La gravedad de un agujero negro supermasivo confirma la Teoría de la Relatividad

NGC 1365

Aquí se ve a la galaxia espiral barrada NGC 1365 que se encuentra en el núcelo de galaxias de Fornax a más de 60 millones de años luz de distancia. /Crédito: http://www.dailygalaxy.com

Dos observatorios de rayos X que se encuentran en el espacio han podido medir definitivamente, y por primera vez, la velocidad a la que rota un agujero negro el cual tiene una masa superior a 2 millones de veces la de nuestro Sol y que yace en el corazón de gas y polvo de una galaxia llamada NGC 1365.

Medir la rotación de un agujero negro supermasivo resulta fundamental para comprender su pasado y el de la galaxia en la que se hospeda. Y estas observaciones son una prueba, también, de la veracidad de la teoría General de la Relatividad que afirma que la gravedad puede doblar el espacio-tiempo que, al fin y al cabo, es el que le da forma al universo y a la luz que viaja a través de este.

Los astrónomos han podido determinar que este agujero negro gira casi tan rápido como la teoría de la relatividad lo permite. El descubrimiento, que ha aparecido detallado en la revista Nature, resuelve un debate de muchos años sobre medidas similares en otros agujeros negros y el cual dará lugar a una mejor comprensión de cómo evolucionan éstos y las galaxias.

“Podemos rastrear la materia que se arremolina y que luego es tragada por un agujero negro detectando las emisiones de rayos-X que fueron emitidas en las regiones muy cercanas a éste”, afirmó la coautora del estudio, Fiona Harrison, del Instituto de Tecnología de California. “La radiación que vemos es deformada y distorsionada por el movimiento de partículas y por la poderosa fuerza de gravedad del agujero negro”, agregó.

Hay que decir que NuSTAR (siglas de Nuclear Spectroscopic Telescope Array), es el observatorio que fue lanzado en Junio de 2012 y que ha sido diseñado con el propósito de detectar rayos X de alta energía con gran detalle, y que sirve de complemento a otros telescopios, como el XMM-Newton, que observan también ondas de rayos-X pero que tienen menor energía. Los científicos han utilizado este y otros telescopios para estimar la velocidad a la que giran los agujeros negros.

Hasta ahora, estas medidas no eran certeras debido a la presencia de nubes de gas que habían ocultado a los agujeros negros y habían confundido los resultados. Pero, con la ayuda del observatorio XMM-Newton, el NuSTAR fue capaz de ver en regiones más amplias del espectro de Rayos-X y penetrar de forma más profunda en la región que se encuentra alrededor del agujero negro. La nueva información demuestra que los rayos-X no habían podido ser deformados por las nubes, pero sí por la tremenda fuerza de gravedad de dicho agujero. Esto prueba que la velocidad con la que gira un agujero negro puede ser determinada con muchísima precisión.

Estos monstruos, con masas miles de millones de veces superiores a la que tiene el Sol, se formaron como si fueran pequeñas semillas (en el universo temprano) que poco a poco fueron creciendo gracias a que se alimentaban de las estrellas y las galaxias que iban encontrando y, también, a que colisionaban con otros agujeros negros de otras galaxias que también iban emergiendo y haciéndose más grandes.

Debemos mencionar que los agujeros negros supermasivos están rodeados por un disco de acreción que se forma en la medida en que la gravedad presiona a la materia hacia adentro. La teoría de Einstein predice que entre más rápido gira uno de estos agujeros, más cerca se encontrará el disco de acreción. Y, entre más cerca se encuentre este disco de acreción, más poderosa será la fuerza de gravedad que hará que los rayos-X se deformen y que sean expulsados del disco.

Los astrónomos han podido observar estos defectos de deformación a través del análisis de la luz en rayos X emitida por partículas de hierro que se encuentran en el disco de acreción de la galaxia NGC 1365. Dicho análisis ha podido realizarse gracias a que, simultáneamente, utilizaron tanto el telescopio NuSTAR como el XMM-Newton para observar el agujero negro. Mientras que XMM-Newton reveló que la luz proveniente del hierro estaba siendo deformada, NuStar probó que esta distorsión provenía de la gravedad del agujero negro y no de las nubes de gas. Los datos arrojaron, además,  que el hierro estaba tan cerca del agujero negro que la gravedad producida por este debería ser la causa de la deformación.

Con la posibilidad de descartar a la nube de gas como efecto de distorsión, los científicos pueden ahora utilizar la distorsión en la firma del hierro para medir la velocidad de giro del agujero negro. El hallazgo podría aplicarse a muchísimos otros casos donde existen agujeros negros supermasivos en el centro de las galaxias.

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Traducido y editado por Julio García.

Referencia: Daily Galaxy.

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Nueva técnica en cosmología mejoraría la comprensión de los neutrinos y la materia oscura

Los telescopios más potentes que existen actualmente recogen una gran cantidad de datos de los lugares más distantes del universo, a pesar de que mucha de ésta información es simplemente descartada porque representa pequeñas longitudes que son difíciles de analizar.

En un esfuerzo para aprovechar más datos, que se obtienen de las observaciones, un equipo de científicos ha desarrollado una nueva técnica que permite desperdiciar menos información al “recortar” algunos de los “picos” de más alta densidad: hecho que sigue representando un gran reto para los modelos actuales.

Ésta información mal gastada -que ahora se aprovechará- podría resolver muchos problemas no resueltos en física, incluyendo la estimación de la masa del neutrino y daría luz sobre las teorías que actualmente se hacen sobre gravedad modificada.

Los científicos, Fergus Simpson, Alan Heavens y Catherine Heymans de la Universidad de Edimburgo, y Berian James del Centro de Cosmología de la Universidad de Copenhague y de la Universidad de Californa en Berkeley, han publicado este estudio en un número reciente de la revista Physical Review Letters.

En este gráfico se aprecian los componentes del Universo. Aún no se sabe con certeza si estos valores son completamente ciertos /Fuente: http://www.eltamiz.com

Por su parte, “Los patrones formados por las galaxias en nuestro Universo hacen referencia a una red cósmica, que tiene a su vez un parecido muy grande con las intrincadas estructuras que se pueden ver en las telas que forman las arañas”, ha dicho Fergus Simpson, quien también ha sido más puntual al mencionar que “dentro de la naturaleza detallada de este patrón, están codificados varias piezas de información en lo que respecta a la composición del Universo, específicamente en el universo temprano y las leyes que rígen la gravedad. De cualquier manera, cuando nosotros intentamos estudiar el detalle fino en pequeñas escalas (alrededor de 100 millones de años luz o menos), parece que es muy impredecible debido que el universo es particularmente grumoso en estas dimensiones... y entonces la física se convierte en algo muy complejo y no lineal. En otras palabras: nosotros no sabemos por ahora cómo descifrar esa información, y es particularmente frustrante saber que la información que es útil está sepultada dentro de esas pequeñas escalas”.

En un intento por decodificar los datos que se encuentran en esas pequeñas escalas, los investigadores han desarrollado la técnica de densidad de recorte, la cual permite que la información sea accesible para ser modelada y analizada de forma más profunda.

“Mediante la aplicación de una simple corrección a las regiones más densas a través de un parche simulado del Universo -sólo un 0,1 % del volúmen- hemos encontrado que ésto remueve o quita la mayor parte de este comportamiento impredecible”, ha dicho Simpson. “Nosotros hemos demostrado ahora que una gran cantidad de información de éstas pequeñas escalas pueden ser obtenidas satisfactoriamente”.

Simpson  ha explicado también que éstos datos que hacen falta, podrían ser muy útiles para estudiar un gran abanico de áreas, como el hecho de calcular mejor la masa estimada del neutrino: “Son en éstas pequeñas escalas cosmológicas donde pensamos que los neutrinos han tenido influencia en la edad temprana del universo, en un tiempo en donde estas partículas viajaban muy cerca de la velocidad de la luz”, ha dicho.

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Rastro dejado por un conjunto de neutrinos al pasar por un acelerador de partículas.

“La medida de su influencia depende sobre cuánto tiempo se movieron a tan altas velocidades, lo que está determinado por su masa. Entonces es posible que nuestra técnica permita que la masa del neutrino pueda ser determinada por la distribución de las galaxias”.

“Los neutrinos pueden decirnos algo sobre la física fundamental y sobre la cosmología. En el Modelo Estándard de la Física de Partículas, los neutrinos no tienen masa, entonces la probable masa del neutrino podría decirnos algo sobre las extensiones del Modelo Estándard. En principio, las mediciones en cosmología pueden ser significativamente más precisas que los experimentos en laboratorios”.

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En ésta imagen realizada por ordenador, cada punto en color verde representa una galaxia, de las más de 900,000 que hay aquí. /Fuente: http://www.sdss3.org/

Adicionalmente, los datos obtenidos de éstas pequeñas escalas, o de éstas pequeñas dimensiones, podrían servir a los estudiosos para comprender mejor la relación entre galaxias y materia oscura, lo que llevaría al desarrollo de nuevos métodos para investigar teorías sobre la gravedad modificada a través de observaciones.

“El descubrimiento de que la expansión del Universo se está acelerando, ha llevado a muchos cosmólogos a preguntarse si ésto es un indicativo de que las leyes de la gravedad necesitan ser modificadas”, ha dicho Simpson, quien también a comentado que “si hay alguna nueva física de la gravedad, se espera que cambie el valor en el cual los cúmulos de materia oscura permanecen juntos. Una mayor dificultad para medir el comportamiento de la materia oscura es que desconocemos cómo la distribución de las galaxias (que es lo que podemos medir diréctamente) se relaciona con la distribución de dicha materia. En nuestro estudio demostramos que nuestra técnica permite determinar con mayor precisión la relación entre las galaxias y la materia oscura (tendencia de las galaxias), y una vez que ésta tendencia de las galaxias es conocida, nosotros podemos determinar mejor la rapidez con la que la materia oscura se agrupa y comprobar si ésto encaja con la las leyes de la gravedad formuladas por Einstein.

Traducción de Julio García.

Fuente: www.physorg.com

Dos satélites gemelos de la NASA darán nuevas pistas sobre la gravedad lunar

La NASA ha logrado poner en órbita – después de 100 días de viaje- dos nuevos satélites alrededor de la Luna, en órbitas que siguen una trayectoria elíptica.

La misión, que lleva el nombre de Recuperación de Gravedad y Labotatorio de Interior GRAIL, por sus siglas en inglés, consta de dos sondas gemelas que tienen el propósito de mapear las variaciones de gravedad a través del cuerpo lunar. Estas ayudarán a los investigadores a refinar nuestras teorías sobre cómo se formó la Luna.

También les permitirá probar nuevas ideas, tales como las provocativas sugerencias hechas recientemente de que probablemente -hace millones de años- dos lunas se asombaban por el cielo terrestre.

Los responsables de la misión han apuntado que la “misión Grail es un viaje al centro de la Luna que permitirá -a través de mediciones precisas de la gravedad- cómo es la luna internamente.

Una vez obtenida, ésta información “será combinada con la información tomada por otros satélites que ya lo han hecho anteriormente, y con todo este cúmulo de datos será posible reconstruir la evolución de la Luna desde que se formó”, han puntualizado los investigadores.

Por otro lado, hay que mencionar que los dos satélites -que pesan más de 300 kilos- fueron lanzados en Septiembre del año pasado desde Cabo Cañaveral, en Florida, y han tenido que hacer un largo recorrido en espiral hasta llegar a su destino.

Esta semana han llegado al polo sur lunar y-para ello- cada satélite encendió su motor principal para desacelerar y lograr así posicionarse en una órbita elíptica alrededor de la esfera lunar.

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En esta posición coordinada, realizarán su trabajo estos dos satélites. Se coordinarán mediante ondas de radio /Fuente: NASA

Esta órbita tiene un periodo de 11,5 horas y desde ahora se irá reduciendo en tamaño (se irá haciendo cada vez más circular) para prepararse a comenzar los experimentos científicos que se tienen planeados, de tal suerte que para Marzo de este año ambas naves comenzarán a trabajar de manera formal.

El trabajo consistirá en mapear las pequeñas variaciones de gravedad a través de la superficie lunar a una altitud de 55 kilómetros.

Hay que decir que estas diferencias de gravedad son el resultado de una desigual distribución de masa. Ejemplos obvios de estas variaciones de masa (y de gravedad), los podemos observar con la presencia de grandes montañas y través de los impactos profundos producidos por meteoritos, pero, aún en el interior del cuerpo lunar, existen variaciones en la densidad y la manera en que las rocas están distribuídas, lo que genera que existan regiones menos densas que otras.

Las gemelas Grail harán sus medidas haciendo calibraciones minuciosas entre ellas.

Traducción de Julio García. 

Fuente: “NASA´s gravity twins now circling Moon”

¿Cómo nacen y mueren las estrellas? /II

por Julio García.

Cuando una estrella es capaz de mantener el equilibro que ejerce la gravedad (hacia adentro) y la presión que se produce (hacia fuera), producto de las reacciones termonucleares que se desarrollan en su interior, decimos que dicho astro ha alcanzado la secuencia principal, término que desarrollamos ya con mayor amplitud en nuestro artículo anterior.

Ahora bien: ¿es posible que a través de esta secuencia principal los astrónomos estén capacitados para determinar con certeza el periodo de vida de una estrella? O bien, ¿existen acontecimientos particulares, medibles y cuantificables, que sirvan para comprender en profundidad los complejos mecanismos estelares de nacimiento y muerte?

Una de las respuestas más esclarecedoras para responder a estas y otras interrogantes, vino del pensamiento del físico y matemático de origen indio Subrahmanyan Chandrasekhar (1910-1995), quien en 1942, y trabajando para la Universidad de Chicago, publicó The Principales of Stellar Dynamics (Principios Dinámicos Estelares), donde propuso, entre otras cosas, que existe un límite
imaginario para determinar el colapso gravitatorio de las estrellas, dependiendo
de la cantidad de masa que éstas posean y de qué tan rápido, o no, quemen su
combustible. En otras palabras, que la vida de un astro depende de varios
factores que van interrelacionados: masa, gravedad, temperatura y tiempo.

Así, uno de los argumentos más relevantes, propuestos por el físico indio, ganador del Premio Nobel 1983, es que entre más masiva sea una estrella, mayor cantidad de gravedad tendrá y, por tanto, más aceleradamente quemará su combustible, es decir, con mayor rapidez el hidrógeno (componente principal) se transformará en helio y en otros componentes químicos más pesados como el hierro, el titanio o el calcio, por mencionar solo algunos. Por otro lado, menor masa implicará menor gravedad, lo que se traducirá en que el combustible sea quemado con mayor lentitud.

El Sol, por ejemplo, es considerado por los físicos como una estrella de masa “media”, amarilla, cuyas temperaturas oscilan entre los 4,600 y los 5,700 grados. Ahora bien: si nos acercamos a la parte del espectro donde se encuentran las estrellas más calientes, aquellas que irradian un tipo de luz casi blanca o “azulada”, observaremos temperaturas que van de los 28,000 a los 50,000 grados. Este tipo de astros, evidentemente, quemarán con mayor rapidez su combustible; lo agotarán en un promedio de tiempo que podría triplicar al del Sol y al de aquellas estrellas “medianas”. Por otra parte, si nos vamos al lado opuesto de esta escala, encontraremos estrellas que irradian luz en longitudes de ondas más largas: un tipo de luz particularmente rojiza que evidenciará, si
tuviésemos la oportunidad de hacer un viaje hacia alguno de estos cuerpos, bajas
temperaturas (del orden 1,700 a los 3,200 grados), lo que implicará a su vez que el combustible de estas “estrellas rojas”, se queme más lentamente y que se mantengan así en la secuencia principal por más tiempo que aquellas estrellas mencionadas anteriormente.

En suma, podemos decir que a mayor concentración de masa en una estrella, más intensa será la gravedad que tratará de “presionar”, de empujar hacia adentro, los procesos termonucleares que se producen en su interior y que tienden a ejercer presión “hacia fuera”. De hecho, la gravedad juega un papel decisivo en el desarrollo de estos procesos termonucleares, ya que sin esta “presión” sería imposible que dichos reacciones tuviesen lugar. Procesos termonucleares que se acelerarán o se ralentizarán y que se verán reflejados en el tipo y cantidad de luz (ligada a la temperatura) que un astro pueda irradiar durante su vida, del periodo de tiempo que una estrella pueda permanecer en la “secuencia principal”, en su equilibro interno.

Pero, ¿ante qué tipo de fenómenos nos enfrentamos cuando una estrella ha quemado todo su combustible, cuando ha logrado convertir todo el hidrógeno en helio y en otros elementos químicos más pesados?

Esto dependerá, como hemos señalado, de la cantidad de gravedad y masa que posea cada uno de estos infernales cuerpos gaseosos. Por ejemplo, un astro como el Sol evolucionará hasta terminar su vida convirtiéndose en una enana blanca. Este tipo de estrellas, difíciles de detectar con telescopios escasa energía que producen, se caracterizan por concentrar en un radio similar al de la Tierra (unos 10,000 kilómetros de diámetro), el resto de masa desprendida luego de que estrellas como la nuestra agotan su combustible y emiten al espacio una nube extremadamente caliente, llamada nebulosa. Cuando una estrella entra en esta etapa de “desprendimiento” de material, cuando comienza a dejar la llamada “secuencia principal”, se convierte en una gigante roja, para luego dejar al descubierto su núcleo (principalmente de carbono ahora), y convertirse, como hemos dicho, en una enana blanca.

Ahora bien: ¿el nacimiento de una enana blanca representa realmente el último eslabón, el proceso evolutivo final, en el que se ve envuelta una estrella?

A esto debemos afirmar que no: una vez que un astro se ha convertido en una enana blanca , si ésta posee una dimensión superior a 1.44 masas solares (conocido como límite de Chandrasekhar), entonces se convertirá en una estrella de neutrones.

Por su parte, las estrellas de neutrones, al igual que las enanas blancas, tienen un límite en su dimensión que las hará convertirse (o no) en otro cuerpos, de tal suerte que si una estrella de neutrones sobrepasa el límite de Tolman-Oppenheimer-Volkoff (el nombre alude a sus tres descubridores), que es equivalente a tres masas solares, entonces las estrellas de neutrones podrían degenerar en cuerpos tan exóticos y misteriosos como los agujeros negros. Y es en este punto donde la gravedad se vanagloria de haber ganado la contienda al superar las fuerzas termonucleares al interior de la estrella, las cuales han quedado aplastadas y superadas por la presión ejercida por la gravedad.

De todas maneras queda la duda en el aire si cuando las estrellas agotan todo su combustible, al haber logrado sintetizar los elementos químicos más pesados, que se reflejan particularmente en la clasificación que los seres humanos hacemos de ellos a través de la Tabla Periódica de los Elementos, y en general en todo aquello a lo que llamamos realidad, incluyéndonos a nosotros mismos, realmente podemos hablar de muerte estelar, o bien, ¿tan solo podría ser el siguiente paso para el nacimiento de agujeros negros que, de acuerdo con algunas teorías, son ductos que nos podrían conectar con otras dimensiones o inclusive con otros universos? El argumento anterior corresponde más bien al reino de la especulación, a la imaginación humana que busca respuestas profundas a las cuestiones complejas que nos rodean.

¿Cómo nacen y mueren las estrellas /I

por Julio García.

Es una verdad incuestionable que todo proceso vital lleva consigo un principio y un final, donde las leyes de la naturaleza se encargan de regir los mecanismos biológicos que provocan que la finitud de los seres vivientes sea algo prácticamente inevitable. Esta finitud, estos bordes y límites que caracterizan a estos mecanismos naturales, también rigen al mundo inanimado, particularmente al de las estrellas.

El funcionamiento de todos los astros conocidos, incluyendo al Sol, puede ser equiparado con el funcionamiento de una caldera donde se necesita una determinada cantidad de combustible para producir calor. En el caso de las estrellas, el proceso es un tanto más complejo, ya que intervienen, además de principios termodinámicos, procesos radioactivos en un escenario donde la gravedad juega un papel decisivo para encender las inmensas calderas del universo.

Pero, ¿cómo es que las estrellas obtienen su combustible? O bien: ¿cómo es que se mantienen por inmensos periodos de tiempo, por millones de años, encendidas?

Así como el ADN representa para los humanos la piedra angular para producir moléculas complejas, las estrellas se sirven de compuestos químicos como el hidrógeno y el helio para producir calor y mantenerse “vivas”. El hidrógeno está presente en el universo en grandes proporciones, ya que representa el 75% del total de todos los elementos químicos, mientras que, el helio, un gas también, es considerado como el segundo elemento más abundante, de tal suerte que con la ausencia de alguno de estos dos componentes, hubiese sido imposible la formación de elementos químicos aún más pesados y estables, como las rocas y los metales que dieron lugar a la posterior formación del sistema solar y de planetas como el nuestro.

Hoy se sabe que inmensas nubes moleculares, compuestas principalmente de hidrógeno (90%) y helio (9%), contribuyeron de manera decisiva en la formación estelar, tiempo después de que el universo comenzara a enfriarse luego de aquella gran explosión que le dio origen, hace aproximadamente 13,700 millones de años. ¿Pero cómo concebir que a partir de simples nubes moleculares de hidrógeno y helio surgieran cuerpos tan majestuosos como las estrellas?

Una de las explicaciones más plausibles para comprender esto, proviene de los efectos de atracción que ejerce la gravedad sobre los átomos y la materia. Esto es que, gracias a la fuerza de gravedad, aquellas nubes moleculares comenzaron a generar procesos radiactivos suficientemente poderosos para convertir hidrógeno en helio, que devino en un ciclo irreversible donde el helio, derivado del hidrógeno, y debido a las altas temperaturas que en aquellas nubes moleculares se iban presentando gradualmente, iba convirtiendo a este helio recién formado en elementos químicos aún más pesados, dando lugar a la formación de todos los elementos de la tabla periódica y aquellos otros que son esenciales para la vida como el oxígeno. En suma: las estrellas pueden ser equiparadas con grandes fábricas, con inmensas calderas, donde se forman y sintetizan todos los elementos químicos del universo, con excepción del hidrógeno (que es un elemento primordial), y una parte del helio que, se cree, también presenció los primeros instantes del universo, antes de que los primeros astros se formasen.

También es importante mencionar que una de las etapas decisivas para la producción de estrellas, sucede cuando la fuerza de gravedad comienza a incidir, a actuar directamente sobre los átomos de hidrógenos que se encuentran presente en una nube molecular, dando lugar a que ésta nube, llamada protoestrella, colapse sobre sí misma para comenzar el ciclo interminable de combustión de hidrógeno. En suma: cuando una estrella comienza a formarse, lo que en realidad sucede es que la fuerza de gravedad se vuelve más intensa en comparación con la energía térmica (calorífica) que caracteriza a una nube molecular.

Posteriormente, el astro en cuestión tendrá que encontrar su propio “equilibro interno” o su secuencia principal, fenómeno que se evidencia cuando la estrella es capaz de contrarrestar, a través de las reacciones nucleares internas, la presión que ejerce (hacia adentro) la gravedad. En otras palabras, el equilibro se da cuando la lucha entre presión hacia dentro (gravedad) y presión hacia afuera(reacciones termonucleares en el interior de la estrella), encuentran un punto medio donde ninguno de los dos tipos de fuerza salen victoriosas. Y de este equilibro interno, dependerá, evidentemente, la vida de una estrella, de la cantidad de tiempo (en términos de millones de años), que puede irradiar energía y tal, vez, por qué no, formar planetas como la Tierra y seres capaces de plantearse estas y muchas interrogantes más. O como alguna vez lo dijera el ya fallecido astrónomo Carl Sagan: “Somos polvo de estrellas”.