jueves, 12 de julio de 2012

Las Sinfonías de los Agujeros Negros binarios

Amigos, este artículo pertenece a mi gran amigo Emilio Silvera Vazquez, investigador y divulgador científico español, he pegado el enlace pues lo encontré muy bueno y lo quise comparír con ustedes, estoy seguro que el no se va a enojar, desde ya un gran saludo.

Lo que nos cuentan Kip S. Thorne y otros especialistas en Agujeros negros nos posibilitan para entender algo mejor los mecanismos de estos extraños objetos que aún esconden misterios que no hemos sabido resolver. Está claro que muchas de las cosas que sobre agujeros negros podemos leer, son en realidad, especulaciones de cosas que se deducen por señales obervadas pero que, de ninguna manera se pueden tomar como irrefutables, más bien, las tomaremos como probables o muy probables de acuerdo a los resultados obtenidos de muchos experimentos y, ¿por qué no? de muchas horas de prácticas teóricas y pizarras llenas de ecuaciones que tratan de llegar al fondo de un saber que, desde luego, nos daría la clave de muchas cuestiones que en nuestro Universo son aún desconocidas.

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En el corazón de una galaxia lejana, a más de 1.000 millones de años-luz de la Tierra y hace 1.000 millones de años, se acumuló un denso aglomerado de gas y cientos de millones de estrellas. El aglomerado se contrajo gradualmente, a medida que algunas estrellas escapaban y los 100 millones de estrellas restantes se hundían más hacia el centro. Al cabo de 100 millones de años, el aglomerado se había contraído hasta un tamaño de varios años-luz, y pequeñas estrellas empezaron, ocasionalmente, a colisionar y fusionarse, formando estrellas mayores. Las estrellas mayores consumieron su combustible y luego implosionaron para formar agujeros negros; y, en ocasiones, cuando dos de estos agujeros pasaban uno cerca del otro, quedaban ligados formando pares en los que cada agujero giraba en órbita alrededor del otro.

Cuando se forma un par de agujeros negros binarios semejantes, cada agujero crea un pozo profundo (intensa curvatura espacio-temporal) en la superficie insertada y, a medida que los agujeros giran uno en torno al otro, los pozos en órbita producen ondulaciones de curvatura que se propagan hacia afuera a la velocidad de la luz. Las ondulaciones forman una espiral en el tejido del espacio-tiempo en torno al sistema binario, muy semejante a la estructura espiral del agua que procede de un aspersor de cesped que gira rápidamente. Los fragmentos de curvatura forman un conjunto de crestas y valles en espiral en el tejido espacio-temporal.

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Puesto que la curvatura-espaciotemporal es lo mismo que la gravedad, estas ondulaciones de curvatura son realmente ondas de gravedad, u ondas gravitatorias. La Teoría de la Relatividad General de Einstein predice, de forma inequívoca, que tales ondas gravitatorias deben producirse siempre que dos agujeros negros orbiten uno en torno al otro.

Cuando parten hacia el espacio exterior, las ondas gravitacionales producen una reacción sobre los agujeros de la misma forma que una bala hace retroceder el fusil que la dispara. El retroceso producido por las ondas aproxima más los agujeros y les hace moverse a velocidades mayores; es decir, hacen que se muevan en una espiral que se cierra lentamente y hace que se vayan acercando el uno hacia el otro. Al cerrarse la espiral se genera poco a poco energía gravitatoria, una mitad de la cual va a las ondas y la otra mitad va a incrementar las velocidades orbitales de los agujeros.



El movimiento en espiral de los agujeros es lento al principio; luego, a medida que los agujeros se acercan, se mueven con mayor velocidad, radian sus ondulaciones de curvatura con más intensidad, y pierden ene´rgía y se cierran en espiral con más rapidez. Finalmente, cuando cada agujero se está moviendo a una velocidad cercana a la de la luz, sus horizontes se tocan y se fusionan. Donde una vez hubo dos agujeros, ahora sólo hay uno.

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El horizonmte del agujero giratorio queda perfectamente liso y con su sección ecuatorial circular, con la forma descrita precisamente por la solución de Kerr a la ecuación de campo de Einstein. Cuando se examina el agujero negro liso final, no hay ningún modo de descubrir su historia pasada. No es posible distinguir si fue creado por la coalescencia de dos agujeros más pequeños, o por la implosión directa de una estrella supermasiva construida por materia, o por la implosión directa de una estrella constituida por antimateria. El agujero negro no tiene “pelo” a partir del cual se pueda descifrar su historia.

Sin embargo, la historia no se ha perdido por completo: ha quedado un registro codificado en las ondulaciones de la curvatura espacio-temporal que emitieron los agujeros coalescentes. Dichas ondulaciones de curvatura son muy parecidas a las ondas sonoras de una sinfonía. De la misma forma que la sinfonía está codificada en las modulaciones de las ondas sonaras (mayor amplitu aquí, menor allí), también la historia de la coalescencia está codificada en modulaciones de las ondulaciones de curvatura. Y de la misma forma que las ondas sonoras llevan su sinfonía codificada desde la oequesta que la produce hasta la audiencia, también las ondulaciones de curvatura llevan su historia codificada desde los agujeros fusionados hasta los rincones más lejanos del Universo lejano.

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Las ondulaciones de curvatura viajan hacia afuera por el tejido del espacio-tiempo a través del conglomerado de estrellas y gas del que nacieron los agujeros. El aglomerado no absorbe las ondulaciones ni las distorsiona en absoluto; la historia codificada de las ondulaciones permanece perfectamente invariable, se expanden hacia el exterior de la galaxia madre del aglomerado y el espacio intergaláctico, atraviesan el cúmulo de galaxias del que forma parte la galaxia progenitora, luego siguen atravesando un cúmulo de galaxias tras otro hasta llegar a nuestro propio cúmulo, dentro del cual está nuestra Vía Láctea con nuestro Sistema Solar, atraviesan la Tierra, y continúan hacia otras galaxias distantes.

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Claro que, en toda esta historia hay un fallo, nosotros, los humanos, aún no somos lo suficientemente hábiles para haber podido construir aparatos capaces de detectar y oir las sinfonías mencionadas con entusiamos por el Sr. Thorne y, que según el cree, son mensajes que nos traen esas ondas de gravedad de los agujeros negros binarios. Es como si no pudiéramos oir esa hermosa sinfonía que nos mostraría un nuevo Universo por nosotros desconocido. Ahora sabemos que por medio de potentes telescopios podemos conocer lo que es el Universo, podemos observar galaxias lejanas y estudiar cúmulos de galaxias o de estrellas y captar las imágenes de bonitas Nebulosas, todo eso es posible gracias a que al captar la luz que emitieron esos objetos cosmológicos hace decenas, cientos, miles o millones de años como señal electromagnética que viajando a la velociodad de c, hace posible que podamos ver lo observado como era entonces, en aquel pasado más o menos lejano. De la misma manera, se cree que, las ondas gravitatorias emitidas por estos objetos misteriosos, se podrán llegar a captar con tal claridad que nos permitirá saber de otra faseta (ahora) desconocida del Universo, y, sobre todo, podremos entender el pasado de esos densos objetos que, de momento, nos resultan exóticos y también extraños.

miércoles, 11 de julio de 2012

Científicos planean atravesar la corteza del planeta



Cientificos se preparan para una misión comparable al viaje a la Luna: alcanzar por primera vez el manto de la Tierra.
El ambicioso proyecto que podría completarse en el 2025 está en manos del Programa Integrado de Perforaciones Científicas Oceánicas, dentro del cual participan 27 países.

Con el buque japonés de perforación en aguas profundas ‘Tikyu’, los científicos planean llegar a la falla en la región de Tohoku que causó el devastador terremoto y el posterior tsunami de marzo del 2011.

El camino hacia el manto terrestre arde a 300 grados y aplasta con una presión de 2 kilobares, es decir 2.000 veces la que existe a nivel del mar. Otro gran obstáculo es que el proyecto requiere una suma colosal de dinero: tan solo los trabajos del buque cuesta un billón de dólares.

¿Para qué?


Durante más de un siglo la obtención de muestras del manto terrestre ha sido una de las mayores ambiciones de los científicos. Aunque el manto representa el 68% de la masa terrestre, en realidad sabemos muy poco sobre él y no se tiene ninguna 'muestra pura' del mismo, lo que supondría un tesoro de valor científico incalculable.

Los datos que de él se obtengan podrían transformar la concepciones sobre la evolución y la estructura de la Tierra. Existe incluso la posibilidad de hallar el ‘manto de la vida’, como se ha denominado a la capa de posibles organismos intraterrestres endémicos.

Logros históricos

En 1909, el meteorólogo croata Andrija Mohorovicic observó que las ondas sísmicas que viajaban por debajo de los 30 kilómetros de profundidad se propagaban a mayor velocidad que las que se encontraban por encima, lo que significó un cambio radical en las ideas de la composición y las propiedades físicas de las rocas.

De esta manera, el científico descubrió el límite superior del manto terrestre, que marca la frontera a partir de la cual se extiende el interior de la Tierra desde la base de la corteza hasta el núcleo: 2.890 kilómetros por debajo.

Hasta ahora, la corteza oceánica solo ha podido perforarse hasta una profundidad de 1,5 kilómetros, mientras que se estima que grosor es de 5,5 kilómetros.

Primera detección de galaxias oscuras en el universo temprano



Por primera vez se han detectado galaxias oscuras, una etapa temprana de la formación de la galaxia, predicha teóricamente, pero nunca observada hasta ahora. Estos objetos son, esencialmente, galaxias ricas en gas que no contienen estrellas. Utilizando el telescopio Very Large Telescope de ESO, un equipo internacional ha detectado estos evasivos objetos observando su brillo al ser iluminados por la luz de un cuásar.

Las galaxias oscuras son pequeñas, galaxias del universo temprano ricas en gas, muy ineficientes a la hora de formar estrellas. Su existencia se predijo en las teorías que tratan la formación de galaxias y se cree que son los ladrillos básicos de las actuales galaxias brillantes y cargadas de estrellas. Los astrónomos creen que han debido alimentar galaxias de mayor tamaño con gran parte del gas que más tarde formó las estrellas que existen actualmente.

Ya que están privadas de estrellas, estas galaxias oscuras no emiten mucha luz, lo que las hace muy difíciles de detectar. Durante años, los astrónomos han intentado desarrollar nuevas técnicas con el fin de confirmar la existencia de estas galaxias. Small absorption dips in the spectra of background sources of light have hinted at their existence. Pequeñas bajadas de absorción en el espectro de fuentes de luz situadas detrás, han delatado su existencia. Aún así, este nuevo estudio es el primero que consigue ver estos objetos de manera directa.

La solución al problema de detectar una galaxia oscura era, simplemente, arrojar un poco de luz sobre ella.” explica Simon Lilly (ETH Zurich, Suiza), coautor del artículo. “Buscábamos el brillo fluorescente del gas en las galaxias oscuras al ser iluminadas por la luz ultravioleta de un cuásar cercano y muy brillante. La luz del cuásar hace que la galaxia oscura se encienda en un proceso similar al que se da cuando la ropa blanca se ilumina con luz ultravioleta en una discoteca.” [1]

El equipo utilizó la gran superficie colectora y la precisión del Very Large Telescope (VLT), junto con una serie de exposiciones muy largas, para detectar el débil brillo fluorescente de las galaxias oscuras. Utilizaron el instrumento FORS2 para sondear una región del cielo alrededor del brillante cuásar [2] HE 0109-3518, buscando la luz ultravioleta que emite el hidrógeno cuando está sujeto a fuertes radiaciones. Debido a la expansión del universo, cuando la luz llega al VLT, en realidad se observa como una sombra de color violeta. [3]

Tras varios años intentando detectar la emisión fluorescente de las galaxias oscuras, los resultados demuestran el potencial de nuestro método para descubrir y estudiar estos fascinantes objetos, antes ocultos a nuestros ojos,” afirmas Sebastiano Cantalupo (Universidad de California, Santa Cruz, EE.UU.), autor principal de este estudio.

El equipo detectó casi 100 objetos gaseosos que se encuentran a unos pocos millones de años luz del cuásar. Tras un cuidadoso análisis (diseñado para excluir objetos en los cuales la emisión podría ser potenciada por formación de estrellas en el interior de la galaxia, más que por la luz del cuásar), finalmente estrecharon su búsqueda, limitándola a 12 objetos. Es la identificación de galaxias oscuras en el universo temprano más convincente de las llevadas a cabo hasta el momento.

Los astrónomos también fueron capaces de determinar algunas de las propiedades de las galaxias oscuras. Estimaron que la masa del gas que contienen es de alrededor de mil millones de veces la masa del Sol, algo típico de las galaxias de baja masa ricas en gas del universo temprano. También pudieron estimar que la eficiencia en formación estelar se reduce en un factor de más de 100 en relación a las típica galaxias con formación estelar encontradas en un estadio similar de la historia cósmica. [4]

Nuestras observaciones con el VLT nos han proporcionado una evidencia de la existencia de nubes oscuras compactas y aisladas. Con este estudio, hemos dado un paso crucial para revelar y comprender tanto las oscuras fases iniciales de la formación estelar, como el proceso por el cual adquieren su gas”, concluye Sebastiano Cantalupo.

El espectrógrafo de campo integral MUSE, que iniciará su fase de puesta a punto en el VLT en 2013, será una herramienta extremadamente poderosa para el estudio de estos objetos.

Notas


[1] La fluorescencia es la emisión de luz por parte de una sustancia que, a su vez, es iluminada por una fuente de luz. En la mayor parte de los casos, la luz emitida tiene una longitud de onda mayor que la fuente de luz. Por ejemplo, las lámparas fluorescentes transforman la radiación ultravioleta — invisible para nosotros — en luz visible. La fluorescencia aparece de forma natural en algunos componentes, como algunas rocas o minerales, pero también puede añadirse de forma intencionada, como en los detergentes, que contienen fluorescentes químicos para hacer que la ropa blanca parezca más brillante bajo la luz normal.

[2] Los cuásares son galaxias distantes muy brillantes que se cree contienen un agujero negro supermasivo en su centro, el cual los alimenta. Su brillo los convierte en potentes faros que pueden ayudar a iluminar las áreas circundantes, dando a conocer la era en la que las primeras estrellas y galaxias se formaban a partir del gas primordial.

[3] Esta emisión del hidrógeno es conocida como emisión Lyman-alfa, y se produce cuando los electrones de los átomos de hidrógeno saltan del segundo subnivel al nivel más bajo de energía. Es un tipo de luz ultravioleta. Debido a la expansión del universo, la longitud de onda de la luz que proviene de estos objetos va desplazándose en su camino hacia nosotros. Cuanta mayor sea la distancia, más se desplazará la longitud de onda. Dado que el rojo es la longitud de onda más larga visible a nuestros ojos, este proceso es literalmente un desplazamiento de la longitud de onda hacia el extremo rojo del espectro — de ahí el nombre ‘desplazamiento al rojo’ (‘redshift’ en inglés). El cuásar HE 0109-3518 tiene un desplazamiento al rojo o redshift de z = 2.4, y la luz ultravioleta de las galaxias oscuras se mueve dentro del espectro visible. Se diseñó un filtro de banda estrecha específico para aislar una longitud de onda concreta de la luz a la cual se desplazaba la emisión fluorescente. El filtro se centró en los 414,5 nanometros con el fin de capturar la emisión Lyman-alfa desplazada a z=2.4 (esto corresponde a una sombra del violeta) y tiene un paso de banda de solo 4 nanometros.

[4] La eficiencia en formación estelar es la masa de nuevas estrellas formadas según la masa de gas disponible para formar estrellas. Se descubrió que estos objetos necesitarían más de cien mi millones de años para convertir su gas en estrellas. Estos resultados concuerdan con recientes estudios teóricos que han sugerido que los halos de baja masa, ricos en gas, con alto desplazamiento al rojo, pueden tener una tasa de formación estelar muy baja como consecuencia de un bajo contenido en metales.


Cred. ESO