Un artículo de revisión (review) en una revista del prestigio de Science no significa nada, pero si golpea, duele. Y un artículo en el número de hoy de Science golpea y fuerte a la teoría MOND (dinámica newtoniana modificada) de Milgrom. Sin saña, eso sí. La teoría MOND sigue vive y coleando, pero cada día colea menos. Empecemos desde el principio. El movimiento y la distribución de las galaxias y cúmulos galácticos en el universo indica que sólo vemos con los telescopios el 5% de la masa que hay en el universo. Hay dos soluciones claras: existe una materia oscura que no vemos o la teoría de la gravedad de Einstein ha de ser modificada. Las teorías que modifican la dinámica newtoniana (como MOND) reproducen, sin materia oscura, los movimientos orbitales de las galaxias espirales y la relación entre la luminosidad y la rotación en galaxias, pero no en cúmulos. Todos los hechos experimentales parecen indicar que el modelo cosmológico estándar, modelo ΛCDM, que incluye a la materia oscura, aunque todavía no sabemos qué es, explica mejor lo que observamos en el universo que la teoría MOND. Además, para muchos es una explicación mucho más elegante. Nos lo cuentan Pedro G. Ferreira y Glenn D. Starkman en “Einstein’s Theory of Gravity and the Problem of Missing Mass,” Science 326: 812-815, 6 November 2009.
En mi opinión, merece la pena leer dicho artículo, aunque tiene algunas faltas que los autores podrían haber resuelto y que los revisores parecen no haber detectado. Lo más importante, hay que reinvindicar lo español. Investigadores españoles demostraron y publicaron en Nature que no es necesario la materia oscura para explicar las curvas de rotación de las galaxias espirales. Milgrom desarrolló su teoría MOND para explicar dichas curvas. Ni MOND ni materia oscura son necesarias para explicar el grueso de dichas curvas. El campo magnético de estas galaxias las explica perfectamente. Para los que no recuerden este trabajo (publicado en una época en lo que yo estaba subscrito a Nature en papel y me sorprendía al ver el nombre de la Universidad de Granada en dicha revista) les recuerdo la cita: E. Battaner, J. L. Garrido, M. Membrado, E. Florido, “Magnetic fields as an alternative explanation for the rotation curves of spiral galaxies,” Nature 360:652-653, December 1992. Eso sí, esta teoría no explica bien el comportamiento observado en cúmulos galácticos, pero MOND tampoco. Así que la materia oscura no es descartada por las ideas de Battaner pero sí las teorías tipo MOND. Eso sí, habría menos materia oscura en las galaxias de la que habitualmente se supone. Un artículo de revisión sobre el tema es Eduardo Battaner, Estrella Florido, “The rotation curve of spiral galaxies and its cosmological implications,” ArXiv, Submitted on 24 Oct 2000. Además, estos campos magnéticos tienen efectos importantes a escala cosmológica en la estructura filamentaria del universo como podemos leer en el reciente artículo de Eduardo Battaner, Estrella Florido, “Magnetic fields in the early Universe,” Proceedings of the International Astronomical Union 4: 529-538, 2009. De hecho, las fluctuaciones observadas en el fondo cósmico de microondas son muy difíciles de explicar con la teoría MOND (Ferreira y Starkman son más duros, para ellos es imposible hacerlo).
En resumen un baño de agua fría para la teoría MOND en la prestigiosa Science. Habrá que estar al tanto de cómo responden los MONDeros a dicho baño revitalizante.
La supernova SN 2002bj que apareció en la galaxia irregular NGC 1821 el 28 de febrero de 2002 y desapareció 20 días más tarde, mucho más rápido de lo esperado, es un nuevo tipo de supernova que corresponde a la explosión de una enana blanca que ha acretado helio de otra enana blanca con la que forma un sistema binario. Lo han descubierto gracias al análisis de su espectro que se obtuvo 7 días tras su descubrimiento que se parece al de una supernova tipo Ia, pero con más helio y carbono del esperado. Dicho espectro concuerda con ciertos modelos teóricos que proponían este nuevo tipo de supernova. En un futuro cercano es de esperar que se descubran muchas más supernovas de este nuevo tipo. Nos lo cuentan en español con gran detalle en “Descubren una nueva y rápida clase de supernova,” SINC, 5 nov. 2009 [también aquí] y en muchísimos foros de noticias. Poco más puedo yo aportar, aparte de mostraros la foto de la supernova e indicaros la fuente original de este trabajo, Dovi Poznanski et al. “An Unusually Fast-Evolving Supernova,” Science, Published Online November 5, 2009.
Mucha gente pensaba que el fondo cósmico de neutrinos (CNB), similar al fondo cósmico de microondas (CMB) pero con los neutrinos generados por la Gran Explosión, se “cristalizó” mucho antes que el CMB. Mucha gente lo daba por supuesto ya que así se calculó cuando se pensaba que los neutrinos no tenían masa. Pero ahora sabemos que sí tienen masa en resposo no nula, aunque no sabemos cuánto vale. ¿Cómo cambia este hecho el cálculo? Muy sencillo, el CNB es posible que se haya cristalizado posteriormente al CMB (justo un poco después, solamente). Un resultado sorprendente para muchos que nos explican en un excelente artículo en español “Los neutrinos del Big Bang tienen un origen más cercano que la radiación de fondo de microondas,” Experientia docet, 19 de octubre de 2009 [portada en Menéame]. Poco más puedo contar. Por cierto, el artículo técnico, de lectura altamente recomendable, es Scott Dodelson y Mika Vesterinen, “Cosmic Neutrino Last Scattering Surface,” Physical Review Letters 103: 171301, 23 October 2009 [versión gratis en ArXiv].
No nos engañemos. La mayoría de los lectores de este blog ni saben lo que es la heliosfera (ya lo están buscando en la wiki) ni la heliopausa. Así que desconocen lo que ponen los libros de texto sobre la heliosfera, ni siquiera tendrán un libro de texto que hable sobre ella. Excepto tú, claro, pero no lo tires a la basura, tranquilo, que no estamos en “Fahrenheit 451,” afortunadamente. El número de hoy de la prestigiosa Science incluye un artículo que empieza así. ¿Qué sabes de la heliosfera? Pues estás equivocado. No tienes ni idea. ¿Cómo? No uno, sino cinco artículos de próxima publicación en Science demuestran que no tienes ni idea. Los expertos que no se escandalicen, que se pongan a leer los papers que para algo están y para algo ellos son expertos. Para los demás, leed el resto de esta entrada. Por cierto, el artículo es Richard A. Kerr, “Space Physics: Tying Up the Solar System With a Ribbon of Charged Particles,” News of the Week, Science 326: 350, 16 October 2009.
Los no expertos dirán ¡qué bonito! El MIMI del INCA de la Cassini parece una nave de Star Wars. Digo yo, por decir.
El Sistema Solar está envuelto por las partículas cargadas emitidas por el viento solar. Esta capa envolvente se mueve a través del medio interestelar sufriendo el “viento galáctico” y formando una estela similar a la cola de un cometa. Eso es lo que dicen los libros de texto. La misión IBEX (Interstellar Boundary Explorer) de la NASA, lanzada en octubre de 2008, nos ofrece ahora sus primeros resultados. Sorprendentes. Hay una banda inesperada que presenta una fuerte emisión de átomos neutros energéticos. ¿Cuál es la causa de esta emisión? Ni idea. Nadie lo sabe. Los libros de texto, todo lo que sabía sobre la heliosfera, indican que dicha banda no puede existir. Pero existe (banda verde, amarilla y roja en la figura que abre esta entrada). ¡Tan poco sabemos sobre el Sistema Solar!
Algunos hablan de una “nueva astronomía.” Iones positivos emitidos por el Sol que se vuelven neutros la interactuar con electrones que encuentran a su paso. ¿Por qué se observa una banda de partículas neutras diez veces más intensa de lo que se esperaría para meras fluctuaciones aleatorias en los datos? Hay algo. ¿Pero qué? Nadie tiene ni idea. Lo que está claro es que hay que abandonar la forma de cometa con la que los libros de texto describen la heliosfera. Se parece más a una burbuja esférica. Bueno, debe tener una forma intermedia entre estas formas extremas. Pero lo importante es que no tenemos ni idea de cómo el “viento galáctico,” o lo que sea, logra que la heliosfera tenga una forma tan “exótica.” ¿Tendrá algo que ver con el retraso del ciclo de manchas solares que estamos observando en el Sol? ¡Los pelos de punta!
La ciencia avanza a base de incógnitas. Las respuestas a las incógnitas modelan los libros de texto. Y en los blogs como éste disfrutamos leyendo y contando estos avances. A la mayoría, que ni siquiera sabe lo que es la heliosfera, les resultará de poco interés.
Resultados experimentales para microondas a 18 GHz.
Uno de los campos que recibirá próximamente un Premio Nobel de Física son los metamateriales. Permiten desarrollar capas de invisibilidad, superlentes y, ahora, agujeros negros artificiales. Propuestos teóricamente hace unos meses, se acaban de fabricar experimentalmente en Nanjing, China. Una región circular de la que la luz (microondas) puede entrar pero no escapar (como microondas, dicho metamaterial se calienta y emite luz infrarroja). Desde el punto de vista de la analogía física se trata de un agujero negro tan real como uno astrofísico, por lo que en un futuro permitirá realizar experimentos cuánticos, incluyendo la (posible) generación de radiación de Hawking en el laboratorio (aunque no será fácil lograrlo). La analogía ideal que todo físico relativista estaba buscando. Las sorpresas lloverán en los próximos años. ¿Algún día estos agujeros negros artificiales serán útiles para algo? Como son elementos absorbentes de la luz, podrán tener utilidad en el desarrollo de placas solares fotovoltáicas más eficientes que, quizás me aventuro a afirmar, acabarán en los tejados de nuestros hogares. Sí, agujeros negros artificiales en el tejado de nuestras casas. Da para pensar. Nos lo cuentan magistralmente, no sin cierto humor, en “Artificial Black Hole Created in Chinese Lab,” ArXiv blog, Wednesday, October 14, 2009 [noticia que busca portada en Menéame]. El artículo técnico experimental es Qiang Cheng, Tie Jun Cui, “An electromagnetic black hole made of metamaterials,” ArXiv, Submitted on 12 Oct 2009. Los interesados en la propuesta teórica original disfrutarán de Evgenii E. Narimanov, Alexander V. Kildishev, “Optical black hole: Broadband omnidirectional light absorber,” Appl. Phys. Lett. 95: 041106, 2009. Hay muchas otras propuestas basadas en cristales fotónicos y otras tecnologías ópticas.
Agujero negro artificial fabricado y detalle de sus celdas elementales.
Qiang y Tie han fabricado un circuito integrado con 60 círculos concéntricos que utiliza dos tipos de elementos, unos que resuenan con las microondas y otros que no lo hacen. Las capas interiores son capaces de absorber completamente microondas con una frecuencia de 18 GHz que incidan en cualquier dirección. Obviamente, la energía ni se crea ni se destruye, por lo que dichas capas interiores se calientan. Materiales completamente negros, es decir, completamente absorbentes de la luz son de gran utilidad en la fabricación de células solares para placas fotovoltáicas.
Simulaciones numéricas para el agujero negro artificial con microondas a 50 GHz.
Carlos Barceló, del Instituto de Astrofísica de Andalucía en Granada, y sus colaboradores han demostrado que los efectos cuánticos en la teoría semiclásica de la gravedad permiten evitar que las estrellas en colapso gravitatorio formen agujeros negros (si el colapso es suficientemente lento). El resultado es un nuevo objeto astrofísico al que han llamado estrellas negras. Para un observador externo estas estrellas son indistinguibles de un agujero negro. Están formadas por la energía gravitatoria del vacío cuántico en un espaciotiempo curvado. No presentan horizonte de sucesos y evitan el problema de la pérdida de información cuántica en agujeros negros. Si el colapso es muy rápido o si el objeto que colapsa tiene una masa enorme, millones de masas solares, el resultado es un agujero negro convencional. Un gran trabajo que nos cuentan magistralmente en su artículo Carlos Barceló, Stefano Liberati, Sebastiano Sonego, Matt Visser, “Black stars, not holes. Quantum effects may prevent true black holes from forming and give rise instead to dense entities called black stars,” Scientific American, october 2009, pp. 39-45 [versión gratis] (aparecerá en español en Investigación y Ciencia en diciembre de 2009). Su artículo técnico es Carlos Barceló, Stefano Liberati, Sebastiano Sonego, Matt Visser, “Fate of gravitational collapse in semiclassical gravity,” Physical Review D 77: 044032 (2008). También es interesante leer el artículo de Matt Visser, Carlos Barceló, Stefano Liberati, Sebastiano Sonego, “Small, dark, and heavy: But is it a black hole?,” ArXiv, Submitted on 2 Feb 2009.
Un agujero negro es el resultado del colapso de una estrella que ha consumido todo su combustible. Para los físicos teóricos es un tipo de solución de las ecuaciones de Einstein para la gravedad. Un agujero negro de la masa del Sol tiene un radio (horizonte de sucesos) de unos 3 kilómetros. ¿Existen los agujeros negros? La evidencia astrofísica indica que existen objetos ultracompactos que no emiten luz ni ningún tipo de radiación que tienen masas entre varias veces la del Sol y millones de veces, con diámetros de unos pocos kilómetros hasta millones de kilómetros. ¿Estos objetos oscuros observados por los astrofísicos son agujeros negros? Casi todo el mundo cree que así es, pero, hay varias propuestas alternativas.
¿Podrían los efectos cuánticos evitar el colapso gravitatorio? No tenemos una teoría cuántica de la gravedad, pero se puede utilizar una aproximación semiclásica para la gravedad cuántica, similar a la utilizada por Hawking para demostrar que los agujeros negros se evaporan. ¿Cuál es el resultado? Los efectos cuánticos evitan que un agujero negro (un horizonte de sucesos) se forme, resultando en la formación de una estrella negra, constituida sólo por espaciotiempo.
La teoría cuántica de la gravedad no es renormalizable. ¿Qué significa esto? En una teoría cuántica de campos el vacío tiene una energía infinita. La técnica llamada de renormalizabilidad permite obtener el comportamiento de las partículas elementales sólo a partir de diferencias entre estados de energía, con lo que los infinitos de la energía del vacío se cancelan. En una versión cuántica de la teoría de la gravedad no ses posible aplicar esta técnica.
En la teoría semiclásica de la gravedad se sustituye la renormalizabilidad por una técnica de autoconsistencia. Según la relatividad general una distribución de materia-energía produce un espaciotiempo curvo. Esta curvatura modifica la energía de los campos cuánticos, lo que a su vez modifica el propio espaciotiempo curvo. Y así sucesivamente. El resultado es una solución autoconsistente si este procedimiento converge. Esta aproximación semiclásica incorpora los comportamientos cuánticos de la materia pero trata la gravedad (curvatura del espaciotiempo) de forma clásica. Una aplicación ad hoc de esta teoría conduce a que el vacío tiene una energía infinita, lo que es incompatible con las observaciones astronómicas actuales. ¿Cómo funciona la hipótesis de consistencia? La energía gravitatoria del vacío semiclásico de cualquier solución válida debe ser nula cuando se sustituye en ella un espaciotiempo plano. La presencia de masa curva el espaciotiempo y la densidad de energía del punto cero de los campos cuánticos no se cancela exactamente. Esta polarización del vacío se asume en la gravedad semiclásica que se cancela exactamente a cero para un espaciotiempo plano. El tensor de energía-esfuerzo (stress-energy tensor, SET) se sustituye por un tensor de energía-esfuerzo renormalizado (RSET). La materia clásica curva el espaciotiempo en una cantidad dado por el SET clásico. El vacío cuántico adquiere un RSET finito no nulo. Dicho término es una nueva fuente de gravedad que modifica la curvatura, lo que induce un nuevo valor para RSET y así sucesivamente. La graveadad semiclásica consiste en aplicar este procedimiento de forma reiterada hasta que RSET converge.
¿Cómo afecta la gravedad semiclásica a los agujeros negros? El solución de Schwarzschild para el campo gravitatorio de una distribución de masa esférica que no rota ni tiene carga nos permite entender el campo gravitatorio alrededor de un estrella y de un agujero negro. Está caracterizada por una M y un radio R. Un objeto con masa M que colapse hasta ocupar una región de radio menor que R desaparece dentro de un horizonte de sucesos y se forma un agujero negro. Las correcciones cuánticas aplicadas a la solución de Schwarzschild para una estrella como el sol que tiene un radio mucho mayor que su radio de Schwarzschild (unos 3 km.) conduce a un valor desprecible para el valor de RSET para el vacío cuántico. Las correcciones cuánticas son importantes sólo cuando el radio de la estrella es mayor pero cercano al radio de Schwarzschild R. En 1976 David G. Boulware, ahora en la Universidad de Washington, demostró que el valor de RSET para el vacío crece conforme el radio se acerca a R. Esto significa que la gravedad semiclásica no permite la existencia de agujeros negros estacionarios.
¿Qué afirma la gravedad semiclásica sobre el colapso de una estrella? La importancia de los efectos cuánticos depende de la rapidez del colapso. Normalmente se asume que el colapso es muy rápido, tan rápido como la caída libre de la materia de la superficie de la estrella hacia el centro de la estrella, lo que resulta en un del RSET del vacío cuántico despreciable durante todo el colapso. Sin embargo, si el colapso es más lento, el RSET puede adquirir un valor arbitrariamente grande. Además adquiere valores negativos en la región cercana al radio de Schwarzschild, donde debería formarse el horizonte de sucesos clásico, lo que genera un efecto repulsivo que ralentiza aún más el colapso. El resultado es que el colapso de la estrella se detiene justo antes de la formación de un horizonte de sucesos. El resultado es una estrella negra, salvo para un objeto perfectamente esférico con una masa enorme, del orden de millones de masas solares, en cuyo caso nada evita el colapso y la formación de un (super)agujero negro.
Las estrellas negras (black stars) se mantienen estables gracias a los efectos cuánticos de la polarización del vacío según la teoría de la gravedad semiclásica. El campo gravitatorio de una estrella negra es idéntico al de un agujero negro siendo su radio algo mayor que el radio de Schwarzschild sin que se forme un horizonte de sucesos. Las estrellas negras permiten resolver el problema de la pérdida de información cuántica en los agujeros negros, ya que emiten radiación de Hawking pero no es térmica, sino que acarrea la información cuántica de la materia de la estrella que la formó. De esta forma se preserva la unitariedad. La estrella negra está formada por capas, como una cebolla, donde cada capa es una estrella negra más pequeña, que también emite radiación de Hawking, pero a una temperatura más alta. La temperatura del interior de las estrellas negras crece conforme nos acercamos a su centro.
En las ”estrellas” negras la masa de la estrella original que colapsó se ha transformado en un RSET no nulo concentrado, es decir, en polarización del vacío. Son estrellas constituidas sólo por espaciotiempo curvado. Según los autores del artículo, desde un punto de vista astrofísico son indistinguibles de un agujero negro convencional. Por ello, los autores creen que muchos de los agujeros negros de masa pequeña e intermedia que se han observado en el universo son en realidad estrellas negras.
El modelo de la materia oscura “caliente” (partículas ultrarrelativistas de baja masa como los neutrinos) es descartado por la mayoría de los cosmólogos. Nieuwenhuizen de la Universidad de Amsterdam, Holanda, ha aplicado el teorema virial a la materia oscura observada mediante lentes gravitatorias en el cúmulo Abell 1689 y ha mostrado que si su origen son partículas WIMP de tipo fermiónico deben tener una masa de pocos electrón voltio (eV). Materia oscura caliente cuyo candidato ideal son los neutrinos. Su análisis teórico descarta el modelo de materia oscura fría para Abell 1689. Para una constante de Hubble H=100*h km/s Mpc (el valor usual de h es 0,70), la masa de los neutrinos debería ser mν =1,445 h1/2 eV. Como el propio Nieuwenhuizen afirma en las conclusiones de su artículo, su modelo está en flagrante contradicción con el modelo cosmológico estándar, según el cual se interpretan los resultados del satélite WMAP acotando la suma de las masas de los tres tipos de neutrinos mνe +mνμ +mντ < 0,5 eV. Sin embargo, el autor nos recuerda que en dicha interpretación se asume un modelo de materia oscura fría. Mientras no se descubra un buen candidato a materia oscura fría (una partícula WIMP con una masa de cientos de GeV), el autor cree que no debemos descartar a los neutrinos como responsables de la materia oscura. Sólo la determinación experimental de la masa de los neutrinos permitirá descartarlos definitivamente como candidatos a materia oscura. El experimento KATRIN (KArlsruhe TRItium Neutrino) planificado entre 2012 y 2015 determinará la masa de los neutrinos (siempre que sea superior 0,2 eV) y confirmará o refutará el modelo de materia oscura caliente de Nieuwenhuizen. El artículo técnico es Th. M. Nieuwenhuizen, “Do non-relativistic neutrinos constitute the dark matter?,” EPL (Europhysics Letters) 86: 59001 (2009).
El comentario del propio editor de la revista sobre este artículo, R. A. Treumann, “Highlight Notes on “Do non-relativistic neutrinos constitute the dark matter?”,” EPL 86: 50000 (2009), merece la pena ser traducido aquí. La materia del universo parece estar formada fundamentalmente de materia oscura, que sabemos que existe, pero que no sabemos qué es. Ninguna partícula elemental conocida parece ser un buen candidato a materia oscura. La creencia general es que consiste en partículas masivas y débilmente interactuantes (Weakly Interacting and Massive Particles, WIMP). El artículo de Nieuwenhuizen utiliza el exceso de masa experimentalmente observado en el cúmulo de galaxias Abell 1689 y lo ajusta utilizando un modelo basado en un gas isotérmico de fermiones. El resultado muestra que la masa de dichos fermiones debe ser m=1,45 eV. El autor compara dicha masa con la de las partículas conocidas y concluye que las tres familias de neutrinos son el mejor candidato posible. Estos neutrinos cosmológicos no entran en contradicción con los escenarios de evolución cosmológica aceptados y se acumularán en un condensado en el cúmulo con un corrimiento al rojo de z∼28 contribuyendo activamente a reionizar el gas en el interior del cúmulo. Este artículo y su análisis teórico revitaliza la teoría ya abandonada de que los neutrinos pueden ser un candidato viable a materia oscura (al menos para el supercúmulo Abell 1689).
En 1054 una estrella explotó dando lugar a la nebulosa del cangrejo, con una estrella de neutrones en su interior en rápida rotación, 30 veces por segundo. Un púlsar que emite 4.4×1031 julios de energía por segundo (mil billones de veces la energía eléctrica consumida en la Tierra durante un año). Se pensaba que el 40% de esta energía se emitía en forma de ondas gravitatorias. Sin embargo, nadie ha observado estas ondas gravitatorias. De hecho, el nuevo límite obtenido por LIGO muestra que emite 7 veces menos del mínimo teórico que debería emitir (como mucho el 2% de su energía es emitida en forma de ondas gravitatorias). ¿Por qué? Nadie lo sabe. La única explicación es que la estrella de neutrones en su interior es una esfera perfecta. Una estrella de 12 km. de radio que rota sobre su eje 30 veces por segundo que está achatada por sus polos en menos de 1 metro. ¿Cómo es posible? Nadie lo entiende, pero así debe ser pues todos los físicos teóricos piensan que las ondas gravitatorias existir existen. Y como no se observan en el púlsar del cangrejo, pues lo dicho, su estrella de neutrones es una bola más perfecta que la mejor bola de billar fabricada por el hombre. Los nuevos datos sobre la búsqueda de ondas gravitatorias en LIGO producidas por púlsares se han publicado en The LIGO Scientific Collaboration, The Virgo Collaboration, “Searches for gravitational waves from known pulsars with S5 LIGO data,” Submitted on 19 Sep 2009.
Ninguna onda gravitatoria observada tras una búsqueda sistemática en 116 púlsares. En varios casos, el límite observacional para la producción de ondas gravitatorias está pocas veces por encima del límite teórico mínimo, como en los púlsares jóvenes J1913+1011 y J1952+3252. Resultados son sorprendentes que requieren una explicación. Para los especialistas en ondas gravitatorias, debe existir alguna razón por la cual las estrellas de neutrones soportan velocidades angulares de rotación extraordinariamente elevadas sin deformarse lo más mínimo. Esferas perfectas que desafían nuestra comprensión. Para los demás especialistas, quizás las ondas gravitatorias son mucho más débiles de lo que hasta ahora se había pensado. ¿Quién tendrá razón? La Mula Francis, como Newton, concluye con un hipotheses non fingo.
Las enanas blancas suponen el producto final de la evolución del 95% de todas las estrellas. Si en la transición a enanas blancas, el momento angular debido a la rotación de las estrellas se conservase, las enanas blancas deberían rotar muy rápidamente, con periodos del orden de unos pocos segundos. Sin embargo, las observaciones de sus fotoesferas indican que rotan mucho más despacio, con periodos en el rango de horas a decenas de años. ¿Ocultan las enanas blancas su momento angular en una rotación rápida de sus capas internas? No, como ha mostrado un estudio heliosismológico de la enana blanca pulsante PG 1159-035 que rota como un sólido rígido (más del 97.5% de su masa) con un periodo de 33.6 horas. Esta es la prueba definitiva de que el proceso de formación de las enanas blancas implica una pérdida (o transferencia) de momento angular. Lo han probado S. Charpinet, G. Fontaine, P. Brassard, “Seismic evidence for the loss of stellar angular momentum before the white-dwarf stage,” Nature 461: 501-503, 24 September 2009.
PG 1159-035 es una enana blanca relativamente brillante que ha sido objeto de múltiples estudios ya que su luminosidad fluctúa periódicamente debido a que pulsa por inestabilidades gravitatorias con periodos entre 351 y 988 segundos. Un análisis sísmico de estas pulsaciones, suponiendo que es una esfera simétrica, muestra una serie de detalles finos que se pueden interpretar detalladamente gracias a las técnicas heliosismológicas bajo lo hipótesis de que rota como un sólido rígido (otros modelos para la estrella no permiten explicar dichos detalles). Los resultados de este artículo ratifican los modelos teóricos de formación de enanas blancas que implican una pérdida muy fuerte de momento angular durante la transformación de una gigante roja en enana blanca. Las estrellas como el Sol se convierten en gigantes rojas que periódicamente sufren episodios de gran pérdida de masa, con una gran transferencia de momento angular. Conforme la gigante roja va perdiendo masa y momento angular, de forma suave y progresiva, va formándose la enana blanca que será el resultado final del proceso. Nuestro Sol acabará sufriendo este proceso y concluirá su vida como una enana blanca.
Los datos sin explicación: Un exceso en la fracción de positones medida por PAMELA hasta 100 GeV; la ausencia de exceso en la fracción de antiprotones medida por PAMELA hasta 100 GeV; exceso en el número total de electrones y positones por encima de 100 GeV observado por Fermi, HESS, etc., mientras que los resultados por debajo de 100 GeV son coherentes con lo observado por GALPROP; y la ausencia de detalles en el espectro de los electrones medido por Fermi, etc. Las dos interpretaciones oficiales en compentencia: una fuente astrofísica cercana que posee un mecanismo de aceleración de partículas a alta energía o una partícula de materia oscura que decae o se aniquila mostrando un exceso de electrones y positones. ¿Cuándo sabremos la respuesta? En los próximos años. Nos lo cuentan en Debtosh Chowdhury, Chanda J. Jog, Sudhir K Vempati, “Results from PAMELA, ATIC and FERMI : Pulsars or Dark Matter?,” ArXiv, Submitted on 7 Sep 2009. A mí me gusta más la primera propuesta, púlsares en nuestro entorno cercano (como Geminga). En cualquier caso, el artículo se lee fácil y os dejo que lo disfruteis directamente.
Explicar la energía oscura es un gran problema. ¿Se requiere nueva física para explicarla? No necesariamente. Un nuevo artículo muestra que la ecuación de estado de la energía oscura podría ser el resultado de ondas gravitatorias primordiales producidas durante la fase inflacionaria en los primeros instantes de la Gran Explosión. Los autores estudian la retroalimentación (backreaction) de las perturbaciones tensoriales (ondas gravitatorias) de un universo estándar tipo Friedmann-LeMaître-Robertson-Walker (FLRW) y muestran que actúan acelerando el universo con una ecuación de estado similar a la obtenida al añadir una constante cosmológica. En concreto la ecuación de estado de la energía oscura pasa de un valor wE=1/3 en la época dominada por la radiación a un valor wE=-8/9 en la época dominada por la materia (cercano al valor wE=-1 que se obtiene con la constante cosmológica y compatible con todos los límites experimentales actuales, como muestra la figura de la izquierda). El artículo técnico es I. A. Brown, L. Schrempp, K. Ananda, “Accelerating the Universe with Gravitational Waves,” ArXiv, Submitted on 10 Sep 2009.
No todo es maravilloso en la nueva propuesta, ya que la densidad de energía oscura que se obtiene es varios órdenes de magnitud menor que la que se observa experimentalmente. El análisis todavía es muy provisional y los autores creen que estudios posteriores podrán determinar si existe algún mecanismo de amplificación de esta densidad de energía oscura hasta alcanzar los valores que se observan experimentalmente. El 73% del universo parece ser energía oscura, por lo que hay que amplificar muchísimo las ondas gravitatorias primordiales para alcanzar un valor tan enorme. Aún así, a mí, que no soy experto, me parece un gran éxito que un modelo tan sencillo conduzca a la ecuación de estado correcta. Habrá que estar al tanto de futuros avances en esta línea.
La Mula Francis lo ha dicho en reiteradas ocasiones en este blog. Que hace 10 años pasáramos de entender muy bien el 100% el universo (materia + materia oscura) a ignorar el 73% (ni idea de lo que es la energía oscura ni qué la causa) ha sido un duro golpe para todos. Me recuerda, salvando las distancias, al caso del éter para las ondas electromagnéticas. Más de medio siglo buscando el éter, cuyas propiedades eran muy antiintuitivas, hasta que Michelson y Morley observaron experimentalmente que no había pruebas de su existencia (hasta entonces todo el mundo consideraba obvio su existencia ya que era y es obvio que las ondas electromagnéticas, propagarse, se propagan). Finalmente, el concepto fue desterrado y ya nadie se acuerda de él. ¿Pasará lo mismo con la energía oscura? A mí así me lo parece. La explicación más sencilla de la energía oscura es una constante cosmológica con un valor de 10-120 en unidades de la escala de Planck, aunque tendría que tener un valor del orden de 1 en unidades de Planck según las cuentas de los físicos teóricos en cosmología y partículas elementales. Un error “garrafal” de 120 órdenes de magnitud parece muy garrafal. Digo yo. Dice la Mula Francis, que no es experto en estas lides.
“Las galaxias, como los elefantes, tienen un gran memoria.” Memoria que podemos leer para estudiar cómo se formaron y evolucionaron. La arqueología galáctica es la rama de la astrofísica que estudia el canibalismo galáctico, el proceso por el que crecen las galaxias grandes gracias a su colisión con galaxias más pequeñas (satélites). La galaxia ideal para estos estudios es Andrómeda (M31). Un vídeo espectacular de McConnachie et al., que publican hoy en Nature los resultados del Pan-Andromeda Archaeological Survey (PAndAS), que el mismo dirige, en el que han descubierto los detalles más íntimos de la interacción de M31 con su galaxia satélite M33. Han caracterizado el número, luminosidad y morfología de las estrellas que forman estos chorros estelares en el entorno de M33. Estos chorros son debidos a las fuerzas de marea producidas por Andrómeda en la galaxia satélite. El censo ha permitido reconstruir la historia de las interacciones entre estas galaxias así como observar que muchas de estas estrellas no provienen de M33, su galaxia satélite mayor, sino que deben pertenecer a otras galaxias satélite que aún no han sido observadas. El resultado es la mejor demostración de la teoría del canibalismo galáctico, además de un sinnúmero de detalles sobre la historia de los choques entre M31 y M33. Nos lo cuenta Nickolay Y. Gnedin, “Astrophysics: Hidden chaos in cosmic order,” Nature 461: 43-44, 3 September 2009. El artículo técnico es Alan W. McConnachie et al., “The remnants of galaxy formation from a panoramic survey of the region around M31,” Nature 461: 66-69, 3 September 2009.
La figura que culmina esta entrada resume los resultados de la animación que la abre. Estos resultados han sido obtenidos mediante simulaciones por ordenador ajustadas a los datos observacionales del censo estelar observado alrededor de M33 (el mapa de velocidades de las estrellas observadas). La evolución mostrada se inicia hace 3400 Ma (millones de años, Gyr en el vídeo) cuando M33 se encontraba a unos 200 kpc (kiloparsec) de M31, cayendo hacia ella en la dirección desde la que vemos a Andrómeda desde la Vía Láctea. La animación es espectacular y autoexplicativa. Un gran trabajo de investigación espectacular.
La actividad solar diaria es caótica (caos determinista). Por ello, predecir las manchas solares es tan difícil como predecir el tiempo meteorológico. Una predicción más allá de unas pocas semanas es prácticamente imposible. La razón última es la dinámica turbulenta de los campos magnéticos poloidales en la zona convectiva solar. Esta convección térmica turbulenta provoca la desestabilización del campo magnético y la emergencia de campos toroidales en forma de tubos curvados cuyos dos extremos forman sendas manchas solares de polaridad opuesta. Lo ha demostrado Alexander Bershadskii gracias a la correlación observada entre el mayor de los exponentes de Lyapunov de la dinámica diaria del número de manchas solares y el asociado a la velocidad promedio del viento en experimentos de laboratorio para la convección de Rayleigh-Bernard. El artículo técnico es A. Bershadskii, “Chaotic mean wind in turbulent thermal convection and long-term correlations in solar activity,” ArXiv, Submitted on 27 Aug 2009.
Los campos magnéticos solares producen las manchas solares en la zona convectiva solar (el 30% superior del interior del Sol, que rodea a la núcleo radiante). El Sol rota más rápido en el ecuador que en los polos, por lo que los campos magnéticos poloidales (de norte a sur) se doblan en la direccción este-oeste (campo toroidal). Estos campos toroidales alcanzan la superficie solar produciendo la emergencia de las manchas solares.
Los exponentes de Lyapunov son una de las maneras más sencillas para observar la existencia de caos determinista en un sistemad dinámico. Miden la separación (exponencial) entre dos trayectorias del sistema que se inician en puntos (infinitamente) cercanos tras un cierto tiempo. En teoría el cálculo exacto de los exponentes de Lyapunov (que son números reales) requiere una integración (o solución) numérica durante un tiempo infinitamente largo, sin embargo, en la práctica hay algoritmos que (cuando convergen) aproximan su valor con un coste razonable. Un sistema dinámico presenta evidencia de caos determinista si el mayor exponente de Lyapunov es positivo.
Para una serie temporal, como en el número diario de manchas solares durante el periodo de 1850 a 1944, el mayor exponente de Lyapunov converge claramente a un valor positivo igual a 0.0047 (día-1), lo que ratifica que la dinámica de las manchas solares es caóticodeterminista. Entre 1964 y 2008 se obtiene un valor similar. Sin embargo, entre 1944 y 1964 hubo dos ciclos solares (de 11 años) especialmente intensos, que Bershadskii ha considerado como “excepcionales” y no los ha tenido en cuenta en su análisis.
El análisis de Bershadskii ha mostrado varios ciclos de periodo corto asociados a las manchas solares (menores de 11 años). Entre ellos un ciclo de aproximadamente 27 días que corresponde a una rotación completa del Sol a una latitud de 260 grados (la latitud típica de las manchas solares). Este ciclo indica el límite teórico para la predictibilidad de las manchas solares. Predecirlas más allá de unos 3 semanas es prácticamente imposible, como es prácticamente imposible predecir el tiempo meteorológico más de allá de unas 2 semanas.
Bershadskii también ha encontrado ciclos cortos de 660 días (en el periodo de 1850-1944) y de 670 días (en 1964-2008) que se correlacionan con el periodo normalizado de la circulación promedio del viento térmico solar, lo que hace pensar que el secreto del caos determinista de las manchas solares es la magnetohidrodinámica turbulenta de la zona convectiva solar.
En resumen, un artículo interesante como lectura este año en el que el inicio del ciclo solar número 24 parece que se está retrasando. También os gustará recordar “¿Resuelto el caso de las manchas solares perdidas?,” Ciencia Kanija, 18-06-2009.
Científicos de los detectores terrestres de ondas gravitatorias LIGO y Virgo publican hoy en Nature el mejor límite teórico para la contribución energética del fondo cósmico de ondas gravitatorias, las generadas en los inicios de la Gran Explosión (Big Bang), a la energía total del universo. En concreto, ΩGW < 7×10-6 en la banda de frecuencias de los 100 Hz que puede ser explorada por LIGO (Laser Interferometer Gravitational wave Observatory). Un límite que es un orden de magnitud más bajo de lo que se había estimado con anterioridad. Para que LIGO pudiera detectar estas ondas gravitatorias su sensibilidad debería alcanzar h < 4×10-23 en el rango de frecuencias de 40–170 Hz, un orden de magnitud más sensible de lo que se puede alcanzar en la actualidad (3×10-22). Ni LIGO ni Virgo podrán detectar este ondas gravitatorias. Habrá que esperar a LIGO Avanzado (se espera para 2014) o al detector espacial LISA (Laser Interferometer Space Antenna) que podrán observar contribuciones a ΩGW del orden de 10-9. Nos lo cuenta Marc Kamionkowski (Caltech, EEUU) ”Gravity ripples chased,” Nature 460: 964-965, 20 August 2009, haciéndose eco del artículo técnico The LIGO Scientific Collaboration & The Virgo Collaboration, “An upper limit on the stochastic gravitational-wave background of cosmological origin,” Nature 460: 990-994, 20 August 2009.
La detección de ondas gravitatorias no sólo ratificará la teoría de Einstein de la gravedad sino que nos permitirá observar los primeros instantes de la Gran Explosión (Big Bang) ya que pueden atravesar regiones del espacio que son opacas para la radiación electromagnética. Todavía no han sido detectadas, pero cuando se logre, permitirán estudiar múltiples procesos físicos como la inflación (crecimiento exponencial del espacio tiempo cuando el universo tenía 10-38 segundos), la transición de fase electrodébil (a los 10-11 segundos), y otros fenómenos menos conocidos como las cuerdas cósmicas, otros defectos topológicos, o la posible compactificación de dimensiones predicha de la teoría de cuerdas.
Buenas noticias para los que trabajan en LISA, LIGO Avanzado y los demás detectores de la red de interferometría global para el estudio de ondas gravitatorias. Un lustro pasa muy pronto. Todo apunta a que todos asistiremos al análisis y estudio del fondo cósmico de ondas gravitatorias. Los físicos teóricos de cuerdas, entre otros, podrán comprobar de primera mano si sus ideas describen correctamente la Gran Explosión.
La energía oscura resuelve un problema, la aceleración de la expansión del universo observada con supernovas Ia, pero introduce otro problema, ¿qué es la energía oscura? Dos especialistas en obtener soluciones de las ecuaciones de Einstein, los físicos norteamericanos Blake Temple y Joel Smoller, han encontrado una nueva solución cosmológica de las ecuaciones de Einstein para la época de la radiación tras la Gran Explosión (hasta los 300.000 años) que presenta una expansión acelerada “natural” sin necesidad de energía oscura. La solución incluye un parámetro a que para a<1 produce desaceleración y para a>1 produce aceleración. Si la energía oscura existe debe ser a=1, pero entonces hay que explicar por qué en el Big Bang apareció un universo con a exactamente igual a 1. O tenemos una solución de la aceleración del universo sin energía oscura o tenemos un nuevo problema cosmológico, cómo explicar que a=1. El artículo técnico es Blake Temple, Joel Smoller, “Expanding wave solutions of the Einstein equations that induce an anomalous acceleration into the Standard Model of Cosmology,” PNAS , Published online before print August 17, 2009 (versión gratis, ucdavis.edu). FAQ de Temple o todo lo que querrías preguntarle sobre la nueva solución (muy interesante).
Los investigadores han encontrado una solución exacta parametrizada de las ecuaciones cosmológicas de Einstein que generaliza a la solución para el espaciotiempo de Fiedmann–Robertson–Walker (FRW). La solución se puede interpretar como una perturbación de dicha solución. Los autores parten de las ecuaciones cosmológicas de Einstein con simetría esférica en coordenadas estándares de Schwarzchild, bajo la hipótesis usual de un medio que cumple p = ρ c2/3, que logran reducir a un nuevo sistema de 3 ecuaciones diferenciales ordinarias, para el que obtienen una familia biparamétrica de soluciones exactas (un parámetro de escalado temporal y un parámetro de aceleración). Bajo la hipótesis de solución autosemejante, la nueva solución se reduce a una onda expansiva uniparamétrica que parte de la época de la radiación tras la Gran Explosión. El parámetro de aceleración, a, da cuenta de cualquier aceleración observada en la expansión del universo FRW. La nueva solución explica la aceleración (anómala) observada en la expansión del universo gracias a la observación de supernovas Ia en galaxias lejanas. Esta explicación tiene la ventaja de que no requiere la “magia” de la energía oscura y está dentro del formalismo matemático de la relatividad general sin ninguna hipótesis ad hoc adicional.
¿Tiene algún problema esta nueva solución del problema de la energía oscura? Sí, la nueva solución cosmológica con a>1 viola el Principio de Copérnico ya que tiene un centro de expansión que debería coincidir (aproximadamente) con la posición de la Tierra. ¿Un gran problema para la llamada “teoría de la onda expansiva”? Quizás sí. El Principio de Copérnico (la Tierra no está en el centro del universo) es uno de los Santos Griales de la Cosmología contemporánea y cualquier intento de atacarlo es “castigado” con las críticas de los cosmólogos más ortodoxos. Aunque eso sí, las críticas tendrán que ir acompañadas de alguna razón por la cual tras la Gran Explosión el parámetro de aceleración adquirió el valor a=1.
Como es habitual en ciencia, toda respuesta va acompañada de un nuevo problema.
Los científicos de la colaboración GBM/LAT del observatorio espacial de rayos gamma Fermi (GLAST) han observado un fotón, solo un fotón, de 31 GeV, de la fuente intensa de rayos gamma (cortos) GRB 090510. Más energético de lo esperado interpretan su observación como que la escala de masas para una teoría cuántica de la gravedad es al menos 102 veces mayor que la escala de Planck. ¡Increíble! Concluir tanto de tan poco. Su observación limita las posibles violaciones de la relatividad especial (posibles dependencias lineales de la velocidad de propagación del fotón con respecto a su energía). Por supuesto, puede que exista una interpretación menos exótica, ya que sabemos muy poco de la física de las fuentes intensas de rayos gamma cortos. Pero hay que buscar los titulares y estos científicos no han querido desaprovechar su oportunidad. La ciencia de las grandes colaboraciones muchas veces está guiada por la búsqueda de los titulares, sobre todo si como es el caso quieren publicar en Nature. El artículo técnico es Abdo et al. (Fermi GBM/LAT Collaborations), “Testing Einstein’s special relativity with Fermi’s short hard gamma-ray burst GRB090510,” ArXiv, Submitted on 13 Aug 2009 (merece la pena leer la información suplementaria). Visto en el blog de Bee (Sabine Hossenfelder) “That Photon from GRB090510,” BackReaction, August 16, 2009. Por cierto, muy interesante su artículo con Lee Smolin “Conservative solutions to the black hole information problem,” ArXiv, 20 Jan 2009.
Un solo fotón detectado el 10 de mayo de 2009 a la hora universal 00:22:59.97 UT por el Gamma-ray Burst Monitor (GBM) y el Large Area Telescope (LAT) ambos a bordo del telescopio espacial Fermi (acompañado de otros cientos de fotones de energía inferior detectados en Fermi y miles de ellos detectados en otros observatorios terrestres). Un fotón de 31 GeV es el fotón con mayor energía detectado nunca de una fuente de rayos gamma (GRB). Comparando el momento en que fue detectado con el momento en que se detectaron los demás fotones de energía mucho menor se puede limitar el cociente entre la masa (energía) a la que deja de ser válida la relatividad especial (MQG) y la masa (energía) de Planck (MP) resultando en MQG/MP > 102 (el mejor valor hasta ahora era MQG/MP>0.1). Un resultado espectacular si tenemos en cuenta que todas las teorías apuntan a que MQG ≤ MP. Una de las consecuencias de substituir la teoría de la gravedad de Einstein por una teoría cuántica de la gravedad (sea la que sea) es que se viola la relatividad especial de Einstein (al menos a la escala de Planck) luego los fotones deben tener una velocidad que depende de su energía (en la mayoría de las alternativas teóricas).
¿Realmente ha sido bien interpretado el fotón observado? Un fotón, es eso, un fotón y puede provenir de GRB 090510 (como proclaman los autores) o quizás de otra fuente cercana angularmente o tras sufrir algún fenómeno de refracción. Además, según algunos autores, como la propia Bee (S. Hossenfelder, “Multi-Particle States in Deformed Special Relativity,” Phys. Rev. D 75:105005, 2007; ArXiv, 2 Feb 2007) podría ocurrir que la dependencia con la energía de la velocidad de los fotones debida a efectos gravitatorios cuánticos no sea lineal, sino cuadrática, o que incluso depende de la densidad de la energía y no del valor absoluto de la energía. Por ejemplo, el resultado experimental observado no descarta una dependencia cuadrática con la energía compatible con MQG ≤ MP (aunque los autores del artículo lo omiten explícitamente).
Lo dicho, si las grandes revistas como Nature buscan el índice de impacto en los titulares espectaculares, las grandes colaboraciones científicas tienden a ofrecer grandes titulares y resultados espectaculares para los mass media. Pero nunca hay que olvidar las interpretaciones alternativas (normalmente omitidas, por razones obvias, en estos artículos).
PS (19 agosto 2009): Una manera de interpretar el resultado observado es que la Teoría de Supercuerdas (SST) vence a la Gravedad Cuántica de Bucles (LQG), ya que esta última asume violaciones de la relavitidad especial a la escala de Planck (como que fotones de diferente frecuencia, color, se propagan a velocidad diferente). Argumentos al respecto aparecen en “Fermi kills all Lorentz-violating theories,” The Reference Frame, 17 August 2009, aunque los comentarios de Lubos, como siempre, son más exagerados y radicales de la cuenta. Por cierto, aparece un vídeo de youtube de la serie The Big Bang Theory que discute SST vs LQG (en inglés, muy gracioso).
PS (16 sep. 2009): ¿Cómo interpretan los teóricos de cuerdas estos hechos? Nos lo cuenta Nick E. Mavromatos en “Probing Lorentz Violating (Stringy) Quantum Space-Time Foam,” ArXiv, Submitted on 12 Sep 2009, quien asegura que no es difícil explicar las observaciones del telescopio de rayos gamma FERMI del fotón observado en GRB 090510 utilizando teoría de cuerdas y modelos basados en branas.
PS (28 octubre 2009): El artículo ha sido finalmente aceptado para publicación en la prestigiosa Nature: A. A. Abdo et al. “A limit on the variation of the speed of light arising from quantum gravity effects,” Nature, Advance online publication, October 28, 2009. Los revisores del artículo han hecho un buen trabajo y han suavizado mucho la magnitud reportada para el valor MQG/MP observado, reduciéndolo a un razonable MQG/MP > 1.2. Los resultados experimentales difícilmente pueden asegurar cuándo fue emitido el fotón, con lo que cualquier valor mayor está sujeto a una gran incertidumbre. Reducir el valor de 102 a 1.2 es una gran reducción. Pero la publicación en Nature así lo ha requerido. Nos lo han contado en muchos medios, como en Symmetry Breaking ”Gamma-ray burst restricts ways to beat Einstein’s relativity,” y en BackReaction “The Photon and its Cousins.”
En la teoría de Newton, la gravedad es instantánea, en la teoría de Einstein, se propaga a la velocidad de la luz, como una onda. ¿Onda de qué? Ondas de curvatura del espaciotiempo (Einstein, 1918). Las mareas en la Tierra son provocadas por el movimiento de la Luna. Las ondas gravitatorias son ondas de marea del tejido del espaciotiempo que pueden deformar a los objetos que encuentran a su paso. La fuerza de la gravedad es muy débil, 42 órdenes de magnitud menor que la fuerza electromagnética, por lo que las ondas gravitatorias generadas por movimientos de masas en la Tierra son extremadamente débiles (absolutamente indetectables experimentalmente). Los objetos capaces de hacer vibrar al espaciotiempo deben ser muy masivos y moverse muy rápido para que las ondas que generan, propagándose a la velocidad de la luz, alcancen la Tierra con un amplitud detectable .
LIGO es un detector terrestre (por interferometría) de ondas gravitatorias sensible a las fuentes de ondas gravitatorias de alta frecuencia, como la explosión de supernovas, el colapso gravitatorio de una estrella en un agujero negro, la coalescencia de binarias “estelares,” y la radiación de estrellas de neutrones individuales. En el caso de agujeros negros serán de masa intermedia, entre 10 y 500 masas solares, y se encontrarán en nuestro entorno cercano, a una distancia inferior a 300 Mpc (megaparsecs). LIGO todavía no ha encontrado ondas gravitatorias, luego estos objetos son más escasos en nuestro entorno de lo que se pensaba (Lisa Maria Goggin, “A Search For Gravitational Waves from Perturbed Black Hole Ringdowns in LIGO Data,” Ph.D. Thesis, ArXiv, 10 Aug 2009).
Actualmente se encuentran en funcionamiento los detectores de ondas gravitatorias LIGO, VIRGO, GEO 600, TAMA 300, Nautilus y Auriga. Aunque ha habido varias falsas alarmas, todavía no se han logrado la observación directa de una onda gravitatoria. Más detalles sobre estos detectores en Jim Hough, Sheila Rowan, B.S. Sathyaprakash, “The search for gravitational waves,” J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 38: S497-S519, 2005. Aún más detalles en los capítulos para cada uno de estos detectores en el libro editado por Ignazio Ciufolini, Vittorio Gorini, Ugo Moschella, y Pietro Fré, “Gravitational waves,” IOP Publishing, 2001.
El futuro de la detección de ondas gravitatorias serán los detectores en el espacio, en concreto, LISA, que se espera que empiece a funcionar entre 2013 y 2015. LIGO y LISA se complementan, como indica la figura que abre esta entrada, porque son sensibles a ondas gravitatorias de frecuencia diferente. LISA podrá observar ondas gravitatorias de baja frecuencia como las producidas en sistemas binarios en fase espiral (chirping binaries), agujeros negros supermasivos (formación, sistemas binarios, captura de objetos, …) y el propio fondo de ondas gravitatorias de origen cosmológico (en la Gran Explosión). LISA podrá observar agujeros negros con alta precisión verificando sus propiedades y si la descripción basada en el modelo de Kerr es correcta. Cómo se forman, crecen e inteactúan los superagujeros negros en el centro de las galaxias será uno de los grandes objetivos de LISA, junto amuchos otros fenómenos violentos en el universo cercano.
Las ondas gravitatorias son extremadamente débiles y se caracterizan por su amplitud h. La sensibilidad de un dectector de ondas gravitatorias viene dado por el cociente dL/L, que en el caso de LISA, con L igual a 5 millones de kilómetros y dL sólo de 0.05 picómetros, resulta en h > 10-23, LIGO es algo menos sensible (pero para ondas de frecuencia diferente). Para más información sobre LISA recomiendo ”LISA: Probing the Universe with Gravitational Waves,” Version 1.0, January 19, 2007.
La generación de ondas gravitatorias en laboratorio y su posterior detección está más allá de los límites de la sensibilidad de la tecnología actual, por lo que hay que recurrir a fuentes astrofísicas y cosmológicas que involucran intensos campos gravitatorios. Actualmente se tiene una evidencia (indirecta) muy fiable sobre la existencia de ondas gravitatorias gracias a la reducción del periodo orbital observada en púlsares (Premio Nobel de Física en 1993 para Taylor y Hulse). El más estudiado es PSR 1913+16 y como indica la figura de la derecha, la fórmula de Einstein para la radiación gravitatoria explica perfectamente su comportamiento.
La radiación gravitatoria de PSR 1913+16 es demasiado débil para ser detectada en la Tierra (estamos muy lejos). Se necesitan fuentes mucho más intensas de radiación, como OJ 287, una galaxia muy lejana con un superagujero negro central rodeado por un agujero negro que acabará cayendo en su interior en unos 10 mil años. Se cree que LISA podrá detectar este tipo de ondas gravitatorias (muy intensas en su fuente, pero muy alejadas de nosotros). Más información sobre este objeto en “OJ 287: Agujero binario en el centro de una galaxia,” Observatorio de Calar Alto, 17 de Abril 2008.
La explicación más sencilla muchas veces es la correcta, pero hay que verla, alguien tiene que ser el primero que la vea. Los físicos del experimento PAMELA querían “ver” algo espectacular y encontraron un exceso en el flujo de positones de alta energía sin causa aparente. ¿Señal de la materia oscura? ¿Premio Nobel al canto? No, se siente, hay explicaciones convencionales mucho más sencillas para este exceso como la ofrecida por Pasquale Blasi, “The origin of the positron excess in cosmic rays,” Physical Review Letters 103: 051104, 31 July 2009 [ArXiv preprint], artículo ya citado 24 veces en ArXiv. El origen del exceso es la propia dinámica de las fuentes galácticas de rayos cósmicos, que los crean como productos secundarios que son acelerados dentro de la propia fuente. Basta ver la parte izquierda de la figura que abre esta entrada para sorprenderse por el excelente acuerdo entre las predicciones de esta teoría y los datos experimenatales de PAMELA. Más aún, también casa muy bien con el espectro observado en FERMI/LAT. Increíble, la explicación más sencilla apunta a ser la correcta.
En este blog ya hablamos de los resultados de PAMELA en varias ocasiones apuntando en la dirección de la posible existencia de materia oscura (a la espera de confirmación por FERMI/LAT). Lo siento, las noticias científicas son así. A veces uno se equivoca flagrantemente apuntando en la dirección equivocada. Así que la Mula Francis ha recibido un buen tirón de orejas (sobre todo por no ver la importancia del artículo de Blasi cuando lo colgó en ArXiv).
La interpretación de los datos experimentales de los detectores de ondas gravitatorias como LIGO, Virgo y LISA requiere un uso intensivo de métodos numéricos en relatividad general. El proyecto NINJA (Numerical INJection Analysis) tiene por objeto desarrollar dichas técnicas que dependen fuertemente del detector considerado. Se acaba de publicar su primer artículo en Classical and Quantum Gravity. Utilizando datos experimentales de ondas gravitatorias simuladas numéricamente por 10 grupos de investigación de todo el mundo, aunque sin incluir ruido en los datos, el artículo demuestra que los algoritmos están a punto y podrán conducir a la detección de ondas gravitatorias. ¿Serán suficientemente sensibles LIGO o Virgo para detectarlas? Los autores del artículo no se mojan y no quieren ofrecer conclusiones al respecto, pero lo que está claro es que si el ruido no degrada los resultados obtenidos por los algoritmos, sí serán capaces de lograrlo. Un primer trabajo alentador que será el punto de partida de futuros estudios que incluyan errores y ruido no gaussiano. Laura Cadonati et al. “Status of NINJA: the Numerical INJection Analysis project,” Class. Quantum Grav. 26: 114008, 2009 [ArXiv preprint].
La red mundial de detectores de ondas gravitatorias basadas en interferometría incluye los 3 detectores LIGO en EEUU, Virgo en Italia, TAMA en Japón, y GEO600 en Alemania. Junto a estos avances experimentales, se ha avanzado mucho en el desarrollo de códigos de relatividad numérica para la simulación de las ondas gravitatorias generados por fenómenos violentos en el universo, como la coalescencia de dos agujeros negros (Binary Black Hole, BBH) coalescences. El objetivo del proyecto NINJA es unir ambos mundos, experimento y simulación numérica, para facilitar la interpretación, siempre difícil de las señales que ofrezcan las instalaciones experimentales actualmente en en uso y las que se desarrollarán en los próximos años (como LISA). Con anterioridad al proyecto NINJA, se utilizaban simulaciones postnewtonianas, sólo válidas cuando dos agujeros negros en colisión están suficientemente alejados. El proyecto NINJA se inició en la primavera de 2008 estando formado por 10 grupos de relatividad numérica y 9 grupos de análisis de datos, con un total de 76 investigadores y 30 instituciones científicas.
En mi opinión, merece la pena leer dicho artículo, aunque tiene algunas faltas que los autores podrían haber resuelto y que los revisores parecen no haber detectado. Lo más importante, hay que reinvindicar lo español. Investigadores españoles demostraron y publicaron en Nature que no es necesario la materia oscura para explicar las curvas de rotación de las galaxias espirales. Milgrom desarrolló su teoría MOND para explicar dichas curvas. Ni MOND ni materia oscura son necesarias para explicar el grueso de dichas curvas. El campo magnético de estas galaxias las explica perfectamente. Para los que no recuerden este trabajo (publicado en una época en lo que yo estaba subscrito a Nature en papel y me sorprendía al ver el nombre de la Universidad de Granada en dicha revista) les recuerdo la cita: E. Battaner, J. L. Garrido, M. Membrado, E. Florido, “Magnetic fields as an alternative explanation for the rotation curves of spiral galaxies,” Nature 360:652-653, December 1992. Eso sí, esta teoría no explica bien el comportamiento observado en cúmulos galácticos, pero MOND tampoco. Así que la materia oscura no es descartada por las ideas de Battaner pero sí las teorías tipo MOND. Eso sí, habría menos materia oscura en las galaxias de la que habitualmente se supone. Un artículo de revisión sobre el tema es Eduardo Battaner, Estrella Florido, “The rotation curve of spiral galaxies and its cosmological implications,” ArXiv, Submitted on 24 Oct 2000. Además, estos campos magnéticos tienen efectos importantes a escala cosmológica en la estructura filamentaria del universo como podemos leer en el reciente artículo de Eduardo Battaner, Estrella Florido, “Magnetic fields in the early Universe,” Proceedings of the International Astronomical Union 4: 529-538, 2009. De hecho, las fluctuaciones observadas en el fondo cósmico de microondas son muy difíciles de explicar con la teoría MOND (Ferreira y Starkman son más duros, para ellos es imposible hacerlo).
Algunos hablan de una “nueva astronomía.” Iones positivos emitidos por el Sol que se vuelven neutros la interactuar con electrones que encuentran a su paso. ¿Por qué se observa una banda de partículas neutras diez veces más intensa de lo que se esperaría para meras fluctuaciones aleatorias en los datos? Hay algo. ¿Pero qué? Nadie tiene ni idea. Lo que está claro es que hay que abandonar la forma de cometa con la que los libros de texto describen la heliosfera. Se parece más a una burbuja esférica. Bueno, debe tener una forma intermedia entre estas formas extremas. Pero lo importante es que no tenemos ni idea de cómo el “viento galáctico,” o lo que sea, logra que la heliosfera tenga una forma tan “exótica.” ¿Tendrá algo que ver con el retraso del ciclo de manchas solares que estamos observando en el Sol? ¡Los pelos de punta!
Carlos Barceló, del Instituto de Astrofísica de Andalucía en Granada, y sus colaboradores han demostrado que los efectos cuánticos en la teoría semiclásica de la gravedad permiten evitar que las estrellas en colapso gravitatorio formen agujeros negros (si el colapso es suficientemente lento). El resultado es un nuevo objeto astrofísico al que han llamado estrellas negras. Para un observador externo estas estrellas son indistinguibles de un agujero negro. Están formadas por la energía gravitatoria del vacío cuántico en un espaciotiempo curvado. No presentan horizonte de sucesos y evitan el problema de la pérdida de información cuántica en agujeros negros. Si el colapso es muy rápido o si el objeto que colapsa tiene una masa enorme, millones de masas solares, el resultado es un agujero negro convencional. Un gran trabajo que nos cuentan magistralmente en su artículo Carlos Barceló, Stefano Liberati, Sebastiano Sonego, Matt Visser, “
Las estrellas negras (black stars) se mantienen estables gracias a los efectos cuánticos de la polarización del vacío según la teoría de la gravedad semiclásica. El campo gravitatorio de una estrella negra es idéntico al de un agujero negro siendo su radio algo mayor que el radio de Schwarzschild sin que se forme un horizonte de sucesos. Las estrellas negras permiten resolver el problema de la pérdida de información cuántica en los agujeros negros, ya que emiten radiación de Hawking pero no es térmica, sino que acarrea la información cuántica de la materia de la estrella que la formó. De esta forma se preserva la unitariedad. La estrella negra está formada por capas, como una cebolla, donde cada capa es una estrella negra más pequeña, que también emite radiación de Hawking, pero a una temperatura más alta. La temperatura del interior de las estrellas negras crece conforme nos acercamos a su centro.
El modelo de la materia oscura “caliente” (partículas ultrarrelativistas de baja masa como los neutrinos) es descartado por la mayoría de los cosmólogos. 
Explicar la energía oscura es un gran problema. ¿Se requiere nueva física para explicarla? No necesariamente. Un nuevo artículo muestra que la ecuación de estado de la energía oscura podría ser el resultado de ondas gravitatorias primordiales producidas durante la fase inflacionaria en los primeros instantes de la Gran Explosión. Los autores estudian la retroalimentación (backreaction) de las perturbaciones tensoriales (ondas gravitatorias) de un universo estándar tipo Friedmann-LeMaître-Robertson-Walker (FLRW) y muestran que actúan acelerando el universo con una ecuación de estado similar a la obtenida al añadir una constante cosmológica. En concreto la ecuación de estado de la energía oscura pasa de un valor wE=1/3 en la época dominada por la radiación a un valor wE=-8/9 en la época dominada por la materia (cercano al valor wE=-1 que se obtiene con la constante cosmológica y compatible con todos los límites experimentales actuales, como muestra la figura de la izquierda). El artículo técnico es I. A. Brown, L. Schrempp, K. Ananda, “
Las ondas gravitatorias son extremadamente débiles y se caracterizan por su amplitud h. La sensibilidad de un dectector de ondas gravitatorias viene dado por el cociente dL/L, que en el caso de LISA, con L igual a 5 millones de kilómetros y dL sólo de 0.05 picómetros, resulta en h > 10-23, LIGO es algo menos sensible (pero para ondas de frecuencia diferente). Para más información sobre LISA recomiendo ”
