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Físicos exploran la posibilidad de vestigios de un universo previo al Big Bang

La Teoría del Big Bang es la más conocida y la más aceptada explicación para el principio y evolución del universo, pero los científicos todavía no están completamente seguros de ello.

El físico brasileño Juliano Cesar Neves es parte de un grupo de investigadores que se atreven a imaginar un origen diferente. En un estudio recientemente publicado en la revista Teoría General y Gravitación, Neves sugiere la eliminación de un elemento fundamental del modelo standard cosmológico: la necesidad de una singularidad del espacio-tiempo conocido como el Big Bang.

Al plantear esta posibilidad, Neves desafía la idea de que el tiempo tuvo un comienzo y reintroduce la posibilidad de que la actual expansión estuviera precedida por una contracción, “Yo creo que el Big Bang nunca sucedió”, afirma el físico, quien trabaja como investigador en el Instituto de Matemáticas, Estadística y Computación Científica de la Universidad de Campinas, en el estado de Sao Paulo, Brasil.

Para Neves, la etapa de expansión rápida espacio-temporal no excluye la posibilidad de una primera fase de contracción. Además, el cambio de contracción a expansión puede no haber destruido todos los vestigios de la fase anterior.

El artículo, que refleja el trabajo desarrollado bajo el Proyecto Temático “Física y geometría del espacio-tiempo”, considera las soluciones a las ecuaciones de la relatividad general que describen la geometría del cosmos y luego propone la introducción de un “factor de escala” que hace que la tasa en la cual el universo se expande no solo dependa del tiempo sino también de la “escala cosmológica”.

“Para medir la velocidad a la que el universo se está expandiendo con la cosmología estándar en la que hay un Big Bang, se usa una función matemática que depende solo del tiempo cosmológico”, dijo Neves, quién elaboró la idea con el profesor Alberto Vázquez.

Con el “factor de escala”, el Big Bang mismo, una singularidad cosmológica, deja de ser una condición necesaria para que el cosmos comience la expansión universal. Un concepto de las matemáticas que expresa indefinición, el término “singularidad”, fue utilizado por los cosmólogos para caracterizar el estado cosmológico primordial que existía hace 13,800 millones de años, cuando toda la materia y la energía estaba comprimida en un estado de densidad y temperatura infinitas, donde las leyes tradicionales de la física ya no se aplican.

La teoría del Big Bang tiene sus orígenes a finales de la década de 1920 cuando el astrónomo estadounidense Edwin Hubble descubrió que casi todas las galaxias se alejan unas de otras a velocidades cada vez más rápidas.

Desde la década de 1940 en adelante, los científicos guiados por la teoría general de la Relatividad de Einstein construyeron un modelo detallado de la evolución del universo desde el Big Bang. El modelo podría conducir a tres resultados posibles: la expansion infinita del universo a velocidades cada vez más altas; el estancamiento de la expansión de forma permanente; o un proceso invertido de retracción causado por la atracción gravitatoria ejercida por la masa del universo, conocida como Big Crunch.

“Eliminar la singularidad o el Big Bang trae de vuelta el universo que rebota en la etapa teórica de la cosmología. La ausencia de una singularidad al comienzo del espacio-tiempo abre la posibilidad de que los vestigios de una fase de contracción anterior puedan haber resistido el cambio de fase y aún así estar con nosotros en la expansión en curso del universo”, afirma Neves.

Neves conceptualiza que la “cosmología del rebote” tiene su origen en la hipótesis de que el Big Crunch cedería el paso de una sucesión eterna de universos, creando condiciones extremas de densidad y temperatura para instigar una nueva inversión en el proceso, dando paso a la expansión en otro rebote.

 

Vestigios de contracción.

Los agujero negros son el punto de partida de las investigaciones de Neves sobre un hipotético “universo de rebote”.

“¿Quién realmente sabe? puede haber restos de agujeros negros en la expansión en curso que datan de la fase de contracción anterior y pasaron intactos a través del cuello de botella producido por el rebote”, dice.

Consistente en el núcleo implosionado que queda después de la explosión de una estrella gigante, los agujeros negros son una especie de objeto cósmico cuyo núcleo se contrajo para formar una singularidad en el espacio-tiempo, un punto con densidad infinita y la fuente de atracción gravitatoria más fuerte jamás vista. Nada se puede escapar de esta atracción, ni siquiera la luz.

De acuerdo con Neves, un agujero negro no es definido por una singularidad, sino más bien por un horizonte de sucesos: una membrana que indica el punto de no retorno del que nada escapa al inexorable destino de ser devorado y destruido por la singularidad,
“Fuera del horizonte de sucesos de un agujero negro regular, no hay cambios importantes, pero dentro de él, los cambios son profundos. Hay un espacio-tiempo diferente que evita la formación de una singularidad”, afirma el investigador.

El factor de escala formulado por Neves y Saa estuvo inspirado por el físico de los Estados Unidos James Bardeen. En 1968, Bardeen utilizó un truco matemático para modificar la solución a las ecuaciones de la Teoría General de la Relatividad, la cual describe los agujeros negros.

El truco consistía en pensar en la masa del agujero negro no como una constante, como había sido el caso anterior, sino como una función que depende de la distancia al centro del agujero negro. Con este cambio, un agujero negro diferente, denominado agujero negro regular, emergió a la solución de las ecuaciones. “Se permiten los agujeros negros regulares, ya que no violan la Relatividad General. El concepto no es nuevo y ha sido revisado con frecuencia en las últimas décadas”, dice Neves.

Dado que la inserción de un truco matemático en las ecuaciones de la Relatividad General podría evitar la formación de singularidades en los agujeros negros regulares, Neves consideró crear un artificio similar para eliminar la singularidad en un rebote regular.

En la ciencia moderna, una teoría no tiene valor si no se puede verificar, por bella e inspiradora que sea. ¿Cómo se prueba la hipótesis de un Big Bang que no comenzó con una singularidad? Buscando rastros de los eventos en una fase de contracción que pueden haber permanecido un la fase de expansión en curso. Los candidatos incluyen remanentes de agujeros negros de una fase previa de contracción universal que puede haber sobrevivido al rebote.

 

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Traducido y editado por Julio García

Referencia: https://phys.org/news/2017-11-physicist-explores-possibility-vestiges-universe.html

 

 

 

 

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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

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.

 

Descubren un rápido y furioso agujero negro

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Un agujero negro con chorros extremadamente potentes ha sido encontrado en la galaxia vecina Messier 83 (M83) por un equipo de investigadores australianos y americanos.

Los agujeros negros son, por definición, invisibles, pero cuando la materia cae en uno de ellos, se convierten en un tipo de máquinas verdaderamente eficientes.

Arroja en ellos algo de combustible (cualquier clase o tipo de materia funciona) y verás cómo se produce una gran cantidad de energía que es extraída de la materia conforme va acercándose y cayendo en el campo gravitacional del agujero.

Si la máquina de un automóvil fuera tan eficiente como un agujero negro, podríamos manejar hasta Saturno y regresar con tan solo un litro de gasolina.

En la Tierra no tenemos coches que cuya energía les sea dada por por agujeros negros porque nadie ha sido capaz de crear agujeros negros que quepan en el bolsillo de un pantalón.

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Esta es una imagen tomada por el telescopio Espacial Hubble del microquasar MQ1 que se encuentra en M83. Dos lóbulos de gas caliente, creado por el par de chorros, son claramente visibles a cada lado de la fuente central. /Fuente: http://www.phys.org

Pero la naturaleza sí que se las ha ingeniado para hacer agujeros negros y utilizarlos como una forma compacta de energía. La más energética y la más explosiva fuente en el universo (como los quasáres y las explosiones de rayos gama) son producidas por el campo de gravedad de los agujeros negros, no por la fusión nuclear (que le da energía al Sol y a las demás estrellas).

Conforme más exploramos el cosmos alrededor de nosotros, tenemos más evidencias de la presencia de agujeros negros activos y el efecto que ellos generan en el entorno en el que se encuentran. El ejemplo más claro de esto es el nuevo objeto identificado como MQ1 el cual es el microquasar más energético en M83.

La energía generada justo afuera de un agujero negro se extiende hacia el exterior a través de dos vías posibles:

1. radiación, como calor, luz visible luz ultravioleta y rayos X.

2. chorros hechos de electrones, positrones (que son electrones con carga positiva) y en algunas ocasiones núcleos atómicos.

Por otro lado, medir la luminosidad radioactiva es relativamente sencillo, gracias a los telescopios de rayos X que se encuentran en órbita como el Chandra, el XMM-Newton y el Swift.

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La galaxia espiral M83.

Pero medir la energía de los chorros es una tarea un tanto más complicada, ya que estos chocan y se confunden con el gas interestelar que rodea al agujero negro. Los chorros se encargan de calentar el gas interestelar, de tal suerte que los agujeros negros con poderosos chorros tienden a estar rodeados por una burbuja de gas tremendamente caliente y en estado ionizado, así como de electrones libres.

Gracias a que los astrónomos pueden medir el tamaño y la luminosidad de esta burbuja, pueden estimar el poder de los chorros y saber también durante cuánto tiempo han estado encendidos. Esto es precisamente lo que se hizo con MQ1 en la galaxia M83.

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Traducido y editado por Julio García.

Referencia: www.phys.org

Un nuevo tipo de materia oscura podría formar átomos obscuros

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La misteriosa materia oscura, que es responsable de la producción de la materia ordinaria que existe en el universo, podría estar compuesta, en parte, por átomos, protones y electrones invisibles y casi intangibles.

La materia oscura es una sustancia invisible que representa el 23% de toda la materia que hay en el universo. Los científicos pueden inferir la existencia de esta materia gracias a que interfiere, debido a la fuerza de gravedad que produce, en el movimiento de estrellas y galaxias.

La mayoría de los investigadores piensan que la materia oscura está compuesta por un nuevo tipo de partículas que interactúa muy débilmente con todas las fuerzas conocidas del universo.

“No hay una buena razón para asumir que toda la materia oscura en el universo está compuesta por un solo tipo de partícula”, afirmó el autor del estudio, Andrey Katz, de la Universidad de Harvard.

Estas nuevas partículas de materia oscura estarían formadas, esencialmente, por pesados y “oscuros protones” y de livianos “electrones oscuros”. Estos podrían interactuar unos con otros para formar “átomos obscuros” que utilizarían “fotones obscuros” a través de una especie de “electromagnetismo obscuro”. El proceso sería el mismo que sucede en la vida diaria donde los electrones y protones interactúan a través de fotones gracias al electromagnetismo convencional y en el que también se forman átomos de los que está compuesta toda la materia visible (incluyéndonos a nosotros mismos).

En este sentido, si los “átomos obscuros” son posibles, podrían interactuar unos con otros para construir una llamada “química oscura” que sería opuesta a los procesos químicos ordinarios.

“El mundo obscuro, incluso, podría ser tan diverso e interesante como el mundo visible”, escribieron Katz y sus colegas en la revista Physical Review Letters.

La interacción entre “protones oscuros” y “electrones oscuros” podría hacer que pierdan energía a lo largo del tiempo. Esto haría que redujeran su velocidad lo suficiente para agruparse en discos planos alrededor de las galaxias, tal y como lo hace la materia ordinaria. Aparentemente, y en contraste, la mayoría de la materia oscura forma halos esféricos alrededor de las galaxias, estrellas y planetas.

Este concepto significa que las galaxias tendrían dos discos: uno hecho por átomos regulares y el otro formado por átomos obscuros. A esto los investigadores le llaman el modelo de doble disco de materia oscura y la idea ha comenzado popularizarse entre la comunidad científica.

“El modelo de doble disco de materia oscura es un nuevo giro en un concepto interesante: y es que la física de la materia oscura podría ser tan complicado e intrigante como lo es la física que rige a la materia ordinaria”, comentó Sean Carroll quien trabaja como físico teórico en el Instituto de Tecnología de California, y quien no forma parte del equipo de Katz.

De hecho, Caroll y sus colegas habían sugerido, antes de que el nuevo modelo fuera dado a conocer, que podría existir “una fuerza oscura que fuera muy similar al electromagnetismo ordinario con cargas positivas y negativas”. “Este modelo implicaría radiación oscura, campos electromagnético oscuros y una serie de otros fenómenos interesantes”, añade.

Por otro lado, los efectos gravitacionales de un disco obscuro de átomos en estrellas y galaxias podría ser detectado, eventualmente, a través del Observatorio Espacial Gaia de la Agencia Espacial Europea, que tiene programado su lanzamiento el próximo octubre de 2013 y cuyo objetivo será el de crear un mapa del movimiento que experimentan aproximadamente mil millones de estrellas.

Además, desde que se propusiera que esta nueva forma de materia oscura pudiera moverse de forma más lenta que la materia ordinaria, se piensa que es más susceptible de ser capturada por la Tierra, por el Sol o por otro cuerpos pesados. Y la aniquilación de esta materia oscura que fuera capturada por el Sol podría resultar en fluctuaciones de neutrinos, que pueden ser medidos directamente a través del Observatorio de Neutrinos IceCube que actualmente se encuentra en funcionamiento en el Polo Sur.

Adicionalmente, los electrones y protones oscuros, que podrían tener también su contraparte de antimateria (anti-electrones oscuros y anti-protones oscuros), podrían chocar unos con otros (electrones con anti electrones, por ejemplo) y producir rayos gamma que es la forma más energética de luz. Además, los átomos oscuros podrían formar nubes de plasma que, en su momento, pudieron haber contribuido en la formación del universo temprano y que también pudo haber tenido efectos en la la estructura cósmica a gran escala que hoy podemos ver.

“Las teorías de la materia oscura, sumado con las nuevas fuerzas, les proporcionan a los teóricos de un maravilloso campo de juego para que puedan desarrollar nuevos modelos teóricos de física de partículas”, dijo Carroll.

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Traducido y editado por Julio García.

Referencia: Space.com

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