martes, 4 de octubre de 2011

El Universo es cada vez mayor. La expansión del Universo comenzó con el Big Bang hace 14 mil millones de años, pero se redujo durante los primeros millones de años. Con el tiempo se empezó a acelerar. La aceleración se cree que es impulsado por la energía oscura, que en el inicio constituyo sólo una pequeña parte del universo. Pero a medida que la materia se diluye por la expansión, la energía oscura es más dominante. Créditos: Nobel Foundation.

Escrito en las estrellas
"Algunos dicen que el mundo terminará en fuego;
Algunos dicen que en hielo ... "

¿Cuál es el destino del Universo? Probablemente va a terminar en el hielo, si hemos de suponer. Los Premios Nobel de este año han estudiado cuidadosamente varias docenas de estrellas que explotaronn, llamadas supernovas, galaxias lejanas han concluido que la expansión del Universo se está acelerando.


El descubrimiento fue una sorpresa incluso para los ganadores del Premio Nobel sí mismos. Lo que se vio como lanzar una pelota en el aire y en lugar de tener que volver a bajar, viendo como desaparece más y más rápidamente en el cielo, como si la gravedad no lograba revertir la trayectoria del balón.

Algo similar parecía estar ocurriendo a través de todo el Universo.

La tasa de crecimiento de la expansión implica que el Universo está siendo impulsado por una forma desconocida de energía incorporada en el tejido del espacio. Esta energía oscura constituye una gran parte del Universo, más de 70%, es un enigma, quizás el más grande en la física de hoy. No es de extrañar, entonces, que la cosmología fue sacudida en sus cimientos, cuando dos grupos de investigación presentaron resultados similares en 1998.

Saul Perlmutter dirigió uno de los dos equipos de investigación, el Supernova Cosmology Project, que se inició una década a principios de 1988. Brian Schmidt se dirigió a otro equipo de científicos, que a finales de 1994 puso en marcha un proyecto de la competencia, el equipo de High-Z Supernova Search, en la que Adam Riess jugo un papel crucial.

Los dos equipos de investigación elaboraron un mapa del universo mediante la búsqueda de las supernovas más lejanas, estrellas y explosiones en el espacio. Al establecer la distancia de las supernovas y la velocidad a la que se están moviendo lejos de nosotros, los científicos mantenían la esperanza de revelar nuestro destino cósmico. Esperaban encontrar indicios de que la expansión de la
el universo se estaba ralentizando, lo que llevaría a un equilibrio entre el fuego y el hielo. Lo que encontraron fue todo lo contrario - la expansión se estaba acelerando.

Cosmos es cada vez mayor

No es la primera vez que un descubrimiento astronómico ha revolucionado nuestras ideas sobre el Universo. Sólo hace cien años, el universo era considerado como un lugar tranquilo y pacífico, no más grande que nuestra galaxia, la Vía Láctea. El reloj cosmológico seguía corriendo de forma fiable y constante y el universo era eterno. Pronto, sin embargo, un cambio radical iba a cambiar esta imagen.

A principios del siglo 20 el astrónomo estadounidense Henrietta Swan Leavitt encontró una forma de
medir las distancias a las estrellas lejanas. En ese momento, a  las mujeres se les negaba el acceso a los grandes telescopios, por lo que fueron frecuentemente utilizadas para la engorrosa tarea de analizar las placas fotográficas.

Henrietta Leavitt estudió miles de estrellas pulsantes, llamadas Cefeidas, y encontró que las más brillantes tenia pulsos más largos. Con esta información, Leavitt pudo calcular el brillo intrínseco de las Cefeidas.

Si la distancia de una de las estrellas Cefeidas es conocida, las distancias a otras Cefeidas puede ser
establecidas - el regulador de la luz, cuanto más lejos la estrella. Una vela estándar fiable nació, por primera vez marcando en la vara cósmica que todavía se utiliza hoy en día.

Al hacer uso de las Cefeidas, los astrónomos pronto llegaron a la conclusión de que la Vía Láctea es sólo una de muchas galaxias en el Universo. Y en la década de 1920, los astrónomos pudieron acceder al entonces más grande telescopio del mundo en Mount Wilson en California, por lo que
fueron capaces de demostrar que casi todas las galaxias se se alejan de nosotros. Estaban estudiando el corrimiento al rojo de la llama que se produce cuando una fuente de luz se aleja de nosotros.

Longitud de onda de la luz se estira y cuanto más tiempo se expanda, más rojo es su color. La
conclusión fue que las galaxias están alejándose de nosotros y cuanto más lejos estén, más rápido se mueven - esto se conoce como ley de Hubble.

El universo está creciendo. El ir y venir de la constante cosmológica

Lo que se observó en el espacio ya había sido sugerida por cálculos teóricos. En 1915, Albert Einstein publicó su Teoría de la Relatividad General, que ha sido la base de nuestra comprensión de la Universo desde entonces. La teoría describe un universo que se tiene que reducir o expandir.
Esta inquietante conclusión se llegó a alrededor de una década antes del descubrimiento de la expansión de las galaxias.

Incluso Einstein no podía conciliar el hecho de que el Universo no era estático. Así que para poner fin a esta no deseada expansión cósmica, Einstein añadió una constante a sus ecuaciones que llamó la constante cosmológica. Más tarde, Einstein consideró la inserción de la constante cosmológica como un gran error. Sin embargo, con las observaciones hechas en el período 1997-1998 con las que se conceden este año el Premio Nobel, podemos concluir que la cosmológica constante de Einstein -colocada por las razones equivocadas- en realidad era brillante.

El descubrimiento del universo en expansión era una iniciativa pionera y el primer paso hacia el punto de vista, ahora estándar de que el Universo fue creado en el Big Bang hace casi 14 millones de años, cuando el tiempo y el espacio comenzó entonces.

Desde entonces, el Universo se ha expandido, como pasas en un pastel de pasas hinchándose en el horno, las galaxias se alejan una del otro debido a la expansión cosmológica. Pero, ¿a dónde vamos?

Las supernovas - la nueva medida del Universo

Cuando Einstein se deshizo de la constante cosmológica y se rindió a la idea de un universo no estático, se relaciono a la forma geométrica del universo a su suerte. ¿Es abierta o cerrada, o es algo en medio -un Universo plano-?

Un universo abierto es aquel en el que la fuerza gravitacional de la materia no es lo suficientemente grande como para evitar la expansión del Universo. Toda la materia se diluye en un espacio cada vez más grande, más frío y más vacío. En un lugar cerrado Universo, por otra parte, la fuerza gravitacional es lo suficientemente fuerte como para detener e incluso revertir la expansión. Así el Universo con el tiempo dejaría de expandirse y estaría de nuevo junto en un final caliente y violenta, en un gran Crunch. La mayoría de los cosmólogos, sin embargo, prefiere vivir en el más simple y elegante además de matemático Universo: uno plano, donde se cree que la expansión declina. El universo no  terminaría ni en el fuego ni en el hielo. Pero no hay otra opción. Si hay una constante cosmológica, la expansión continuará acelerándose, incluso si el universo es plano.

Este año, los Premios Nobel esperan medir la desaceleración cósmica, o de cómo la expansión de la Universo se está desacelerando. Su método fue, en principio, la misma que la utilizada por los astrónomos más de seis décadas atrás: localizar las estrellas lejanas y medir cómo se mueven. Sin embargo, es más fácil decirlo que hacerlo.

Desde los días de Henrietta Leavitt muchas Cefeidas se han encontrado otras que están aún más alejadas. Sin embargo, las distancias que los astrónomos necesitan ver, miles de millones de años luz de distancia, donde las Cefeidas ya no son visibles. El criterio cósmico necesario para ser extendido.

Las supernovas - explosiones estelares - se convirtió en el nuevo estándar de las velas. Telescopios más sofisticados en la Tierra y en el espacio, así como de ordenadores más potentes, abrieon la posibilidad en la década de 1990 para añadir más piezas al rompecabezas cosmológico. Cruciales fueron los sensores digitales de imagen sensible a la luz - cargada de acoplamiento de los dispositivos o CCD - la invención por Willard Boyle y George Smith, quienes recibieron el Premio Nobel de Física en 2009.

Las explosión de enanas blancas

La nueva herramienta en la caja de los astrónomos es un tipo especial de explosión de la estrella, la supernova de tipo Ia. Durante un par de semanas, una supernova de este tipo solo puede emitir tanta luz como una galaxia entera. Este tipo de supernova es la explosión de una antigua estrella muy compacta tan pesado como el Sol pero tan pequeña como la Tierra - una blanca enana-. La explosión es el último paso del ciclo de vida de la enana blanca.

Las enanas blancas se forman cuando una estrella tiene una energía no en su esencia, como todo el hidrógeno y el helio se han quemado en las reacciones nucleares. Sólo de carbono y oxígeno siguen siendo. De la misma manera, a lo lejos en el futuro, cuando nuestro Sol se desvanezca y se enfríe, llegará a su fin como una enana blanca.

Un final mucho más emocionante es la espera de una enana blanca que forma parte de un sistema estelar binario, que es bastante común.

En este caso, la fuerte gravedad de la enana blanca roba la estrella compañera de su gas. Sin embargo, cuando una enana blanca ha crecido a 1,4 masas solares, ya no se las arregla para mantenerse unida. Cuando esto sucede, el interior de la enana se vuelve lo suficientemente caliente que las reacciones de fusión fuera de control empiezan y la estrella se destroza en cuestión de segundos.

Los productos de la fusión nuclear emite una radiación fuerte que aumenta rápidamente durante las primeras semanas después de la explosión, sólo para disminuir en los meses siguientes. Así que no hay prisa para encontrar supernovas -las violentas explosiones son breves-. A través del universo visible, una decena de supernovas de tipo Ia se producen cada minuto. Sin embargo, el Universo es enorme. En una galaxia típica sólo una o dos explosiones de supernova se producen dentro de mil años. En Septiembre de 2011, tuvimos la suerte de observar una supernova en una galaxia cercana a la Osa Mayor, visible sólo a través de un par de binoculares regular. Pero la mayoría de las supernovas están mucho más lejos y por lo tanto más tenue. Así que de ¿Dónde y cuándo se mira en el dosel del cielo?

Una conclusión sorprendente

Los dos equipos que compiten sabía que tenía que peinar el cielo de supernovas lejanas. El truco consistía en comparar dos imágenes de la misma pieza pequeña del cielo, que corresponde a una miniatura con el brazo extendido.

La primera imagen tiene que ser tomada inmediatamente después de la luna nueva y la segunda tres semanas después, antes de los pantanos de la luna a luz de las estrellas. A continuación, las dos imágenes se pueden comparar con la esperanza de descubrir un pequeño punto de luz - un pixel
entre otros, en la imagen CCD - que podría ser un signo de una supernova en una galaxia muy lejana.

Sólo las supernovas de más de un tercio del camino a través del universo visible se utilizan, con el fin de eliminar las distorsiones locales.

Los investigadores trataron con muchos otros problemas. Las supernovas Tipo Ia no son tan confiables como inicialmente parecían - los más brillantes explosiones se desvanecen más lentamente. Por otra parte, la luz de las supernovas es necesario que se extraiga de la luz de fondo de sus galaxias anfitrionas. Otra tarea importante consiste en obtener el brillo adecuado. El polvo intergaláctico entre nosotros y las estrellas afecta la visión. Esto afecta a los resultados
al calcular el máximo brillo de las supernovas.

Perseguir supernovas es un reto no sólo de los límites de la ciencia y la tecnología, sino también de la logística. En primer lugar, el tipo de supernova se tenía que encontrar. En segundo lugar, su desplazamiento hacia el rojo y el brillo se va a medir.

La curva de luz tenía que ser analizada a través del tiempo con el fin de poder compararlo con otras supernovas al mismo tipo de distancias conocidas. Esto requiere una red de científicos que puedan decidir con rapidez si una estrella en particular es un digno candidato para la observación. Tenían que ser capaz de cambiar entre los telescopios y tienen tiempo de observación en un telescopio concedió sin demora, un procedimiento que generalmente toma meses.

Tenían que actuar rápido porque se desvanece rápidamente supernova. A veces, las dos equipos compiten discretamente cuando se cruzan los caminos.

Los peligros potenciales habían sido numerosos, y los científicos realmente se tranquilizan con el hecho de que se había llegado a los sorprendentes resultados: en definitiva, se encontraron algunas supernovas distantes, cuya luz 50 parecía más débil de lo esperado. Esto era contrario a lo que había imaginado. Si la expansión cósmica ha ido perdiendo velocidad, las supernovas debían ser más brillantes. Sin embargo, las supernovas se fueron desvaneciendo a medida que se llevaron a
más rápido y lejos más rápido, incrustados en las galaxias. La sorprendente conclusión es que la expansión de la Universo no se está desacelerando - muy al contrario, se está acelerando.

De aquí a la eternidad

Entonces, ¿qué es lo que está acelerando el Universo? Se llama energía oscura y es un reto para la física, un enigma que nadie ha podido resolver todavía. Varias ideas han sido propuestas. La más sencilla es volver a introducir la constante cosmológica de Einstein, una vez rechazada. En ese momento, él insertó la constante cosmológica como una fuerza anti-gravedad para contrarrestar la fuerza gravitatoria de la materia y así crear un universo estático.

Hoy en día, la constante cosmológica parece la que hace que la expansión del universo se acelere.
La constante cosmológica es, por supuesto, constante, y como tal no cambia con el tiempo. Energía  oscura se convierte en dominante cuando la materia, y por lo tanto su gravedad, se diluye debido a la expansión del Universo. Según los científicos, explicar por qué la constante cosmológica entró
la escena tan tarde en la historia del Universo, sólo cinco o seis millones de años más tarde. Por ese tiempo, la la fuerza gravitacional de la materia se había debilitado lo suficiente en relación con la constante cosmológica. Hasta entonces, la expansión del Universo se había frenado.

La constante cosmológica podría tener su origen en el vacío, espacio vacío que, de acuerdo con la física cuántica, no es nunca completamente vacío. En su lugar, el vacío es una sopa de burbujas cuánticas virtual compuesta de partículas de materia y antimateria que dan lugar a la energía. Sin embargo, la más simple de estimación de la cantidad de la energía oscura no se corresponde en absoluto a la cantidad que se ha medido en el espacio, que es aproximadamente 10.120 veces más grande (1 seguido de 120 ceros).

Es posible que la energía oscura no sea constante, después de todo. Tal vez cambie en el tiempo. Tal vez un campo de fuerza desconocida sólo de vez en cuando genere la energía oscura. En la física hay muchos campos de fuerza que en conjunto van por la quintaesencia de su nombre, después de que el nombre griego para el quinto elemento. La quinta esencia podría acelerar el Universo, pero
sólo a veces. Eso haría imposible prever el destino del Universo.

Cualquiera que sea la energía oscura, que parece haber llegado para quedarse. Se ajusta
muy bien en el rompecabezas que los físicos y astrónomos han estado trabajando durante mucho tiempo. De acuerdo al concenso, alrededor de tres cuartas partes de la Universo consisten en energía oscura. El resto es materia. Sin embargo, la materia ordinaria, la materia de las galaxias, las estrellas, los seres humanos y las flores están hechas, sólo por el cinco por ciento del Universo. La materia restante se llama materia oscura y se oculta hasta el momento de nosotros.

La materia oscura es otro misterio en la gran cosmos desconocido. Al igual que la energía oscura, la materia oscura es invisible. Así que sabemos de ambas sólo por sus efectos - está empujando una, la
otra es tirar. Ellos sólo tienen el adjetivo "oscuro" en comunes.

Por lo tanto los resultados de los Premios Nobel 2011 en física han ayudado a dar a conocer un universo que es el 95% desconoce para la ciencia. Y todo es posible de nuevo.

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