Antes de las estrellas o los planetas, antes de los agujeros negros y las enanas blancas, incluso antes de los átomos o los rayos de luz, el Universo reverberaba con algo sorprendente: sonido.

Este zumbido primordial se movía a más de la mitad de la velocidad de la luz a través de un plasma sobrecalentado de bariones, fotones y materia oscura. (Los bariones son una familia de partículas subatómicas a la cual pertenecen los protones y neutrones).

El sonido surgió de un tira y afloja entre antiguas y poderosas fuerzas fundamentales que generaban ondas sonoras en esta sopa de partículas cargadas eléctricamente.

Y apenas unos cientos de miles de años después, el plasma desapareció como una niebla matutina. El Universo cayó de repente en un profundo silencio.

Sin embargo, aún es posible captar ecos de estas primeras ondas sonoras que se extendieron por nuestro Universo temprano, si se sabe dónde buscar. Las ondulaciones que crearon en el plasma han dejado una huella permanente en la distribución de la materia alrededor del Universo.

Esas ondas también están proporcionando a los astrónomos pistas sobre uno de los misterios más profundos de nuestro Universo: la misteriosa fuerza conocida como energía oscura.

Las ondas sonoras primordiales, también conocidas como oscilaciones acústicas bariónicas (BAO por sus siglas en inglés), se formaron cuando las partículas del Universo temprano comenzaron a juntarse por la gravedad.

“La atracción gravitacional de la materia oscura en el Universo temprano creó ‘pozos potenciales’ que arrastraban el plasma hacia adentro”, explicó Larissa Santos, profesora del Centro de Gravitación y Cosmología de la Universidad de Yangzhou, en China.

El plasma, sin embargo, estaba tan caliente que también creó una fuerza exterior opuesta. “Los fotones crearon una presión de radiación que luchó contra la gravedad y empujó todo hacia afuera. Esta lucha creó oscilaciones acústicas, ondas sonoras“.

Un estruendo inaudible

Los BAO brotaron de innumerables pozos potenciales, formando esferas concéntricas y en expansión de energía sonora. Se entrecruzaron entre sí, esculpiendo el plasma en patrones de interferencia tridimensionales de una complejidad deslumbrante.

Si un ser humano hubiera existido en la época de las “oscilaciones acústicas bariónicas” (BAO), no habría oído nada. Los sonidos eran aproximadamente 47 octavas más bajos que la nota inferior de un piano con enormes longitudes de onda de unos 450.000 años luz.

Este estruendo increíblemente profundo e inaudible viajó a través de un medio que ni siquiera nuestros telescopios más potentes pueden penetrar.

Cuanto más profundizamos en el Universo, más nos remontamos a su historia debido al tiempo que tarda la luz en llegar hasta nosotros. Sin embargo, solo podemos ver hasta cierto punto, ya que las cargas eléctricas de los protones y electrones libres en estas primeras etapas del Universo dispersaban y difundían continuamente la luz.

Los BAO crearon patrones en este medio que se extendieron hacia afuera, y hoy podemos ver evidencia de esto en el Universo.

El Telescopio Espacial Planck pudo captar ecos de BAO del Universo temprano y los científicos lograron traducirlos a frecuencias audibles.

El zumbido se compone de un tono bajo con matices más altos. El silbido que se puede escuchar es de un artefacto usado en el procesamiento necesario para crear el archivo de sonido.

Luego, aproximadamente a la edad de 379.000 años, el Universo se enfrió lo suficiente como para que los protones y los electrones se emparejaran y formaran los primeros átomos de hidrógeno.

El plasma desapareció, dejando el Universo repentina y dramáticamente transparente a la luz. En el mismo momento, terminó la batalla entre la radiación y la gravitación, los BAO cesaron y el Universo quedó en silencio.

La explosión de energía luminosa que ahora se propaga por el Universo fue tan poderosa que todavía hace vibrar los radiotelescopios y fascina a los físicos más de 13 mil millones de años después. Los científicos intentan captar esa señal conocida como radiación cósmica de fondo de microondas, o CMB por sus siglas en inglés.

El registro visual más antiguo del Universo

El CMB es el registro visual más antiguo y detallado del Universo temprano. También aquí los científicos pueden ver un “registro fósil” de los primeros sonidos del Universo.

“Los vemos impresos en la radiación de fondo de microondas y también en la estructura a gran escala del Universo”, dijo Santos, que forma parte de un nuevo proyecto internacional de radiotelescopía que analiza los ecos modernos de esa canción silenciada durante mucho tiempo.

“Sus indicios se encuentran en un pequeño exceso en el número de pares de galaxias separadas por una escala fija de 150 megaparsecs, alrededor de 500 millones de años luz”.

Las señales de BAO no sólo insinúan cómo sonaba el Universo primitivo, sino que también sirven como una regla para medir los efectos de otro fenómeno invisible: la energía oscura.

La energía oscura hace que el Universo se expanda. Sus efectos están en todas partes, pero se desconoce su naturaleza. El estudio de la escala de las señales de BAO a diferentes distancias de la Tierra revela cómo los efectos de la energía oscura han cambiado a lo largo de la historia del Universo.

“Lo llamamos regla estándar”, dice Santos. “Tenemos esta escala fija. Podemos saber, por cómo parece variar, cómo fue evolucionando el Universo a través del tiempo”.

La científica forma parte del proyecto del radiotelescopio “BINGO”, actualmente en construcción en el estado de Paraíba, en el noreste de Brasil. Bingo (acrónimo en inglés de “BAOs de observaciones integradas de gases neutros”), buscará señales de radiación distintivas del hidrógeno, el átomo más simple, más antiguo y más abundante del Universo.

Los átomos de hidrógeno liberan radiación con una longitud de onda de 21 centímetros, invisible al ojo humano, pero detectable mediante radiotelescopios.

Esta radiación de nubes de hidrógeno distantes es estirada por la energía oscura, aumentando su longitud de onda observada aquí en la Tierra.

Cuanto más ha viajado esa radiación, más extendida está.

“Tú eliges una frecuencia para tu radiotelescopio según la época del Universo que quieres medir”, señaló Santos.

BINGO está diseñado para mapear la distribución de hidrógeno entre mil y cuatro mil millones de años luz de distancia, relativamente reciente en la escala cósmica del espacio y el tiempo.

Los dos imponentes espejos parabólicos de BINGO reflejan esta radiación primordial en una serie de 50 detectores de ondas ensanchados conocidos como “cuernos”.

La principal parte móvil del telescopio es el planeta sobre el que se apoya. La Tierra en rotación mueve el telescopio debajo de las estrellas, explorando una franja de cielo de 15 grados por 200 grados.

Historia cósmica

Utilizando sutiles cálculos estadísticos, Santos analizará sus datos para localizar millones de galaxias, examinar sus distancias relativas entre sí y estudiar cómo la energía oscura afectó los patrones BAO durante esa era.

“Bingo mirará hacia el Universo tardío cuando la energía oscura ya domina la expansión. Es muy complementario a otros experimentos”, afirma.

Muchos de esos otros experimentos ya están planificados o en marcha.

“El mapeo de la intensidad del hidrógeno puede, en principio, medir cualquier cosa en el Universo desde el presente hasta el CMB. Es un volumen enorme para explorar”, afirmó Cynthia Chiang, profesora de física que estudia la densidad del hidrógeno en la Universidad McGill en Montreal, Canadá.

“Bingo y otros experimentos similares buscan el gas que vive dentro de las galaxias. Es un indicador de dónde está la materia”.

Si bien los instrumentos sintonizados con regiones relativamente cercanas interesan a Chiang, también anhela respuestas sobre el resto de la historia cósmica.

“Tengo un enfoque muy codicioso”, dice riendo. “Estoy preparando un experimento que está sintonizado en frecuencias que corresponden a la ‘Edad Oscura’. Ese es el período inmediatamente posterior a la formación del fondo de microondas. Nunca hemos accedido a ninguna cosmología de este período porque es muy, muy difícil”.

Entre 250 y 350 millones de años transcurrieron entre la “superficie de la última dispersión”, cuando el plasma bariónico dio paso al CMB, y el “amanecer cósmico”, cuando brilló la primera luz estelar.

Los BAO dejaron nubes de hidrógeno agrupadas en tenues estrías, como una marea que deja ondas en la arena.

Antes de que Chiang pueda acceder a la radiación de 21 centímetros de esta era, primero debe diseñar experimentos para filtrar señales más recientes de nuestra propia galaxia que podrían enmascarar datos más antiguos.

“Este primer experimento aún no llegará a la cosmología”, afirma. “El objetivo es mapear las emisiones de la Vía Láctea en estas frecuencias con una resolución muy alta para que sepamos cómo se ve el cielo en un primer paso. Luego, con suerte, podremos restar eso y llegar a la cosmología”.

“Como sugiere el nombre, en la Edad Oscura el Universo era un lugar muy oscuro y aburrido. La señal que se obtiene entonces es casi una emisión uniforme de 21 centímetros de esta pared de hidrógeno. Pero hay débiles fluctuaciones en el brillo que corresponden a sobredensidades y subdensidades. Se obtienen pequeños puntos fríos y calientes”.

Chiang dice que el CMB es como una fotografía que captura (con sorprendente detalle) un momento crucial en la evolución cosmológica.

Sin embargo, mapear la densidad del hidrógeno en la Edad Oscura capturaría los cientos de millones de años que siguieron inmediatamente después.

“Es un volumen tridimensional que puedes sondear”, dice Chiang. “Si se puede medir el mismo tipo de información que el CMB, pero reflejada en hidrógeno, se obtiene muchísima más información y potencialmente se pueden restringir aún más los parámetros cosmológicos. Si llegamos allí, sería sorprendente. Pero es un camino muy largo.”

Los experimentos planificados por Chiang, junto con el telescopio BINGO, se suman a una creciente variedad de instrumentos de observación innovadores que dejan al descubierto la historia de los BAO, la estructura a gran escala del Universo y la energía oscura invisible que separa las galaxias.

“Cuando medimos el cielo, medimos todo”, explicó Santos. “CMB, hidrógeno, fuentes puntuales de galaxias, todo este tipo de cosas. Debemos ser capaces de reconocer qué es una señal cosmológica y qué es todo lo demás”.

Santos también espera que los BAO revelen aún más sobre el pasado del Universo, perforando la pared de plasma de 379.000 años de espesor y proporcionando datos sobre la fracción de segundo anterior: la llamada “época inflacionaria” del Universo, durante la cual la mayoría de los cosmólogos creen que el espacio se expandió más rápido que la velocidad de la luz.

La inflación cosmológica es una teoría ampliamente confiable sobre cómo nuestro Universo pasó de su estado original, pequeño, caliente y denso, al cosmos que vemos hoy.

La teoría ha pasado por muchas encarnaciones, variaciones y simulaciones. Permite muchas predicciones sólidas que han sido probadas y verificadas, pero no hay evidencia directa de ella.

“Nuestras observaciones ya han descartado muchas teorías inflacionarias”, afirmó Santos. “Con las mediciones que queremos realizar, podemos determinar qué teorías concuerdan mejor con esa medición y partir de ahí”.

Las oscilaciones acústicas bariónicas solo existieron durante unos pocos cientos de miles de años, pero ayudaron a crear (y están ayudando a los científicos a descifrar) la historia del Universo invisible desde su primer a su último momento.

Haz clic para leer la nota original en BBC Future.

En 2007 astrónomos hablan de fenómenos llamados ráfagas de radio rápidas.  Esto es radiación electromagnética de radiofrecuencia que se originan en lugares dentro de nuestra Vía Láctea y otras galaxias.

La revista National Geographic, explicó en una de sus ediciones que los experots han tenido diferentes teorías sobre esto.  Algunos incluso pensaron que los misteriosos estallidos eran un producto creado por la vida en la Tierra en lugar de señales procedentes del exterior de la galaxia.

Entre los aficionados también se dijo que probablemente estas señales venían de “aliens”.   Actualmente se sabe que las ondas de radio están entrelazadas y desperdigadas, se han formado lejos, muy lejos, en una zona con un plasma altamente magnetizado y denso.

“Podrían proceder de una región donde se está formando una estrella, de los restos de una supernova, o de las regiones internas más densas de una galaxia”, dicen los expertos.

Las ráfagas rápidas de radio (FRB, por sus siglas en inglés) fueron descubiertas en 2007.

Los radiotelescopios han ayudado a los astrónomos a rastrear estos rápidos destellos cósmicos.  CNN publicó recientemente astrónomos detectaron una misteriosa ráfaga de ondas de radio que tardó 8 mil millones de años en llegar a la Tierra. Una de las más distantes y energéticas jamás observadas.

La misma fue detectado a través del radiotelescopio SKA Pathfinder australiano, en el estado de Australia Occidental. Medios han publicado fue identificada por el Very Large Telescope del Observatorio Europeo Austral en Chile, uno de los más potentes.

Científicos revelaron cómo los instrumentos de la NASA estadounidense detectaron la explosión de rayos gamma más brillante de la que se tenga registro.

El estallido GRB (por sus siglas en inglés) ocurrió a 2.000 millones de años luz de la Tierra e iluminó gran parte de nuestra galaxia.

Las imágenes del raro y poderoso fenómeno cósmico muestran un halo y formas similares a una “diana” de tiro al blanco.

Los expertos, incluidos académicos de la Universidad de Leicester, en Reino Unido, dicen que el GRB fue 10 veces más brillante que cualquier otro detectado anteriormente.

Publicaron un análisis detallado de la poderosa explosión que se detectó el 9 de octubre de 2022.

Se le denominó oficialmente GRB 221009A, pero los que trabajan en el equipo Swift de la NASA lo han apodado BOAT (unas iniciales en inglés que se traducen como “el más brillante de todos los tiempos”).

“Tuvimos mucha suerte de ver algo como esto. Estimamos que eventos tan brillantes ocurren aproximadamente una vez cada 1.000 años“, destacó Phil Evans , un astrónomo especializado en rayos X que participó en el trabajo.

“Al estudiar la evolución de este asombrosamente brillante GRB con gran detalle, podemos conocer mucho sobre la física de una onda expansiva”, continuó.

“Así como las imágenes en cámara lenta revelan detalles sobre movimientos, el dividir nuestros datos en pequeños fragmentos nos permite ver cómo cambia el GRB y saber más de ellos”.

El equipo Swift dijo que su Observatorio Neil Gehrels Swift, un telescopio satelital diseñado para estudiar los GRB desde el espacio, inicialmente no pudo observar el estallido porque la Tierra estaba obstruyendo su vista.

Sin embargo, 55 minutos después, cuando la órbita del satélite le permitió tener una visión clara del GRB, sus sistemas lo detectaron con éxito y captaron imágenes del mismo.

¿Qué son los estallidos de rayos gamma?

Los estallidos de rayos gamma son las explosiones más violentas del Universo, las cuales liberan más energía de la que liberaría el Sol en 10.000 millones de años.

Son el resultado de explosiones catastróficas de supernovas a medida que mueren estrellas masivas. Los estudios indican que ocurren cuando se forma un agujero negro por un tipo de supernova extremadamente poderosa.

Primero este agujero crea un campo magnético que controla los chorros de emisión de energía. Luego, cuando este campo magnético se vuelve más pequeño, la materia toma el control y domina estos chorros.

Con anterioridad, se pensaba que la energía se regía por una de las dos cosas, pero estudios recientes han demostrado que tanto el campo magnético como la energía cumplen un rol fundamental.

La primera GRB fue descubierta a fines de la década de 1960 por un satélite que intentaba detectar violaciones de la Unión Soviética al tratado de prohibición de pruebas nucleares.

Desde entonces, miles han sido vistas por diferentes instrumentos.

El doctor Andy Beadmore, que también forma parte del equipo Swift de la Universidad de Leicester, dijo: “Estos patrones no solo son hermosos, sino que también son útiles científicamente“.

“Estamos viendo una cantidad significativa de polvo en nuestra galaxia iluminada por el intenso estallido de luz del GRB, a 2.000 millones de años luz de distancia, que es como una antorcha que brilla a través de una nube”, explicó.

Los expertos, continuó Beadmore, ahora tienen la oportunidad de estudiar la naturaleza y composición de ese polvo, el cual fue detectado a grandes distancias desde el Sol.

El Sol está relleno de gases calientes a temperaturas exponenciales. Sus reacciones y la energía que irradia es la inquietud constante para la comunidad científica.

El Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA ha captado en video que muestra en cámara rápida un total de 133 días donde se ve precisamente qué cambios tiene y lo atrayente de los movimientos caóticos en su superficie.

Las imágenes muestran cómo grandes bucles de plasma se arquean sobre la esfera y se reconectan. Su campo magnético mantiene las ondas orbitando sobre sí mismo.

Las imágenes fueron captadas por el Observatorio de Dinámica Solar (SDO), una nave espacial que se lanzó en 2010 por la NASA. Una misión que duró cinco años.

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El Sol gira cada 27 días creando una vista cambiante de su superficie y su irradiación crea ionosferas de la Tierra y otros planetas, donde se produce la radiación solar, informó Science Alert.

¿Cuáles son las características del Sol?

Datos interesantes que National Geographic documentan sobre el Sol, es que es una estrella que podría albergar hasta 109 planetas en su superficie. Su temperatura puede llegar a los 5 mil 500 grados centígrados en la superficie.

Además, según revistas especializadas documentan que el núcleo puede llegar a los 15,5 millones de grados centígrados.

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La transformación de fusiones convierten el hidrógeno en helio y los llamados fotones transportan la energía en el interior del Sol. Luego, son los movimientos de gases que llevan la energía hasta su superficie.

Querido Stephen:

Lo que menos te sorprenderá de estas líneas es saber que tu recuerdo permanece intacto, tanto en la comunidad científica como en la sociedad. Pero estamos seguros de que, a pesar de que fuiste un optimista impenitente hasta el último día de tu vida, no creerías todo lo que hemos aprendido sobre tus criaturas predilectas, los agujeros negros, desde el infausto 14 de marzo de 2018 en que nos dejaste.

Llegaste a disfrutar de un hito, la primera detección de ondas gravitacionales, y te entusiasmaste al saber que se trató de la fusión de dos agujeros negros a más de mil millones de años luz.

Estamos seguros de que recreaste en tu cabeza ese instante final en el que dos colosos, que albergaban 29 y 36 masas solares en sus modestos cuerpos de poco más de 100 kilómetros de tamaño, se fundieron violentamente sacudiendo, en dos décimas de segundo, el tejido espacio-temporal con una potencia 50 veces mayor que la de la luz que llena todo el universo observable.

¿Y si son estrellas de bosones?

El historial de detecciones de ondas gravitacionales siguió su previsible camino y hoy ya rondamos las cien. Eso no te sorprenderá. ¿Pero qué nos dices de la que observamos el 21 de mayo de 2019? Ya no es que la fusión se haya producido a 17 mil millones de años luz, sino que las masas de los agujeros negros fueron de 66 y 85 soles.

Sí, lo sabemos, creerás que hay un error en las cifras. Sabes mejor que nadie que la muerte de una estrella de más de 65 masas solares no debería dar lugar a un agujero negro. Se supone que sufriría un colapso parcial, antes de que le llegase su hora, desencadenando una violenta explosión. No sabemos si hay algún error en estos argumentos, si esos agujeros negros son el resultado de una fusión previa o si, ¡prepárate!, no son agujeros negros sino estrellas de bosones.

Ya, ya… ya sabemos que dirás que éstas no existen, pero quizás debas empezar a acostumbrarte a la idea de que lo que no existía mientras vivías lo veamos ahora por primera vez. La última palabra la tiene siempre la Naturaleza.

El anillo de luz que orbita M87

Te habrías quedado sin aliento, ciertamente, frente a lo que logró la colaboración del Event Horizon Telescope unas semanas antes de aquel 21 de mayo. Sabes mejor que nadie que los astrónomos llevan muchos años estudiando cómo la gravedad afecta a la trayectoria de los rayos de luz. Para ello, usan imágenes de astros lejanos, cuyos rayos pasan fortuitamente cerca de objetos muy masivos (las famosas lentes gravitacionales).

Pero hasta 2019 nadie había conseguido explorar ese fenómeno en el régimen de la gravedad más extrema: las inmediaciones de tus queridos agujeros negros.

En abril de 2019, vimos por primera vez una imagen hecha por los rayos de luz que estuvieron orbitando muy cerquita del horizonte de sucesos de un agujero negro (concretamente, el que habita en el corazón de la galaxia M87).

¡Cuánto te habría gustado ver esa preciosa imagen! Se trata de un anillo de luz, mayormente formado por los fotones que, tras romper sus órbitas inestables cercanas al agujero negro, escaparon de aquel profundo pozo gravitatorio y comenzaron su viaje de casi 55 millones de años rumbo a la Tierra.

Ha sido posible lo inimaginable: fotografiar agujeros negros

Pero la historia no acaba ahí. En 2022, el mismo equipo de astrónomos publicó la imagen de Sagitario A*, el agujero negro que vive en el corazón de nuestra propia galaxia.

Esos resultados han sido los primeros de una serie de observaciones con un objetivo muy ambicioso. Además de poner a prueba la Relatividad General, pretenden usar sus imágenes para conocer al detalle los mecanismos por los que algunos de los agujeros negros supermasivos (cuásares y blázares) pueden producir esos formidables chorros de materia y radiación que los caracterizan y que pueden alcanzar tamaños mucho mayores que los de sus galaxias anfitrionas.

Una de las posibles fuentes de energía para esos chorros podría venir de la rotación del agujero negro, que arrastra consigo al espacio circundante y obliga a las líneas de campo magnético a enrollarse a su alrededor, produciendo un extraordinario flujo electromagnético en los polos. En ese caso, el horizonte de sucesos, permeado por líneas de campo magnético, podría estar jugando un papel fundamental en el proceso de producción de los chorros relativistas, tal y como parecen indicar las imágenes polarizadas publicadas por el Event Horizon Telescope.

A esta altura, ya entenderás por qué nos vimos en la necesidad de escribirte e interrumpir tu descanso. ¡Hay tanto que contarte!

En su interior se forman islas

¿Qué pasó con la paradoja de la información que tan brillantemente descubriste y tantos desvelos te produjo? ¡Ha habido una auténtica revolución! Seguro que recuerdas el trabajo en el que tu antiguo estudiante, Don Page, demostró que el entrelazamiento cuántico de la radiación emitida por un agujero negro y las partículas virtuales atrapadas en su interior, su entropía, tiene que seguir una curva inexorable: empieza siendo cero cuando todavía no hay radiación emitida y acaba siendo cero cuando ya se evaporó el agujero negro.

Por lo tanto, debe aumentar inicialmente y luego disminuir. Si esto no se cumple, se perdería inexorablemente la información de la materia que dio lugar al agujero negro o cayó en él a lo largo de su vida.

Pocos meses después de tu muerte, empezaron a aparecer trabajos que, investigando a nivel teórico el interior de los agujeros negros, han concluido algo sencillamente extraordinario: cuando los agujeros negros envejecen, desarrollan en sus entrañas islas del universo exterior.

¿Nos creerías si te contáramos que dos trabajos lo demostraron, en paralelo, viendo la luz el mismo día? Sí, exacto, ¡el 21 de mayo de 2019! Ese día fuimos desconcertados por partida doble: detectando agujeros negros con masas inesperadas y descubriendo que en el corazón de estos astros, en cuya frontera creíamos que morían el espacio y el tiempo, cuando transitan la segunda mitad de su dilatada vida, quedan preñados de espacio y de tiempo para algún día devolvernos lo quitado. Imaginaste muchas soluciones posibles a la paradoja de la información, pero jamás una tan descabelladamente hermosa.

Nos vamos despidiendo, pero no porque se agoten las novedades. ¡Tantas cosas sucedieron en apenas cuatro años!

No te contaremos que Roger Penrose ganó el premio Nobel de Física, porque quizás la alegría tenga un poso agridulce para ti.

Déjanos despedirnos contándote que algunas de las ondas gravitacionales detectadas sugieren una posibilidad espeluznante: es probable que muchos de los agujeros negros resultantes de las fusiones observadas hayan salido despedidos con tal velocidad que abandonaran sus galaxias para siempre. Esos viajeros, que transitan la inmensidad del cosmos con un universo en sus entrañas, nos llenan de melancolía; nos recuerdan a ti.

*José Edelstein, Profesor de Física Teórica, IGFAE, Universidad de Santiago de Compostela y Iván Martí-Vidal, Investigador distinguido en el departamento de Astronomía y Astrofísica, Universitad de Valencia

*Este artículo fue publicado en The Conversation y reproducido aquí bajo la licencia creative commons. Haz clic aquí para leer la versión original.

Pero un equipo internacional de científicos logró una temperatura aún menor, la más baja jamás medida en el universo.

Investigadores de la Universidad de Rice, en Estados Unidos, y de la Universidad de Kioto, en Japón, obtuvieron en laboratorio una temperatura 3 mil millones de veces más fría que la del espacio interestelar.

Los científicos usaron rayos láser para enfriar átomos hasta una temperatura de apenas una mil millonésima de grado por encima de -273,15 ℃, el cero absoluto en la escala de Kelvin. Esta es la temperatura en la que cesa por completo todo movimiento de los átomos.

El experimento no es sólo un gran logro a nivel de laboratorio. También “abre las puertas al desarrollo de nuevos materiales con propiedades inimaginables“, señaló a BBC Mundo Francisco José Torcal-Milla, profesor del departamento de Física Aplicada de la Universidad de Zaragoza.

A temperaturas cercanas al cero absoluto, el helio, por ejemplo, “se vuelve superfluido, un estado caracterizado por la ausencia total de viscosidad. Esto hace que pueda atravesar paredes y cualquier tipo de material, poroso o no, y trepar por las paredes de los recipientes que lo contienen”, agregó el experto español.

Uno de los autores del experimento y del estudio que lo describe es el especialista en física atómica mexicano Eduardo Ibarra García Padilla, quien luego de completar su doctorado en la Universidad de Rice es ahora investigador postdoctoral en la Universidad de California Davis.

Ibarra explicó a BBC Mundo que hay fases de la materia que sólo son accesibles a las temperaturas más bajas.

Y acceder a esas temperaturas y a esas fases permitirá comprender mejor problemas de la física como “la superconductividad en los óxidos de cobre, que tendrán importantes aplicaciones tecnológicas”.

¿Cómo se realizó el experimento?

Los investigadores de Estados Unidos y Japón bajaron la temperatura a niveles extremos de átomos de iterbio, una tierra rara que es un elemento químico de la tabla periódica con el símbolo Yb.

Para lograrlo, utilizaron “técnicas de enfriamiento con láseres y enfriamiento evaporativo“, explicó Ibarra.

“El enfriamiento evaporativo es como cuando uno tiene una sopa muy caliente. Lo que uno hace es soplarle a la sopa; al hacer eso uno remueve las partículas más calientes y de esta manera enfria la sopa”, señaló el físico mexicano.

“Lo mismo hacen los experimentos: uno juega con la trampa de luz donde se atrapan los átomos y uno va removiendo los átomos más calientes y por ende enfria al sistema”.

¿En qué consisten esas trampas de luz?

Torcal-Milla, quien escribió un artículo de divulgación sobre el experimento, señaló a BBC Mundo que el procedimiento está rodeado de la más alta tecnología.

“Comienza por sublimar (convertir directamente de sólido a gas sin pasar por el estado líquido) átomos de iterbio. Este procedimiento se suele llevar a cabo haciendo incidir un láser de alta potencia sobre un bloque de iterbio sólido, haciendo que se evapore una pequeña cantidad del mismo”.

“Una vez que se obtiene el gas diluido, se mantiene en una cámara donde se ha hecho un vacío extremo y se atrapan los átomos mediante trampas ópticas, que son como una especie de lazos hechos de luz“.

“Después se incide sobre ellos con haces láser desde distintas direcciones. Los fotones del láser, al interactuar con los átomos de gas, que están agitándose, los frenan, disminuyendo su velocidad promedio y, como consecuencia, su temperatura”.

Dónde se realizó el experimento

El laboratorio donde se alcanzó la temperatura récord se encuentra en la Universidad de Kioto. Allí trabajó el grupo liderado por Yoshiro Takahashi y Shintaro Taie.

“Nosotros proporcionamos la parte teórica y numérica del estudio, que nos permite extraer las temperaturas a las cuales se realizaron los experimentos”, señaló Ibarra.

Uno de los sitios más conocidos por sus pruebas de bajas temperaturas es el Laboratorio de Átomos Fríos, CAL por sus siglas en inglés, en la Estación Espacial Internacional.

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CAL tiene la ventaja de la ausencia de gravedad, aunque Ibarra señaló que para los estudios realizados en esta ocasión la gravedad cero no era necesaria.

Torcal Milla cree que sería interesante realizar estos experimentos a bordo de la Estación Espacial Internacional, “ya que a pesar de que la interacción gravitatoria que sufren los átomos individualmente debida a la Tierra es minúscula, esta cobra más importancia cuanto menores sean el resto de interacciones”.

¿Cómo cambia el comportamiento de la materia?

Ibarra explicó que “en la naturaleza existen dos tipos de partículas, los bosones (como los fotones de un láser) y los fermiones (como los electrones en un sólido), los cuales a muy bajas temperaturas exhiben diferentes comportamientos”.

Los científicos usaron un isótopo del iterbio llamado 173Yb, que es un fermión.

A temperaturas tan bajas como la alcanzada en el experimento, la materia se comporta de una forma extraordinaria.

Torcal-Milla explicó que en el caso de los bosones, todos caen a un estado mínimo de energía llamado estado fundamental en el que se hacen indistinguibles, llamado Condensado de Bose- Einstein.

Si por el contrario, son fermiones (partículas fundamentales que conforman la materia) se convierten en lo que se conoce como un gas o líquido de Fermi, capaz de ascender paredes o incluso atravesarlas.

Los ejemplos más conocidos de comportamiento extraños a bajas temperaturas son la superconductividad y la superfluidez. La superconductividad ocurre cuando una sustancia es capaz de transmitir la electricidad sin oponer resistencia.

Por otro lado, la superfluidez consiste en la pérdida total de viscosidad de una sustancia. Este estado de la materia puede ser alcanzado por un líquido de Fermi a temperaturas extremadamente bajas, muy cerca del cero absoluto.

A estas temperaturas casi todo se congela, excepto algunos isótopos de helio, que adquieren superfluidez. En este estado, el fluido es capaz de ascender las paredes del recipiente que lo contiene.

¿Qué aplicaciones futuras podría tener este tipo de experimento?

Ibarra señaló a BBC Mundo que conforme alcancemos temperaturas menores, diferentes fases exóticas de la materia aparecerán. Estas pueden tener propiedades magnéticas o de transporte completamente diferentes a las de otros materiales.

En el caso de una futura superconductividad de los óxidos de cobre, por ejemplo, una posible aplicación según el experto mexicano es la propuesta de usar superconductores para los trenes que levitan.

“Un ejemplo son los trenes maglev. Pero yo considero que probablemente serán de utilidad para otras aplicaciones puesto que implica poder tener una corriente eléctrica sin pérdidas”.

Para Torcal-Milla, “todo experimento que avance en el conocimiento es de importancia, por pequeño que sea el avance. Si pudiéramos contar a nuestros abuelos que con un aparatito que llevo en el bolsillo puedo acceder a cualquier información que necesite y además hablar e incluso ver de forma instantánea a una persona que se encuentra en las antípodas, nos tratarían de locos o charlatanes”.

“Algunos descubrimientos deben esperar para ser aplicados y quizá este sea el caso, pero no cabe duda que nos revelarán nueva física, que no podemos ni siquiera prever“, agregó el experto español a BBC Mundo.

“Quién sabe si el estudio de estos sistemas podría desvelarnos nueva física que nos dirija a la teoría definitiva que unifique todas las fuerzas fundamentales, o nos desvele propiedades de la materia a niveles microscópicos, todavía desconocidas”.

Es la mejor imagen que tenemos de las profundidades del cosmos. Es un viaje al pasado sin precedentes. Es el universo como nunca lo habíamos visto.

El lunes 12 de julio, la NASA publicó la primera imagen captada por el telescopio espacial James Webb, el instrumento más poderoso que jamás se haya construido para observar el espacio profundo.

Lo que muestra la foto es una aglomeración de miles de galaxias, ubicadas 4.600 millones de años luz, en una región conocida como SMACS 0723.

Esta es la imagen infrarroja más profunda y nítida jamás tomada del universo primitivo.

La visión infrarroja es la mejor tecnología disponible para observar el espacio profundo, porque permite ver a través del polvo y las nubes tras los que se pueden esconder estrellas recién nacidas.

Por eso, se espera que el James Webb sea clave para develar misterios sobre el origen del universo.

• La primera imagen increíblemente detallada del espacio profundo captada por el telescopio James Webb

Para que te hagas una idea del nivel de detalle, imagina que pones un grano de arena en tu dedo índice y estiras tu brazo hacia el cielo.

Ese grano de arena equivale a la porción del universo que el James Webb captó en su imagen.

Mira cuántas galaxias caben en tan solo un grano de arena…

La imagen tiene fascinados a los astrónomos, pero ¿qué muestra exactamente y por qué marca un hito para la comprensión de nuestro universo?

Una lupa para ver el universo

Las galaxias que se ven en la foto emitieron su luz hace 13.000 millones de años, unos 800 millones de años después del Big Bang.

Así, la imagen es como una máquina del tiempo, que nos acerca a los orígenes de nuestro universo.

La foto del James Webb es la imagen infrarroja que más se ha adentrado en el pasado, pero no es la que ha logrado llegar más hacia atrás.

Otras misiones no infrarrojas como COBE y WMAP ya habían observado cómo era el universo tan solo 380.000 años después del Big Bang, cuando aún no existían las estrellas ni las galaxias.

• Las grandes diferencias entre las imágenes tomadas por los telescopios Webb y Hubble en el mismo lugar del universo

La imagen muestra el cúmulo de galaxias SMACS 0723 tal como era hace 4.600 millones de años.

La masa combinada de este cúmulo de galaxias actúa como un lente gravitacional, un fenómeno que funciona como una lupa que distorsiona y magnifica la luz de otras galaxias que están incluso más distantes.

El fenómeno del lente gravitacional es el equivalente astronómico de un lente de zoom en un telescopio.

“Lo que me llama la atención (de la foto) son las galaxias distorsionadas”, dice Lisa Dang, astrónoma de la Universidad McGill en Montreal, Canadá, citada por la revista Nature.“No se parecen a ninguna otra galaxia que conozcamos”.

Gracias a esta imagen y al efecto del lente gravitacional, los investigadores podrán ver por primera vez detalles de galaxias jóvenes, que de otra manera serían demasiado tenues.

Eso les servirá para aprender más sobre la masa, la edad, la estructura y las composiciones de las primeras galaxias del universo.

“Por primera vez, podemos ver los detalles de estas primeras galaxias, que albergan las primeras generaciones de estrellas que se formaron en el universo”, indicó Cathryn Trott, investigadora en el Centro de Investigaciones de Radioastronomía en Australia, en declaraciones que recoge el servicio de prensa especializado Scimex.

“Estas galaxias se formaron en un universo mayormente oscuro, lleno de gas de hidrógeno neutro y muy diferente al cosmos que vemos hoy”.

100 veces mejor que Hubble

Hasta ahora, las mejores imágenes del universo habían sido captadas por el telescopio espacial Hubble, pero el James Webb es 100 veces más sensible.

Por eso, es capaz de mostrar objetos que nunca antes se habían visto.

Un ejemplo son los puntos rojos brillantes que se ven en la foto.

“Estas son galaxias que se detectan en el universo muy primitivo. Están tan lejos que la cobertura de longitud de onda del Hubble no es suficiente para detectar la luz que proviene de ellas”, dice Themiya Nanayakkara, astrónomo de la Universidad Tecnológica Swinburne, citado por Scimex.

“También podemos ver muchas manchas blancas apareciendo por todas partes. Si bien debemos esperar hasta que la NASA publique las imágenes científicas para analizarlas en detalle, la gran cantidad de ellas sugiere que en esta única imagen compuesta, hay muchas cosas por descubrir“, dice Nanayakkara.

“Podemos ver muchos más arcos de lentes gravitacionales que estiran la luz de las galaxias de fondo. La mayoría de ellos se deben al cúmulo de galaxias en primer plano en la imagen, pero se puede ver que algunas galaxias individuales también están magnificando las fuentes de fondo”.

Nanayakkara añade que la increíble nitidez que ofrece el James Webb significa un reto para los astrónomos que analizan esas imágenes.

Pero precisamente ese nivel detalle es el que, eventualmente, podría ayudar a responder preguntas que cambien nuestra visión del universo.

Grandes preguntas

“Las capacidades del telescopio Webb están ajustadas para abordar algunas de las preguntas más profundas en nuestra exploración del universo”, dice Fred Watson, astrónomo del Departamento de Industria, Ciencia, Energía y Recursos de Australia.

“¿Cuándo se formaron las primeras estrellas y galaxias? ¿Cómo evolucionaron? ¿Y qué podemos aprender sobre los exoplanetas que orbitan estrellas en la vecindad del Sol, incluyendo su potencial para albergar vida?”, se pregunta Watson, citado por Scimex.

Y esta imagen es solo el comienzo.

El James Webb está diseñado para observar hasta unos 13.500 millones de años en el pasado, con lo cual se podrán tener más pistas de cómo se formaron los sistemas estelares, o cómo luce el centro de nuestra galaxia.

También podría revelar secretos sobre las enigmáticas materia oscura y energía oscura, que componen el 85% del universo y de las que se sabe muy poco.

O como lo dijo el propio Bill Nelson, director de la NASA, durante la presentación de la imagen.

“Seremos capaces de lograr respuestas de las que ni siquiera sabemos cuáles son las preguntas”.

Se dice que es la imagen infrarroja más detallada y profunda del universo que se tenga hasta el momento, con la luz de galaxias distantes, la cual ha necesitado de miles de millones de años para alcanzarnos.

El presidente de EE.UU., Joe Biden, vio la imagen durante una sesión informativa en la Casa Blanca.

Se espera que la NASA publique más de las primeras fotos del James Webb este martes en una presentación global.

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Hasta ahora, el Universo se ha mantenido, en gran parte, como un misterio. La puesta en marcha del telescopio James Webb promete desvelar nuevos detalles.

La NASA dio a conocer el viernes los cinco primeros objetivos del Webb y asegura que ha captado imágenes sin precedentes de galaxias remotas, nebulosas brillantes y un lejano planeta de gas gigante.

El primer objetivo observado es la nebulosa Carina, situada a unos 7 mil 600 años luz. El telescopio espacial Hubble ya la había fotografiado y reveló gigantescas columnas de polvo y gas, uno de ellas la famosa Montaña Mística.

Las imágenes de James Webb, cuyo espejo principal utilizado para captar la luz es mucho más grande, prometen ofrecer una nueva perspectiva de Carina.

La Nebulosa del Anillo del Sur es otro de los objetivos. Se trata de una enorme nube de gas que rodea a una estrella moribunda y se encuentra a unos 2.000 años luz de la Tierra (un año luz equivale a más de 9 mil 400 millones de kilómetros).

El tercer objetivo que se ha observado es el Quinteto de Stephan, el primer grupo compacto de galaxias descubierto en 1787 que se encuentra en la constelación de Pegaso.

Aunque probablemente lo más tentador que puede hacer el Webb sea la utilización de un cúmulo de galaxias, conocido como SMACS 0723, como una especie de lupa cósmica para ver otras galaxias distantes y débiles situadas detrás de esta.

Esto se conoce como “lente gravitacional” y utiliza la masa de las galaxias en primer plano para desviar la luz de los objetos que están detrás de ellas, como si se tratara de unas gafas.

Más allá de las imágenes, el martes también se publicará la primera espectroscopia hecha por el Webb, un mecanismo que sirve para determinar la composición química de un objeto lejano.

Esta técnica se ha aplicado al WASP-96 b, un planeta gigante compuesto principalmente por gas. Se descubrió en 2014 y está situado fuera de nuestro sistema solar, a 1.150 años luz. Su masa es aproximadamente la mitad de la de Júpiter y gira alrededor de su estrella en sólo 3.4 días.

El telescopio espacial acaba de entrar en pleno funcionamiento, después de que el cohete Ariane 5 lo lanzara al espacio las pasadas Navidades. El Webb llegó a su puesto de observación tras un largo viaje, a 1,5 millones de kilómetros de la Tierra.

Hasta ahora, la NASA ha mantenido las primeras imágenes bajo llave. “Estoy deseando no tener que guardar más estos secretos, será un gran alivio”, dijo la semana pasada a la AFP Klaus Pontoppidan, astrónomo que supervisa el Webb.

Bill Nelson, director de la NASA, prometió la semana pasada “la imagen más profunda jamás tomada de nuestro universo”.

Las capacidades infrarrojas de Webb le permiten ver hacia atrás en el tiempo hasta el Big Bang, hace 13 mil 800 millones de años.

La cualidad de expansión del Universo provoca que la luz de las primeras estrellas cambie las longitudes de onda ultravioleta en el espectro visible en las que fue emitida a otras más largas en la zona infrarroja. El Webb está equipado para detectarlas con una resolución inédita.

La medida fundamental del tiempo, de la cual dependen la mayoría de las demás magnitudes en nuestro sistema de medidas, no ha variado desde hace más de 70 años.

El avance de la tecnología, sin embargo, indica que es el momento de actualizar la definición de qué es un segundo, para hacerla más precisa.

Así lo consideran los investigadores de la Oficina Internacional de Pesos y Medidas (BIPM, por su siglas en francés), ubicada en París, Francia.

Este organismo es el encargado de establecer los estándares en los sistemas de unidades medidas a nivel mundial.

Los metrólogos del BIPM, junto a expertos en varios países, se preparan cambiar la forma en la que miden un segundo.

Es una operación bastante delicada, cuyo resultado puede ser clave para cambiar la forma en la que entendemos el universo.

¿Qué es un segundo?

El segundo es la unidad base para la medida del tiempo en el sistema internacional de medidas.

De hecho, otras unidades base como el metro (longitud), el kilo (masa), el amperio (corriente) y el kelvin (temperatura) se definen en términos del segundo.

Así, por ejemplo, el BIPM define al metro como “el trayecto recorrido por la luz en el vacío durante un tiempo de 1/299.792.458 de segundo”.

Durante milenios, la humanidad se ha valido de la astronomía para definir sus unidades de tiempo.

Pero desde 1967 la definición del segundo se traza a partir de la observación de los átomos.

Eso se debe a que los átomos se comportan de manera más precisa que la rotación de la Tierra, que no es perfectamente uniforme.

Los científicos han observado que durante millones de años la Tierra ha ido rotando más lento, haciendo que, en promedio, los días se alarguen 1,8 milisegundos cada siglo.

Así, por ejemplo, hace 600 millones de años, un día duraba apenas 21 horas.

Y para colmo, en 2020 varios estudios mostraron que durante los últimos 50 años el planeta había comenzado a girar más rápido.

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Entonces, aunque sea imperceptible, el “segundo astronómico” no es siempre igual.

Las partículas atómicas, en cambio, se mueven de manera más precisa y predecible.

El segundo atómico

Fue así que desde 1967 el segundo comenzó a definirse con base en la oscilación de las partículas de los átomos de cesio 133 al ser expuestas a un tipo especial de microondas.

Al dispositivo encargado de hacer esta medición se le conoce como reloj atómico.

Bajo estas microondas, los átomos de cesio 133 se comportan como un péndulo que “oscila” 9.192.631.770 cada segundo.

En ese momento, el segundo que se tomó como referencia para contar las oscilaciones estaba basado en la duración de un día del año 1957, que se había determinado a partir del comportamiento de la Tierra, la Luna y las estrellas.

De esa manera, el BIPM estableció que la medida oficial del segundo se definiría a partir de la cantidad de oscilaciones de las partículas átomos de cesio 133.

Así, en palabras sencillas, hoy el segundo se define como el tiempo que le toma al cesio oscilar 9.192.631.770 veces.

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El nuevo segundo

Pero esa definición parece tener sus días contados.

Desde hace cerca de una década existen los relojes ópticos atómicos, que tienen la capacidad de observar el “tic tac” de átomos que oscilan mucho más rápido que el cesio.

Algunos cuentan los tic tac del iterbio, el estroncio, el mercurio, o el aluminio, por ejemplo.

Es como si al reloj atómico se le pusiera un lupa con la cual logra detectar más oscilaciones, con lo cual puede definir el segundo con mayor precisión.

Además, hoy existen decenas de estos relojes ópticos en varios países, con lo cual se espera, como ya lo han mostrado algunos experimentos, que se puedan comparar las mediciones que hacen entre ellos, a manera de comprobación de los resultados.

El BIPM planea usar los relojes ópticos atómicos para medir el segundo, pero aún trabajan en los criterios para hacer esa medición.

Según Petit, lo más importante es comprobar la precisión que prometen los relojes ópticos.

Hasta el momento, las mejores comparaciones de relojes ópticos han sido entre relojes en un mismo laboratorio.

El reto, dice Petit, es comparar varios relojes de distintos laboratorios.

Además, hay que elegir el elemento de la tabla periódica cuyo átomo será utilizado como referencia en reemplazo del cesio.

Además, los relojes ópticos atómicos son dispositivos tremendamente complejos, muchos de ellos requiere todo un laboratorio para su operación.

Algunos desafìos que enfrentan estos aparatos son, por ejemplo, emitir el tipo de luz láser exactamente precisa para hacer que los átomos oscilen de manera correcta; o tener pulsos de láser ultra veloces con intervalos mínimos, para que no se les escapen las oscilaciones que deben contar, según explica al portal Live Science el investigador Jeffrey Sherman, de la División de Tiempo y Frecuencia del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de Estados Unidos.

Si todo sale según los planes, en junio comenzará a definirse los criterios y el nuevo segundo debe comenzar a estar vigente a partir de 2030, según le dice a BBC Mundo Gèrard Petit, investigador del equipo de Tiempo del BIPM.

“Son operaciones y comparaciones complejas“, dice.

Revelando misterios

¿Qué va pasar cuando cambie la definición del segundo?

“Nada”, dice Petit riendo.

La principal razón para actualizar el segundo es mantener las cosas en orden.

La estructura de medidas del mundo depende del segundo.

“Durante un tiempo es posible vivir con una definición que no sea la más precisa, pero después de un tiempo se vuelve ininteligible“, dice Petit.

“En la práctica, en la vida diaria, puede que no cambie nada, pero en la ciencia si es necesaria una definición que esté basada en la mejor medición posible”.

Además, medir el tiempo de manera ultraprecisa puede ayudarnos a entender fenómenos hasta ahora incomprendidos.

El NIST explica, por ejemplo, que los relojes ópticos ya se han utilizado para medir la distorsión del espacio-tiempo que describe la teoría de la relatividad de Einstein.

Los relojes ópticos son tan precisos que pueden mostrar una diferencia entre dos relojes que difieren en la elevación por tan solo un centímetro.

Eso se debe a que debido a la gravedad, el tiempo corre más lento a nivel del mar que a grandes alturas como el monte Everest, por ejemplo.

Estos relojes ultraprecisos también podrían servir para detectar la enigmática materia oscura, un componente del que está hecho el 25% del universo pero del que poco se sabe.

Con esta tecnología, los científicos podrían detectar ese “algo” que influye sobre la materia ordinaria y el espacio-tiempo.

Y también podrían dar pistas sobre las ondas gravitacionales primordiales, que son ecos del Big Bang que deforman el espacio-tiempo, como una piedra que se lanza sobre un lago.

Los relojes atómicos podrían ser capaces de detectar esas deformaciones y darnos más pistas sobre el incio de nuestro universo.