Estudio galáctico australiano puede llevar a una “nueva física”

WiggleZ
El tiempo va de arriba a abajo. Las “dianas” muestran dónde ha habido dos fuentes de ondas de presión en los inicios del universo, con las ondas viajando hacia ahuera como olas en un estanque. Las galaxias prefieren crecer en el centro y bordes de la diana. Su separación preferida es el radio de la diana. Imagen: Sam Moorefield, Swinburne University.

Astrónomos australianos ha publicado el primer conjunto de datos del primer proyecto para mirar los efectos de la “energía oscura” a medio camino del tiempo de vida del universo.

Conocido como WiggleZ, el proyecto está siendo realizado con el Telescopio Anglo-Australiano en Nueva Gales del Sur y está liderado por el Profesor Michael Drinkwater de la Escuela de Física y Matemáticas de la Universidad de Queensland (UQ).

La energía oscura es un componente no identificado del universo que está provocando que la expansión del universo se acelere.

Determinar su naturaleza es uno de los problemas clave de la física actual, y llevará a una “nueva comprensión de la física”, dice el Profesor Drinkwater.

WiggleZ logrará un conocimiento de la energía oscura midiendo los “contoneos” en la distribución de las galaxias lejanas.

Debido a que la luz necesita un tiempo para viajar por el universo, mirar muy lejos es como viajar atrás en el tiempo, y WiggleZ está observando galaxias que existieron cuando el universo tenía la mitad de su edad actual.

“Observando el tamaño del patrón en distintas épocas en la historia del universo, podemos rastrear la historia de la expansión del universo, y por tanto determinar los efectos de la energía oscura”, dijo el Profesor Warrick Couch de la Universidad de Swinburne, miembro del equipo WiggleZ.

El patrón de “contoneo” en las galaxias del universo actual fue descubierto en 2004 por dos equipos, uno de los cuales usó el Telescopio Anglo-Australiano para su estudio de galaxias.

WiggleZ medirá los desplazamientos al rojo (distancias) de 240 000 galaxias, permitiendo a los astrónomos crear un mapa en 3D de las galaxias a lo largo de mil grados cuadrados del cielo y buscar un patrón en la forma en que se agrupan a gran escala.

Estas galaxias están aproximadamente a la mitad de camino en la historia del universo (de 4 a 8 mil millones de años, correspondientes a un desplazamiento al rojo de entre 0,2 y 1).

WiggleZ empezó en 2006 y, cuando termine en 2010, será el estudio de desplazamientos al rojo en galaxias más grande jamás realizado para esa época en términos de volumen de espacio que cubre a distancias tan remotas en el universo.

Hay más de una docena de proyectos en tierra propuestos o en proceso sobre la energía oscura, y al menos cuatro misiones espaciales, cada una de ellas del orden de mil millones de dólares, están en la etapa de diseño conceptual.

Aunque aún se desconoce la naturaleza exacta de la energía oscura, hay sólo unos pocos candidatos.

El favorito es la propia energía del espacio vacío. Pero podría ser también que la Teoría de la Relatividad General de Einstein, nuestra actual teoría gravitatoria, sea incorrecta a esas grandes escalas.

Otra aproximación para rastrear los efectos de la energía oscura es observar el brillo de las supernovas lejanas (estrellas en explosión), y compararlas con el brillo predicho para ese momento en la historia del universo. Así es como se descubrió por primera vez la energía oscura.

No obstante, hay ciertas incertidumbres asociadas con la aproximación de las supernovas relacionadas con cómo de parecido es el brillo de todas las supernovas.

“El método de agrupación de galaxias también tiene incertidumbres, pero unas completamente independientes, por lo que los dos métodos propuestos pueden proporcionar una potente comprobación cruzada entre sí”, dice la Dra. Sarah Brough, miembro del equipo WiggleZ en el Observatorio Anglo-Australiano en Sydney.

La primera publicación de datos de WiggleZ, de 100 000 galaxias, se presentan en asociación con un artículo en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.



Fecha Original: 7 de diciembre de 2009
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Comments (6)

  1. [...] Estudio galáctico australiano puede llevar a una “nueva física” [...]

  2. Jurl

    A ver qué sale de esto… me resulta llamativo que nadie haya hecho el chiste fácil sobre el apellido del profesor xD.

  3. A fin un estudio serio del tema. Me parece que este proyecto WiggleZ se acerca más que otros a la resolución del problema, y, las anteriores teorías de materia no bariónica (que lo es la M.O. pero no explica lo que ésta es), la de M.O. Caliente, y M.O.Fría, nunca llegaron a dar la talla y, en cuanto a las estrellas marrones, A.N. y otras partículas exóticas como las WIMP, tampoco parecen que den la talla.

    Sin embargo, en este artículo se apuntan algunas cuestiones de mucho interés y, sobre todo, en un apartado corto y “casi” sin importancia se dice:

    De entre las varias candidatos a ser los componentes de la materia oscura, “El favorito es la energía del propio espacio vacío” y, desde luego, ahí se entra en un espacio de mucha credibilidad.

    Pensad en que llevamos décadas en busca de la Materia y Energíass Oscuras y, el resultado, brilla por su ausencia, a pesar de que, se han utilizado todos los instrumentos y todos los conocimientos que pudieran ponerse al servicio de una búsqueda exhaustiva y sin dejar ningún rincón del UNiverso sin explorar.

    Resultado: ¡NADA!

    Sin embargo, en ese espacio que llamamos vácio, ¡qué es lo que hay?

    En astronomía, el vacío está referido a regiones del espacio con menor contenido de Galaxias que el promedio o ninguna galaxia. También le solemos llamar vacío cósmico. Han sido detectados vacíos con menos de una décima de la densidad promedio del Universo en escalas de hasta 200 millones de años-luz en exploraciones a gran escala.

    Estas regiones son a menudos (aunque no siempre) esféricas. El primer gran vacío en ser detectado fue el de Boötes en 1.981; tiene un radio de unos 180 millones de a.l. y su centro se encuentra a aproximadamente 500 millones de a.l. de la Vía Láctea. La existencia de grandes vacíos no sorprende a la comunidad de astrónomos, dada la existencia de cúmulos de galaxias y supercúmulos a escalas muy grandes.

    Claro que, según creo yo personalmente, ese vacío, finalmente, resultará que esta demasiado lleno, hasta el punto de que, su contenido, nos manda mensajes que, aunque hemos captado, no sabemos descifrar. Ahí, dentro del “vacio” algo bulle y se agita hasta tal nivel que, el Universo entero funciona según él marca las reglas.

    Pero volvamos de nuevo a las fluctuaciones de vacío que, al igual que las ondas “reales” de energía positiva, están sujetas a las leyes de la dualidad onda/partícula; es decir, tienen tanto aspectos de onda como aspectos de partícula.

    Las ondas fluctúan de forma aleatoria e impredecible, con energía positiva momentáneamente aquí, energía negativa momentáneamente allí, y energía cero en promedio. El aspecto de partícula está incorporado en el concepto de partículas virtuales, es decir, partículas que pueden nacer en pares (dos partículas a un tiempo), viviendo momentáneamente de la energía fluctuacional tomada prestada de regiones “vecinas del espacio”, y que luego se aniquilan y desaparecen, devolviendo la energía a esas regiones vecinas.

    Si hablamos de fluctuaciones electromagnéticas del vacío las partículas virtuales son fotones virtuales; en el caso de fluctuaciones de la Gravedad en el vacío, son gravitones virtuales, pero, a donde van esos gravitones cuando se producen esas inmensas fluctiuaciones de vacío, no será que pasan a esta parte de “nuestro Universo” y al incidir en el comportamiento de los cuerpos masivos, hace que las galaxias lleven el ritmo que nobservamos.

    Claro que, en realidad, sabemos poco de esas “regiones vecinas” de las que tales fluctuaciones toman la energía. ¿Qué es lo que hay allí? ¿Está en esa región la tan buscada partícula de Higgs? ¿Estarán también las exóticas squarks, esleptones, y los axiones?

    ¡Mira que si finalmente esa fuese la casa de la Materia y la Energía Oscura! No se si será allí donde reside la puñetera Materia oscura pero, por si acaso, así lo tengo registrado en el Registro Oficial de Ideas científicas que, por cierto, me hicieron trabajar de lo lindo en el desarrollo antes de ser admitida tal teoría.

    En realidad sabemos que las fluctuaciones de vacío son, para las ondas electromagnéticas y gravitatorias, lo que “los movimientos de degeneración claustrofóbicos” son para los electrones dentro de una estrella enana blanca y para los neutrones dentro de una estrella de ese nombre.

    Si confinamos un electrón a una pequeña región del espacio, entonces, por mucho que un trate de frenarlo y detenerlo, el electrón está obligado por las leyes de la mecánica cuántica a continuar moviéndose aleatoriamente, de forma impredecible.

    Este movimiento de degeneración claustrofóbico que produce la presión mediante la que una estrella enana blanca se mantiene contra su propia compresión gravitatoria o, en el mismo caso, la degeneración de los neutrones, mantiene estable a la estrella de neutrones que, obligada por la fuerza que se genera de la degeneración de los neutrones, es posible frenar la enorme fuerza de gravedad que está comprimiendo a la estrella.

    De la misma forma, si tratamos de eliminar todas las oscilaciones electromagnéticas o gravitatorias de alguna región del espacio, nunca tendremos éxito. Las leyes de la mecánica cuántica insisten en que siempre quedarán algunas oscilaciones aleatorias impredecibles, es decir, algunas ondas electromagnéticas y gravitatorias aleatorias e impredecibles.

    Estas fluctuaciones del vacío no pueden ser frenadas eliminando su energía (aunque algunos estiman que, en promedio, no contienen energía en absoluto).

    Claro que, como antes decía, aún nadie ha podido medir de ninguna manera la cantidad real de energía que se escapa de ese supuesto “vacío”, como tampoco se ha medido la cantidad de fuerza gravitatoria que puede salir de ese mismo espacio “vacío”.

    Si la energía es masa y si la masa produce gravedad, entonces ¿Qué es lo que hay en ese mal llamado “espacio vacío”?

    No puedo contestar de momento esa pregunta, sin embargo, parece que no sería un disparate pensar en la existencia allí, de alguna clase de materia que, desde luego, al igual que la bariónica que sí podemos ver, genera energía y ondas gravitacionales que, de alguna manera que aún se nos oculta, escapa a nuestra vista y solo podemos constatar sus efectos al medir las velocidades a que se alejan las galaxias unas de otras: velocidad de expansión del Universo que no se corresponde en absoluto, con la masa y la energía que podemos ver.

    Estamos en un momento crucial de la Física, las matemáticas y la cosmología, y debemos, para poder continuar avanzando, tomar conceptos nuevos que, a partir de los que ahora manejamos, nos permitan traspasar los muros que nos están cerrando el paso para llegar a las supercuerdas, a la materia oscura o a una teoría cuántica de la gravedad que, también está implícita en la teoría M.

    Estamos anclados, necesitamos nuevas y audaces ideas que puedan romper las cadenas “virtuales” que atan nuestras mentes a ideas del pasado.

    En su momento, esas ideas eran perfectas y cumplieron su misión. Sin embargo, ahora no nos dejan continuar y debemos preparar nuestras mentes para evolucionar hacia nuevos conceptos y ahondar en aquellos que, aún estando ahí presentes, no somos capaces de utilizar, como por ejemplo, el Hiperespacio de tan enorme importancia en el futuro de la Humanidad.

    Cuándo sepamos “ver” dimensiones más altas, todo será mucho más sencillo y encontraremos las respuestas a los problemas que hoy, no sabemos resolver.

  4. El problema que yo veo es que se le quiere adjudicar una influencia excesiva sobre el universo digamos “material” que podemos “ver” y en el fondo todos sabemos que hay que buscar otra explicacion para la velocidad a la que se expande el universo y para los demas problemas de la fisica para los que se esta utilizando como solucion (salvavidas o comodin de la llamada),pero supongo que la via mas facil.

  5. El Perillas

    Hola emilio silvera , encantado de leerte. Una pregunta, supongo que el efecto Cassimir está íntimamente relacionado con tu idea. Hace poco se han hecho medidas que han revelado que existe, no soy físico aunque soy aficionado, por eso quisiera saber si las mediciones que han realizado te animan de alguna forma a seguir por ese camino. Un saludo.

  6. Hola, amigo El Perillas.

    Cada campo tiene su vacío en la teoría cuántica de campos. Con el término vacío se entiende su estado de mínima energía. En general, en la teoría cuántica de campos los campos quedan descritos por una colección o serie de osciladores armónicos cuyos modos de oscilación posibles corresponden en principio con todas las longitudes de onda posibles. Esto se sigue del mero hecho de modelar el comportamiento del campo como una superposición de ondas a distintas frencuencias, y asumir unas ecuaciones de movimiento a nivel clásico.

    Si hay un oscilador de estos “activado”, es decir oscilando a una determinada frecuencia, se dice que existe una exictación del campo dando lugar a una o varias partículas de esa longitud de onda (o momento lineal según la relación de de-Broglie). Cuando no existen partículas el campo está en su estado vacío. No obstante, en su estado fundamental un oscilador armónico cuántico “desactivado” no tiene energía nula, sino , siendo la frecuencia y la constante de Planck normalizada. Esto es debido al principio de incertidumbre, que impide determinar posición y momento con precisión arbitrariamente grande, lo cual impide por tanto que la energía cinética y potencial en la ecuación de movimiento clásica del oscilador se anulen simultaneamente.

    La energía del vacío del campo es una integral sobre todas las frecuencias de . Esta integral es infinita. No obstante, este valor se puede redefinir arbitrariamente a cero, ya que lo que interesa son valores respecto de él, que nos permitan distinguir lo que conocemos como “vacío”, sin partículas, de excitaciones comportándose como partículas. Conviene por tanto restar ese infinito para poder seguir calculando y obteniendo resultados finitos.

    El efecto Casimir aparece cuando se ponen dos placas muy cerca la una de la otra, de forma que debido a condiciones de contorno geométricas cualquier onda que sobreviva de forma estable en su interior ha de ser necesariamente estacionaria (ha de tener un nodo en cada placa). Está claro que esto hace que en la integral haya longitudes de onda (y por tanto frecuencias) que no contribuyen a ella y, por tanto, el resultado, aunque igualmente infinito, será menor que antes. Como antes hemos asumido la integral sobre todos los como valor cero de energía, ahora el resultado de la energía entre placas es negativo.

    Todo esto vale si no se considera la relatividad general. Para la relatividad general la cosa cambia. Cambia porque en ella ya no está permitido tomar el cero de energía donde uno quiere y separar con ello entre energía positiva y negativa a placer. En la relatividad general la energía positiva es aquella que produce una deformación del espacio-tiempo como conocemos, generando gravitación y cumpliendo el principio de equivalencia, tal y como lo conocemos. La energía negativa se comporta de otra forma y su deformación inducida en el espacio-tiempo es o sería otra (por ejemplo, cierto folklore científico asume que la energía negativa podría ser usada para crear agujeros de gusano que, nos permitiría hacer viajes por el tiempo. ¿Recuerdas la película Contac?)

    Por tanto, la pregunta es si la energía negativa obtenida en un experimento Casimir corresponde también con energía negativa gravitacional. Esto depende del valor en energía gravitacional que nos proporciona la energía del vacío de todos los campos juntos, aquella que por decreto en la teoría cuántica de campos tomamos como cero, pero que ahora debemos considerar. Aquí hay una sutileza respecto de la forma de calcular esta energía, ya que no es exáctamente igual a la integral de de todos los campos, sino que aparecen interacciones entre ellos que proporcionan otras contribuciones también. Pero esto lo vamos a olvidar aquí.

    La pregunta es ¿cómo considerar esa energía y cómo saber cuál es su valor real a efectos gravitatorios? No tenemos otro modo de hacer esto salvo la observación experimental, ya que la respuesta teorica debería venir probablemente de una teoría que unifique cuántica y gravitación a un nivel fundamental. La observación experimental relevante aquí es la cosmología, concrétamente, los datos de distancias de luminosidad de la supernovas Ia, que indican una aceleración de la expansión del espacio. Esta se puede (pero no tiene por qué) deber a una energía del vacío. Los datos indican que esta energía es muy pequeña (“lambda” por constante cosmológica) pero no igual a cero.

    Por tanto, para encontrar concordancia entre la teoría cuántica de campos, la relatividad general y la cosmología, asumimos que nuestro vacío cuántico tiene una energía que no tomamos como cero sino como el valor pequeño . Esto es, si ponemos dos placas muy cercanas, hay longitudes de onda que no pueden existir y que se restan a la energía total del vacío cuántico, por tanto, de . Si la distancia entre las placas es suficiéntemente pequeña, la cantidad de longitudes de onda que no pueden existir es suficiéntemente grande como para que la energía restada a “lambda” de lugar a un valor negativo. Este valor “suficiéntemente pequeño” no es extremadamente pequeño.

    Para conocer este valor vamos a proceder de la siguiente forma. Se trata de un cálculo poco riguroso pero que creo debería valer en órdenes de magnitud. Simplemente consiste en restar a la densidad de energía lambda la densidad de energía que la configuración de dos placas roban al vacío cuántico. Para ello hay que calcular el incremento en la densidad de energía que la configuración de las placas produce entre ellas. Partiendo de la fuerza de Casimir por unidad de area, que atrae a las dos placas: (Omito ecuación.)

    Siendo la constante de Planck normalizada, la velocidad de la luz en el vacío y la distancia entre las placas, se puede calcular la pérdida de energía entre las placas como un trabajo negativo realizado por el vacío o por la fuerza a distancia…

    En fín, que esto es largo y el lugar no permite tanta extensión.

    Un saludo.

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