Astrónomos descubren una galaxia masiva compuesta por materia oscura

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Un equipo de astrónomos ha encontrado una galaxia cercana –en la constelación de Coma– que tiene una masa muy similar a la que tiene nuestra galaxia la Vía Láctea, pero contiene menos del 1% de sus estrellas.

La galaxia encontrada emite energía de forma muy débil y ha evadido ser detectada durante décadas. Ahora, el equipo que está detrás del descubrimiento tratan de descifrar cómo es que su falta de estrellas no ha hecho que esta galaxia desaparezca. Una de las conclusiones a las que han llegado es que está formada por 99,99% de materia oscura.

Se estima que la materia oscura conforma el 27% de toda la materia y la energía que se puede observar en el universo. De ella podemos inferir su existencia debido a que detectamos solamente su fuerza gravitatoria, mientras que no podemos detectar alguna forma de luz o radiación.

A pesar de todos los años que se han investigado, no tenemos hasta ahora ninguna idea qué es realmente la materia oscura. Sólo sabemos que esta materia invisible es crucial para la estabilidad del universo.

Las galaxias giran tan rápido que únicamente por la fuerza de gravedad nos podemos explicar el hecho de que permanezcan unidas y cohesionadas. Algo más debe de estar sujetándolas, algo más que también mantiene a la estructura del universo mismo cohesionada. Una de las respuestas que dan los científicos a esta realidad, es precisamente, la existencia de materia oscura.

De hecho, el Modelo Estándar de la Cosmología sugiere que existe mucha materia oscura en el Universo donde por cada gramo de átomo que existe, hay al menos cinco veces más de materia oscura.

Ahora los científicos han encontrado una galaxia que está hecho casi completamente por esta materia.

Llamada “Dragonfly 44”, la galaxia fue descubierta en 2014, cuando un equipo de astrónomos, utilizando el Observatorio Keck  y el Telescopio Gemini norte situado en Manuakea, Hawaii, localizó un gran número de galaxias  denominadas“mullidas” o “suaves” en una región llamada el “Cúmulo Coma”, que se encuentra a unos 320 millones de años luz.

“Si la Vía Láctea es un mar de estrellas, entonces estas nuevas galaxias descubiertas son como jirones de nubes”, afirma uno de los investigadores, Pieter van Dokkum de la Universidad de Yale.

“Nos estamos haciendo algunas primeras ideas de cómo se formaron y es notable que hayan sobrevivido”, añade el investigador.

“El descubrimiento se enmarca por una región bastante densa y violenta del espacio llena de materia oscura y galaxias zumbando alrededor, por lo que creemos que deben estar envueltas en su propio escudo de materia oscura que las protege de un asalto intergaláctico”.

Ahora van Dokkum y su equipo han tenido la oportunidad de poner a prueba sus hipótesis y averiguando la masa de “Dragonfly 44” afirman que tienen suficiente evidencia para sugerir que realmente la materia oscura realmente está uniendo o “pegando” la galaxia entera.

Los científicos midieron también la velocidad de las estrellas en “Dragonfly 44” durante 33.5 horas durante un periodo de seis noches, y han utilizado esta información para calcular la masa completa de la galaxia en cuestión.

Un incremento en la velocidad de un objeto producirá que este incremente su energía de movimiento y por lo tanto su masa, lo que significa que entre más rápido vayan estas estrellas, más masiva será la galaxia en la que se encuentran.

Habiendo medido la velocidad de las estrellas de “Dragonfly 44” a una velocidad de 47 kilómetros por segundo, el equipo a podido calcular que es alrededor de 1 trillón de veces más masivo que el Sol, bastante más pesado para mantenerse unido sin la presencia de la materia oscura que es la que en realidad ayuda a esta galaxia a permanecer cohesionada.

“El movimiento de las estrellas te dice cuánta materia hay ahí”, afirmó van Dokkum en una entrevista concedida al periodista Avery Thompson de la revista Mecánica Popular, donde también ha señalado que “no les importa la forma que tiene la materia, simplemente nos está diciendo que está ahí. Utilizando el Telescopio Keck, encontramos muchísima más masa señalada por el movimiento de las estrellas que la masa que en realidad hay ahí producto de la presencia de esas estrellas”.

Habiendo estimado que la galaxia necesita estar formada por 99,99 % de materia oscura para permanecer intacta, el equipo ha encontrado oficialmente la galaxia más oscura de que hasta hoy se tengan noticias, ya que una galaxia muy parecida fue encontrada hace unos años en el llamado Cúmulo de Virgo con un 99,96% de materia oscura.

Este descubrimiento, a pesar de lo maravilloso que resulta, produce más preguntas que respuestas. Ahora mismo, todo candidato potencial para ser considerado materia oscura, ha fallado para producir suficiente evidencia para explicar de qué está hecho y, hasta ahora, las únicas galaxias formadas por materia oscura que hoy conocemos han sido muy pequeñas.

“Dragonfly 44” es grande, y nadie puede saber ahora cómo pudo hacerse tan grande, y permanecer grande, con tan poca materia visible.

“Es difícil argüir o estar en desacuerdo con las últimas observaciones, sin embargo, la conclusión a la que llega este trabajo va en contra de mi entendimiento sobre cómo se forman las galaxias”, afirma la astrónoma de la Universidad de Yale, Marla Geha, quien, por cierto, no estuvo implicada en el descubrimiento.

Geha también afirma que “yo espero que estos objetos sean más bien raros y que solamente se formen en ambientes especiales como los cúmulos densos de galaxias, de otra forma tendremos que reescribir la historia de cómo se forman las galaxias”, concluye.

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Traducido y editado por Julio Moll. 

Referencia: http://www.sciencealert.com/astronomers-have-discovered-a-massive-ghost-galaxy-that-s-99-99-percent-dark-matter

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Un físico ha logrado simular un agujero negro en el laboratorio, haciendo una versión de la radiación de Hawking

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Después de todo, los agujeros negros finalmente no son tan negros como se creía. Al menos eso es lo que ha intentado demostrar un científico a partir de la simulación de estos majestuosos sumideros cósmicos.

Hace 40 años, el físico inglés Stephen Hawking predijo que los agujeros negros finalmente emiten radiación y son capaces  de evaporarse después de un cierto periodo de tiempo.

Después de siete años de un trabajo constante en solitario, Jeff Steinhauer, un físico experimental del Instituto de Tecnología de Israel en Halifa, ha creado un hoyo negro artificial que es capaz de emitir la llamada radiación de Hawking, a través de fluctuaciones cuánticas que emergen a partir del experimento que llevó a cabo.

Es prácticamente imposible observar la radiación de Hawking en un verdadero agujero negro, y experimentos previos con agujeros negros artificiales no han podido demostrar que éstas fluctuaciones cuánticas puedan existir, de tal suerte que el experimento que acaba de llevar a cabo Stenhauer sería el primero en su tipo en demostrar que esta radiación realmente existe (o no).

El autor del trabajo también sostiene que crear simulaciones de agujeros negros deben ayudar a resolver algunos de los dilemas que el fenómeno produce para otras teorías, como la llamada “paradoja de la información de los agujeros negros”; teoría que podría ayudar a unir la mecánica cuántica con una teoría sobre la gravedad.

Algunos físicos están impresionados por los nuevos resultados, aunque advierten que estos no son completamente claros. De hecho, algunos de ellos llegan a dudar de si creando agujeros negros en el laboratorio, estos pueden realmente simular a un agujero negro real. “Este experimento es realmente asombroso”, afirma Silke Weinfurtner, un físico teórico experimental de la Universidad de Nottingham en Inglaterra, quien señala también que “este experimento no prueba que la radiación de Hawking existe alrededor de agujeros negros”.

Fue a mediados de los años 70 que Hawking, un físico teórico de la Universidad de Cambridge, descubrió que el horizonte de sucesos de un agujero negro –una superficie donde nada, incluida la luz, puede escapar– tendría consecuencias tan peculiares para la física.

Su punto de partida fue que la aleatoriedad de la teoría cuántica descarta la existencia de verdadera nada. Aún la región más vacía del espacio está repleta de fluctuaciones en campos de energía, causando que pares de fotones aparezcan de forma continua, para luego destruirse mutuamente. Estos fotones virtuales podrían convertirse en verdaderas partículas si el horizonte de sucesos los separa antes de que se aniquilen el uno al otro. Uno de los fotones caería en el horizonte de sucesos y el otro escaparía en el espacio.

Esto, mostró Hawking, causa que los agujeros negros emitan radiación y finalmente entrarían en un proceso de contracción y, finalmente, desaparecerían, ya que la partícula que cae dentro del agujero tiene energía negativa que agota el agujero negro. Más controversial es el hecho de que Hawking sugiera que la desaparición de un agujero negro destruiría toda la información sobre objetos que caen dentro éstos, contradiciendo así la sabiduría popular que afirma que toda la información en el Universo permanece constante.

A principios de los años 80, el físico Bill Unurh de la Universidad de British Columbia en Vancuver, Canadá, propuso una manera de probar algunas de las predicciones de Hawking. Él imaginó un medio que experimentaba movimiento de aceleración, como el agua aproximándose a una caída o cascada. Como sucede con un nadador que llega a un punto donde él no puede nadar lo suficientemente rápido para escapar de la fuerza que produce la caída de agua en una cascada, las ondas de sonido que han pasado el punto en el que se supera la velocidad del sonido tampoco son capaces de moverse en contra de la corriente de agua. Unruh predijo que este punto es equivalente a un horizonte de eventos de un agujero negro, y esto debería de producir una forma de sonido de la radiación de Hawking.

Por otra parte, lo que hizo Jeff Steinhauer fue implementar la idea de Unruh en una nube de átomos de rubidio que congeló a una fracción de temperatura sobre el cero absoluto que es de -273 grados bajo cero. Contenida en una trampa con la forma de un cigarrillo de algunos milímetros de longitud, los átomos entraron en un estado cuántico llamado condensado Bose-Einstein (BEC), en donde la velocidad del sonido era solo de la mitad de un milímetro por segundo. Steinhauer creó un horizonte de sucesos acelerando los átomos hasta que algunos estuvieron viajando a más de 1mms-1: una velocidad supersónica para el condensado.

A esta temperatura ultra fría, el BEC sufre solo fluctuaciones cuánticas débiles que son similares a aquellas que se producen en el vacío del espacio. Y esto debe producir paquetes de sonido llamados “fonones”, algo parecido a lo que sucede cuando el vacío produce fotones (las partículas de la luz). Las partículas compañeras se deben de separar unas de otras, con un compañero del lado supersónico del horizonte y el otro formando la llamada radiación de Hawking.

En un lado de este evento de horizonte de sucesos, donde los átomos se mueven a velocidades supersónicas, los “fonones” quedan atrapados. Y cuando Steinhauer tomó fotografías del BEC, encontró correlaciones entre las densidades de los átomos que estaban a igual distancia del horizonte de sucesos pero en lados opuestos. Esto demostró que pares de fotones estaban entrelazados: un signo de que se originaron de forma espontánea de las mismas fluctuaciones cuánticas y que de esta manera el BEC produjo radiación de Hawking.

Por el contrario, la radiación que observó en una versión anterior del experimento debió de haber activado en lugar de emerger por si mismo del BEC, mientras que un experimento anterior en las ondas de agua dirigido por Unruh y Weinfurtner no intentó mostrar efectos cuánticos.

Así como los agujeros negros no son tan negros, los agujeros negros acústicos de Steinhauer no están completamente en silencio. Su sonido, si fuera posible escucharlo, podría asemejarse al ruido estático que podemos escuchar en una radio mal sintonizada.

Si los resultados de Stenhauer fueran confirmados, sería un triunfo para Hawking, quizá un descubrimiento de la misma importancia que el descubrimiento del Bosón de Higgs.

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Traducido y editado por Julio Moll. 

Referencia: http://www.nature.com/news/artificial-black-hole-creates-its-own-version-of-hawking-radiation-1.20430

Los agujeros de gusano de la película Interestelar

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por Julio García. Uno de los planteamientos que más asombro ha causado en aquellos que hemos visto la película Interestelar, dirigida por Christopher Nolan y que se estreno en México apenas este mes de noviembre, es el hecho de que el tiempo se hace más lento cuando nos acercamos a objetos cuya fuerza de gravedad es tan poderosa, que es capaz de impedir que la luz pueda escapar de ellos.

La primera pregunta que nos haremos es: ¿por qué la luz no puedo escapar de las fauces de un agujero negro y sí de un cuerpo tan diminuto  como la Tierra? La respuesta es que la luz puede escapar de la Tierra porque su campo gravitatorio es muchísimo menos intenso que el campo de gravedad que ejerce un agujero negro. Por ejemplo, para que una nave pueda escapar del campo de gravedad de la Tierra se requiere que viaje a unos 11 km/s mientras que si quisiera escapar de un hoyo negro tendría que viajar a 300,000 km/s: exactamente la velocidad de la luz.

Otro de los planteamientos de Albert Einstein es que la la gravedad deforma el espacio tiempo en el que se encuentra, por lo tanto, el espacio estará mucho más deformado en el lugar que ocupa un agujero negro que en el que esté ocupado por un cuerpo como Júpiter o la propia Tierra que tiene proporciones de tamaño mucho menores.

Esta deformación, este cambio de estructura en el tejido del espacio tiempo,que podría ser imaginado como una gran campa elástica, es lo que provoca que la luz también se deforme cuando pasa cerca de un objeto tan masivo como un agujero negro.

Tal vez lo más interesante de todo es que no únicamente la luz se deforma, sino también el propio tiempo. En este sentido, nuestro universo está formado por cuatro dimensiones: tres de espacio (ancho, altura y profundidad) y una dimensión más que es el tiempo. El tiempo es visto, así, como una unidad más, como un elemento que se puede alterar en función del lugar en donde nos encontremos. De hecho esta noción del tiempo como elemento que se deforma puede ser comprobado empíricamente con el hecho de que un reloj que funcione en la Tierra irá más lento que uno que esté fuera de la atmósfera. Gracias a este planteamiento se ha podido comprobar que los sistemas de posicionamiento global (GPS) que se encuentran en el espacio están desincronizados con respecto a los mismos sistemas que se encuentran en la superficie de la Tierra. La desincronización, afortunadamente, es de apenas unas milésimas de segundo.

En este sentido, la idea básica de la Relatividad es, pues, decirnos que una persona que se encuentre cerca de un agujero negro –como lo hacen los científicos de la película que son llevados a través de un agujero de gusano a otra galaxia en busca de un planeta parecido a la Tierra para tratar de salvar a la especie humana de su propia extinción- envejecerá de forma mucho más lenta que una persona que se encuentre en la superficie de la Tierra. El hecho de envejecer más lentamente es producto de que el tiempo en nuestro planeta corre más rápido que cerca de la superficie de un agujero negro, de tal suerte que un minuto para una persona que esté cerca de un agujero negro representarán unos diez años para una persona que esté viviendo en la superficie de nuestro planeta.

Otro de los asuntos que se abordan en la película, utilizando efectos especiales verdaderamente maravillosos, es la posibilidad de viajar por el espacio interestelar a través de los agujeros de gusano, también conocidos como puentes Einstein-Rosen. Estos puentes surgen como consecuencia del establecimiento de la propia teoría de la Relatividad y mediante ellos se define que la materia, una nave espacial, por ejemplo, puede viajar de un punto a otro del universo a través de un camino muy corto. De hecho, los expedicionarios de la cinta viajan a través de Gargantúa (nombre ficticio del agujero de gusano por el que entran) para llegar a otra galaxia que se encuentra a varios miles de años luz, pero a la que logran llegar en tan solo unos cuantos minutos. El hecho de que una nave espacial o un objeto masivo viaje a través de un agujero de gusano es tan solo ficción, porque en la realidad dicho objeto se desintegraría tan solo al momento de traspasar el horizonte de sucesos del agujero. Al horizonte de sucesos podríamos representarlo como una membrana que divide al espacio exterior de lo que sucede dentro de un agujero negro. Todo lo que cae en este espacio es literalmente triturado y descompuesto. Pero algunos teóricos como Stephen Hawking han llegado a afirmar que los agujeros negros no son tan negros y que de ellos puede escapar algún tipo de radiación desconocida. Esta teoría del físico inglés no está aún comprobada.

Agujero de Gusano que une dos regiones del espacio-tiempo.

Lo que sí establece la teoría real es que los agujeros negros son producto de las explosiones de las estrellas. Por ejemplo, si una supergigante roja explota y envía al exterior gran cantidad de material, es muy probable que se convierta en una estrella de neutrones. Y si se comprime más puede llegar a convertirse en un agujero negro en el que, como hemos dicho, ni la luz ni cualquier forma de radiación puede escapar. Creemos que un agujero de gusano se podría formar cuando dos agujeros negros se unen a través de estos puentes Einstein-Rosen y que podrían unirse a través de una quinta dimensión que podría ser completamente desconocida para nosotros. En esta quinta dimensión el tiempo sería visto como una unidad, esto quiere decir que no habría una sucesión de hechos como sucede en la realidad, sino que el tiempo sería uno solo en donde los eventos sucederían todos al mismo tiempo.

¿Es esta quinta dimensión pura especulación? Evidentemente sí ya que hasta ahora nadie sabe que sucede dentro de un agujero negro y, mucho menos, en los hipotéticos puentes Einstein-Rosen que son pura ciencia ficción.

Recrean el universo en el laboratorio

 

Un equipo internacional de astrónomos ha creado la simulación visual más completa de cómo evoluciona el universo.

El modelo computacional muestra cómo se formaron las primeras galaxias alrededor de una sustancia invisible llamada materia oscura.

Esta es la primera vez que el universo ha sido modelado de manera tan puntual y con resoluciones tan altas. Ya, desde hace más de 20 años, los cosmólogos se han dedicado a crear modelos de cómo evolucionó el cosmos, pero esta es la primera vez que se logra un modelo donde se pueden distinguir diferencias en cuanto a la forma de las galaxias, además de que se logra reproducir cómo se creó la materia ordinaria a partir de grandes explosiones de materia oscura a la hora en que ésta fue succionada por agujeros negros.

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La imagen de la izquierda es una fotografía del universo profundo tomada por el telescopio Espacial Hubble, mientras que, la de la derecha es producto de la simulación por computadora. Como se puede observar, no hay diferencias entre una y otra.

En el modelo, la materia oscura se aprecia como las ramas de inmensos árboles. Conforme fueron pasando los millones de años, la materia oscura comenzó a formar inmensos racimos que le dieron vida a las primeras galaxias.

Luego comenzó a surgir lo que no es materia oscura, que no es otra cosa que la materia ordinaria: aquella que la vida a las estrellas, los planetas y, por supuesto, a los seres humanos.

De acuerdo con el astrofísico Mark Vogelsberger, del Instituto de Tecnología de Massachussetts, quien encabezó el estudio, la simulación respalda muchas de las teorías cosmológicas actuales.

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La simulación también ha sido capaz de captar detalles con gran resolución de las galaxias, como aquí se muestra.

“Muchas de las galaxias simuladas coinciden muy bien con las galaxias en el universo real. Nos dicen que el conocimiento básico del universo es ahora correcto y completo”.

En particular, apoya la teoría de que la materia oscura es el andamio en el que el universo visible se sostiene.  En este sentido, “si no incluyes a la materia oscura en esta simulación no parecerá que el universo que estamos representando sea real”, sostiene.

De hecho, esta es la primera vez que se puede observar cómo emerge la materia visible a partir de la materia oscura.

También ayudará a los cosmólogos a entender mejor otra fuerza misteriosa llamada energía oscura que está produciendo que el universo se expanda cada vez a mayor velocidad.

El trabajo sobre la simulación ha aparecido publicado en la revista Nature.

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Traducido y editado por Julio García.

Referencias: BBC, http://www.esmateria.es

 

El vacío cuántico le da poder a la energía oscura para que el universo se expanda

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Los cosmólogos creen que algo así como tres cuartas partes del Universo están hechas de una misteriosa energía oscura la cual explicaría la expansión acelerada que tiene el cosmos. 

Pese a que desconocen todavía de que está formada esta fuerza, presentan algunas soluciones. Una de estas soluciones tiene que ver con la quintaesencia, que es agente invisible, gravitatorio, que en lugar de atraer los objetos tiende a repelerlos y esto hace que la expansión del universo sea acelerada. Desde el mundo clásico y hasta la Edad Media, este término se ha referido al éter o al quinto-elemento de la naturaleza junto a la TIerra, el Fuego, el Agua y el Aire. Otra posibilidad es la presencia de energía o de un campo invisible cuya densidad se incrementa con el tiempo causando una exponencial aceleración cósmica.

De todo esto se sabe también que la velocidad de expansión podría alcanzar velocidades tan grandes, en el futuro, que serían capaces de romper las fuerzas nucleares de los átomos, y con esto, llegaría el fin del Universo en unos 20,000 millones de años. 

Ahora, científicos de la Universidad de Barcelona y de la Academia de Atenas han utilizado los mismos datos de satélite para demostrar que para comprender el comportamiento de la energía oscura, para que pueda existir, no es necesario recurrir a la quintaesencia o a la energía fantasma.

“Nuestro estudio teórico demuestra que la ecuación del estado de la energía oscura puede puede simular un campo de quintaesencia, sin serlo en realidad, de tal manera que cuando vemos estos efectos en las observaciones que han realizado los satélites WMAP y Planck, lo que estamos viendo es en realidad un espejismo”, afirma Joan Solá, uno de los autores, de la Universidad de Barcelona.

Añade que “lo que nosotros pensamos que está sucediendo es un efecto dinámico del vacío cuántico, un parámetro que podemos calcular”.

Hay que mencionar también que el concepto de vacío cuántico no tiene que ver con la clásica noción de nada absoluta, de ahí que este investigador se atreva a afirmar que “nada está más lleno que el vacío”. 

También proponen que la energía oscura es un tipo de energía vacío-dinámico-cuántico que actúa en la aceleración del universo. Esta propuesta contradice el modelos estático o la llamada constante cosmológica.

En conclusión, y de acuerdo con lo que los autores de este estudio proponen, la explicación de la existencia de un vacío cuántico dinámico es la más simple y natural si la compramos con las otras teorías que se han propuesto sobe el tema.  

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Traducido y editado por Julio García.

Referencia: Daily Galaxy.