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Acerca del último trabajo de Stephen Hawking y su ex-alumno Thomas Hertog.

Stephen Hawking fue el más brillante Físico Cosmólogo moderno (https://es.wikipedia.org/wiki/Stephen_Hawking).
Luego de su muerte se habló de su último trabajo y de sus implicaciones en los conocimientos del Universo. Veamos de qué se trató.

Tiene que ver con el origen del Universo, con cómo empezó todo.
Si volvemos atrás en el tiempo veremos que todo comenzó en el Big Bang. El origen se dio en una singularidad donde el tiempo aún no existía y la densidad de energía era infinita, matemáticamente, un punto.
Todo se expandió bruscvamente; comenzó el proceso de inlfación.

Lo aceptado según los modelos actuales es que si una parte del o,oooooo1% del espacio se expande bruscamente (o infla), en un brevísimo tiempo (10-30 seg. = 1/1000…000 [treinta ceros] segundos) sólo algunas regiones (1/10300 = 1 cada 1000…000 [trecientos ceros]) dejarán de expandirse (saldrán de la inflación) y generará un Big Bang. O sea que habrá un gran número (arbitrariamente grande) de bolsillos o regiones donde se producirá un Big Bang originando un Universo, entre ellos el Nuestro. Algunos serán oscilantes (colapsarán de nuevo) y otros (como el Nuestro) se irán expandiendo.
Así se alejan unos de otros en medio de un espacio que se expande eternamente.

La inflación se da en los cubos celestes. Los marcados con una X roja, son los bolsillos donde se detiene la inflación y se da un Big Bang. Nosotros estaríamos en una de esos cubos marcados – Crédito: E. Siegel / Beyond The Galaxy.

Esto es un Multiverso de estructura fractal (una parte de la estructura contiene estructuras idénticas a ella) donde existe nuestro Universo. En Él en particular, las leyes naturales que se dieron, permitieron la aparición de la materia y todo lo que hoy conocemos y somos.
O sea que primero fue la inflación y luego el Big Bang de los Universos.

Pero las preguntas son varias; ¿bajo qué condiciones se dio la expansión; es eterna…?

A esto se dedicaron Hawking y Hertog.
Con su modelo, analizaron la Matemática y Geometría involucradas en la expansión del espacio, en particular, en los límites donde se daba la inflación. Llegaron a que la inflación no es eterna y que en la salida de la inflación, se dio un Big Bang que originó un único Universo “suave”, con distribuciones uniformes; no obtuvieron multiversos de estructura fractal.

Este modelo utilizado por Hawking y Hertog, está basado en conjeturas muy discutidas por lo que las implicaciones de este trabajo son limitadas.
Más aún, los autores admiten que no demuestran que no exista un Multiverso en la salida de la inflación. Este trabajo es otra explicación posible, una idea paralela a la anterior, no está terminado el estudio del origen del Universo.
Luego, según Hawking & Hertog, no existen otros Universos.

Que nadie se sienta defraudado.
En Física teórica, los cálculos son siempre especulativos y los modelos están sujetos a cambios según las observaciones. En este caso, no hay mucho que confirmar con observaciones ya que todos los modelos explican la actualidad observable y ninguno predice eventos, sólo difieren en el origen del Todo.

Referencia

Fuente:

pdp.

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La trama del espacio-tiempo.

Se dice que el Universo está conformado por materia en una trama de espacio-tiempo o espacio temporal.
Veamos esto.
Un evento sucede en un lugar del espacio en un momento determinado. O sea que un cuerpo está en una cierta posición en un determinado instante. Así es como hay una íntima relación entre el espacio donde se encuentra y el momento temporal en que eso sucede.
Luego, podemos hablar del tiempo como otra coordenada para ubicar un cuerpo, la coordenada temporal. Así, un cuerpo o evento ocupa un lugar en el espacio y en el tiempo, o sea en el espacio-tiempo.

La Teoría de la Relatividad estudia los escenarios de altas energías y velocidades.
En esas situaciones se dan dilataciones de las escalas temporales y contracciones en las dimensiones en la dirección del movimiento. Fue esta teoría la que explicó las variaciones en la órbita de Mercurio. Éstas, son el resultado del gran aumento de velocidad del Planeta en el punto más cercano al Sol. Si estudiamos el movimiento de los planetas bajo la Relatividad, encontraremos que no se obtienen órbitas cerradas. Los planetas se mueven en trayectorias rectas. La única manera que esto concuerde con la realidad observada es que… el espacio está curvado.
Clásicamente, los cuerpos se atraen por gravedad. Pero según la Relatividad, las masas curvan el espacio-tiempo.

Ilustración del espacio crédito Nasa.

Esto lo podemos imaginar como lo que sucede con una esfera de gran masa sobre una superficie blanda. La hunde provocando que todo lo que la rodea caiga hacia ella.
Luego, en el Universo existe una trama de espacio-tiempo curvada, tanto más según sea la masa que afecta sus vecindades (pdp, 17/oct./2014, Una forma de “ver” la curvatua del espacio, https://paolera.wordpress.com/2014/10/17/una-forma-de-ver-la-curvatura-del-espacio/)
Claro que el ejemplo de la esfera sobre una superficie plana no es bueno, ya que la esfera ocupa tres dimensiones y la superficie solamente dos.

Video: Gravity Visualized.

Publicado el 10 mar. 2012

En realidad, una masa curva hacia ella todas las dimensiones del espacio que la rodea.

Crédito LUCASVB

En las vecindades de un agujero negro (AN), como ejemplo de una tremenda masa, el espacio-tiempo está tan curvado hacia el objeto, que nosotros, como habitantes de esa trama nos deformamos hacia el AN, nos estiramos como fideos; nos espaguetizamos siguiendo la forma de la trama espacio-temporal en que existimos.

Pero esa trama no es real. No hay una trama física. Es sólo un modelo para explicar cómo se comportan los objetos en el Universo a medida que Éste se expande; o sea, a medida que todo se aleja de todo bajo la Teoría de la Relatividad.

Referencia:

pdp.

Las regiones vacías de la red cósmica.

La opacidad, es una de las propiedades de la materia relacionada con la forma en que permite el paso de la energía.
En la juventud del Universo hubo dos épocas de ionización.
Al principio, el Espacio estaba lleno de partículas cargadas. Iones, partículas componentes de átomos, pero libres. Luego se recombinaron formando átomos, moléculas y así se formaron las primeras estrellas. Éstas volvieron a ionizar los átomos del material que había en el Universo (a partirlos) con su radiación.

En el Universo, la materia (obscura y ordinaria) forma una estructura de filamentos o  red cósmica, donde las estructuras galácticas está ubicadas como perlas en un collar. Entre esos filamentos, hay regiones de menor cantidad de materia. En los comienzos, unos 1000 millones de años luego del Big-Bang, esas regiones “vacías”, en realidad eran muy opacas para dejar pasar la luz de las galaxias.

Ilustración resultado de una simulación donde se muestra la red cósmica de materia (azul claro) poblada de galaxias (en amarillo y blanco) limitando regiones “vacías” (azul obscuro). – Crédito: TNG Collaboration.

Si eran muy opacas es porque había mucha materia, y donde hubo mucha materia, debe haber muchas galaxias.

Observando en esas zonas ubicadas entre los filamentos de materia, se encontraron galaxias pero no tantas como se esperaba.
Hoy en día, esas zonas, como el resto del Espacio, son transparentes a la radiación de las galaxias lejanas, eso se debe a que el gas intergaláctico está ionizado (plasma). Para la época de la reionización, las primeras galaxias lograron ionizar el material intergaláctico con radiación principalmente ultravioleta. De esta manera, esa materia perdió opacidad volviéndose transparente a la radiación proveniente de los objetos lejanos.
Luego, las primeras estructuras galácticas pudieron ionizar eficientemente y volver transparentes al material de las regiones limitadas por los filamentos de materia, lugar donde tienden a haber más galaxias.

Referencia:

Fuente:

  • arXiv:1803.08932v1 [astro-ph.CO] 23 Mar 2018, Evidence for Large-Scale Fluctuations in the Metagalactic Ionizing Background Near Redshift Six, 
    George D. Becker et al.
    https://arxiv.org/pdf/1803.08932.pdf

pdp.

El origen de la materia en el Universo (rompiendo simetrías).

Artículo corregido el 10/ago./2018 a las 14:45 HOA (GMT -3).
En el Universo apareció la materia de la que todo está hecho, incluso nosotros, cuando dejaron de valer ciertas condiciones.
En la Naturaleza hay simetrías. Éstas son condiciones que se cumplen (o deberían hacerlo) en diversas situaciones (https://es.wikipedia.org/wiki/Simetr%C3%Ada_en_f%C3%Adsica).

Llama la atención la ausencia de antimateria en Universo. Se congetura que cuando apareció la materia, las leyes Físicas no eran las mismas para la materia que para la antimateria y, por falta de simetrías, la antimateria se aniquiló con parte de materia generando otras partículas (pdp, 09/mar./2017, La violación CP explica la abundancia de materia sobre la antimateria, https://paolera.wordpress.com/2017/03/09/la-violacion-cp-explica-la-abundancia-de-materia-sobre-la-antimateria/).

También resulta llamativo la existencia de partículas sin masa.
¿Puede existir una partícula si no tiene masa?
Sí, puede.
Cuando vemos la conocida ecuación E=mC2, donde m es la masa de un objeto y C la velocidad de la luz, resulta que E es la emergía almacenada en esa masa, o sea la necesaria para crearla; luego, la masa es una forma de energía. O sea que una partícula puede existir en forma de energía almacenada de alguna manera y aparecer con masa cuando se mueve a la velocidad de la luz. Por ejemplo: el fotón (partícula de luz – energía), que en reposo no tiene masa y la adquiere cuando aparece con velocidad C. Otra partícula sin masa en reposo es el gluón, que sirve de unión (glue = pegamento en inglés) entra quarks para formar neutrones.

¿Pero de donde provino la materia del Universo?
Veamos.

Ilustración de evolución del Universo. Nada de esto se habría dado sin la aparición de la materia. Crédito: NASA / CXC / M. WEISS

Cuando el Universo se expandió en el Big-Bang, éste comenzó a generar trama de espacio – tiempo. En ese proceso aumentó la energía obscura pero a cambio otros niveles de energía comenzaron a disminuir, proceso por el cual el Universo aceleraba su expansión mientras se enfriaba (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/).

Entre los niveles energía que disminuían estaba la del campo de Higgs (en honor a Peter Higgshttps://es.wikipedia.org/wiki/Peter_Higgs). Debajo de un determinado valor, muy pequeño aunque no nulo, comenzaron a romperse ciertas simetrías. En esas condiciones, de la energía almacenada en el campo de Higgs, se produjeron 4 eventos.
De dos de ellos se generaron partículas con masa y con cargas eléctricas. De las otras dos se generaron partículas sin carga; una fue el fotón sin masa en reposo y la otra ganó masa dando origen al bosón de Higgs. Luego, moviéndose y chocando a gran velocidad, todas ellas fueron generando la materia y las estructuras de ella que hoy observamos.

Fuente:

pdp.

Sobre el origen de la Energía Obscura.

Es útil explicar la expansión acelerada del Universo, cómo interviene la energía obscura y si es posible, explicar su origen.
Eso es lo que trataré de hacer con lo que se conjetura a mediados del 2018.

Ilustración de Universo crédito de JINYI YANG, UNIVERSITY OF ARIZONA; REIDAR HAHN, FERMILAB; M. NEWHOUSE NOAO/AURA/NSF

La expansión.
Sabemos que el Universo nació del Big-Bang, donde todo estaba contenido en un punto (singularidad). Supongamos tres puntos: A, B, C. Nosotros estamos en A y para simplificar el problema, supondremos una expansión en una sola dirección. Sea que luego de un segundo, B está 1m. a nuestra derecha y C está 1m. a la derecha de B, o sea a 2m. de nosotros. Si entonces, nosotros en A, observamos el universo, le mediremos una edad de 1 segundo y veremos que B se nos escapa a 1m/seg. y C (a 1m. de B y a 2m. de nosotros) se escapa a 2m/seg. ya que esas fueron las distancias recorridas en el segundo que hace que comenzó todo.
Esto será igual no importa donde nos encontremos por el principio cosmológico que establece que el Big-Bang se dio en todas partes al mismo tiempo (pdp, 20/jun.2014, El Principio Cosmológico, https://paolera.wordpress.com/2014/06/20/el-principio-cosmologico/)
Concluimos entonces que nuestro universo se expande con velocidad constante, y debido a eso, los objetos lejanos se escapan con velocidades que crecen linealmente con la distancia.
Pero en realidad no es así lo que se observa. Los objetos lejanos se escapan con velocidades cada vez mayores con la distancia, las que no aumentan linealmente con ella. Luego hay una aceleración en la expansión, lo que implica una fuerza, la que implica trabajo, o sea energía. Como no sabemos cual es su origen, la llamamos energía obscura.

Algunos conjeturaron un origen rotacional para esa energía. O sea que se trata de una energía dada por una aceleración centrífuga en un Universo en rotación. Como los objetos se alejan entre sí, la gravedad mutua disminuye y no alcanza a compensar la fuerza centrífuga (pdp, 09/mar./2016, La energía obscura como efecto de un Universo en rotación, https://paolera.wordpress.com/2016/03/09/la-energia-obscura-como-efecto-de-un-universo-en-rotacion/)

Pero puede ser que la energía obscura sea inherente al  espacio, parte fundamental del mismo.
Veamos eso.

Trabajo y energía.
Si queremos mover una mesa, le aplicamos una fuerza empujándola. Esa fuerza realiza un trabajo en la dirección de movimiento (trabajo positivo), el que se traduce en energía cinética de la mesa (la mesa se mueve). Pero en las patas de la mesa aparece una fuerza de rozamiento o fricción con el suelo que ejerce trabajo en contra del movimiento (trabajo negativo). Este trabajo transforma parte de la energía en calor por lo que la mesa pierde velocidad y debemos seguir empujándola. Así, el trabajo de nuestra fuerza se transforma en energía cinética para la mesa y en calor por fricción que es absorbido por el suelo, las patas de la mesa y el aire. O sea que el trabajo es energía y ésta se conserva, se transforma pero no se pierde.

Un Universo dominado por materia y radiación, se comporta muy parecido a un gas a cierta temperatura en un recipiente.
Las moléculas del gas se mueven y chocan con las paredes del recipiente. En este proceso, transforman energía cinética en trabajo para expandir el volumen que las contiene. Luego de un tiempo, las moléculas gastaron su energía en trabajo y la expansión se frena.
En el caso de un Universo de este tipo, la expansión lleva velocidad constante y eventualmente podría terminar deteniéndose. En este último caso, la paciente gravedad comienza la contracción.

Pero un Universo dominado por energía obscura se comporta de manera opuesta.
En la expansión se va generando más trama de espacio y en ese proceso aparece energía como resultado de un trabajo (negativo) sobre esa expansión.
De esta manera, la energía obscura es propia del la trama del espacio. Así, ésta aumenta con la expansión a medida que se genera más trama espacial, manteniendo constante la densidad de energía (energía por unidad de volumen). Esto resulta en un aumento de la energía en el Universo. Tal vez la conservación no se dé a escalas cósmicas. Luego, de alguna forma, esa energía es aprovechada para acelerar a los objetos lejanos.

Fuente:

pdp.

¿En el Multiverso hay muchos Universos?

La Física Cuántica, analiza los escenarios microscópicos.
En esos ambientes donde las partículas son las que dominan, éstas pueden comportarse como tales o como ondas, y la energía está discretizada; o sea que puede tomar ciertos valores, no cualesquiera.

En la búsqueda de cómo nació el Universo, el modelo se va actualizado a medida que se van descubriendo nuevos elementos más sofisticados.
Así es como para explicar el origen del Todo, la cuántica colaboró en la explicación del origen de las partículas que conforman la materia. Como éstas se comportan como ondas, apareció la Teoría de Cuerdas (https://www.astrobitacora.com/teoria-de-cuerdas/), la que dio paso a la de Branas (o menbranas). Esta teoría admite varias soluciones, cada una corresponde a un Universo, luego existiría un Multiverso, dentro del cual está el nuestro.

Ilustración crédito de Shutterstock/Juergen Faelchle.

Es más, la mancha fría observada en la radiación de fondo de micro-ondas, según los adeptos a este modelo de Multiversos, podría ser un punto de contacto entre nuestro Universo y otro adyacente (pdp, 26/abr./2017, Quizás un Universo exótico necesite una explicación exótica, https://paolera.wordpress.com/2017/04/26/quizas-un-universo-exotico-necesite-una-explicacion-exotica/).

Pero sucede que la cantidad de soluciones implican una gran cantidad de Universos, ¿cuántos?, bien, 10500, o sea un 1 con 500 ceros. ¿Esos son muchos Universos o pocos? ¿Tenemos idea de lo que estamos diciendo?

Aquí es donde las opiniones se dividen.
Veamos.

Por un lado, están los que piensan que no se puede explicar las características de nuestro Universo en forma satisfactoria entre tantos Universos. En un Multiverso tan poblado, cada uno de los Universos (y el Nuestro) serían una situación aleatoria. Es decir que la Física en cada Universo sería diferente y al azar. Más; muchos de ellos serían matemáticamente inconsistentes, y por lo tanto, prohibidos.

Por otro lado, están los que aceptan eso y piensan que todos esos Universos serían posibles; después de todo, no sería la primera vez que se observa orden en el caos de la aleatoriedad.
Hay diferentes tipos de estrellas, incluso de las más exóticas (de neutrones, agujeros negros y asociaciones de diferentes tipos). Todo depende de su masa y ese valor es un valor aleatorio.
Los planetas se encuentran a determinadas distancias de sus estrellas, lo que está dado por las leyes de Kepler (https://www.fisicalab.com/apartado/leyes-kepler#contenidos). Pero esas distancias dependen de la masa y velocidad de cada planeta, lo que se dio al azar en su formación.
Luego, extrapolando esto, no sería raro un Multiverso con características aleatorias donde se dan estabilidades y eventos que implican energías de varios tipos, incluso la obscura (responsable de la aceleración en la expansión del Nuestro.)

Bien… el debate continua y eso es muy bueno.

Referencia:

Fuentes:

pdp.

La Materia Obscura Dinámica.

Se sabe que elusiva materia obscura es el 85% de la materia que compone el Universo.
Como sólo se la detecta gravitacionalmente y no se la observa (por eso el calificativo de osbcura), se busca detectarla por otros medios.
Esta materia se encarga de mantener unidas a las galaxias. Las estrellas más alejadas del centro tienen mayor velocidad de la que deberían, por lo que es necesaria una “pegatina” para mantenerlas a la galaxia; ahí está la materia obscura.

Video: ¿Qué es la Materia Oscura?

Publicado el 11 sept. 2015.

Mucho ee teorizó al respecto.
Primero se sospechó de la validez de la física clásica (Newtoniana) a grandes escalas.

Luego se pensó en la existencia de esta materia como formada por WIMPS. Estas partículas de muy baja interacción podrían llegar a ser detectadas, cosa nada fácil y que aún se intenta. Incluso se dice que los WIMPS son sus propias antipartículas. Así, de encontrarse dos de ellos, se aniquilarían irradiando energía. De esta manera, si los WIMPS penetran al Sol, chocarían con las partículas que lo componen, se frenarían y aumentaría la probabilidad de choque entre ellos. De esta manera se aniquilarían emitiendo cierto tipo de energía y generando partículas (como en todo proceso de decaimiento y aniquilación). Por ejemplo, neutrinos de determinada energía.

Incluso se pensó que cierta radiación X detectada en el cielo, era generada por la interacción de materia obscura con materia ordinaria a una cierta distancia. Pero todo intento de detectarla (que no se sea en forma gravitacional) sigue sin dar frutos (pdp, 09/may./2013, Neutrinos por decaimiento de materia obscura, https://paolera.wordpress.com/2013/05/09/neutrinos-por-decaimiento-de-materia-obscura/).

Pero…, ¿y si la materia obscura son nubes de Hidrógeno frío de difícil detección?

Si es tan común, ¿por qué no la detectamos cerca nuestro o entre nosotros?, salvo que a corta distancia sea repulsiva (pdp, 04/may./2017, ¿Propiedad repulsiva de la materia obscura?, https://paolera.wordpress.com/2017/05/04/propiedad-repulsiva-de-la-materia-obscura/).

Otra: Los agujeros negros, como la materia obscura, no son visibles y se los detecta por gravedad, a menos que estén comiendo materia, la que se recalienta al autofriccionar en su caída y emite radiación. Así, se puede pensar que hay agujeros negros lejos de materia que puedan asimilar y éstos ejercen la gravedad atribuida a la materia obscura (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/). Se encontró que galaxias lejanas, que las vemos jóvenes debido a la distancia, tienen poca materia obscura; ¿acaso aún no tienen suficientes agujeros negros? Debo reconocer que me gusta esta idea, más si tenemos en cuenta que con el tiempo se descubren más agujeros negros.

Algo es seguro, la materia obscura es estable (no se está destruyendo) porque las galaxias están ahí, no se desarman. Luego surge otra idea.

¿Y si la materia obscura está formada por una familia de partículas?

En esa familia, algunas partícula podrían haberse destruido generando otras que están vagando por al Universo. Las restantes, aún permanecen como cuando aparecieron, y en general, la mayor parte de la materia obscura sigue allí. Si ese decaimiento se produjo en los albores del Universo, debió alterar su química. A esta idea se la conoce como Modelo Dinámico de Materia Obscura.

Referencia: