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Simulando agujeros negros.

Muchas veces hacemos simulaciones para observar lo que sucede o sucedería un sistema.
Así, por ejemplo, hacemos una simulación para observar qué sucede durante una colisión de galaxias, ya que no disponemos del tiempo de espera necesario.
También, para estudiar las características de un sistema y verificar la teoría que lo describe, por ejemplo, el caso de un agujero negro.

Podemos emular un agujero negro con el vórtice de succión de un desagüe.

Simulación de agujero neegro en un tanque de agua

Crédito M. Richartz

En las vecindades del desagüe aparece un sutil remolino provocado por el Efecto Coriolis (pdp, El Efecto Coriolis y la conservación del Momento Angular, https://paolera.wordpress.com/2015/07/22/el-efecto-coriolis-y-la-conservacion-del-momento-angular/).
Ese remolino, bien emula el disco de acreción de materia que cae sobre el agujero negro arremolinándose, autofriccionando y recalentándose; lo que genera emisión de energía desde las vecindades del agujero negro.
Si se producen ondas perturbando de alguna manera la superficie del agua, veremos un comportamiento similar a lo que sucede con las ondas de radiación (luz).
Lejos del vórtice, las ondas viajan sin problema. En las vecindades, sienten la velocidad del flujo de agua, del remolino, y son atraídas hacia el vórtice. Eso muestra la radiación absorbida por el agujero negro. Más lejos, las ondas siguen su viaje ya que no sienten la velocidad del flujo de agua.
Pero a distancias intermedias, y más bien hacia el vórtice, las ondas sienten la velocidad del flujo de agua de manera que tienden a desviarse hacia un punto adelante del vértice, dejándolo entre ese punto y el origen de la perturbación. Eso bien emula la desviación de las ondas por el agujero negro, lo que origina las conocidas lentes gravitacionales.
Las ecuaciones de movimiento de las ondas en este caso, coinciden con las que se plantean en las vecindades de un agujero negro.
Incluso, los objetos que floten en el agua, deberán tener cada vez más velocidad para escapar del vórtice a medida que estén más cerca.

Pero hay una simulación más compleja. La que nos permite estimar la temperatura de un agujero negro.
Como todo objeto con energía, el agüero negro debe tener cierta temperatura que obviamente depende de su masa.
Aquí es donde aparece el agujero negro sónico.
Se produjo un flujo de átomos de Rubidio en un estado conocido como condensado de Bose-Einstein. Ese flujo de materia absorbe las ondas de sonido como el agujero negro absorbe las de radiación. Bajo esas condiciones se observó la creación de partículas y antipartículas, las que luego se aniquilaban. Pero en el agujero negro, una queda en el agujero negro y la otra fuera de él. Esta última se aleja dando lugar a la conocida Radiación Hawking.
También se midió la temperatura de ese agujero negro sónico, y su valor estuvo de acuerdo con lo que predice la teoría de Hawking.

Referencias:

Fuente:

pdp

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La energía obscura y la vida en el Universo.

En el Universo se dieron condiciones favorables para la vida tal como la conocemos.
La energía obscura es la encargada de expandir aceleradamente el Universo en el que nacimos. Aunque su naturaleza aún se discute, tuvo un papel importante en la aparición de la vida (pdp, 05/ago./2018, Sobre el origen de la enegía obscura, https://paolera.wordpress.com/2018/08/05/sobre-el-origen-de-la-energia-obscura/).

De haber sido menor, el Universo hubiese recolapsado. De haber sido mayor, la expansión no hubiese permitido la formación de átomos estables.
Su valor, permite la expansión a gran escala, y a escalas pequeñas, permitió la formación de átomos, luego de moléculas y de complejos gaseosos donde nacieron estrellas. Las masivas retornaron material enriquecido al Espacio de donde nacieron estrellas de segunda generación (como el Sol). A su alrededor se generaron planetas y al menos en el Nuestro, se dio la vida.

Si bien las condiciones se dieron físicamente en forma aleatoria, se investigó entre qué valores la energía obscura resultó favorable a la aparición de la vida.
Según los modelos actuales y datos observados, tales como la masa total y constates físicas Universales, la energía obscura es muchísimo menor a la esperada (unas 10-120 veces, o sea 120 órdenes de magnitud inferior).
Coincidentemente, la masa de neutrinos en el Universo es menor a la esperada – ¿hay relación? – para algunos, sí, la hay
Las simulaciones mostraron que si se aumenta la energía obscura a valores muy altos, por ejemplo más del valor esperado, igualmente se tendrían estrellas, en menor cantidad, pero sólo un 15% menos.

Video: Could a Multiverse be hospitable to life?

Publicado el 14 may. 2018

Luego hay un rango muy amplio en el que la energía obscura es favorable a las condiciones de aparición de la vida. Así las cosas, la energía obscura no tuvo mayor influencia en Nuestra aparición en el Universo.

Si existen otros Universos y en ellos hay energía obscura como en el Nuestro, y si suponemos que el valor de éstas es aleaorio, entonces, teniendo en cuenta el amplio rango de valores favorables para aparición de vida, en ellos es altamente probable la aparición o existencia de la vida; eso si la naturaleza de esos Universos no es diferente a la del Nuestro.

Referencia:

Fuentes:

pdp.

Explicando el efecto Mpemba.

Artículo retocado el 22/ene/2019 a las 19:30 Hora Oficial Argentina.
El agua es un compuesto que sorprende por sus propiedades.
Cuando congela, a diferencia de otras substancias, aumenta su volumen. Ante la misma masa o cantidad de agua, esto resulta en una disminución de la densidad. De esta manera, y por el principio de Arquímedes, el hielo de agua flota en agua líquida.
En los lugares donde el hielo siente mayor presión, el punto de congelamiento disminuye (necesita más frío para congelar) y se licua nuevamente. Si ponemos una aguja sobre un cubo de hielo e introducimos todo en el congelador, luego de un tiempo notaremos que la aguja se hundió en el hielo quedando incrustada en él. El peso de la aguja aumentó la presión donde estaba apoyada; en ese lugar bajó el punto de congelamiento y el frío no alcanzó para mantener el hielo. Así, en esa parte del hielo, el agua permitió que la aguja se hunda. Luego que ésta pasó por ese lugar, las condiciones volvieron a ser las anteriores y el frío volvió a congelar ese agua.
Esto hace que en lagos y lagunas sólo se congele la superficie. Debajo de ella, el agua se mantiene líquida por la presión que hace que deba hacer menor temperatura para que se congele. Gracias a esto, puede haber vida bajo la superficie helada.

Pero hay más.
Aristóteles, Francis Bacon y René Descartes hallaron otro comportamiento curioso del agua. En los años ‘60, un estudiante en una escuela de Tanzania, en la clase de cocina observa esto mismo y nació el efecto (o paradoja) Mpemba, llamado así en su honor (Erasto B. Mpemba) por notar que el helado caliente congelaba antes que el frío (https://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_Mpemba). Eso se debe al comportamiento del agua en él.
Luego: el agua caliente, bajo ciertas condiciones, congela antes que la fría.

Recordemos que el calentamiento implica acumulación de energía y el enfriamiento implica lo contrario.

Una idea proponía que el envase caliente, era más eficiente entregando energía el refrigerador.
Otra idea proponía que el agua caliente evaporaba con facilidad, lo que absorbía calor o sea energía (proceso endotérmico), y eso favorecía en enfriamiento.
Pero ahora hay otra explicación, más relacionada con la intimidad de la molécula de agua.
Para entender ésto, recordemos que el agua está formada por moléculas de dos átomos de Hidrógeno (H) y uno de oxígeno (O), o sea H2O.

Molécula de agua. Oxígeno - rojo, el hidrógeno - blanco Foto de archivo - 35894175

Ilustración de molécula de agua crédito de D. Guzhanin

Cuando el agua disminuye su temperatura, sus moléculas tienden a agruparse llegando incluso a estar en contacto. En ese proceso, la repulsión natural “estira” los enlaces O-H haciendo que se almacene energía como cuando se estira un resorte. Esta absorción de energía atenta contra el enfriamiento.
El agua caliente tiene sus moléculas más separadas por lo que los enlaces están más “relajados” y retornan energía, como un resorte que retoma su longitud normal, y eso favorece el enfriamiento.

Posiblemente este efecto se deba a una de estas ideas o a la combinación de ellas.

Referencia:

Fuente:

  • O:H-O Bond Anomalous Relaxation Resolving Mpemba Paradox, Xi Zhang et al., (Submitted on 24 Oct 2013 (v1), last revised 10 Nov 2013 (this version, v2).
    https://arxiv.org/abs/1310.6514

pdp.

Energía obscura y materia obscura en una sola teoría.

La energía obscura y la materia obscura sólo comparten el calificativo.
Eso se debe a que aún se desconoce la naturaleza de ambas.
La materia obscura es la que se encarga de mantener unidas las estructuras galácticas. Por ejemplo: las estrellas más alejadas del centro galáctico se mueven más rápido de lo esperado por lo que deberían escapar. Así, las regiones externas deberían desmenuzarse. Sin embargo, es la materia obscura la que gravitacionalmente las mantiene en la galaxia.
No interactúa de otra manera con la materia ordinaria por lo que no puede detectársela de otra manera que la gravitatoria.

La energía obscura, es la que se encarga de hacer que la expansión del Universo sea cada vez mayor. Es el trabajo encargado de acelerar el alejamiento de las galaxias lejanas.
Si bien se la considera parte inherente del tramado espacio-tiempo, su naturaleza aún se estudia.

Para diciembre del 2018, se desarrolló un modelo que pretende explicar la naturaleza de ambas y más; las vincula como que tienen al mismo origen.
Recordemos que un modelo explicativo del comportamiento de un sistema, no necesariamente debe tener el mismo aspecto o apariencia física que ese sistema.
Por ejemplo: El modelo atómico de Bohr dado por un núcleo formado por protones y neutrones rodeado de electrones, es eso, un modelo que explica el comportamiento del átomo. Ahora, nadie vio un átomo para saber si es así o no… y no importa, el modelo sirve, explica y predice fielmente su comportamiento.

El modelo que trata de explicar a la materia y energía obscuras, se basa en un tipo de materia con una propiedad muy particular; es una materia “negativa”.
Si la materia es una forma de energía, y hay energías negativas como por ejemplo la potencial gravitatoria y los trabajos hechos en contra de una fuerza, bien, a alguien se le ocurrió que podría haber materia negativa.
No es la primera vez que se habla de materia negativa.
Se pueden modelar burbujas de aire en agua a través de materia negativa.

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Imagen crédito:  Mike Lewinski/Flickr, CC BY-ND

De hecho, hay modelos de materia negativa que explican el comportamiento de ciertas partículas halladas en experimentos de la laboratorio.

Para que este tipo de materia exista, habría que retocar otras teorías para que permitan su aparición en el Universo.
Esta materia tendría una propiedad repulsiva con la materia “positiva”.
Así, a gran escala, aceleraría por repulsión el alejamiento de los grandes sistemas galácticos. A escalas galácticas, los halos de materia obscura de las galaxias, se habrían formado de una manera similar a las burbujas de aire en el agua.

Video: Simulation of a Forming Dark Matter Halo.
This is a simulation from a scientific paper titled “A unifying theory of dark energy and dark matter: Negative masses and matter creation within a modified LambdaCDM framework” by Jamie Farnes.

Publicado el 21 nov. 2017

Las estrellas de las regiones externas de las galaxias no escaparían y podrían moverse más rápido de lo esperado, gracias a la repulsión que sienten desde afuera por parte de esta materia negativa. Dentro de la galaxia, la mayor cantidad de materia estaría dada por la materia ordinaria, por lo que la gravitación atractiva que todos conocemos sería la dominante.

Si bien no es mi especialidad, el único detalle que le encuentro a este modelo basado en materia negativa, es que su repulsión con la positiva no está de acuerdo con que la materia ordinaria se acumuló en los filamentos de materia obscura para formar las estructuras galaxias. Quizás este sea otro modelo a corregir.

Referencia:

Fuente:

  • A Unifying Theory of Dark Energy and Dark Matter: Negative Masses and Matter Creation within a Modified ΛCDM Framework, J. S. Farnes.
    (Submitted on 18 Dec 2017 (v1), last revised 26 Oct 2018 (this version, v2)).
    https://arxiv.org/abs/1712.07962

pdp.

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.

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.