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¿Qué significa realmente el concepto de “universo observable”?

En la última entrada estuve explicando cómo es posible que las galaxias más lejanas se estén alejando de nosotros a velocidades superiores a la de la luz si, en principio, ningún objeto que tenga masa puede igualar o superar esa velocidad. Y, por supuesto, quedaron algunas dudas en el aire que creo que la voz cursiva dejó apuntadas en algún lado.

Sí… Las tengo por aquí… Eh… ¿Cómo podemos detectar una galaxia que se aleja a una velocidad superior a la de la luz? ¿Y qué es eso del universo “observable”? ¿Es que hay partes del universo que no podemos observar? ¿Cómo podemos saber qué tamaño tiene el universo? 

Estupendo. Intentemos resolver el entuerto hablando un poco sobre los conceptos de volumen de Hubble y universo observable.

Como vimos en la entrada anterior, el espacio se expande de tal manera que la velocidad con la que las galaxias se alejan de nosotros aumenta cuanto mayor es la distancia que nos separa de ellas. Y, de hecho, si te alejas lo suficiente en cualquier dirección, terminas encontrando galaxias que se están alejando de nosotros a la velocidades iguales o superiores a la de la luz.

Esto significa que, desde nuestro punto de vista, podemos separar el espacio que nos rodea en dos regiones: una más “cercana” donde las cosas se alejan de nosotros a velocidades inferiores a la de la luz y otra “lejana” en la que lo hacen a velocidades superiores. En la frontera entre las dos se encuentra el llamado límite de Hubble, la franja del espacio en la que las cosas se alejan de nosotros a la misma velocidad que la luz.

Pero, ojo, que aquí llega un dato interesante: no podemos ver la luz emitida actualmente por los objetos que se encuentran más allá de nuestro volumen de Hubble (la esfera delimitada por el límite que tiene el mismo nombre) porque, en esta región, el espacio se expande tan deprisa que ni siquiera la luz es lo suficientemente rápida como para poder avanzar hacia nosotros a través de él. Es como si una persona normal se montara en la cinta de correr de Usain Bolt y le subiera la velocidad al máximo: por muy rápido que corra, la cinta siempre se moverá más deprisa y le arrastrará en la dirección contraria.

Dentro del volumen de Hubble, en cambio, el espacio se expande a velocidades sublumínicas, de modo que la luz que se propaga por su interior se puede sobreponer a esa expansión, avanzar hacia la Vía Láctea y llegar hasta nuestros ojos. Sabiendo esto, se puede concluir que toda la luz que vemos en el cielo ha sido emitida por:

a) Objetos que se encuentran dentro del volumen de Hubble.

b) Objetos que ahora mismo están mucho más allá de límite de Hubble pero que, en algún momento del pasado, estuvieron lo suficientemente cerca de él como para que su luz cruzara la frontera. En este caso, la luz ha podido propagarse por nuestro volumen de Hubble hasta llegar a nuestros ojos, incluso aunque el objeto que la emitió nunca haya estado en él.

No entiendo esta segunda posibilidad. ¿No decías que, más allá de la frontera de Hubble, el espacio se expande tan rápido que la luz no puede abrirse paso hasta nosotros?

Y así es, voz cursiva, pero faltaban un par de detalles por mencionar.

En la entrada anterior comentaba que el universo no surgió a partir de una explosión que desparramó material en todas las direcciones a través de un espacio ya existente. En su lugar, el Big Bang no sólo dio lugar a la energía que se convertiría en las galaxias que vemos hoy en día a nuestro alrededor, sino también al propio espacio que la contiene. Y lo curioso es que la estructura actual del universo ya estaba más o menos determinada durante los primeros momentos de su existencia y, a medida que el espacio se ha expandido, las regiones con una mayor densidad energética simplemente se han separado entre ellas y han evolucionado hasta dar lugar a los grupos de galaxias actuales.

En este sentido, la posición relativa entre los grupos de materia que hay dentro de nuestro volumen de Hubble no ha cambiado demasiado con el tiempo… Y tampoco lo ha hecho la posición relativa de las cosas que están fuera de él.

Pero, por otro lado, también hay que tener en cuenta que el volumen de Hubble también se ha estado hinchando mientras el universo se expande. En otras palabras, la distancia a la que las galaxias se alejaban de la nuestra a una velocidad igual o superior a la de la luz era menor en el pasado. Por tanto, aunque nunca podremos ver el aspecto actual  de muchas galaxias porque están demasiado lejos del límite de Hubble, hay cosas que se encontraban lo suficientemente cerca de esa frontera en el pasado como para que la luz que emitían pasara a nuestra región sublumínica del universo en algún momento de la historia.

Y, por supuesto, miles de millones de años después, esa luz llega hasta nosotros en la actualidad para enseñarnos el aspecto que tenían los objetos que la emitieron en el pasado remoto.

Y aquí llega otro dato bonito, voz cursiva.

El universo se volvió transparente unos 300.000 años después del Big Bang y, por primera vez, la luz podía propagarse libremente por el espacio. Mientras el universo se expandía, parte de esa luz primigenia emitida por objetos que se alejaban de nuestra región del espacio a la velocidad de la luz logró cruzar la frontera hacia nuestra creciente esfera de Hubble.

Durante los siguientes 13.800 millones de años, el espacio en expansión ha estado estirando esos rayos de luz mientras se se propagaban a través de él, aumentando su longitud de onda hasta convertirlos en ondas de radio. Y, curiosamente, hoy en día podemos observar esa luz que inundó el espacio 300.000 años después de que tuviera lugar el Big Bang porque, miremos donde miremos, desde todas las direcciones del cielo nos llega esa señal de radio que refleja cómo estaba distribuida la materia cuando el universo se volvió transparente.

Los astrónomos llaman radiación de fondo de microondas a esta señal de radio omnipresente en el cielo y, representada en un mapa en dos dimensiones, tiene esta pinta:

(Fuente)

Vaya… ¿Y qué ha sido de la materia que emitió esa primera luz?

Buena pregunta, voz cursiva: esa materia se ha estado alejando de nosotros a velocidades superiores a las de la luz desde que fue emitida, hace casi 13.800 millones de años, evolucionando por su cuenta y dando lugar a galaxias con sus propias nebulosas, estrellas y planetas.

De hecho, la materia que emitió la radiación de fondo de microondas se ha estado alejando tan deprisa de nosotros que se estima que, en la actualidad, se encuentra a unos 46.500 millones de años luz de distancia.

Espera, eso es…

Justamente lo que piensas, voz cursiva: ese es el radio del llamado universo observable que, como puedes ver, se corresponde con el diámetro del volumen que se cree ocupa en la actualidad toda esa materia que emitió la radiación de fondo de microondas hace 13.800 millones de años y que, aunque no podemos ver su aspecto actual, ha estado convirtiéndose en planetas, estrellas y galaxias.

En este enlace tenéis una versión más elaborada de un esquema parecido.

Vale, creo que empiezo a pillarlo. Pero, ¿cómo sabemos que la materia que emitió el fondo de microondas se encuentra actualmente a esa distancia, si no podemos ver la luz que está emitiendo actualmente?

Pues por el estiramiento que ha sufrido por el camino la luz que emitió en el pasado.

Tomemos el ejemplo de la galaxia GN-z11 que comenté en la entrada anterior. Cuando los astrónomos apuntan sus telescopios más potentes hacia este objeto, ven este churro:

La galaxia GN-z11. (Fuente)

Sabiendo el ritmo al que se expande el espacio con la distancia, se puede estimar el estiramiento que ha sufrido la luz de esta galaxia mientras atravesaba el espacio (su corrimiento al rojo, que explicaba en esta entrada). Con esta técnica se ha calculado que la luz de GN-z11 fue emitida hace 13.400 millones de años, así que en la foto vemos el aspecto que tenía GN-z11 por aquel entonces.

Pero, además, el corrimiento al rojo también permite estimar la velocidad a la que se alejaba de nosotros esta galaxia y, basados en este dato, los astrónomos han podido calcular que, hoy en día, GN-z11 se encuentra a una distancia de unos 32.000 millones de años luz. Y, por supuesto, su forma actual no se parecerá demasiado a la imagen de ella que vemos en el cielo, porque ha estado evolucionado y cambiado durante 13.400 millones de años, igual que todo el amasijo amorfo que aparece en el mapa de la radiación de fondo de microondas.

Vale, vale. Mi concepto del universo está creciendo demasiado rápido pero, aun así, me ha queda una duda. ¿Qué hay tras el universo observable? Es decir, ¿qué hay más allá de esa distancia que ha alcanzado el material más viejo del que tenemos información? 

Agárrate, voz cursiva, porque la respuesta a esta pregunta podría hacer que te cayeras de la silla: más allá de la frontera del universo observable hay… Aún más universo.

Venga, no me tomes el pelo. ¿No hay un vacío inmenso o una barrera energética teórica algo así?

No, no, va en serio: el universo observable sólo es una pequeña fracción del el universo entero, que es aún mayor. Me explico.

Hay que tener en cuenta que el concepto de universo observable no es una medida absoluta, sino que simplemente determina cuál es la mayor distancia de la que tienes alguna información desde una posición determinada del espacio. Y no es una medida absoluta porque, en realidad, todas las galaxias se están alejando de nosotros y entre ellas por igual, por muy lejos que estén. Por tanto, vayas donde vayas, siempre te parecerá que tú estás en el centro del universo observable y que el resto de las cosas se están alejando de ti.

En este vídeo de MinutePhysics (que tiene subtítulos en castellano) explican gráficamente este concepto:

Esto significa que cada punto del espacio tiene su propio universo observable a su alrededor. E igual que, desde nuestro punto de vista, muchas galaxias están tan lejos de nosotros que se alejan a velocidades superiores a las de la luz, somos nosotros quienes se están alejando a esa velocidad desde su perspectiva. De hecho, habrá otras regiones suficientemente lejanas del universo en las que somos nosotros quienes se encuentran más allá de su límite de Hubble y la única señal que tengan de nosotros sea una mota diminuta en su propio mapa de la radiación de fondo de microondas.

O sea que, simplificando, el universo observable es el volumen de espacio que nos rodea del que podemos deducir información sobre su posición actual.

¡AGH! ¿Y QUÉ SIGNIFICA ESO? ¿HAY MUCHO MÁS UNIVERSO TRAS ESA FRONTERA? ¿EL ESPACIO TIENE UN LÍMITE? ¿ES INFINITO? ¡NO ME DEJES CON LA INTRIGA!

Bueno, me temo que esas preguntas habrá que responderlas en otra entrada… Peeeeero, si te has quedado con ganas de más, tengo un par de libros que te pueden interesar.

 

Ciencia de Sofá tiene un libro nuevo, “Las 4 fuerzas que rigen el universo“, en el que hablo sobre cómo las cuatro fuerzas fundamentales dan forma a nuestro universo, su descubrimiento y su efecto sobre nuestras vidas. Por otro lado, el libro “viejo” (“El universo en una taza de café“) va por la tercera edición y ahora vuelvo a ofrecer suscripciones a la revista de National Geographic así que, si os interesa alguna de estas propuestas, podéis acceder a una entrada donde las explico con más detalle haciendo click sobre la siguiente imagen 🙂

Respuestas (LXXIX): ¿Por qué (a primera vista) el universo observable es más grande de lo que su edad le debería permitir?

Hace un par de semanas, Roberto López-Herrero preguntaba por Twitter cómo es posible que el universo observable tenga un radio de 46.500 millones de años luz, si el Big Bang ocurrió hace 13.800 millones de años.

Se trata de una duda que a todos los aficionados a la astronomía nos ha atormentado en algún momento de nuestras vidas: el universo se ha estado expandiendo desde que tuvo lugar el Big Bang pero, incluso suponiendo que las galaxias se hubieran estado moviendo a la velocidad de la luz, sólo podrían haber recorrido 13.800 millones de años luz en cualquier dirección durante todo este tiempo. Por tanto, siguiendo este razonamiento, el diámetro del universo actual no podría superar los 27.600 millones de años luz.

Pero, por supuesto, eso no es así: sabemos que el universo observable tiene un diámetro de 93.000 millones de años luz.

¡Y eso sólo puede significar que el universo se ha estado expandiendo a velocidades superiores a la de la luz! ¡Maldita sea! ¿No  decías hace una semana que es imposible que un objeto se mueva a la velocidad de la luz? ¿Cómo puede ser que haya galaxias que han movido incluso más rápido? ¿No será que el Big Bang no es más que una gran patraña? 

Pues no, voz cursiva, no es una patraña. Para entender lo que está pasando, empecemos por hablar de la expansión del universo.
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Algunos desafíos de viajar a velocidades cercanas a la de la luz

Las películas y las series de ciencia-ficción nos han acostumbrado a ver a sus protagonistas moviéndose de un lado al otro del universo como si se estuvieran paseando por su casa. Y, tal vez por eso, me da la impresión de que se tiende a infravalorar la dificultad real que supondría explorar el espacio: no hablo sólo de movernos de un lugar a otro dentro de la Vía Láctea, sino del sueño de llegar a expandir nuestra civilización más allá de nuestra galaxia hacia el resto del universo.

Total, que en la entrada de hoy quería comentar algunos de los desafíos más tochos que tendremos que superar para movernos con relativa libertad por el cosmos.

En primer lugar, abordemos el problema más obvio: las enormes distancias que separan las cosas en el espacio.

Cuando se habla del espacio que separa las estrellas, os sonará la medida del año luz, que equivale a la distancia que recorre un rayo de luz en el vacío durante un año… O casi 10 billones de kilómetros, teniendo en cuenta que la luz se propaga por el vacío a unos 300.000 kilómetros por segundo (km/s).

Para poner esta cifra en perspectiva pensad que, a 120 km/h, un coche tardaría casi 10 millones de años en recorrer un año luz, de modo que si ahora mismo pusieras rumbo a Alfa Centauri (la estrella más cercana a nuestro sistema solar) a esa velocidad, tardarías 38 millones de años en cubrir los 4 años luz que nos separan de ella. Más aún, incluso a la mayor velocidad alcanzada por un vehículo espacial hasta la fecha (los 265.000 km/h experimentados por la sonda Juno mientras se acercaba a Júpiter), una nave tardaría 17.200 años en llegar hasta la estrella más cercana.

Y, encima, para hacer el escenario aún más deprimente, nuestra galaxia mide 100.00 años luz de diámetro… Por no hablar del resto de las galaxias que nos rodean, porque hasta las más cercanas están a millones de años luz de nosotros.

Un gráfico que a lo mejor os ayuda a haceros una idea de lo lejos que está todo en el espacio.

¿Por qué recibes más radiación mientras vuelas en avión?

Hoy os traigo un vídeo nuevo en el que, siguiendo la línea del vídeo anterior, hablo sobre el origen de la radiación adicional que recibimos mientras vamos en avión… Y si es peligrosa o no (spoiler: no lo es).

Espero que os guste y, si es así, podéis darle un “meneo” al vídeo en este enlace de Menéame.net para ayudarme a aumentar su difusión. ¡Muchas gracias! 🙂

¿Tiene algún efecto la mecánica cuántica a escala humana? Aclarando algunas cosas sobre el “gato de Schrödinger”

Hace unos días, en el programa de La Vida Moderna, David Broncano sacó el tema del gato de Schrödinger, el famoso experimento mental relacionado con la mecánica cuántica en el que se mete un gato en una cámara que contiene un dispositivo que tiene el 50% de probabilidades de matarlo tras un periodo de tiempo determinado. Hasta ahí todo bien pero, a continuación, según cómo os lo explicaran, es posible que os dieran entender que, como somos incapaces de ver qué pasa dentro de la caja durante el experimento, el gato estará vivo y muerto a la vez hasta que alguien abra la caja para comprobarlo… Y será en ese momento en el que adopte un estado u otro.

¿Pero qué paparrucha es esta? ¿Hoy tocaba actualizar la sección de “Patrañas” y no me he dado cuenta? 

Pues tendría cabida en “Patrañas” perfectamente, voz cursiva, pero no porque la mecánica cuántica y la analogía del gato de Schrödinger no sean ciencia seria, sino porque hay gente que interpreta ambas como le da la gana para justificar sus ideas esotéricas absurdas, desde quienes van diciendo por ahí que la mecánica cuántica demuestra que nosotros mismos creamos la realidad al observarla hasta los charlatanes que intentan convencerte de que las enfermedades tienen un origen cuántico.

Pero hoy no me voy a centrar en desmentir ninguna patraña cuántica en particular porque creo que, para ver por dónde pierden agua todas ellas, basta con entender qué quería transmitir realmente el bueno de Schrödinger con su experimento mental gatuno. Aunque, por supuesto, antes de empezar habrá que ver de qué va eso de la mecánica cuántica.

<ironía> Bieeeen… </ironía>
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¿En qué se diferencian la radiación de los móviles y la radiación nuclear?

En el vídeo de hoy aprovecho que tengo una fuente de radiación nuclear en mi colección de minerales (la llamada torbernita) para demostrar algunas diferencias entre la radiactividad y la radiación que emiten los dispositivos con los que nos comunicamos en nuestro día a día. También había hablado del tema con anterioridad en esta otra entrada, pero he pensado que sería una buena idea ponerlo en práctica.

¡Espero que os guste (y que os suscribáis al canal de Youtube)!

 

Presentación del libro “Las 4 fuerzas que rigen el universo”

Dejo por aquí la presentación del segundo libro de Ciencia de Sofá, “Las 4 fuerzas que rigen el universo” que hice en Barcelona el 11 de mayo. Hablé un rato por encima sobre esas cuatro fuerzas fundamentales, además de explicar algunas anécdotas históricas relacionadas con ellas que me parecieron interesantes.

¡Espero que os entretenga!

¿Qué son las baterías de diamante? ¿Son una fuente de energía viable?

Hace unos meses aparecieron noticias sobre unas baterías de diamante ideadas por la Universidad de Bristol que, según algunos medios, podrían “revolucionar” el paradigma energético. Algunos incluso hablaban de una nueva “era de los diamantesde la producción de energía. Pero Israel Bello no terminaba de fiarse de estas predicciones, así que me mandó un correo (a jordipereyra@cienciadesofa.com) preguntando si las baterías de diamante serían realmente un invento tan revolucionario o si, por el contrario, serán una entrada más en la lista de avances exagerados por los titulares y que terminan cayendo silenciosamente en el olvido.

Pero, para variar, veamos cómo funcionan estas baterías antes de analizar su viabilidad.

Recordemos que una corriente eléctrica no es más que un flujo de electrones de un punto a otro. Es por eso que, como comentaba en esta otra entrada, las baterías normales contienen un material al que le faltan muchos electrones (carga positiva) y otro al que le sobran (carga negativa). En cuanto los dos terminales quedan unidos por un circuito, los electrones empiezan a pasar del lado del que sobran al que faltan, dando lugar así a una corriente eléctrica.

Si os interesa el asunto, hablaba sobre las baterías recargables en esta otra entrada.

Pero las baterías de diamante no utilizan dos materiales con carga eléctrica opuesta para estimular la circulación de electrones. En su lugar, generan una corriente eléctrica a través de la radiactividad.
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Respuestas (LXXVII): ¿Puede un recipiente vacío flotar en el aire?

Hoy toca responder a una de las cinco preguntas seguidas que me mandó un lector anónimo por correo electrónico a jordipereyra@cienciadesofa.com: si los globos se elevan en la atmósfera cuando los llenas de un gas menos denso que el aire, ¿un globo vacío (y, por tanto, aún más ligero) no debería flotar aún mejor?

Empecemos por lo básico: ¿por qué algunos objetos flotan?

Pues porque son menos densos que la sustancia en la que flotan, obviamente.

Ya, bueno, pero profundicemos un poco más en la causa.

Un objeto flotará en una sustancia determinada si la masa que desplaza a su alrededor es mayor que la suya propia. Cuando esto ocurre, la fuerza de reacción ejercida sobre él por la sustancia sobre la que se encuentra iguala su peso y, por tanto, no se hundirá. Por ejemplo, los barcos flotan porque desplazan un gran volumen de agua que, a su vez, tiene una masa mayor que el propio barco (recordemos que los barcos están llenos de aire).

O, lo que es lo mismo, los barcos flotan porque que su densidad media es menor que la del agua, precisamente porque están llenos de aire.

Bueno, sí, voz cursiva, pero ese enfoque no nos ayudaría a entender la respuesta a la pregunta de hoy. Sigamos hablando de masa desplazada.

Por otro lado, si se sigue añadiendo más masa al barco, su armazón se hundirá cada vez más y desplazará más agua a su alrededor hasta que las dos cifras se equilibren. De ahí en adelante, el peso del barco será mayor que la fuerza que puede ejercer el agua sobre él y, por tanto, el barco se hundirá.
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Respuestas (LXXVI): ¿Cómo sabemos si las leyes de la física han cambiado con el tiempo?

He pensado que para la entrada de hoy sería una buena idea responder a una pregunta bastante interesante que me habéis enviado varias veces por correo electrónico (a jordipereyra@cienciadesofa.com): ¿las leyes de la física cambian con el tiempo o han sido (y serán) siempre las mismas?

Hoy no has mareado mucho la perdiz con la introducción, ¿eh?

No te preocupes, voz cursiva, que ya la marearé durante el resto del artículo. De hecho, antes de empezar, veamos primero qué nos referimos cuando hablamos de las leyes físicas.

Las leyes de la física no son unas ideas arbitrarias que han inventado los científicos para hacerse los interesantes, sino que surgen de la observación de fenómenos que se repiten una y otra vez de una manera muy concreta.

Por ejemplo, la intensidad del campo gravitatorio de un objeto varía con el cuadrado de la distancia, lo que significa que si doblas la distancia entre tú y él, el objeto tirará de ti con una fuerza cuatro veces menor (hablaba con más detalle del asunto en esta otra entrada). Además, hasta donde sabemos, un planeta o una estrella nunca tirará de ti con menos fuerza cuanto más te acerques a su superficie ni tampoco lo hará siguiendo una progresión lineal o cúbica con la distancia, sino que siempre será cuadrática. Y de estos hechos surge la llamada ley de gravitación universal.. Que expresa toda esta información de una manera mucho más simple con una fórmula matemática:

(Fuente)

La lista de fenómenos que se repiten una y otra vez es larga. Una de las leyes de la física más famosas es el hecho de que la energía se se convierte de unas formas en otras (química, térmica, cinética, etc), pero nunca se crea ni se destruye. Pero, por supuesto, hay muchas más: los planetas dan vueltas alrededor de las estrellas siguiendo órbitas elípticas, los fotones rebotan sobre las superficies reflectantes en el mismo ángulo en el que inciden sobre ellas y los objetos que reciben un empujón en el vacío seguirán moviéndose en línea recta hasta que una fuerza externa actúe sobre ellos, por citar algunos ejemplos.
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