sábado, 20 de agosto de 2016

Orígenes. El universo. Capítulo 5 - Nuevos Componentes


Echándome la manta a la cabeza, me he propuesto resumir el capítulo 5 de este interesantísimo y complejo libro.  El capítulo está dividido en tres subcapítulos. Materia oscura, energía oscura y oscilaciones bariónicas. ¿Quién de nosotros no ha oído hablar del lado oscuro del universo? ...jeje, Por cierto, me pregunto quién pone los nombres en Astrofísica, para poder decirle que es muy poco original, ¡todo es oscuro!! Y luego, nos sorprendemos si los profanos nos confundimos y la liamos. Pero vamos a ver si he entendido algo del capítulo y he sido capaz de ver algo de luz entre tanta opacidad y os explico qué diferencia hay entre estos conceptos tan complejos y negruzcos. Si he metido la pata en algo por favor decidlo que aquí estoy para aprender y no soy en absoluto una experta. ¡Ah! Si alguien puede explicarme qué diferencia hay entre materia oscura y perdida se lo agradecería, aunque no se trate en este capítulo. También quisiera agradecer y felicitar a Gaspar Sánchez y Jorge Bueno por sus espléndidos resúmenes.

Materia oscura

En primer lugar, un poco de historia. Se considera al astrónomo de origen búlgaro pero afincado en Suiza, Fritz Zwicky como una de las personalidades más brillantes y complejas del siglo XX. Físico y matemático que combinaba una enorme capacidad de trabajo con una febril imaginación. Personaje contradictorio de difícil trato, pero sincera generosidad. Es realmente uno de los protagonistas de todo el capítulo, aunque no el único, claro.

Fritz divisó por primera vez conceptos como el de las estrellas de neutrones y explosiones de supernovas como la fase final de la evolución de las estrellas masivas. Ideó el uso de supernovas como candelas estándar que permiten medir distancias a objetos cósmicos. También divisó la existencia de lentes gravitacionales y la presencia de materia oscura en el universo.

Su mayor descubrimiento fue observando el Cúmulo de Galaxias Coma. Y para hacérnoslo fácil, el autor nos pone como ejemplo nuestro Sistema Solar en el que se observa la tercera ley de Kepler, que relaciona el tiempo de traslación de un planeta alrededor del Sol y la distancia entre ellos. El Sistema Solar es, desde un punto de vista gravitatorio, sencillo porque casi toda la masa se encuentra en el centro. En un sistema más complejo, como el Cúmulo Coma, hay muchas masas moviéndose unas en torno a las otras y la situación se complica, aunque es matemáticamente similar.

Primera evidencia. Ya en 1930 se podían observar más de mil galaxias en un espacio relativamente pequeño como es el Cúmulo Coma.  Todas orbitando en un centro común cerca del cual residen dos galaxias elípticas supergigantes. Igual que en nuestro Sistema Solar, una galaxia que se moviera demasiado rápido habría sido expulsada del cúmulo y otra que se moviera demasiado despacio habría sido engullida por las galaxias supergigantes, pudiendo haber ocurrido innumerables veces. Existe un equilibrio físico expresado en una ecuación matemática llamada teorema del virial que promedia las velocidades de los objetos que forman el cúmulo y su masa total.

Fritz Zwicky en 1933 presento su primer trabajo sobre la distribución de velocidades de galaxias en el Cúmulo de Coma, y la comparación de estas velocidades con la masa total del mismo. Usando el teorema virial esperaba que las velocidades fueran del orden de 80 Km/s pero inesperadamente, el resultado que obtuvo fue de 1.000 Km/s. Completamente seguro de haber hecho un buen trabajo y que sus mediciones eran correctas, solo le quedaba la opción de pensar que en el cúmulo había más masa de la que se podía ver. A esa masa la llamó materia oscura.

Segunda evidencia.  Para esta tuvieron que pasar casi 40 años, gracias a la gran astrónoma americana Vera Rubin, mientras analizaba curvas espectrales. Rubin, encontró que la velocidad de giro del material de la galaxia espiral que estaba midiendo, tendía hacia una velocidad límite constante al acercarse a la zona exterior del disco. La única posibilidad de que esto ocurra es postulando que existe una gran cantidad de materia, no luminosa, que rodea a las galaxias espirales, materia oscura. Desde entonces se ha confirmado con innumerables observaciones.



Tercera evidencia. De nuevo Zwicky, se adelantaba a su tiempo. Una de sus ideas fue la posibilidad de detectar lentes gravitatorias, que son imágenes muy distorsionadas de objetos celestes producidas cuando la luz que emiten atraviesa una zona donde la influencia del campo gravitatorio de otro objeto cercano es muy intenso. El análisis de múltiples imágenes distorsionadas y espejismos cósmicos permite calcular la masa del objeto cercano causante de las distorsiones. Con este método, y el Telescopio Espacial Hubble con su punto de observación fuera de la atmosfera terrestre, se ha medido la masa de cantidad de galaxias y cúmulos de las mismas. Una vez más, el resultado de las mediciones de las masas indica que contienen más materia de la que podemos ver.

Qué no es. En primer lugar, no puede estar formada por objetos habituales que no emiten luz, como agujeros negros, planetas o estrellas, ya que existen observaciones que han puesto límite superior a la abundancia posible de esos objetos, y que es inferior a la cantidad necesaria para explicar la materia oscura observada. Por otra parte, las condiciones iniciales del Universo (la composición química inicial) también limitan la cantidad de materia oscura que pueda estar formada por partículas conocidas, que son menos de la quinta parte, excluyendo también a los neutrinos (que si formarían parte de la materia oscura)

Lo que sí es. Propiedades. Evidentemente tienen masa, ya que reaccionan gravitacionalmente sin participar en otras interacciones. No tiene carga eléctrica y no interacciona, que se haya visto, a través de ninguna otra fuerza con el resto de las partículas.

Los físicos tendrán que buscar una partícula en el Modelo Estándar o fuera de él que encaje en todo ello, ¡a por el reto!



Energía oscura

En 1995 el modelo del Big Bang estaba bien establecido, aunque sus parámetros no habían sido medidos con precisión. Se sabía que el universo estaba en expansión y saber la velocidad a la que se expandía (constante de Hubble H0) y la que se frena (constante de frenado q), era uno de los objetivos para entender el origen y el futuro del universo, con la esperanza de que el Telescopio Espacial Hubble ayudara a ello. Para conocer la constante de frenado, se intentó medir la densidad de materia-energía del Universo, ya que es esta densidad, por acción gravitatoria, la que actúa como resistencia a la expansión.

Un poco de geometría. La densidad del universo (ρ) se suele medir en comparación con densidad crítica (ρcrit): que es el valor exacto que separa el universo en eterna expansión de un universo que eventualmente se frenará y colapsará de nuevo. Para este coeficiente suele usarse la letra griega omega Ω = ρ/ρcrit .   De modo que según los resultados que obtengan:

 
Ω = 0 correspondería a un universo vacío

0< Ω < 1 a un universo en eterna expansión

Ω = 1 a un universo con densidad crítica

Ω > 1 a un universo que recolapsaría a una singularidad

 
Desde un punto de vista estrictamente geométrico, la densidad crítica representa también soluciones diferentes al de modelo de universo. De manera que:

 
Comparando densidades con línea espacio – tiempo



Densidad Ω > 1 Universo cerrado - Esférico

 



 
Densidad Ω < 1 Universo abierto - Hipérbola
 



 
Densidad Ω = 1 Universo plano - Euclidiano
 





 
 

Experimentación. También en ciencia se cae en expectativas sesgadas, como nos ocurre muchas veces a todos nosotros. La gran mayoría de los astrónomos estaban de acuerdo en que el resultado debía ser Ω = 1 y que la velocidad de expansión tenía que ser de 50-100km/s/Mpc. Pero muchas de las mediciones daban una densidad de Ω < 1

 
Así que se pusieron manos a la obra para saber el resultado correcto, Para lograr este objetivo idearon un experimento basado en una de las muchas ideas de Fritz Zwicky (el de la materia oscura). Pues bien, recordareis de capítulos anteriores que en la evolución estelar existían ciertos umbrales de masa que una estrella debía superar para poder alcanzar nuevas reacciones nucleares, de lo contrario la estrella agotaba su combustible y moría convirtiéndose en una enana blanca. Pero a veces, estos cadáveres forman parte de un sistema binario y poco a poco pueden ir atrayendo el material de su compañera haciendo que crezca su masa. Cuando esta masa llega aproximadamente a 1,38 veces la masa del Sol, se produce una explosión llamada supernova tipo Ia. Se sabe que esta explosión se da cuando la estrella tiene una masa muy concreta, lo que hace que pueda considerarse que todas las supernovas de este tipo son idénticas entre sí, y se utilizan para estimar distancias con gran precisión y averiguar la energía exacta que ha liberado. Conociendo esta energía y comparándola con la de la Tierra podemos, aplicando la ley inversa del cuadrado, calcular la distancia a la que se encuentra la supernova. Combinando estas distancias con las medidas de corrimiento al rojo (Redshift), se obtiene la estimación aproximada de la velocidad a la que se ha ido expandiendo el universo en cada época.

 
En dos estudios publicados independientemente en 1998 y 1999, se anunció un resultado inesperado. Las observaciones mostraban que la expansión del universo no solo no se frenaba, sino que, ¡se estaba acelerando! Es decir, no solo la atracción gravitatoria no era suficiente para desacelerar la expansión, sino que tenía que existir un “ente” que desconocíamos que compensara la fuerza de la gravedad y la acelerara. Este “ente” es el que llamamos energía oscura.

 
El cosmólogo John Wheeler resume la ecuación de campo de Einstein diciendo “el espacio-tiempo le dice a la materia como debe moverse y la materia le dice al espacio-tiempo como debe curvarse” La visión sesgada que tenía Einstein del universo no le permitía aceptar que no fuera infinito, y colocó en la formula una constante cosmológica que actuaba como una energía que la dotaba de densidad constante. Me explico, mientras para un gas la densidad y la presión se reducen cuando el volumen aumenta, la energía oscura actúa de modo que a pesar de que el universo se expanda, lo hace manteniendo la densidad. Esa constante hoy, la llamamos energía oscura.

 
De la energía oscura desconocemos qué tipo de ente (partícula, fuerza, campo, energía) puede tener las propiedades que se necesitan para este fenómeno. Hay trabajo para mucho tiempo.

 

Oscilaciones bariónicas

Por lo visto, las oscilaciones bariónicas son tan importantes como herramienta para la investigación como lo son las candelas estándar. Poder observar la escala del pico bariónico actúa como regla estándar.

Pero, ¿qué es un pico bariónico? Imaginémonos tirando guijarros a las tranquilas aguas de un lago mientras nos entretenemos viendo como cada uno de ellos genera las conocidas ondas circulares en el punto donde se hunde y se cruzan una con otras. Ahora imaginemos que el agua del lago se congela de golpe, dejando impresas las ondas y el lugar exacto donde cayó la piedra. Pues algo parecido ocurre cuando los astrónomos observan el fondo cósmico de microondas.  

 
Lo mismo ocurre con la distribución de materia del universo. Desde el mismísimo origen existieron pequeñas inhomogeneidades en ella, y estas dieron lugar a ondas de presión/densidad que se desplazaron por el medio (como las ondas de nuestro lago) compuesto de materia y radiación, a la velocidad de la luz. Recordemos que hace 380.000 años en el universo se produjo la recombinación (momento en el cual por primera vez se unieron electrones y protones) y los fotones se liberaron de la materia (mientras formaban el fondo cósmico de microondas), y estas ondas con forma de coronas esféricas quedaron “congeladas” a una distancia igual a la que habían viajado hasta ese momento. Hoy podemos observar esas “huellas” en los mapas de fondo cósmico de microondas y constatar que esas superficies esféricas contenían ligeras sobredensidades en comparación con el resto del universo y que en esos puntos más densos (picos bariónicos) es donde podemos encontrar más densidad de galaxias.

Me ha quedado un poco largo, lo siento :)



 
 

34 comentarios:

  1. Cristina pregunta: "Si alguien puede explicarme qué diferencia hay entre materia oscura y perdida se lo agradecería, aunque no se trate en este capítulo".

    La materia en el universo es la componente del universo que tiene un cociente presión/densidad con signo positivo; se llama energía oscura a la que tiene un cociente presión/densidad con signo negativo; la diferencia es que responden a la gravedad a escala cósmica de forma diferente.

    La materia se divide en oscura y en bariónica (o visible, porque está formada por leptones y bariones, pero dominan en masa los bariones). El porcentaje de materia bariónica lo podemos estimar con el fondo cósmico de microondas y corresponde a un 5% del total del universo. Pero también la podemos estimar contando galaxias, cúmulos galácticos y supercúmulos galácticos. De esta última manera resulta que observamos algo así como la mitad de toda la materia bariónica que debe existir; la otra mitad es materia (bariónica) perdida (no la vemos en las grandes acumulaciones de materia que se encuentra en el centro de grandes acumulaciones de materia oscura).

    ¿Dónde se debería encontrar la materia perdida? Según los modelos teóricos debe encontrarse en la web cósmica, los filamentos de materia oscura que unen los grumos de materia oscura en los que se encuentran atrapados los cúmulos y supercúmulos galácticos. No podemos ver estos filamentos de materia oscura (por razones obvias). Y tampoco podemos ver la materia perdida que deben contener, porque su densidad es muy baja; su tamaño es enorme (escala cósmica) y por ello son capaces de contener toda la materia perdida, tanto como el 50% del total de la materia bariónica.

    En el año 2012 se publicaron los primeros indicios de la existencia de la materia oscura en estos filamentos de la web cósmica. Desde entonces ha habido más indicios publicados, pero por ahora no son del todo concluyentes (allí se encuentra gran parte de la materia perdida, pero aún no es seguro que se encuentra toda ella). Aún así, para la mayoría de los cosmólogos hay pocas dudas al respecto, la materia perdida está en la web cósmica, como afirman las simulaciones por superordenador de la formación de grandes estructuras cosmológicas.

    Saludos
    Francis

    ResponderEliminar
    Respuestas
    1. Hola, Francis. Muchísimas gracias por tu explicación. Entiendo pues, que la materia perdida es materia “normal” barionica, que pertenece al 5% detectado en el fondo de microondas, pero al calcularlo sumando galaxias, cúmulos, etc., no salen los números, hay la mitad que se ha pedido.
      Le web cosmica es lo mismo que la red cosmica?
      Saludos

      Eliminar
    2. Jo! No tenía ni idea de que existiera el concepto de materia perdida y mucho menos de la existencia de "filamentos" de materia oscura que contienen esa materia desaparecida.
      Gracias Francis por explicar y gracias Cristina por preguntar.

      Eliminar
    3. Sí, Cristina, "web cósmica" (cosmic web en inglés) y "red cósmica" es lo mismo.

      Eliminar
  2. ¡¡Hola a todos!!
    "¿Quién no ha oído hablar del lado oscuro del universo? " nos preguntas al inicio de tu resumen, Cristina. Y yo añadiría: ¿A quién no le gustaría conocer el lado oscuro del universo?
    Este capítulo, muy interesante por cierto, contiene más preguntas que respuestas y leyéndolo me he sentido tremendamente vieja. Creo que los años que me quedan de vida no serán suficientes para obtener una teoría consolidada y me da muchísima rabia no vivir para saberlo. Me dan envidia las generaciones que nacen ahora o que están ahora en el colegio y que tienen mucho más tiempo que yo por delante. Claro que a ellas les surgirán nuevos interrogantes que tampoco conseguirán conocer…
    En cuanto a cuestiones técnicas hay una cosa que me gustaría preguntar, y que probablemente tenga una respuesta obvia, pero que yo no veo.
    Si materia y energía están íntimamente relacionadas por qué se distingue entre materia oscura y energía oscura? ¿No pueden ser dos manifestaciones distintas de una sola cosa?
    Nada más por ahora
    Cristina menudo resumen te has currado, casi no hace falta ni leer el capítulo.
    Saludos!!

    Ana

    ResponderEliminar
    Respuestas
    1. Hola, Anna 
      A mi también me da rabia, unas veces y tristeza otras, no poder saber como va a continuar esta tremenda y emociónate aventura que empezó un simple mono en África. Seguramente nunca llagaré a saber que es la energía oscura. Y pienso que estos sentimientos posiblemente los tuvieron nuestros ancestros, y que es ese afán por saber, el que nos ha traído hasta aquí. Que por ese motivo estamos tu y yo, en estas tertulias y leyendo este estupendo libro
      Sobre tu pregunta, deduzco: Que como la definición de energía nos dice que es la capacidad de hacer un trabajo, digamos de producir un “efecto”. Y como de momento, solo se detecta el efecto que “un ente” que no conocemos está produciendo el efecto de acelerar la expansión del universo. Creo que no hay inconveniente, que este tipo de “ente” sea materia como partículas con distintas propiedades solo que, sencillamente no se sabe.
      Si no estoy en lo cierto alguien, nos los lo explicará
      Un abrazo
      Cristina

      Eliminar
    2. Ana, con respecto al porque de materia oscura y energía oscura, yo interpreto lo mismo que Cristina, pero no tengo ni idea.

      Eliminar
    3. La verdad es que nunca había pensado en la naturaleza concreta de materia y energía oscura... Si hacemos caso a la famosa ecuación de Einstein (expandida) E^2=(mc^2)^2 + (p^2c^2)^2 la materia y la energía son equivalentes (tanto si la masa está en reposo E=mc^2 como si tiene momento (p^2c^2). Viendo la ecuación de campo de Einstein la energía oscura juega un papel de "presión". En la materia ordinaria (bariónica) la presión la ejercen las partículas actuando sobre unos límites, pero desconozco realmente si la presión de la materia oscura es la que generaría esa energía oscura. No sé por qué, pero por intuición diría que no es lo mismo, pero es sólo intuición...

      Eliminar
    4. Ana pregunta: "Si materia y energía están íntimamente relacionadas, ¿por qué se distingue entre materia oscura y energía oscura? ¿No pueden ser dos manifestaciones distintas de una sola cosa?"

      Ana, como he dicho más arriba, la diferencia es la ecuación de estado. El cociente entre presión y densidad es positivo para la materia (oscura) y negativo para la energía oscura. Para la gravedad la materia (oscura) es atractiva y para la energía oscura es repulsiva. No pueden ser la misma cosa por la misma razón que +3 y -3 no pueden ser el mismo número.

      Muchos físicos creen que la energía oscura es la constante cosmológica y que ésta proviene de la energía del vacío. En dicho caso, el origen sería común (aunque no sé si se puede decir que serían la "misma" cosa). El vacío de todos los campos daría lugar a la energía oscura y las partículas de todos los campos darían lugar a la materia (visible y oscura). Sin embargo, cuando realizas los cálculos resulta que la energía del vacío es unas 54 órdenes de magnitud mayor que la energía oscura observada (alguna gente dice 120 órdenes de magnitud, pero este número no tiene en cuenta el campo de Higgs). Una diferencia enorme que todavía no entendemos.

      Saludos
      Francis

      Eliminar
    5. La energia oscura yo siempre la he entendido como un "ente" antigravitatorio, quizá sea por la sencillez para poder introducirlo en mi cerebro y comprender mejor la mecánica del universo. De hecho en vez de aglutinar materia como hace la barionica y la oscura la energia he leído y oído explicarla cómo un generador de espacio allá donde hay menos densidad de materia. Para visualizar como podría actuar siempre he buscado símiles en la vida cotidiana como por ejemplo cuando en una sarten sucia después de haber hecho un frito que está en el fregadero y le has puesto agua, se ve un conglomerado de grasa agua y restos de alimentos y le tiras yna gota de un buen jabón lavaplatos. Allá donde cae la gota genera que la grasa huya de la gota rapidanente y rápidamente se ve como el líquido sucio de la sarten se dirija rápidamente a los laterales. Es una metáfora que me ayuda a visualizar la generación de espacio nuevo "limpio" y se ve la separación en vez de la aglutinación.

      Eliminar
    6. Entendido... ¡Ahora sí! Gracias a todos. Me encanta el simil de la sartén y el jabón. Francis me abres las ganas de estudiar :-)

      Eliminar
  3. Genial resumen Cristina, genial capítulo también. Realmente creo que se confirma lo que dije en el primer debate "creo que el autor tiene la intención de dar coherencia al "Todo" de #Orígenes Universo" y también creo que lo está logrando exitosamente.

    No tenía ni idea de todo lo explicado en este capítulo, más o menos creo que lo he seguido y que me ha generado algunos "cimientos" en los que construir nuevos conocimientos, por poner un ejemplo he seguido la explicación de Francis sin grandes dificultades (y seamos sinceros, ¡mira que es raro todo esto!, XD).

    Por poner algún pero y no parecer un pelota con el autor, creo que hubiera agradecido que explicara el símil del lago antes que las oscilaciones bariónicas, de hecho después de leer el símil volví atrás y lo vi todo más claro. Pero, quién sabe, lo mismo me hubiera perdido más.

    Y ahora voy a hablar del contenido. Mejor dicho voy a hablar de como me he sentido:
    No me ha supuesto un esfuerzo mental muy grande "aproximarme" al concepto de materia oscura, pero el de energía oscura reconozco que siento que no creo que esté fuertemente "insertado" en mi mente. No se por qué es así. Será por qué soy químico. ¡no sé!
    La energía oscura me provoca vértigo. Pero que todo el universo contenga partículas que mis sensaciones NO pueda detectar NO me provoca inseguridad. Creo que es porque más o menos comprendo el experimento de Rutherford, la transparencia de los cuerpos a algunos rayos y no a otros... Opino que este tipo de "conocimientos" me han preparado para la materia oscura.
    Pero repito, la energía oscura me genera vértigo. Una pregunta ¿esa energía oscura solo se ha visto corroborada por la expansión del universo? No sé, si solo alterara ese parámetro, el cual es también bastante raro para mí, quizás el futuro del modelo del Big Bang sea bastante distinto del que yo preveía en el capítulo anterior.

    Paso de seguir porque todavía me queda mucho por entender. Saludos a todos y comentar que sigamos aprendiendo.

    ResponderEliminar
    Respuestas
    1. JC pregunta: "¿esa energía oscura solo se ha visto corroborada por la expansión del universo?"

      Así es, el único indicio que tenemos de la energía oscura es la reciente expansión acelerada del universo; el efecto de la energía es muy pequeño, luego sólo se observa a escala cosmológica y en épocas recientes del universo z<2. Sin embargo, la hemos observado por varios métodos independientes: supernovas Ia, varios efectos en el fondo cósmico de microondas, los mapas de galaxias a gran escala, etc. Todos los métodos coinciden, más o menos, con que la relación presión/densidad = w = -1, pero la incertidumbre cambia según el método.

      Por ahora no sabemos si la energía oscura es una constante (cosmológica) o una magnitud dinámica (que cambia durante la expansión cósmica). En el primer caso w=-1, y en el segundo tenemos campos fantasmas w < -1, o campos tipo quintaesencia w > -1, pero siempre con un valor próximo a w = -1. Hay otras propuestas, por supuesto. Muchos físicos cree que la gravedad cuántica podría ser relevante a la hora de resolver el problema de la energía oscura. Sin lugar a dudas es el problema más importante en Física Fundamental en el siglo XXI.

      La clave en la resolución del problema de la energía oscura son las observaciones de precisión de su variación (o no) reciente y del valor de su ecuación de estado w. Ya hay varios telescopios espaciales específicos. Seguramente en el año 2050 tendremos mucha información sobre la energía oscura y podremos pensar en su solución.

      Eliminar
    2. Todo muy correcto y muy claro, gracias Francis por contestar a todo!

      Sólo quiero dejar abierta (un poco) la puerta a la posibilidad de que la dichosa energía oscura, que a mí también me pone muy nervioso, sea un signo de que hay algo que realmente no entendemos.

      Pensad que tenemos un modelo del Universo que funciona de maravilla y explica casi todas las observaciones, pero tiene un precio: aceptar la existencia de un ente físico que no se parece a _nada_ que conocemos.

      La mayor parte de los físicos cerramos los ojos ante ese "pequeño" detalle y seguimos nuestra vida tranquilamente, sobre todo porque tampoco sabemos cómo salir de ahí. Algunos en cambio intentan salvar el obstáculo rechazando la existencia de tal entidad e intentando un cambio radical en alguna otra parte del modelo (lo más habitual, intentando reescribir la teoría de la gravitación).

      Un punto que estos últimos suelen señalar, no sin razón, es que en todos (igual me paso, posiblemente "casi todos") los casos en que la gravitación ha sido puesta a prueba en distancias extremadamente grandes y campos extremadamente pequeños, ha fallado... ahí están precisamente las evidencias de la materia oscura (cúmulos, curvas de rotación de galaxias, lentes gravitatorias) y de la energía oscura (expansión cósmica) que bien señala Cristina en el resumen. Puede ser una señal---pero, insisto, de momento no hay nada mejor en esa dirección.

      Eliminar
    3. Gracias JC por tus preguntas... ¡son temas que no me había planteado hasta que lo has preguntado!

      A raíz de la respuesta de Alberto, me gusta pensar que quedan aún muchas cuestiones por resolver y que hay muchas personas que dedican su tiempo y esfuerzo a buscar respuestas.

      Y por supuesto, gracias también a Francis por arrojar luz ;)

      Eliminar
  4. Hola Cristina,

    muy buen resumen, no se hace largo para nada y queda muy claro lo que se cuenta en el libro. ¡Enhorabuena!

    A mi este capítulo me ha dejado un poco de sinsabor. Me ha parecido que se enfocaba mucho en las cuestiones teóricas y poco en las observacionales. Además que habla demasiado de Zwicky. Zwicky estoy de acuerdo en que fue un gran cosmólogo pero, por otra parte, creo que la imagen que se ha transmitido de él en la literatura y las que nos han transmitido nuestros mayores ha hecho que le odie un poquito...

    Me hubiera gustado que hubiera hablado más de Vera Rubin y como calculó la rotación de las galaxias. Es muy ilustrativo ver el diagrama de velocidad rotacional que obtuvo y como sería si no existiera materia oscura. Me parece que es una de las cosas más interesantes, y fácil de seguir a nivel físico-matemático aún sin grandes conocimientos, que hay en astrofísica. También ayuda a ver como usar el efecto Doppler para las velocidades de rotación de las galaxias. Por si os interesa el artículo original está aquí: http://articles.adsabs.harvard.edu/cgi-bin/nph-iarticle_query?1970ApJ...159..379R&data_type=PDF_HIGH&whole_paper=YES&type=PRINTER&filetype=.pdf

    También cuando menciona el tema de las lentes gravitacionales, me hubiera gustado que hablara un poco más de como se usan para detectar exoplanetas. Aunque es cierto que es un tema que se escapa del alcance del capítulo y no tiene nada que ver con la cosmología!

    Saludos

    ResponderEliminar
  5. Genial resumen. No puedo aportar mucho más, lo único que no me ha quedado muy claro es lo de las oscilaciones bariónicas. y las diferentes escalas donde se mide. Como dice Juan Carlos tendré que volver hacía atrás para ver si se me aclara algo.
    Por cierto, ya que es mi primera intervención decir que el libro me parece una buenísima elección.
    Con respecto a tener envidia a los niños que están ahora en el cole solo comentar que cuando Peter Higgs predijo su Bosón creía que no iba a poder "verlo" durante su existencia, y no fue así. Así que ¿quien sabe? igual nos dan alguna sorpresa con la materia oscura, e incluso con la energía.
    "La ciencia es bella, e impredecible. Si confías en ella quizá te de alguna sorpresa" - Paulo Coelho (en un día bueno XDD)

    ResponderEliminar
    Respuestas
    1. Yo lo de las oscilaciones bariónicas tampoco lo entiendo muy bien. Entiendo que hubo pequeñas diferencias de densidad pero no veo qué tienen que ver con las ondas... :-(

      Eliminar
    2. Yo tampoco lo he entendido del todo y se refleja en el resumen :( Alguien nos lo puede explicar?

      Eliminar
    3. Este comentario ha sido eliminado por el autor.

      Eliminar
    4. Por lo que entiendo de las oscilaciones bariónicas, lo primero es que su nombre viene de que las producen materia bariónica, es decir, la materia que conocemos y formó las galaxias. Imagina que tienes una bola que se puede comprimir y expandir de manera remota y la metes debajo del agua. Ahora empiezas a expandirla y comprimirla desde fuera del agua. Se empiezan a formar ondas en 3 dimensiones. Si ahora piensas que en el universo primitivo tienes una zona con mayor cantidad de materia (bariónica). Eso sería la bola. Por efecto de la gravedad esa zona se empieza a contraer y se calienta, pero llega un punto en el que no se puede contraer más y empieza a expandirse y se enfría. Así sucesivamente. El efecto de esas contracciones y expansiones crea ondas longitudinales (de sonido) en el entorno (el agua en el ejemplo), que a su vez hace que haya otras zonas que se contraigan y empiecen a formarse esas bolas. Cuando el universo se "congela", esas ondas dejan de producirse, pero también dejan de producirse las inhomogeneidades, así que esa asimetría pequeña de materia se queda fijada en el universo. Esa asimetría es la que darían lugar a las galaxias y grandes estructuras.

      Lo de regla estándar es porque midiendo el tamaño de esas inhomogeneidades, se pueden determinar el tamaño de las grandes estructuras del universo (midiendo también su tamaño angular y su distancia, por supuesto)

      Eliminar
    5. Muchas gracias Jorge por tus explicaciones,ahora lo entiendo un poco mejor.
      Saludos

      Eliminar
  6. Excelente resumen Cristina, estoy con Fco Javier, faltan detalles pero comprendo que sea así y por otro lado incentiva a buscar el por qué de las cosas por que cada punto, teoría, modelo, principio lleva consigo historia, personas,conocimientos adquiridos durante años e incluso libre pensadores para deducir y aportar nuevo conocimiento ya que aun no hay nada cerrado en todo este tema, es fascinante, se puede no tener razón pero es que nadie lo sabe todo ni tiene todas las respuestas.

    ResponderEliminar
  7. Muchas fracias Francis por tus aportaciones, te considero mi físico de cabecera jejeje, siempre aprendo mucho contigo bienvenido a la tertulia.

    ResponderEliminar
  8. Felicidades Cristina, muy buen resumen. Tenías que haberte animado antes ;-)

    Muchas gracias Francis por iluminar nuestra introducción a estos temas.

    Es un capítulo bastante complejo y me he conformado con entender las ideas a grandes rasgos pero lo que más me llama la atención es que las pruebas indiquen que estamos en un universo plano. Partiendo de una singularidad es muy llamativo, parece más intuitiva la geometría esférica pero las pruebas hablan. Ahora la duda, si es plano entiendo que hablamos de dos dimensiones mucho mayores que tercera, ¿algo como el tablero de una mesa?. Entonces el tamaño inmenso nos hace creer que hay galaxias en todas direcciones por igual pero no es así o me he perdido del todo.
    He entendido que las oscilaciones bariónicas son mínimos cambios en la radiación de fondo que nos permiten saber que no había una distribución perfectamente homogénea de materia. Pero también agradezco una ampliación.

    Hasta luego

    ResponderEliminar
    Respuestas
    1. Hola! El Universo es plano pero en (3+1) dimensiones, no en dos como sería el caso en el ejemplo que pones. La forma más sencilla de entenderlo es pensar en el problema de medir los ángulos de un triángulo. Es una cosa que se puede hacer en el propio espacio en el que vives, sin recurrir a "abstracciones" y que te dice la curvatura. Si, por ejemplo, se hace en la superficie de la Tierra con suficiente cuidado y con triángulos suficientemente grandes, puedes probar que la Tierra es redonda sin necesidad de "salir fuera" de ella (eso va para los fans de la "Tierra plana"!).

      En el caso del Universo podrías medir "triángulos cósmicos" y aplicar la geometría de toda la vida, y encontrarías que en efecto (si se confirma que la geometría es plana) todos ellos tendrían ángulos que sumarían 180º. Por supuesto eso exigiría poner "teodolitos" en galaxias lejanas, y no es un experimento que de momento podamos hacer! Pero como se comenta en el libro, algunos experimentos permiten hacer precisamente eso---sobre todo la medida de la escala de los picos bariónicos a diferentes escalas (edades) del Universo.

      Como bien explicaron más arriba, esa escala es una distancia que quedó "marcada" en la época del origen del fondo cósmico de microondas. Esa escala se ha ido expandiendo como si fuera una "regla" que estuviera directamente dibujada en el espacio, como si fuera la "cuadrícula" que se suele pintar en las animaciones de la expansión del Universo. Puedes imaginarte que poder ver "la cuadrícula" pintada es un chollo, te permite ver directamente cómo se expande el Universo. De ahí la importancia de medir la escala del pico bariónico en muchas épocas diferentes del Universo.

      Eliminar
    2. Santos comenta: "si es plano entiendo que hablamos de dos dimensiones mucho mayores que tercera". Alberto aclara: "El Universo es plano pero en (3+1) dimensiones, no en dos. [
      En] el caso del Universo podrías medir "triángulos cósmicos" y aplicar la geometría de toda la vida"

      Santos, cuando habla de curvatura del universo se está hablando de curvatura intrínseca, no de curvatura extrínseca (la que observas desde un espacio de más dimensiones). Cuando tú miras (estás en un espacio 3D) un cilindro (superficie 2D), observas su curva extrínseca y te parece curvado (su sección transversal es un círculo); sin embargo, la curvatura intrínseca de un cilindro es cero; un cilindro es plano (pues, como bien dice Alberto, si dibujas un triángulo en el cilindro y abres el cilindro por una generatriz aplanándolo resulta que sus ángulos suman 180º). ¿Un toro o dónut te parece curvo? Pues no lo es, un toro es plano, su curvatura intrínseca es nula (dibujar un triángulo te permite comprobarlo).

      Santos, que no te engañe la imagen intuitiva de que un universo plano 2+1 tiene que ser como "una hoja de papel", luego abierto e infinito en extensión. Un universo plano puede ser como un cilindro o un dónut o más cosas (cerrado, acotado y finito). Todo depende de su topología (algo que no podemos explorar de forma observacional si el universo observable es mucho más pequeño que todo el universo). La topología de un espacio 3D plano (curvatura intrínseca nula) puede ser mucho más diversa que en 2D. Y por supuesto el espacio 3D plano puede ser finito (igual que un toro o dónut). Nuestro universo es plano en 3+1 dimensiones, luego es un plano en tres dimensiones (algo que permite más posibilidades que el cono, cilindro o dónut). Imaginar un "cilindro" 3D o un "dónut" 3D u otras topologías que también son planas es muy difícil. Pero lo importante es lo que te comenta Alberto, la curvatura es una noción intrínseca y local.

      Santos, el problema de la imagen del triángulo de Alberto es que se aplica a una superficie 2D, mientras nuestro universo es 3D. En lugar de triángulos tienes que considerar tetraedros. En lugar de la suma de los ángulos "internos" en los vértices de un triángulo (que suman pi), imagina los ángulos "externos" en los vértices entre los vectores normales (perpendiculares) a los lados del triángulo (que suman 2pi). Los ángulos sólidos "internos" de un tetraedro suman entre 0 y 2pi, luego la suma no es constante. Los ángulos sólidos "externos" de un tetraedro (definidos por los ángulos sólidos asociados a los vectores normales a las caras que coinciden en cada vértice) suman 4pi, siempre. Para estudiar si una hipersuperficie 3D es plana tienes que dibujar un tetraedro, sumar sus ángulos sólidos "externos" en los vértices y comprobar que suman 4pi. Esta la definición de espacio 3D plano (curvatura intrínseca nula).

      Saludos
      Francis

      Eliminar
    3. Santos, explicar las oscilaciones acústicas bariónicas (BAO) no es fácil sin una animación (como http://online.kitp.ucsb.edu/online/primocosmo-c13/eisenstein/vid/acoustic_anim.gif); pero lo intentaré. Lo primero, las BAO se observan en la radiación de fondo, pero también en la distribución de galaxias (proyectos como BOSS del SDSS, se llaman BO-- por BAO).

      Imagina el universo joven (pongamos con 1 año de vida). Contenía materia oscura, materia visible (bariónica y leptónica) y radiación (fotones y neutrinos). Imagina una perturbación primordial (una fluctuación cuántica en la densidad de todo el contenido amplificada por la inflación cósmica) como un "grumo" localizado (una esfera de mayor densidad rodeada de una región de menor densidad); las fluctuaciones cuánticas primordiales afectaron a todo, porque todo estaba acoplado entre sí, luego el "grumo" es de todo el contenido, materia oscura, materia bariónica y radiación. Pero este "grumo" evoluciona de forma diferente para cada una de las componentes y además "crece" en diámetro y reduce su amplitud conforme el espaciotiempo se expande.

      El "grumo" de materia oscura, que es fría (no se mueve), sólo autointeracciona por la gradedad y no interacciona con la radiación, se mantiene compacto por la gravedad, pero decrece en amplitud y se ensancha debido a la expansión cósmica.

      El "grumo" de radiación se expande a la velocidad de la luz en el espaciotiempo en expansión, porque los fotones no pueden permanecer en reposo. Los fotones (y neutrinos) alejan en forma de casquete esférico (u onda esférica) del "grumo" de materia oscura (que usaremos como referencia).

      La historia del "grumo" de materia bariónica es diferente, pues oscila primero hacia afuera (se expande) y luego hacia adentro (se contrae). Esta materia (visible) está en un estado de plasma acoplado a la radiación por el electromagnetismo (EM) y a la materia oscura por la gravedad. Domina el primero (EM), luego el "grumo" de materia bariónica se expande en forma de casquete esférico a casi la velocidad de la luz arrastrado por la radiación (en realidad, se expande a la velocidad del sonido del plasma, pero en esta época temprana es próxima a la velocidad de la luz).

      Por tanto, la materia bariónica se desacopla de la oscura y se expande siguiendo la evolución de la radiación. Pero esto ocurre mientras están acopladas, es decir, hasta que ocurre la recombinación (formación de los primeros átomos que son neutros y no están acoplados a la radiación). En ese momento (entre 100.000 y 400.000 años) la radiación continúa alejándose del grumo inicial de materia oscura, pero también se aleja del casquete esférico de materia bariónica. Ahora actúa la gravedad, la atracción gravitacional entre la materia oscura y la bariónica empieza a dominar y la materia bariónica "oscila", revierte su expansión y se contrae, acercándose hacia el grupo "inicial" de materia oscura (que ahora es mucho más grande pero de menor densidad).

      En los primeros millones de años, la materia bariónica se acumula en el centro del "grumo" de materia oscura con una distribución muy similar a ella. Como resultado, cuando se forman las primeras estrellas, galaxias, etc. gran parte de la materia bariónica está acumulada en "grumos" con la misma distribución de densidad que la materia oscura (por ello las galaxias se encuentran en el centro de halos de materia oscura).

      Sin embargo, el "pico" inicial de materia bariónica en el lugar donde se encontraba el casquete esférico durante la recombinación no desaparece del todo, decae mucho su amplitud, pero sigue siendo un pico (acústico) pequeño por encima de la distribución de materia (oscura y bariónica). Este pico acústico de materia bariónica es lo que se llama BAO y marca la escala (tamaño) del casquete esférico que alcanzó la materia bariónica cuando fue arrastrada por la radiación lejos del "grumo" inicial de materia oscura.

      Espero haberme explicado bien.

      Eliminar
  9. Quería dejaros por aquí un documental que acabo de ver sobre materia y energía oscura. Está bastante bien y salen unas imágenes del telescopio de Arecibo fascinantes. https://youtu.be/FBhZF9mBd14
    Por otro lado comentar sobre este documental, ya que sucede muy al principio, ¿Por qué se tienen que hacer valoraciones sobre la personalidad de Vera Rubin? No sé si aportan algo, además, de donde sacan esas afirmaciones. Que si era tímida, que si eligió un tema alejado de la competencia feroz masculina, ufff, o me das enlaces donde pueda comprobarlo o me pone muy nervioso.
    Tampoco hemos comentado el hecho de que fuese la primera mujer que tuvo acceso al telescopio, flipa.

    ResponderEliminar
    Respuestas
    1. Hola, Francisco Javier
      Creo que describir la personalidad de un científico o de cualquier persona que haya hecho un buen trabajo no es negativo. Es humanizarlo, hacerlo asequible, bajarlo de las alturas y constatar que son hombres y mujeres como nosotros. Acercarlos para poder valorar más su trabajo. Además, somos animales sociales y no podemos evitar que nos gusten las historias y los chismorreos…. Jaja
      Otra cosa, que es a lo que creo que te refieres, es valorar el trabajo con visión sesgada por el hecho de ser mujer, silenciar el trabajo de montones de buenas científicas o de otros ámbitos, no reconocer en lo que valen sus investigaciones, eso sí es un problema grave. O la falta de respeto, de científicos como Tim Hunt Novel de Medicina 2015, calificando de lloronas a sus colegas mujeres, por no hablar del endiosado Einstein. Eso sí que es para ponernos nerviosos a todos
      Todavía no es visto el documental, enseguida me pongo a ello, gracias 

      Eliminar
    2. A eso me refiero, la ponen de tímida y frágil, pero luchadora. Vamos los tópicos de las mujeres. Que quizá sean verdad, pero de los demás no dicen nada.

      Eliminar
  10. Gracias por las explicaciones de los expertos, por aclaraciones, por los comentarios de todos. Es un verdadero placer leer un libro como este con todos vosotros.
    Que tengáis una buena semana
    Cristina

    ResponderEliminar