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¿Cuál es la mayor distancia esperada para un objeto en el Univesro?

El Año Luz (AL) es la distancia que recorre la luz en un año viajando a 300 mil Km./seg.
Así, si la luz de un objeto tarda en llegarnos cierto tiempo t expresado en años, decimos que está a una distancia dada por t AL.
Si el Universo nació hace unos 14 mil millones de años (13800 millones), un objeto nacido con Él y moviéndose a la velocidad de la luz estará a unos 14 mil millones de AL de nosotros.
Así, en primera instancia, esa sería la mayor distancia esperada para un objeto.

File:NASA-HS201427a-HubbleUltraDeepField2014-20140603.jpg

Galaxias distantes – Crédito: Hubble Team, Space Telescope

Pero resulta que los objetos no están quietos. Si su luz tardó t años en llegarnos, en ese tiempo se habrá movido otros t AL; luego el objeto más lejano podría estar a unos 28 mil millones de AL (27600 millones).
Pero hay objetos a unos 30 mil millones de AL, como por ejemplo la galaxia GN-z11 (https://es.wikipedia.org/wiki/GN-z11).

Cuando hablamos de altas velocidades como la de la luz, se dan efectos relativísticos. Uno de ellos es el conocido como contracción de las barras. A altas velocidades, las dimensiones en la dirección del movimiento se acortan, no así las perpendiculares a él.
Cuando medimos la distancia a un objeto lejano alejándose a gran velocidad, sucede este efecto. Si corregimos por Relatividad, la distancia es mayor. Luego, en este caso, la máxima distancia pasa a ser 3 veces la observada; así tenemos que la máxima distancia esperada sería de 41 mil millones de AL (41400 millones, es decir 3 veces 13800 millones).
Pero recordemos que el Universo se expande. Eso hace que nuestra “regla” quede fuera de escala porque ella no se estira con el espacio que mide. Así, ahora, la máxima distancia esperada es mayor aún. Pero queda algo más a tener en cuenta.

La curvatura del espacio-tiempo por la presencia de grandes estructuras masivas.
La distancia a gran escala, deja de ser la longitud de la recta entre dos puntos para ser la longitud de la curva que los une. Haciendo las cuentas involucradas, el resultado para la mayor distancia esperada es de 46 mil millones de AL.

Pensemos.
De esta manera, el Universo es de 92 mil millones de AL de “ancho”. La observación de la radiación de fondo en micro-ondas, originada en el Big Bang, está por todo el cielo. Eso indica que la luz recorrió todo el Universo desde que comenzó hasta Hoy.
Luego, recorrió el Universo de un extremo al otro, en el tiempo en que debía haber recorrido sólo la distancia a un extremo; o sea ¿cómo pudo la luz recorrer el doble de lo que podía haber recorrido en lo que va del Universo?
A esto se lo conoce como el problema de horizontes.
Tal vez la luz tenía una mayor velocidad en aquellos tiempos cuando todo comenzó (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/)

Referencia:

pdp.

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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.

El naciente coloso Hyperion

En el Universo, las grandes estructuras son jerárquicas, o sea que están formadas por otras menores.
Todas se forman por procesos similares aunque a diferentes escalas.
De las grandes nubes frías (moleculares) se forman las estrellas. Nacen por el colapso de esa nube en diferentes regiones, dando lugar a racimos de protoestrellas.
A media que maduran, van interactuando entre ellas. Esto genera un caos en el que unas precipitan sobre otras dando origen a objetos masivos. Las que no se fusionan con otras, pasan muy cerca de tal manera que se aceleran gravitacionalmente y pueden escapar de esa región. Así, unas estrellas abandonan el lugar de donde nacieron y otras quedan formando estructuras estelares o cúmulos.
Cuando todo se “relaja” el caos disminuye, las estrellas interactúan gravitacionalmente entre ellas sin expulsarse de lo que fue su lugar de nacimiento y el sistema está… formado.

Algo similar sucede con las estructuras galácticas.
La materia obscura (esa materia aún no observable que mantiene unidas a las grandes estructuras galácticas) colapsa en filamentos. En torno a ellos comienza a colapsar la materia ordinaria y comienzan a formarse las protogalaxias. Se da una situación caótica similar a la anterior. Unas se unen a otras mientras algunas son eyectadas del grupo. Así, cuando el sistema se relaja, quedan formadas las estructuras galácticas. En ellas, las galaxias interactúan, se asimilan, crecen y precipitan hacia el centro de sus estructuras. A su vez, esas estructuras pueden precipitar sobre la estructura mayor que las contiene, la que puede ser un hipercúmulo o muralla galáctica.

En nuestro caso, la Vía Láctea pertenece al cúmulo de galaxias conocido como Grupo Local. Éste pertenece al Supercúmulo de Virgo, al menos hasta septiembre del 2014.
Resultó que el Supercúmulo de Virgo está embebido en una estructura mayor bautizada como Laniakea la que sería digamos… un hipercúmulo. Tiene una extensión de 500 millones de años luz (AL) y 100 mil billones de masas como la del Sol (1017 ). En realidad, Laniakea es el verdadero supercúmulo, donde el de Virgo es un lóbulo inferior. (pdp, 05/sep,/2014, Laniakea, el cielo inconmensurable, https://paolera.wordpress.com/2014/09/05/laniakea-el-cielo-inconmensurable/), (Astronomía online, 07/09/2014, Cielo inconmensurable…, https://www.astronomiaonline.com/2014/09/crean-el-primer-mapa-detallado-del-supercumulo-laniakea-nuestro-lugar-en-el-universo/).

Ahora, se ha descubierto otra colosal estructura galáctica.
Bautizada como Hyperion, con una masa 5000 billones de masas Solares (5*1015) y un ancho como el de Laniakea. Se encuentra a 11 mil millones de AL de casa, casi el límite del Universo observable. Como la luz tarda ese tiempo en llegarnos, lo vemos como era hace ese tiempo. El Universo tiene unos 14 mil millones de años, por lo que Hyperion nos muestra su aspecto de cuando se formó unos 3 mil millones de años luego del Big Bang.

Video: The Hyperion Proto-Supercluster.

Subido el 16 oct. 2018.

Aún está en proceso de relajación, por lo que no terminó de formarse, luego, se trata de un proto-supercúmulo de galaxias. En su interior maduran protogalaxias y galaxias, en ellas por el proceso arriba explicado, maduran y brillan estrellas, y en torno a ellas, tal vez, casi seguro, madurarán sistemas planetarios, todo bajo el mismo proceso a diferentes escalas, donde la relajación es la meta.
Su observación nos enseñará cómo evolucionan estas estructuras, incluso como nació nuestra Laniakea.

Referencia:

Fuente:

pdp.

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.

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:

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.