Los grandes enigmas actuales en Astrofísica y Cosmología     

Por Daniel José Mendicini. Santa Fé, República Argentina.

Resumen.

Se presentara una reseña de los acontecimientos científicos de la actualidad más relevantes que han acontecido a nivel mundial en Astrofísica y Cosmología. Además se complementará con los grandes enigmas actuales en dichas materias y los progresos realizados en pos de revelar los misterios de nuestro Universo.

Introducción.

La Astronomía ha sido a través de los siglos una herramienta que ha servido a las civilizaciones de todo el mundo con fines sobre todo en el ámbito comercial, es decir para saber cuándo cosechar, sembrar, cuando cultivar los campos, etc., y todo ello utilizando el instrumento óptico natural por excelencia: el ojo humano; acompañado de grandes observatorios de piedra como los monolitos de Stonehenge, en Inglaterra, las pirámides en Egipto o los observatorios astronómicos aztecas entre otros.

Luego los grandes filósofos griegos, y en particular Aristóteles, se habían empezado a preguntar sobre qué es el Universo, su origen, su evolución, su destino. Podríamos decir que la Astronomía como ciencia nació a finales de la Edad Media, o mejor dicho, con el inicio de la Edad Moderna, con gigantes como Newton, Galileo, Copérnico, Kepler entre otros. Estos hombres de ciencia revolucionaron el conocimiento astronómico no sin sufrir graves consecuencias por no estar de acuerdo a los dogmas eclesiásticos de la época.

Ya en el siglo XX nace una nueva forma de explicar los fenómenos que ocurren en nuestro Universo y es de la mano de la Astrofísica. El hombre disponía de telescopios ópticos para poder realizar sus estudios de los objetos celestes, aparatos que evolucionaban cada vez más, en tamaño, diámetro y luego con cámaras especiales para la obtención de imágenes astronómicas, llamada CCD.

Podríamos mencionar que el nacimiento de esta nueva rama de la astronomía comenzó con el uso de una nueva herramienta tecnológica, la Espectroscopía, es decir la técnica que consiste en poder descomponer la luz de los objetos del cosmos y de esa forma determinar variados parámetros astrofísicos intrínsecos, ya que no disponemos, como otros campos de las ciencias, del objeto a estudiar en el laboratorio.

Además gracias a las misiones espaciales científicas podemos realizar medidas de precisión en todas las longitudes de onda del espectro electromagnético, a saber: ondas de Radio, Rayos X, Rayos Gamma, Microondas, Ultravioleta, Infrarrojo y Microondas.

Debido a que la atmósfera filtra las radiaciones energéticas (es decir nos protege de ellas) debemos colocar dichos observatorios en órbita para poder realizar los estudios correspondientes, ya que la radiación no llega a la superficie terrestre.

Desarrollo.

Sin ningún lugar a dudas el acontecimiento más importante ocurrido recientemente fue el descubrimiento de las ondas gravitacionales emitidas por la colisión de dos agujeros negros (figura 1). Albert Einstein cuando completo su Teoría de la Relatividad llamada General al incluir la gravedad, predijo que el espacio-tiempo debería emitir ondas de gravedad, como ondas cuando perturbamos un medio líquido. Este gran científico comentaba en sus escritos: “no creo que sean detectas, pues son muy débiles...”. En la actualidad la tecnología de precisión ha avanzado sin precedentes, a tal punto que se ha podido detectar con observatorios de ondas gravitacionales, utilizando la técnica interferométrica.

Dos observatorios situados en EE. UU., luego de ser actualizados tecnológicamente, han podido realizar la hazaña del siglo, detectar ondas gravitacionales procedentes de fusiones de agujeros negros, lo que llevó este año a la entrega de premios Nobel.

El problema que tienen dichas detecciones es que no se puede conocer con precisión la posición de la fuente emisora, solamente pueden determinar una área del cielo de donde provienen dicha radiación gravitatoria.

Lo más excitante ocurrió a fines del año pasado cuando al mismo tiempo que hubo una detección de ondas gravitacionales el satélite científico Fermi de la NASA detectó una explosión en Rayos Gamma, ratificando la posición exacta de la fuente emisora de la radiación. Es común en astrofísica realizar las observaciones astronómicas en diferentes rangos del espectro, es decir, se estudian las “contrapartidas” en diferentes longitudes de onda.

Figura 1. Fusión de dos agujeros negros generando ondas gravitacionales. Fuente: Muy Interesante.

En síntesis, nace de esta forma un rango de observación astronómica: el espectro de radiación gravitatoria aunque en la actualidad solo es posible detectar ciertos fenómenos como fusiones de estrellas de neutrones o de agujeros negros. En un futuro si la tecnología lo permite podríamos detectar ondas gravitatorias primordiales, es decir, las que los modelos cosmológicos predicen para el comienzo del Universo, invisibles con la instrumentación actual por su extrema debilidad.

Otro hallazgo importante en el ámbito astronómico fue la detección de planetas de tipo extrasolar, es decir, en torno a otras estrellas, utilizando el telescopio espacial de la NASA “Kepler”, que observa utilizando el método llamado de tránsito, que consiste en detectar pequeñas variaciones de brillo cuando el planeta pasa por delante de la estrella; es un método de mucha precisión ya que la variación de brillo es muy pequeña, pero suficiente para concluir que dicho objeto eclipsa a la estrella (figura 2).

Figura 2. La onda espacial de la NASA Kepler a la caza de planetas extrasolares. Fuente: el País.

De esta manera se han detectado más de dos mil planetas fuera de nuestro Sistema Solar, aunque la mayoría son gaseosos como los planetas gigantes de nuestro entorno, y un puñado de ellos tipo terrestre. Una nueva ciencia llamada Astrobiología, estudia las posibilidades de vida existentes en otros planetas según las condiciones imperantes en el medio planetario, es decir, según el entorno climatológico y geológico, aunque a las distancias a que se encuentras dichos planetas es muy difícil determinar condiciones físicas imperantes en cada uno de ellos.

El telescopio orbital “Hubble” que realizó importantes descubrimientos astrofísicos y cosmológicos (en el Universo temprano) ya está por ser reemplazado. Dicho telescopio nos ha podido “regalar” las imágenes definidas con una precisión sin precedentes, lo cual contribuyó a la astronomía de una manera inigualable. Las expectativas están volcadas en el próximo telescopio que se lanzará, el llamado James Webb, que permitirá desentrañar los momentos más cercanos al big bang.

Recordemos que mirar más hacia lo profundo en el cosmos es mirar hacia atrás en el tiempo, y este nuevo instrumento formado por paneles hexagonales bañados en oro permitirá estudiar el momento mismo de la formación de estrellas y galaxias de primera generación (figura 3).

Figura 3. El telescopio espacial Hubble y futuro telescopio orbital James Webb. Fuente: Goddard.

Otro de los grandes enigmas actuales es el de conocer que sucedió en los primeros instantes de formación del Universo. El modelo de consenso científico es el llamado “Modelo cosmológico estándar” que explica como evolucionó el cosmos desde un instante de tiempo muy pequeño, una mínima fracción de segundo, donde se originó el llamado Big Bang, o era del recalentamiento. Las temperaturas allí eran prácticamente infinitas al igual que la densidad de energía; todavía no existía la materia como la conocemos en la actualidad.

Debido a que no se puede originar un big bang en el laboratorio para estudiarlo, existen muchos modelos para explicar el origen de Universo, aunque el más aceptado por los científicos del mundo es el que comúnmente se denomina “Modelo Inflacionario”. El método científico no es único, pues en este caso se elaboran teorías que luego la experimentación va descartando (figura 4).

Figura 4. Modelo Cosmológico de consenso. El modelo del Big Bang tras la hiperinflación. Fuente: Wikipedia.

Comentaremos cual es el problema (entre otros que hay, condiciones de isotropía y homogeneidad) que existe en la actualidad con respecto a la topología (forma) del Universo, concluyendo que, luego de realizar mediciones precisas, deducimos que el Universo no tiene curvatura espacial, más bien su forma es plana. Para que el Modelo Inflacionario explique esta topología, debió existir es los primeros instantes antes del big bang una era hiperinflacionaria, es decir, debió existir un campo de energía (llamado inflaton) que expandió exponencialmente el cosmos y logro “suavizar” el Universo hasta corresponder con su forma actual y solucionar también los otros problemas mencionados, aunque también predice la posibilidad de generar otros universos, lo que los cosmólogos llaman “Multiverso”.

Para saber si en realidad este modelo puede ser viable deber ser verificado experimentalmente, y esto podría ser posible aunque indirectamente, ya que dicho modelo predice que esa era inflacionaria generaría las llamadas ondas gravitacionales primordiales, actualmente fuera del alcance de los observatorios interferométricos anteriormente citados.

Existe en la actualidad una forma de detectar esas ondas primordiales observando los que se conoce como “el fondo de radiación de microondas” que es el eco de aquella era llamada de recombinación, unos 380.000 años después del big bang, donde nació la materia y el Universo se hizo transparente. En el polo sur los observatorios de microondas llamados Biceps 2 y 3 tienen la misión conjuntamente con el observatorio espacial Planck de la Agencia Espacial Europea (ESA) de detectar algún indicio de esas ondas provenientes del big bang, que se hallaren impresas en esa radiación de fondo mencionada.

Hubo un gran revuelo en la comunidad internacional, ya que científicos de la colaboración Bicep detectaron lo que podría ser la prueba indirecta del modelo inflacionario antes citado; detectaron al analizar esa luz de microondas lo que técnicamente se conoce como Modos B, un tipo de polarización especial que daría cuenta de las mencionadas ondas, ya que la hiperinflación las aumentaría y serían detectadas (figura 5).

Figura 5. Mapa de los Modos B (polarización) del fondo de Microondas. Fuente: Bicep.

El excitante momento llegó a su fin cuando la sonda espacial Planck queriendo confirmar aquellos datos de Bicep 2 lo que encontró corresponde a otra fuente de polarización, el medio interestelar. Dicho medio también emitiría Modos B. Por lo tanto aquello fue una “falsa alarma”. Ahora Bicep 3 con mejoras instrumentales tratará de discernir entre las polarizaciones emitidas por el polvo galáctico de las ocasionadas por las distorsiones espacio-temporales del Universo primitivo. Seguimos a la espera de las señales verdaderas.

La física de partículas también ha tenido un descubrimiento trascendental, que vamos a comentar por su importancia en materia cosmológica, ya que conocer las entrañas de la materia nos ayudará a desentrañar los misterios de la gran explosión, el nacimiento del Universo. Había algunos cuestionamientos en cuanto a lo que sucedía en el interior de los neutrones y protones, en el corazón de la materia, hacía más de cincuenta años que el físico Peter Higgs postuló la existencia de una partícula llamada el Bosón de Higgs, que su existencia solucionaba los inconvenientes planteados en el interior de los nucleones (figura 6).

Figura 6. Modelo para la obtención del Bosón de Higgs. Fuente: Wikipedia.

Su descubrimiento se hizo tardar más de 50 años y cuando la tecnología fue la necesaria para rastrear dicha partícula, en el llamado Acelerador de Hadrones, se hace presente dicha bosón otorgando también el Nobel en Física.

Otro de los grandes enigmas de la cosmología y de la física actual es lo que se denomina la asimetría cósmica entre materia y antimateria. Los físicos se preguntan ¿Por qué predomina la materia sobre su opuesta? ¿Qué paso con el resto de la antimateria? Se supone que al comienzo del Universo existían en cantidades iguales. Los físicos actuales están estudiando algunas violaciones a la simetría de la materia como la llamada carga paridad (Violacion Cp), donde existiría un leve incremento de la materia sobre la antimateria, que en principio no da cuenta de la asimetría observada. Está en la mira de los físicos el estudio de partículas (llamadas neutrinos) que serían clave en dilucidar dicho cuestionamiento, ya que podría ser una partícula y a la vez antipartícula, y explicar de esa manera la asimetría observada.

Esperaremos a que los grandes detectores de neutrinos confirmen las hipótesis propuestas (figura 7).

Figura 7. Interacción de partículas de antimateria a comienzos del Universo. Fuente: BBC

Creemos que los constituyentes elementales de la materia los hallamos resumidos en la famosa Tabla Periódica de los Elementos que el famoso Dimitri Mendeleiev ordenó y clasificó y esto no es así. El llamado “Modelo Estándar de la física de partículas” (figura 8) predice que la naturaleza de la materia está compuesta por un puñado de partículas que dan cuenta de las halladas en dicha tabla además de las partículas mediadoras de las interacciones de las fuerzas de la naturaleza, las cuales se denominan:

Figura 8. Modelo Estándar de la física de partículas. Fuente: Wikipedia

§  Interacción fuerte (que domina el interior del núcleo atómico entre protones y quarks).

§  La interacción débil (responsable de la desintegración de los nucleones).

§  La interacción electromagnética (responsable de la estabilidad eléctrica y magnética del átomo), y…

§  La interacción gravitatoria (que domina las grandes masas en el Universo).

Y esto no es todo, se cree que dicho modelo solo es una parte de un modelo mayor aún por descubrir, un modelo llamado supersimétrico donde cada partícula existente tenga su propia antipartícula.

Uno de los grandes enigmas de la física actual es la enemistad existente entre dos grandes teorías que explican el comportamiento del Universo. La llamada Relatividad General, teorizada por Albert Einstein y la llamada Mecánica Cuántica cuyos cimientos fueron plantados por el físico alemán Marx Planck. La primera da cuenta de los fenómenos del macro Universo donde imperan las grandes aglomeraciones de materia, el Universo a gran escala y la segunda explica el comportamiento de la materia a pequeñas escalas, donde imperan los electrones, protones y neutrones.

Una de las grandes mentes de fines del siglo XX, Stephen Hawking, teorizó que los agujeros negros no son tan negros, sino que radian energía y se van evaporando con el tiempo, aunque dicha evaporación es muy leve, este trabajo constituyó el primero en acercar las dos grandes teorías, ya estudió los efectos cuánticos del llamado horizonte de sucesos, es decir, el borde de los agujeros negros (figura 9).

Figura 9. Radiación Hawking en torno al horizonte de sucesos de un agujero negro. Fuente: abcienciade.

Actualmente el físico argentino de gran prestigio mundial, Juan Maldacena (actualmente trabajando en el Instituto de Estudios Avanzados de Princeton donde estuvo trabajando Albert Einstein) y la conjetura que lleva su nombre, tuvo mucha repercusión y fama mundial ya que su estudio conduce a una teoría cuántica unificada, la llamada “Teoría del Todo”. Una única teoría que pueda dar cuenta de describir el Universo sin importar las escalas consideradas. Supone la existencia de entidades llamadas cuerdas cuya vibración darían cuenta de las todas las partículas constituyentes de la naturaleza.

Unos años antes del cierre del siglo XX se efectuó uno de los descubrimientos más importantes e inesperados con implicancias cosmológicas muy interesantes. El Universo no solo se expande sino que lo hace aceleradamente. La comunidad astronómica no deja de sorprenderse porque la naturaleza rebate las concepciones científicas que se tenían hasta el momento, las cuales rondaban en deducir que el Universo, debido a la materia en sus diversas formas, rebatiría la expansión y procedería a ir desacelerando; y en realidad sucede todo lo contrario, las observaciones astrofísicas, que valieron premios Nobel, dieron cuenta de la expansión acelerada del Cosmos.

Las Supernovas son estrellas masivas que explotan debido a que han llegado al final de sus vidas, conocemos varios tipos, uno especial llamadas Supernovas tipo Ia, que son sistemas binarios formados por una estrella llamada enana blanca y una compañera gigante. Durante el proceso de evolución del sistema la estrella enana va desgarrando materia de la compañera aumentado su masa al formar a su alrededor un disco de acreción, y debido a ello, llegando a un límite muy preciso (1,44 masas solares), las estrellas de esta clase explotan con la misma luminosidad intrínseca, siendo además su brillo mayor que el de una galaxia entera. Son faros cósmicos para estudiar el Universo en las profundidades del espacio (figura 10).

Figura 10.Modelo de Supernova tipo Ia. Fuente: I. y C.

Por lo tanto comparando el brillo intrínseco conocido (con métodos geométricos de su curva de luz) y el brillo aparente en el firmamento podemos saber a qué distancia se encuentra dicha estrella y, estudiando una gran cantidad de ellas, se llegó a la conclusión de que las Supernovas más lejanas tenían un brillo menor al esperado, deduciendo de esta manera que el Universo se expande más aceleradamente.

Ahora, ¿cómo explicamos esto que observamos? ¿Qué hace que el Universo se expanda y lo haga de la manera mencionada? Aparece en escena lo que se ha llamado la Energía Oscura. Un tipo de energía que no sabemos de qué está compuesta la cual es la responsable del comportamiento del cosmos. No se sabe de qué está hecha (por eso oscura) y lo más trágico es que en el contenido de materia-energía del Universo representa casi 70 por ciento de la composición del Universo.

¿Otra explicación? Que las ecuaciones de la gravedad Einsteniana estén equivocadas a grandes escalas aunque la mayoría se resiste a ello (figura 11).

En la segunda mitad del siglo XX, una astrónoma estadounidense, llamada Vera Rubin, enviada a un trabajo administrativo astronómico, hizo un gran descubrimiento desde el escritorio; llegó a la conclusión que las estrellas en las galaxias no siguen el patrón newtoniano de la gravedad, sino que las galaxias se comportan como discos rígidos en rotación.

Figura 11. Composición actual del Universo. Fuente: Vdimension.

Este hecho lleva a conjeturar que existía un tipo de materia que afectaría gravitatoriamente a las estrellas de las galaxias y se le dio el nombre de Materia Oscura. Dicha materia no refleja, no emite, no absorbe radiación electromagnética, sólo interacciona gravitatoriamente y estaría distribuida de tal manera en las galaxias que daría cuenta de la rotación observada.

Esta Materia Oscura formaría el 25 por ciento aproximadamente de la materia-energía presente en el Universo. Lo más increíble es que si sumamos toda la materia bariónica del Universo (es decir, galaxias, planetas, nebulosas, estrellas, etc.) esta formaría solamente el 4 por ciento aproximadamente del total del Universo. No conocemos el 95 por ciento de la composición del Cosmos.

Conclusión.

Hasta aquí se realizó un resumen de los grandes enigmas actuales en materia de Astrofísica y Cosmología como así también los grandes avances en materia tecnológica que hacen posible la confirmación o refutación de grandes dilemas de las ciencias astronómicas. Se han dado pasos gigantes: se construyen cada vez telescopios más potentes, de mayor abertura; se ha abierto además una nueva ventana en el Universo, la astronomía de ondas gravitacionales que conjuntamente con los grandes observatorios de neutrinos y de rayos cósmicos, entre otras ventanas electromagnéticas existentes como las ondas milimétricas y submilimétricas, harán que preguntas abiertas tengan respuestas en un futuro no muy lejano.

Lectura complementaria.

Llamaradas intensas en Próxima Centauri.

Gracias al Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), un equipo de astrónomos descubrió que en marzo de 2017 hubo una fuerte llamarada en Próxima Centauri. El hallazgo pone en entredicho las posibilidades de que haya vida en el exoplaneta más cercano a nuestro Sistema Solar, conocido como Próxima b, que orbita alrededor de la estrella Próxima Centauri.

Cuando alcanzó su máxima intensidad, la llamarada fue diez veces más brillante que las llamaradas más grandes producidas por nuestro Sol observadas en longitudes de onda similares. Las llamaradas estelares han sido poco estudiadas en las longitudes de onda milimétricas y submilimétricas que detecta ALMA, sobre todo en estrellas como Próxima Centauri, conocidas como enanas M, las más abundantes de nuestra galaxia.

“El 24 de marzo de 2017 no fue un día común para Próxima Centauri”, afirma Meredith MacGregor, astrónomo del Departamento de Magnetismo Terrestre del Instituto Carnegie de Ciencia, en Washington D.C., quien dirigió la investigación con su colega Alycia Weinberger. Junto con David Wilner, del Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica, y Adam Kowalski y Steven Cranmer, de la Universidad de Colorado Boulder, los investigadores descubrieron la enorme llamarada tras volver a analizar las observaciones realizadas por ALMA el año pasado.

La llamarada incrementó el brillo de Próxima Centauri en mil veces durante 10 segundos. Antes hubo una llamarada más pequeña, y juntando los dos episodios, el fenómeno total duró menos de dos minutos en las 10 horas de observaciones realizadas por ALMA entre enero y marzo del año pasado. Las llamaradas estelares ocurren cuando un cambio en el campo magnético de la estrella acelera los electrones y estos alcanzan velocidades cercanas a la de la luz. Los electrones acelerados interactúan con el plasma altamente cargado que conforma la mayor parte de la estrella, y esta interacción causa una erupción que genera emisiones en todo el espectro electromagnético. “Es probable que Próxima b haya recibido intensos golpes de radiación durante esta llamarada”, explica MacGregor, y agrega que ya se sabía que Próxima Centauri experimentaba regularmente llamaradas de rayos X, aunque más pequeñas. “Durante los miles de millones de años que transcurrieron desde que se formó Próxima b, estas llamaradas pudieron haber evaporado cualquier atmósfera u océano y esterilizado la superficie, lo cual significa que las condiciones de habitabilidad pueden depender de más factores que la simple distancia entre el planeta y su estrella y la presencia de agua líquida”. El artículo “Detection of a millimeter flare from Proxima Centauri” fue publicado el 26/02/2018 por The Astrophysical Journal Letters.

Enlaces:

http://dmendicini.wixsite.com/astronomy

http://dmendicini.wixsite.com/astronomy/quienes-somos3

https://drive.google.com/file/d/17OC7uI2gXXeykuO9ZgpcyLIIrIl9fJ7w/view