacer que su teoría predijera un universo estático como su error más grande. Después de todo, si no hubiera hecho eso, podía haber predicho la expansión del universo antes de que se observara, pudiendo haber sido famoso por ello.

La constante cosmológica, que resulta, está directamente relacionada con la densidad de energía del vacío. De hecho, los términos constante cosmológica y densidad de energía de vacío son efectivamente intercambiables. Así, se podría decir que la constante cosmológica es una posibilidad para la energía oscura; es sólo que tiene exactamente la misma posibilidad de serlo que la energía del vacío.

Hay muchas otras posibilidades para la energía oscura; todas ellas tienen una presión negativa, pero no exactamente igual a la de la densidad de energía de cualquier materia. Tratamos de establecer los límites de lo qué podría ser la energía oscura, hacemos experimentos que son sensibles a la proporción entre la presión y la densidad de energía de la energía oscura. Esto afectará a la historia de expansión del universo, así como algunas otras cosas. Utilizamos la letra w para esta relación; w es la presión de la energía oscura, dividida por la densidad de energía de la energía oscura. Si w=-1, entonces la energía oscura es sólo energía de vacío.

Ahora mismo, los mejores límites hallados para w nos dicen que es tiene un valor aproximado de -1, con una incertidumbre menor de ±0.1. Sería una gran noticia si pudiéramos averiguar que w es distinto de -1, incluso sólo un poco, porque eso significaría que la energía oscura no puede ser la energía del vacío. Hasta ahora, sin embargo, a medida que hemos ido disminuyendo los márgenes de error en w, el valor ha permanecido consistente con -1. No podemos probar que es exactamente -1, sólo podemos mejorar esos márgenes de error. Mientras la situación se mantenga como ahora, podremos decir que nuestras mediciones son consistentes con que la energía oscura es la energía del vacío, pero no podremos descartar todo lo demás.

Hay otras razones para creer que la energía del vacío es real. Una es la teoría cuántica de campos. Esta teoría predice que debería haber una cierta cantidad de energía residual en el  "punto cero", o nivel de vacío, de todos los diversos campos cuánticos que existen. Para cada partícula -fotón, electrón, neutrino- hay un campo cuántico correspondiente. El resultado de estos campos de vacío cuántico se han medido en el efecto Casimir. Dos planchas de metal puestas una al lado de la otra en el vacío experimentan una fuerza entre sí como resultado de que algunas longitudes de onda específicas de los campos cuánticos están excluidas por la pequeña distancia entre las dos placas.

Sin embargo hay un problema con nuestra comprensión teórica de estos campos cuánticos. Un cálculo de la teoría cuántica de campos un tanto “naive” del valor que debe tener la densidad de energía de vacío, da un número que es 120 órdenes de magnitud más grande que lo que medimos a partir de la expansión del universo.  Si la energía del vacío fuera realmente tan grande, el universo hubiera crecido exponencialmente, tan rápido que las galaxias nunca hubieran tenido tiempo de formarse. Este factor de diez elevado a 120 a menudo se considera una de las peores predicciones teóricas de la física. Por lo tanto, lo que nos queda es la idea de que la energía del vacío podría ser real según la teoría cuántica de campos, pero con la situación incómoda de que su valor medido es enormemente distinto de lo que predice nuestra actual teoría.

¿Es la energía oscura energía de vacío? Tal vez. Probablemente. Pero podría ser algo más. En cualquier caso es más seguro decir que no entendemos completamente la energía oscura, y de hecho nuestra comprensión es lo suficientemente débil como para que la energía oscura no sea algo real en absoluto, pero puede ser un indicador del colapso de nuestras teorías cuando son aplicadas a escalas de tamaño universal. Sin embargo, la energía oscura puede ser algo real y puede ser energía de vacío, o puede ser algo más exótico. Los cosmólogos están tratando de saber más sobre la energía oscura midiendo w, esta relación entre la presión y la densidad de energía, es el primer parámetro además de su densidad que podemos intentar medir. Esperemos que en los próximos 10-20 años, descubramos algo sobre w y quizás también sobre cuánto ha cambiado w, si es que ha realmente cambiado, a lo largo de la historia del universo.

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Nueva visión de los Pilares de la Creación

Dr. EMILY BALDWIN - Astronomy Now

El observatorio espacial Herschel de la Agencia Espacial Europea (ESA) ha obtenido impresionantes imágenes de los pilares de la creación, imagen mítica obtenida por el telescopio espacial Hubble en 1995.

La región es parte de la Nebulosa del Águila, o M16, un lugar de nacimiento de estrellas situado a 6.500 años luz de distancia. En ella el polvo y los pilares de gas se elevan varios años luz por encima de sus alrededores y han sido tallados por la intensa radiación de estrellas jóvenes que se encuentran cerca de sus extremos.



Imagen de la Nebulosa del Águila en luz visible. Arriba a la derecha la icónica imagen del Hubble. Abajo a la derecha imagen en el infrarrojo cercano del VLT del ESO. Créditos: MPG/ESO (imagen principal); NASA/ESA/STScI (Hubble); VLT/ISAAC/AIP/ESO (infrarrojo cercano).

Mientras que el Hubble es sensible a la luz visible, Herschel puede ver en infrarrojo, dando a los astrónomos la posibilidad de ver a través del polvo que en longitudes de onda de luz visible oscurece la percepción de la imagen. Con esta capacidad Herschel puede ver dentro de las columnas de gas frío y polvo y de esta forma localizar las zonas en las que este material colapsa formando nuevas estrellas.

En la vista en falso color de Herschel el material azul es cálido en comparación a sus alrededores, aunque todavía por debajo de -200 grados Celsius, las zonas de azul más brillante y blanco muestran material más denso y por lo tanto son zonas de formación de nuevas estrellas. Eventualmente, las jóvenes estrellas se liberan de los envoltorios de material que las rodea y se hacen visibles en longitudes de onda ópticas. Las regiones rojas son mucho más frías, sólo unas pocas decenas de grados por encima del cero absoluto (-273 grados Celsius), pero las zonas de color rojo brillante y las zonas anaranjadas muestran racimos de polvo frío donde es probable que se inicie el proceso de contracción y, eventualmente, se inicien nuevas estrellas.



Nueva imagen del Herschel de los Pilares de la Creación en infrarrojo cecano (arriba derecha), cúmulo central NGC 6611 del XMM-Newton's X-ray (abajo derecha) combinada con la imagen principal. Crédito: ESA/Herschel/PACS/SPIRE/HOBYS Consortium.

“Estas observaciones revelan lo complicado que es la formación de estrellas”, dice el profesor Glenn White de la Open University y The Rutherford Appleton Laboratory. “El entorno local en la Nebulosa del águila es probablemente muy similar al que había cuando se formó nuestro propio sistema Solar hace casi 5 millones de años, por lo que ver estas imágenes es un poco como usar una máquina del tiempo para ver cómo debe haber nacido nuestro propio sistema Solar. En la Nebulosa del águila estamos observando la formación de estrellas individuales, así como viendo la forma en que la radiación de una generación anterior de estrellas, formada varios millones de años antes, puede inducir la formación de estrellas nuevas en nuestra galaxia".

La visión en infrarrojo lejano del Herschel se complementa con observaciones en rayos x de la nave espacial XMM-Newton de la ESA y observaciones ópticas y infrarrojo cercano realizadas con el telescopio terrestres VLT desde el ESO, así como el Hubble, proporcionando una vista multibanda de esta región de formación estelar, y revelando también la ubicación de estrellas jóvenes en el cúmulo estelar central, NGC 6611, responsable de la erosión de los pilares. Los astrónomos sospechan que una de las estrellas más masivas del cúmulo pudo haber agotado su suministro de combustible y haber explotado como supernova, contribuyendo a la erosión de los pilares.

Para saber más: ESA/Herschel

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¿Dónde está el centro del Universo?

Rob Knop

Antes de abordar la cuestión de saber dónde está el centro del universo, quiero dar un paso atrás para comentar por qué algunas personas esperan que haya un centro del universo. Puede parecer obvio, pero es un asunto que merece ser abordado. Sabemos que el universo se está expandiendo, y que se ha expandido mucho desde un estado muy caliente y muy denso hasta alcanzar lo que hoy vemos a nuestro alrededor. El nombre de la teoría que describe esta evolución es la teoría del Big Bang. El Big Bang se describe a menudo como una explosión, aunque, por razones que no analizaré, esta no es realmente una manera adecuada de pensar. Sin embargo, el resultado del Big Bang es que todo se está alejando de todo lo demás. De hecho, si nos fijamos en otras galaxias cercanas, las vemos alejarse de nosotros exactamente igual que lo vería una partícula proyectada por una explosión con respecto a otras partículas de la creciente nube de escombros de dicha explosión.

Y, por lo tanto, dado que el universo comenzó con un Big Bang, es muy natural preguntarse, ¿Dónde sucedió este Big Bang? ¿Cuál es el punto central del que se aleja todo lo demás?

Por desgracia, resulta que esto no es realmente una cuestión significativa. Se basa en un malentendido de lo que la teoría del Big Bang dice realmente sobre el Universo, que a su vez viene del hecho de que, a pesar de que el Big Bang es una gran teoría que ha sido confirmada por un gran número de observaciones, no ha recibido el nombre adecuado para describir una gigantesca explosión cósmica. La verdad es que no hay ningún centro del universo. ¿Dónde ocurrió el Big Bang? Sucedió en todas partes. Donde está usted sentado ahora mismo es donde ocurrió el Big Bang. Pero también ocurrió donde estoy sentado yo y en la galaxia de Andrómeda y en una galaxia situada a mil millones de años luz de nosotros.

¿Cómo podemos tener un universo en expansión sin tener un centro a partir del cual se expande todo lo demás? Para intentar explicar esto, pensemos en un modelo bidimensional del universo, modelo más sencillo, que podemos comprender como criaturas en tres dimensiones que somos. Este modelo de un universo 2D es la superficie de un globo de goma. Para ser más precisos, se trata de un globo perfectamente esférico; no tiene ningún punto especial en su superficie, como por ejemplo el orificio de inflado. (Si usted está preocupado por cómo vamos a introducir el aire para hacerlo expandir, recuerde que esto es un experimento. Se puede imaginar el globo cada vez más grande, sin preocuparse de los detalles técnicos de cómo lograrlo.)

Ahora, el punto clave aquí es que el universo es la superficie del globo. Las galaxias en el universo de este modelo existen sólo en la superficie. Las criaturas dentro de este universo pueden moverse sólo en la superficie. El concepto de desplazamiento fuera de la superficie del globo no es significativo para ellos. Nosotros, en nuestro espacio tridimensional, podemos movernos hacia delante hacia atrás, de izquierda a derecha y arriba-abajo, pero ni siquiera tenemos un concepto para una cuarta dimensión espacial que sería perpendicular a las otra tres anteriores. Asimismo, para las criaturas que viven en la superficie de este globo, pueden mover hacia delante hacia atrás y de izquierda a derecha, pero no tienen un concepto de arriba-abajo, que les llevaría fuera de la superficie del globo, lo que significaría abandonar su universo. Y, de hecho, es totalmente posible describir matemáticamente estas dos dimensiones espaciales sin referencia a alguna dimensión distinta de las dos dimensiones del espacio propio, dimensiones que se podrían considerar como longitud y latitud.

Ahora dejemos que el globo se expanda. Si tenemos un montón de galaxias en este modelo de universo 2D, imagine, por ejemplo, monedas pegadas en la superficie del globo, claramente todas se alejan entre sí. No cabe duda de que las criaturas que viven dentro de este universo 2D serían capaces de medir que se está expandiendo. Verían que la distancia de una galaxia a la siguiente es cada vez más grande y más grande con el tiempo. Sin embargo, ¿Qué punto de la superficie de este globo, se puede señalar y decir que es el centro de la expansión? La respuesta es, ninguno. No hay un punto especial en el globo en comparación con cualquier otro punto. Todo está cada vez más lejos entre sí, pero no hay punto en el globo al que se le pueda llamar el centro.

Nosotros, como criaturas 3D podemos identificar un punto que podríamos llamar el "centro" del globo. Pero ese punto que nosotros identificamos no está en la superficie del globo y por lo tanto no es parte del universo de esa superficie en la que viven nuestras criaturas hipotéticas 2D. Tenemos una expansión sin ningún centro. De hecho, si damos marcha atrás, en un momento el globo pudo haber sido muy pequeño, con todas las cosas contenidas en él muy cerca unas de otras, lo que significaría que la materia en este universo 2Dsería muy densa. Entonces, el universo de globo se expandió desde ese punto hasta lo que se ve ahora. Cada punto de la superficie fue parte del estado original caliente y denso. No hay nada dentro de ese universo que esté "fuera"  del estado original denso y caliente. Pero después se hizo cada vez más grande, y cada punto se fue alejando de los demás. 

Nuestro universo es similar, sólo que nosotros tenemos tres dimensiones espaciales. Las criaturas 2D que viven dentro de la superficie del globo pueden describir la curvatura de su universo sin referencia alguna a una tercera dimensión, usando sólo las dos dimensiones espaciales de su universo. Asimismo, el espacio de nuestro propio universo puede ser curvo, pero sólo necesitamos nuestras tres dimensiones espaciales para construir una descripción matemática completa. En el universo inicial, todo estaba mucho, mucho más agrupado de lo que está ahora, por lo que la densidad era muy alta. Pero todo estaba allí. El espacio se hizo más grande y todo se separó entre sí, pero igual que en el globo todo estaba allí al comienzo de su expansión, todo el espacio estaba comprimido en nuestro universo primigenio. Y, de la misma manera que no hay ningún punto de la superficie del globo que pueda identificarse como el punto central, el punto especial, no hay ningún punto en el universo que podemos identificar como el "centro" de nuestro universo, o un lugar especial donde ocurrió el Big Bang. No hay ningún centro del universo.

Puede que a estas alturas su mente esté agotada con la visualización, pero vamos a ir un paso más allá. Resulta que el globo no es el mejor modelo bidimensional del espacio de nuestro universo real. La superficie de un globo es lo que llamaríamos "superficie espacialmente cerrada". Si empieza a andar en un punto en el globo y camina en línea recta en una dirección, eventualmente recorrerá todo el camino alrededor del globo y volver al punto de partida. Y, de hecho, es posible que nuestro universo tenga una geometría tridimensional equivalente a esto. Sin embargo, hace poco más de diez años se realizaron mediciones que nos dijeron que el universo como un todo está mucho más cercano al plano. Esto significa que un mejor modelo bidimensional para el universo sería una hoja de goma, en lugar de un globo.

Ahora, es cuando usted rápidamente me indica que la hoja de goma tiene un centro muy fácilmente identificable. Pero esta no es cualquier hoja de goma, es una hoja de goma infinita. Infinito es una de esas cosas que pueden causar su cerebro se haga un nudo al intentar visualizarlo. Pero así es a pesar de todo. Si selecciona cualquier punto en esta hoja de goma. En cualquier momento, habrá una cantidad infinita de hoja en cualquier dirección que mire. Por lo tanto, no hay un punto en la hoja de goma que sea diferente de cualquier otro punto, por lo que con una hoja de caucho infinita, es imposible definir cualquier punto como el centro.

Resulta que un globo muy, muy grande es similar a una hoja de goma infinita. Si el globo es tan enorme que usted no puede afirmar que es curvo en función de lo que ve, en la práctica a usted le parecerá igual que una hoja de goma. De hecho, este es un concepto con el que está familiarizado. Después de todo, sabemos que la superficie de la tierra es curva, pero en su vida diaria usted camina sobre la tierra y puede ver que la tierra es plana. Utiliza mapas de su ciudad y tal vez incluso su país entero, en hojas planas de papel. Así que, para ser completamente honesto, las mediciones que tenemos no demuestran que nuestro universo es el equivalente tridimensional de una hoja de goma plana infinita, podría ser el equivalente de la superficie de un globo. Pero, si lo es, la curvatura es tan pequeña que no podemos detectarla basándonos en el tamaño de todo lo que somos capaces de ver.

¿Qué sucede con el Big Bang y la expansión del universo en el caso de una hoja de goma infinita? Es igual que el globo. Como el universo se expande, imagine que la hoja de goma se extiende en todas las direcciones al mismo ritmo. Sin embargo, esto presenta un problema conceptual. Con una hoja finita, puede ir a una cierta distancia y llegar a un borde. Puede imaginar el vacío fuera de esa hoja en esa misma dirección, y ese vacío es hacia donde se expendería una hoja de goma plana finita. Pero si es una hoja de goma infinita, nunca se puede alcanzar un borde,  lo que significa que no se está expandiendo en nada. La pregunta "¿En qué se expande el universo en expansión? es una pregunta difícil de tratar, porque no tiene una respuesta. No se está expandiendo en "nada"  más bien, la respuesta es que es una pregunta sin sentido, porque no hay ningún "fuera" del universo, al menos no dentro de las tres dimensiones espaciales que vivimos. No se puede cruzar el borde y salir fuera de nuestro universo de igual forma que usted  no puede salir de una hoja de goma infinita, o no puede salir fuera de la superficie de un globo, moviéndose en las dimensiones de la superficie.

Si una hoja de goma infinita está en expansión, al principio era mucho menor y mucho más densa pero ya era infinita. Es sólo que fue en un sentido de menor tamaño infinito de lo que es ahora. A medida que se expande, la densidad disminuye y todo se aleja de todo lo demás, pero una cosa no cambia. No importa en qué dirección vaya sigue  habiendo más hoja de goma. Eso era verdad en el universo muy temprano, y sigue siendo cierto ahora. Así, de igual forma que en el ejemplo del globo, no hay punto que se puede identificar como el centro, no tiene ningún sentido identificar un único punto del que todo se aleja. Todo se aleja todo lo demás.

Esto es lo que realmente es el Big Bang. Usted oirá a menudo descripciones incorrectas de una explosión cósmica que hace que todo se aleje de un punto. De hecho, la teoría no aborda aquello a lo que se refiere su nombre, el momento del “Bang” en sí mismo. Nuestros conocimientos actuales de la física no nos permiten entender lo que ocurrió en ese momento, y puede ser que no fuera un momento único. La teoría del Big Bang describe cómo evoluciona el universo a partir de un estado muy caliente y muy denso, donde todo era una sopa de partículas fundamentales, hasta el estado en el que hoy vemos las estrellas y las galaxias,  la materia oscura aglutinada alrededor de las galaxias y la energía oscura que se extendió a lo largo de todo. Pero no es correcto decir que todo se aleja de un punto; más bien, todo se aleja de todo lo demás. No hay ningún centro del universo. Todo el espacio estuvo concentrado en el universo temprano. El Big Bang sucedió en todos lados. Simplemente el universo es más grande ahora.

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El doble núcleo de la galaxia de Andrómeda

El telescopio espacial Hubble nos sigue proporcionando imágenes increíbles, en esta ocasión muestra la localización del agujero negro situado en el centro de la galaxia vecina M31, conocida como la galaxia de Andrómeda.



Esta es la imagen de luz visible más nítida jamás hecha del núcleo de una galaxia exterior. Crédito: NASA, ESA y T. Lauer (Observatorio Nacional de astronomía óptica)

La galaxia de Andrómeda que se encuentra a 2,5 millones de años luz de nosotros, tiene una masa  equivalente a 100 millones de masas solares y es visible a simple vista en la constelación del mismo nombre .

En esta imagen puede observarse un compacto grupo de estrellas azules está rodeado por otro más grande "doble núcleo" de M31. El doble núcleo es realmente un anillo elíptico de viejas estrellas rojizas en órbita alrededor del agujero negro pero más distantes que las estrellas azules. Cuando las estrellas están en el punto más lejano en su órbita se mueven más lentamente. Esto da la ilusión de un segundo núcleo.

El horizonte de sucesos, la región más cercana alrededor del agujero negro, donde la luz aun puede escapar del enorme tirón gravitatorio del agujero negro, es demasiado pequeño para que podamos verlo, pero se encuentra cerca de la mitad de un grupo compacto de estrellas azules en el centro de la imagen. El grupo de estrellas azules está rodeado por otros más grandes "doble núcleo" de M31, descubierto con el telescopio espacial Hubble en 1992.

Las estrellas azules que rodean el agujero negro no tienen más de 200 millones de años de edad y por lo tanto, deben haberse formado cerca del agujero negro en un abrupto estallido de formación estelar. La vida de las estrellas masivas azules es tan efímera que no habrían tenido tiempo suficiente para migrar hacia el agujero negro si se hubieran formado en otras zonas.

Los astrónomos intentan comprender cómo se formaron estas  estrellas jóvenes en una zona tan profunda y bajo la influencia gravitacional del agujero negro y cómo sobreviven en ese entorno extremo. El hecho de que haya también estrellas jóvenes  estrechamente vinculadas al agujero negro central en nuestra galaxia Vía Láctea sugiere que esto puede ser un fenómeno común en las galaxias espirales.

Esta imagen ha sido confeccionada por Tod R. Lauer del Observatorio Nacional de astronomía óptica en Tucson, Arizona, tomando varias exposiciones del canal azul y ultravioleta del núcleo con la cámara de alta resolución del Hubble. Mediante la combinación de estas imágenes, ha sido capaz de construir una imagen final muy nítida de núcleo de la galaxia. Por su parte la imagen de la galaxia fue tomada el 13 de enero de 2001 con el telescopio WIYN/KPNO de 0.9 metros por T. Rector de la Universidad de Alaska en Anchorage.

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La paradoja de Olbers

Dr. Kyle E. Kneisl

Para hablar de la paradoja de Olbers vamos a necesitar algo de razonamiento y un poco de matemáticas, en cualquier caso, nada que cause dificultades a cualquiera que tenga un poco de interés por la ciencia y la astronomía. Además en esta ocasión no será necesario seguir todo de forma precisa para quedar sorprendido con el resultado.

Utilizando únicamente un razonamiento claro, sin necesidad de lápiz ni papel, en ocasiones podemos llegar a conclusiones elegantes y robustas sobre la naturaleza del mundo que nos rodea.

Por ejemplo, todos sabemos que existen infinitos números primos, pero ¿Cómo podemos estar seguros de que son infinitos? Supongamos que no lo son. Tomemos todos los números primos que hay (y podemos hacer una lista completa, ya que no hay infinitos), multipliquémoslos entre sí, y obtendremos un número enorme al que le sumaremos 1. Por definición, ningún número primo podrá dividir de forma exacta este gran número que acabamos de obtener (ya que le hemos añadido 1, por lo que se garantiza que habrá un resto de 1 al dividirlo por cualquier número primo). Por lo tanto, este enorme número que hemos creado tiene que ser primo. Pero eso es imposible, porque de serlo, entonces habría estado incluido en la lista. ¿Qué es lo que ha salido mal? No hemos cometido ningún error en nuestra lógica. Lo único que debe estar mal es nuestra hipótesis inicial de que no hay infinitos números primos.  La cosmología a veces nos da la oportunidad de utilizar ese tipo de razonamiento para llegar a importantes conclusiones.

La cosmología es el estudio del universo como un todo, particularmente: su extensión, su pasado, su futuro y las leyes que lo gobiernan. La cosmología es, hoy en día, un escenario muy complicado de física matemática y filosofía. Los métodos que hay detrás de los descubrimientos que se están realizando sobre la historia y el destino final del universo son en gran medida comprensibles únicamente para los físicos y astrónomos profesionales.

Afortunadamente, no se puede decir lo mismo acerca de muchos de los avances históricos en cosmología sobre cuestiones fundamentales; muchos de ellos obtienen respuesta mediante la aplicación de la lógica y el razonamiento que cualquiera que esté familiarizado con la investigación científica comprenderá fácilmente, utilizando únicamente las matemáticas que utiliza un estudiante de secundaria.

Alguna de las cuestiones fundamentales de la cosmología es si el universo ha existido siempre, o si es infinitamente grande y si es homogéneo (es decir, si la materia está distribuida de igual forma en todas direcciones y a cualquier distancia). Cualquiera que haya observado el cielo puede responder a preguntas como éstas, con la ayuda matemáticas muy simples. Uno de los principales argumentos de que el universo no ha existido siempre y/o no tiene un tamaño infinito, se conoce como la paradoja de Olbers. Cualquier resolución razonable de la paradoja de Olbers parece contradecir la idea de un universo infinito, sin inicio y sin fin. En resumen, la paradoja de Olbers "demuestra" que el cielo nocturno debería ser muy brillante, no muy oscuro, en un universo estático, infinito y eterno.

El Dr. Heinrich Wilhelm Matthaeus Olbers fue un médico que vivió desde 1758 hasta 1840 (una vida extraordinariamente larga para la época). Por la noche, trabajaba como astrónomo aficionado en el piso superior de su casa, en el que se había construido un observatorio. Desde allí realizó una serie de importantes descubrimientos entre ellos el descubrimiento de Pallas (el tercer asteroide más masivo del sistema solar) y desarrolló, por primera vez, de un ingenioso método para calcular las órbitas de los cometas.

Describió la paradoja que lleva su nombre en 1823, aunque las investigaciones parecen indicar que había sido conocida en forma similar cientos de años antes de esa fecha. Además, la discusión del Dr. Olbers de la paradoja no es particularmente importante por lo que es una coincidencia que la paradoja aparezca siempre con su nombre. La paradoja, en resumen, señala que en un universo infinitamente grande, que existe eternamente, y que tiene una distribución homogénea de la materia, cada punto en el cielo debe tener el brillo de la superficie de una estrella. No sé usted, pero cuando yo miro el cielo nocturno, veo una oscuridad casi completa, excepto los pequeños puntos de luz de las estrellas y otros objetos; algo muy alejado de lo que deberíamos ver según la paradoja de Olbers. Si es correcto el razonamiento en el que se basa la paradoja, esto sería la prueba de que el universo no puede ser simultáneamente eterno, infinito y homogéneo, y que, de hecho, una o más de estas propiedades es errónea.

Veamos si podemos llegar a las mismas conclusiones que llega la paradoja de Olbers.

La magnitud de los efectos físicos que vemos o percibimos se debilita a una cuarta parte cuando nos alejamos al doble de distancia (dos al cuadrado es cuatro). Nueve veces más débiles cuando nos alejamos tres veces (tres al cuadrado son nueve) y así sucesivamente. Esto se aplica también a la gravedad, al brillo de las estrellas, al calor producido en un incendio, a la fuerza de atracción electromagnética, al volumen de los sonidos y casi todo lo que irradia en todas direcciones.

Analicemos un poco este fenómeno. Una estrella que se encuentre a un millón de años luz la veríamos con cuatro veces más luz que una estrella que se encuentre a dos millones de años luz. Una estrella que se encuentre a tres millones de años luz la nos daría solo un noveno de esa luz.  Parece que la luz disminuye a un ritmo mayor del ritmo al que aumenta la distancia, y así es, de hecho las matemáticas demuestran que si se suman fracciones de denominadores crecientes al cuadrado 1 + 1/4 + 1/9 + 1/16 + 1/25 y así sucesivamente, el límite se sitúa en torno a 1’645 (puede comprobarlo con una calculadora). Si eso es así, no es extraño que el cielo sea oscuro.

Pero estamos olvidando algo. Es cierto que una estrella al doble de distancia tiene un cuarto de brillo, pero al doble de distancia se encontrarán cuatro veces más estrellas. Por lo tanto la pérdida de brillo se ve compensada de forma exacta por el incremento en el número de estrellas que encontraremos a esa distancia. Por lo tanto en lugar de tener 1 + 1/4 + 1/9 + 1/16 y así sucesivamente en el cálculo de la luz total, tendríamos 1 + 4/4 + 9/9 + 16/16, es decir, 1 + 1 + 1 + 1 + 1, de forma infinita. De esta forma la luz que debería llegar a nosotros debería ser infinita, por lo que la paradoja no tiene nada erróneo en su razonamiento, a menos que estén equivocadas alguna de sus premisas.

De hecho, según el consenso actual de la ciencia moderna, la razón por la que se produce la paradoja de Olbers, es que el universo no es infinito en espacio y tiempo y puede no ser homogéneo e isótropo. Por ejemplo, pocos cosmólogos creen que el universo se ha extendido en el tiempo desde siempre; por contra, el universo se cree casi por unanimidad que tuvo un comienzo hace unos 14.000 millones de años. Así pues, en nuestros cálculos anteriores, la suposición de que podemos seguir añadiendo más y más estrellas, de forma ilimitada, parece ser incorrecta, ya que habrá puntos lejanos (incluso posteriores a 14.000 millones de años), cuyas luces aun no nos han llegado.

Existe todo tipo de explicaciones sobre todo aquello que podría estar equivocado en la paradoja de Olbers. Por ejemplo, tal vez hay en algún punto del espacio, grandes nubes no transparentes que bloquean la luz de las estrellas distantes. Tal vez las estrellas están distribuidas en alguna complicada distribución fractal. La explicación más sencilla, sin embargo, es simplemente que el universo es finito en tiempo y espacio, y la oscuridad del cielo nocturno es principalmente debida a eso.

Resulta extraño que algo tan fundamental como que el universo sea finito o infinito en espacio y tiempo pueda ser deducido desde la comodidad de nuestros sillones usando nada más que nuestra capacidad para pensar de forma lógica, y más aún que esas afirmaciones científicas sean ciertas.

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Breve historia de la cosmología

50 aniversario del Observatorio Europeo Austral (ESO)

El año 2012 que acabamos de estrenar  marca el 50 aniversario del Observatorio Europeo Austral, ESO (European Southern Observatory), la organización astronómica intergubernamental más importante del mundo.

Imagen panorámica del VLT. (ESO)

El 5 de octubre de 1962, representantes de cinco países europeos, Alemania, Bélgica, Francia, Países Bajos y Suecia  firmaron el Convenio de ESO en París. Sus firmas representaban un compromiso formal para establecer la Organización Europea para la Investigación Astronómica en el Hemisferio Sur, hoy conocida comúnmente como Observatorio Europeo Austral. Actualmente lo integran dos países sudamericanos, Chile y Brasil, y catorce países europeos Alemania, Austria, Bélgica, Dinamarca, España, Finlandia, Francia, Italia, Países Bajos, Portugal, Reino Unido, República Checa, Suecia y Suiza. Sus oficinas centrales están en Garching, cerca de Múnich (Alemania) y además cuenta con una oficina en Santiago de Chile.

El primer observatorio de ESO fue construido en La Silla, una montaña de 2.400 metros de altura, 600 kilómetros al norte de Santiago de Chile. El Observatorio de La Silla está equipado con varios telescopios ópticos con espejos primarios cuyos diámetros alcanzan los 3,6 metros. Estos incluyen el New Technology Telescope, que abrió nuevas puertas a la ingeniería y el diseño de telescopios y fue el primero del mundo en tener un espejo principal con óptica activa controlado por ordenador, una tecnología desarrollada en ESO y aplicada ahora a la mayor parte de los grandes telescopios. El Telescopio ESO de 3,6 metros aloja ahora al cazador de planetas más importante del mundo, el instrumento HARPS.

El segundo lugar en el que ESO se estableció fue el Observatorio de Paranal, hogar del conjunto Very Large Telescope (VLT). Las operaciones científicas comenzaron en 1999 y, hoy, el VLT es el buque insignia de la astronomía europea junto con el Interferómetro VLT (VLTI). También se encuentra en Paranal el telescopio VISTA, que trabaja en el rango infrarrojo y es el mayor telescopio de rastreo del mundo, mientras que el VLT Survey Telescope (VST) es el mayor telescopio diseñado para rastrear los cielos en luz visible.

En el llano de Chajnantor, en el norte de Chile, junto con socios de América del Norte y Asia Oriental, ESO está construyendo el telescopio ALMA, (Atacama Large Millimeter / submillimeter Array). ALMA será un único telescopio compuesto por 66 antenas de alta precisión que estudiará los componentes básicos de las estrellas, los sistemas planetarios, las galaxias y de la propia vida. La construcción de ALMA se completará en 2013, pero en 2011 ya se comenzó a hacer ciencia, llevando a cabo observaciones con parte del conjunto de antenas.

ESO planea actualmente un telescopio para el óptico y el infrarrojo cercano de tipo 40 metros, el European Extremely Large Telescope o E-ELT, que será “el ojo más grande del mundo para mirar el cielo”. Con el inicio de las operaciones previsto para principios de la próxima década, el E-ELT tratará de resolver los mayores enigmas científicos de nuestro tiempo.

Aurora sobre Noruega

La página web de la NASA, Astronomy Picture of the Day (APOD) publica hoy esta espectacular imagen de una aurora boreal sobre el cielo de Noruega. Su autor Sebastian Voltmer ha captado en una visión panorámica este interesante fenómeno que se produce en las capas altas de la atmósfera en torno a los polos magnéticos de la Tierra cuando protones y electrones de alta energía procedentes del viento solar, guiados por el campo magnético terrestre, chocan contra los átomos y moléculas de oxígeno e hidrógeno que se encuentran en estas zonas de la ionosfera.

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Biografía de Christiaan Huygens

Nació el 14 Abril 1629 en La Haya, Holanda

Murió el 8 Julio 1695 en La Haya, Holanda

Christiaan Huygens nació en una importante familia holandesa. Su padre Constantín Huygens estudió filosofía natural y fue diplomático. Fue a través de él que Christiaan tuvo acceso a los altos círculos científicos de la época. En particular Constantín tenía muchos contactos en Inglaterra y se escribía regularmente con Mersenne y fue amigo de Descartes.

Educado en casa por profesores particulares hasta los 16 años, Christiaan aprendió geometría, cómo hacer modelos mecánicos y otras habilidades como tocar el laúd. Su educación matemática estuvo claramente influenciada por Descartes que fue un visitante ocasional en la casa de Huygens y puso un gran interés en el progreso matemático del joven Christiaan.

Christiaan Huygens estudió leyes y matemáticas en la Universidad de Leiden desde 1645 hasta 1647. Van Schooten le dio clases de matemáticas mientras estuvo en Leiden. Desde 1647 hasta 1649 continuó estudiando leyes y matemáticas pero ahora en el Colegio de Orange en Breda. Allí fue afortunado al tener otro experto profesor de matemáticas, John Pell. A través del contacto de su padre con Mersenne, comenzó una correspondencia entre Huygens y Mersenne durante esta época. Mersenne desafió a Huygens a resolver gran número de problemas incluyendo la forma de la cuerda sujeta por sus puntas. Aunque falló en este problema resolvió el problema relacionado de cómo colgar pesos en la cuerda para que cuelgue en forma de parábola.

En 1649 Huygens fue a Dinamarca como parte de una delegación diplomática y esperaba continuar hasta Estocolmo para visitar a Descartes, pero el tiempo no le permitió hacer este viaje. Tras su viaje a Dinamarca realizó otros a través de Europa incluyendo Roma.

Las primeras publicaciones de Huygens en 1651 y 1654 trataban problemas matemáticos. La publicación Cyclometriae de 1651 mostraba la falacia en los métodos propuestos por Gregory de Saint-Vincent, quien afirmaba haber hallado la cuadratura del círculo. La obra de Huygens de 1654 De Circuli Magnitudine Inventa fue un trabajo más importante sobre temas similares.

Huygens pronto dirigió su atención al pulido de lentes y la construcción de telescopios. Alrededor de 1654 desarrolló una nueva y mejor forma de tallar y pulir lentes. Usando una de sus propias lentes, Huygens detectó, en 1655, la primera luna de Saturno. En el mismo año hizo su primera visita a París. Informó a los matemáticos de París incluyendo a Boulliau de su descubrimiento y a su vez Huygens aprendió del trabajo sobre probabilidades llevado a cabo en la correspondencia entre Pascal y Fermat. A su regreso a Holanda Huygens escribió un pequeño trabajo De Ratiociniis in Ludo Aleae sobre el cálculo de probabilidades, el primer trabajo impreso sobre el tema.

El año siguiente descubrió la verdadera forma de los anillos de Saturno. Sin embargo otros, como Roberval y Boulliau, tenían teorías diferentes. Boilliau había errado al detectar la luna de Saturno Titán por lo que Huygens comprendió que estaba usando un telescopio inferior.

Alrededor de 1656 Huygens fue capaz de confirmar su teoría del anillo a Boulliau y los resultados fueron informados al grupo de París. En Systema Saturnium (1659), Huygens explicaba las fases y cambios en la forma del anillo. Algunos, incluido el Jesuita Fabri, atacaron no sólo las teorías de Huygens sino también sus observaciones. Sin embargo, en 1665 incluso Fabri fue persuadido a aceptar la teoría del anillo de Huygens a medida que sus observaciones fueron confirmadas por telescopios mejores.

El trabajo en astronomía requería un cronometraje preciso y esto impulsó a Huygens a abordar este problema. En 1656 patentó el primer reloj de péndulo, que incrementó enormemente la precisión de la medida del tiempo. Su trabajo sobre el péndulo estaba relacionado con otro trabajo matemático que había estado haciendo sobre el cicloide como resultado del desafío de Pascal. Huygens creía que un péndulo oscilando en un área grande sería más útil en el mar e inventó el péndulo cicloidal con esta idea en mente. Construyó varios relojes de péndulo para determinar la longitud en la navegación y fueron sometidos a pruebas en el mar en 1662 y de nuevo en 1686. En el Horologium Oscillatorium sive de motu pendulorum (1673) describió la teoría del movimiento del péndulo. También derivó la ley de la fuerza centrífuga para el movimiento circular uniforme. Como resultado de esto Huygens , Hooke, Halley y Wren formularon la ley del inverso del cuadrado de la atracción gravitatoria.

Huygens regresó a París en 1660 y allí asistió a reuniones de varias sociedades científicas. Escribió, en una carta a su hermano: 

... Hay una reunión cada martes [en la casa de Montmor] en la que veinte o treinta hombres ilustres se reúnen. Nunca me la pierdo ... He ido también ocasionalmente a la casa de M Rohault, que expone la filosofía de M Descartes y hace muy buenos experimentos con buenos razonamientos sobre ellos.

En estas sociedades se encontró con muchos matemáticos, entre ellos, a Roberval, Carcavi, Pascal, Pierre Petit, Desargues y Sorbière. Después de visitar Pascal en Diciembre de 1660 Huygens escribió:

... charlamos de la fuerza del agua rarificada en los cañones y del vuelo, le mostré mis telescopios...

En 1661 Huygens visitó Londres, especialmente para infromarse sobre la recientemente formada Royal Society que se reunía en esa época en el Gresham College. Quedó enormemente impresionado con Wallis y el resto de científicos ingleses con los que se encontró y, a partir de esta época, mantuvo sus contactos con este grupo. Enseñó sus telescopios a los científicos ingleses demostrando su superioridad sobre los que se usaban en Inglaterra. El duque y la Duquesa de York vinieron a observar la Luna y Saturno a través del telescopio de Huygens. Mientras estuvo en Londres Huygens vio la bomba de vacío de Boyle y quedó impresionado. Tras su regreso a La Haya llevó por a cabo por sí mismo gran número de los experimentos de Boyle. Huygens fue elegido para formar parte de la Royal Society de Londres en 1663.

Por esta época Huygens patentó su diseño del reloj de péndulo con la solución del problema de la longitud en mente. En 1665 supo que la Royal Society estaba investigando otros tipos de reloj, en particular Hooke estaba experimentando con un reloj regulado por muelle espiral. Huygens escribió a Hooke dudando de este método que él suponía se vería excesivamente afectado por los cambios de temperatura. A pesar de esto Huygens comenzó a experimentar con relojes regulados por muelles, pero su precisión era más pobre que sus relojes de péndulo.

Huygens aceptó una invitación de Colbert en 1666 para formar parte de la Académie Royale des Sciences. Llegó a Paris ese año para descubrir que la Society no estaba todavía organizada. Tras las reuniones mantenidas con Roberval, Carcavi, Auzout, Frenicle de Bessy, y Buot en la biblioteca de Colbert la Sociedad se mudó a la Bibliothèque du Roi en la que Huygens ocupó una residencia. Él asumió el liderazgo del grupo basándose mucho en su conocimiento de la forma en que operaba la Royal Society en Inglaterra.

El trabajo de Huygens sobre la colisión de cuerpos elásticos mostró el error de las leyes del impacto de Descartes y su memoria sobre el tema fue enviada a la Royal Society en 1668. La Royal Society había planteado una cuestión sobre el impacto y Huygens probó con experimentos que el momento de una dirección fija antes de la colisión de dos cuerpos es igual al momento en esa dirección tras la colisión. Wallis y Wren también respondieron a esta cuestión.

El movimiento circular fue un tema del que Huygens se ocupó en esta época pero también continuó tabajando sobre la teoría de la gravedad de Descartes basada en los vórtices. Parece haber mostrado signos de no estar contento con la teoría de Descartes por esta época pero él todavía se dirigió a la Académie sobre este tema en 1669 aunque después de su discurso Roberval y Mariotte argumentaron fuertemente, y de forma correcta, contra la teoría de Descartes y esto pudo haber influenciado a Huygens.

Desde su juventud la salud de Huygens nunca fue buena y en 1670 tuvo una seria enfermedad que provocó su partida de París hacia Holanda. Antes de dejar París, creyendo estar cerca de la muerte pidió que sus artículos no publicados sobre mecánica fueran enviados a la Royal Society. El secretario del embajador inglés fue llamado y describió las razones de Huygens:

... cayó en un discurso relativo a la Royal Society de Inglaterra que dijo era una asamblea de los más finos ingenios de la Cristiandad ... dijo que elegía depositar esos pequeños trabajos ... en sus manos antes que nada. ... dijo que preveía la disolución de esta Academia porque estaba mezclada con tintes de envidia por que estaba basada sobre supuestos de beneficio porque dependía totalmente del humor de un príncipe y del favor de un ministro...

Sobre 1671 Huygens regresó a Paris. Sin embargo en 1672 Luis XIV invadió los Países Bajos y Huygens se encontró en la posición extremadamente difícil de estar en una importante posición en París en una época en que Francia estaba en guerra con su propio país. Los científicos de esta época se sentían a sí mismos por encima de las guerras políticas y Huygens fue capaz, con mucho apoyo de sus amigos, de continuar su trabajo.
 
En 1672 Huygens y Leibniz se encontraron en París y en lo sucesivo Leibniz fue un visitante asiduo de la Académie. De hecho Leibniz debe mucho a Huygens del que aprendió gran parte de sus matemáticas. En el mismo año Huygens supo del trabajo de Newton sobre el telescopio y sobre la luz. Él, equivocadamente, criticó la teoría de la luz de Newton, en particular su teoría del color. Su propio trabajo, Horologium Oscillatorium sive de motu pendulorum apareció en 1673 y mostró que Huygens se había separado bastante de la influencia de Descartes.

Horologium Oscillatorium contiene el trabajo sobre el péndulo. En él Huygens prueba que el cicloide es tautocrono, un importante resultado teórico pero que había tenido poca aplicación práctica al péndulo. También resuelve el problema del péndulo compuesto. Sin embargo hay mucho más que el trabajo sobre los péndulos. Huygens describe el descenso de los cuerpos en el vacío, bien verticalmente o a lo largo de curvas. Define las evolutas e involutas de las curvas y, tras dar algunas propiedades elementales, halla las evolutas del cicloide y de la parábola. Huygens intenta por primera vez en su trabajo estudiar la dinámica de los cuerpos más que de las partículas.

Papin trabajó como ayudante de Huygens por esta época y después de que lo dejara para trabajar con Boyle, a Huygens se le unió Tschirnhaus. Otro brote de enfermedad en 1676 vió el regreso de Huygens a la Haya de nuevo. Estuvo dos años allí, estudiando la doble refracción que Bartholin había descubierto en el cristal espato de Islandia. También trabajó sobre la velocidad de la luz que él creía que era finita y se complació al oír hablar de los experimentos de Römer que daban una velocidad aproximada para la luz determinada por la observación de las lunas de Júpiter.

En 1678 Huygens regresó a París. En ese año apareció su Traité de la lumiere, en él Huygens argumentaba a favor de la teoría ondulatoria de la luz. Huygens constató que una esfera de luz en expansión se comporta como si cada punto en el frente de onda fuera una nueva fuente de radiación de la misma frecuencia y fase. Sin embargo su salud se hizo más inestable y cayó enfermo en 1679 y de nuevo en 1681 regresó a La Haya por última vez. La Hire, que siempre había argumentado en contra de los extranjeros en la Académie, envió sus mejores deseos a Huygens pero claramente esperaba que no regresara de forma que él pudiera adquirir su posición.

El problema de la longitud supuso una preocupación constante para Huygens de nabera que continuó trabajando en los relojes toda su vida. De nuevo cuando su salud se recuperó trabajó sobre un nuevo reloj marino durante 1682 apoyado por el interés mostrado por la Compañía de la Indias Orientales Holandesas siguió trabajando duro con los relojes. Colbert murió en 1683 y el regreso a París sin el apoyo de su patrón parecía imposible. Su padre murió en 1687, habiendo alcanzado los 91 años de edad, y el año siguiente su hermano partió para Inglaterra. Huygens echaba de menos tener gente alrededor con quienes poder discutir de temas científicos. En 1689  llegó a Inglaterra.

En Inglaterra Huygens se encontró con Newton, Boyle y otros en la Royal Society. No se sabe qué discusiones hubo entre Huygens y Newton pero sabemos que Huygens tenía una gran admiración por él aunque al mismo tiempo no creía en la teoría de la gravitación universal de la que dijo:

..me parece absurda.

En algún sentido por supuesto Huygens estaba en lo cierto, cómo puede uno creer que dos masas distantes se atraen mutuamente cuando no hay nada entre ellas, nada en la teoría de Newton explica cómo es posible que una masa pueda incluso saber que la otra masa está allí. Escribiendo sobre Newton y los Principia algún tiempo después Huygens escribió: 

Estimo su comprensión y sutileza en gran medida, pero considero que se les ha dado un mal uso en la mayor parte de este trabajo, donde el autor estudia cosas de poco uso o cuando construye el improbable principio de la atracción.

Se retiró con mucha tristeza con los pensamientos de su aislamiento científico en Holanda.

En los últimos años de su vida Huygens compuso una de las primeras discusiones de la vida extraterrestre, publicada tras su muerte como el Cosmotheoros (1698). Continuó trabajando en la mejora de las lentes y sobre el reloj regulado por muelles y sobre nuevos relojes de péndulo.

Huygens describió el temperamento constante de 31 tonos en Lettre touchant le cycle harmonique. Esto llevó indirectamente a una tradición musical de 31 tonos en Holanda en ese siglo.

En una carta a Tschirnhaus escrita en 1687, Huygens explicaba su propio método:

.. se sienten grandes dificultades al principio y estas no pueden ser superadas excepto comenzando con los experimentos ... Pero incluso así, queda mucho trabajo duro por hacer y uno necesita no sólo gran perspicacia sino a menudo un grado de buena suerte.

Los logros científicos de Huygens se resumen como sigue:

... Huygens fue el mejor mecánico del siglo diecisiete. Combinó el tratamiento matemático de Galileo de los fenómenos con la visión de Descartes del diseño último de la naturaleza. Comenzando como un ardiente Cartesiano que buscaba corregir los errores más manifiestos del sistema, terminó como uno de sus críticos más agudos. ... las ideas de la masa, peso, momento, fuerza y trabajo fueron clarificadas finalmente en el tratamiento de Huygens de los fenómenos de impacto, la fuerza centrípeta y el primer sistema dinámico jamás estudiado, el péndulo compuesto.

Artículo de: J J O'Connor y E F Robertson (Mctutor History of Mathematics)

Trtaducción: Jesús Canive



La metalicidad de una estrella

Las estrellas pueden clasificarse de diversas maneras, no sólo por su tamaño y masa. La metalicidad de una estrella es una de las formas en las que se pueden clasificar estos objetos.  Esta característica facilita a los astrónomos información sobre cómo ha cambiado nuestra galaxia a lo largo del tiempo. Pero la metalicidad no sólo proporciona información sobre la Vía Láctea sino también sobre los cambios sufridos por las propias poblaciones de estrellas a lo largo de la historia del universo y de cómo las estrellas que nacen hoy son muy diferentes de las primeras estrellas.

La tarea de clasificación de las estrellas es sumamente compleja y supone un reto para los astrónomos. Se trata de objetos muy distantes y que tienen una vida extremadamente larga. Incluso las estrellas de vida más corta, con unos pocos cientos de miles de años, abarcan un periodo de tiempo mucho mayor del tiempo que los humanos existimos como especie.

Existen algunas fases en la vida de una estrella que ocurren en una escala de tiempo lo suficientemente pequeña para ser observada en detalle. Una de estas fases es la muerte violenta y rápida de una estrella como supernova. Pero aunque esta fase es relativamente corta en tiempo comparada con la edad de la estrella, es poco frecuente.

Las estrellas generan su energía transformando el hidrógeno en helio, pero en el interior de la estrella también se generan otros procesos que producen, en menor cantidad, otros elementos distintos del hidrógeno y el helio.

Los astrónomos afrontan la composición química de una estrella de una manera muy pragmática. Dividen los 92 elementos en tres grupos: Hidrógeno, helio y el resto de elementos.  Al tercer grupo, al resto de elementos químicos que no son ni hidrógeno ni helio es a lo que llamamos metalicidad, que se define por tanto, como la proporción del material de una estrella que no es ni hidrógeno ni helio.

La cantidad de estos elementos es proporcional a la rapidez y duración del proceso de transformación de hidrógeno en helio, también conocido como nucleosíntesis. Por lo tanto, la metalicidad pude servir de indicador de la edad de una estrella y puede ser usado además para ayudar a clasificar las estrellas según las distintas fases que atraviesan a lo largo de su vida.

Sin embargo en ritmo de nucleosíntesis y la edad de una estrella no son los únicos factores que afectan a su metalicidad. También depende de la cantidad de otros elementos que estaban presentes cuando se formó la estrella. Todas las estrellas, excepto aquellas de la primera generación, contienen material que ya ha sido parte de otra estrella anteriormente. A lo largo del tiempo la cantidad de otros elementos va aumentando a medida que el hidrógeno y el helio son transformados. Por lo tanto, la metalicidad de las estrellas se va incrementando en cada una de las sucesivas generaciones.

Esta metalicidad creciente a lo largo de las distintas generaciones de estrellas es el factor clave para definir las distintas poblaciones de estrellas en la Vía Láctea. Empecemos por las fáciles, aquellas compuestas de jóvenes estrellas como nuestro Sol. Se trata de estrellas con una metalicidad relativamente alta, haciendo hincapié en el término “relativamente”, ya que las cantidades absolutas de estos elementos sigue siendo muy pequeñas comparadas con la cantidad total de hidrógeno de la estrella. Este tipo de estrellas componen la llamada Población I.

Las estrellas de la Población I son estrellas relativamente jóvenes, con menos de 10.000 millones de años de edad y se encuentran con más frecuencia en los brazos espirales de nuestra galaxia. Igualmente, las estrellas de los cúmulos abiertos son todas estrellas de la Población I.

Cúmulo abierto M45 - Las Pléyades

En términos generales, se puede decir que las estrellas de Población I tienen un movimiento ordenado dentro de la galaxia, con órbitas casi circulares y con frecuencia tienen sistemas planetarios a su alrededor.

A medida que volvemos atrás en el tiempo y observamos estrellas más antiguas, observamos que decrece la metalicidad.  Estas estrellas forman la denominada Población II y son las estrellas más antiguas que podemos observar. Se pueden encontrar a lo largo de la galaxia y forman órbitas elípticas y excéntricas. Se concentran en mayor número en centro y en el halo galáctico e incluyen estrellas variables tipo RR Lyrae y sub-enanas. Son también las componentes de los cúmulos globulares, por lo que sabemos que estos cúmulos son muy antiguos.

No existe una clara línea divisoria entre los dos tipos de estrellas, y la metalicidad varía entre los dos extremos haciendo posible varios tipos de subpoblaciones. Sin embargo sí existe un patrón claro en la distribución de los dos tipos de poblaciones, lo que plantea interesantes cuestiones. ¿Porqué no se encuentras estrellas de Población I en el centro de la galaxia? ¿Porqué se encuentran con frecuencia estrellas de Población II en los cúmulos globulares? Las respuestas a estas preguntas arrojan luz sobre la forma en la que la Vía Láctea ha cambiado a lo largo del tiempo. Dado que el ritmo de formación de estrellas ha variado en el tiempo en las distintas zonas de la galaxia, las variaciones de metalicidad que ahora observamos reflejarán esas diferencias.

Cúmulo globular M5.

Hay otra interesante pregunta a la que dar respuesta. Las estrellas de Población II tienen una baja metalicidad, pero ¿De dónde procede ese material? La teoría de cómo se formó el universo nos dice que el material inicial del que se formaron las primeras estrellas no tenía ningún otro elemento que no fuera hidrógeno y helio lo que implica que las estrellas de la Población II no son estrellas de primera generación, por lo que existió una generación anterior de cuyos restos de formaron las estrellas de la Población II.

Estas estrellas más antiguas pertenecen a la Población III y se supone que son las primeras estrellas que se formaron en el universo. Su existencia es teórica e hipotética ya que este tipo de estrellas no es visible hoy en día. Por esta razón existe una gran especulación sobre la naturaleza de estas estrellas. Podrían haber sido muy calientes y brillantes y con masas muy superiores a las que podemos observar hoy en día.  De ser cierto este extremo, disminuirían enormemente las posibilidades de poder observar una de estas estrellas, ya que habrían tenido una vida relativamente corta.

L Cate Kendal

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