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jueves, 26 de abril de 2012

La edad del Universo

Steve Nerlich 

Es sabido que el universo tiene una edad de 13.700 millones de años. Esta cifra se ha obtenido a partir de los datos recogidos desde el año 2001 por la sonda WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) situada en el punto Lagrange 2.

Mapa del fondo cósmico de microondas obtenido por la sonda WMAP

Si revisamos la literatura que apoya la cifra de 13.700 millones de años, surge la siguiente afirmación. El cálculo de la edad del universo sólo es preciso, si los supuestos del modelo utilizado para calcularlo son también precisos.  Esto no es una salvedad insignificante todo este asunto. 

No me malinterpreten, 13.700 millones de años es, probablemente una cifra más o menos precisa, pero parece más que probable, que en los próximos cinco o diez años, a medida que lleguen nuevos datos del telescopio Planck, o quizás del Hubble o incluso nuevos análisis de los datos del ya retirado WMAP, pueda surgir algo nuevo que obligue a un reajuste del modelo general.

Dejando WMAP de lado por un momento, un cálculo aproximado de la edad del universo puede estar limitado por el hecho de estimar la edad de viejas estrellas.  Con este propósito, normalmente se observan cúmulos globulares en la Vía Láctea, en lo que se hallan probablemente las estrellas más antiguas de la galaxia. Se cree que todas las estrellas que forman parte del mismo cúmulo se formaron al mismo tiempo por lo que hay disponible una buena colección de fuentes de datos sobre de la luminosidad y la espectroscopia de esas estrellas. Resulta que los cúmulos más antiguos en la Vía Láctea, como M92, están compuestos de estrellas pequeñas y por lo tanto con una larga vida, con una masa de 0,7 masas solares cada una de ellas y en una etapa evolutiva que las sitúa con una edad entre 10.000 y 20.000 millones de años.

Cúmulo globular M92.

Se trata, sin embargo, de una estimación bastante aproximada con un amplio margen de error. Si estrechamos el cálculo podemos limitar esta estimación a valores entre 12.000 y 16.000 millones de años.  Por lo que 13.700 encaja perfectamente entre estos valores. Sin embargo lo que realmente queremos de las estimaciones de la edad de las estrellas es conseguir un límite inferior para la edad del universo, puesto que no puede ser más joven que las estrellas que contiene. Así, con esta lógica, el universo no puede ser menor de 10.000,  quizás 12.000 millones de años.

El valor de los datos de cúmulo globular se obtiene de objetos bastante próximos de la Vía Láctea y los cálculos subyacentes se basan en el diagrama de evolución estelar de Herzsprung-Russell, rico en datos y bastante fiable. Existen un montón de estrellas viejas en otros lugares en el universo, así como quásares y otros objetos antiguos, que están muy distantes, y que tienen potencialmente una edad mayor, precisamente por esa razón.

La erupción de rayos gamma GRB 090429B observada en abril de 2009, mantiene hasta la fecha el record del objeto observado más antiguo y lejano. Puede haber sido una supernova.  Fuera lo que fuese, se estima que ocurrió hace más de 13.000 millones de años.  Sin embargo cada vez que tratamos de calcular la edad de algo muy lejano, entran en juego un conjunto de supuestos sobre la densidad del universo, su curvatura o su ritmo de expansión que son los mismos supuestos que complican la estimación del WMAP.

La sonda WMAP creó un mapa del fondo cósmico de microondas (FCM) de todo el cielo con una resolución de 13 minutos de arco. A partir de ahí, es en gran medida una cuestión de utilizar el desplazamiento al rojo como una medida de distancia, ya que cuanto más ha viajado la luz, más viejo es el punto del que procede. El punto de origen del fondo cósmico de microondas se denomina superficie de la última dispersión.

Todo lo que podemos ver es posterior a la última dispersión.

Cuando el universo tenía alrededor de 380.000 años, se formaron los primeros átomos a partir del plasma, y de repente el universo se hizo transparente a la radiación, por lo que la luz podía atravesar largas distancias. Hasta entonces los fotones eran continuamente emitidos para luego ser reabsorbidos, de ahí su dispersión por el plasma. Esos primeros rayos de luz, el FCM, fueron emitidos pero no inmediatamente reabsorbidos. Por lo tanto, fuera lo que fuera lo último en emitirlos, presumiblemente un conjunto muy caliente de iones y electrones, supuso la superficie de la última dispersión.

En un universo en expansión, nos estamos alejando de esa superficie, de igual forma que nos alejamos de las galaxias distantes. Pero al ser un flash de luz sin precedentes y nunca repetido que fue emitido por todo el universo, el FCM sigue impregnando todo el universo, a diferencia del flash de luz emitido desde un único punto de origen, como una supernova. Así que a pesar de que realmente fue emitido desde una superficie y en un momento determinado en el tiempo, nunca se va a mover hacia adelante adelantándonos como un frente de onda, porque el mismo universo entero que una vez lo emitió, es el mismo universo en el que ahora vivimos.

De todos modos, conocemos bastante bien la temperatura de la última dispersión,  ya que podemos replicar los procesos de recombinación del plasma en un laboratorio. De este modo, el cambio de la temperatura inicial de 3000º K a la temperatura actual de 2,7º K del FCM, es el resultado de corrimiento al rojo, que nos da la distancia y por lo tanto el tiempo transcurrido desde que ocurrió la última dispersión.

El calendario de todos los acontecimientos que precedieron a la última dispersión se deriva en gran medida de experimentos del Acelerador de Partículas y de cálculos de la física cuántica que determinan las temperaturas y las densidades y, por tanto, todos los pasos y el marco de referencia temporal en el que el universo se hizo lo suficientemente grande y frío para liberar el FCM.

Por tanto, seguir adelante partiendo del FCM, es prácticamente seguir las ecuaciones de campo de Einstein. La sonda WMAP no sólo proporciona datos de temperatura, sino también datos acerca de la forma del universo ya que asigna un FCM a todo el firmamento. Por lo tanto, si alguna zona estuviera más caliente y, por tanto, más cerca que otra, sugeriría que el universo es curvo bien hacia afuera o bien hacia adentro. Pero no es así, por eso decimos que el universo es espacialmente plano. Y esto es clave para poder calcular una estimación de su edad, ya que un universo curvado hacia adentro o cerrado habría comenzado más recientemente, y un universo curvado hacia fuera o abierto habría comenzado hace más tiempo que nuestro aparentemente universo plano.

Así que, en resumen, sólo hay que medir la temperatura actual del fondo cósmico de microondas (FCM) ya que se puede ver cuánto se ha desplazado al rojo, o cuánto ha sido estirado por la expansión del universo. A continuación, sólo hay que utilizar las ecuaciones de campo de Einstein para calcular cómo  se ha expandido el universo para producir ese desplazamiento al rojo, porque una vez que podemos cuantificar la expansión, sabemos durante cuánto tiempo se ha producido la expansión. A continuación, bastará con agregar los 380.000 desde el Big Bang hasta la liberación del FCM y voilà obtendremos 13.700 millones de años, la edad del universo.

Pero una vez más, para obtener una estimación de la edad partiendo de una tasa de expansión, se necesita tener en cuenta los cambios en la densidad de energía y la curvatura de espacio-tiempo a lo largo de la evolución del universo y las cifras que tenemos al respecto se basan en asumir la homogeneidad del universo, la energía oscura y la, igualmente misteriosa,  inflación cósmica temprana, necesaria a su vez para explicar por qué el universo es homogéneo.

El hecho de que las diversas hipótesis actuales se apoyen mutuamente en favor de un determinado modelo cosmológico podría definirse como un caso de sesgo de selección, especialmente cuando ese modelo incluye cosas tan extrañas como la energía oscura.  Por tanto, 13.700 millones de años es tan solo una cifra aproximada.


Traducción de la transcripción del Podcast en 365 Days or Astronomy

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martes, 17 de abril de 2012

1000 días de maravillas en infrarojo

Con motivo de la celebración de los primeros 1000 días de funcionamiento de la cámara de infrarojos IRAC instalada en el Telescopio Espacial Spitzer de la NASA, el programa ha publicado una galería con las 10 mejores imágenes en infrarojo obtenidas por IRAC. Este instrumento está proporcioando increibles imágenes que en muchos casos muestran estructuras y aspectos completamente nuevos de objetos muy conocidos. La banda de infrarojos detecta especialmente las zonas más calientes, donde se sitúa la mayor actividad en formación de nuevas estrellas.


La así llamada Nebulosa del Tornado es un objeto poco conocido, por lo que las imágenes obtenidas por este instrumento son especialmete valiosas. Se cree que este objeto es el resultado  de un chorro de material procedente de una estrella joven que genera ondas de choque en el polvo y gas que lo rodean. El color verde muestra hidrógeno molecular presionado por la onda de choque. Crédito de la imagen: NASA / JPL-Caltech  / J. Bally (Universidad de Colorado).


La famosa Nebulosa de Orión se encuentra a 1340 años luz de la Tierra y es una zona muy activa en la creación de nuevas estrellas. A pesar de tratarse de un objeto muy conocido y fotografiado, las imágenes aportadas por IRAC aportan nueva información respecto a las zonas de formación estelar. Aunque la visión óptica de esta región está dominada principalmente por la luz de cuatro estrellas  masivas muy jóvenes, las imágenes de IRAC revelan otras muchas estrellas jóvenes rodeadas de su envultura de polvo y gas. Igualmente pueden apreciarse largos filamentos en los que se detecta una alta actividad en la creación de nuevas estrellas. En estos filamentos se pueden apreciar miles de protoestrellas. Crédito de la imagen: NASA / JPL-Caltech / (Universidad de Toledo).





Tras una larga vida quemando su hidrógeno mediante fusión nuclear, las estrellas llegan a los últimos estadios de su vida que van a estar determinados por su masa.  En esta imagen apenas se aprecia la propia estrella en el centro, sin embargo  se muestra forma en la que las viejas estrellas proyectan su material a través del espacio que las rodea, creando lo que se conoce como una nebulosa planetaria. La Nebulosa de la Hélice se encuentra a 650 años luz de la Tierra en la constelación de Acuario. Crédito de la imagen: NASA / JPL-Caltech / J. Hora (CfA) & W. Latter (NASA/Herschel).

El universo primitivo contenía únicamente hidrógeno y helio, no existía ningún otro elemento químico. El resto de los elementos químicos, incluidos los necesarios para la vida se crearon más tarde en los hornos nucleares de las estrellas y postriormente fueron expulsados al espacio al morir la estrella. IRAC estudia cómo maduran las estrellas.  La nebulosa Trífida está formada por estrellas en todas las etapas de la vida, rodeadas de gas y polvo. Se encuentra a 5.400 años luz de la Tierra en la constelación de Sagitario. Crédito de la imagen: NASA / JPL-Caltech
Dentro de las galaxias, las enormes nubes de gas y polvo se funden bajo la presión de la gravedad hasta que nacen nuevas estrellas.  En esta nube gigante pueden verse varias guarderías estelares, algunas todavía dentro de las puntas de las polvorientas montañas de creación. Esta imagen muestra el borde oriental de una región conocida como W5, cerca de la constelación de Perseo a 7.000 años luz de distancia. Crédito Cúmulo de estrella DR22

Después de lazar lejos el material del que se formó, el joven cúmulo estelar que podemos ver en esta imágen emite vientos y fuertes radiaciones de luz ultravioleta que esculpen la nube de gas dándole formas fantásticas. Los astrónomos no están seguros de cuándo esa fuerte actividad del viento y la radiación suprimen la futura formación de estrellas, y cuándo la facilita a través de la compresión. El clúster, conocido como DR22, está en la Constelación del Cisne. Crédito de la imagen: NASA JPL-Caltech.

IRAC ha fotografiado sistemáticamente el disco completo de la Vía Láctea, después se ha compuesto una fotografía en infrarojo que contiene miles de millones de píxeles en un plano relativamente estrecho. Esta imagen muestra cinco tiras de extremo a extremo que abarcan el centro de nuestra galaxia. Esta imagen cubre únicamente un tercio del plano galáctico. Crédito de la imagen: NASA JPL-Caltech E. Churchwell (Universidad de Wisconsin).

Las colisiones galácticas desempeñan un papel importante en la evolución de las galaxias. Estas dos galaxias, la Galaxia del Remolino (M51) y su compañera, están relativamente cercanas a una distancia de sólo 23 millones de años luz de la Tierra. La cámara IRAC ve la galaxia principal muy roja debido al polvo caliente, un signo de formación estelar activa que probablemente fue provocado por la colisión de su cercana compañera.  En ocasiones se produce el efecto contrario y el choque galáctico provoca que el material del que se forman las estrellas se disperse por el espacio, impidiendo así su formación. Crédito e la imagen: NASA JPL-Caltech r. Kennicutt (Unividad de Arizona).

La formación de estrellas ayuda a conformar la estructura de las galaxias a través de ondas de choque, vientos estelares y radiación ultravioleta. En esta imagen de la Galaxia del Sombrero, se aprecia un disco de polvo caliente (rojo) causado por la formación de estrellas alrededor de la protuberancia central (azul) más fría. La Galaxia del Sombrero está situada a 28 millones de años, luz en la constelación de Virgo. Crédito de la imagen: NASA JPL-Caltech r. Kennicutt (Univ. de Arizona).

Los numerosos puntos de luz que se aprecian en esta imagen no son estrellas sino galaxias completas. Algunas de ellas, como la galaxia con la forma de un pequeño renacuajo que se puede apreciar en la zona superior derecha, se encuentran a sólo unos cientos de millones de años luz de distancia por lo que pueden percibirse sus formas. Las más lejanas, sin embargo, solo se aprecian como puntos de luz. Su luz la vemos tal como era hace más de diez mil millones de años, cuando el universo era aun muy joven.  Crédito de la imagen: NASA / JPL-Caltech / SWIRE Team.


domingo, 15 de abril de 2012

Las Auroras de Urano vistas desde la Tierra


Por primera vez se han obtenido imágenes de auroras en Urano que suponen una prueba más de lo peculiar que es este lejano planeta. Este fenómeno ha podido ser detectado realizando observaciones cuidadosamente planificadas utilizando el telescopio espacial Hubble.

Auroras sobre Urano. Crédito de la imagen: Laurent Lamy
 
Las auroras son un fenómeno que se produce en la magnetosfera, que es  la zona que rodea a un planeta y que está controlada por su campo magnético y modelada por el viento solar, un flujo continuo de partículas cargadas procedentes del Sol.  Las auroras se producen en la atmósfera cuando las partículas de viento solar son aceleradas por la magnetosfera y guiadas por el campo magnético cerca de los polos.

Estas imágenes son especialmente valiosas ya que apenas se tienen datos sobre la magnetosfera de Urano.  Las auroras en Urano son más débiles que en la Tierra y el planeta se encuentra a más de 4.000 millones de kilómetros. Nunca se habian obtenido buenos resultados en observaciones realizadas desde la Tierra. La última vez que se obtuvo una imagen de aurora sobre Urano fue hace 25 años cuando la nave espacial Voyager 2 pasó cerca del planeta.

Los científicos planetarios saben que Urano es un planeta especial dentro del sistema solar en cuando a la orientación de su eje de rotación. Mientras que los otros planetas se comportan como peonzas que giran y orbitan alrededor del Sol, Urano se comporta coma una peonza que se ha caído de lado pero aún sigue girando.

Los investigadores sospechan que el aspecto desconocido de las auroras observadas es debido a la rareza de su rotación y a los rasgos peculiares de su eje magnético. El eje magnético está desplazado y forma un ángulo de 60 grados con respecto al eje de rotación. Una inclinación extrema en comparación con los 11 grados que tiene el de la Tierra. Los científicos creen que el campo de magnético de Urano podría estar generado por un océano salado en el interior del planeta, que sería la cause de la excentricidad del eje magnético.

Las auroras observadas difieren no sólo respecto a las auroras de la Tierra, sino que también difieren de las observadas en el propio Urano por la nave Voyager 2. Cuando la nave hizo su sobrevuelo hace décadas, Urano estaba cerca de su solsticio. Su eje de rotación apuntaba hacia el Sol. En esa configuración, el eje magnético se queda en un gran ángulo respecto al flujo del viento solar, produciendo una magnetosfera similar a la magnetosfera terrestre, aunque más dinámica. En esas condiciones de solsticio de 1986, las auroras duraron más que las recientemente observadas  y principalmente fueron vistas en el lado nocturno del planeta. Sin embargo el Hubble no puede ver la cara oculta del planeta,  por lo que los investigadores no saben qué tipos de auroras, si las hubiere, se generaron allí.

El nuevo conjunto de observaciones, sin embargo, corresponden a cuando el planeta estaba cerca de equinoccio, cuando ninguno de los dos extremos del eje de rotación apuntan hacia el Sol, y  el eje se alinea casi perpendicular a la corriente de viento solar. Debido a la inclinación del eje magnético del planeta, la rotación diaria de Urano durante el período del equinoccio causa que cada uno de sus polos apunte hacia el Sol una vez al día lo que hace que el tipo de auroras sean probablemente muy distintas de las observadas durante el solsticio. 


Para saber más:  American Geophysical Union

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