Materia oscura

La mayoría hemos escuchado alguna vez el termino “materia oscura”, suena extraño, suena desconocido, vamos a intentar explicarlo de la manera mas simple posible:

Primero, por que creemos que existe?

Básicamente porque hemos calculado la velocidad de traslación de  cuerpos al rededor de otros, esta es la explicación corta (que no responde nada), la explicación larga, es que para que un sistema  (como un planeta al rededor de una estrella, o una galaxia alrededor de un agujero negro) donde un cuerpo gira alrededor de otro se mantenga en equilibrio (que el cuerpo que gira mantenga su órbita sin crecer o decrecer) las fuerzas deben anularse, que fuerzas? básicamente 2 el cuerpo que gira experimenta fuerza centrifuga que intenta expulsarlo de su órbita, a la vez, la gravedad del cuerpo en el centro del sistema ejerce gravedad que atrae al cuerpo que gira, estas dos fuerzas deben cancelarse entre si.  Veamos las fuerzas en imágenes:

Fuerza que atrae al objeto hacia el centro de su órbita:

gravedad

Fuerza que empuja al objeto hacia afuera de su órbita:

300px-Moglf0905_Fuerza_centrífuga

La fuerza centrifuga esta estrechamente relacionada a la velocidad de giro del cuerpo. Mientras que la fuerza de atracción esta ligada a las masas de los dos cuerpos (el del centro y el que gira, es decir, m1 y m2 en la ecuación.)

En observaciones, se tiene evidencia de muchos casos de sistemas como estos donde se conoce:

  • masa de ambos cuerpos
  • Velocidad de traslación

Al encajar esto en las ecuaciones que conocemos, resulta que la fuerza centrifuga es mayor que la fuerza de atracción, es decir, el cuerpo que esta girando debiese salir expulsado de su órbita acorde a nuestros calculos, pero no lo hace.

En este caso (el cual se repite una y otra vez en el universo conocido), el factor de corrección que puede aplicarse para que el sistema vuelva al equilibrio (del cual somos testigos) es que la fuerza de atracción sea mayor, pero esto solo es posible si la masa aumenta, pero la masa de ambos cuerpos ya ha sido calculada (abordaremos los métodos en otro post), por lo que una teoría bastante aceptada es que exista en el centro del sistema materia que no podemos percibir: Materia oscura.

Incluyendo la materia oscura en las ecuaciones, todo queda equilibrado, si lo vemos como un sistema de vectores simple tendríamos algo como esto:

FC= Fuerza Centrifuga

F= fuerza de atracción debido a la materia conocida

En estos casos, como decia, FC>F

Y sabemos que FC debe ser igual que F para que el sistema mantenga su equilibrio (el cual mantiene)

entonces, incluyendo la materia oscura:

FO=Fuerza de atracción debido a la materia oscura.

FC=F+FO

En conclusión, la materia oscura la estamos usando como un balanceador de la ecuación, un factor de corrección dado que nuestras ecuaciones no encajan con las observaciones. Bien podría ser que exista la materia oscura o bien podría ser que nuestras ecuaciones no sean correctas (aunque han sido probadas una y otra vez)

 

 

 

 

 

 

 

 

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Que es el universo observable

El universo es algo grande, muy grande. Alguna vez hemos oído la frase de “el universo observable tiene 13.2k millones de años, que quiere decir eso? a primera vista no es tan complicado, quiere decir que, lo mas lejos que el hombre ha logrado observar es luz que ha viajado durante 13.2k millones de años. Ejemplo: la luz del sol viaja durante 8 minutos para llegar a la tierra, entonces, hay estrellas muy lejanas, que han emitido luz hace 13.2k millones de años y esa luz ha viajado y sido captada por instrumentos en la tierra. Esto no quiere decir que el universo no sea mas grande (el tamaño no lo conocemos con certeza). Hay algo mas alla? muy probablemente, pero la luz de ese algo puede no haber llegado todavia hasta la tierra por lo cual no podemos verla.

 

Micropost: la velocidad de la gravedad

Suena raro al principio, pero la gravedad tiene una velocidad. Y esta velocidad es exactamente igual a la velocidad de la luz, tomemos como ejemplo, la gravedad que el sol ejerce sobre la tierra (y que impide que la misma salga de su órbita hacia el espacio), el sol se encuentra a 8 minutos y 19 segundos viajando a la velocidad de la luz. Si el sol desapareciera en un instante del tiempo, la tierra seguiría en su órbita a causa de la gravedad durante esos 8 minutos y 19 segundos después de que el sol desapareció, pasado ese tiempo, ya no existiría gravedad que  impida que la tierra salga de su órbita. En resumen, la gravedad también “viaja” y lo hace a la velocidad de la luz.

Europa: puede existir vida en una luna de júpiter?

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Imagen: Jupiter y algunas de sus lunas. (fotografía propia).

 

Sabemos que Júpiter tiene muchas lunas (67 conocidas hasta ahora), siendo las mas conocidas Ganimedes, LO, Calisto y Europa.  Una de estas, es particularmente interesante: Europa.  Ubicadas a cerca de 750 millones de kilómetros de distancia del sol,  es fácil pensar que la temperatura a esa distancia debe ser extremadamente fría, pero no lo es.

Como se puede ver en la foto, estas lunas giran alrededor de júpiter bastante “cerca” (al menos lo bastante para que la gravedad de unas afecte a otras). De esta forma, por cada vez que ganimedes completa un giro alrededor del planeta, Europa lo hace dos veces, y LO gira 4 veces. La gravedad de una luna sobre las demás (ver Gravedad) origina para empezar que las órbitas de todas no sean nunca perfectamente circulares, el segundo efecto que esto origina, es que se crea una “guerra” de fuerzas gravitatorias, la cual terminan sufriendo todos los cuerpos cercanos. Tomemos por ejemplo a Europa. Cada vez que Europa se encuentra mas cerca de Jupiter, esta es ligeramente aplastada, y recupera su tamaño “normal” cuando se aleja del mismo (porque su órbita no es circular como dijimos) este proceso de estirarse y encogerse, genera calor en Europa, calor que, se teoriza puede causar que en su interior el hielo se funda y exista un océano en estado liquido. Dicho sea de paso, acorde a las observaciones, la superficie de Europa esta formada puramente de hielo.

El siguiente punto importante, es la atmósfera de Europa, Recientemente se ha descubierto que tiene una atmósfera (muy débil), pero formada de oxigeno. Debemos tomar en cuenta que de todas las lunas conocidas en el sistema solar, únicamente 7 tienen una atmósfera.

Pero, existe alguna prueba de que la existencia de agua en estado liquido en Europa? En alguna medida, si. Cuando se observa lunas similares, normalmente las superficies se encuentran llenas de cráteres que son resultado de colisiones de asteroides sobre las mismas. Cuando se observa la superficie de Europa, estos cráteres son casi inexistentes. Esto indica que algo esta reformando la superficie, y eliminando marcas de los asteroides que con toda seguridad están continuamente golpeando la superficie. Y una forma de que estos cráteres sean borrados, es si fluye agua sobre el hielo, esto devolvería a la superficie de hielo su forma uniforme y no accidentada.

Y entonces esta el problema de la radiación, en la superficie de Europa, la radiación mataría cualquier tipo de vida, sin embargo, el hielo y el agua forman buenos escudos protectores contra la radiación, esto bien puede crear un océano interno, bajo la capa de hielo de la superficie (cuyo ancho desconocemos).

La pregunta final, tenemos algún tipo de evidencia de vida en Europa? No. Sin embargo las condiciones que conocemos hacen probable la existencia de la misma. Probablemente no sabremos la verdad, hasta que alguna misión, seguramente un robot, vaya y mire debajo del hielo por nosotros.

 

MicroPost*: la fuerza centrifuga

En un sistema donde un cuerpo rota, la fuerza centrifuga, es la que hace que el cuerpo quiera escapar de el centro, podemos pensar por ejemplo cuando vamos en un auto que toma una curva hacia la izquierda muy rápido, y sentimos una fuerza de empuje hacia la derecha (alejándose del centro del sistema), o por ejemplo, si tomamos una cuerda y amarramos una lata (o cualquier articulo con cierto peso) a un extremo de la cuerda, luego tomamos la cuerda por el otro extremo y la giramos, sucede esto:

lata.jpg

Lo que hace que la  lata se aleje todo lo posible del centro (la mano de la niña) es la fuerza centrifuga (de allí el nombre, se fuga del centro). En la imagen, lo que impide que la lata siga alejándose mas de el centro es la cuerda. Es muy importante notar también que esa fuerza que intenta alejar al objeto del centro crece a medida que la velocidad de rotación crece, por lo que la fuerza que lo mantiene “atado” e impide que se escape debe ser mayor a medida que la velocidad crece. Esto aplica para todos los sistemas en los que un cuerpo rota alrededor de otro. Debemos preguntarnos entonces, si la tierra gira alrededor del sol, que es lo que impide que la tierra se escape de su órbita hacia el espacio?

*Los micropost son únicamente bases teóricas que se utilizaran para entender conceptos futuros.

Gravedad I: la relatividad del tiempo

El tiempo pasa, eso lo tenemos claro todos. Pero, pasa a igual velocidad para todos? En principio, la respuesta pareciera ser si. Y es que estando en la tierra, el tiempo es aproximadamente igual en todas partes, pero ese “aproximadamente” es muy relevante al salir de la tierra.

Vamos a explorar un poco de teoría:

La gravedad es la “fuerza” que nos mantiene sobre la tierra y evita que caigamos al vacío del espacio, esa fuerza que pareciera tan insignificante (usando solo sus piernas uno puede saltar y vencerla momentáneamente), es en realidad una de las fuerzas mas importantes en el universo.

Isaac Newton presento la ley de la gravitación universal en su libro  Philosophiae Naturalis Principia Mathematica en el año 1687, básicamente, esta ley indica que todos los cuerpos generan una atracción sobre cualquier otro cuerpo independientemente de la masa de ambos y la distancia que los separe, es decir, la tierra por ejemplo ejerce una fuerza de atracción sobre la luna, la luna a su vez ejerce una fuerza de atracción sobre la tierra, a su vez, el sol ejerce una fuerza de atracción sobre la tierra, y viceversa. Si asilamos la relación sol-tierra, tendríamos al sol atrayendo a la tierra hacia si, y la tierra también atrayendo al sol, quien ganaría?  la relación es la misma que entre un ser humano y el planeta tierra, quien ejerce la mayor fuerza de atracción es el cuerpo con mayor masa. Por otra parte, la energía centrifuga de la tierra hace que esta fuerza se equilibre y no caigamos hacia el sol hasta ser quemados (y este principio sera analizado en un post futuro)

Sabiendo que el cuerpo con mayor masa ejerce la mayor gravedad a su alrededor, debemos preguntarnos, porque la fuerza que el sol ejerce sobre nosotros como cuerpos relativamente cercanos al mismo no somos afectados por la gravedad del sol, si no que somos afectados por la gravedad de la tierra que es menor? la respuesta es la distancia. Estamos mas cerca de la tierra, por eso aunque su fuerza de gravedad es menor que la del sol, nos vemos mas afectados por la gravedad de la tierra. Vamos a analizar la formula de la ley de la gravitación universal, sin entrar en muchos detalles de la misma:

gravedad

Aquí, F es la fuerza de atracción, G es la constante de gravitación universal (un numero constante) m1 y m2 son las masas de los objetos involucrados y r es la distancia  del objeto 1 al objeto 2. Para quien no ha tenido mayor relación con matemáticas y ecuaciones, algo importante de entender aquí es que, si r crece, F es menor, si r crece casi al infinito (o a un numero extremadamente grande), F decrece casi a 0. Es decir, que los objetos mas lejanos del universo conocido (r muy grande) ejercen una fuerza de atracción muy pequeña sobre la tierra.

Hasta aquí todo bien, hasta que aparece Einstein. En su teoría general de la relatividad, Einstein mantiene los resultados de estos cálculos, pero agrega que en realidad la gravedad no es una fuerza como tal, es mas bien una alteración del espacio-tiempo. Allí empieza lo interesante, y lo que al principio se escucha complicado, pero no lo es tanto, exploremos un ejemplo:

Si tomamos una toalla muy grande, la sostenemos de las 4 esquinas, y lanzamos en el medio una roca pesada, notaremos algo, la toalla se ha curvado hacia abajo, en el punto justo donde esta la roca la toalla estará mas curvada, y a medida que nos alejamos de este punto, la toalla recobra su forma original, el resultado es similar a esta gráfica:

curvatura

Imaginemos entonces que en el escenario planteado arrojamos un objeto de masa mucho menor que la roca (una roca mas pequeña) en un punto donde la curvatura es menor, lo que va a suceder, es que el objeto pequeño va a caer hacia donde esta el objeto grande, y a medida que se acerca al objeto grande, la velocidad de acercamiento sera mayor (por eso la gravedad se mide en unidades de aceleración). Y eso es exactamente lo que sucede en el universo. Acorde a esta teoría, los cuerpos (planetas, estrellas, agujeros negros, etc.) crean una distorsión o curvatura en el espacio (dejemos el tiempo de lado por el momento)  que hace que los objetos bajo la influencia de esta distorsión “caigan” hacia ellos (dependerá del tamaño para ver cual cuerpo gana la batalla como vimos antes, ganara el mas grande a falta de otras energías)

Entonces, el universo quedaría mas o menos así: (imagen de wikipedia)

Interacción_de_la_gravedad.png

Se puede ver en la imagen que el sol crea su propia distorsión en el espacio la cual es mayor que la distorsión creada por la tierra, debido a que la masa del sol es mucho mayor (lo cual concuerda con la ley de la gravitación universal). Es muy importante aclarar que esta imagen esta en dos dimensiones únicamente, en el espacio, contamos con 3 dimensiones, (la tercera dimensión en la gráfica seria hacia arriba y hacia abajo), se gráfica de esta forma por facilidad, puesto que es difícil imaginar tal distorsión utilizando las 3 dimensiones.

Llegados a este punto, vamos a volver al inicio del post: el tiempo. Acorde a la teoría de la relatividad de Einstein, el espacio y el tiempo son dos conceptos inseparablemente relacionados, lo cual quiere decir entre otras cosas, que al distorsionarse el espacio, se distorsiona también el tiempo. En el espacio, entendimos una distorsión como estirar o encoger el mismo. Con el tiempo es exactamente lo mismo, entonces, distorsionar el tiempo es estirarlo o encogerlo, y que pasa si estiramos el tiempo? que un segundo dura mas tiempo. Pero esto es relativo (de allí el nombre de la teoría general de la relatividad), veamos un ejemplo:

Supongamos que en 2016 enviamos a una persona a vivir a otro planeta que tiene unas 1000 veces la masa de la tierra (despreciando masas de objetos cercanos, etc.), una segunda persona se queda viviendo en la tierra, cada uno tiene un reloj, ambas personas viviendo en su respectivo planeta consultan su reloj y ven como un segundo pasa de manera normal, sin estirarse ni encogerse. Pero (y aquí radica todo) el tiempo de la persona que esta en el planeta con mayor masa ha sido distorsionado por el campo gravitatorio de ese planeta, al punto de que el tiempo allí pasa mas lento visto desde afuera.  Es decir que, si la persona que viajo, regresa al planeta tierra en el año 3000 (año de la tierra y sus habitantes), el viajero nos contaría que estuvo fuera quizás durante un año acorde a su reloj (el calculo no es exacto, la intención no es llenar el post de cálculos matemáticos).

Con la cantidad de cuerpos que existen en el universo, el lector comprenderá la cantidad de alteraciones en el espacio-tiempo que existen en el mismo.

Einstein planteo esta teoría cerca del año 1915, y aunque forman parte de la física teórica, sus predicciones han sido probadas y demostradas en muchos escenarios, incluyendo aceleradores de partículas. Una de las confirmaciones mas relevantes, es el hecho de que en los satélites de GPS (que se encuentran alejados de la tierra en alguna medida, el tiempo pasa mas rápido respecto del tiempo en la tierra, este efecto sufre cierto ajuste por la reducción del tiempo derivada de la velocidad de los satélites, lo cual sera analizado en otro post). A día de hoy, los experimentos han comprobado ampliamente los conceptos relacionados a la teoría general de la relatividad (excepto en casos extremos, lo cual también analizaremos otro día) por lo cual, es aceptada como valida.

Hasta aquí entonces el primer post de una serie dedicada a la gravedad, el tiempo y el universo.

Un primer intento de fotografiar la via lactea

Hace unas cuantas semanas, pasamos una noche en el volcán acatenango (aproximadamente a 3900 msnm), la idea era tomar fotos nocturnas intentando capturar la vía láctea. El resultado fue bastante bueno, a pesar de que son fotos hechas aproximadamente a las 9 de la noche.

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En general, las exposiciones son de 20 segundos, ISO 1600, focus al infinito, y la mayor apertura del lente posible.