Apuntes científicos desde el MIT

Si os preguntaran cuál es el diámetro de la supernova que veis en la imagen… ¿os atreveríais a dar un orden de magnitud? Por ejemplo: ¿Cuál sería su tamaño en relación a nuestro sistema solar?

La semana pasada visitamos la sala de operaciones del telescopio espacial Chandra –X Ray acompañados por su director adjunto, Claude Canizares . Hablamos de astrofísica y de la observación del espacio. En un momento determinado nos mostró la imagen de una supernova (no puedo asegurar que fuera la misma de la izquierda) y un compañero le preguntó sobre su tamaño real. “Un par de años luz de diámetro”, dijo Claude Canizares; “Nuestro sistema solar entero sería un puntito indistinguible en esta fotografía”. ¿¿¿Cómo??? Había visto multitud de imágenes de estas explosiones estelares, pero nunca había caído en que sus dimensiones eran tan espectaculares.
De golpe empecé a plantearme dudas sobre mi capacidad de comprender ciertas fotografías del Universo… ¿Los colores tenían algún significado? ¿qué veía un telescopio de Rayos X, uno óptico, y uno de infrarrojos?¿Qué imágenes eran más relevantes desde el punto de vista científico? Algunas de las que venían a mi memoria ¿eran reales o ilustraciones?… ¿Qué más me estaba perdiendo por no tener clara su interpretación?

Dos días después fui al Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics . Allí Megan Watzke me explicó algunos aspectos básicos para poder apreciar mejor la información que contienen estas fabulosas imágenes, y comentamos algunas en concreto.
Además de esto, me dio un póster muy bonito (derecha).
Este fin de semana he tenido visita. Un par de mis amigos se quedaron prendados con el póster “a mi esta es la que más me gusta…”, “qué colores más espectaculares…”, “esto parece Marte…”, pero comprobé que tenían las mismas lagunas que yo sobre el significado real de lo que estaban viendo.
Entonces pensé en escribir un post presentando algunas imágenes de las que discutimos con Megan. No con el objetivo de educar, sería pretensioso y hay otros sitios excelentes, sino simplemente como excusa para plantear algunos detalles que generalmente pasan desapercibidos.

Cassiopeia A
Esta imagen de la supernova Cassiopeia A es una composición de fotografías hechas con 3 telescopios espaciales: el Chandra (Rayos X), el Hubble (óptico), y el Spitzer (infrarrojos). Cada uno ve una cosa diferente.
El color rojizo es polvo a unos 10ºC captado por el Spitzer.
La imagen del Hubble (coloreada con tonos amarillentos) corresponde a las estrellas del fondo y a estructuras filamentosas de gases a 10.000 ºC.
Las brutales colisiones entre átomos de los gases más calientes (10 millones de grados Celsius) emiten Rayos-X que son captados por el Chandra. Están representados por los colores azul y verde.
La temperatura es clave. Cuanto más caliente está un objeto, emite una radiación a longitudes de onda más energéticas. Nuestros ojos sólo distinguen un pequeño fragmento de la luz que recibimos : la fracción visible. Por debajo están los infrarrojos, microondas… y por encima los ultraviolados, rayos-x, rayos gamma…
Con detectores específicos podemos detectar estas longitudes de onda y ver fenómenos que no percibiríamos con un telescopio óptico “convencional”. Por ejemplo, las supernovas son eventos tremendamente energéticos, que se observan muy bien con el Chandra X-Ray. En cambio la radiación infrarroja captada por el Spitzer resulta ideal para identificar regiones de gas en las que se están formando planetas y naciendo nuevas estrellas. Poder combinar las imágenes de los diferentes telescopios nos da información mucho más precisa sobre la estructura y evolución de los objetos del Universo.

Sombrero Galaxy
Esta Galaxia llamada Sombrero , situada a 28 millones de años luz de distancia, es un buen ejemplo de ello.
El color azul es gas caliente captado por el Chandra, y los quasars en el fondo.
El color verde es la imagen óptica del Hubble. En esta imagen ampliada podréis distinguir un borde de materiales en el contorno de la galaxia que bloquean la luz de las estrellas interiores. Ese material se aprecia muy bien con la imagen infrarroja del Spitzer. Superponiendo las tres imágenes los científicos pueden entender mejor la composición del Sombrero Galaxy.
Quizás os habéis percatado que aquí los astrofísicos han coloreado de verde la imagen óptica, y en la fotografía anterior el mismo color correspondía a Rayos-X. El color de las imágenes astronómicas no es completamente arbitrario, los tonos azulados siempre representan energías superiores a los verdes, y estos superiores a los rojizos. Pero no hay necesariamente una relación de color entre diferentes fotografías. El objetivo en cada caso es distinguir de la forma más clara lo que se pretende mostrar.

El centro de la Vía Láctea
Quizás no se trate de una fotografía tan espectacular, pero esta combinación de imágenes de rayos X nos muestra el centro de nuestra galaxia. Se pueden ver cientos de enanas blancas, estrellas de neutrones y agujeros negros inmersos en una niebla incandescente a muchos millones de grados centígrados. Según Megan Watzke en su momento fue muy reveladora porque permitía entender cómo la región central de nuestra galaxia afectaba a las estructura entera, y se podía observar el agujero negro supermasivo en su epicentro, 3 millones de veces más pesado que nuestro sol.

Evidencias directas de Materia Oscura
Esta imagen fue la primera gran evidencia visual de la materia oscura.
Lo que estáis observando son dos enormes agrupaciones de galaxias colisionando, el tipo de evento más energético del Universo después del Big Bang.
El color rosáceo es gas caliente detectado por el Chandra X-Ray, y representa el lugar donde se encuentra la materia “normal”. Sin embargo, los astrofísicos utilizaron otra técnica llamada “lentes gravitacionales” para detectar dónde se encontraba la mayor cantidad de materia, y vieron que no coincidía con la imagen del Chandra. El color azulado representa la materia oscura.
La idea básica de las lentes gravitacionales es la siguiente: Los científicos miran las estrellas situadas en el fondo de la imagen (con el Hubble; colores amarillo y anaranjado). En principio ellos saben su posición “teórica” exacta. Si ven que están en otro sitio de lo esperado, es que hay “algo” en medio que ha distorsionado la luz que nos llega de ellos. Si este “algo” es invisible, es decir, no lo detectamos de ninguna forma, es que se trata de materia oscura.

Los Pilares de la Creación
Al ver la siguiente imagen uno de mis amigos me dijo: “esta me suena, pero es un dibujo, no?”. Realmente lo parece. Sin embargo, es quizás la imagen más famosa del Hubble. Se llama los pilares de la creación, porque muestra una gigantesca nube de polvo en cuyo contorno se están formando estrellas y sistemas solares completos.
También es conocida como la nebulosa del Águila, y es la imagen astronómica más reproducida en películas, representaciones artísticas... Tanto, que se puede confundir por una ilustración. Imágenes posteriores con el Chandra X-Ray y el Spitzer permitieron precisar los lugares donde se estaban formando estrellas, e indicaron que de hecho se estaban creando menos de las que inicialmente se había creído.

Hay galerías enteras de imágenes astronómicas espectaculares. De planetas, galaxias, agujeros negros, estrellas de neutrones… algunas son más bellas, otras más informativas… pero todas ellas despiertan nuestra curiosidad, la fascinación por el descubrimiento, y nos estimulan a intentar comprender científicamente el Universo.
El 2009 será el Año Internacional de la Astronomía , y precisamente entre sus objetivos está utilizar el indudable atractivo que genera el espacio para acercarnos un poco más a la metodología científica.
Y es que siendo capaces de descifrar la información que contiene la fotografía de una supernova, podemos apreciar otros niveles de belleza más allá de la estética.

Uno de los momentos más gratificantes intelectualmente es el “aha!-moment". De repente descubres una idea nueva, que ni siquiera habías contemplado, y clarifica algo que en el fondo no comprendías, o que simplemente desconocías por completo.

Hoy he tenido uno de esos “aha!-moments”. Me he dado cuenta que el Universo es mucho mayor de lo que yo pensaba…

Mi visión acerca del tamaño del Universo era así de simplista: Si lleva 13700 millones de años expandiéndose, y nada puede superar la velocidad de la luz, entonces el diámetro del Universo será –más o menos- unos 27400 millones de años luz. Nunca le había dado muchas vueltas, pero me parecía una aproximación bastante lógica.

Pero esta mañana he encontrado a mi compañero Ivan Semeniuk cuando regresaba de una clase con Alan Guth (el cosmólogo que en 1981 creó la teoría del Universo Inflacionario), y hemos empezado a hablar de la expansión del Cosmos. De golpe, he visto que mi planteamiento estaba equivocado por completo, y que la realidad desafía constantemente a eso llamado “sentido común”.

Mi grave error era visualizar el Big Bang como una explosión convencional, como fuegos artificiales, y considerar que las galaxias se alejaban unas de las otras sólo fruto de este estallido inicial.
De hecho, hasta los años 90 muchos astrofísicos tenían esta visión “clásica” del Big Bang. La gran duda en ese momento era si el Universo continuaría expandiéndose por siempre, o si su densidad sería suficientemente grande como para que la gravedad detuviera del todo su expansión, y le hiciera retroceder de nuevo hasta un Big Crunch.

Pero en 1998 se obtuvo uno de los resultados más inesperados en la historia de la astronomía. Analizando la luz procedente de supernovas, los científicos observaron que el Universo se expandía... ¡cada vez más rápido! ¿¿¿Como??? Nadie esperaba este resultado tan anti-intuitivo. ¿qué fuerza misteriosa estaba acelerando la expansión del Universo?

Quizás ya habéis oído varias veces que el 96 % de nuestro Universo está formado por una materia y energía oscura desconocidas. La materia oscura no quita el sueño a los científicos, tienen varios candidatos a constituirla con nombres como wimps, axions, neutrinos… y existen varias teorías que tarde o temprano la explicarán.
En cambio, la energía oscura les tiene absolutamente desconcertados. Representa el 74% de todo lo que existe en el Universo, es la responsable su expansión, y según nos aseguró durante una charla en Harvard el astrofísico Christopher Stubbs, es el misterio más profundo de la física actual.
Evidentemente hay muchos aspectos del Cosmos que no conocemos, pero la energía oscura representa un problema diferente, implica la existencia de algún error fundamental en nuestro modelo cosmológico actual, requiere una ciencia nueva que los científicos todavía no comprenden. Stubbs dijo que están buscando algo que no encaje, y augura que cuendo lo encuentren asistiremos a una gran revolución en el mundo de la física.

¿Pero qué tiene que ver esto con el tamaño del Universo? Todo!, ya que confirma la idea más aberrante que os podáis imaginar: Las galaxias no sólo se alejan unas de las otras debido al efecto del Big Bang. El propio espacio entre ellas también se ensancha, se expande, alejándolas todavía más.

Quizás os estéis imaginando algo parecido a una gravedad negativa, que separe en lugar de unir, pero no, no es eso, es algo mucho más extraño. El mismísimo espacio se está inflando por dentro.
Os recomiendo encarecidamente fantasear sobre este inverosímil concepto, pero no pretendáis comprenderlo, nadie lo ha conseguido del todo.

Desconozco si el siguiente dato está actualizado (si conocéis algún físico quizás le podáis reenviar esta entrada y que nos lo confirme), pero en Mayo del 2004 Neil Cornish publicó que el Universo debería tener como mínimo 156 mil millones de años luz.
La paradoja es obvia: el fotón más antiguo que nos pueda alcanzar empezó su viaje por el Universo hace 13.700 millones de años luz, pero debido a la expansión interna del espacio, el punto del que partió se encuentra ahora a 78.000 millones de años luz.

Yo reconozco que a mi esto me deja boquiabierto. Sólo el imaginarlo ya me resulta fascinante, y me cuesta creer que pueda dejar indiferente a alguien. Aquellos que este fin de semana estéis de cena navideña con los compañeros de trabajo, si en algún momento ya no sabéis de qué hablar, siempre les podéis preguntar: tu sabes cuanto mide el Universo?