2007/09/16

El Big Bang, una explosión en perfecto orden


La curvatura del espacio-tiempo se manifiesta como un efecto marea. Si caemos hacia una gran masa sentiremos que nuestro cuerpo se estira en la dirección de caida y se aplasta en las direcciones perpendiculares a aquella. Esta distorsión de marea aumenta a medida que nos acercamos, de forma que para un cuerpo que caiga a un agujero negro de varias masas solares el efecto lo destrozaría, destrozaría sus moléculas, sus átomos, después, sus núcleos y todas las partículas subatómicas que lo constituyeran. Un verdadero efecto desorganizador, y motor de desorden, de la gravedad en su máximo exponente. No sólo la materia, sino el propio espacio-tiempo encuentran su final en las llamadas singularidades del espacio-tiempo que representan los agujeros negros. Son consecuencias que se deducen de las ecuaciones clásicas de la relatividad general de Einstein y de los teoremas de singularidad de Penrose y Hawking.

Si los agujeros negros son singularidades en donde colapsa la materia y el propio espacio-tiempo, existen otro tipo de singularidades. Utilizando la dirección inversa del tiempo nos encontramos con la singularidad incial en el espacio-tiempo que llamamos Big Bang. Esta singularidad representa todo lo contrario, la creación del espacio-tiempo y de la materia. Aunque podríamos pensar que hay una completa simetría entre los dos fenómenos, cuando los estudiamos con detenimiento encontramos que no pueden ser exactamente inversos en el tiempo. La diferencia entre ellos contiene la clave del origen de la segunda ley de la termodinámica, la famosa ley que dice que :"La cantidad de entropía, o desorden, de cualquier sistema aislado termodinámicamente tiende a incrementarse con el tiempo, hasta alcanzar un valor máximo". También contine la clave de la llamada flecha del tiempo.

La entropía (o medida del desorden) en un agujero negro es elevadísima. De hecho, para hacernos una idea, la compararemos con la entropía que suponíamos que contribuía en mayor manera al total del Universo, la correspondiente a la radiación de fondo. Esta entropía, en unidades naturales, considerando la constante de Boltzman como unidad, es del orden de 108 por cada barión del Universo, mientras que la entropía por barión en el Sol es del orden de la unidad. Mediante la fórmula de Bekenstein-Hawking se encuentra que la entropía por barión en un agujero negro de masa solar (en agujeros más masivos es todavía mayor) es del orden de 1020 en unidades naturales.

Para un Big Crunch, o "crujido" final en que colapsara todo el Universo en un gigantesco agujero negro, la entropía por barión sería del orden de 1031. La existencia de la segunda ley de la termodinámica sería imposible en un universo que emergiera con ese desorbitado desorden,siguiendo una simetría temporal entre singularidades de colapso y de creación. De hecho el Big Bang fue una gran explosión en completo orden. Dio lugar a nuestro espacio-tiempo y a la materia de nuestro Universo y desde entonces ha ido aumentando la entropía, según la segunda ley, y marcando una flecha del tiempo que va desde este inicio al final del Universo.





El orden inicial, tal como apunta Penrose y se comenta en la entrada "las estrellas, fuente de orden y de baja entropía", es el responsable de todo nuestro orden actual y futuro, y de la organización que presentan nuestros organismos vivos.


Hasta tal punto fue ordenada la explosión inicial, que la distorsión destructiva a la que me refería al principio, que tiende a infinito en un agujero negro, fue igual a cero en el Big Bang. Esta distorsión del espacio-tiempo, con conservación de volumen, debida al tensor de curvatura espacio-temporal llamado Weyl, fue nula.

Comentario del autor (18-09-2007):
A diferencia de lo que ocurre en la implosión de la materia para formar un agujero negro, que es un fenómeno capaz de crear cantidades inmensas de entropía (o desorden), en el momento de la "explosión" del Big Bang la entropía fue mínima, de hecho es la única forma en que se puede dar un Universo con la segunda ley de la termodinámica. A partir de entonces la entropía no ha dejado de crecer.

Lo que ocurre es que la "explosión" del Big Bang no lo fue en el sentido que conocemos: algo que estalla en el espacio y en el tiempo, fue el propio "estallido" del espacio-tiempo. Para entenderlo se suele poner el ejemplo de un globo cuando se hincha. Debemos imaginar que la superficie del globo es el propio espacio-tiempo que se ensancha aunque de forma muy violenta, formando el propio espacio-tiempo que conocemos. No hay un centro estático de la explosión, porque todo se aleja de todo, tal como observamos en la expansión actual del Universo.

2007/09/04

Corrientes de estrellas y materia oscura

Contrariamente a lo que se pensaba sobre que las galaxias experimentaron, en una época temprana, un crecimiento rápido que les dio su forma presente, hoy se cree que sólo las galaxias enanas (con masas de hasta mil millones de soles) pasaron por ese período abrupto de formación. Las galaxias grandes, como la Vía Láctea, con su billón de soles, se crearon después de la absorción progresiva de galaxias enanas, en un proceso que hoy en día todavía continúa. Las galaxias absorbidas forman las llamadas corrientes de estrellas, que con el tiempo (después de millones de años) se dispersan y acaban desvaneciendo su estructura espacial. Sin embargo, ciertos rasgos sutiles de su movimiento y su composición estelar son capaces de rebelar su origen.

Métodos de identificación de corrientes estelares
Dinámico: Solemos caracterizar el movimiento de los cuerpos por su posición y velocidad, pero el movimiento también tiene otras propiedades, como son la energía y el momento angular. Mientras que la posición se especifica en un espacio tridimensional, la posición más el momento se definen en un espacio de seis dimensiones, llamado el espacio de fases. La ventaja del espacio fásico es que la disposición de las estrellas, en él, se mantiene más tiempo que en el espacio real. Al medir la energía, el momento angular y la densidad en el espacio de fases de muestras aleatorias de estrellas se descubren agrupamientos que no se perciben directamente.

Químico: Otro método que se empieza ahora a probar es el de la huella química. Dado que las estrellas no nacen aisladas, sino suelen ser creadas en una misma nuve de gas, cada nube tiene una mezcla única de elementos químicos e isótopos que deja su huella en la composición de las estrellas. Siguiendo esa huella se es capaz de identificar las estrellas con los mismos "genes" estelares y se puede identificar su origen local o foráneo.

Cuando hace algo más de diez años se descubrió la corriente estelar de la galaxia enana Sagitario, muchos lo consideraron una simple curiosidad, pero pronto se convirtió en el emblema de una historia compleja de fusiones y acreciones de la Vía Láctea, procesos que hoy sabemos que son los motores de la formación y la evolución de las galaxias. Además, el estudio de estas corrientes galácticas nos están ayudando a conocer, un poco más, algo tan misterioso como la llamada materia oscura.

Sobre corrientes y materia oscura
Las estrellas representan una fracción pequeña de las galaxias, que en su mayor parte se componen de materia oscura, de naturaleza desconocida. Una forma de saber la distribución, y la posible composición, de esta materia es seguir y analizar el movimiento de una estrella (que está sujeta a su influencia gravitatoria) a medida que describe una órbita alrededor del centro de la galaxia, pero deberíamos realizar una observación que duraría millones de años. Sin embargo el estudio de las corrientes estelares nos revelan los mismos datos, pues nos describen las trayectorias, durante millones de años, de centenares de miles de estrellas pertenecientes a galaxias enanas absorbidas por galaxias mayores. El equipo de los astrofísicos Rodrigo Ibata y Brad Gibson en base a los datos obtenidos con la corriente estelar Sagitario ha descubierto que la materia oscura no se reparte alrededor de la Vía Láctea en forma de un elipsoide, como predecían las simulaciones numéricas, sino en forma de una esfera.

Se puede llegar a descubrir si la materia oscura se reparte de forma homogénea o se crea grumos. Según sea su composición cabría esperar lo uno o lo otro. Si la materia oscura está formada por partículas que sólo interactúan de forma gravitatoria, no hay nada que impida su agrupamiento, pero si se compone de partículas que interactúan de otra forma, podrían resistirse a la atracción gravitatoria y extenderse de forma homogénea.


Satélite de exploración Gaia
Desde finales de 2011 hasta 2020, el satélite Gaia, el telescopio espacial más ambicioso que se haya concebido, explorará en detalle las posiciones y velocidades de las estrellas en las corrientes delgadas, y deberá confirmar o descartar la existencia de grumos de materia oscura. “ De esta manera, corrientes estelares más extensas que una galaxia entera pondrían de manifiesto las propiedades de partículas más pequeñas que los átomos.




Fuentes:
-"La huella de galaxias destruidas", Rodrigo Ibata y Brad Gibson. INVESTIGACIÓN Y CIENCIA. Junio de 2007
- Astroseti