Origenes, el universo: Capítulo 8 - Y al final del origen...

Este capítulo se presenta como el colofón del origen de todo lo que vemos (las estrellas, galaxias, etc..) e incluso de lo que no vemos (materia oscura, energía oscura, la recuperación económica...). Además es la presentación perfecta para la siguiente parte del libro.

Comienza el capítulo explicando que los cambios de estado (como nos gusta la termodinámica a los físicos) ya han pasado, y nos encontramos en una fase del Universo más tranquila, la densidad y la temperatura han descendido hasta límites inimaginables si los comparamos con lo caliente que estaba todo hace solo unos pocos millones de años. Solo queda como interacción reinante la muy débil (en serio, esto es importante, muy débil) gravedad.

Las ligerísimas inhomogeneidades que se observan en el fondo cósmico de microondas van consolidándose formando las estructuras que observamos ahora: galaxias, cúmulos y supercúmulos. El autor nos cuenta como midiendo las posiciones y velocidades se puede intuir el movimiento futuro de las galaxias. Viendo así cómo se relacionan unas con otras, los que nos descubre la gran estructura a la que pertenecemos llamada Laniakea (que en hawaiano quiere decir Cielo-Inabarcable, Lani-akea), el siguiente vídeo muestra este hecho:

Laniakea Supercluster from Daniel Pomarède on Vimeo.

Parece que nuestra galaxia se empezó a formar hace unos 10.000 millones de años. Aunque este dato es muy difícil de precisar ya que hay objetos dentro de ella que tienen una edad cercana a la del Universo (13.800 millones de años). Lo que apoya la idea de que lo primero en aparecer fueron objetos pequeños (estrellas) que poco a poco fueron formando los objetos que vemos como galaxias. Esto es lo que se llamaría aproximación bottom-up, o modelo jerárquico. Apoyado también por las observaciones del cielo profundo donde no se aprecian galaxias elípticas que son más homogéneas.

También existe un modelo de formación de galaxias top-down, que defiende que primero colapsan enormes nubes de gas que forman galaxias elípticas muy masivas, y con poblaciones estelares muy homogéneas, es decir, que prácticamente todas las estrellas se formarían a la vez y después permanecería en un relativo reposo. Parece que en este basto Universo hay sitio para acomodar galaxias con todas la teorías posibles.

Hay que destacar que todo lo que conocemos sobre las galaxias y su formación, así como lo conocido sobre la formación de los sistemas planetarios está en constante revisión. En Astronomía como en otras ramas de la ciencia, en los últimos años, se ha cambiado el paradigma del científico solitario, o pequeños grupos, a grandes colaboraciones internacionales, sobre todo debido al incremento en la complejidad de los instrumentos necesarios, así como de las dificultades halladas.

Uno de los avances que ha propulsado la investigación en cosmología es el avance en computación. Con las teorías teorías de evolución estelar que tenemos se puede programar en un supercomputador la evolución que tendría el Universo desde unas condiciones iniciales concretas y conocidas (el CMB). Los avances en el campo de la simulación han seguido a rajatabla la Ley de Moore, pasando de 1000 partículas en los 70's a 10 millones en los 90's y a 10.000 millones en la actualidad. (La siguiente imagen ha sido extraída de la web del proyecto Illustris)

Proyección a gran escala de la simulación Illustris, centrada en un cluster muy masivo. Muestra la densidad de materia oscura superpuesto al campo de velocidades del gas.

En las simulaciones se incluye sólo la materia oscura, ya que es más fácil de modelizar porque sólo responde a la gravedad. Una de las cosas que nos dicen que estamos en el buen camino es que las simulaciones, que realizamos a partir de nuestras teorías y modelos, dan como resultado unos universos que se parecen mucho al nuestro.

La última parte del capítulo ya presenta la posible formación de sistemas planetarios, avisando que muchas de las cosas que creemos saber sobre los procesos de formación de planetas y discos protoplanetarios están en constante revisión. Lo que parece claro es que el sistema solar se formó a partir de los restos de una supernova anterior, ya que necesitamos que haya algo más que el Hidrógeno y el Helio primordial. De esta forma a partir de esta nube de "polvo enriquecido" con átomos más pesados se formaría nuestro Sol y habría material de sobra para formar los planetas rocosos que conocemos.

Esta nube de "gas enriquecido" iría colapsando por atracción gravitatoria formando pequeños grumos donde en el centro estaría concentrada la mayor cantidad de masa que sería la que formaría nuestro Sol. Después, en un ajetreado inicio, los pequeños grumos formados exteriormente (planetesimales) irían limpiando sus propias órbitas al acretarse el material circundante. Esta limpieza también se vería favorecida por la ignición del Sol, ya que la presión de radiación (viento solar) desplazaría hacia el exterior las partículas más ligeras. También calentaría los posibles fragmentos de hielo, razón por la que el cinturón de asteroides son testigos "secos" de este inicio de la formación de nuestro planeta, y los fragmentos más exteriores (cometas) son testigos "húmedos".

Algo a destacar serían los últimos descubrimientos de "química interestelar" (me invento los nombres pero creo que hay alguna rama así) donde, sorprendentemente, las observaciones en radio o infrarrojo han identificado moléculas orgánicas en esos discos protoplanetarios, o incluso en las grandes nubes de gas interestelar. Moléculas que pueden llegar a la complejidad del Dimetil Éter (CH3OCH3). Lo que nos indica que hay interacción entre los elementos y moléculas libres. Por supuesto también se han encontrado moléculas de agua, lo que explicaría el origen de ella en nuestro sistema solar. Aunque el agua en nuestro planeta sigue sin estar claro si ya se hallaba en la Tierra o vino a bordo de cometas.

La tierra se formó, según distintas estimaciones, hace unos 4600 millones de años, y sólo 1000 millones de años después ya tenemos evidencias fósiles, esto significa que la vida estuvo aquí mucho antes, prácticamente tendría la misma edad que la tierra, ya que los primeros seres vivos no serían tan complejos como para dejar fósiles ¿Existen fósiles de bacterias o archeas? 

"... los primeros pasos para la formación de seres vivos pudieron producirse apenas las condiciones fisicoquímicas fueron suficientemente estables como para permitirlo."

Y así es como el autor nos deja preparada la siguiente parte del libro.

Espero no haberme enrollado mucho, y ahora cuestiones para el debate, además de la duda sobre las bacterias:

1.- ¿No os parece que, a pesar de que el autor afirma que todo está en constante revisión, tenemos como más cierto todo este proceso de formación de planetas?

2.- ¿Qué papel juega la materia oscura en esta pequeña escala de los discos protoplanetarios?

3.- Y antes de dejar atrás la cosmología, no quiero dejar de pasar la oportunidad de ver si alguien me resuelve una duda. Si la expansión del Universo se está acelerando, supongo que cada vez hay más energía oscura, ya que esta es la energía del vacío ¿O hay siempre la misma? ya que si la energía total se tiene que mantener se debería consumir materia ordinaria u oscura. Si no es así, que supongo que no, si la Energía Oscura es una propiedad del propio espacio-tiempo ¿Podrá llegar en algún momento a influir dentro de los filamentos de materia oscura? Y para más inri ¿Afectará dentro de las galaxias llegando incluso a un "Big Rip" a nivel atómico?

@guardiolajavi

Orígenes, El universo. Capítulos 6 y 7. Cosmología de precisión. El futuro de nuestro pasado.

Antes que nada quería sumarme desde aquí junto a Tertulias Literarias de Ciencia con todos sus participantes y miembros a las condolencias por los habitantes y familiares que han sufrido en mayor o menor medida los terremotos en #Italia, #Arquatadeltronto, #Pescaradeltronto, #Amatrice y #Accumoli, nuestro más sentido pésame. 

Lo descrito hasta el momento y las pruebas  observacionales de la parte del universo en que vivimos nos proporciona un punto de partida para poder proponer un modelo cosmológico que aunque no sea irrefutable si se ciñe (con sus incertidumbres) a las pruebas que se han acumulado mayormente en los últimos 50 años.

El modelo lambda y materia oscura fría (ΛCDM), un modelo que nos dice que el universo es plano, sin curvatura y con densidad crítica. 

Pero cuidado, por que éste modelo también tiene sus problemas, de ahí  que aun sea un modelo. 

Para empezar, en el modelo de la Gran Explosión, nos proponen que hubo la misma formación de partículas y antipartículas que se sabe que al interactuar entre ellas se aniquilan en un fogonazo de energía como señala la ecuación de Einstein E = mc² (que nos dice que hay una conversión de energía en masa y viceversa o lo que es lo mismo, la masa es energía condensada en forma de partículas),  por lo tanto cuando dos partículas se aniquilan sus masas se convierten en energía,  en este caso en fotones, energía pura. Es un principio básico de la física que éstas reacciones sean totalmente simétricas. 

Hoy día vemos más materia que antimateria en nuestro universo observable, entonces ¿ donde está la antimateria que falta si al inicio se creó la misma cantidad de materia que antimateria?, y si las aniquilaciones son simétricas ¿por que entonces hay algo en vez de nada?  Son las dos preguntas que nos deja Alberto para que nos hagamos a la idea de que sepamos donde falla el modelo y que aun quedan muchas cosas por resolver.

Entonces, la simetría no se cumple al 100% ya que si no, no estaríamos aquí y el universo tal y como lo conocemos hoy en día no sería el mismo.

Dentro del modelo, los problemas por resolver son varios.

La simétrica CP, solamente violada por la interacción débil :

"La simetría ha demostrado ser una herramienta esencial para el desarrollo de la ciencia, y a día de hoy, es uno de los conceptos protagonistas de la física y matemática moderna. Los dos desarrollos teóricos más brillantes del siglo XX, la Teoría de la Relatividad y la Teoría Cuántica, incorporan nociones de simetría en un modo fundamental e irreemplazable. No sería una sorpresa si, en un futuro, las Leyes de la Naturaleza terminan escribiéndose únicamente en términos de nociones de simetría.

En física de partículas las simetrías se dividen en continuas y discretas. Las simetrías discretas más importantes son C, P, T y sus combinaciones CP, T y CPT. La conjugación de carga (C) es la operación matemática que cambia los signos de todas las cargas de una partícula, por ejemplo, cambia el signo de la carga eléctrica. Conjugación de carga implica que para cada partícula cargada existe una antipartícula con la carga opuesta. La antipartícula de una partícula eléctricamente neutra puede ser idéntica a la partícula, como es el caso del pión neutro, o puede ser distinta, como pasa con el anti-neutrón debido al número bariónico. La paridad (P), o inversión espacial, es el reflejo en el origen del espacio de coordenadas de un sistema de partículas; i.e., las tres dimensiones espaciales x, y, y z se convierten en −x, −y, y −z, respectivamente. La inversión temporal (T) es la operación matemática que reemplaza la expresión del tiempo por su negativo en las fórmulas o ecuaciones de modo tal que describan un evento en el cual todos los movimientos son revertidos. La fórmula o ecuación resultante que permanece sin modificaciones tras esta operación se dice que es invariante bajo inversión temporal, lo cual implica que las mismas leyes de la física se aplican en ambas situaciones, que el segundo evento es indistinguible del original. Una película de dos bolas de billar que colisionan, por ejemplo, puede ser pasada hacia adelante o hacia atrás sin ninguna pista sobre cuál es la secuencia original en que ocurrieron los hechos. 

De este modo los físicos razonaron que si CP era una entonces T debería serlo también debido al teorema CPT. Sin embargo los experimentos siguientes, llevados a cabo en 1964, demostraron que los mesones K eléctricamente neutros de vida media larga, que debían decaer en tres piones, decaían una fracción de las veces en sólo dos de estas partículas, violando así la simetría CP. Suponiendo el teorema fundamental de CPT, la violación de CP implica también una violación de T. En este teorema, considerado uno de los pilares de teoría cuántica de campos, conjugación de carga, paridad e inversión temporal son aplicadas todas juntas y, combinadas, estas simetrías constituyen una simetría exacta de todos los tipos de interacciones fundamentales. Cabe notar que constantemente se realizan experimentos para verificar la validez de la simetría CPT – que hasta el día de hoy siempre se ha visto respetada.

Las violaciones de CP y de T tienen importantes consecuencias teóricas. La violación de la simetría CP permite a los físicos realizar una distinción absoluta entre materia y antimateria. Esta distinción puede tener implicaciones profundas en el campo de la cosmología: una de las incógnitas teóricas en física es por qué este Universo esta formado principalmente por materia. Con una serie de debatibles, pero plausibles, presunciones, se puede demostrar que la relación entre materia y antimateria que se observa pudo haber sido producida por el efecto de violación de CP durante las primeras fracciones de segundo después del Big Bang. Sin embargo, contrario a nuestras previsiones, la violación de CP medida en física de partículas hasta ahora no es suficiente para generar bariogénesis." 

                  

 Fragmento extraído de:   http://francis.naukas.com/2010/02/11/simetrias-c-p-t-cp-y-cpt/

Otro de los problemas que lleva de cabeza a los físicos es que el universo sea plano, osea que la densidad de materia y energía sea =1. Como hemos visto en el capitulo anterior el universo puede adquirir varias formas en función a su densidad. 

En función a los valores de edad, constante de Hubble, constante cosmologica "energía", cantidad de materia y cantidad de bariones, los datos nos dicen que tenemos un universo plano pero siempre con sus incertidumbres.  Ésto es otro problema en sí dado que viola el principio de mediocridad y que si fuera así, estaríamos otra vez en la incertidumbre de saber si nuestro lugar en el universo es especial y privilegiado o tan sólo es un lugar más como pueden haber otros sin que el nuestro tenga nada en especial,  véase el Pricipio de Copernico.

Pero las pruebas indican que el universo es perfectamente plano con una previsión del 1% esto nos dice que también tuvo que serlo hasta una parte en T 10 elevado a la 62 potencia en la época de Planck.

Otro problema es la homogeneidad que nos dan los datos del fondo cósmico de microondas. Para poder entender este resultado, debemos dar por hecho de que dos puntos opuestos de nuestro universo observable debieron estar unidos tiempo atrás para que se cumpla esta homogeneidad, para solucionar este problema se ha propuesto un modelo de inflación cósmica acelerada que tuvo que producirse al poco tiempo de nacer el Espacio-Tiempo a una velocidad exponencial e inimaginable y que duró muy poco tiempo.

Este hecho resolvería el por qué vemos un universo plano actuando como una plancha, alisando las posibles irregularidades que hubieran habido en el inicio.  

También explicaría la homogeneidad que nos muestran las obsevaciones porque corrobora el que miremos hacia donde miremos la temperatura del cosmos es prácticamente la misma y que en su inicio fuera tan pequeño como para alcanzar el equilibrio térmico. 

Ésta nueva propuesta requiere un nuevo componente por descubrir, pasaría por la presencia de un campo inflatón, el cual necesitaría una partícula mediadora, el Inflaton (aún por descubrir pero con sus propiedades teóricas bien definidas) y que hubiese tenido en el momento de la inflación cósmica un cambio de fase que causara dicha inflación exponencial.

Otra prueba que aportaría validez a la inflación sería la detección de luz polarizada llamada modo B, dicha luz a través de las ondas gravitatorias primordiales (YA DETECTADAS este mismo año pero no primordiales en una colisión de dos agujeros negros gracias al experimento LIGO)  habrían creado una débil señal que debería captarse en el fondo cósmico de microondas. 

El equipo de BICEP 2  anunció a principios de 2014 que  habían descubierto este tipo de luz y hubo un gran revuelo ya que daría paso a ratificar la inflación cósmica con una expansión brutal. También nos obligaría a aceptar que hubo un huevo cósmico que lo contenía todo, es decir, el universo surgió desde el vacío cuántico y ese fenómeno dejó huellas que veríamos a través de la luz de modo B "primordiales" que a su vez confirman las ondas gravitatorias primordiales provocadas por fluctuaciones cuánticas del inicio del universo.  Todo esto confirmaría el modelo ΛCDM. 

El destino final del universo.

Si importante es intentar saber lo que pasó, no menos es intentar saber que es lo que pasará.

Sabemos que el universo ha entrado en una expansión acelerada si los datos futuros no nos dicen lo contrario. Parece ser que la constante cosmológica y la muerte fría,  también llamada "Big Rip" ganará la batalla tanto a la "respiración cósmica" como al "Big Crunch" el frenado de la expansión y posterior regreso a una Singularidad.

Si el Cosmos continua su aceleración constante y exponencial todo indica que la muerte será fría. Pero no sólo la contante cosmología nos dejará en un inmenso vacío cósmico, también las estrellas morirán dejando cadáveres estelares, (como llegará a ser nuestro Sol)  las galaxias dejarán de tener los materiales primordiales para crear nuevas estrellas y luego los agujeros negros no tendrán de que alimentarse sumiendo al universo en un lugar frío y oscuro.

Y aquí va mi duda :

La inflación cósmica tuvo lugar dentro del primer segundo de vida del universo,  he creído entender que hasta dentro de la época de Plank,  según dice en el libro, en menos de un attosegundo tuvo un crecimiento exponencia de 10*26. La comparación de éste crecimiento es como si el radio de un átomo de hidrógeno creciera hasta alcanzar el tamaño de la mitad de una unidad astronómica. Pero ¿cuanto tiempo duró este crecimiento en total ? No me cuadra,  se sabe que hubo este periodo de expansión rápida y que luego se deceleró para luego otra vez comenzar a acelerarse pero más "tranquilamente"

En función a estas recreaciones gráficas, algunas ponen la inflación hasta el fondo cósmico de microonda o otras antes,  ¿alguien me puede decir "si se sabe realmente" cuanto tiempo duró la inflación y cuanto tamaño adquirió antes de decelerar?

¿Que provocó que la inflación dejase de acelerar?

¿Podría ser por la pérdida de densidad de materia-energia gracias al espacio formado o adquirido en el proceso?

¿Podría ser también que al principio el propio campo gravitatorio fuese repulsivo y tuviera un cambio de fase en el momento de la deceleración o antes, pudiendo sustituir así al campo inflatón? Y luego entrara en juego la energia oscura.

Espero no haberme alargado mucho, gracias por darme la oportunidad de disfrutar.