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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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Sobre distancias y velocidades de las galaxias (estimando el Universo)

La Astronomía nos ubica en el Universo.
Primero nos sacó del centro del Sistema Solar y luego del de la Vía Láctea. Ahora estamos viendo hasta dónde llega el Universo, las distancias involucradas a las galaxias más lejanas; sus movimientos.
Al principio se midieron las distancias a las galaxias más cercanas y sus velocidades. Resultó que se alejaban y eso no fue todo. Se escapaban más rápido con la distancia. Ahí nació la constante de expansión de Hubble, que nos dice la velocidad de alejamiento en función de la lejanía. Luego, sabiendo que ciertas estrellas variables tienen un brillo intrínseco, se las usó como candelas para estimar las distancias. Midiendo su brillo aparente, se puede saber en base al intrínseco, la distancia a la galaxia donde se encuentra. En base a esa distancia se esperaba que tengan una velocidad de alejamiento dada por la constante de Hubble, pero resultó que se escapaban con mayor velocidad. Apareció la aceleración dada por la energía obscura.
Ahora hay modelos basados en la materia obscura que nos dan la probabilidad de hallar una galaxia a cierta distancia, a esa colección de estimaciones se la conoce como escala de distancia inversa, escala de distancia cósmica o escala de distancia extragaláctica (cosmic distance ladder – https://en.wikipedia.org/wiki/Cosmic_distance_ladder).

Esquema de evolución del Universo crédito de C. FAUCHER-GIGUÈRE, A. LIDZ, AND L. HERNQUIST, SCIENCE 319, 5859 (47)

El problema de las distancias y velocidades no es sencillo a grandes escalas.
Sabemos que cuando vemos un objeto muy lejano, lo vemos como era hace mucho tiempo atrás debido al tiempo que tarda en llegarnos la luz. Luego, en el caso de una galaxia, la observamos joven a una cierta distancia con cierta velocidad de alejamiento. Pero en todo ese tiempo que tardó en llegarnos su imagen, ésta se alejó más. Ahora, ¿dónde está?, ¿cómo se mueve?.
Sólo podemos conjeturar respuestas en base a los modelos que tenemos. Éstos se pueden extrapolar, suponer que las cosas mantienen sus propiedades con el tiempo, pero… ¿hasta dónde o cuándo? No nos olvidemos que a cierta distancia las cosas se alejaban todas con la misma velocidad, luego con mayores y a mayor distancia hay aceleración. Donde unos métodos son buenos, otros fallan, hay errores involcrados y todos dependen de las tan preciadas distancias y velocidades buscadas.

No es fácil.
Es sutil y fascinate.

Referencia:

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.

PSO 352-15, el más brillante de la época de la re-ionización (a jul.2018)

Los lejanos y brillantes cuasares (u objetos cuasiestelares) resultaron ser núcleos activos de galaxias lejanas.
Así, toda galaxia tiene uno en su centro, o sea un núcleo cuya actividad está dominada por el agujero negro supermasivo de su centro. Como la luz tarda en llegarnos, vemos a las galaxias lejanas como eran en un principio. Luego, los cuasares nos sirven para estudiar cómo eran estas estructuras estelares cuando comenzaban a formarse aunque en la actualidad sean galaxias maduras.

El cuasar PSO J352.4034-15.3373 (PSO 352-15) está a 13 mil millones de años luz (AL) de Nosotros; o sea que lo vemos como era hace ese tiempo atrás. Como el Universo tiene casi 14 mil millones de años de edad, ese objeto es uno de los primeros en formarse.

The light in this image emanates from a supermassive black hole at the center of a galaxy 13 billion light-years away.(Credit: Momjian, et al.; B. Saxton (NRAO/AUI/NSF))

Imagen en ondas de radio de PSO 352-15 (objeto central) de los chorros de materia a sus lados. Crédito:  Momjian, et al.; B. Saxton (NRAO/AUI/NSF).

Se observa un cuasar o núcleo galáctico activo y su imagen está acompañada por la de los chorros de materia y energía que emite, todo en un espacio de unos 5000 años luz de largo.

Por su edad, se encuentra en lo que se conoce como la época de re-ionización.
Al principio, toda la materia estaba ionizada, es decir, dividida en las partículas componentes de los átomos. Con el colapso que abriría el camino a la formación de estrellas y objetos masivos, esas partículas se combinaron en los átomos de Hidrógeno y Helio. Con el nacimiento de las primeras estrellas, agujeros negros y sistemas estelares protogalácticos, la energía radiada por esos cuerpos se encargó de volver a partir los átomos, o sea re-ionización (pdp, 05/feb./2015, Big-bang, la época obscura y la re-ionización, https://paolera.wordpress.com/2015/02/05/big-bang-la-epoca-obscura-y-la-re-ionizacion/).
O sea que cuasares como éste, son los responsables de absorber y limpiar sus vecindades de materia y de ser unos de los actores principales de la época de la re-ionización.

PSO 352-15 no es el cuasar (o galaxia) más lejano observado, título que le corresponde a GN-z11 a 13400 millones de AL de Casa, pero sí es el más brillante de aquellos objetos.
De esta manera, es uno de los mejores candidatos a ser estudiado y saber más de aquellas épocas.

Referencia:

Fuentes:

pdp.

Estudiando la evolución de G.

Las constantes son cantidades que no varían bajo diversas condiciones; son permanentes.
Hay constantes Universales. Son aquellas que tienen el mismo valor en todas partes; en todo el Universo.
Una de ellas es la velocidad de la luz en vacío. La pregunta es: ¿siempre fue de 300 mil Kms./seg.? Cuando el Universo se expandió, la luz llenó todo por completo logrando que tenga la misma temperatura en toda su extensión. Hoy en día, el Universo tiene 14 mil millones de años. La luz viajando siempre a su velocidad constante, recorrió 14 mil millones de años luz (AL).
Así, si observamos en una dirección, veremos la radiación de fondo producida en el origen de Universo que nos llega de 14 mil millones de AL. Si observamos en la dirección opuesta, observaremos lo mismo. O sea que la radiación de fondo, viajó 28 mil millones de AL en el tiempo que debería haber viajado 14 mil millones de AL.
Una explicación es que la velocidad de la luz era mayor en los orígenes del Universo, ganándole a la gravedad, la que hoy en día, se supone que viaja a la misma velocidad que la luz ya que ésta es un límite físico. A esto se lo conoce como el problema de horizontes (pdp, 24/nov./2016, El problema de horizontes…, https://paolera.wordpress.com/2016/11/24/el-problema-de-horzontes-y-la-velocidad-de-la-luz/).

Otra constante Universal, es la constante de gravitación (G) (https://es.wikipedia.org/wiki/Constante_de_gravitaci%C3%B3n_universal).

{\displaystyle G=6.674\times 10^{-11}\;{\cfrac {{\text{N}}\cdot {\text{m}}^{2}}{{\text{kg}}^{2}}}}

Valor de G en el sistema MKS.

Esa constante aparece en todo proceso relacionado con la gravitación. La pregunta es: ¿Siempre tuvo el mismo valor?; ¿es la misma en todas partes?, o sea ¿es realmente Universal?
Eso se puede verificar de dos maneras.

Una forma es a través de las supernovas (SNs). Esa colosal muerte explosiva de estrellas masivas, depende de la masa de la estrella. Su brillo aparente, obviamente depende de la distancia a ella.
El evento de SN, se debe al colapso gravitacional de la estrella masiva sobre ella misma, por lo que está implicada G. Todas las SNs tienen el mismo brillo intrínseco el que depende de su masa, lo que nos permite medir su distancia en base al brillo aparente observado.
Si los modelos nos dan la masa de la estrella precursora y si sabemos la distancia a ella, podemos estimar su brillo intrínseco y el valor de G.

Otra manera de estimar G es a través de las estrellas de neutrones (ENs).
Son estrellas masivas que colapsaron, estallaron y dejaron un núcleo compacto masivo muy comprimido, donde electrones y protones se unieron en neutrones.
Cuando dos ENs chocan, no sólo se libera energía sino que además se generan ondas gravitatorias como las que ya se han detectado.
En ese proceso, también está involucrada G.
Si los modelos nos permiten calcular las masas intervinientes en el evento y estimar la distancia a la fuente, podremos despejar el valor de esa constante.

Luego, podemos estimar G de dos maneras para diferentes distancias.
Eso permite saber dos cosas.
Primero: El valor de G en diferentes lugares del Universo.
Segundo: Su historia. Como la distancia hace que la información nos llegue luego de mucho tiempo, lo observado corresponde a épocas anteriores al Universo actual, tanto más cuanto más lejos. Así entonces, podremos saber el valor de G a lo largo de la edad del Universo.

En suma, los instrumentos actuales nos permitirán saber con buena exactitud, la evolución de G en diferentes lugares del Universo.

Fuente:

  • arXiv:1804.03066v1 [astro-ph.CO] 9 Apr 2018, Constraining the time variation of Newton’s constant G with gravitational-wave standard sirens and supernovae, Wen Zhao et al.
    https://arxiv.org/pdf/1804.03066.pdf

pdp.