El Cuarto de Nisu: Los más grandes misterios de la astronomía

¿Qué es un agujero blanco?

Las ecuaciones de la relatividad general tienen una interesante propiedad matemática: son simétricas en el tiempo. Eso significa que uno puede tomar cualquier solución a las ecuaciones e imaginar que el tiempo fluye a la inversa, en lugar de hacia delante, y obtendrá otro grupo de soluciones a las ecuaciones, igualmente válidas. Aplicando esta regla a la solución matemática que describe a los agujeros negros, se obtiene un agujero blanco.

Puesto que un agujero negro es una región del espacio de la cual nada puede escapar, la versión opuesta es una región del espacio hacia la cual no puede caer nada. De hecho, así como un agujero negro sólo puede tragarse las cosas, un agujero blanco sólo las puede escupir. Los agujeros blancos son una solución matemática perfectamente válida a las ecuaciones de la relatividad general. Pero eso no significa que realmente exista uno en la naturaleza.

¿Qué es la materia oscura?

Es una forma de materia hipotética que tiene más masa que la materia visible, pero que a diferencia de ésta última no interactúa con la fuerza electromagnética. Los científicos infieren su presencia porque tiene efectos gravitacionales en la materia visible. Por ejemplo, las velocidades de rotación de las galaxias, las velocidades orbitales de las galaxias dentro de los cúmulos y la distribución de las temperaturas de los gases de las galaxias apuntan a que tiene que haber algo allí algo más. Hay más materia en los cúmulos de galaxias de la que podríamos esperar de las galaxias y el gas caliente que podemos ver. Al parecer, el 30% del universo está compuesto de materia oscura. Descubrir su naturaleza es una de las metas más importantes de la astronomía moderna.

¿Qué son los agujeros negros? ¿Cómo se forman?

Son objetos muy prevalentes en el universo y tan densos que nada escapa de su atracción gravitacional. Por lo general se forman cuando una estrella se convierte en supernova: su núcleo explota y no existe una fuerza conocida que pueda detener la inmensa gravedad que se cierne sobre él. Se cree que casi todas las galaxias contienen agujeros negros en su centro, millones y miles de millones más masivos que nuestro sol. Algunos de ellos son los objetos más violentos y energéticos del universo: al absorber estrellas, polvo y gases, estos agujeros negros disparan jets de radio y emiten puntos de luz sumamente intensos llamados cuásares ("fuentes de radio casi estelares"). Otros, con frecuencia los más viejos (como el que yace en el centro de la Vía Láctea), son tragones más calmados. No podemos observar directamente a los agujeros negros, pero sí vemos el efecto que producen sobre el material que los rodea.

¿Hay vida extraterrestre?

Hasta el momento ninguna sonda espacial o telescopio ha hallado rastros concretos de vida tal como la conocemos en la Tierra. El debate sobre la vida extraterrestre está dividido entre quienes piensan que la vida en la Tierra es sumamente compleja, por lo que es poco probable que exista algo semejante a nosotros en otro planeta, y aquellos que señalan que los procesos y elementos químicos involucrados en las criaturas terrestres son muy comunes en todo el universo, y que lo único que hay que buscar son las condiciones adecuadas. Para estos últimos, es bastante probable que exista vida similar a la nuestra en otros mundos, planetas extrasolares en cuya búsqueda nos hallamos enfrascados.

¿Cómo se originó el universo?

Por un lado está la teoría ampliamente aceptada del Big Bang, la Gran Explosión, según la cual el universo era originalmente algo extremadamente denso, pequeño y caliente, que en cuestión de décimas de segundo se expandió y se enfrió radicalmente, y aún continúa expandiéndose. Algo así como una torta de pasas en el horno que crece separando las pasas (o galaxias) unas de otras. Pero hay expertos que proponen un modelo nuevo según el cual el origen no fue una única Gran Explosión, sino muchas. Una continua cadena de universos que se suceden y repiten unos a otros, pero sin ser réplicas exactas de los anteriores. En cuanto a la edad del universo, las observaciones recientes sugieren que tiene entre 13.5 y 14 mil millones de años.

¿Existen universos alternativos o múltiples?

Una teoría postula que podría existir un universo alternativo de materia oscura al mismo tiempo que éste, pero no lo podríamos alcanzar. La mejor forma de imaginarlo es pensar en una ventana de vidrio doble con una mosca en medio. La mosca no puede cruzar de un lado al otro, igual que nosotros no podemos cruzar de un universo a otro. Estos dos universos estarían atraídos uno al otro por la fuerza de la gravedad y eventualmente colisionarían. Al hacerlo, crearían una Gran Explosión. Esto implicaría que ahora mismo están sucediendo cosas que ayudarán a crear otro universo en el futuro.

Por otro lado, hay varias hipótesis de universos múltiples en la física cuántica y la cosmología, en las cuales las constantes físicas y la naturaleza de cada universo son distintas. Por ejemplo, el "universo burbuja" es una serie infinita de universos abiertos con diferentes constantes.

¿Qué pasa cuando chocan dos agujeros negros?

Cuando dos galaxias se unen, sus agujeros negros supermasivos (miles de millones el tamaño del sol) eventualmente tienen que interactuar, ya sea en un violento impacto directo o acercándose hacia el centro hasta tocarse uno con otro. Y es ahí donde las cosas se ponen interesantes. En vez de acercase de buena manera, las fuerzas de ambos monstruos son tan extremas que uno de ellos es pateado fuera de la galaxia recién unida a una velocidad tan tremenda que nunca puede regresar. Por su parte, el agujero que da la patada recibe una enorme cantidad de energía, que inyecta en el disco de gas y polvo que lo rodea. Y entonces este disco emite un suave resplandor de rayos X que dura miles de años. El choque de dos agujeros negros es un evento rarísimo.

¿Cuál es el futuro del universo?

Según la nueva teoría de los universos que se continúan, el universo no morirá, sino que seguirá repitiéndose. ¿O tal vez será un universo frío y oscuro, a medida que las galaxias y estrellas se separan unas de otras y su luz y calor se pierden en las tinieblas, expandiéndose eternamente y enfriándose hasta llegar a un estado de frío absoluto, donde las moléculas no tienen energía para realizar el menor movimiento? ¿O será un universo que, tras expandirse, llegará a un momento en el que se comenzará a colapsar sobre sí mismo y entonces el problema será a la inversa? Últimamente hay otras teorías que hablan de un Big Rip (Gran Rasgadura), en el que la tasa de expansión sería tan tremenda que los grupos de galaxias, las estrellas, la energía oscura y todo lo demás se convertiría en una especie de tela que es estirada hasta rasgarse.

¿Qué es una supernova y para qué sirve?

Es una estrella de entre 5 y 10 veces la masa del sol que, después de quemar hidrógeno, helio y carbón para mantenerse viva, recurrirá al hierro. Pero la fusión de hierro no libera energía, sino que la absorbe. Entonces el núcleo se enfría, toda fusión cesa, y la pobre estrella implota. Y después, explota. Esta explosión es el acto de violencia más grandioso del cosmos. Una sola supernova puede ser más brillante que una galaxia entera durante unos días. Después de esta fase, el núcleo puede terminar convertido en una enana blanca, en una estrella de neutrones o en un agujero negro. Las supernovas se usan para determinar la distancia a la que está otra galaxia y su velocidad de expansión.

¿Qué es la antimateria y por qué hay tan poquita?

La antimateria es algo real y comprobado. Todas las partículas elementales tienen una contraparte con la misma masa pero carga opuesta. Por ejemplo, la antipartícula de un electrón (carga negativa) es un positrón (carga positiva). Cuando una partícula choca contra su antipartícula ambas se destruyen, liberando un estallido de energía conocido como rayo gamma. La antimateria tiene usos médicos prácticos en la tomografía de emisión de positrones (PET). Y podría usarse como combustible de naves espaciales.

En las etapas iniciales de formación del Universo existían pares de partículas-antipartículas de todas clases que eran continuamente creados y destruidos en colisiones. Pero en un momento dado, una reacción llamada bariogénesis violó esta simetría, causando un pequeño exceso de quarks y leptones sobre los antiquarks y antileptones. Desde entonces, nuestro universo está dominado por la materia “normal”.

¿La vida llegó a la Tierra en un asteroide?

Para los astrobiólogos que estudian la posibilidad de vida en otros mundos, los viajes interplanetarios no tienen por qué ser el privilegio de cometas, polvo cósmico o sondas espaciales con o sin gente dentro. No es descabellado, dicen, pensar que existan o hayan existido otros cosmonautas allá afuera: Vaqueros que viajan a lomo de asteroides, polizones que se esconden entre los dobleces de un traje espacial, y hasta criaturas infelices desplazadas de sus mundos por colisiones brutales. Todas estas formas de vida diminutas podrían haber rebotado entre un planeta y otro, llevadas de aquí para allá como hojas al viento por la brutal meteorología cósmica. Vista así, la vida en la Tierra podría perfectamente provenir de Marte… o viceversa. O quizás de la luna Europa, o por qué no, de Titán. O tal vez la espora con la chispa de la vida provino del otro lado de la nube de asteroides Oort. Ésta es la teoría de la Panspermia.

¿Qué es la energía oscura?

Esta es la Meca y quizás el mayor misterio de la cosmología actual. La energía oscura es una presencia misteriosa que ofrece la mejor explicación hasta el momento acerca de por qué el universo se expande a una tasa acelerada. En el modelo actual de la cosmología, la energía oscura conforma el 70% del total de la masa-energía del universo. Existen dos modelos según los cuales la energía oscura o bien permea el universo de forma heterogénea o bien cambia de densidad y energía en ciertos momentos/lugares. Los científicos concuerdan en que tiene baja densidad (10-29 gramos por centímetros cúbico) y no interactúa con las fuerzas fundamentales, excepto con la gravedad.

¿Puede haber vida sin agua?

El agua y la vida que conocemos son inseparables. No se ha visto aún a ningún organismo existir sin agua, ya que las células necesitan agua para rodear sus membranas. Sin embargo, sí hay formas de vida -unos cuantos animales, plantas y un número desconocido de microbios- que se las arreglan para sobrevivir durante largos períodos de tiempo sin el líquido. Pueden disecarse como un papel y permanecer así durante horas o décadas, para revivir inmediatamente al entrar en contacto con el agua. Las preguntas sin resolver acerca de estos seres tan especiales son dos: ¿cómo toleran esta sequía interior de sus cuerpos? y ¿por qué no son más comunes?

¿Es Júpiter una estrella fallida?

Cualquiera diría, observando nuestro Sistema Solar desde lejos, que Júpiter y el Sol son los dos únicos objetos aquí. Este planeta es enorme, pero a pesar de esa enormidad aún es mil veces más pequeño que el sol. Para ser una estrella, Júpiter tendría que ser 80 veces más grande. Porque ser masivo es la única manera de generar suficiente calor interno que permita las reacciones de fusión termonuclear –la energía que les da su luz a las estrellas. Y como eso nunca va a suceder, por eso se dice que Júpiter es una estrella fallida.

¿Cuál es la geometría del universo?

Según Einstein, el universo es un continuo en el tiempo-espacio que podría adoptar tres formas, según el contenido de materia y energía:
Forma esférica (curvatura positiva). Viaje en una dirección y eventualmente regresará al punto de partida. Sin energía oscura, este universo detendrá su expansión y se colapsará sobre sí mismo. Con ella, la expansión continuará.
Plano (sin curvatura). El viajero nunca regresará a su punto de partida. Incluso sin energía oscura, este universo continuará expandiéndose eternamente, aunque cada vez más lentamente. Con la energía oscura, la expansión se acelerará cada vez más. Según las últimas observaciones, esta es la forma de nuestro universo.
Forma de silla de montar (curvatura negativa). El viajero nunca regresará. La expansión apenas desacelerará, incluso sin la presencia de la energía oscura.

¿Cuáles son los componentes del universo?

Las estrellas, los asteroides, los planetas, el polvo cósmico, los elusivos neutrinos, el helio, el hidrógeno y todo lo que podemos ver a nuestro alrededor conforman una mínima parte de lo que es el universo. El 95% restante está ocupado por la extraña materia oscura y la aún más incomprensible la energía oscura.

¿Mueren los agujeros negros? ¿Se evaporan?

Las investigaciones de expertos como Stephen Hawking parecen indicar que los agujeros negros no capturan la materia por siempre, sino que a veces hay “goteos” lentos, en forma de una energía llamada radiación de Hawking. Eso significa que es posible que no tengan una vida eterna. Los agujeros se van achicando y sucede que la tasa de radiación aumenta a medida que la masa de agujero disminuye, de tal manera que el objeto irradia más intensamente a medida que se va desvaneciendo. Pero nadie está seguro de lo que sucede durante las últimas etapas de la evaporación de un agujero negro. Algunos astrónomos piensan que permanece un diminuto remanente. En general, el concepto de la evaporación de agujeros negros sigue siendo más bien especulativo.

¿Qué pasa cuando chocan dos galaxias?

Es muy común que las galaxias choquen e interactúen unas con otras. De hecho, se cree que las colisiones y uniones entre galaxias son uno de los principales procesos en su evolución. La mayoría de las galaxias han interactuado desde que se formaron. Y lo interesante es que en esas colisiones no hay choques entre estrellas. La razón es que el tamaño de las estrellas es muy pequeño comparado con la distancia entre ellas. En cambio, el gas y el polvo sí interactúan de tal manera que incluso llegan a modificar la forma de la galaxia. La fricción entre el gas y las galaxias que chocan produce ondas de choque que pueden a su vez iniciar la formación de estrellas en una región dada de la galaxia.

¿Cómo nace y cómo muere una estrella?

Las galaxias contienen nubes de polvo y gas llamadas nebulosas. Si una nebulosa crece suficiente, su gravedad vence a la presión del gas y la nube comienza a colapsarse hasta alcanzar suficiente temperatura para fundir (o quemar) el hidrógeno. La energía liberada detiene la contracción y se pierden las capas externas del gas. Lo que queda es una bola incandescente, compuesta principalmente de hidrógeno, iluminada por las reacciones de fusión de su núcleo. Es decir, una estrella.

Cuando se le agota su combustible, la estrella comienza a declinar. El núcleo se convierte mayoritariamente en helio e inicia el colapso, al mismo tiempo que las regiones exteriores son empujadas hacia afuera. La estrella se vuelve más fría y más brillante: es una gigante roja. Si la estrella es grande, comenzará el ciclo de nuevo quemando el helio. Si es masiva, entrará en una tercera etapa, quemando carbón. Y si es realmente enorme, quemará hierro.

¿Qué es la radiación cósmica de fondo?

Es una radiación de microondas antiquísima que permea todo el universo, y que se considera como los rescoldos que quedaron después de la Gran Explosión. Fue descubierta accidentalmente por dos astrónomos de los Laboratorios Bell, Arno Penzias y Robert Wilson. Sus medidas, combinadas con el descubrimiento de Hubble de que las galaxias se alejan de nosotros, son una fuerte evidencia para la teoría de la Gran Explosión.

¿Qué son las lentes gravitacionales y para qué se usan?

Las lentes gravitacionales son curvaturas en el espacio tiempo que rompen la luz de las estrellas en espejismos dobles, triples y cuádruples desde el comienzo del tiempo. Imagine un objeto brillante que esté muy lejos de la Tierra, digamos a 10.000 millones de años luz de distancia. Si no hay nada entre usted y ese objeto, usted verá (con un súper-telescopio) sólo una imagen. Pero si una galaxia masiva o un cúmulo de galaxias bloquea la vista directa de esa otra estrella, la luz del objeto lejano se doblará siguiendo el campo gravitacional alrededor de la galaxia. Es decir, la gravedad de la galaxia que está delante actúa como un lente para reorientar los rayos de luz. Pero en lugar de crear una sola imagen del objeto distante, esta lente crea imágenes múltiples del mismo objeto. Las lentes gravitacionales se usan como telescopios naturales para detectar esos objetos sumamente viejos y lejanos, así como para estudiar la geometría y expansión del universo.

¿Qué son las ondas gravitacionales?

Una onda gravitacional es una pequeña fluctuación en la curvatura de la tela del espacio-tiempo, la cual se propaga en forma de ola, viajando hacia a fuera a partir de un objeto o un sistema de objetos en movimiento. Fue predicha por Einstein, y su estudio podría contestar el gran interrogante sobre cuál es la naturaleza de la gravedad. Aunque la radiación gravitacional no ha sido medida directamente, su existencia se ha demostrado indirectamente, y se piensa que podría estar ligada a violentos fenómenos cósmicos. Una sofisticada antena interferométrica espacial llamada LISA, que será puesta en órbita en la próxima década, se dedicará a detectar y analizar las ondas gravitacionales.

¿Tienen los protones una vida finita?

Las Grandes Teorías Unificadas de la física de partículas predicen que el protón tiene una vida finita. La física de cómo un protón se desintegra espontáneamente está estrechamente relacionada con la física de la Gran Explosión, y con la diferencia entre la cantidad de materia y antimateria existente en el universo. El descubrimiento de esta desintegración espontánea del protón sería uno de los más fundamentales de la física y la cosmología. Su respuesta podría llegar con un gran detector internacional subterráneo que Europa intenta diseñar.