Píldora cosmológica | El famoso espacio-tiempo

Siempre se ha dicho que la velocidad de la luz es la misma para todos los observadores, independientemente de su movimiento con respecto a la fuente de dicha luz. Esta es la idea básica de la teoría de Albert Einstein en 1905. Para llegar a esta idea, se tuvo que volver a revisar el concepto de espacio y tiempo que se estableció hace 300 años (época de Galielo).

En aquella época, el tiempo era considerado el mismo para todos. Esto significa que la tasa del transcurso del tiempo y el ritmo de llegada del futuro al presente será el mismo independientemente de las condiciones físicas en las que se halle el observador. Este mismo concepto absoluto se aplicaba al espacio: con los mismos aparatos deberíamos medir simultáneamente las mismas longitudes.

Antes de que las ideas de Einstein calara en la comunidad científica, todos los acontecimientos del Universo se consideraban que se desarrollaban en un lugar determinado en un momento concreto. Así, el espacio y el tiempo eran entidades aparentemente independientes. Con Einstein se ve que la constancia de la velocidad de la luz no puede ser si se mantiene el punto de vista del espacio y tiempo visto. "Sencillamente" él propone que el espacio y el tiempo están íntimamente ligados.

Pero esta idea no sería tan fácil de introducirla en la comunidad científica puesto que se debería admitir que el tiempo no transcurre a la misma velocidad para todo el mundo. Con el tiempo, se demostró que Einstein tenía razón. De hecho, se ha observado empíricamente que el tiempo pasa más lentamente en una casa ubicada en un valle que en un refugio en la cumbre de la montaña. Esto es así porque en el valle se está más cerca del centro de la Tierra y, por tanto, la atracción gravitatoria es mayor. ¡Ojo! Las diferencias son absolutamente mínimas (estamos hablando de unas cuantas millonésimas de segundo al año) y es imperceptible en nuestro día a día (Reeves, 2022). 

Este mes estamos hablando a través de pequeñas píldoras conceptos astronómicos y cosmológicos usando como referencia el libro de divulgación de Hubert Reeves publicado recientemente en Alianza editorial. La primera edición en español se publicó en este mismo sello editorial en el año 2009. Hubert Reeves fue un famoso astrofísico y cosmólogo franco-canadiense conocido por ser un divulgador científico que asiduamente aparecía en programas de televisión francesa resolviendo cuestiones relativas al origen del Universo. Casualmente, Hubert Reeves ha fallecido hoy día 13 de octubre de 2023 en París.

Fuente bibliográfica

• Reeves, H., (2022). Crónicas de los átomos y de las galaxias. Alianza editorial.

Jacob Sierra Díaz y Sigma

Píldora cosmológica | Un tal Albert Einstein...

En el mundo científico, Albert Einstein no necesita presentaciones. En el año 1905 Einstein publica la relatividad restringida, cambiando la forma en la que entendemos nuestro Cosmos. ¿En qué consiste esta teoría?

Siguiendo con la idea de Reeves (2022), nos introduciremos en la teoría de la relatividad restringida con un símil cercano. Bien es sabido que los aviones tienen aparatos que miden y calculan la velocidad del viento. Dichos instrumentos detectarán un aumento de la velocidad del viento cuando el avión avanza contra el viento. Por tanto, será menos elevada si el viento es de cola. ¿Por qué? Porque la velocidad del viento se suma a la del avión en el primer caso (viento de frente) y se resta en el segundo (viento de cola); por supuesto, cuando observamos la velocidad del avión con respecto al aire.

Con la imagen anterior sabemos que la velocidad del avión cambia en función de la dirección del viento. Volviendo a la Cosmología, cabría preguntarse si la velocidad de la luz se vería afectada por el movimiento del observador (ese hipotético avión). Antes de continuar, merece la pena señalar que el siglo XVII se midió por primera vez la velocidad de la luz por Olaus Römer: 300.000 km/s.

Para responder a esta pregunta, se diseñó el siguiente experimento: observar una misma estrella en un intervalo de seis meses. Sabemos que la Tierra se desplaza por el espacio en una órbita elíptica alrededor del Sol a unos 30 km/s. Entonces, en el primer mes, el movimiento de la Tierra se desplazará en dirección a la estrella observada. Aquí se esperaba una diferencia de velocidad de 30 km/s más. Por contra, en el sexto mes, el movimiento de la Tierra se alejará de la estrella observada. En ese momento, se esperaba una diferencia de velocidad de 30 km/s menos. Tras el experimento, la diferencia dio un resultado nulo. Es decir, no hay diferencia en la velocidad de la luz. En definitiva, cualquiera que fuese el movimiento de nuestro planeta, no mostraba diferencias en la velocidad de la luz. 

No fue hasta la teoría de la relatividad restringida de Albert Einstein que se pudo resolver este enigma científico. En honor a Einstein en 2005 se celebró el Año de Einstein. Lo veremos.

Fuente bibliográfica

• Reeves, H., (2022). Crónicas de los átomos y de las galaxias. Alianza editorial.

Jacob Sierra Díaz y Sigma

Píldora cosmológica | Origen del hidrógeno y más...

Bien es sabido por la comunidad científica que H es el hidrógeno. Recordemos que el núcleo de hidrógeno consta de un solo protón. De hecho, el número de protones (en el núcleo del elemento) determina la naturaleza del mismo. La radiación cósmica de fondo, llamada por Reeves (2022) radiación fósil, es una "fotografía" del Cosmos cuando tenía 400.000 años. A esa edad el Universo alcanzaba una temperatura promedio de 3.000ºC. Por supuesto, se estima esta cifra más elevada en el primer minuto del nacimiento del Universo. Para hacernos una idea de esta enorme cantidad, decir que la temperatura promedio actual es de -270ºC o 3º absolutos. Está claro que el Universo se está enfriando y, por lo tanto, se está haciendo menos denso (en concreto mil millones de veces menos que hace 400.000 años).

Se estima que hace 400.000 años surgieron los primeros átomos de hidrógenos. Antes, la temperatura era tan alta que es prácticamente imposible que pudieran crearse puesto que tanto los electrones como neutrones no se conseguían combinar de manera estable. Se cree que en el primer minuto de vida del Universo solo existía el plasma.

Sin embargo, hay otras teorías que afirman que durante el Big Bang la presión era tan alta que los elementos atómicos se movían tan rápido que se fusionaban dando lugar al hidrógeno (H) y al helio (He). Siguiendo con esta cadena de creación, el helio puede formar carbono, que a su vez puede formar oxígeno, neón y otros elementos pesados tales como el nitrógeno o el hierro.

En la imagen de la radiación cósmica de fondo podemos apreciar manchas rojas y azules. Los puntos rojos corresponden con las zonas más calientes y, por contra, las zonas azules son las más frías. El color rojo esconde otro secreto: no solo son las zonas más calientes, sino la que más densidad alcanzan. Esto se traduce en que son los lugares en las que nacieron las grandes estructuras del universo que hoy vemos: las galaxias. Esto se produce por la fuerza gravitacional que permite que la materia circundante se aglutine en un punto concreto aumentando a su vez su masa. Así por hacer un símil más próximo a nuestra vida, el nacimiento de una galaxia es como una bola de nieve que va ladera abajo, empieza siendo pequeña y va atrapando a su paso más nieve hasta convertirse en una gran bola. 

En el Universo, por tanto, existirán regiones muy densas de energía (zonas rojas) rodeadas de otras zonas menos densas (zona azul). La extrema concentración de la materia producirá un calentamiento extremo que se traducirá en la luz que vemos cada noche. Con este dato en mente, se estima que las primeras estrellas comenzaron a brillar hace aproximadamente 400 millones de años después del Big Bang.

Fuente bibliográfica

• Reeves, H., (2022). Crónicas de los átomos y de las galaxias. Alianza editorial.

Jacob Sierra Díaz y Sigma

Píldora cosmológica | La radiación fósil

Cuanto más caliente están los astros del Cosmos, más luz emitirán. Al comienzo del Universo tubo que haber una "explosión cósmica" que se cree que ocasionó un inmenso destello de luz. Entonces, si hubo un gran destello, tendrá que quedar algún rastro de este hecho por el Universo. Esto se lo planteó seriamente el astrónomo George Gamow en 1948, inspirado por la teoría de Albert Einstein: alguna débil radicación residual deberá quedar del origen violento del Universo que conocemos "tal bien" hoy en día.

Pero no fue hasta 1965 cuando la mejora en los radiotelescopios permitió a los ingenieros Penzias y Wilson observar lo que Gamow había postulado teóricamente. El hecho de esta radiación residual fósil se puede apreciar en la siguiente imagen que nos muestra el aspecto del Universo cuando tenía "tan solo" 400.000 añetes:

La radiación fósil ha confirmado la teoría del Big Bang, que afirma que el Universo no ha existido siempre, tiene una edad y está en evolución. Pero esta imagen también trae consigo una nueva idea: el universo se está enfriando, perdiendo densidad y oscureciendo. 

Pero sin ánimos de entrar en profundidad en estas teorías, cabe señalar que hay algunas preguntas internas sin respuesta. Y, es que la teoría del Big Bang, como muchas otras teorías científicas, no es definitiva y puede, con el paso de los años, dar paso a nuevas modificaciones o incluso otras teorías (Reeves, 2022). 

Fuente bibliográfica

• Reeves, H., (2022). Crónicas de los átomos y de las galaxias. Alianza editorial.

Jacob Sierra Díaz y Sigma

Píldora cosmológica | La frontera del universo

La famosa fotografía del campo profundo que hizo el telescopio espacial Hubble nos mostró los límites del Universo con puntos azules que son galaxias que se van alejando más o menos a la velocidad de la luz (300.000 km/s). Pero entonces, ¿por qué no vemos galaxias más lejanas a estas? Porque los fotones de dichas galaxias no han llegado hasta nosotros y aún se precisan nuevos dispositivos más avanzados como el telescopio James Webb. Recordemos que según la teoría de la relatividad de Einstein la velocidad de la luz es un límite que no se puede superar. 

Pero el movimiento de las galaxias tienen un sentido un tanto particular en el seno de la teoría del Big Bang (Reeves, 2022).

En concreto, las galaxias no se desplazan por el espacio, sino que más bien es el propio espacio el que se va extendiendo y dichas galaxias son "arrastradas" por él en su expansión. Esto lo podemos comprender fácilmente a través del símil de un globo inflándose en el que las galaxias están "pintadas" en su superficie. A pesar de que dichas galaxias están pegadas a la membrana del globo, nos dará la sensación que unas se están alejando de otras (cuando en realidad es el soporte -el globo- el que se está extendiendo). Claro que si este globo es lo suficientemente grande, nada impide que las velocidades de las galaxias alejándose sean cercanas a la velocidad de la luz. 

Pero, enlazando con el primer párrafo, aquí tenemos una archiconocida frontera: solo percibiremos galaxias lejanas si su luz ya ha llegado hasta nosotros. Esto es lo que se conoce como el horizonte o el radio del universo (observable).

• El horizonte del universo observable es la distancia más lejana que podemos observar donde los movimientos de arrastres de las galaxias pueden alcanzar la velocidad de la luz. Siguiendo con el símil del globo sería la membrana del mismo. Es comparable a la que recorre la luz desde el comienzo del universo, esto es 13.700 millones de años luz.

Fuente bibliográfica

• Reeves, H., (2022). Crónicas de los átomos y de las galaxias. Alianza editorial.

Jacob Sierra Díaz y Sigma

Píldora cosmológica | ¿El Universo explotó?

Con las observaciones de Hubble sabemos que el Universo está en expansión. Por lo tanto, no sería descabellado pensar que hace millones de años el Universo estaba contraído en un punto concreto. Precisamente, la teoría del Big Bang sugiere que el Universo que conocemos hoy procedió de una gran explosión. Pero, ¿qué tan de real es esta idea? 

Está claro que la mejor representación del origen del Universo puede que sea una explosión. Sin embargo, para provocar cualquier explosión, la Física clásica nos demuestra que se necesita un dispositivo explosivo. Pensemos, por ejemplo, en una bomba con un determinado volumen. Cuando se detona la bomba, de dicho volumen salen despedidas materias explosivas a una elevada temperatura, propagándose violentamente por el espacio circundante (con efectos catastróficos a las personas o cosas que se encuentren ahí).

El problema está cuando llevamos esta idea de bomba al Universo. En el Universo no hay superficie (está por todos los lados y no se puede hablar de un espacio lleno de explosivo y otro vacío). El Universo no es más que un espacio en el que la materia cósmica está en expansión uniforme, por todas las partes al mismo tiempo (Reeves, 2022). Entonces, la explosión del Big Bang se debe pensar como si cada punto del espacio entrase a la vez en explosión.

• Históricamente hablando, por el año 1930, Georges Henri Lemaître formuló la teoría del átomo primitivo, apuntando una "explosión" como posible origen de nuestro Universo. Más tarde, en el año 1948, el físico ruso-estadounidense Geroge Gamow denominó Big Bang a esa gran explosión.

Pero más que detenernos en la idea de cómo fue el Big Bang, conviene recordar que el Universo se está enfriando. En concreto, las teorías de Einstein afirman que el movimiento de expansión global del Universo trae consigo un enfriamiento del mismo. Es decir, a medida que se expande, se está enfriando y seguramente, acercándose a su fin. 

Fuente bibliográfica

• Reeves, H., (2022). Crónicas de los átomos y de las galaxias. Alianza editorial.

Jacob Sierra Díaz y Sigma

Píldora cosmológica | Expansión y edad del Cosmos

En la década de los 20, Edwin Hubble hizo un descubrimiento que cambió para siempre la historia de la Cosmología. En primer lugar, observó que las galaxias visibles en su telescopio no estaban quietas, se movían. De hecho, había algunas que se estaban alejando a la velocidad de la luz de nosotros. Pero para su sorpresa, descubrió otro hallazgo inquietante: las galaxias no se estaban alejando desordenadamente. Cuanto más lejos están las galaxias unas de otras, más rápidamente se están distanciando.

Bajo esta realidad, si tomamos una fotografía de un trío de galaxias y dibujamos un triángulo; con el paso del tiempo, el triángulo crecerá sin que este cambie su forma. Con esto, es obvio pensar en que el Universo se halla en expansión.

Con observaciones empíricas, Hubble desmintió una idea que estaba presente desde el tiempo de Aristóteles: el Universo es siempre el mismo. Este hecho pone de manifiesto un fenómeno muy importante: el Universo se está transformando y se está haciendo menos denso. Además, esto significa que hubo un tiempo en el que la materia cósmica estaría superpuesta. Es decir, que en un espacio-tiempo determinado, la densidad del Universo tomaría valores cercanos al infinito. Es curioso como antes de Hubble distintas cosmogonías tradicionales (rama de la Cosmología que propone hipótesis y teorías sobre el origen del Universo) sostenían esta idea. 

Entonces, si el Universo tiene una transformación significa que hubo un origen y... ¡que el Universo tiene una edad! En efecto, podemos estimar la edad de nuestro Universo de varias maneras. Una de las "más sencillas" es la de medir la distancia y la velocidad de desplazamiento de las galaxias. Observando una galaxia y realizando un "sencillo" cálculo podemos estimar que el punto en el que están ahora dicha galaxia es de 14.000 millones de años. Por lo tanto, el Cosmos deberá tener aproximadamente esa edad. 

Otra forma de estimación es a través del cálculo de edades de los astros. Un astro no puede ser mayor de edad que el propio Universo. Por lo tanto, se deben buscar los astros más antiguos. De esta forma, se sabe que hay astros de aproximadamente 13.000 millones de años. Entonces, el Universo no puede tener una edad menor a 13.000 millones de años. En la actualidad, el análisis de radiactividad nos permite (de una manera imprecisa) saber que ningún elemento conocido es más antiguo de ese momento. Todos estos métodos, permiten triangular y aproximarse a una fecha exacta del nacimiento del Universo.

Hoy en día estimamos con un 2% de margen de error una edad del universo de 13.700 millones de años.

Fuente bibliográfica

• Reeves, H., (2022). Crónicas de los átomos y de las galaxias. Alianza editorial.

Jacob Sierra Díaz y Sigma