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Por qué el Univeso no terminó como un agujero negro en lugar de expandirse en el Big Bang.

Artículo corregido el 17/oct./2018 a las 22:50 HOA (GMT -3).
Muchos se preguntan (y me preguntaron) por qué se expandió el Universo en lugar de colapsar como un agujero negro,
La respuesta no es fácil, ya que está relacionada con le evolución y futuro del Universo y eso aún no es tema cerrado.
Vayamos por partes.

Ilustración de agujero negro (Birmingham Libraries)

Recordemos qué es un agujero negro.
Es una región del espacio de la que no puede escapar la luz, y por lo tanto, nada.
La velocidad de escape de un objeto depende de la gravedad generada por la masa del objeto del que se quiere escapar. La gravedad de esa masa depende no sólo de ella sino de la distancia a ella (en realidad de su cuadrado). Cuando una estrella masiva colapsa, la gravedad fuera de ella es la misma ya que la distancia a ella y su masa se mantienen; pero sobre su superficie, la gravedad va en aumento porque la distancia al centro disminuye. Así, llega un momento en que el radio de ese objeto es tal que la luz no puede escapar; y como eso es una velocidad insuperable, nada podrá escapar. A ese radio se lo llama Horizonte de sucesos y tiene la propiedad de que alguien fuera de él no puede ver qué pasa dentro, pero alguien dentro sí puede ver qué pasa afuera, ya que la luz entra pero no sale. Incluso, la estrella (ahora estrella de Planck) puede seguir colapsando y no lo notaremos porque dentro de ese horizonte nada es observable ya que está a una distancia del centro de la estrella que impide la salida de la información.

La pregunta es: si en el origen, toda la masa del Universo estaba en una región muy pequeña (matemáticamente un punto), por qué se expandió en lugar de colapsar en un colosal agujero negro.
Una respuesta que leí por ahí, decía que, como con las estrellas masivas, en el colapso se produjo un estallido que expulsó materia dejando un núcleo compacto en forma de agujero negro.
Pero eso es terriblemente erróneo por varias razones.
La materia aún no existía para que colapse y estalle.
El agujero negro remanente estaría en el lugar donde se produjo el Big Bang y según el Principio cosmológico, el Big Bang se dio en todas partes al mismo tiempo (pdp, 20/jun./2014, Principio cosmológico, https://paolera.wordpress.com/2014/06/20/el-principio-cosmologico/). En otras palabras aún no existía el espacio alrededor de ese objeto capaz de colapsar, como sucede hoy en día alrededor de las estrellas masivas. Nada como hoy lo conocemos existía aún.

Cuando se produjo el Big Bang no sólo apareció la materia sino el espacio-tiempo y las leyes de la Física. En ese instante donde nacía el Todo, aparecían sus leyes, las que aún estamos descubriendo. Luego, no podemos suponer que en el origen, las cosas se comportaban como hoy.
Por ejemplo, el valor de las constantes Universales, como la de gravitación “G” y la velocidad de la luz en el vacío “C”, no habrían sido siempre las mismas (10/abr./2018, Estudiando el valor de G, https://paolera.wordpress.com/2018/04/10/estudiando-la-evolucion-de-g/) (pdp, 24/nov./ 2016, El problema de horizontes y la velocidad de la luz, https://paolera.wordpress.com/2016/11/24/el-problema-de-horzontes-y-la-velocidad-de-la-luz/).

Veamos lo que pudo haber pasado.
Si en el Big Bang apareció la materia y ésta tenía una velocidad de expansión que pudo ser frenada por gravitación, toda esa materia y el espacio que se generaba en ese proceso, habrían recolapsado en lo que sería un Big Crunch. Eso evidentemente no se dio.

Si la velocidad de expansión hubiese superado la de escape debido a la masa aparecida, todo se habría disipado en el espacio que se generaba. No habrían aparecido las partículas formando otras más complejas, y por lo tanto, nada de lo que hoy conocemos.

Evidentemente, las condiciones fueron tales que el Universo se dio en el sutil límite entre el recolapso y la brusca expansión.

El Universo se expandió, pero tuvo tiempo para la aparición de partículas que dieron origen a todo lo que hoy existe (pdp, 09/ago./ 2018, El origen de la materia en el Universo, https://paolera.wordpress.com/2018/08/09/el-origen-de-la-materia-en-el-universo-rompiendo-simetrias/). Luego, en su evolución, las leyes Físicas se fueron plasmando en lo que hoy seguimos estudiando. La energía obscura se encarga de mantener esa expansión y el estudio continua (pdp, 05/ago./ 2018, Sobre el origen de la energía obscura, https://paolera.wordpress.com/2018/08/05/sobre-el-origen-de-la-energia-obscura/).

Referencia:

pdp.

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La modesta SN iPTF 14gqr.

Las estrellas masivas mueren de una manera colosal, explotando como supernovas.
En ese evento brillan tanto la galaxia donde viven y el fulgor dura semanas o meses. Luego, el resultado es un remanente dado por el material expulsado en la explosión que puede ser de varias masas Solares. En el centro queda el núcleo colapsado de la estrella, una estrella tan compacta que sus electrones y protones se unieron en neutrones. Así termina como una estrella de neutrones o incluso un agujero negro.

Pero siempre hay interesantes sorpresas.
En las afueras de una galaxia, a unos 900 mil años luz de casa, se detectó una modesta supernova.
Catalogada como iPTF 14gqr, su pobre explosión se desvaneció mucho más pronto que lo habitual, y el material expulsado es de sólo un quinto de masa Solar.

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Imágenes de antes (izquierda), durante (centro) y después (derecha) de la explosión de iPTF 14gqr – Crédito: SDSS/Caltech/Keck

Esta estrella, ahora una de neutrones, supo ser masiva, pero algo la despojó de su materia aunque le quedó lo suficiente para terminar como supernova, aunque como una pobre.

El modelo sugiere que tiene una compañera muy próxima, lo suficiente como para haberle robado masa. Con lo que le quedó pudo llegar a estallar. La falta de detección de esa compañera sugiere que se puede tratar de otra estrella de neutrones o incluso un agujero negro. Más aún, esa compañera habría absorbido gran parte del material remanente de la explosión.
Así las cosas, esta estrella sería la segunda supernova en darse en ese sistema, dejando como resultado una apretada binaria de estrellas de neutrones.
Es muy probable que las binarias de este tipo tengan orígenes en sistemas como éste.

Con el tiempo, ambas podrían precipitarse mutuamente y fusionarse dando otro espectáculo acompañado de ondas gravitatorias.

Referencia:

Fuente:

pdp.

Sobre las lunas con lunas.

Artículo retocado el 10/oct./2018 a las 21:00 HOA (GMT -3).
En el Universo muchas cosas son posibles en mayor o menor medida.
La Naturaleza suele sorprendernos mostrándonos lo que es poco probable y a veces escondiéndonos lo que se supone que es abundante.

Es posible que un objeto tenga otro orbitándolo, así entonces tenemos planetas en torno a estrellas, lunas en torno a planetas, pero no hemos dado con lunas de lunas.
Aunque posible, no es fácil tener un cuerpo en órbita estable en torno a otro. Es cada vez más difícil a medida que crece la configuración de cuerpos.

Veamos.
Para que un un cuerpo orbite a otro, debe cumplir con leyes determinadas como por ejemplo la tercera ley de Kepler (https://pwg.gsfc.nasa.gov/stargaze/Mkepl3laws.htm). El satélite debe estar a una determinada distancia y con determina velocidad. Pero eso no es todo. Los objetos no son puntuales, tienen dimensiones y rotan sobre sus ejes. Así, la órbita será estable si ambos están gravitacionalmente bloqueados por mareas (tidally locked), esto es que “se dan siempre la misma cara”. De no ser así, aparecen torques que afectan la órbita del satélite haciendo que espirale hacia afuera (puede terminar perdiéndose) o hacia adentro (termina precipitando). Este es el caso de la Tierra – Luna, donde por este tipo de situación, la Luna se aleja hasta que en algún momento ambos objetos se den la misma cara; o sea que un Hemisferio nunca verá la Luna.

En la formación del Sistema Solar, muchos planetas han caído al Sol y otros han migrado hacia afuera, incluso han colisinado. Luego, pese a que los planetas están ahí, no son todos los que empezaron.
En la configuración Sol – planeta – luna, la situación ya se complica.
La luna debe estar cerca del planeta para que esté bien ligada a éste, pero no demasiado. Si está muy cerca, puede friccionar con su atmósfera, y aunque sea ésta muy tenue, la frena en su movimiento y terminará cayendo. Además la cercanía aumenta el efecto de mareas lo que termina espiralando su órbita. Tampoco puede ubicarse muy lejos, ya que queda expuesta a perturbaciones de otros objetos, incluso del Sol. De Éste, puede sentir la acción de su radiación afectando su tayectoria (efecto Yarkovsky – https://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_Yarkovsky).
Lo mismo sucede en al caso de los asteroides con lunas.
Pese a esto expuesto, las lunas están ahí.

Pero en el caso de lunas de lunas, la cosa es más compleja.
La luna de luna, debe estar cerca pero no demasiado de la luna (como en el caso anterior). A su vez, la luna con su luna deben estar cerca del planeta para que éste sea el dominante despreciando la presencia del Sol, pero (otra vez) no demasiado.
Todo, planeta – luna – luna de luna, deben estar más bien alejados del Sol para que el planeta domine y la radiación Solar no afecte a la luna de la luna que es el cuerpo más pequeño. Si éste está muy separado de la luna, está expuesto a perturbaciones que lo saquen de su órbita. Todo bajo condiciones seguras de mareas gravitatorias para que nadie termine espiralando.

Viendo esto, los planetas candidatos a tener lunas con lunas en nuestro Sistema, son los gigantes gaseosos. Éstos son dominantes de sus vecindades y están alejados del Sol. Entre sus lunas, las mejores candidatas son las más masivas y alejadas del planeta. Éstas serán dominantes de sus lunas y ni ellas ni sus lunas sentirán la fricción con el material que rodea al planeta (por ejemplo los anillos).

Triton, Neptune's giant moon and a captured Kuiper Belt object, may be one of our best bets for a moon with a moon of its own. But Voyager 2 didn't see one.

Imagen de Neptuno y Tritón, una de sus lunas candidata a tener lunas – Crédito: NASA / JPL / VOYAGER 2.

Bajo esto, las lunas candidatas a tener lunas son:
la Joviana Calisto (https://es.wikipedia.org/wiki/Calisto_(sat%C3%A9lite));
la Saturnina Japeto (https://es.wikipedia.org/wiki/J%C3%A1peto_(sat%C3%A9lite));
y la Neptúnea Tritón (https://es.wikipedia.org/wiki/Trit%C3%B3n_(sat%C3%A9lite)), esta última es la favorita.

Referencia:

pdp.

 

Exoplanetas hermanos con diferente origen.

En la constelación de Pictor (caballete del pintor) hay un grupo de estrellas que comparten movimiento.
Se trata del grupo de Beta Pictoris (Beta Pic.), grupo que lleva el nombre de su estrella más relevante, la estrella Beta Pic.
Las estrellas enanas marrones, son estrellas fallidas cuyo límite con un planeta súper Joviano (gaseoso) es muy sutil. Cuando un objeto de este tipo está en torno a otra estrella, se dice que es un planeta súper Joviano. Cuando se lo encuentra solo, se lo clasifica como enana marrón. Pero cuando su masa en inferior a las típicas enanas marrones, directamente cae en la categoría de planeta, incluso cuando está solo, en cuyo caso es un errante.
En el grupo Beta Pic. hay enanas marones y planetas errantes; y ahora planetas gemelos en diferentes estrellas. Se pueden hallar planetas del mismo tipo; pero gemelos en diferentes estrellas, es algo muy llamativo.
Eso sucedió en el grupo Beta Pic

Las estrellas nacen en complejos moleculares, grandes nubes de gas y polvo. Allí comienzan su formación, para luego alejarse con su séquito de planetas en formación. Luego, maduran como un sistema planetario estable en torno a su estrella, ahora lejos de lugar de nacimiento.

En torno a la estrella Beta Pic. (10 veces más brillante que el Sol), se observó un exoplaneta, el catalogado como Beta Pic b. Un gigante gaseoso de unas 13 masas Jovianas orbitando su estrella a 9 Unidades Astronómicas (UA, equivale a la distancia promedio Tierra – Sol que es de 150 millones de Kms.).
En torno a un sistema binario de enanas marrones, siemore dentro del grupo Beta Pic., también se observó un planeta, el catalogado como 2MASS 0249 c. Se trata un otro gigante gaseoso, de 11 masas Jovianas orbitando a las binarias hospedantes a unas 2000 UA.

Imagen infrarroja del exoplaneta señalado en rojo. En amarillo se aprecia a las binarias hospedantes (la resolución no permite resolverlas) – Crédito:  T. Dupuy, M. Liu

Ambos planetas no sólo tienen masas similares; también comparten brillo, y composición (espectro) por lo que son más que parecidos; son hermanos. Esto implica que se formaron de la misma nube pero en condiciones diferentes.

Beta Pic b se formó como un gigante gaseoso. En un ambiente rico en gas y polvo alrededor de la estrella, coaguló el material más pesado y encima el gas.
2MASS 0249 c, se formó en un ambiente menos rico. El gas apenas alcanzó para un par de enanas marrones (dos estrellas fallidas). El material apenas alcanzó para que se forme una tercera compañera más que fallida, apenas llegó a planeta gaseoso.
Mientas que uno nació como planeta, el otro vio su evolución estelar truncada.

Referencia:

Fuente:

  • arXiv:1807.05235v2 [astro-ph.EP] 17 Jul 2018, The Hawaii Infrared Parallax Program. III. 2MASS J0249−0557 c: A Wide Planetary-mass Companion to a Low-Mass Binary in the β Pic Moving Group, Trent J. Dupuy et al.
    https://arxiv.org/pdf/1807.05235.pdf

pdp.

Se detectó un resplandor pero no vimos la explosión.

Por lo general, antes o durante un resplandor suele observarse una explosión o la fuente del mismo.
Pero si no se detectó esa fuente, estamos frente a un resplandor huérfano.

Cuando una estrella masiva colapsa o se fusionan dos masivas, aparece una estrella de neutrones o incluso un agujero negro. En ese rápido proceso, se da una brusca acreción de materia hacia el centro del objeto resultante. Como siempre en esos casos, el gran flujo de materia hacia el centro alimenta chorros de materia bipolares. Éstos llevan material muy caliente y energía de alta frecuencia tal como rayos gamma. Como el colapso que los alimenta es rápido, estos jets no son muy duraderos. Así, si vienen hacia nosotros, detectaremos rayos gamma de gran intensidad por un breve lapso de tiempo, a eso llamamos brote de rayos gamma (gamma ray burst – GRB).
Si los chorros de materia impactan en materia previamente eyectada, en la región de “contacto” se genera una brusca liberación de energía en todas direcciones, como un estampido sónico, pero de radiación (explosión sincrotrón isotrópica), en este caso en radio-ondas, dando origen a un transitorio en radio-ondas.

Ilustración crédito de  Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF

En una pequeña galaxia (SDSS J141918,9+304035,8) a unos 280 millones de años luz de casa, se detectó un transitorio en radio-ondas, pero no se detectó el GRB que lo originó. O sea que se trata de un resplandor huérfano, en este caso en ondas de radio (FIRST J141918,9+394036).

¿Cómo fue que no se detectó el GRB?
Muy fácil, los chorros de materia no estaban orientados hacia nosotros.
Se trata así del primer evento de resplandor huérfano detectado.

Referencia:

Fuente:

  • arXiv:1808.08964v1 [astro-ph.HE] 27 Aug 2018, Discovery of the Luminous, Decades-Long, Extragalactic Radio Transient FIRST J141918.9+394036, C.J. Law et al.
    https://arxiv.org/pdf/1808.08964.pdf

pdp.

El Duende apoya la existencia de P9.

En los confines del Sistema Solar puede existir un planeta de tipo super-Tierra.
Más allá de Neptuno, se encuentra el cinturón de Kuiper. Una región de cuerpos cubiertos de hielos donde Plutón es el más cercano.
En esa región se encuentran objetos como Sedna.
Uno espera que aquellos planetas enanos tengan órbitas orientadas el azar, pero resulta que todos comparten orientaciones orbitales semejantes. Eso dio origen a la suposición de la existencia de un planeta más alejado, de tipo Tierra pero más masivo, el supuesto Planeta IX o P9.
Se piensa que P9 es el responsable de modificar gravitacionalmente las órbitas de estos lejanos planetas enanos haciendo que todos ellos compartan similares orientaciones orbitales.

En el año 2015 se descubrió al planeta enano 2015 TG387, apodado el Duende (goblin).

Imagen donde se aprecia dos posiciones de 2015 TG387 – Crédito: Scott Sheppard

Se encuentra muy alejado, más allá del cinturón de Kuiper, en lo que se conoce como región interior de la Nube de Oort. Dicha nube, es una región de cuerpos helados de la que provienen los cometas de largo período y los que penetran la órbita Terrestre (los más peligrosos).
Se mueve muy lentamente, por ese motivo llevó tiempo calcular su órbita. Tiene un período orbital de unos 40 mil años y por la luz que refleja se le calcula unos 300 Km. de diámetro, aunque si es muy opaco puede ser más grande.
Su órbita es muy excéntrica o estirada (excentricidad 0,9), por poco no es parabólica lo que hubiese implicado que no estuviese ligado al Sistema Solar. Lo que sorprende es que su órbita también tiene una orientación similar a los otros alejados planetas enanos.

The orbit of the Trans-Neptunian Object 2015 TG387 (nicknamed The Goblin) takes it extremely far from the Sun, even more than Sedna and 2012 VP113. On this scale, the Earth is too close to the Sun to see.

Ilustración crédito: Roberto Molar Candanosa and Scott Sheppard, courtesy of Carnegie Institution for Science

De esta manera, el Duende colabora con la suposición de la existencia de P9.

Referencia:

pdp

La materia obscura como fluído.

El Universo está dominado por la energía obscura y por la materia obscura (https://es.wikipedia.org/wiki/Materia_oscura).
Ambas comparten el calificativo por desconocerse si origen.
La primera, es la responsable de la expansión del Universo y es propia de la trama espacio-tiempo (pdp, 05/ago./2018, Sobre el origen de ma enegía obscura, https://paolera.wordpress.com/2018/08/05/sobre-el-origen-de-la-energia-obscura/).
La segunda, es la responsable de mantener unidas a las estructuras galácticas, pero no es observable ni detectable salvo gravitacionalmente.
Se piensa que la materia obscura está formada por partículas de muy baja interacción llamadas wimps (https://es.wikipedia.org/wiki/WIMP). Es una idea casi natural, la de pensar que la materia está compuesta por partículas. El problema es que aún no es posible detectar los wimps; hasta se llegó a conjeturar que a pequeñas escalas la materia obscura es repulsiva, por eso no podemos detectarla cerca nuestro, ni a nuestro alrededor ya que es tan común (pdp, 04/may./2017, ¿Propiedad repulsiva de la materia obscura?, https://paolera.wordpress.com/2017/05/04/propiedad-repulsiva-de-la-materia-obscura/).
Se sospechó que podría tratarse de nubes de hidrógeno frías de difícil detección y hasta de agujeros negros (pdp, 31/may./2018, La materia obscura y los agujeros negros, https://paolera.wordpress.com/2018/05/31/la-materia-obscura-y-los-agujeros-negros-son-la-misma-cosa/).

Lo cierto es que la materia obscura no interactúa con la materia ordinaria, salvo gravitacionalmente. Tampoco interactúa con la radiación, salvo que responde a la presión de radiación (viento estelar) redistribuyéndose. Esto último se confirmó observando galaxias gemelas donde la distribución de materia obscura no era la misma por ser redistribuida por la radiación de las estrellas jóvenes. Así quedó descartada una corrección a la teoría de gravitación para explicar los efectos gravitacionales supuestamente causados por esta materia (pdp, 10/sep./ 2018, Ley de gravitación modificada o materia obscura…, https://paolera.wordpress.com/2018/09/10/ley-de-gravitacion-modificada-o-materia-obscura-las-galaxias-enanas-deciden/).

¿Y si la materia obscura no está compuesta por partículas?, ¿y si es inherente del espacio como lo es la energía obscura?, hasta quizás estén relacionadas.
Veamos.

Video: Dark Matter Streams – Ralf Kähler (estructuras de materia obscura)

Publicado el 27 mar. 2012.

La morfología y distribución de las estructuras galácticas implican la existencia de este tipo de materia. De no existir, estas estructuras serían menos notables (o no existirían).
El estudio de las lentes gravitatorias (http://www.starneutron.com/2011/10/lentes-gravitatorias-una-explicacion-sencilla/) dice que hay más materia que la observable curvando el camino de la luz de objetos lejanos.

El estudio de la radiación de fondo en micro-ondas proveniente del origen del Universo muestra una “textura rugosa”. Eso indica que en el comienzo el Universo tenía una densidad del orden del 0,01% de la actual. Incluso las galaxias lejanas (observadas jóvenes por la gran distancia) muestran menos materia obscura que las más cercanas (observadas más actuales). Eso es consistente con materia obscura, de distribución uniforme y que luego comenzó a formar grumos o estructuras.

Hoy en día la materia obscura es fría y no relativística (no está sujeta a la relatividad).
Pero todo esto no necesariamente debe responder a materia obscura compuesta por partículas.
Esta materia puede ser una característica del espacio, inherente a Él, y responder al modelo de un fluido no compuesto por partículas.
Éste sería de bajísima viscosidad (y densidad), por lo que no se manifiesta francamente a pequeñas escalas y lo hace a grandes dimensiones. Apareció uniformemente y fue colapsando en estructuras por autogravitación. No interactúa con la luz, sólo siente la presión de radiación.

Hasta que no se detecte un wimp, esta es una opción.

Referencia: