antimateria

La Figura 2a (arriba) muestra el lejano-infrarrojo Universo a través de esta “ventana galáctica”. Es posiblemente la más fina imagen del Universo sobre un gran área de 10 grados cuadrados y es la culminación de unas 200 observaciones con AKARI repetidas durante 16 meses. Esta particular imagen fue tomada a una longitud de 90 micrometros. En la imagen 2b se muestran las cuatro longitudes de onda.

Los puntos blancos son galaxias difusas de diferentes brillos. Los resultados implican que las galaxias ordinarias que vemos actualmente brillaron mucho más en sus años jóvenes.

Examinando las imágenes cuidadosamente es evidente que algunas galaxias parecen tener diferentes brillos a diferentes longitudes de onda que otras. Se sospecha que algunas de estas galaxias podrían ser iluminadas por la energía de agujeros negros en sus núcleos.

La figura 2c muestran un conteo de estas galaxias a diferentes brillos en otra región de la Galaxia conocida como el “Agujero Lockman”. En general, las galaxias cercanas a la Tierra son brillantes y están localizadas a la mano derecha de las líneas mientras las galaxias distantes aparecen más difusas y a la izquierda. Si las galaxias no evolucionaron con el tiempo y la intrínsica luminosidad y el número de densidad de galaxias no cambió con el tiempo, los conteos deberían seguir la línea indicada con “no evolution” (sin evolución). Sin embargo, los datos de AKARI muestran que los números de galaxias se incrementan rápidamente al hacerse difusas. Como referencia se indican los resultados del Observatorio Espacial Infrarrojo (ISO) de la ESA de observaciones hechas la última década. La línea denotada como “galaxy evolution model” (modelo de evolución galáctica) es el esperado número asumiendo que hubo significativa formación de estrellas en el pasado. Este modelo encaja con los datos obtenidos del Telescopio
Espacial Spitzer. Los nuevos datos indican similitud con el modelo de evolución pero también muestra un número un poco menor de galaxias de lo que el modelo predice. Las observaciones de Spitzer fueron hechas a 60 y 160 micrometros y la línea en la figura está basada en el modelo de evolución asumido actualmente. Por lo tanto, los nuevos resultados parecen indicar la necesidad de un nuevo modelo.

Las preguntas sobre si la activa formación estelar en el pasado se llevó a cabo en todo el Universo y cómo las galaxias lucen como ahora son muy importantes para estudiar la evolución y estructura del Unvierso.

AKARI finaliza sus “frías” observaciones
El satélite infrarrojo AKARI terminó de consumir su abastecimiento de helio líquido el 26 de agosto de 2007, luego de una existosa operación que comenzó el 8 de mayo de 2006. Se finaliza así la etapa de observaciones en el lejano y medio infrarrojo incluyendo el estudio All-Sky Survey.
Se logró el tiempo de vida esperado antes del lanzamiento, de 550 días. Durante el período el satélite completó el estudio en el lejano infrarrojo All-Sky Survey cubriendo un 94% de todo el cielo y en el mediano infrarrojo con más de 5000 observaciones. Los datos obtenidos son ahora intesamente analizados por los científicos del proyecto y astrónomos.
AKARI planea continuar la fase de observaciones “cálidas” usando los instrumentos sobrevivientes que pueden operar bajo las condiciones provistas por los enfriadores mecánicos abordo. La preparación y evaluación de la próxima fase de la misión será llevada a cabo en los próximos meses.

Los descubrimientos, basados en simulaciones numéricas podrían posibilitar un mejor entendimiento sobre cuándo las primeras estrellas comenzaron a iluminar el universo y quizás explicar cómo se forman ciertos agujeros negros.

Luego del Big Bang, el universo se expandió rápidamente pero permaneció liso y oscuro por unos 100 millones de años. La energía oscura comenzó a formar estructuras, tirando con su gravedad de hidrógeno, helio y litio que se condensaron para formar estrellas.

La energía oscura fría, que ha sido relativamente bien estudiada en simulaciones, se propagó en el universo en ondas. Habría colapsado en pequeñas, casi esféricas estructuras, creando huecos que atrayeron los gases llevando a la formación de estrellas.

Como las partículas de la energía oscura caliente se mueven más rápido, sin embargo, previniendo la formación de pequeñas estructuras. De acuerdo a los autores, el gas se habría condensado en largos filamentos, extendiéndose rápidamente a lo largo de su eje más corto debido a la gravedad.

“Los filamentos habrían sido de 9000 años luz de largo, lo que es un cuarto del tamaño de la Vía Láctea. Se habrían fragmentado en gigantes ráfagas de formación estelar, un evento espectacular para contemplar”, dice el autor Liang Gao de la Universidad de Durham.

Además de producir la primera luz en el universo, estas estrellas habrían formado los primeros elementos pesados, como el carbono y oxígeno. Estos elementos son cruciales para formar objetos sólidos como la Tierra y los demás planetas rocosos.

Algunas de estas estrellas tendrían muy baja masa, por lo que su tiempo de vida sería mayor. Es decir que, quizás, algunas sean aún detectables.

La energía oscura caliente podría explicar la existencia de supermasivos agujeros negros. Es que con la energía oscura fría, aunque se forman estos densísimos objetos, son de relativamente poco tamaño. Pero los filamentos de energía oscura caliente habrían eventualmente colpasado, dice Gao y su colega Theuns, forzando estrellas, gas y pequeños agujeros negros a juntarse, escenario perfecto para el crecimiento de agujeros negros mayores.

En su simulación, los investigadores asumieron que las partículas de energía oscura con un 0.6% de la masa de un electrón, lo que sería similar a la teórica partícula “gravitino”, una partícula predicha por la teoría de supersimetría.

La teoría de Liddle depende de la noción sugerida por otros cosmólogos de que la inflación es causada por una hipotética partícula, el inflatón. “El inflatón tiene raras propiedades de presión que no vemos en las partículas de todos los días. Por ejemplo, a medida que son creadas en el universo temprano, empujan el espacio, forzando la expansión”, explica Liddle.

El pensamiento estándard supone que los inflatones habrían decaído hacia partículas normales luego de la inflación, en la primera fracción de un segundo luego del big bang. Sin embargo, Liddle y sus colegas se percataron de que si algunas partículas de inflatón sobrevivieron luego de la intensa expansión, su masa se habría vuelta importante en atraer materia vecina.

“En las últimas etapas de la inflación y luego para siempre, la tasa de expansión ha decrecido por lo que la masa de las partículas se han vuelto importantes y se comportarían como las partículas de materia oscura exhibiendo atracción gravitacional”, explica.

Sin embargo, el problema radica en explicar porqué la mayoría de los inflatones desapareció y sólo algunos sobrevivieron.
“Si los inflatones pueden interactuar con las partículas normales, incluso muy débilmente, como se asume normalmente, deberán decaer fácilmente al colisionar con cualquier partícula.

Para solucionar esto, Liddle sugiere que los inflatones sólo decaen cuando colisionan con otros inflatones, aniquilando a ambos. Sus cálculos muestran que mientras la mayoría de los inflatones se habrían de hecho aniquilado, unos pocos habrían espado.

Encontrar evidencia para la teoría será difícil, sin embargo. Como los inflatones de Liddle no interactúan con la materia normal, según explica el científico, no se mostrarán en búsquedas directas de materia oscura.

Como los inflatones están muy dispersos ahora, existe una pequeña chance de que entren en contacto. Pero si eso ocurriera se crearía radiación de alta energía, añade Liddle, quien presentó el trabajo en la conferencia COSMO 07 en la Universidad de Sussex en agosto

Albert Einstein teorizó originalmente que las estrellas más grandes que el sol podían colapsar y comprimirse hacia singularidades, entidades tan confinadas y densas que en su interior no valdrían las leyes de la física.

Desde entonces, los astrónomos han encontrado evidencia indirecta de esos entes en los agujeros negros por la “conjetura de censura cósmica”. La conjetura es que las verdaderas singularidades, es decir, las que se puedan formar en la naturaleza, deben siempre estar escondidas en una barrera conocida como “horizontes de sucesos” de la que la luz no puede escapar. Es por eso que aparecen oscuras -negras- al resto del universo.

Pero esta censura cósmica es “una conjetura abierta muy difícil de probar y muy difícil de refutar”, dice Petters.

Y, a pesar de la aceptación mayoritaria de los agujeros negros, Kip Thorne y John Preskill, dos expertos en cosmología relativista del Instituto de Tecnología de California, sugirieron hace más de diez años que las singularidades desnudas pueden existir en ciertas instancias.
La conjetura fue propuesta en 1969 por Roger Penrose.
Ahora Petters y Werner han pergeñado una forma de testear su presencia.

Stephen Hawking: Historia del Tiempo
(…)Este hecho notable llevó a Roger Penrose a proponer la hipótesis de la censura cósmica, que podría parafrasearse como «Dios detesta una singularidad desnuda».

Según Petters, los astrónomos no pueden estar completamente seguros si los agujeros negros son realmente negros, al no poder penetrar el horizonte de sucesos. Su mayor evidencia son los efectos del masivo tirón gravitacional. Esos efectos incluyen la emisión de radiación muy energética o las órbitas muy extremas de las estrellas cercanas.

Petters es un experto en lentes gravitacionales, otro efecto de la relatividad que permite usar las masivas fuentes de gravedad para ver objetos de fondo.

En reportes previos en noviembre de 2005 y febrero de 2006 de Physical Review D, él y Charles Keeton de la Universidad Rutgers sugirieron una forma de usar los lentes gravitacionales para mostrar si la censura cósmica puede ser violada.

Sin embargo, esa evaluación estaba limitada a singularidades sin rotación, consideradas sólo teóricamente posibles. Las singularidades (agujeros negros) que los astrónomos han encontrado en el espacio parecen ser todas de muy rápida rotación.

Por lo que Petters y Werner se unieron para tratar de generalizar la aplicación de las lentes a las más realísticas singularidades en rotación. Y aparentemente lo habrían logrado.

En un trabajo apoyado por la National Science Foundation en USA y el Consejo de ciencias del Reino Unido, el dúo empleó el descubrimiento de que los agujeros negros pueden volverse singularidades desnudas si su momento angular es mayor que su masa.

Eso se traduciría en una pocas miles de rotación por segundo en el caso de un agujero negro de unas 10 veces nuestro Sol, según Werner.

Los cálculos muestran que la masiva gravedad de una singularidad desnuda mostraría la luz de estrellas de fondo de maneras reveladoras tales que serían potencialmente detectables por los instrumentos actuales o los que pronto se pondrán en marcha.

Esas posibles maneras están delineadas en seis diferentes ecuaciones en su estudio que conectan el spin de una singularidad a las separaciones, alieamientos angulares y brillo de dos imágenes divididas.

“En un sentido, espero que ellas (las singularidades desnudas) no estén allí. Preferiría tener agujeros negros cubiertos. Pero aún soy de mente abierta lo suficiente para considerar la otra posibilidad”, agrega Petters.

Para medir la expansión del universo y discernir los efectos de la energía oscura, los científicos confían en las explosiones llamadas Supernovas de tipo Ia, que se piensa que son los signos de las muertes de las estrellas enanas blancas.

Estas explosiones pueden variar en brillo, pero el brillo está relacionado con cuánto duran. Esto significa que los astrónomos pueden teóricamente distinguir entre estallidos que son brillantes pero distantes de aquellos que son débiles pero cercanos, permitiéndoles usarlas como guías estándar cuyo brillo puede ser usado para estimar distancias astronómicas.

Pero incluso sabiendo que el brillo de estas supernova puede variar, los astrónomos asumen que la tasa general de estos estallidos permanecen constantes a lo largo de la historia del universo. Ahora, un nuevo estudio liderado por Andrew Howell de la Universidad de Toronto sugiere que las explosiones en el universo temprano eran más brillantes en promedio que las que ocurren actualmente, generando dudas en su uso para medir distancias.

El equipo estudió datos del Supernova Legacy Survey y el Higher z Supernova Search. Encontraron que las supernovas más brillantes -que duran más que las difusasa- eran más comunes en el pasado del universo que en la actualidad, un descubrimiento que podría sostener la hipótesis de que existen múltiples formas de crear las explosiones.

Los investigadores calcularon que las supernovas eran, en promedio, 12% más brillantes hace 8 mil millones de años, que lo que son ahora.

El efecto no es grando para cuestionar la existencia de la energía oscura. Pero sugiere que las correcciones que han sido usadas en el pasado para calcular el brillo intríseco de las supernovas de su duración podría limitar la precisión de futuros estudios.

Eso podría entorpecer seriamente el entendimiento cosmológico de la energía oscura, dado que las observaciones de gran precisión son necesarias para averigüar si la fuerza de la energía oscura ha cambiado en el tiempo, clave para determinar si es una propiedad constante del espacio mismo o un campo de energía variable.

Adam Riess del Instituto del Telescopio Espacial, que lideró uno de los dos equipos que descubrió independientemente la energía oscura en 1998 usando supernovas, dice que el cambio en el promedio del brillo de supernovas puede afectar las mediciones de energía oscura. Pero sólo si las correcciones que ya se usan no son correctas. Y agrega que, con suficientes supernovas, uno puede hacer cálculos separados usando las brillas o las difusas. Si los resultados concuerdan, sería seguro concluir que las correcciones están trabajando apropiadamente.

Métodos alternativos de medición de la energía oscura -como la observación a gran escala de la distribución de las galaxias en el espacio- podrían proveer un test independiente de los estudios de supernova.

La causa de que en el pasado hubiera más supernovas tipo Ia permanece en misterio. Pero una pista proviene de las observaciones mostrando que las brillantes parecen ocurrir más frecuentemente cuando las estrellas se forman a una tasa alta, y la tasa de nacimientos estelares era alta en el universo temprano

“Nuestro objetivo es buscar modelos cosmológicos que describan nuestro Universo y estén de acuerdo con la información astronómica y de física de partículas disponible”, dice Benjamin Wandelt, líder del proyecto.

Para alcanzar el objetivo, las computadoras participantes calculan las predicciones observables de millones de modelos teóricos con diferentes parámetros. Luego las predicciones se comparan, incluyendo fluctuaciones en la radiación de fondo, distribución de galaxias en gran escala, y aceleración del Universo.

Adicionalmente, el proyecto puede contribuir diseñando futuras observaciones y preparando el análisis de datos futuros, como los que recogerá el satélite Planck

La teoría del Big Bang propone que el cosmos comenzó con una muy alta densidad, un estado de alta temperatura, enfriándose mientras se expandía. En el caliente Universo primitivo, los físicos creen que los diferentes tipos de partículas elementales (como el quark del que se crean partículas más grandes) se comportaban identicamente. Al enfriarse el Universo, el vacío cambió y se rompió la simetría entre partículas, en una fase de transición análoga al congelamiento del agua.

Como los desalineamientos en la estructura cristalina del hielo lleva a defectos, los desalineamientos en la rotura de la simetría forma defectos cósmicos. Las texturas son un tipo de defecto.

El profesor Turok nos brinda la siguiente analogía:”Imagine un gran grupo de personas paradas. Para cualquier persona, el grupo parece casi el mismo en todas direcciones. Ahora dígales que se acuesten. Las personas tenderán a acostarse en la misma dirección que sus vecinos, pero sobre grandes distancias la dirección escogida variará. En algunos lugares, las personas no podrían decidir cuál es la mejor dirección para acostarse: si todos se acuestan apuntando directamente contra usted, se convertirá en un defecto en la simetría, una textura”.

Se cree que las texturas colapsan en escalas progresivamente más grandes, creando intensa energía y potencial gravitacional. Esto crea áreas calientes o frías, como la zona fría en el Hemisferio Sur Galáctico descubierta en 2004 (*).

Marcos Cruz y sus colegas, Dr. Patricio Vielva y el Profesor Enrique Martínez González persiguieron numerosas posibilidades de existencia de la zona fría. En particular, exploraron particularmente la posibilidad de estar debida a efectos sistemáticos, contaminación de fondo de nuestra propia galaxia o debida a la dispersión de la radiación de fondo de microondas por grandes cúmulos galácticos.

Cada vez llegaban a la misma conclusión: no hay argumentos convincentes para ninguna de estas posibilidades. Pensaron en la hipótesis de que habría una textura y con la asistencia de Dr. Mike Hobson, un miembro del grupo de astrofísica del Laboratorio Cavendish de Cambridge y el Profesor Turok, eran capaces de examinar esa posibilidad en detalle.

Turok realizó simulaciones de gran escala usando COSMOS, la supercomputadora de Cambridge para comparar con precisión la teoría con el evento. Hobson barajó las posibilidades relativas de que la zona fría se deba a una textura más que a una extrema fluctuación estadística. Los investigadores concluyeron que la hipótesis de la textura es la más plausible para la zona fría pero saben que se requieren pruebas adicionales.

“La posibilididad es muy excitante. Si es una textura, revolucionará nuestro entendimiento de cómo las simetrías fundamentales entre partículas y fuerzas se rompieron al surgir el Universo del Big Bang. Los datos actuales son sugestivos pero no completos. Hay un número de tests que pueden ser hechos con datos futuros. Es una hipótesis testeable y tendremos la respuesta en la próxima década”, dice Turok.

“La prominente región fría en la imagen del fondo cósmico de microondas tomado por el satélite WMAP es un elemento desconcertante que atrajo la atención a la comunidad cosmológica, pero no ha sido convincentemente explicada. Nuestro trabajo investiga la excitante posibilidad de que la zona fría se deba a la presencia de una textura cósmica; algunas teorías físicas actuales predicen que las texturas se producen al evolucionar el Universo, pero nunca han sido observadas. De alguna manera para nuestra sorpresa, encontramos que la región fría y, de hecho, la radiación de fondo en todo el cielo son consistentes con el modelo de textura. Aunque los datos son incompletos, sugerimos futuras observaciones que deberían ser capaces de testear nuestra hipótesis definitivamente. Si se prueba que la zona fría es de hecho una textura cambiará completamente nuestra visión de cómo evolucionó el Universo luego del Big Bang”, finaliza Hobson.

Si la fuente de energía de los rayos-X son pequeños electrones en vez de pesados átomos, es como si miles de millones de luces que se pensaban que venían de miles de millones de aeronaves fueran en realidad provenientes de muy brillantes luciérnagas.

“Esto significa que la masa de estas nubes emisoras de rayos-X es mucho menor de lo que inicialmente pensábamos”, dice Dr. Max Bonamente, profesor asistente de la UAH. “Una porción significativa de lo que pensábamos que era masa perdida parece ser estos electrones “relativistas”. Viajando a casi la velocidad de la luz (y por eso “relativistas”), estos livianos electrones colisionan con fotones del fondo cósmico de microondas. La energía de las colisiones convierte los fotones de baja energía de microondas en rayos-X de alta energía.

Aunque los átomos emisores de rayos-X se pensaba que estaban distribuidos finamente a través del espacio (menos de un átomo por metro cúbico), podrían haber llenado millones de millones de años luz cúbicos. Su masa acumulativa se pensaba que era de 10% de la masa y gravedad necesarias para mantener unidas las galaxias, cúmulos y quizás el Universo mismo.

Cuando Bonamente y sus colegas analizaron los datos reunidos por varios instrumentos satelitales, incluyendo el Observatorio Chandra de rayos-X, encontraron que la energía de esos rayos adicionales no era lo que debía ser. “Nunca hemos sido capaces de detectar líneas de emisión asociadas con esas detecciones”, explicó. “Si se debieran a gas frío, tendría líneas de emisión”.

“La mejor y más lógica explicación parece ser que una gran porción de energía viene de electrones colisionando con fotones en vez de átomos e iones, que deberían tener líneas de emisión reconocibles. Encontrar estos electrones, sin embargo, es como encontrar “la punta del iceberg”, dice Bonamente, porque no estarían limitados a emitir sólo señales de rayos-X. La señal de estos electrones también formarían parte de los previos rayos-X observados, lo que reduciría la cantidad de masa del gas caliente en los centros de los cúmulos galácticos.

Anteriormente, los astrofísicos usaron la energía provinientes de estos cúmulos para calcular cuánta masa es necesaria para alcanzar el equilibrio visto allí; demasiada masa y la nube colapsaría; muy poca y la nube de gas caliente se expandiría. Como la energía de estas nubes calientes puede ser medida con precisión, se pensaba que la masa de la nube podía ser calculada con razonable confianza. En cambio, dice Bonamente, si una significativa porción del total de energía de rayos-X viene de electrones rápidos, nos engañaría en pensar que hay más gas de lo que actualmente hay. Significa que debemos revisar cómo calculamos la masa del gas y la masa total.

Los resultados de la investigación se publicaron en la edición del 20 de octubre en Astrophysical Journal.

Perlmutter fue uno de los líderes de dos equipos separados de astrofísicos que concluyeron, al observar supernovas distantes, que la expansión cósmica se estaba acelerando y no al revés, como se suponía por la influencia de la gravedad.

El descubrimiento llevó a la creación del “modelo de concordancia” del Universo, que establece que 75% de nuestro Universo está hecho de energía oscura, 21% de materia oscura - otra sustancia de la que no se sabe mucho- y un 4% restante de materia bariónica, que sí entendemos(*). La explicación más convencional es que la energía oscura es una clase de “constante cosmológica” que surge de que el espacio vacío no esté vacío.

Desde que la primera evidencia de la aceleración del Universo se hiciera pública en 1998, los astrofísicos han provisto pruebas adicionales y realizaron avances en los métodos de medición.

Las galaxias y el fondo cósmico pueden tener pistas significativas. Equipamiento que puede realizaron mejores comparaciones entre galaxias e investigar fluctuaciones de temperatura en el fondo cósmico de microondas se está haciendo posible. Y se están mejorando los métodos de observación de supernova.

Los científicos dicen:”El campo de la energía oscura es muy joven y tenemos un largo y exicitante período de exploración por delante antes de que madure”.

La edición de diciembre también incluye un reporte de Robert P. Crease, historiador del Brookhaven National Laboratory sobre la dificultad de decidir quién debería ganar crédito por el descubrimiento de la aceleración del Universo y comentarios de Lawrence M Krauss, director del Centro para la educación e investigación en cosmología y astrofísica de la Universidad Case Western Reserve, sobre la posibilidad de que nunca seamos capaces de decir si la energía oscura es una constante cosmológica.

Además, la edición incluirá:

50 años en: porqué los físicos todavía aman el lenguaje de programación Fortran

Libros de navidad: una revisión de los mejores libros de física para las fiestas.