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Las primeras estrellas aparecieron más tarde de lo que se creía

Nuevos datos de la sonda Planck indican que su luz brilló por primera vez en el universo (al final de la llamada Edad Oscura) unos 550 millones de años después del Big Bang

La formación de la estrellas en el universo pudo ocurrir más recientemente de lo que se creía, según los nuevos datos proporcionados por el satélite Planck de la Agencia Espacial Europea (ESA), que se publican en la revista Astronomy and Astrophysics. De esta forma, el proceso de reionización, aquel por el que la luz de las estrellas hizo desaparecer la Edad Oscura en el Cosmos, pudo haber ocurrido aproximadamente 550 millones de años después del Big Bang, la gran explosión que dio origen a todo, es decir, 100 millones de años después de lo que la sonda WMAP de la NASA había estimado en 2001.

Un colorido retrato de nuestra galaxia, la Vía Láctea muestra una mezcla de gas, partículas cargadas y varios tipos de polvo. Esta imagen compuesta proviene de la misión Planck de la Agencia Espacial Europea, en la que la NASA tiene un papel importante. Se construye a partir de las observaciones hechas en microondas y longitudes de onda milimétricas de luz, que son más que lo que vemos con nuestros ojos. Las cuatro imágenes que forma la composición se muestran por separado más adelante.
Crédito de la imagen: ESA / NASA / JPL-Caltech

El descubrimiento se realizó al estudiar el fondo cósmico de microondas (CMB, por sus siglas en inglés), la luz fósil resultante de una época en que el Universo estaba caliente y denso, solamente 380.000 años después del Big Bang, que sucedió hace 13.800 millones de años.

Entre 2009 y 2013, la sonda Planck observó el cielo para estudiar esta antigua luz con un detalle sin precedentes. Pequeñas fluctuaciones en la temperatura que se corresponden con regiones que presentaban una densidad ligeramente diferente en los primeros instantes del Universo representan las semillas de todas las estructuras que llegarían en el futuro, las estrellas y galaxias que vemos en la actualidad

“El mapa detallado de estructuras de temperatura del CMB es uno de los resultados científicos claves del siglo XXI”, explica Simon White, director del Instituto Max Planck de Astrofísica y coinvestigador de Planck. «Se trata de una imagen de alta fidelidad de los límites de nuestro universo visible, nos muestra su estructura detallada cuando era 40.000 veces más joven que en la actualidad y nos da la mejor indicación de lo que sucedió en tiempos incluso anteriores», añade.

Pero hay más. El CMB refleja pistas únicas acerca de nuestra historia cósmica que están codificadas en su «polarización». Esos datos de polarización indican ahora que las estrellas comenzaron a brillar unos 550 millones de años después del Big Bang, poniendo fin a lo que se conoce como la “Edad Oscura” más de 100 millones de años después de lo que se pensaba anteriormente.

El hallazgo ayuda a resolver un problema: los estudios previos de la polarización del CMB parecían apuntar hacia un amanecer temprano de las primeras estrellas, mientras que las imágenes muy profundas del cielo indicaban que las galaxias más antiguas conocidas en el Universo (formadas quizás 300 o 400 millones de años después del Big Bang) no habrían sido lo suficientemente potentes como para tener éxito en poner fin a la Edad Oscura en los primeros 450 millones de años.

Las nuevas pruebas de Planck reducen significativamente el problema, indicando que las primeras estrellas y galaxias podrían haber sido suficientes.

Continúa la búsqueda de ondas gravitacionales

Los nuevos datos también han permitido obtener importantes conocimientos sobre el principio del cosmos y la naturaleza de sus componentes, incluyendo la materia oscura y los esquivos neutrinos. Los datos de Planck han profundizado en la historia aún más temprana del Cosmos, todo el camino hacia la inflación, la breve era de expansión acelerada que el Universo sufrió cuando tenía una pequeña fracción de segundo de edad. Como última prueba de esta época, los astrónomos están buscando la firma de ondas gravitacionales provocadas por la inflación y posteriormente impresas en la polarización del CMB.

Investigaciones anteriores realizadas por científicos de la Universidad de Harvard de una detección directa han tenido que ser revisadas a la luz de los resultados de Planck dados a conocer la semana pasada. La combinación de los más recientes datos de Planck con los últimos resultados de otros experimentos indican que esas ondas gravitacionales aún no han sido encontradas.

 

 

Gas caliente, campos electromagnéticos y polvo

El gas caliente, el polvo y los campos magnéticos se mezclan en un remolino de colores en un nuevo mapa de nuestra galaxia, la Vía Láctea. La imagen forma parte de un nuevo y mejorado conjunto de datos de Planck, una misión de la Agencia Espacial Europea en la que la NASA tuvo su participación. Planck pasó más de cuatro años observando la radiación fósil dejada por el nacimiento de nuestro universo, llamado el fondo cósmico de microondas. El telescopio espacial está ayudando a los científicos a entender mejor la historia y la estructura de nuestro universo, así como nuestra propia Vía Láctea.

Los colores rojos que componen este mapa muestran la luz que viene del resplandor térmico del polvo a lo largo de nuestra galaxia. El polvo es frío, a sólo unos 20 grados por encima del cero absoluto (20 Kelvin). Crédito de la imagen: ESA / NASA / JPL-Caltech

El amarillo muestra el gas de monóxido de carbono, que se concentra a lo largo del plano de nuestra Vía Láctea en las nubes más densas de gas y polvo que están produciendo nuevas estrellas. Crédito de la imagen: ESA / NASA / JPL-Caltech

El verde muestra un tipo de radiación conocida como libre-libre (free-free). Esto ocurre cuando los electrones y protones aislados se mueven velozmente y sin control uno sobre otro en una serie de colisiones, lo que los frena, pero continúan en su propio camino (el nombre libre-libre viene del hecho de que las partículas comienzan solitarias y terminan solitarias). Las firmas libre-libre están asociados con el gas caliente, ionizado, cerca de las estrellas masivas. Crédito de la imagen: ESA / NASA / JPL-Caltech

El color azul indica un tipo de radiación llamada de sincrotrón, que se produce cuando los electrones se mueven rápidamente, lanzados desde supernovas y otros fenómenos energéticos, son capturados en el campo magnético de la galaxia, moviéndose en espiral a lo largo de él a cerca de la velocidad de la luz. Crédito de la imagen: ESA / NASA / JPL-Caltech

«Planck puede ver la antigua luz de de nuestro universo a luz, el gas y el polvo en nuestra propia galaxia, y casi todo lo demás, ya sea directamente o por su efecto sobre la antigua luz», dice Charles Lawrence, científico del proyecto de Estados Unidos para la misión del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en Pasadena, California.

Los nuevos datos se pusieron a disposición del público el 5 de febrero, y ahora incluyen observaciones realizadas durante toda la misión. El equipo de Planck dice que estos datos están refinando lo que sabemos acerca de nuestro universo, realizando las mediciones más precisas de la materia, incluyendo la materia oscura, y cómo se agruparon. Otras propiedades clave de nuestro universo también se miden con mayor precisión, poniendo a prueba con cada vez más exigencia las teorías del cosmos.

La interacción entre el polvo interestelar en la Vía Láctea y la estructura del campo magnético de nuestra galaxia, detectada por el satélite Planck de la ESA sobre todo el cielo. Planck escanea el cielo para detectar la luz más antigua en la historia del Universo, el fondo cósmico de microondas. También detecta la significativa emisión en primer plano a partir de material difuso en nuestra galaxia que es extremadamente importante para el estudio del nacimiento de estrellas y otros fenómenos en la Vía Láctea. Crédito de la imagen: ESA y la Colaboración Planck

Fuente: ABC y Astronomy Now. Aportado por Eduardo J. Carletti

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La paradoja de Fermi y los invisibles extraterrestres

¿Cómo explicar que aún nos haya visitado ninguna civilización alienígena, si nuestra galaxia tiene cientos de miles de millones de planetas? El físico Gabriel Chardin responde a esta importante cuestión, conocida con el nombre de paradoja de Fermi

A principios de la década de 1950, el físico y premio Nobel Enrico Fermi lanzó el debate sobre la siguiente paradoja aparente: teniendo en cuenta que existen unos doscientos mil millones de estrellas en nuestra galaxia, y lo más probable es que, como sabemos con bastante precisión en la actualidad, también las orbiten cientos de miles de millones de planetas a su alrededor, ¿cómo puede ser que todavía no hayamos recibido la visita de (muchas) civilizaciones extraterrestres?

De hecho, con la hipótesis de que la vida surgió en una fracción muy pequeña de los miles de millones de planetas: en nuestra galaxia (con dimensiones de unas pocas decenas de miles de años luz) es de esperar que una civilización como la nuestra lo suficientemente cercana pueda explorar los sistemas que la rodean a una fracción apreciable de la velocidad de la luz, explorando una gran parte de la galaxia en un tiempo inferior a un millón de años. Pero esto es sólo alrededor de un diezmilésimo de la edad de nuestra galaxia, la Vía Láctea, de una edad de unos 13.000 millones de años, o del Universo, que es de 14.000 millones de años. Hubiera sido muy probable que la Tierra hubiese sido visitada por cientos de diferentes especies de extraterrestres, aunque éstos son notoriamente ausentes al día de hoy.

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¿Es sólo una cuestión de tiempo?

Un punto, sin embargo, parece haber sido poco discutido por Fermi: el tiempo que tenemos antes de agotar los recursos a nuestra disposición, a la escala de nuestro planeta Tierra, o incluso en la escala del Universo observable (decir dentro de un radio de 10.000 millones de años luz, o alrededor de 100 millardos (1 millardo = 109 = mil millones) de millardos de kilómetros).

Bajo el supuesto aparentemente razonable de una tasa de crecimiento del consumo y el uso de los recursos de un 2% por año, la longitud del agotamiento de los recursos de la Tierra está a unos cientos de años, con un amplio margen de incertidumbre. Para todo el universo observable, curiosamente, la estimación es más precisa: entre 5.000 y 6.000 años, algo muy cercano.

Este ridículamente bajo y también aparentemente paradójico agotamiento de los recursos dentro de un radio de 10.000 millones de años luz, sería, a priori, a menos que al mismo tiempo estén trabajando un enorme número de civilizaciones expansionistas, o que puedan ir más rápido que la velocidad de la luz, lo que parece imposible, de varios millones de años. En otras palabras, un aumento del 2% anual continuará durante varios milenios, casi necesariamente, en el sistema planetario en que se basa el experimento.

La vida, el acelerador de la inestabilidad

Tenemos aquí lo que considero que es la mejor respuesta a la paradoja de Fermi: la vida es una especie de acelerador que provoca inestabilidad extrema. Por lo tanto, sin una estrategia muy precisa y rigurosa, es muy probable que este tipo de hormigas que viven en una pila de polvo queme todas las cerillas antes de poder desarrollar el viaje interestelar. Porque si analizamos nuestra historia y la violencia repetida, casi permanente, si miramos lúcidamente nuestra codicia por utilizar los recursos naturales sin pudor, muchos de los cuales están, incluso, siendo agotados, algunos con un horizonte inferior a décadas, la alta inestabilidad interpuesta por la vida parece ser la explicación más probable de la paradoja de Fermi.

Pero todavía no hemos agotado la provisión de la Tierra, como se imagina en la película Interestelar. ¿Todavía podemos reaccionar y tratar de desarrollar, al menos iniciar, una estrategia y así continuar la increíble expansión de los conocimientos que observamos en las últimas décadas? De hecho, una figura especialmente llamativa en nuestra sociedad, en la que el desarrollo tecnológico ha jugado un papel de liderazgo en el cambio de la vida de una gran parte de la humanidad, es que si el 6% de todos los seres humanos que nacieron en la Tierra todavía estaban vivos en el 2000 —lo cual ya es una enorme proporción— casi el 90% de los investigadores en la historia de la humanidad aún estaban con vida en esa fecha.

 

 

Por tanto, apoyo la idea de que es esencial, durante las décadas en las que podemos esperar que continúe la fase de desarrollo tecnológico que estamos viviendo, que todos los países, sobre todo de los países desarrollados que tienen la suerte de disponer estructuras de investigación, poner en máxima prioridad el desarrollo de actividades de investigación y desarrollo que nos permitan afrontar los retos del futuro.

Y aunque me parece cada día más improbable esta posibilidad de que se defina una estrategia que permita a la humanidad lograr un desarrollo tecnológico más respetuoso con la naturaleza y sus leyes, en unas pocas decenas a un siglo podríamos explorar otros sistemas planetarios y finalmente negar la paradoja de Fermi. El desafío es enorme, pero no hemos sido derrotados todavía.

Fuente: Gabriel Chardin. CNRS, Le Journal Aportado por Eduardo J. Carletti

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Los agujeros negros no tienen existencia donde el espacio y el tiempo no existen, dice nueva teoría

En un artículo reciente, los físicos Ahmed Farag Ali, Mir Faizal y Barun Majunder han demostrado que, de acuerdo con una nueva generalización de la teoría de la gravedad de Einstein, no es posible definir la posición del horizonte de sucesos con una precisión arbitraria. Si el horizonte de sucesos no se puede definir, en consecuencia, el agujero negro en sí mismo efectivamente no existe

La característica por excelencia de un agujero negro es su «punto de no retorno», o lo que se llama, más técnicamente, su horizonte de sucesos. Cuando cualquier cosa, una estrella, una partícula, o un humano desprevenido, cruzan este horizonte, la enorme gravedad del agujero negro tira de ellos con tal fuerza que es imposible escapar. Al menos, esto es lo que sucede en los modelos tradicionales de agujero negro basados en la relatividad general. En general, la existencia del horizonte de eventos es responsable de la mayoría de los fenómenos extraños asociados con los agujeros negros.

En un nuevo artículo, los físicos Ahmed Farag Ali, Mir Faizal y Barun Majunder han demostrado que, de acuerdo con una nueva generalización de la teoría de la gravedad de Einstein llamada «Arco Iris de la Gravedad«, no es posible definir la posición del horizonte de sucesos con precisión arbitraria. Si el horizonte de sucesos no se puede definir, en consecuencia, el agujero negro en sí mismo efectivamente no existe.

«En el arco iris de la gravedad, el espacio no existe por debajo de cierta longitud mínima, y el tiempo no existe debajo de un cierto intervalo de tiempo mínimo», dice Ali, físico en la Ciudad Zewail de Ciencia y Tecnología, y en la Universidad de Benha, ambas en Egipto. «Por lo tanto, no existen todos los objetos en el espacio y que se dan en un momento del tiempo debajo de esa longitud e intervalo de tiempo [valores que están asociadas con la escala de Planck]. Como el horizonte de sucesos es un lugar en el espacio que existe en un punto en el tiempo, tampoco existe debajo de esa escala».

Cuando Ali habla de «todos los objetos», quiere decir, literalmente, todo lo que nos rodea, incluidos nosotros mismos.

«Tampoco existimos físicamente por debajo de esa longitud e intervalo de tiempo», dice. «Sin embargo, para nosotros, nuestra casa, nuestro coche, etcétera, no importa si no existimos en un punto del espacio y el tiempo cualquiera, siempre y cuando existamos más allá de un cierto intervalo. Sin embargo, para el horizonte de sucesos sí que importa, y esto produce la principal diferencia en nuestros cálculos».

El arco iris de gravedad

El arco iris de gravedad surge de los intentos de desarrollar una teoría que combine la teoría de la relatividad general y la mecánica cuántica. Para resolver totalmente los problemas relacionados con los agujeros negros, o incluso el comienzo de nuestro universo, los físicos necesitan una teoría de la gravedad cuántica.

«A pesar de que nadie ha sido capaz de descubrir una teoría así, hay varias candidatas», dice Ali. «Estas incluyen ideas como considerar el espacio y el tiempo como fundamentalmente discretos, o el uso de algunos bucles matemáticos como una cantidad fundamental para construir el espacio y el tiempo, o incluso la sustitución de partículas por diminutas cuerdas, y muchas otras ideas exóticas.

«Lo que muchos de estos modelos tienen en común es que se puede deducir de ellos que la energía de una partícula no puede llegar a lo más grande posible, sino que hay una energía máxima que toda partícula puede alcanzar. Esta restricción se puede combinar fácilmente con la teoría especial de la relatividad de Einstein y la teoría resultante se llama la teoría de la relatividad doblemente especial, o DSR» (Doubly Special Theory of Relativity).

Como explican los físicos, es posible generalizar la DSR para incluir la gravedad, y esta teoría se llama Arco Iris de la Gravedad.

«La relatividad general predice que la geometría del espacio y tiempo se curva en la presencia de la materia, y esto hace que exista la gravedad», dice Ali. «[La teoría del] arco iris de gravedad predice que esta curvatura también depende de la energía del observador que la mide. Así, en el arco iris de la gravedad, la gravedad actúa de forma diferente en partículas con diferentes energías. Esta diferencia es muy pequeña para objetos como la Tierra, sin embargo, se hace significativa para los objetos como los agujeros negros».

La paradoja de la información

El punto de este trabajo no es sólo la abolición de uno de los rasgos definitorios de un agujero negro, sino que los resultados, más bien, podrían resolver la paradoja de la información del agujero negro, de 40 años de edad, que data del trabajo de Stephen Hawking en los años 1970. En ese momento, Hawking propuso que los agujeros negros emiten radiación a medida que giran, haciendo que se pierda masa más rápido de lo que ganan, de modo que se evaporan de manera constante y, finalmente, desaparecen por completo.

La paradoja en este escenario es que la radiación de Hawking se origina a partir de la masa de los objetos que cayeron en el agujero negro, pero (en teoría) la radiación no lleva información completa sobre estos objetos cuando es irradiada alejándose del agujero negro. Se espera que, finalmente, esta radiación cause que el agujero negro se evapore por completo. Así que la pregunta que surge entonces es: ¿A dónde se va la información sobre los objetos?

En la vida cotidiana, triturar o quemar documentos en papel puede ser una práctica común para destruir información, pero de acuerdo con la teoría cuántica, la información nunca se puede destruir por completo. En principio, siempre se puede determinar el estado inicial de un sistema mediante el uso de información sobre su estado final. Pero la radiación de Hawking no puede determinar el estado inicial de nada.

Se han presentado muchas propuestas para resolver esta paradoja, incluyendo la posibilidad de que alguna información escape lentamente con el tiempo, que la información está almacenada en el interior del agujero negro, y que la radiación de Hawking en realidad contiene la información completa.

Una de las explicaciones más desarrolladas de la paradoja se llama la complementariedad del agujero negro, que se basa en la idea de que un observador que cae en un agujero negro y un observador que mira desde una distancia ven dos cosas completamente diferentes. El observador que ingresa ve la información (en la forma de sí mismo) que pasa a través del horizonte de eventos del agujero negro, pero para un observador distante, parece que el observador que ingresa en realidad nunca llega al horizonte de sucesos debido al extraño efecto de la relatividad general de la dilatación del tiempo. En cambio, el observador distante ve la información que se refleja fuera de la horizonte de sucesos en forma de radiación. Puesto que los dos observadores no se pueden comunicar, no hay paradoja (aunque a muchas personas esta solución puede parecerles incluso más extraña que la paradoja en sí).

Límites a escala de Planck

En su nuevo artículo, Ali, Faizal y Majunder muestran que sucede algo muy diferente en la complementariedad del agujero negro cuando no hay horizonte de sucesos debajo de una longitud y tiempo de intervalo determinados, como se sugiere en el arco iris de la gravedad. En lugar de parecerle al observador distante que le lleva una cantidad infinita de tiempo al observador que ingresa alcanzar el horizonte de sucesos, en la nueva teoría este tiempo es finito. En otras palabras, el observador distante finalmente ve al observador que cae ingresando en el agujero negro.

Utilizando este nuevo conocimiento que se obtiene a partir de arco iris de la gravedad, Ali, Faizal y Majumder afirman que los misterios que rodean a un agujero negro se derivan del hecho de que se está describiendo el espacio y el tiempo a una escala en la que no existen.

«Si restringimos nuestra descripción a las escalas a las que existen el espacio y el tiempo, entonces las aparentes paradojas asociadas a los agujeros negros parecen resolverse de forma natural», dice Ali. «Por ejemplo, como la paradoja de la información depende de la existencia del horizonte de sucesos, y un horizonte de sucesos, como todos los objetos, no existe debajo de una longitud y tiempo de intervalo determinados, entonces no hay en absoluto paradoja de la información en el arco iris de la gravedad. La ausencia de un horizonte efectivo significa que no hay nada en absoluto deteniendo la información que sale del agujero negro».

Más allá de los agujeros negros

Además de ofrecer una solución a la paradoja de la información del agujero negro, los físicos explican que la existencia de intervalos de longitud y de tiempo mínimos nos recuerda que es importante saber qué preguntas se le permite a uno hacer en física para obtener la respuesta correcta.

Los científicos explican esta idea usando la analogía de una barra de metal: «Podemos preguntar, ¿cuánto se dobla una varilla a una fuerza dada sin que se rompa? Cuando aplicamos una fuerza tan grande que rompe la vara, no tiene sentido hablar de doblar la vara. De la misma manera, en la gravedad arco iris, se convierte en un sinsentido hablar de espacio por debajo de cierta escala de longitud, y de tiempo por debajo de un cierto intervalo.

«La lección más importante de este trabajo es que existe el espacio y el tiempo sólo más allá de una cierta escala», concluye Ali. «No hay espacio y tiempo por debajo de esa escala. Por lo tanto, no tiene sentido definir las partículas, la materia, o cualquier objeto, incluyendo los agujeros negros, que existen en el espacio y el tiempo por debajo de esa escala. Por lo tanto, mientras nos mantengamos confinados a las escalas a las que existen en el espacio y el tiempo, obtenemos respuestas físicas razonables. Sin embargo, cuando tratamos de hacer preguntas en intervalos de longitud y de tiempo que están por debajo de las escalas a las que existen el espacio y el tiempo, terminamos teniendo paradojas y problemas.»

 

 

Artículo de referencia: Ahmed Farag Ali, Mir Faizal, and Barun Majumder. «Absence of an effective Horizon for black holes in Gravity’s Rainbow.» EPL. DOI: 1209/0295-5075/109/20001

Fuente: Physorg. Aportado por Eduardo J. Carletti

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