sábado, 13 de agosto de 2016

Orígenes. El Universo. Capítulo 4 - Pruebas observacionales

Siempre ha habido pensadores, gente que expresa su opinión o su visión sobre algo basándose en argumentos lógicos o, en épocas más recientes, matemáticos. Pero toda opinión o visión sobre algo necesita ser demostrada cierta.

En general una visión u opinión en cuanto a algún hecho que ocurra en algún lugar del universo se puede clasificar como:

  • Ley o Principio, que serían las certezas absolutas
  • Teoría, algo que tiene una cierta fiabilidad
  • Modelo, una especie de juego académico o experimento mental

En astrofísica y cosmología, la experimentación es muy complicada, por lo que para demostrar algo, hay que observar y obtener pruebas observacionales.

Creemos que el origen del universo se basa en que hubo una gran explosión que dio lugar a todo lo que vemos y tenemos pruebas observacionales de ello. La primera prueba y casi la más importante, la obtuvo Edwin Hubble apoyándose en las observaciones de Milton Humason, el no-astrónomo profesional más importante del s. XX. Usando la técnica para medir velocidades de objetos extragalácticos, basada en el efecto Doppler que puso en práctica Vesto Slipher, e intentando resolver estrellas variables del tipo Cefeida en otras galaxias, las cuales tienen una relación entre su luminosidad intrínseca y su periodo de variabilidad tal y como encontró Henrietta Leavitt, Hubble encontró que las galaxias se alejan de nosotros, y que cuanto más lejos, más rápido se alejan. Encontró una relación tan sencilla como que la velocidad es proporcional a la distancia. Esta proporcionalidad la da la constante de Hubble, que no es exactamente constante, sino que varía con el tiempo.

Representación de la ley de Hubble (Fuente)
Se podría pensar que estamos en el centro del universo, y así lo pensó Hubble, pero en realidad todo se aleja de todo y si estuviéramos en otro lugar del universo, observaríamos lo mismo. Lo que ocurre es que lo que se expande es el espacio-tiempo y no hay ningún lugar privilegiado.

Uno de los grandes problemas que ha tenido el modelo de la Gran Explosión es que se ha dado a entender, sobre todo a nivel de divulgación, que la explosión tuvo lugar en un determinado punto y a partir de ahí se expandió. Es un error, en el momento de la Gran Explosión, el universo ya era infinito y lo que ocurre es que en ese momento, todos los puntos del universo, es decir del espacio tiempo comienzan a expandirse.

Hay otra prueba muy importante y que se basa en la química. Fraunhofer construyó el primer espectrógrafo funcional y Kirchoff y Bunsen descubrieron que las líneas que se observaban en los espectros de Fraunhofer eran los elementos químicos presentes en lo que se estaba observando o en lo que había entre ese objeto observado y el observador. Observando los espectros de estrellas, galaxias y demás objetos del universo hemos visto que el universo se compone principalmente de dos elementos en proporciones de un 74% de hidrógeno y un 24% de helio. El resto de los elementos del universo son metales (químicos taparos los ojos, porque lo de que los astrofísicos llamamos metal a todo lo que no sea H o He es totalmente cierto).

Los avances en el conocimiento de física nuclear combinado con las pruebas observacionales llevaron al Alpher y Gamow a publicar uno de los artículos más importantes de la historia de la cosmología, “el artículo αβγ”. En él, mediante cálculos de física nuclear se demostraba que la composición química del universo observada coincidía con lo predicho por el modelo de la gran explosión.

Sin embargo la composición química, va cambiando poco a poco. El componente principal de las estrellas es el hidrógeno y lo utilizan para generar energía y emitir radiación. Esta generación de energía se realiza mediante reacciones nucleares en las que se fusiona el hidrógeno para generar He (mediante las cadenas protón-protón y ciclo CNO). A partir del He se genera carbono y a través del proceso α se pueden fusionar elementos más pesados que, cuando la estrella muere, enriquecen el medio interestelar con elementos más pesados que el H y He originales.

La última prueba observacional que tenemos es el fondo cósmico de microondas. El universo no se compone sólo de elementos químicos, también de radiación (y de materia y energía oscuras…). Cuando el universo se hizo transparente a la radiación, ésta empezó a distribuirse por todo el universo. El descubrimiento del fondo cósmico de microondas es conocido por todos y ya se mencionó en el resumen de los capítulos 1, 2 y 3. Penzias y Wilson estaban trabajando con una antena de telecomunicaciones que estaban reutilizando para estudiar la emisión en radio de la Vía Láctea y otros objetos del cielo. En los datos que obtenían, había un ruido de fondo que no conseguían eliminar ni limpiando la “sustancia dieléctrica blanda” que habían dejado unas, ni desmontándola y volviéndola a montar. Le comentaron este hecho a un astrónomo y éste les habló de un artículo que Pebbles, Dicke, Roll y Wilkinson, de la universidad de Princeton, habían estado escribiendo sobre la temperatura del fondo cósmico. Penzias y Wilson llamaron a Princeton y les contaron lo que habían descubierto. Penzias y Wilson se anticiparon al equipo de Princeton. Ambos equipos escribieron unos artículos anunciando sus resultados (aquí y aquí), pero sólo Penzias y Wilson. recibieron el Premio Nobel.

Fondo Cósmico de Microondas obtenido por el satélite Planck (Fuente: ESA)
El ruido que “vieron” Penzias y Wilson parecía provenir de todos los lados del universo con igual intensidad. Esa isotropía perfecta se debe sólo a que la antena no tenía la suficiente precisión. Resultados posteriores obtenidos con satélites más precisos como COBE, WMAP o Planck han revelado pequeñas variaciones de temperatura en ese fondo de microondas (¡del orden de poco más de una millonésima de grado!). Sin embargo, esas pequeñas variaciones son las que podrían ayudarnos a explicar la evolución del universo en un futuro para llegar a lo que podemos observar hoy.

Este capítulo también dedica unas páginas muy importantes a la evolución estelar, pero a pesar de que la evolución estelar es mi campo preferido en Astrofísica, he preferido no resumirla por no constituir, de manera directa, a las principales pruebas observacionales de la evolución del universo. Si queréis podemos comentarlo en la discusión.

No propongo un tema de discusión en especial, creo que el capítulo da para mucho y todos tendremos dudas o ideas para comentar, pero sí me gustaría hacer un pregunta. Como astrofísico lo que más me ha llamado siempre la atención es que la única manera de obtener información de objetos que están muy lejos es a través de la luz que recibimos. Prácticamente a través de medidas fotométricas o espectrográficas (y sus variaciones como por ejemplo espectropolarimetría). Esto no siempre pasa en otras áreas, trabajando en ingeniería veo que todo se puede medir in situ. ¿Qué os parece ésto? ¿Creéis que con sólo medir la luz llegaremos a tener un conocimiento detallado del universo o necesitaremos más?

33 comentarios:

  1. Hola buenos dias y excelente resumen Jorge Bueno.

    Desde que empecé a interesarme por la astronomia, astrofisica y quimica pronto me di cuenta de que todo tenia una relacion muy fuerte, como si todo fuera una sola cosa pero vista con apartados. Nunca dejará de asombrarme la capacidad que pueda tener una o un grupo de personas para (y siguiendo un metodo) llevar a termino un descubrimiento que cambie tando la visión de las cosas al resto de la humanidad. El metodo ya sabeis cual es, el cientifico y las personas que lo realizan son los cientificos salvando algunas excepciones como nos ha dicho Jorge y hay algunos mas en la historia que sin ser cientificos profesionales han logrado hacer descubrimientos que cambiaron nuestra forma de ver las cosas, y no solo en cosmologia.
    Desde aquí mi reconocimiento y asombro tanto a unos como a otros.

    Bueno, despues del peloteo jeje voy a responder a las preguntas que de bien seguro Jorge sabe las respuestas. Para mi,un no-fisico no-universitario y que nunca ha estudiado formalmente esta materia digo que a la vista de los nuevos componentes del universo y sabiendo que son mayoritarios, me refiero a la materia oscura y a la energia oscura, creo que a traves de la espectroscopia (el estudio de la luz) no es suficiente para tener un conocimiento de todo lo que "es" el universo. Es claro que a traves de la luz se han podido descubrir muchiiiisimas cosas y es la mejor "herramienta" para descubrir muchas mas pero para los componentes llamados oscuros y otras zonas del universo,necesitaremos tecnologia que hoy dia ya tenemos (vease los detectores de neutrinos como KAMIOCANDE, CANFRANC entre otros muchos) que usa la luz como resultado para detectarlo ó (detectores de ondas gravitacionales como LIGO) que no se exactamente como funciona. Por supuesto necesitaremos tecnologia que ni siquiera hoy se sabe que existe o que se pueda imaginar. Aquí la historia nos ha dado ya muchos ejemplos de que siguiendo paso a paso y con pie firme (y presupuesto) se pueden conseguir muchas cosas increibles y maravillosas.

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    1. Hola Sergio,

      has comentado un punto muy importante para ver como será la cosmología en (esperemos) pocos años: las ondas gravitacionales. A través de la teoría en conjunción con la observación las ondas gravitacionales no sólo nos permitirá entrar en el interior de agujeros negros si no que también ayudará, y mucho, en física de astropartículas.

      Entender como se detectan las ondas gravitacionales es relativamente sencillo ya que se basa en interferometría que es una técnica que ya se usa habitualmente, sobre todo en radioastronomía. La interferometría se basa en una propiedad de la luz que consiste en que si dos ondas coinciden en el tiempo sus amplitudes se suman y si difieren en tiempo, se restan (igual que pasa con las ondas en el agua). Si tienes dos haces de luz, en este caso láser, reflejándose en dos espejos y uniéndose tras reflejarse en el mismo punto al mismo tiempo, lo que consigues es que la intensidad de ambas sea la suma de las iniciales, si no, su intensidad se resta, es decir, aparece un vacío en la imagen. LIGO son dos haces de luz perpendiculares que tras reflejarse en unos espejos coinciden en el mismo punto y al mismo tiempo. Cuando pasa una onda gravitacional, la longitud de uno de los brazos (la que coincida con la dirección de la onda gravitacional) se acorta o se alarga, con lo cual el tiempo que tarda en reflejarse y llegar al mismo punto que el haz láser que no se ve afectado por la onda gravitacional es diferente. En ese momento la intensidad de los dos haces no será la "nominal" (la intensidad no será la suma de las dos ondas) por lo que midiendo la intensidad resultante se puede ver si la longitud de los haces ha sido acortada y si ha sido debido a una onda gravitacional.

      Fíjate en lo curioso de esto. Podemos usar ondas gravitacionales para entender fenómenos no electromagnéticos pero los seguiremos observando a través de medidas de luz (láser, pero luz) ;o))

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    2. Gracias por la aclaración, sabia que era a traves de laser pero no lo concebia tal y como lo has explicado.
      Si, es realmente curioso, y aun exceptuando creo que al 95% al LHC (Large hadron colider) acelerador de particulas del CERN,por que tambien mide los resultados de las colisiones con fotones pero tambien en particulas cargadas, estemos descubriendo tantas cosas por el metodo de la luz, quien sabe lo que nos espera conocer cuando entendamos bien tambien a los neutrinos y ondas gravitatorias como bien dice Santos Mondejar. No hablemos ya cuando podamos entender la materia oscura que para mi que no solo está en las particulas Wimp y otras de las que se especulan. Deben ser familias como las que tenemos en el modelo estandar posiblemente mas masivas o no, frias o calientes (aunque emitirian luz en ese caso). Quiza responden a alguna otra fuerza (campo) que aun no conocemos y que corrobore la nueva fisica (aquí hay a quien les gusta y a quien no) perdón, tambien me dejo llevar por el entusiasmo, Jorge tu no te cortes jajaja.

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    3. Hola. Sí, es bastante increíble todo lo que podemos llegar a aprender de los astros (y del Universo en conjunto) sólo "mirando" la luz que nos llega. Hasta hace pocos, muy pocos, años, parecía que eso iba a ser todo lo que podríamos aprender. Pero como habéis dicho, desde hace muy poco se han abierto al menos tres formas "nuevas" de observar el cielo: con partículas de muy alta energía (rayos cósmicos), aunque tienen el problema de que por su propia naturaleza creemos que no pueden llegar de demasiado lejos; con neutrinos, de momento sólo del Sol o de objetos relativamente cercanos; y con ondas gravitacionales. En el caso de las dos últimas el sueño será poder estudiar las primerísimas etapas del Universo, mucho antes de que se liberara la luz del fondo cósmico de microondas. Pero ojo, posiblemente estemos bastante lejos de eso desde el punto de vista práctico.

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  3. Si que es cierto que a traves de la luz se han descubiero los cos componentes mas abundantes del universo, el efecto de lente gravitacional, la rotacion galactica y el halo galactico para la materia oscura y por otro lado el corrimiento al rojo para la energia oscura, pero para saber de que están hechos nos quedara corta la luz.

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  5. Hola a todos
    Jorge, magnífico el resumen. Gracias por ponerlo tan fácil.

    Nos preguntas sobre la luz. La verdad es que a mi ya me parece increíble que con solo estudiar la luz hayamos llegado a saber lo que sabemos del Universo . Sé que no hemos hecho más que empezar pero para alguien sin conocimientos de astrofísica, como yo, pensar que la luz te puede informar sobre el tipo de átomos existentes en estrellas situadas a distancias tan fuera de nuestra escala parece de ciencia ficción.
    Por otra parte, si materia y energía van tan estrechamente relacionadas y energía implica radiación, no parce que la idea sea tan descabellada.
    Desde luego dos cosas hay claras: una que no podemos ir allí y la segunda que la Humanidad tiene afán por saber. Esta combinación nos está obligando a esforzarnos en desarrollar tecnologías que nos proporcionen cada vez más información. Seguro que conoceríamos mucho mejor el universo si pudiéramos movernos por él, pero seguro también que aprenderemos a ver muchas más cosas en la radiación que nos llega.

    En cuanto al capítulo, me ha gustado mucho, Alberto. Creo has tenido la habilidad de sintetizar y organizar muchos conceptos de los que he oído hablar muchas veces por separado. Aunque a mi, para variar, me ha surgido una duda:
    Si las estrellas convierten hidrógeno en helio, y posteriormente en elementos más pesados, en un proceso irreversible, ¿llegará un momento en que se agote el hidrógeno del Universo? ¿O en un Universo infinito la cantidad de hidrógeno también es infinita?
    ¡Saludos a todos y que disfrutéis del puente!

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    1. Hola Ana,

      piensa para que una estrella sea una estrella tiene que fusionar hidrógeno en helio (también puede fusionar deuterio o litio antes de convertirse en estrella, pero en ese caso serían una protoestrella o una enana marrón). Cuando el H se acaba. Se empieza a fusionar He (más una capa de H alrededor del núcleo donde se fusiona un poco de H) en C. Aquí si la estrella es poco masiva (menos de 8 masas solares), se acaba el proceso y el poco H o He que quedaban en la atmósfera estelar se van al medio interestelar de manera "suave". Si la estrella es más masiva, se continuará fusionando C hasta llegar al Fe y Ni, que ya no se pueden fusionar y terminan como supernova, volviendo a diseminar todos estos elementos al medio interestelar (aquí también se crean elementos más pesados que el Fe o Ni a través de procesos de captura de neutrones). El resultado es que una estrella que se formó por acumulación de H en una nube molecular, al morir no deja casi nada de ese H y puebla el medio interestelar con elementos más pesados. Así que sí, en un futuro muy lejano, el H se acabará y lo peor de todo es que dejarán de formarse estrellas... :o((

      ¡Buen puente!

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    2. Hola! Jorge ya ha contestado, y muy correctamente, a la pregunta. Si acaso sólo aclarar que la posibilidad de que el Hidrógeno del Universo se pueda acabar es cierta si pensamos desde un punto de vista muy "teórico", pero en realidad lo más lógico es que no sea así. Para empezar, incluso las estrellas más masivas, que llegan a quemar núcleos relativamente pesados, siguen teniendo capas exteriores de Hidrógeno que, por estar lejos de las presiones del núcleo, no llegan a quemarse. Y el proceso de formación estelar no es muy eficiente, es decir, una gran cantidad del gas que está "disponible" para formar estrellas no llega a formarlas nunca, por ser demasiado difuso. De hecho, aún hoy después de tantas generaciones de formación estelar, la mayor parte de la materia "normal" del Universo se encuentra en forma de ese gas difuso---parte de él ha sido digerido y expulsado por estrellas, pero una gran parte sigue siendo gas "limpio", directamente procedente del Big Bang, que nunca ha sido procesado. Posiblemente una buena parte de ese gas frío, que ocupa zonas "aproximadamente vacías" del Universo, siga así hasta el fin de los tiempos...

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  6. Buenas tardes
    Gracias Jorge por el gran resumen, se hace corto leerlo y eso lo dice todo.

    El capítulo es inmenso antes de leerlo pero te va atrapando y se hace ameno lo que considero un buen piropo, sobre todo viniendo de un profano en el tema.

    No sé si me he enterado bien. Tras el final de una estrella el material se reparte. Se irá atrayendo y formando nubes que darán lugar a otra estrella. Los átomos "pesados" (no quiero decir metales) pueden unirse y formar planetas sólidos. No veo claro que en el centro quede el hidrógeno (estrella) y más hacia fuera abunden los pesados. Tiendo a imaginar que los de más masa irían al centro. Claro que tampoco tengo clara la idea de esa inmensa masa de polvo.

    Coincido con la idea de que con sólo la luz estamos llegando muy lejos y con la de que los grandes avances vendrán del estudio de otras cosas como las ondas gravitacionales. Cuando las entendamos la décima parte de lo que entendemos de la luz sabremos mucho más del tema.

    Hasta luego

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    1. Hola Santos,

      lo normal es que los átomos pesados fueran al centro y los ligeros fueran al centro (de hecho, si lo piensas, y se comentará en el libro más adelante, esa es la razón por la que los planetas interiores del sistema solar son rocosos y los exteriores gaseosos), pero tienes que pensar que en el universo, la fuerza de la gravedad no es la única que actual.

      Las estrellas de población III se formaron a base de hidrógeno y es lo que fusionaron para dar elementos más pesados. Esos elementos se distribuyeron, pero no uniformemente debido a vientos estelares o las propias explosiones de supernova. Eso generó una "asimetría", por llamarlo de alguna manera. Además, si piensas que uno de los elementos resultantes de una supernova, o mejor de la muerte de una estrella poco masiva, es el carbono y piensas lo estables que son los compuestos de carbono en los seres vivos, por ejemplo, verás porqué estos elementos no están tan disponibles para formar nuevas estrellas. En el medio interestelar, en esas nubes que dan lugar a las estrellas, se han encontrado compuestos orgánicos complejos como metano y hasta fullerenos. Estos elementos más pesados, además, son poco abundantes en el universo (con poco, quiero decir que pueden formar planetas y vida, pero aún así son poco abundantes) y cuando se integran en la estrella tienen un problema, incluso si están en el núcleo: la energía necesaria para fusionarse con otros átomos del mismo tipo es muy alta!!! Sin embargo, sí están en el núcleo y participan en la fusión del hidrógeno. Dependiendo del tamaño de la estrella existen varias maneras de fusionar hidrógeno. Las cadenas protón-protón son muy importantes y las únicas que actuaban en las estrellas de población III, pero en estrellas tipo Sol, el ciclo CNO es tan relevante como las cadenas p-p. El C, por decirlo de alguna forma, actúa como catalizador de la reacción y ayuda a que el H se fusione para dar He.

      Así que sí, estos elementos más pesados están en el núcleo de las estrellas, pero no son tan abundantes como el hidrógeno y necesitan una energía muy alta para fusionarse, así que aunque el H se agote y el medio interestelar se pueble con "metales" lo que ocurrirá en ese momento es que se formarán "piedras" pero nunca estrellas (al menos tal y como las conocemos ahora).

      Creo que voy a dejar de responder, porque mis respuestas parecen posts en si mismos (sobre todo si me tocáis la vena de la formación estelar ;o))

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  7. Gracias Jorge. Aclarada la composición de las estrellas vuelvo con los planetas. Los gigantes gaseosos cumplirían poco más o menos con la distribución de de átomos pero los rocosos no. ¿Cómo se explica esta diferenciación?

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    1. La formación de planetas y como se separan los elementos es, todavía, una teoría, pero lo que se cree es lo siguiente.

      Partimos de la nube forma la estrella. Esta, al principio, estaba girando, según se va contrayendo para formar la estrella, por conservación de momento angular empieza a girar más rápido, a veces tanto que tiene que tiene que disminuir su velocidad, pero como el momento angular se conserva, entra en juego el campo magnético y a veces se emiten unos chorros de partículas por los polos que pueden ionizar el medio interestelar formando objetos Herbig-Haro.

      Cuando la estrella se ha formado, prácticamente tiene el 99% del material que había en la nube original, el resto sigue girando alrededor de la estrella. Este material (átomos, moléculas y polvo) empieza a colisionar entre sí, mientras está girando. En las colisiones, si son inelásticas y el material queda unido, se tiene que conservar el momento lineal, así que su nueva órbita alrededor de la estrella será perpendicular al eje de giro, es decir, se va formando un plano orbital, que es el que observamos en el sistema solar y en otros sistemas estelares que se han encontrado.

      El choque de material va aumentando y se forman planetesimales. A mayor tamaño, mayor gravedad, así que atraen más material y crecen de tamaño.

      Ahora viene la distinción de materiales. El polvo y metales más pesados, son atraídos más fuertemente hacia la estrella, por eso los planetas interiores son rocosos. Pero también el gas puede quedarse atrapado en estos planetas interiores por efecto de la gravedad de los mismos.

      Por otro lado, la estrella cuando empieza a emitir radiación ejerce una presión de radiación en todo el sistema, esto genera un viento estelar que hace que los elementos menos pesados, se alejen de ella hacia fuera del sistema. Estos elementos poco pesados (principalmente H y He que no se quedó en la estrella), seguirán colisionando y uniéndose para formar planetas. Estos planetas alejados de la estrella serán principalmente gaseosos. Pueden llegar a ser muy grandes, por lo que tendrán una gravedad muy alta que hará que otros cuerpos rocosos empiecen a colisionar entre sí en unas órbitas a su alrededor y formarán satélites de los gigantes gaseosos.

      Al principio he dicho que es una teoría porque tengo dudas de que sea exactamente así, o al menos no conozco la teoría en detalle como para explicar que en los exoplanetas descubiertos muchos sean gigantes gaseosos que orbitan en torno a su estrella mucho más cerca de ella que lo que está Mercurio del Sol. Pero, todo puede ser que no conozca la teoría del todo…

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    2. No sabía la explicación de la formación del plano orbital y que sea el viento solar el responsable de la separación de materiales me convence. Habrá que mejorar la teoría para explicar la presencia de gigantes cercanos, ya tenemos algo en qué pensar...

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  8. Genial capítulo y genial resumen

    Antes de nada, decir que creo que NO comparto lo que dice el texto sobre que las leyes y las teorías son en cierto modo comparables (no recuerdo como se decía, no tengo el libro cuando escribo esto). Desde mi punto de vista las leyes son algo que ocurre sí o sí (creo que nunca dejarán de cumplirse, lo único en lo que "evolucionan" es en concretar las condiciones en las que se cumplen) y sin embargo las teorías/modelos son explicaciones que en un momento dado funcionan (son coherentes) con todas las leyes y datos conocidos (por ello se consideran correctas en ese instante) pero que podrían dejar de ser consideradas correctas a la vista de nuevas leyes o datos.

    Con respecto a la 1º prueba observacional.

    Por fin un texto me ha aclarado el lió mental que tenía con lo del corrimiento hacia el rojo (sale mal en muchos sitios -en todos los libros de texto donde yo lo he leído está mal, aunque seguro que en alguno estará bien-). Saber que es incorrecta la explicación desde el efecto Doppler me deja perplejo: ¡aunque permita una aproximación a la observación creo que al final conduce a muchos malentendidos!

    Con respecto a que el espacio era ya infinito al empezar ¿todos los "astrónomos" tienen esa "visión" o es la del autor? Desde luego le reconozco al autor que así es mucho más fácil de entender los corrimientos de los espectros.

    También me ha gustado mucho como se explica "el mayor error de Einstein". Esta muy claro.

    Con respecto a la 2º prueba observacional.

    Como dije en el comentario del primer resumen, desconocía que el 75%H:25%He fuera una prueba del modelo del origen del universo. Me ha gustado mucho y me ha parecido muy clara la exposición (realmente creo que ha usado ideas que los estudiantes de física y química de 2º de bachillerato deberían más o menos de entender). Desde luego cuando explique espectros o procesos nucleares les introduciré que esto es una prueba junto con las otras dos. Por cierto, imagino que el ABG (no tengo activada notación griega en móvil) de 1948 sería posterior a la deducción, por las ecuaciones que rigen el modelo, de las temperaturas en los instantes iniciales (Jorge, tú lo afirmas, en el libro creo que no estaba esa afirmación) ¿es así?
    Es que si no a mí me da la sensación, por lo que he leído en el capítulo (porque no he leído más sobre este tema), que podría decirse que ABG es parte del modelo pero no una prueba encontrada después. Si podéis aclarármelo por favor.

    Por otro lado tengo un par de dudas (añado alguna más después de leer comentarios de Jorge, os voy siguiendo de vez en cuando me entra cobertura, pero no la suficiente para mandar comentario) y a ver si podéis solucionármelas:
    - Al colapsar la materia y formarse una protoestrella y... se conservan los momentos angulares conforme se juntan pero ¿por qué gana una dirección de caída y al final gira? La respuesta será tonta (y me imagino que igual para los torbellinos en el agua o en el aire) pero de momento solo se me ocurre que podría ser una falta de simetría inicial y aun así no lo llego a entender bien.
    - Añado después de leer comentario de Jorge, ¿por qué para conservarse momento lineal tiene que ser un plano? ¿Hay post simples para la conservación del momento lineal y angular en la formación de los Sistemas Estelares.
    Lo del viento solar potente en un determinado momento de la formación del Sistema, si lo sabía, Jorge ;-)
    Repito, seguro que es simple pero no soy capaz de deducir de los principios de conservación que gire siempre y que salga todo en un plano.

    Continua en otro comentario

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    1. - Eso del "suelo" sólido donde rebotarán y que da lugar a la supernova tampoco lo he pillado. Yo lo explico de otra forma a mis alumnos cuando sale el tema y quisiera saber si es correcta o no: "cuando se forma la estrella de neutrones o el agujero negro (desconocía que era por el principio de exclusión de Pauli el generador final de ese proceso, pero no me ha extrañado) la emisión de energía es tan salvaje que aparece una supernova". Más o menos lo comparo con lo que ocurre cuando los procesos nucleares detienen el colapso en las estrellas durante un tiempo por "aumento" de energía emitida en el núcleo ¿es correcta mi explicación o debo de cambiarla?

      Y lo último de esta parte. Me ha sorprendido que en el 2015 se publicara la primera evidencia sólida de esas estrellas de población III. No leí nada sobre ello y pregunto ¿hay algún post donde se expliqué esa evidencia (me parece interesante)?

      Con respecto a la 3º prueba observacional

      Me ha encantado el símil "del último grito", no lo conocía. Lo demás lo conocía más o menos.

      Con respecto a la pregunta de Jorge.

      Coincido con lo que se ha dicho, ¡da vértigo pensar en la cantidad de materia-energía que no hemos localizado! Quizás los neutrinos o las onda gravitacionales sean la respuesta a muchos interrogantes.

      Y poco más. Me ha encantado este capítulo.

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    2. Hola Juan Carlos,

      lo de si todos los astrónomos saben que el universo era infinito incluso antes del big bang no sé si todos serán conscientes. La verdad es que esa parte de la cosmología se ha divulgado bastante mal y se hizo creer que el big bang era un punto infinitesimalmente pequeño de energía. Me gustó mucho esta charla de nuestro compañero Javi Guardiola sobre cosmología https://guardiolajavi.wordpress.com/2015/02/25/cosmologia-de-ayer-y-hoy/. Pone un ejemplo con unas medias para ver como se generó el universo que me encantó.

      Sí, lo del artículo es algo que no expliqué bien en el texto. Tienes razón es parte del modelo y corrobora las observaciones que se habían hecho.

      No entiendo la pregunta de la protoestrella y el momento angular. Básicamente lo que ocurre es que la nube inicial ya tenía momento angular, al colapsar esa porción de la nube que ha llegado a la masa crítica (masa de Jeans) adquiere el momento angular inicial de la nube, pero al contraerse aumenta más el momento, igual que el clásico ejemplo del patinador girando.

      Lo del momento lineal es complicado. Por un lado no es exactamente lo que dices, sino que tras una colisión inelástica, por conservación de momento lineal, la trayectoria de la partícula resultante está en un plano perpendicular al eje de giro del sistema. No conozco ningún post sencillo y he estado buscando algunos pero no hay nada. La razón es lo complicado que es tratarlo de una manera no matemática. Explicar una colisión inelástica de 2 partículas en 3 dimensiones sometida a una simetría radial con fuerzas externas como la de la gravedad es un tema muy complicado. Recuerdo que sólo lo vi una vez en la carrera como parte de un tema de mecánica orbital y no he vuelto a verlo en ningún sitio. Así que no, ¡no es nada simple!

      El tema de las supernovas también es complicado. El núcleo se degenera y supera lo que se conoce como límite de Chandrasekhar. En este momento, el núcleo se empieza a contraer (necesita energía para fusionar Fe y como no la tiene se contrae, aunque sería imposible). Al contraerse, las capas externas lo acompañan. Cuando llegan al núcleo, este no puede soportarlas y junto con los neutrones del núcleo salen despedidas hacia fuera como si rebotaran. Es complicado, porque no se conoce bien como son esos procesos internos y aunque se cree que es lo que pasa. Hay proyectos que pretenden estudiar los neutonios (de diferentes tipos y energías) para ver que es lo que pasa en esos momentos.

      Lo de las estrellas de población III, seguro que te suena que el año pasado se habló mucho de la galaxia CR7. Estos son dos posts que recuerdo: http://www.eso.org/public/spain/news/eso1524/ y http://www.startres.net/posible-deteccion-de-estrellas-de-poblacion-iii/

      No sé si te he aclarado algo o te he liado más...

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    3. Joder, me has aclarado mucho, entre otras cosas que mis preguntas no eran tonterías, jajaja... GRACIAS JORGE, pero...

      - Entiendo lo que dices del momento angular, mi duda era ¿por qué siempre la nube de gas tiene momento angular al empezar a colapsar? (aunque ahora se me está ocurriendo que si no lo tuviera seguiría siendo nube de gas y ya está solucionado, entonces la solución sería que algo induce ese momento angular inicial en la nube, por ejemplo una supernova, ¿es correcto este último razonamiento?)

      - No recuerdo nada de la galaxia CR7, leeré los posts (no suele llamarme mucho la atención ese tipo de noticias, quizás después de #Orígenes Universo eso cambie porque me está gustando mucho)

      - Sigo sin tener muy clara la secuencia de sucesos en la 2º prueba observacional ¿primero fueron las observaciones 75/25 y luego "ABG"?

      - Con respecto a lo del momento lineal y lo de los "rebotes" ¡ya tienes tema para dos posts! (jajaja...)

      Saludos y gracias. Da gusto leer un libro de esta forma

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    4. El giro inicial lo puede iniciar cualquier evento desde una supernova cercana como dices a el propio giro de la galaxia o la interacción gravitatoria de otros cuerpos cercanos. Pero el caso es que siempre hay algún tipo de giro. Al menos no conozco ninguna estrella que no tenga una rotación!

      Sí, primero fueron las observaciones y luego el artículo que las explicaba de manera teórica.

      Tengo temas para muchos posts, pero me falta tiempo...

      Estoy de acuerdo, ¡así da gusto leer un libro!

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    5. JC pregunta: "¿por qué para conservarse momento lineal tiene que ser un plano?" Jorge contesta: "tras una colisión inelástica, por conservación de momento lineal, la trayectoria de la partícula resultante está en un plano perpendicular al eje de giro del sistema ... Recuerdo que sólo lo vi una vez en la carrera como parte de un tema de mecánica orbital y no he vuelto a verlo en ningún sitio"

      Si entiendo la pregunta es ¿por qué las galaxias espirales son "planas" y las galaxias elípticas son "esféricas"? Simplificando mucho, las espirales tienen más gas y polvo que las elípticas. En las colisiones entre partículas de polvo, la galaxia "pierde" partículas (que escapan); en las colisiones las partículas no pierden momento angular, por ello, la probabilidad de escape es mayor para las partículas cuyo momento lineal tras el choque está en la dirección del eje de rotación y menor para las que lo tienen perpendicular al eje de giro (que normalmente colisionarán con otras partículas también con el momento lineal en la misma dirección, reforzando el número que así lo tienen). Por ello, con alta probabilidad las partículas "retenidas" acaban quedando en un plano perpendicular al eje de giro. Con grandes cantidades de gas en rotación, este se enfriará en las colisiones y acabará aplanándose hasta formar un disco.

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    6. La pregunta estaba más relacionada con la formación de discos planetarios alrededor de las estrellas, pero creo (no estoy seguro y además es una pregunta que me hicieron una vez y no supe responder) que en el caso de formación de galaxias espirares la situación es la misma que en la formación de discos planetarios (hay muchas partículas de polvo). En el caso de galaxias elípticas al tener poco polvo y gas (y ser más antiguas) se entiende que no haya tantas colisiones. Además, por lo poco que sé de "ecología" galáctica, todas las galaxias espirales, a través de colisiones con otras galaxias y los brotes de formación estelar, terminarán consumiendo todo su gas y terminarán convirtiéndose en elípticas.

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    7. Madre mía, os he leído a todos pero no puedo contestar a todo, sobre todo porque en buena parte os vais contestando lo más importante ya entre vosotros correctamente.

      Sí que quiero comentar lo del Universo "infinito desde el principio". Lo primero, no quiere decir que fuera infinito _antes_ del Big Bang. En principio no podemos decir nada acerca de "antes", así que eso queda como un ejercicio para filósofos o para físicos con más imaginación que yo...

      La referencia a que el Universo sea infinito desde el origen es una forma de ver el origen que elimina muchos de los problemas "mentales" que nos salen si intentamos pensar del modo normal, en todo surgiendo de un punto. Ya lo comenté en el capítulo anterior, y creo que sí que es un punto de vista que sería compartido por cualquier cosmólogo en general---lo que pasa que habitualmente ni se plantea cuando se habla de ello, precisamente porque la imagen del "punto" es mucho más fácil de hacer entender inicialmente, si uno no se mete en profundidades!

      Sobre la primera posible pista de estrellas de población III se puede leer esta presentación:

      http://www.sciencemag.org/news/2015/06/astronomers-spot-first-generation-stars-made-big-bang

      Está lejos de ser un resultado claro, pero parece bastante razonable y tiene justo el aspecto que se espera de ello. Y se publicó prácticamente cuando el libro estaba entrando en imprenta, así que me pareció interesante citarlo...

      Y referente a las preguntas de formación estelar y formación de planetas, lo que yo pueda decir es más o menos del mismo nivel (o menor) que lo que os estáis contestando, ya que realmente no es mi tema de trabajo y la mayor parte de lo que sé lo he ido aprendiendo poco a poco leyendo libros y revistas, pero no especializados.

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    8. Gracias Alberto por tu tiempo. Aprovecho este comentario para preguntarte por una cosa del capítulo 7 que acabo de leer esta tarde (aunque creo que tendré que releer el capítulo antes del fin de semana otra vez porque este me ha parecido especialmente complejo).

      Veamos, cuando hablas del cenit y del nadir dices que están en equilibrio y que una solución a ese problema es la inflación cósmica ¿se podría entender entonces que desde que terminó la inflación cósmica se puede "imaginar" el universo como infinito pero que antes se puede "imaginar" como finito (porque si está todo junto si que es finito ¿no?)? No sé, lo mismo se me ha ido la olla y lo estoy mezclando todo.

      Saludos.

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    9. Hola! No es eso... el problema es que hay que simplificar mucho las cosas. A ver... Simplificando lo primero, vamos a suponer que nuestra "esfera observable" crece linealmente con el tiempo, de acuerdo? Vamos, que es una esfera de radio r=ct (c=velocidad de la luz, t=tiempo desde el Big Bang).

      En t=0 es evidente que nuestra "esfera observable" es simplemente un punto, el mismo punto en el que estás tú. El Universo empieza a expanderse a una cierta velocidad (supongamos que pequeña) y empieza a crecer t. Como tu "esfera observable" crece a la velocidad de la luz, hay puntos del Universo cerca de ti que antes _no_ estaban en tu esfera observable y ahora sí lo estan.

      Esto ocurre así durante un cierto tiempo: miras a tu alrededor y cada segundo que pasa "ves" cosas más lejanas, que antes no podías ver pero ahora sí. De momento bien, no?

      Todas esas zonas del Universo que ves, precisamente porque están en tu esfera observable, están en equilibrio con tu rinconín del Universo (estoy simplificando un poco otra vez, el caso es que habéis estado ya en "contacto causal". Supon por simplificar que ha pasado un segundo, y puedes ver en todas las direcciones hasta 300,000 km de distancia.

      De repente arranca la inflación: todo lo que hay a tu alrededor empieza a expandirse a una velocidad _bestial_, muchísimo más rápido que la velocidad de la luz. En muchísimo menos tiempo de un segundo (pongamos en una millonésima de segundo, por poner una cifra---que no tiene nada que ver con los modelos reales!) absolutamente todas las cosas que veías a tu alrededor, en tu esfera observable, se acaban de alejar a distancias de millones de kilómetros de ti---salvo, por supuesto, lo que estuviera infinitesimalmente pegado a ti.

      Pero tu esfera observable ha crecido a la velocidad de la luz en esa millonésima de segundo, por tanto sólo ha crecido aprox. 300 metros. Es decir, la zona del Universo que está en equilibrio térmico contigo es ahora muchíiiiiiiiisimo más grande que tu esfera observable.

      A partir de ese momento se para la inflación, y el Universo vuelve a crecer relativamente despacio comparado con tu esfera observable (que, como siempre, crece a la velocidad de la luz)... así que tu esfera crece, pero todo lo que ves está siempre en equilibrio térmico contigo, aunque eso parezca contradecir la termodinámica.

      Todo esto está muy muy bien explicado, con unos diagramas muy bonitos, en los trabajos de Tamara Davis y Charley Lineweaver que pongo en la bibliografía. De hecho yo entendí todas estas cosas gracias a las discusiones con ellos en el pasillo cuando trabajábamos los tres en UNSW!

      Espero que te haya ayudado un poco, si no echa un ojo (y si sí también) a esos artículos, verás cómo lo explican mucho mejor.

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    10. Leí el comentario hace dos días. Me lo dejé para cuando estuviera más espabilado. Hoy, antes de releer el comentario he releído los párrafos del primer capítulo de la esfera observable para ponerme en situación.

      El caso es que me parece que lo he pillado, resumo por si lo he entendido mal, así me podéis avisar:
      Antes de la inflación, aunque el espacio fuera infinito, había un equilibrio térmico (al menos en los límites que se pueden medir en la actualidad). Después de la inflación, como la velocidad de expansión fue más rápida que la de la luz, nuestra esfera observable se ha quedado "dentro" de esas condiciones de equilibrio térmico.
      ¿OK?

      Y gracias Alberto por tus explicaciones (no he mirado esos diagramas, cuando tenga tiempo los miraré, el tema es interesante pero necesito estar concentrado para entenderlo y eso implica sacar tiempo)

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  9. JC pregunta: "imagino que el ABG de 1948 sería posterior a la deducción, por las ecuaciones que rigen el modelo, de las temperaturas en los instantes iniciales". Jorge contesta: "Sí, primero fueron las observaciones y luego el artículo que las explicaba de manera teórica". En 1938 ya era conocido el ratio observacional H:He = 4:1 (se estimó la proporción de todos los átomos ligeros en el universo a partir de los espectros de las estrellas). La teoría nació en 1946, cuando Gamow estimó las temperaturas del universo primitivo en función de la teoría de la expansión cósmica. Le propuso a Alpher como tesis doctoral calcular este ratio; de ahí surge el artículo ABG de 1948.

    JC dice "podría decirse que ABG es parte del modelo pero no una prueba encontrada después. Si podéis aclarármelo por favor". No entiendo qué quieres decir. Lo que Hoyle llamó teoría del big bang (que no es lo que hoy se llama así) nació con los trabajos de Gamow y Alpher entre 1946 y 1949, destacando el artículo ABG, más por la "chorrada" de la B que por otra cosa, pues parte de los cálculos tienen errores que fueron corregidos por A, G y H (Herman).

    JC pregunta: "protoestrella... ¿por qué ... al final gira? ... podría ser una falta de simetría inicial". Jorge contesta: "la nube inicial ya tenía momento angular ... aumenta ...como... patinador girando". Exactamente, las inhomogeneidades de la nube protoestelar provocan que ciertos grumos atraen por gravedad a otros, que "caen" hacia ellos y ganan momento angular, algunos se unen incrementando el grumo inicial y otros se ponen en órbita; gracias a ello toda nube de gas en colapso acaba empezando a girar.

    Saludos
    Francis

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    1. Sí, en el libro habla de la corrección de los cálculos del artículo ABG por Herman, es algo que no indiqué en el resumen.

      Cuando dices "las inhomogeneidades de la nube protoestelar provocan que ciertos grumos atraen por gravedad a otros, que "caen" hacia ellos y ganan momento angular", esas inhomogeneidades se deben también a las condiciones del medio interestelar, es decir, vientos estelares, radiación, ondas de gravedad... y son las que hacen que se gane el momento angular. Creo que muchos (y me incluyo) nos cuesta quitarnos de la cabeza la asociación giro=momento angular y se nos olvida que la atracción de la gravedad de unos grumos a otros hacen que se genere el momento angular.

      ¡Gracias Francis!
      Saludos

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    2. Gracias Francis por tus explicaciones. Me explico porque creo que no me he explicado correctamente.

      Mi pregunta es por saber si el conocimiento del 75:25 es a priori o a posteriori del modelo del Big Bang.
      El corrimiento al rojo y el fondo del microondas se descubrieron después de ser predichos de la teoría, en el caso de la proporción H:He fue al revés ¿no?
      Lo pregunto porque en las clases a los alumnos les impresiona que de una teoría se deduzcan cosas que son comprobadas posteriormente. Quería saber el dato para darlo correctamente en mis clases.

      Espero haberme explicado mejor. Saludos y gracias

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    3. Jorge pregunta: "esas inhomogeneidades se deben también a las condiciones del medio interestelar"

      No me refería al medio interstelar, pues aún no existía, sino a la formación de las primeras estrellas y galaxias a partir de los "grumos" tras la Edad Oscura. Obviamente, en la actualidad hay muchos otros efectos a tener en cuenta.

      JC pregunta: "si el conocimiento del 75:25 es a priori o a posteriori del modelo del Big Bang."

      Debes recordar que la teoría de la formación de los elementos en las estrellas de Eddington es de 1920, con aportes cuánticos importantes de Gamow en 1928. En la década de los 1930 se trató de estimar la composición del universo a partir de las teorías de formación estelar y de formación del sistema solar. Famosos son los trababjos de Weizsäcker entre 1935 y 1938. Sus estimaciones indicaban que gran parte del universo, más del 99%, era hidrógeno y helio. Además indicaban que el hidrógeno era unas cuatro veces más abundante, luego la estimación era 80:20 en lugar de 75:25 pero con bandas de error grandes. Bethe también hizo contribuciones importantes en esta época.

      En 1946, tras la guerra, Gamow trató de explicar estos números (80:20) desarrollando su teoría de la gran explosión. Ya en 1950, tras los avances teóricos de Alpher, Gamow y Herman se llegó al famoso 75:25. Mejoraron mucho las estimaciones experimentales y se obtuvieron valores precisos que se interpretaron como confirmación de dicha teoría. Sin embargo, nunca fueron "la confirmación", ya que físicos como Hoyle y Bondi que abogaban por la teoría del estado estacionario también podían predecir números similares.

      "La confirmación" fue el fondo cósmico de microondas, pero nunca en exclusiva. Las teorías de Hoyle y Bondi podían explicar ambas cosas por separado, CMB o 75:25, pero no podían ambas cosas juntas, CMB y 75:25. Se suele decir que el CMB mató sus ideas, pero no es del todo cierto desde un punto de vista histórico.

      Saludos
      Francis

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    4. Ahora tengo mas clara la cronología, gracias Francis

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  10. Muchas gracias a todos por vuestro interés y por generar un diálogo tan interesante. Sobre todo a Jorge por el resumen de un capítulo que en realidad podría perfectamente ser tres o cuatro! Me relajé unos pocos días y he visto que ya estáis en el capítulo siguiente, pero veo que lo de aparecer yo por aquí es de lo más innecesario: entre lo que todos sabéis está perfectamente claro todo, apenas me queda nada que decir.

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  11. Sé que llego tarde pero no quería dejar de pasar por aquí para deciros que gracias a TODOS estoy entendiendo cosas que había leído y creía entender; a la vez que aprendo muchísimas cosas nuevas.

    Gracias Jorge por el estupendo resumen pero, sobre todo, por las exhaustivas explicaciones a todas las cuestiones que van surgiendo. Gracias a Alberto de nuevo por tomarse la molestia de pasar por aquí y seguir ofreciendo sus conocimientos y su estupenda forma de plantear conceptos bastante difíciles de explicar.

    Huelga decir que estoy disfrutando muchísimo con la lectura de este libro...

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