Universo en expansión

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¡Buenas noches, habitantes de este Universo Paralelo! Hoy tenemos un número dedicado a uno de los fenómenos más extraordinarios del universo: su expansión acelerada.

• Esta fue descubierta en 1998 por dos grupos independientes. Fue tan extraño que, de haber sido integrantes de un solo grupo, los habrían tachado de dementes. Es que nadie lo esperaba. Sabíamos que el universo estaba en expansión, es decir, que las galaxias se alejaban unas de otras, al menos en promedio.
• Pero también pensábamos que la atracción gravitacional estaba deteniendo esa expansión. Que eventualmente esta se detendría y el universo colapsaría en lo que entonces llamábamos el Big Crunch.
• Los libros de texto tuvieron que reescribirse cuando estos equipos de astrónomos, al intentar medir la tasa de frenado, descubrieron que la expansión aceleraba. Las galaxias se alejaban unas de otras cada vez más rápidamente.
• Para explicarlo se recurrió a un artilugio concebido por Albert Einstein, y descartado por él mismo cien años atrás: la constante cosmológica. De ella nos habla la doctora en Física Fabiola Arévalo, profesora de la Universidad Mayor.

La aceleración en su expansión fue aún más violenta en el universo primigenio, en una fase que llamamos inflación cósmica. De ella nos cuenta un poco Antonella Cid Muñoz, doctora en Ciencias Físicas y directora del Doctorado en Ciencias Físicas que ofrece la Universidad del Bío-Bío en conjunto con la Universidad Arturo Prat.

En ambos artículos se cita el trabajo precursor del astrónomo chileno, Dr. Mario Hamuy, presidente de la Fundación Chilena de Astronomía. Los trabajos liderados por el profesor Hamuy fueron fundamentales en la posibilidad de medir distancias a galaxias extremadamente lejanas utilizando supernovas. Es por esto que fue galardonado con el Premio Nacional de Ciencias Exactas en 2015.

• Sucede que para medir la aceleración del universo se necesitaba encontrar correcciones a la famosa ley de Hubble, que dice que la velocidad de las galaxias, debido a la expansión del universo, era proporcional a su distancia.

De modo que no había otra posibilidad, en esta edición, que entrevistar al mismísimo Mario Hamuy, que tuvo la gentileza de contestar nuestro cuestionario.

• Para seguir con el tema, la imagen de esta semana corresponde a los restos de la supernova de Tycho, que observó Tycho Brahe en 1572, y que hoy podemos admirar en imágenes captadas por el observatorio de rayos X Chandra.
• En las Breves Paralelas, explicaremos algunos hechos que quizás aún queden oscuros sobre la relación entre las supernovas y la posibilidad de medir distancias en el universo.
• Finalmente, el antropólogo social Francisco Cresponos recomienda un videojuego, una novedad para nuestro newsletter.

Espero que disfruten de esta edición de nuestro Universo Paralelo. Que la expansión acelerada del universo los cautive, y que me ayuden a promoverla en los medios. Para esto, por favor, compartan el newsletter. Y si les llegó de alguien, ¡inscríbanse ya!

EL PROBLEMA DE LA CONSTANTE COSMOLÓGICA

Por Fabiola Arévalo

Doctora en Física

En 1917 Albert Einstein se enfrentó a un resultado inesperado.

• Al aplicar sus famosas ecuaciones que describen el campo gravitacional a todo el universo. Lo que obtuvo no le gustó: el universo podía expandirse o contraerse, pero no conocía el reposo.

Decidido a obtener un universo estático, introdujo un nuevo término en sus ecuaciones. Uno proporcional a una constante universal denominada constante cosmológica Ʌ. Este ajuste le permitió «frenar» el universo y lograr que sus ecuaciones describieran un cosmos estático.

Pero años después se descubrió que el universo realmente se estaba expandiendo y Einstein llamó a la constante cosmológica el mayor error de su carrera. No obstante, incluso los errores de Einstein encuentran eventualmente su lugar y fue así como Ʌ, 90 años después, ayudó a solucionar otro problema.

• En 1998, dos equipos internacionales de astrónomos lograron medir distancias extraordinariamente lejanas a un tipo de explosiones estelares conocidas como supernovas Ia. Descubrieron que el universo no solo está expandiéndose, sino que lo hace de forma cada vez más rápida. Esto significa que hay una aceleración de origen desconocido, lo que motivó a reintroducir Ʌ.
• Chile estuvo involucrado a través de la colaboración, desde Cerro Calán Tololo, de Mario Hamuy y José Maza, entre otros, que fueron clave en la creación de la tecnología de medición de distancias a supernovas. Como en el fútbol, en la ciencia es muy importante la colaboración y el trabajo en equipo.

El problema surge al intentar conectar esta constante con otra gran teoría de la física del siglo XX, la mecánica cuántica. Ella predice que el vacío cósmico es en realidad un medio muy dinámico, en donde continuamente se crean y aniquilan partículas. Así, se puede hacer una estimación teórica del valor que debería tener Ʌ (denominada también energía del vacío) y resulta  un valor de 120 órdenes de magnitud mayor al que los astrónomos miden. Es la mayor discrepancia de la ciencia.

Para imaginarse bien lo de los órdenes de magnitud, pensemos en un jugador de fútbol imaginario, llamado Charles Cazuely. Charles tira un penal en un partido de un Mundial y lo falla al pegar la pelota en el travesaño.

• Esto es un error menor a 10⁰, solo unos centímetros fuera, pero la hinchada no lo puede creer. Supongamos que le dan otra oportunidad y él falla nuevamente, pero la pelota llega esta vez a la Luna. Esto es equivalente a un error de 10⁵. Si la pelota llegase por error a Saturno es un error de 10⁹. Con un error de 10³⁰ya no la encontraremos en el universo observable. Con un error de 10¹²⁰, ahí sí que nadie se olvida del penal fallido.

Bueno, los científicos trabajando en este problema de la constante cosmológica no olvidan esta discrepancia, es más, es una motivación para seguir investigando, pues –como decía un profesor mío– “te puedes equivocar en física y en la vida, pero no te puedes equivocar 120 órdenes de magnitud, eso sí que hay que arreglarlo”.

SOBRE LA INFLACIÓN CÓSMICA

Por Antonella Cid

Doctora en Ciencias Físicas

A finales de los años noventa el descubrimiento de la expansión acelerada del universo sacudió el mundo científico. Este inesperado hallazgo, realizado en 1998, fue de tal relevancia que los investigadores involucrados, Saul Perlmutter, Brian Schmidt y Adam Riess, fueron galardonados con el Premio Nobel de Física en 2011.

• Científicos chilenos, liderados por el astrónomo Mario Hamuy, contribuyeron a este descubrimiento desde el observatorio Cerro Tololo, estableciendo una relación matemática que permitió usar las explosiones estelares conocidas como supernovas Iapara medir distancias cósmicas.

Sin embargo, la idea de la expansión acelerada no era completamente nueva. A principios de los años ochenta ya se había establecido que el universo podría haber experimentado una muy breve época de expansión acelerada en sus orígenes, muy cerca del Big Bang. Esa fase de expansión acelerada se conoce como inflación cósmica.

• Durante este corto intervalo, el universo se expandió a una velocidad exponencial, lo que ayudó a explicar la uniformidad del cosmos y el origen de las estructuras a gran escala, como galaxias y cúmulos de galaxias.

La inflación cósmica es un fenómeno fascinante que ocurrió en un cortísimo período y aumentó muy rápidamente el tamaño de nuestro universo. Esta teoría sugiere que las fluctuaciones cuánticas del universo primitivo fueron amplificadas durante la inflación, produciendo así las estructuras cósmicas que observamos hoy. Sin la inflación cósmica, tendríamos que aceptar que las “semillas” que dan origen a galaxias, cúmulos de galaxias y otras estructuras simplemente aparecieron de la nada en algún instante de la evolución.

• Además nos ayuda a explicar otros fenómenos que observamos, como la homogeneidad del universo y su geometría.

Sabemos que el universo se expande, haciendo que todo en él se aleje, como si fueran puntos dibujados en la superficie de un globo que se infla. La inflación cósmica sería como si este globo, de repente, comenzara a inflarse cada vez más rápido. Pero ¿qué origina la inflación?

• Hoy sabemos que un objeto físico llamado “campo escalar” podría ser el motor de la inflación. De hecho, en el año 2012 pudimos comprobar científicamente la existencia de estos campos aquí en la Tierra. Ese año, en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC por sus siglas en inglés), se descubrió el bosón de Higgs, el primer campo escalar detectado en nuestros laboratorios.
• Sin embargo, también podemos afirmar que este campo escalar no es el responsable de la inflación cósmica. Quizás existan otros que no hemos visto. Tal vez el motor sea otro tipo de sustancia que nadie ha podido imaginar aún.

Realmente aún no estamos completamente seguros de cuál es el campo responsable de este fenómeno y, en este sentido, ¡la apasionante búsqueda continúa!

EL CUESTIONARIO: MARIO HAMUY

Cada semana hacemos las mismas cuatro preguntas a un científico. En esta edición, entrevistamos al doctor en Astronomía Mario Hamuy, Premio Nacional de Ciencias Exactas 2015.

-¿Qué te motivó a dedicarte a la ciencia?

-Desde muy pequeño sentía mucha curiosidad por el universo y me preguntaba si existían los extraterrestres. Me fascinaba el tema de los ovnis, soñaba con un “encuentro del tercer tipo” y darle la mano a un extraterrestre. Seguía muy de cerca la serie de TV Perdidos en el espacio, la historia de una familia que viajaba por el espacio visitando otros planetas.

Cuando tenía 9 años, me interesé mucho en el programa Apolo de la NASA y tuve el privilegio de ver en directo en TV, junto a mi familia, en julio de 1969, el momento en que un ser humano caminó por primera vez sobre la superficie de la Luna. Más adelante tuve un excelente profesor de ciencias en el colegio y me enamoré de las ecuaciones. A los 16 años ingresé a la Universidad de Chile con el firme propósito de estudiar astronomía. Allí conocí a excelentes profesores, como Igor Saavedra, lo cual reforzó mi vocación por dedicarme a una carrera científica.

-¿Cuál es la obra científica que más influyó en tu actividad?

-Durante mis estudios universitarios, me impactó mucho la relatividad de Einstein, que aprendí del profesor Saavedra. Tuve que desarmar completamente mi cerebro y comenzar a aprender a pensar de nuevo. Me resultó fascinante la noción de que el espacio y el tiempo conformaran una grilla deformable, y las increíbles consecuencias de aquello, como, por ejemplo, que el tic-tac del reloj cambiara según el punto de vista del observador.

-¿Cuál es el problema científico más importante por resolver?

-La física tiene dos teorías que describen parcialmente la naturaleza. Por un lado, está la física clásica que describe exitosamente la gravedad y el mundo macroscópico, desde el movimiento de los cuerpos celestes hasta la expansión del universo. Por otro lado, está la física cuántica que describe el curioso mundo microscópico de los átomos y las partículas elementales. Creo que el mayor desafío de la física es integrar ambas en una sola: una teoría cuántica gravitatoria que nos permita comprender el origen del universo.

-¿Cuál es la pregunta que te desvela como científico y cómo la enfrentas?

-Creo que la mayor interrogante que tiene la humanidad es saber si estamos solos, o no, en el universo, la misma pregunta que yo me hacía de chico. Por primera vez en la historia de la humanidad, la tecnología nos otorga la oportunidad de abordar esta pregunta por medio del método científico. Cualquiera que sea la respuesta, va a tener un impacto muy profundo en la humanidad.

LA IMAGEN DE LA SEMANA

Crédito: rayos X: NASA/CXC/RIKEN & GSFC/T. Sato et al.; Óptico: DSS

En los artículos anteriores se han mencionado mucho las supernovas. En particular, aquellas conocidas como de tipo Ia. La imagen de esta semana no es otra cosa que una de ellas. En este caso, la conocida como supernova de Tycho.

• Su nombre se debe a que fue observada por el legendario astrónomo danés Tycho Brahe el 11 de noviembre de 1572. En esa época no existían telescopios, pero Brahe notó la repentina aparición de una nueva estrella, más brillante que Venus–el lucero del alba–, que pudo ser vista por varios meses antes de desaparecer.

Las supernovas son el último respiro de ciertos tipos de estrella, que, cuando son muy masivas y han perdido su combustible nuclear, explotan violentamente. El prefijo «super» las distingue de las «novas», otra clase de explosión estelar menos energética. La palabra «nova», a su vez, viene de la observación de Brahe, quien vio una «nueva» estrella aparecer, nova, en latín.

• La supernova de Tycho se encuentra a unos 8 mil años luz de distancia, dentro de nuestra galaxia, la Vía Láctea. Lo que observamos son los remanentes de una gran explosión estelarocurrida hace unos 8.500 años, pero cuya radiación luminosa demoró 8 mil años antes de llegar a los ojos de Tycho.

En esta colorida imagen vemos una combinación de fotos tomadas en distintas regiones del espectro. La luz visible que emiten estos remanentes de supernova son insignificantes y, en la foto, corresponde a las estrellas lejanas que se aprecian como telón de fondo.

• Los escombros estelares de las supernovas se calientan a millones de grados, debido a las ondas de choque generadas por la explosión, lo que da como resultado una potente emisión de rayos X que puede detectar el telescopio Chandra de la NASA.
• A las distintas regiones del espectro de rayos X se les han dado diferentes colores falsos en la imagen, que permiten identificar la existencia de varios elementos en los remanentes, además de las velocidades de expansión de la nube de restos dejada por la explosión.

Los restos de las supernovas, junto con entregarnos información valiosa acerca de la naturaleza del universo, son uno de los espectáculos más atractivos que observan nuestros telescopios.

BREVES PARALELAS

Crédito: NASA/SAO/CXC/M.Weiss

Enanas blancas y supernovas Ia

– Al final de su vida, en algunos miles de millones de años más, nuestro Sol se convertirá en una enana blanca. Curiosamente, primero se hinchará hasta transformarse en una gigante roja, para finalmente expulsar sus capas externas, dejando una pequeña estrella, más o menos del tamaño de la Tierra, de allí el término «enana». Es tan densa que una cucharadita de té de enana blanca pesa unas 5 toneladas.

En ocasiones, las enanas blancas forman parte de un sistema binario, esto es, de dos estrellas que orbitan entre sí. Debido a su gran densidad, la gravedad en las inmediaciones de la enana blanca es enorme y comienza a atraer material de la otra, como se ve en la figura arriba. Este material es mayoritariamente hidrógeno, el átomo más común del universo.

Así, la enana blanca comienza a ganar masa, hasta que llega un momento en que la presión al interior es tan grande que desencadena la fusión nuclear de sus núcleos y una consiguiente explosión: una supernova.

• Las supernovas son explosiones tan violentas que el brillo que provocan es alrededor de5 mil millones de veces más intenso que el del Sol.

En nuestra Vía Láctea ocurre una de estas explosiones cada 100 años aproximadamente. Con suerte en tu vida podrás ver una. No es algo que queramos perdernos. Después de todo, es el espectáculo más impresionante de cualquier galaxia.

Sobre medir el universo

– Las supernovas, además de ser espectaculares eventos, resultan tremendamente útiles para los astrónomos.

• ¿Cómo podemos medir la distancia a un objeto lejano en las entrañas del cosmos? Es complejo. Si ves una estrella de intensidad luminosa débil, no puedes saber si es que emite poca luzo, bien, emite mucha pero es demasiado lejana.
• Para poder determinar su distancia necesitamos saber cuál es su luminosidad absoluta, es decir, qué potencia irradian (como cuando decimos que una ampolleta es de 40W). Los astrónomos llaman a estos objetos «candelas estándar» y, cuando encuentran una en –digamos– una galaxia, les permite determinar la distancia a esta.

La más famosa candela estándar la descubrió la astrónoma Henrietta Swan Leavitt a principios del siglo XX. Se trata de las cefeidas, estrellas cuyo brillo pulsa, y en donde la astrónoma encontró una relación entre su brillo y la rapidez de las pulsaciones. Estas estrellas sirvieron para medir la distancia a Andrómeda, nuestra galaxia vecina.

• Para objetos más lejanos, las cefeidas resultan demasiado débiles y debemos acudir a candelas estándar más luminosas. Allí es donde las supernovas de tipo Iasalen al rescate con su gigantesca luminosidad. Dado que todas se forman en un proceso similar, cuando la enana blanca alcanza una masa precisa, todas tienen la misma luminosidad.
• Con ellas podemos explorar, sin temor a extraviarnos, los confines del universo.

RECOMENDACIONES: NO MAN’S SKY

Por Francisco Crespo

Antropólogo social

¿Podemos experimentar lo infinito del universo? Al parecer sí. De eso da cuenta No Man’s Sky, juego desarrollado por el estudio independiente Hello Games. Este videojuego pone al jugador en la piel de El Viajero, un misterioso personaje amnésico que debe llegar al centro de la galaxia. Solo con un traje espacial y un arma láser, el jugador debe obtener minerales para reparar su nave espacial y romper la atmósfera por primera vez.

• Utilizando técnicas de generación procedural, No Man’s Skyes capaz de producir –en términos teóricos– 18 quintillones de planetas, distribuidos en 250 galaxias, cada una subdividida en 4.5 billones de regiones. No Man’s Sky contiene un número aleatorio de sistemas solares, entre 206 y 605, siendo considerada la simulación cósmica más grande y completamente explorable por los jugadores.
• Desde la fecha de su lanzamiento (2016), se estima que alrededor de 1.5 billones de planetas han sido descubiertos y explorados.
• Al tratarse de planetas generados mediante técnicas aleatorias, cada uno combina aspectos de flora, fauna, geografía y –recientemente, mediante una actualización– clima, para lograr tanto paisajes reminiscentes de nuestra natal Terra, hasta imágenes sacadas directamente de artistas como Roger Dean, Christopher Foss y John Harris, fuertes inspiraciones para la dirección artística del título.

En No Man’s Sky se encuentran planetas hechos completamente de metal, lunas estériles y planetas con extrañas formaciones geológicas, con bellos parajes en donde establecernos, sentar cabeza y construir una pequeña comunidad.

• Para quienes llevamos jugando más de dos décadas, desde aquellos sueños en 8 bits, en donde la imaginación era el ingrediente fundamental para convertir pocos pixeles y sonidos en MIDI en desopilantes aventuras, es difícil explicar a aquellas personas que no juegan la primera sensación que se tiene al momento de abordar una nave espacial y elevarse hasta salir de la atmósfera.

A la inversa, es difícil explicar a quienes sí juegan dónde está la diversión de explorar un universo virtualmente sin fin. No Man’s Sky fue un título divisivo en la comunidad de videojugadores y sigue siendo único en su género.

Se trata de un título silencioso, muchas veces “vacío”, lo que expone al jugador a una historia de proporciones cósmicas que se desenvuelve de manera críptica, mediante la traducción –palabra a palabra– de lenguas alienígenas y una libertad para convertirte en lo que tú quieras: viajero, pirata, héroe o explorador.

• No Man’s Skyestá disponible para PC y consolas, pero si tú no eres de practicar esos “juegos del diablo”, como decían los predicadores a principios del milenio, siempre puedes disfrutarlo en video. Un juego sin objetivo fijo, donde la creatividad y el deseo de conocer son piedras angulares de la experiencia.

Presentado por:

Eso es todo en esta edición de Universo Paralelo. Ya sabes, si tienes comentarios, recomendaciones, fotos, temas que aportar, puedes escribirme a universoparalelo@elmostrador.cl. Gracias por ser parte de este Universo Paralelo. ¡Hasta la próxima semana!