miércoles, 16 de marzo de 2011

Teorìa del Big Rip


Recreación artística del Big Rip.
El Gran Desgarramiento o Teoría de la expansión eterna, llamado en inglés Big Rip, es una hipótesis cosmológica sobre el destino último del Universo.
La clave de esta hipótesis es la cantidad de energía oscura en el Universo. Si el Universo contiene suficiente energía oscura, podría acabar en un desgarramiento de toda la materia.
El valor clave es w, la razón entre la presión de la energía oscura y su densidad energética. A w < -1, el Universo acabaría por ser desgarrado. Primero, las galaxias se separarían entre sí, a 1000 millones de años del final. Luego la gravedad sería demasiado débil para mantener integrada cada galaxia, y 60 millones de años antes del fin, sólo habría estrellas aisladas. Aproximadamente tres meses antes del fin, los sistemas solares perderían su cohesión gravitatoria. En los últimos minutos, se desbaratarían estrellas y planetas. El Universo quedaría en átomos, pero no se habría acabado todo. Los átomos serían destruidos en una fracción de segundo antes del fin del tiempo y sólo quedaría radiación. El Universo sería como el Big Bang pero casi infinitamente menos denso.
A diferencia del Big Crunch, en el que todo se condensa en un solo punto, en el Big Rip el Universo se convertiría en particulas subatómicas flotantes que permanecerían para siempre separadas, sin cohesión gravitatoria ni energía alguna.
Los autores de esta hipótesis calculan que el fin del Universo, tal como lo conocemos, ocurriría aproximadamente 3,5 × 1010 años (35.000 millones de años) después del Big Bang, o dentro de 2,0 × 1010 años (20.000 millones de años).
Debido a que la materia sólo representa el 27% del Universo y el 73% restante está formado por la energía oscura, el Big Rip parece ser una de las teorías más aceptadas en la actualidad del fin del Universo.
Algunos científicos han sugerido que una civilización avanzada podría escapar del "Big Rip" mediante el uso de agujeros de gusano, sin embargo, otros estudios muestran que ello quizás sea imposible, y que nada más complejo que un protón podría conseguirlo.


La energía fantasma

El Universo ha tomado diferentes caras a lo largo de la Historia. Se ha avanzado mucho desde la época de las "esferas celestes", cuando se creía que los cuerpos astronómicos estaban sostenidos por esferas de cristal encajadas una dentro de la otra, en cuyo centro se hallaba nuestro planeta y que se movían de una manera extremadamente complicada, como artefactos de relojería. Los instrumentos actuales nos permiten penetrar mucho más en las profundidades del Cosmos, y por eso podemos observar cada vez más detalles. Pero en los últimos tiempos, el nuevo conocimiento que adquieren los astrónomos en lugar de clarificarnos el panorama lo complica. Una y otra vez aparecen observaciones de elementos y situaciones que no encajan en las teorías establecidas.

En el siglo pasado se discutió por largo tiempo si el Universo era estacionario, es decir, si ha existido siempre y se mantiene más o menos igual a lo largo del tiempo, o si tuvo un comienzo y, como es lógico, sufre una constante evolución, lo cual determina, obviamente, que puede tener un final. El hallazgo de la radiación de fondo, más otras observaciones cósmicas que aclaran casi sin discusión cuál es la situación, determinó que el Universo comenzó con un suceso de carácter único al que se ha llamado Big-Bang (Gran Estallido, Gran Explosión o Gran Expansión). Luego de instituirse esto, la discusión se centró en si el Universo era "cerrado" (estaba curvado sobre sí mismo, es decir, no tenía reales límites porque jamás se podía "salir" de él) o era plano, o sea que se extendía en todos sentidos hasta el infinito o hasta alguna clase de límite inconcebible. Para saber cuál de los dos modelos es el verdadero se descubrió que era necesario determinar cuánta materia lo compone.

Esta cantidad es la que define si el Universo tiene suficiente gravitación como para curvarse sobre sí mismo, si estará sujeto a una expansión constante o si el movimiento de alejamiento que se observa hoy se detendrá y posteriormente se invertirá, haciendo que todas las partes caigan sobre sí mismas. Para saber cuál de estas opciones es la real se debe determinar cuánta es la masa total que compone el Universo, cosa que no es fácil y no se ha logrado aún, porque se trata de gases interestelares, partículas subatómicas, estrellas no encendidas o ya apagadas, objetos masivos colapsados, como los agujeros negros y las estrellas de neutrones, planetas, asteroides y cometas. Todos ellos son invisibles a grandes distancias. Aún así, gracias a las nuevas técnicas de observación se detectan más y más masas oscuras capaces de desviar y atraer galaxias enteras y se ha llegado a la conclusión de que muchísimas galaxias —incluyendo la nuestra— poseen agujeros negros supermasivos en su centro. También se están encontrando, sin cesar, planetas alrededor de las estrellas lejanas.

En uno de los modelos —si la masa alcanza— el Universo dejará de expandirse, frenado por su propia gravedad, y luego comenzará a contraerse hasta sufrir un colapso inverso a ese Big Bang original, al que se ha llamado Big-Crunch (Gran Compresión). En el otro, si la masa total no es suficiente para detener el movimiento, el Universo se expandirá para siempre hasta alcanzar un estado infinitamente diluido. Muchos físicos asumen que es posible que el movimiento que se observa en la actualidad permanezca constante o bien se debilite con el tiempo, lo que significa, en ambos casos, que la expansión continuará. Aunque si existe mucha materia oscura, como algunos científicos piensan, el desplazamiento hacia afuera de las partes del Universo debería ir frenándose hasta detenerse, para luego revertirse.

Robert Caldwell, del Darmouth College, New Hampshire, ha propuesto una tercera posibilidad: el Big Rip. Si las cosas son como él dice, el acto final en la historia del Universo dependerá de la naturaleza de una misteriosa fuerza, a la que se le llama "energía oscura", que según algunas teorías actuales se opone a las fuerzas gravitatorias y acelera su expansión, lo que llevaría, si llega a crecer de intensidad como se teme, a "despedazarlo" literalmente en sus últimos instantes.

Cómo se expandió el Universo

Según el punto de vista de Caldwell, la energía oscura, una fuerza que causa una aceleración de la expansión de nuestro Universo, crecerá y se volverá cada vez más poderosa. Bajo la influencia de esta extraña energía "fantasma", cuando pase suficiente tiempo la expansión adquirirá una violencia inusitada y se ocupará de extender el espacio hasta extremos inconcebibles, de modo que la luz de las estrellas no logre alcanzarnos. Esta extensión del espacio hará que lo que hoy es del tamaño de un punto se convierta en el Universo visible en torno a cada observador. A efectos prácticos, el Cosmos habrá desaparecido.

Mediciones precisas de la radiación de fondo de microondas, realizadas hace muy poco, han dejado la puerta abierta a la existencia de la energía fantasma y la posibilidad bastante cierta de que se produzca el Big Rip. En un artículo publicado en Physical Review, Caldwell y sus colegas han calculado de qué forma la energía fantasma podría llevar al Universo hasta ese destino final.

Einstein, gran intuitivo.

Las evidencias obtenidas en los últimos tiempo gracias a los instrumentos cada vez más precisos que están a mano de los astrónomos han mostrado que el Universo es plano, es decir, que no se curva y cierra sobre sí mismo, como se consideró en algún momento en base a la Relatividad General. Es posible que esta "chatura" se deba a una energía que se opone a la fuerza que conocemos, de atracción entre los cuerpos, algo que Einstein llamó "constante cosmológica" y que ahora se define como una clase de energía con atracción negativa —una presión—, a la que se llama "energía oscura", que impulsa una eterna expansión. Si esto es así el Universo se expandirá lentamente y se volverá cada vez más frío y vacío.

Pero el nuevo informe señala datos que muestran un final distinto. Los autores del reciente artículo exploran las consecuencias que acarrearía la actuación de una energía oscura denominada "fantasma", en la que la suma de presión y densidad de energía da un valor negativo. Este tipo de energía se acrecienta y en tiempo finito alcanzaría niveles infinitos, superando al resto de las formas de materia de tal manera que rápidamente la repulsión gravitacional pondría punto final a nuestra breve era de estructuras cósmicas. La energía fantasma rasgará y destrozará en fragmentos la Vía Láctea, el Sistema Solar, la Tierra, y finalmente, moléculas, átomos, núcleos y partículas subatómicas integrantes de la materia, lo que producirá la muerte definitiva del Universo.

El Gran Desgarro

En el escenario más extremo, este terrible Big Rip ocurrirá dentro de unos 22.000 millones de años. Nuestra galaxia será destruida sesenta millones de años antes del final. Si algún observador ha sobrevivido hasta entonces —lo cual es muy improbable—, podría ser testigo del proceso hasta el milisegundo final. Los átomos que lo componen, como todos en el Universo, se destrozarán en los últimos 10 -19 segundos. Parece algo inconcebible, de ciencia ficción, pero lo cierto es que hasta ahora nadie ha podido probar que sea imposible.

A finales de esta década se lanzará el satélite SNAP (Supernova/Acceleration Probe) que ayudará a los astrónomos a dilucidar estas especulaciones sobre el fin de todas las cosas. Usando este instrumento se podrán hacer mediciones detalladas en miles de supernovas, con la intención de determinar con gran exactitud a qué velocidad se alejan de nosotros. El mapa resultante nos podrá indicar cómo varía la energía oscura a lo largo del tiempo.

La energía fantasma, así como la energía oscura, ha pasado a formar parte del cúmulo de cuestiones físicas que están en discusión. No todos los físicos están de acuerdo con las conclusiones y con las formas en que se llega a ellas. La teoría de la Relatividad General de Einstein, en referencia a la gravedad, predice que pueden existir unos túneles en el espacio-tiempo a los que se les llama "agujeros de gusano". Hoy se sabe que estos túneles tienen escalas subatómicas y sus cualidades son cuánticas. Como muchas partículas que nacen y desaparecen en estas escalas, estas "rajaduras" del espacio-tiempo aparecen y se cierran en tan poco tiempo que no nos percatarnos de su existencia. Pero la gravedad repulsiva de la energía fantasma, tan intensa como se predice, podría ser la clave para mantenerlos abiertos. Y hasta es posible que se los pueda ensanchar lo suficiente como para que una astronave los utilice para moverse por el espacio usando atajos, lo que significaría velocidades mayores a la de la luz. Como sabemos, para la física la velocidad de la luz es la mayor posible en el Universo. Toda violación de las leyes físicas lleva a que se presenten paradojas. Según Caldwell, su teoría hace que se alce el espectro de las máquinas del tiempo y de sus conflictos con la realidad, algo que los físicos encuentran muy incómodo.

Hay una nueva noticia: un científico español encontró una salida a la posibilidad de que el Universo se destruya en un Big Rip dentro de 22.000 millones de años. Pedro González-Díaz, del Consejo Superior de Investigaciones Científicas de Madrid, dice que aún si el Universo estuviera realmente en la situación que propone Robert Caldwell, no es inevitable que se produzca un Día del Juicio Cósmico. El Universo podría seguir expandiéndose, simplemente.

El cúmulo Coma de galaxias muestra efectos gravitacionales que sólo se pueden explicar por la presencia de materia oscura invisible

Según la teoría de Caldwell la destrucción comenzaría alrededor de mil millones de años antes del fin definitivo. Como vimos, primero la gravedad pierde su capacidad de unir las cosas a escala cósmica, permitiendo que los grupos de galaxias se separen. Sesenta millones de años antes del Día Final, nuestra propia galaxia se fractura y las estrellas se alejan una de otra. Unos meses antes del fin, los sistemas planetarios se desmembran y treinta minutos antes del Big Rip, los planetas y las estrellas se desintegran. Una fracción de segundo antes del Fin del Mundo las moléculas y los átomos se separan, y luego se deshacen en sus partículas fundamentales. Al final, el propio espacio se desgarra.

En realidad nadie sabe si la energía fantasma, causante de este gran cataclismo, de verdad existe, aunque las observaciones astronómicas más recientes apuntan a que sí. Hace sólo cinco años, los astrónomos descubrieron que el Universo se está expandiendo a un ritmo que se va acelerando. Este aumento cósmico de velocidad es el que sugiere que el espacio está impregnado de energía oscura, que crea una presión que se opone a la atracción de la gravedad. Y existe la alternativa de que la energía oscura tome la forma de la llamada energía fantasma. Ésta es más patológica que la energía oscura que se deduce de la constante cosmológica de Eisntein, ya que esta energía se fortalece con el tiempo y va ganando el dominio de los otros tipos de energía y materia.

Pero quizá todo esto no ocurra. González-Díaz señala que algunos tipos de energía fantasma pueden comportarse de una manera mejor, evitando la volatilidad y la inestabilidad que lleva al Big Rip. La energía oscura se puede imaginar como una especie de gas que llena el espacio, cuya densidad es proporcional a su presión. González-Díaz muestra que si este "gas" tiene ciertas propiedades —específicamente si la velocidad a la que lo atraviesa una oscilación decrece con el tiempo—, no se produce el Big Rip. Al igual que la anteriormente descripta, esta teoría puede sonar mañosa, pero González-Díaz considera que, en realidad, es un tipo de comportamiento más probable que el que se presentó anteriormente.

¿Cómo se confirma la existencia de la energía oscura?

El descubrimiento de un grupo de astrónomos repalda la idea de que el universo está lleno de una misteriosa forma de energía que causa que las galaxias se separen unas de otras permanentemente y a un ritmo cada vez más rápido.

Utilizando el Telescopio Espacial Hubble (Hubble Space Telescope) de la NASA se localizó el estallido de luz proveniente de una estrella en explosión que se encuentra mucho más lejos de la Tierra que cualquier estrella antes vista, una explosión de supernova en el universo temprano que puede dar luz a un oscuro misterio de "escala cósmica".

Esta explosión estelar es extraordinaria: por la gran distancia donde se localiza —a 10 mil millones de años luz de nuestro planeta — y porque respalda la hipótesis de la existencia de una misteriosa forma de "oscura energía" que se encontraría extendida en el cosmos. A principios del siglo pasado, Albert Einstein propuso el concepto de energía oscura, una fuerza que aleja a las galaxias unas de otras a un ritmo incesante, pero más tarde lo descartó.

El descubrimiento del Hubble también respalda la fascinante idea de que el universo comenzó a acelerarse recientemente. El Hubble nos ofrece la primera evidencia observacional de que la gravedad comenzó a frenar la expansión del Universo después de la Gran Explosión (Big Bang) y que después de esto la fuerza repulsiva causada por la energía oscura ganó terreno sobre el dominio de la gravedad.

El grupo de astrónomos encabezado por Adam Riess del Space Telescope Science Institute (STScI), hizo el descubrimiento cuando, para estudiar cómo se formaron las galaxias, analizaba cientos de imágenes tomadas por el Hubble.

"Esta supernova parece ser parte de una clase especial de explosiones que permite a los astrónomos entender como la expansión del Universo ha cambiado a través del tiempo; de la misma manera que los padres observan el crecimiento de sus hijos marcando rayas de tiza en el marco de una puerta", dice Riess. "Nos muestra que el Universo se porta igual que un conductor que reduce la velocidad conforme se aproxima a una luz roja, y que aprieta el acelerador cuando la luz se pone verde".

Esta supernova tan particular aparece relativamente brillante, como consecuencia del desaceleramiento del Universo en el pasado (cuando la supernova explotó), que fue seguido de una aceleración más reciente

"Hace mucho tiempo, cuando la luz salió de esta distante supernova, parece que el Universo se había aletargado debido a la tracción mutua de toda la masa contenida en él", explica Riess. "Miles de millones de años después, cuando la luz sale de supernovas más recientes, el Universo comenzó a acelerarse, extendiendo la distancia entre las galaxias y haciendo que los objetos en ellas se vieran menos brillantes".

"La capacidad del Hubble para encontrar explosiones estelares titánicas a grandes distancias nos permitió confirmar la teoría de que el Universo tuvo que haberse desacelerado antes de cambiar a una velocidad más alta", dice la Dra. Anne Kinney, directora del programa Origins en la sede principal de la NASA en Washington D.C.

Las observaciones de varias supernovas distantes, hechas por dos grupos de astrónomos en 1998, llevaron a la teoría de que el Universo se encontró ante un "semáforo en verde" y aceleró cuando tenía la mitad de su edad actual. Los astrónomos dicen que los nuevos hallazgos del Hubble descartan otras posibles explicaciones.

Hace casi un siglo, la Teoría General de la Relatividad de Einstein predijo que el Universo debía colapsar debido a la implacable atracción de la gravedad. Sin embargo, como muchos otros científicos de su tiempo, Einstein asumió que el Universo no cambiaba y era más bien estático. Para hacer que sus ecuaciones se ajustaran a tales suposiciones, Einstein añadió algo que él llamó "la constante cosmológica", cuya gravedad es repulsiva, sin tener la certeza de que ésta era real.

Poco después, el astrónomo Edwin Hubble descubrió que el universo se está expandiendo. Hubble asumió que el Universo se había desacelerado bajo la influencia de la gravedad y que incluso, podía llegar a detenerse. Esto, llevó a Einstein a decir que su "constante cosmológica" era la "metedura de pata" más grande de su carrera. Ahora, parece que Einstein despues de todo, había acertado.

La fuente de la gravedad repulsiva puede ser algo afín a la constante cosmológica de Einstein —referida como la energía del "vacío cuántico", una presencia subatómica que se extiende en el espacio— o algo completamente nuevo e inesperado.

"Aunque no sepamos qué es la energía oscura, sabemos con certeza que al entenderla tendremos pistas cruciales en la búsqueda para la unificación de las fuerzas y las partículas en el Universo, y que el camino hacia dicho entendimiento necesita de telescopios y no de aceleradores", dice el astrofísico Michael Turner de la Universidad de Chicago.

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