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¿Cómo es el universo: finito o infinito?

Hoy toca responder a unas cuantas preguntas que quedaron en el aire cuando hablé sobre el concepto de universo observable que, en resumidas cuentas, es el volumen de 46.500 millones de años luz de radio que nos rodea. Esa esfera representa la distancia a la que se encuentran hoy en día los objetos más lejanos de los que tenemos información, que son los que emitieron la radiación de fondo de microondas hace 13.800 millones de años.

Pero, ¿qué relación tiene el límite del universo observable, también llamado horizonte de partículas, con el tamaño real del universo? ¿Hay más espacio y galaxias tras ese horizonte o la realidad termina en él como si fuera una carretera cortada? Y, si el universo continúa más allá de este límite, ¿el espacio y las galaxias se extienden hasta el infinito o dejarías de ver materia si te alejaras lo suficiente?

Creo que son demasiadas preguntas incluso para mí.

No te preocupes, voz cursiva. Empecemos por lo básico: ¿cómo sabemos que el universo continúa más allá del universo observable?

Ya habíamos visto que el universo no está en expansión porque las galaxias se estén alejando de un punto “central” del espacio sino que, en realidad, lo hace porque el propio espacio que las separa se está estirando. Como todas las galaxias se alejan unas de otras ellas sin ningún punto de referencia común, siempre te dará la impresión de que tú estás en el centro del universo y que el resto de las galaxias son las que se están alejando de ti, vayas donde vayas.

Por supuesto, eso no es más que una ilusión óptica que se puede apreciar claramente en esta secuencia de imágenes: cada vez que se superpone el mismo punto de las dos imágenes de cada fotograma (los puntos están más separados en una de ellas), el resto quedan descentrados, dando la impresión de que todos los demás se han alejado de él.

En la vida real, este fenómeno provoca que cada punto del espacio tenga su propio universo observable a su alrededor, lo que significa que, si te mudaras a una galaxia lo suficientemente lejana, observarías regiones distantes del universo que quedan fuera de nuestra vista desde la Vía Láctea.

Y a cada observador que está en el centro de cada universo observable le parece que todo lo que le rodea se está alejando de él.

Total que, como parece que el universo no tiene un centro absoluto y a lo que llamamos universo observable es una simple cuestión de perspectiva, entonces parece lógico concluir que el universo continúa más allá de nuestro universo observable.

Captado. Así que, en principio, existirían más espacio y más galaxias tras el horizonte de partículas ¿verdad?

Exactamente, voz cursiva.

Vale, vale. Pero, entonces, ¿qué pasa con todo ese universo que hay más allá de nuestro universo observable? ¿Es una esfera aún mayor, pero con un tamaño limitado? ¿O, por el contrario, las galaxias se extienden para siempre en todas las direcciones?

Esa es una pregunta más difícil de responder.

Para poder estimar hasta qué distancia se extiende universo más allá del horizonte de partículas, primero tendríamos que recibir algún tipo de información de esa región que nos permitiera deducir cómo está estructurada. El problema es que todo lo que se encuentra más allá de nuestro universo observable se aleja de nosotros a velocidades muy superiores a la de la luz, de modo que nunca podremos recibir ninguna señal emitida desde su interior.

De hecho, incluso hay objetos que están dentro de nuestro universo observable que se alejan de nosotros tan deprisa que nunca sabremos nada más de ellos. Esto se debe a que se encuentran tras otro límite cosmológico, el horizonte de sucesos del universo, que representa la distancia a partir de la que un rayo de luz emitido ahora mismo nunca podrá alcanzarnos en el futuro, por mucho que se expanda nuestro volumen de Hubble.

Actualmente, esta frontera se encuentra a unos 16.300 millones de años luz así que, como podéis ver en la siguiente imagen, eso limita mucho la cantidad de información del resto del universo observable que podremos recibir en un futuro.

Pero, un momento, ¿cómo que no tenemos información de la materia que hay más allá del universo observable? ¿Y qué pasa con el famoso flujo oscuro?

Buena observación, voz cursiva, aunque no sé de dónde sacas eso de famoso.

El flujo oscuro es una supuesta anomalía en la distribución de la velocidad de algunas galaxias lejanas que parece indicar que se están moviendo hacia la misma región del espacio (aún más alejada que el famoso (ahora sí) Gran Atractor). En base a estos datos, se ha sugerido que, en el pasado, estas galaxias podrían haber sido atraídas por la gravedad producida por una gran concentración de masa situada más allá de nuestro universo observable… Pero aún se está debatiendo la existencia de esa anomalía así que, de momento, no hay nada claro.

En cualquier caso, aunque no tenemos evidencias directas de que haya algo más allá del horizonte de partículas, el consenso es que el universo observable forma parte de un universo aún mayor. Partiendo de ahí, existen dos opciones: que la extensión del universo sea limitada más allá de nuestro horizonte de partículas o que se extienda infinitamente en todas las direcciones.

Veamos qué consecuencias tendría cada una de ellas.

HIPÓTESIS 1: EL UNIVERSO ES FINITO.

Venga, voy a ayudarte a encaminar esta sección. ¿Cómo se supone que funciona un universo finito? ¿Es como una esfera enorme llena de galaxias que se acaba de repente? ¿O hay algún tipo de barrera al final, como un barranco en el límite del espacio?

Gracias, voz cursiva, pero no hay nada de eso. Un universo finito no tiene por qué estar limitado necesariamente por una frontera.

Hace un tiempo estuve hablando sobre qué significa que el universo sea “plano”. Los astrónomos no están afirmando que el espacio tiene literalmente dos dimensiones cuando dicen que el universo es “plano”, sino que es un término con el que se refieren a si nuestro espacio tridimensional está curvado o no sobre una dimensión adicional.

La curvatura del espacio influye en la pregunta de hoy porque, si se descubriera que el universo tiene una curvatura positiva (como una esfera), entonces no sólo significaría que el espacio está cerrado sobre sí mismo y que, por tanto, el universo tiene un volumen finito sino que, además, implicaría que tampoco está delimitado por una frontera.

¿Pero cómo puede estar el espacio tridimensional cerrado sobre sí mismo? ¿Y cómo no va a tener una frontera? ¿Cómo se supone que tengo que tragarme eso?

Intentaré ponerlo de otra manera que suene menos extraña.

Imaginemos que nos encontráramos sobre una superficie plana y finita que flota en medio del espacio (que no es el caso). Si nos pusiéramos a caminar en línea recta en cualquier dirección encima de ese mundo plano, entonces terminaríamos llegando hasta el borde y nos veríamos obligados a detenernos. Sobre una superficie curvada como la de una esfera, en cambio, ocurre algo muy distinto: si caminamos en línea recta en cualquier dirección, siempre volveremos al mismo punto de origen incluso aunque, desde nuestro punto de vista, no hayamos hecho más que alejarnos de él durante todo el camino.

¿Y qué tiene que ver esto con el universo real? Pues que si el espacio tuviera curvatura positiva y, por tanto, estuviera cerrado sobre otra dimensión adicional, entonces podrías montarte en una nave, partir en cualquier dirección en línea recta y, con el tiempo suficiente, volverías a llegar a la Tierra aunque nunca hubieras dado media vuelta.

Ah, vale, como en esos videojuegos viejos en los que desaparecías por un lado de la pantalla y aparecías por el otro.

Sí, bueno, más o menos. En cualquier caso, la ventaja de vivir en un espacio cerrado es que puedes calcular el tamaño del universo si consigues medir su curvatura. Y eso es precisamente lo que se está intentando.

En primer lugar, me gustaría adelantar que no tiene pinta de que el espacio tenga curvatura alguna: las mediciones más precisas que se han hecho hasta ahora parecen sugerir que vivimos en un universo “plano”. Pero, aunque hablaré sobre eso en un momento, en principio también existiría la posibilidad de que vivamos en un universo cerrado (y, por tanto, finito), pero tan grande que somos incapaces de distinguir su curvatura con la tecnología actual.

Partiendo de esta premisa, hay gente que se ha dedicado a intentar estimar cómo sería esa curva imperceptible e intentar calcular el tamaño del universo. Por ejemplo, en 2011, un grupo de investigadores aplicó análisis estadístico sobre el mapa de la radiación de fondo de microondas y concluyeron que, para observar una curvatura tan pequeña, tendríamos que estar metidos en un universo con un volumen 250 veces mayor que el de nuestro universo observable.

Por otro lado, otro artículo de 2006 sostenía que el volumen del universo podría ser al menos 21 veces mayor que el del universo observable. Pero el artículo añadía que, en el caso de que el universo fuera finito, las perturbaciones que sufre la radiación de fondo de microondas de camino a nuestros telescopios harán que nunca podamos saber si su volumen es más de 10.000 veces mayor que el del universo observable, por mucho que mejore la precisión de nuestros instrumentos.

Pero, pese a que existe la posibilidad de que vivamos en un universo “cerrado” y finito, aunque tan grande que nunca podremos deducir su tamaño, de momento hay otro escenario que parece más probable…

HIPÓTESIS 2: EL UNIVERSO ES INFINITO.

Ya en el siglo XVI, se razonó que el universo tenía que ser finito porque, si fuera infinito y contuviera una cantidad ilimitada de materia, en todos y cada uno de los puntos del cielo habría una estrella. Si esto fuera cierto, entonces el cielo debería estar permanentemente iluminado por la luz combinada de infinitas estrellas… Y, como habréis notado, ese no es el caso.

Pero esta contradicción no demuestra que el universo tenga que ser necesariamente finito: hoy sabemos que la expansión del universo se acelera con la distancia así que, incluso aunque existiera un número infinito de estrellas ahí fuera, sólo podemos ver la cantidad finita que está dentro de nuestro volumen de Hubble. Y eso por no decir que la luz emitida por objetos suficientemente lejanos está tan estirada por la expansión del espacio que queda fuera del rango de la luz visible.

En realidad, el hecho de que no se haya podido medir una curvatura apreciable del espacio apoya la idea de que el universo podría ser infinito.

¿Pero qué quiere decir exactamente que el universo podría ser infinito? ¿Que sería infinitamente grande y contendría infinitas galaxias? ¿Que contiene una cantidad limitada de materia, pero el espacio es infinito? ¡ESPECIFICA!

Me refiero a que podría ser infinito en los dos sentidos: tanto en su extensión como en la cantidad de materia que contiene.

Hemos visto que, en un espacio tridimensional cerrado, siempre volverías al punto de origen si te movieras en línea recta. Pero, si hicieras lo mismo en un espacio plano (e infinito), simplemente te alejarías de tu planeta de origen eternamente y nunca más volverías a ver a tus seres queridos… Aunque es posible que encontraras cosas bastante raras por el camino.

Como explica Fraiser Cain en Phys.org la probabilidad de que cualquier cosa se repita en alguna región del espacio en un universo infinito debería ser del 100%. Por tanto, podrías encontrar cualquier cosa imaginable si te alejaras lo suficiente de tu planeta natal, siempre y cuando las leyes de la física permitieran su existencia. De hecho, en un universo infinito, nada impediría que exista un planeta idéntico a la Tierra habitado por una copia exacta de ti mismo en algún lugar del espacio… O incluso que existieran infinitas versiones de ti mismo perdidas en la distancia eterna.

Pero, antes de que convirtamos la ficción en ciencia, no está de más mencionar que todo esto es especulación: hay quién se opone a esta idea y sostiene que un universo infinito no implica necesariamente que cualquier evento se tenga que repetir más de una vez en su interior.

Bueno, vale, pero estoy empezando a aburrirme de tantas elucubraciones sin fundamento. Ve al grano: ¿El universo es finito o infinito?

Pues siento decepcionarte, voz cursiva, pero nadie lo sabe de momento. En base a los datos de los que disponemos a día de hoy, podemos encontrarnos en dos escenarios:

  • Si el espacio no tiene curvatura (que, de momento, parece ser el caso), el universo podría ser infinito tanto en su extensión como en la cantidad de materia que contiene.
  • Si el espacio tiene una curvatura positiva tan leve que no la podemos detectar, entonces viviríamos en un universo inmenso, pero finito, cerrado sobre sí mismo.

Para variar, las cosas no son tan simples porque, mientras que un espacio con curvatura positiva da lugar necesariamente a un universo finito, parece ser que hay topologías que permiten que un espacio plano también genere un universo finito.

En cualquier caso, si desconocer la verdadera extensión del universo os impide dormir, tened en cuenta este dato: tanto si el universo es finito como si es infinito, permaneceremos siempre atrapados en el interior de nuestro universo observable.

Es más: teniendo en cuenta que el horizonte de sucesos del universo está mucho más cerca que el límite del universo observable, incluso aunque ahora mismo nos montáramos en una nave del futuro y pusiéramos rumbo a los confines del espacio, tan sólo tendríamos acceso al 3% del universo observable. Y ese número no hace más que bajar a medida que la expansión del universo se acelera.

O sea, que nunca podremos comprobar personalmente si alejarte en línea recta de la Tierra te lleva de vuelta a casa o si, por el contrario, te distancia para siempre de tus seres queridos, porque nunca llegaremos a atravesar el límite del universo observable para ver qué hay más allá… A menos que alguna de esas tecnologías teóricas tan recurrentes en la ciencia-ficción se convierta en una realidad (como los agujeros de gusano).

Así que no te preocupes de momento, voz cursiva, porque, independientemente de que el espacio sea finito o infinito, estaremos para siempre atrapados en un pequeño volumen del universo observable.

Bieeeeen…

Dicho todo esto, toca  pasar a la publicidad poco invasiva de Ciencia de Sofá.

Ciencia de Sofá tiene un libro nuevo, “Las 4 fuerzas que rigen el universo“. En él 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 🙂

 

¿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.
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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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¿Se puede destruir un agujero negro?

Como comenté en esta otra entrada, caer en un agujero negro no sería experiencia muy agradable, así que no es de extrañar que la idea de que un agujero negro engulla la Tierra nos ponga los pelos de punta. Pero imaginemos por un momento que se descubre que un agujero negro errante se está acercando hacia nuestro planeta y que, debido a su tremenda masa, es imposible desviarlo con alguna triquiñuela gravitatoria. En este escenario, ¿habría alguna manera de destruir el agujero negro y salvar la Tierra?

Espera, espera. ¿Por qué te ha pegado por hablar de este tema así, sin más? ¿Sabes algo que yo no sé? Porque si de verdad hay algún agujero negro dirigiéndose hacia nosotros, dímelo para que empiece a romper escaparates.

Deja los escaparates tranquilos, voz cursiva, que el escenario del agujero negro hipotético dirigiéndose hacia la Tierra es sólo una excusa para hablar sobre las curiosas propiedades de estos objetos.

Ah, vale, vale. En ese caso, la respuesta es fácil: los agujeros negros están llenos de materia, así que basta con disparar un chorro de antimateria contra él para que se desintegre y nos deje en paz.

Bueno, vamos a ver si esa opción tendría algún efecto.

Un agujero negro no es más que una región del espacio en la que la fuerza gravitatoria es tan intensa que nada puede escapar de ella, ni siquiera aunque se mueva a la velocidad de la luz. Estos objetos extremos se forman cuando una estrella muy masiva agota su combustible y, de repente, sin una explosión termonuclear que la contrarreste, toda la masa de la estrella se precipita hacia el núcleo, compactándolo más allá de cualquier límite imaginable.

¿Es posible detectar planetas que se encuentran en otras galaxias?

El mes pasado se publicó una animación creada a partir de 7 imágenes captadas durante 7 años desde el telescopio Keck (Hawaii) y en la que aparecen 4 planetas extrasolares (o  exoplanetas) dando vueltas alrededor de la estrella HR 8799. Dicho de otra manera, en el siguiente vídeo (de 3 segundos) podéis ver el movimiento de los planetas de un sistema solar que se encuentra a 129 años luz del nuestro:

Pero, antes de que os empecéis a preguntar si en la superficie de alguno de esos cuatro puntos brillantes habrá otros seres vivos mirando en nuestra dirección, hay que tener en cuenta que cada uno de los planetas que aparecen en esta animación tiene una masa superior a la de Júpiter, de modo que no se trata de mundos habitables como el nuestro.

Bueno, pero a lo mejor esos planetas tienen satélites rocosos o hay otros planetas más pequeños aún más cerca de la estrella y que no aparecen en la imagen.

Buena observación, voz cursiva. De hecho, el planeta más cercano a HR 8799 que se puede ver en la animación se encuentra a una distancia de 14.5 UA de la estrella y tarda 40 años en completar una órbita, mientras que el más alejado da vueltas a su alrededor a 68 UA y tiene un periodo orbital de 400 años. En comparación, si estos planetas formaran parte de nuestro sistema solar, la órbita del más primero caería entre Saturno y Urano, pero el segundo estaría más del doble de lejos del sol que Plutón.

Maravilloso, maravilloso… Pero, ¿en serio esto es lo mejor que tenemos? ¿Qué hay de las bellas imágenes de mundos azules, con continentes y nubes, que aparecen cada vez se habla del descubrimiento de un planeta nuevo más allá de nuestro sistema solar?
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¿Existen los agujeros blancos?

En el último artículo que colgué estuve hablando sobre los efectos que tendría sobre el universo que alguien (ejem, ejem, voz cursiva) pulsara un botón hipotético que “desactivara” la gravedad. Y, como muchos notasteis, no hablé sobre cuál sería el destino de los agujeros negros en este escenario. ¿La causa? No estaba lo demasiado seguro  de la respuesta.

Así que he indagado un poco más en la cuestión y resulta que, con la excusa, este asunto me permite escribir sobre otro tema bastante solicitado que tenía pendiente desde hace tiempo: los agujeros blancos.

Bueno, vale. Pero, por favor, dime qué le pasaría a un agujero negro si desapareciera la gravedad sin irte por las ramas.

Lo intentaré, pero no puedo prometer nada.

Como he comentado alguna otra vezun agujero negro se forma después de que las reacciones de fusión nuclear del núcleo de una estrella muy masiva se detengan. Cuando esto ocurre, toda la masa de la estrella se precipita hacia el núcleo, contrayéndose tanto que la materia se compacta más allá cualquier límite conocido, dando lugar a una singularidad rodeada de una región del espacio que está tan curvada que ni siquiera la luz puede escapar de ella.

Mayor curvatura = campo gravitatorio más intenso, como explicaba en esta entrada. (Fuente)

¿Qué significa que el universo sea “plano”?

Durante las dos últimas semanas he recibido varios correos (os recuerdo que podéis mandar vuestras preguntas a jordipereyra@cienciadesofa.com) en los que me preguntáis qué significa exactamente eso de que el universo sea plano o esté curvado. No sé qué ha levantado esta oleada de curiosidad repentina, pero la verdad es que es un tema muy interesante porque conociendo la curvatura del universo podemos deducir cómo evolucionará… Y cual será su destino final.

Pero esto de que el universo tenga curvatura puede sonar un poco raro. Al fin y al cabo, cuando miramos al cielo por la noche, sólo vemos espacio vacío y estrellas, pero ninguna señal de una “curvatura”. Para entender un poco mejor el asunto, hablemos primero de la Tierra.

Hoy en día sabemos que la Tierra es redonda (aunque aún haya quién no quiera aceptarlo). No es una esfera perfecta, porque su diámetro entre los polos es 21 kilómetros menor que en el ecuador, pero tiene una forma casi esférica. En términos geométricos, la redondez del planeta es el motivo por el que la ruta más larga en la que os podéis embarcar por mar en línea recta tiene esta pinta sobre un mapa:

Si no os lo creéis, aquí tenéis un vídeo donde el autor lo demuestra. (Fuente)

Pero nosotros no podemos experimentar esa redondez en nuestro día a día. Cuando miramos a nuestro alrededor todo parece muy plano hasta donde nuestros ojos desnudos pueden apreciar. La curvatura de la superficie del planeta tan sólo empieza a resultar obvia si nos colocamos en un lugar muyalto o si emprendemos una larga ruta triangular desde el ecuador hasta el polo norte.

Espera, ¿puedo enseñarle la curvatura de la Tierra a un terraplaniense sin levantar los pies del suelo y viajando? ¿Donde hay que firmar?

Bueno, podrías con la motivación y el dinero suficientes.
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¿Giran todas las galaxias en el mismo sentido?

Mike, de la Agrupación Astronómica de Ibiza (aquí su Facebook, que recomiendo seguir por su labor divulgativa), me preguntó hace poco si las galaxias giran todas en el mismo sentido. Aunque parezca mentira, la respuesta a esta pregunta, tan inocente a primera vista, nos puede proporcionar información muy interesante sobre el origen del universo. Más concretamente, saber si la mayoría de las galaxias gira en una dirección concreta nos permitiría deducir si el universo está rotando o no.

Xro k m dise d k l huniberso sta rotando lokoh? k tas fumao jaja

Quédate conmigo hasta el final de la entrada y lo descubrirás, voz cursiva. Empecemos hablando del momento angular.

El momento angular es una magnitud que nos dice la “cantidad” de movimiento rotacional de un objeto o un sistema que… Bueno, que está girando sobre su propio eje o en el que hay algo dando vueltas alrededor de otra cosa. Esta cantidad depende de la velocidad de los objetos implicados y de cómo está distribuida su masa alrededor del eje de rotación (su inercia, que trataré en un momento). Cuanto más rápida y masiva sea una cosa y más lejos se encuentre del eje de rotación, más momento angular tendrá. O poseerá una mayor “cantidad de movimiento rotacional“, que es una expresión más fácil de entender.

E, igual que la energía ni se crea ni se destruye, el momento angular de un sistema se conserva con el tiempo.

A vuestro paso por las clases de física del instituto habréis escuchado/visto unas doscientas mil veces el ejemplo de la patinadora sobre hielo que da vueltas a una velocidad concreta con los brazos estirados y que, en el momento en que acerca los brazos hacia su cuerpo, sin necesidad de hacer ningún otro esfuerzo por su parte, empieza a girar más deprisa.

En este vídeo podréis apreciarlo mucho mejor, si hasta ahora sólo habíais visto este fenómeno en diagramas:

El principal causante de este efecto es la inercia, que viene del latín “inertis“, “falta de vida o de reacción“. Esta propiedad es el equivalente a la “resistencia” que ofrece un objeto al movimiento y depende de su forma y su masa.
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¿Por qué es importante la detección de ondas gravitacionales? Actualización: ¡detección confirmada!

Actualización [11/02/2016]: los responsables del LIGO acaban de confirmar en una rueda de prensa que se ha confirmado la detección de ondas gravitacionales. ¡Tenedlo en cuenta mientras seguís leyendo este artículo, escrito antes de conocer los resultados!

A menos que viváis en una piña debajo del mar, esta semana habréis visto titulares por todos lados anunciando que se han detectado ondas gravitacionales con el Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO).

No, si ya lo he visto, ya. ¿Por qué se empeñan en insistir tanto en noticias que no me importan lo más mínimo?

Pero bueno, voz cursiva, no sales en una entrada y a la siguiente vuelves con la actitud del ácido sulfúrico. Dame un momento para que te explique la importancia de este descubrimiento y te prometo que lo vas a ver con otros ojos.

Venga, va, te doy unos cinco minutos, que hoy llevo mucho lío mirando fotos de gatos por internet.

En primer lugar, parece ser que estas noticias están basadas en un tweet del astrofísico Lawrence Krauss en el que decía que le habían confirmado unos rumores sobre la detección de ondas gravitacionales en el LIGO, pero la propia institución no ha confirmado nada al respecto porque aún necesitan comprobar muchos datos y aún no pueden decir si las han detectado realmente o no. Al parecer, Krauss sólo quería emocionar un poco al público porque, si al final resulta que los resultados eran correctos, más gente sabrá de qué va el tema y más alcance tendrá el anuncio.

Total que, aunque de momento no se ha confirmado, esta noticia podría ser una realidad en un futuro cercano.

Está bien, entonces replanteo mi pregunta: ¿por qué deberá importarme el descubrimiento de las ondas gravitacionales en un futuro cercano?

Muy buena pregunta.

En este artículo que publiqué hace poco hablaba sobre la velocidad a la que se transmite la gravedad y explicaba que, en realidad, la gravedad no es una fuerza que aparece de manera instantánea entre dos cuerpos, como Newton había postulado, sino la una deformación producida por cualquier masa sobre el propio tejido del espacio-tiempo, en el que está contenida toda la materia del universo… O, al menos, eso es lo que predice la teoría de la relatividad de Einstein.

El espacio-tiempo suele representarse como una lámina plana deformada como en la imagen de la izquierda, aunque el fenómeno real sería más parecido a la imagen de la derecha, porque el espacio es tridimensional.

Según la teoría de la relatividad, la deformación del espacio-tiempo provocada por un cuerpo muy masivo debería poder desviar los rayos de luz, algo que una fuerza gravitatoria no podría hacer, porque la luz no tiene masa. Y eso es, precisamente, lo que se observó durante un eclipse en 1919 en el que la posición de las estrellas que rodean el sol cambiaba ligeramente, lo que es una señal de que la teoría de Einstein es una interpretación más precisa de la naturaleza de la gravedad. Explicaba este descubrimiento con más detalle en esta otra entrada sobre la teoría de la relatividad especial y la película Interstellar.

La cuestión es que la teoría de la relatividad de Einstein también predice que, igual que un barco crea olas a su paso mientras navega por el mar, un cuerpo muy masivo que se mueva a través del espacio debería hacer que el tejido espacio-tiempo ondule a su alrededor, generando “ondas gravitacionales. Pero la existencia de estas ondas aún no se ha podido demostrar así que, de llegar a confirmarse su detección, ya no cabría duda de que la teoría de Einstein describe el universo correctamente o, al menos, de que vamos bien encaminados en nuestro periplo por descubrir la naturaleza de la realidad.

Este descubrimiento no sólo nos ayudaría a entender mejor el universo, sino también a mejorar la teoría de la relatividad y hacerla aún más precisa. Pero, además, si aprendemos a detectar y medir ondas gravitacionales tendremos a nuestra disposición una herramienta que nos permitirá estudiar fenómenos que hasta ahora no hemos podido observar directamente.

Me explico.

Para estudiar el universo, analizamos los distintos tipos de luz que llegan hasta la Tierra desde todos los cuerpos que nos rodean (estrellas, planetas, asteroides, nebulosas…) y eso nos permite deducir un montón de cosas de ellos: su distancia, su composición química, su velocidad, si hay planetas dando vueltas a su alrededor en el caso de las estrellas…

Un momento, has dicho “distintos tipos de luz”. ¿De qué estás hablando exactamente?

Ah, bueno, claro, es que la luz visible representa una fracción diminuta de un fenómeno mucho más amplio. En realidad la luz es una forma de radiación electromagnética, un tipo de ondas formadas por un campo eléctrico y uno magnético que oscilan y, dependiendo de la frecuencia de estas oscilaciones, la radiación resultante puede tener unas propiedades muy distintas. Esto lo comentaba con más detalle en esta otra entrada pero, en resumen, existen un montón de “tipos de luz” que nuestros ojos no pueden detectar.

Por ejemplo, el ojo humano puede detectar la radiación electromagnética que realiza estas oscilaciones en espacios de entre 380 y 800 nanómetros (mil millonésimas de metro). Este parámetro es la llamada longitud de onda y nuestros ojos traducen las longitudes de onda mayores como colores más rojizos y las menores como tonos más azulados y violetas. Entre estos límites se encuentran el resto de longitudes de onda que corresponden a los otros colores que somos capaces de distinguir.

Nuestros ojos no pueden detectar la luz que está fuera de estos intervalos. La luz tiene una longitud de onda mayor a 800 nanómetros es la radiación infrarroja, llamada así porque se trata de las longitudes de onda que se encuentran más allá del color rojo en el espectro electromagnético. Lo mismo pasa con las longitudes de onda menores que la del color violeta, la radiación ultravioleta.

O sea, que nuestros ojos son incapaces de detectar una cantidad inmensa de la información que nos rodea, lo que está muy bien para sobrevivir en la naturaleza, pero no basta para estudiarla. Por suerte, podemos detectar todas estas longitudes de onda invisibles utilizando cámaras son capaces de detectarlas y traducirlas a colores somos capaces de observar.

Imagen infrarroja de una serpiente enrollada alrededor del brazo de un humano. (Fuente)

Y esto es estupendo, porque cada tipo de radiación electromagnética nos puede ofrecer mucha información sobre el objeto que la está emitiendo.

Por ejemplo, cuanto más caliente se encuentra un cuerpo, más energética será le energía que emite, lo que se traduce en la emisión de una radiación con una longitud de onda menor. Por ejemplo, el cuerpo humano brilla constantemente… Pero no en luz visible, sino en luz infrarroja. Si aumentas lo suficiente la temperatura de un objeto, empezará a emitir un brillo rojizo cuando alcance unos cientos de grados. A una temperatura aún mayor, el color del objeto se volverá cada vez más azulado y emitirá gran parte de su energía en forma de radiación electromagnética más energética, como luz ultravioleta o rayos X.

Por tanto, analizando qué tipo de energía electromagnética emite un cuerpo celeste, podemos conocer su temperatura y deducir si se trata de una débil estrella enana roja, una gigante azul muy caliente o una estrella de neutrones rodeada de una nube de material a un millón de grados de temperatura, tan caliente que tan sólo emite rayos X.

Además, como los distintos tipos de radiación electromagnética se comportan de manera distinta al interaccionar con la materia, ciertas longitudes de onda nos permiten observar unos fenómenos que otras no nos dejan. Por ejemplo, la luz visible emitida por una estrella que se encuentre detrás de una nebulosa será incapaz de atravesar el gas y el polvo que la componen, así que quedará tapada por completo de nuestra vista. Pero la radiación infrarroja emitida por esa estrella sí que es capaz de atravesar las nubes de gas interestelar, así que si miramos en esa misma dirección con un detector infrarrojo, la nebulosa se vuelve transparente y podemos ver y estudiar esa estrella sin problemas.

Dos imágenes de la nebulosa Carina, tomadas en luz visible e infrarroja. (Fuente)

Vaya, menuda herramienta más útil para estudiar el cielo es esto de las distintas longitudes de onda.

Sí, la verdad es que sí. Pero, aún así, hay cosas que de las que no vamos a poder obtener información mediante ningún tipo de radiación electromagnética.

Un buen ejemplo son los agujeros negros, que no dejan escapar ningún tipo de radiación electromagnética desde su interior porque la singularidad que contienen en su centro está rodeada por una región en la que el espacio-tiempo está tan curvado que ni siquiera la radiación electromagnética, ya sea luz o la correspondiente a cualquier otra longitud de onda, puede escapar. Esta región está delimitada por el llamado horizonte de sucesos y, si queréis saber más sobre agujeros negros, hablaba sobre ellos en esta entrada, esta otra y esta otra.

O sea que, sin radiación electromagnética que provenga de su interior, no tenemos manera de saber qué ocurre tras el horizonte de sucesos de un agujero negro.

Y aquí es donde entraría el descubrimiento de las ondas gravitacionales.

La gran masa concentrada en puntos diminutos de los agujeros negros generará grandes distorsiones en el tejido del espacio-tiempo que las rodea a medida que se mueven a través de él, igual que el paso de un transatlántico producirá olas mucho mayores que el de una lancha. Y estas ondas sí que saldrían del horizonte de sucesos y podrían propagarse por el universo como olas, igual que cualquier otro tipo de radiación electromagnética. Por tanto, si conseguimos detectar las ondas gravitacionales, estas ondulaciones del tejido del espacio-tiempo, podríamos obtener información sobre los agujeros negros que es imposible deducir mediante su observación a través de la radiación electromagnética.

Uala, eso es bastante radical.

Pues agárrate bien los pantalones y túmbate en el suelo, voz cursiva, porque las ondas gravitacionales también podrían ofrecernos información sobre el propio origen del universo.

¿Qué me dices?

Como lo oyes.

Muchos habréis oído que, en realidad, mirar el cielo es como remontarse al pasado. Y es verdad: como la velocidad de la luz es finita, de unos 300.000 kilómetros por segundo, tarda un tiempo en recorrer las distancias que lo separan todo en el universo y que son tan abrumadores que este tiempo pueden ser miles, millones o incluso miles de millones de años. De ahí el término “año luz” para referirse a las distancias espaciales: un año luz equivale a la distancia recorrida por la luz en un año, que son unos 10 billones de kilómetros.

A su vez, el año luz también te dice con cuánto retraso estás viendo ese objeto: la estrella más cerca a la Tierra, Alfa Centauri, se encuentra a 4 años luz de distancia, lo que significa que la observamos tal y como era hace 4 años. Cuanto más lejos esté el objeto, más nos estaremos remontando en el pasado al mirarlo. La galaxia Andrómeda, por ejemplo, a 2 millones de años luz de distancia, la vemos tal y como era hace 2 millones de años.

La galaxia más lejana que se ha observado se encuentra a 13.100 millones de años luz. O sea, que teniendo en cuenta que el universo lleva existiendo unos 13.800 millones de años, hoy en día vemos cómo era esa galaxia 700 millones de años después del Big Bang, lo que nos permite estudiar cómo era el universo “poco” después de su formación.

Pero aquí viene un giro conceptual que responderá a muchas preguntas que me habéis hecho por e-mail (jordipereyra@cienciadesofa.com) sobre el tamaño del universo.

Los objetos tan lejanos como esta galaxia no se encuentran realmente a esas distancias. Esta galaxia que he mencionado no está a 13.100 años luz de la Tierra a día de hoy, sino mucho más lejos, porque durante el tiempo que la luz ha tardado en llegar hasta nosotros, la galaxia se ha estado alejando cada vez más deprisa, alcanzando casi 292.000 kilómetros por segundo en la imagen de ella que vemos en la actualidad, lo que equivale a un 97% de la velocidad de la luz.

Espera, esto me suena un poco raro. Creía que ningún objeto con masa podía acercarse demasiado a la velocidad de la luz porque acelerarlo hasta esas velocidades consumía un montón de energía. ¿Cómo puedes acelerar una galaxia entera a esa velocidad?

Sí, es un concepto un poco raro si te pilla por primera vez. Lo que pasa es que se ha observado que, cuanto más lejos se encuentran dos puntos en el universo, mayor es la velocidad a la que se alejan entre sí Hasta el punto de que se pueden separar incluso a velocidades superiores a las de la luz.

Pese a que lo que mucha gente piensa, que el Big Bang no fue una especie de explosión que lanzó materia volando por los aires en todas direcciones. En realidad, el Big Bang (del que hablaba en esta entrada) fue un proceso de expansión en el que el propio espacio empezó a expandirse rápidamente (y sigue haciéndolo), arrastrando con él toda la materia que contiene. Como no hay ninguna ley física que impida que el propio espacio expanda a la velocidad de la luz, dos galaxias pueden estar alejándose entre sí a velocidades superiores a las de la luz, arrastradas por el tejido del espacio se expande entre ellas.

Se puede entender mejor la situación imaginando que nos arrastra un río: aunque sólo fuéramos capaces de nadar a 1 km/h, por poner una cifra, la corriente nos podría arrastrar a una velocidad mucho mayor de la que somos capaces de alcanzar por nuestros propios medios.

El hecho de que las galaxias muy lejanas se puedan alejar de nosotros a velocidades superiores a las de la luz también delimita el tamaño del universo observable: como mucho, podremos observar regiones del espacio que se estén alejando de nosotros a una velocidad menor a la de la luz y no podemos detectar la luz emitida desde zonas que se alejan a velocidades superiores a las de la luz, porque el espacio que hay entre nosotros se expande más rápido de lo que la luz puede recorrerlo.

Este es el motivo por el que, pese a que el universo tiene tan sólo 13.700 millones de años de edad, el diámetro del universo observable es de 93.000 millones de años luz. Pero, repito, esto no significa que en este momento podamos ver la luz de los objetos que se encuentran a 70.000 millones de años luz, por decir algo, sino que somos capaces de distinguir la luz que emitieron hace mucho tiempo, cuando aún no estaban tan lejos.

El caso es que nos podemos remontar en el pasado y estudiar la historia del universo encontrando objetos cada vez más lejanos, pero nos encontramos con un problema muy gordo que nos impide remontarnos a épocas anteriores a 300.000 años después de la formación del universo: desde el momento en el que se formó hasta entonces, las condiciones extremas del universo primigenio impedían que cualquier forma de radiación electromagnética se moviera por el espacio sin interaccionar con ningún átomo, así que el universo fue opaco durante todo este tiempo. Por tanto, no tenemos a nuestra disposición ninguna fuente de luz que nos permita estudiar el universo “recién nacido”.

Pero las ondas gravitacionales provocadas por la materia en aquella época no se verían afectadas por la “opacidad” del universo, así que hoy en día podríamos seguir detectándolas y nos darían mucha información sobre el universo temprano que, hasta ahora, no teníamos manera de obtener.

Esto es todo lo que te puedo decir sobre las implicaciones que tiene en la astronomía el descubrimiento de las ondas gravitacionales, voz cursiva. ¿Se te ha pasado ya la mala leche?

¿Eh? Ah, perdona, me he puesto a ver vídeos de gatos y no te estaba escuchando.

No sé qué voy a hacer contigo.

En fin, hasta aquí la entrada de hoy… Y aquí viene la publicidad no invasiva de siempre.

Ciencia de Sofá tiene un libro nuevo, “Las 4 fuerzas que rigen el universo“, donde 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 🙂