El Premio Nobel de Física 2011

Transcripción

1 Escrito en las estrellas El Premio Nobel de Física 2011 "Algunos opinan que el mundo terminará convertido en fuego; Algunos dicen que en hielo... " Cuál es el destino del Universo? si hemos de creer a los Premios Nobel de este año probablemente terminará convertido en hielo. Ellos han estudiado cuidadosamente docenas de explosiones de estrellas, llamadas supernovas, en galaxias lejanas y han concluido que la expansión del Universo se está acelerando. El descubrimiento fue una sorpresa incluso para los mismos ganadores del Premio Nobel. Lo que ellos observaron sería similar a lanzar una pelota al aire y, en lugar de verla bajar, observar que se aleja en el cielo cada vez más rápido, como si la gravedad no fuera capaz de revertir la trayectoria su trayectoria. Algo similar parece estar pasando en todo el Universo. Figura 1. El mundo es cada vez mayor. La expansión del Universo comenzó con el Big Bang hace millones de años, pero se redujo durante los primeros miles de millones de años. Con el tiempo empezó a acelerar. La aceleración se cree que es debida a la llamada energía oscura, la cual al comienzo constituía sólo un pequeña parte de el Universo. Pero cuando la materia se diluyó como consecuencia de la expansión la energía oscura se transformó en dominante. La velocidad creciente a la que se expande el Universo implica que está siendo impulsado por una forma desconocida de energía integrada en la propia estructura del espacio. Esta energía oscura hace que una gran parte del Universo, más del 70%, sea un enigma, tal vez el más grande en la física actual. No es de extrañar, entonces, que los cimientos de la cosmología hayan sido sacudidos cuando dos grupos de investigación presentaron resultados similares en Saul Perlmutter dirigió uno de los dos equipos de investigación, el Supernova Cosmology Project, iniciado una década antes, en Brian Schmidt encabezó otro equipo de científicos que a finales de 1994 puso en marcha el proyecto competidor, el High-z Supernova Search Team, en el cual Adam Riess jugaría un papel crucial. 1

2 Los dos equipos de investigación rastrearon el Universo con el fin de encontrar las explosiones de las supernovas más lejanas. Determinando la distancia a la supernova y la velocidad a la que se están alejando de nosotros, los científicos esperaban revelar nuestro destino cósmico. Realmente esperaban encontrar indicios de que la expansión del Universo se estaba ralentizando, lo que llevaría a un equilibrio entre el fuego y el hielo. Sin embargo lo que encontraron fue todo lo contrario: la expansión se estaba acelerando. Figura 2a. Brilla, brilla, estrellita, me pregunto dónde estás... El cosmos está creciendo No es la primera vez que un descubrimiento astronómico ha revolucionado nuestras ideas sobre el Universo. Hace sólo cien años, el Universo era considerado como un lugar tranquilo y en paz, no más grande que nuestra propia galaxia, la Vía Láctea. El tiempo transcurría inmutable y el universo era eterno. Pronto, sin embargo, un cambio radical iba a alterar esta imagen. A principios del siglo 20 la astrónoma estadounidense Henrietta Swan Leavitt encontró una manera de medir distancias a estrellas lejanas. En ese momento a las mujeres se les negaba el acceso a los grandes telescopios, pero fueron frecuentemente utilizadas para la engorrosa tarea de analizar las placas fotográficas. Henrietta Leavitt estudió miles de estrellas pulsantes, llamadas Cefeidas, y encontró que las más brillantes tenían pulsos más largos. Con esta información, Leavitt pudo calcular el brillo intrínseco de las Cefeidas. Si la distancia a tan sólo una de las estrellas Cefeidas se conociera, las distancias a las demás Cefeidas se podrían establecer - la pulsación de su luz permitiría establecer a qué distancia está la estrella-. Se había encontrado una forma fiable de medir distancias, una primera marca en la vara cósmica que todavía se utiliza hoy en día. Usando las Cefeidas los astrónomos pronto llegaron a la conclusión de que la Vía Láctea es sólo una de las muchas galaxias en el Universo y, en la década de 1920, los astrónomos pudieron acceder al entonces más grande telescopio del mundo situado en Monte Wilson (California), con lo que Figura 2b. Un estandar de luminosidad de intensidad constante es necesario para medir las distancias a las estrellas. fueron capaces de demostrar que casi todas las galaxias se están alejando de nosotros. Estaban estudiando el llamado "corrimiento hacia el rojo" (redshift) que se produce cuando una una fuente de luz se aleja de nosotros. En ese caso la longitud de onda aumenta y la frecuencia disminuye, desplazándose hacia el rojo. La conclusión a la que se llegó es que las galaxias se alejan de no- 2

3 sotros, tanto más rápidamente cuanto más alejadas se encuentren. Es lo que se conoce con el nombre de ley de Hubble. El Universo se expande. El regreso de la constante cosmológica Lo observado ya había sido sugerido por los cálculos teóricos. En 1915 A. Einstein publicó su Teoría de la Relatividad General, que ha sido la base de nuestra comprensión del universo desde entonces. La teoría describe un universo que debería comprimirse o expandirse. A esa inquietante conclusión se llegó, por tanto, alrededor de una década antes del descubrimiento de la recesión de las galaxias. Ni siquiera Einstein podía admitir el hecho de que el Universo no era estático, así que para poner fin a esta indeseada expansión cósmica, Einstein añadió una constante a sus ecuaciones que él llamó la constante cosmológica. Más tarde, Einstein consideraría la inserción de la constante cosmológica como un gran error. Sin embargo, con las observaciones realizadas en el período por los premiados este año con el Premio Nobel, podemos concluir que la constante cosmológica de Einstein - aunque por razones equivocadas - era en realidad un descubrimiento brillante. El descubrimiento de la expansión del universo fue una iniciativa pionera, el primer paso hacia la teoría que mantiene que el Universo fue creado en el Big Bang hace casi millones de años. El tiempo y el espacio comenzaron entonces. Desde entonces el Universo se ha estado expandiendo, como un pastel de pasas que se hincha en el horno, y las galaxias se alejan unas de otras. Pero hacia dónde vamos? Supernovas, la nueva medida del universo Cuando Einstein se deshizo de la constante cosmológica y se rindió a la idea de un universo no estático, consideró la posible geometría del universo. Es abierto o cerrado, o es algo intermedio: un universo plano? Un universo abierto es aquel en el que la fuerza gravitacional no es lo suficientemente grande como para evitar su expansión. La materia se diluye en un espacio cada vez más grande, un espacio cada vez más frío y vacío. En un universo cerrado, por el contrario, la fuerza gravitatoria es lo suficientemente fuerte como para detener e incluso revertir la expansión. Así el Universo eventualmente detendría su expansión para volver a contraerse hacia un final caliente y violento, un Big Crunch. La mayoría de los cosmólogos, sin embargo, preferiría vivir en un universo más simple y elegante matemáticamente: un Universo plano, donde la expansión se detiene lentamente. El universo no terminaría ni en el fuego ni en el hielo. Pero esta no es una opción. Si hay una constante cosmológica la expansión sería acelerada, aun si el Universo es plano. Los laureados con el Nobel de este año esperaban medir la deceleración cósmica, o su lenta expansión. Los métodos fueron inicialmente los mismos métodos utilizados por los astrónomos más de seis décadas antes para localizar las estrellas distantes y para medir cómo se mueven. Sin embargo es más fácil decirlo que hacerlo. Desde los días de Henrietta Leavitt muchas Cefeidas, situadas cada vez más lejos, se han encontrado, pero en las distancias que los astrónomos necesitan ver, a miles de millones de años luz de distancia, las Cefeidas ya no son visibles. El patrón cósmico utilizado necesitaba ser ampliado. Las supernovas _estrellas que explotan- se convirtieron en el nuevo estandar de medición. Nuevos telescopios, situados en tierra y en el espacio, y el uso de ordenadores cada vez más potentes, abrieron la posibilidad, en los años 90, de añadir más piezas al puzzle cósmico. La invención de los sensores de imágenes digitales (CCD) inventados por Williard Boyle y George Smith, galardonados con el Premio Nobel de Física en 2009, fue un paso crucial. La explosión de las enanas blancas Las explosiones de las llamadas Supernovas Tipo Ia, un tipo especial de estrellas que explotan, añadió una nuevo elemento a la caja de herramientas de los astrónomos. Durante unas pocas semanas una supernova de este tipo puede emitir más luz que una galaxia entera. Una supernova Tipo Ia surge cuando explota una estrella extremadamente compacta, más pesada que el Sol, pero del tamaño de la Tierra (una enana blanca). La explosión es el paso final en el ciclo vital de una enana blanca. Las enanas blancas se forman cuando una estrella ya no puede producir más energía en su núcleo, cuando todo el hidrógeno y el helio han sido quemados en las reacciones nucleares. Sólo 3

4 quedan carbono y oxígeno. De la misma manera, en un lejano futuro, nuestro Sol se desvanecerá y se enfriará para terminar convertido en una enana blanca. Un final mucho más emocionante espera a las enanas blancas que forman parte de un sistema binario, lo cual es bastante corriente. En este caso, debido a la enorme gravedad, la enana blanca le roba a la estrella compañera su gas. Sin embargo, cuando la enana blanca alcanza un tamaño de 1,4 masas solares se vuelve demasiado pesada y ya no puede seguir unida a la otra. El interior de la enana se vuelve lo suficientemente caliente para que las reacciones de fusión de su núcleo queden fuera de control y la estrella estalla en cuestión de segundos. Figura 3. Explosión de una supernova. Una enana blanca roba gas de su compañera debido a su elevada densidad. Cuando la enana blanca alcanza 1,4 masas solares, explota transformándose en una supernova. Las productos de la fusión nuclear emiten una fuerte radiación que se incremente rápidamente durante las primeras semanas después de la explosión y que comienza a decaer después de unos meses. Así que debido a la brevedad de sus explosiones hay que darse prisa en encontrar las supernovas. En el Universo visible se calcula que hay un centenar de explosiones de supernovas tipo Ia cada minuto. Pero el Universo es enorme. En una galaxia típica sólo tienen lugar una o dos explosiones en mil años. En septiembre de 2011 fuimos afortunados y pudimos observar una supernova en una galaxia cercana a la Osa Mayor, visible incluso con una prismáticos corrientes. Pero la mayoría de las supernovas están mucho más lejos y son mucho más difíciles de observar. Entonces hacia dónde debemos de mirar? Una conclusión asombrosa Los dos equipos competidores sabían que tenían que peinar el cielo para encontrar supernovas lejanas. El truco consistía en comparar dos imágenes de pequeñas porciones del cielo. La primera imagen debería de tomarse justo después de la luna nueva y la segunda tres semanas después, antes de que la luz de la luna dificulte las observaciones. A continuación las dos imágenes se puede comparar con la esperanza de descubrir un pequeño punto de luz - equivalente a un píxel en una imagen- que podría ser un signo de una supernova en una galaxia muy lejana. Sólo las supernovas más lejanas, alrededor de un tercio de las observable en el universo visible, se utilizaron, con el fin de eliminar las distorsiones locales. Los investigadores tenían otros muchos problemas que abordar. Las supernovas Tipo Ia no son tan confiables como inicialmente parecía - las explosiones más brillantes se desvanecen más lentamente-. Por otra parte, es necesario aislar la luz de las supernovas de la luz de fondo de sus galaxias anfitrionas. Otra tarea importante era obtener el brillo correcto. El polvo intergaláctico situado entre nosotros y las estrellas modifica su brillo. Esto afecta a los resultados para calcular el máximo de luminosidad de las supernovas. La búsqueda de supernovas fue un reto no sólo científico y tecnológico, también logístico. En primer lugar había que encontrar la clase adecuada de supernova. Segundo, había que medir su brillo y el desplazamiento hacia el rojo. La curva de luz tenía que ser analizada a través del tiempo con el fin de poder compararlo con otras supernovas del mismo tipo situadas a distancias conocidas. Esto requiere una red de científicos que puedan decidir rápidamente si una estrella en particular es un digno candidato para la observación. Necesitaban poder realizar observaciones desde distintos telescopios y disponer de tiempo de observación sin demora, algo que generalmente requiere meses de espera. Tenían que actuar con rapidez porque una supernova se desvanece 4

5 rápidamente. A veces los dos equipos de investigación competidores cruzaron sus caminos discretamente. Figura 4. Supernova 1995ar. Dos imágenes de la misma porción de cielo tomadas con una diferencia de tres semanas se comparan. En la segunda un pequeño punto de luz es descubierto. Tras analizar su curva de luz se comprueba que es una supernova. Una supernova puede emitir tanta luz como una galaxia entera. La curva de luz es la misma para todos los tipos de supernovas. La mayor parte de la luz es emitida en las primeras semanas (ver diagrama de la derecha) Aunque las dificultades eran considerables los investigadores se tranquilizaron al comprobar que habían llegado a las mismas sorprendentes conclusiones: se habían encontrado algunas supernovas distantes cuya luz era cincuenta veces menor de lo esperado. Era lo contrario a lo esperado. Si la expansión cósmica ha ido perdiendo velocidad las supernovas deberían ser más brillantes. Sin embargo, su luz era cada vez más pálida cuanto más alejadas se encontraban. La sorprendente conclusión fue que la expansión del Universo no se está frenando, muy al contrario, se está acelerando. De aquí a la eternidad Entonces, qué es lo que está acelerando el universo? Se llama energía oscura y es un reto para la física, un enigma que nadie ha logrado resolver aún. Varias ideas han sido propuestas. La más sencilla es volver a introducir la constante cosmológica de Einstein, que éste había rechazado. En su tiempo Einstein introdujo la constante cosmológica como una fuerza anti-gravitatoria para contrarrestar la fuerza gravitatoria de la materia y así crear un universo estático. Hoy en día, la constante cosmológica permite que la expansión del universo se acelere. La constante cosmológica, como tal, no cambia con el tiempo. La energía oscura se convierte en dominante cuando la materia, y por lo tanto su gravedad, se diluye debido a la expansión del universo durante miles de millones de años. Según los científicos, esto explica por qué la constante cosmológica entró en escena tan tarde en la historia del Universo, hace sólo cinco o seis mil millones de años. Entonces la fuerza gravitacional de la materia se había debilitado lo suficiente. Hasta entonces, la expansión del Universo habría estado frenándose. Figura 5. El descubrimiento. La expansión acelerada del Universo fue proclamada "Descubrimiento del Año" en diciembre de 1998 por la revista Science. En su portada Albert Einstein contemopla su constante cosmológica que vuelve a la actualidad en cosmología 5

6 La constante cosmológica podría tener su origen en el vacío, el espacio vacío que, según la física cuántica, no es nunca completamente vacío. En su lugar, el vacío es una sopa de burbujas cuánticas en la que las partículas virtuales de la materia y la antimateria aparecen y desaparecen generando energía. Sin embargo, las estimaciones de la cantidad de la energía oscura no se corresponden en absoluto con la cantidad que se ha medido en el espacio, que es aproximadamente veces mayor (un 1 seguido de 120 ceros). Esto constituye una diferencia enorme e inexplicable entre la teoría y la observación (el número de granos de arena existentes en las playas de todo el mundo no es mayor de ). Puede ser que la energía oscura no sea constante después de todo. Quizás cambie con el tiempo. Quizás un campo de fuerzas desconocido genere sólo energía oscura de forma ocasional. En la física hay varios campos de fuerza que colectivamente llevan el nombre de quintaesencia, el nombre griego del llamado quinto elemento. La quintaesencia podría acelerar el Universo, pero sólo en ocasiones. El destino del Universo se hace impredecible. Figura 6. El Universo. El Universo es Sea lo que sea la energía oscura parece haber llegado para quedarse. Encaja muy bien en el puzzle cos- desconocido en sus tres cuartas partes, integradas por la llamada energía oscura. mológico que los físicos y los astrónomos han estado Junto con la también desconocida materia elaborando durante mucho tiempo. De acuerdo con oscura, constituyen el 95 % de el Universo. Sólo un escaso 5% está formado por ye las tres cuartas partes del Universo. El resto es las estimaciones actuales, la energía oscura constitu- la materia ordinaria de la que están materia. Pero la materia ordinaria de la que están hechas las galaxias, las estrellas, los hechas las galaxias, las estrellas, los humanos o las humanos y las flores. flores es sólo el cinco por ciento del Universo. El resto (un 20%) es lo que se conoce con el nombre de materia oscura y permanece oculta para nosotros. La materia oscura es otro misterio en ese cosmos inmenso y desconocido. Como la energía oscura la materia oscura es invisible. Lo que conocemos de ambas son sus efectos: una empuja, la otra retiene. Lo único que tienen en común es el adjetivo "oscuro". Los premiados con el Nobel de Física de este año han ayudado a descubrir un Universo que es desconocido en un 95% para la ciencia y donde todo es posible, una vez más. 6

7 ENLACES Y LECTURAS Additional information on this year s Prizes, including a scientific background article in English, may be found at the website of the Royal Swedish Academy of Sciences, and at The latter also includes web-tv versions of the press conferences at which the awards were announced. Information on exhibitions and activities related to the Nobel Prizes and the Prize in Economic Sciences may be found at Popular science articles Perlmutter, S. (2003) Supernovae, Dark Energy and the Accelerating Universe, Physics Today, vol. 56,no. 4. Krauss, L.M., Turner, M.S. (2004) A Cosmic Conundrum, Scientific American, Riess, A.G., Turner, M.S. (2008) The Expanding Universe: From Slowdown to Speedup, Scientific American, Appell, D. (2008) Dark Forces at Work, Scientific American, Interviews Heard, M. (2001) Interviews with Australian scientists. Dr Brian Schmidt Astronomer. The Australian Academy of Sciences, Appell, D. (2008) Discovering a Dark Universe: A Q&A with Saul Perlmutter, Scientfic American, Website Runaway Universe, Books Livio, M. (2000) The Accelerating Universe, Wiley, New York. Krauss, L. (2000) Quintessence, Basic Books, New York. Goldsmith, D. (2000) The Runaway Universe, Perseus Books, Cambridge, MA. Kirshner, R.P. (2002) The Extravagant Universe, Princeton University Press, Princeton, NJ. Scientific articles Riess, A., et al. (1998) Observational Evidence from Supernovae for an Accelerating Universe and a Cosmological Constant, Astronomical Journal, 116, Perlmutter, S., et al. (1999) Measurment of Ω and Λ from 42 High-Redshift Supernovae, Astrophysical Journal, 517, Perlmutter, S. and Schmidt, B.P. (2003) Measuring Cosmology with Supernovae, Lecture Notes in Physics, THE LAUREATES SAUL PERLMUTTER U.S. citizen. Born 1959 in Champaign- Urbana, IL, USA. Ph.D from University of California, Berkeley, USA. Head of the Supernova Cosmology Project, Professor of Astrophysics, Lawrence Berkeley National Laboratory and University of California, Berkeley, CA, USA. erlmutter.html BRIAN P. SCHMIDT U.S. and Australian citizen. Born 1967 in Missoula, MT, USA. Ph.D. 1993, from Harvard University, Cambridge, MA, USA. Head of the High-z Supernova Search Team, Distinguished Professor, Australian National University, Weston Creek, Australia. ADAM G. RIESS U.S. citizen. Born 1969 in Washington, DC, USA. Ph.D. 1996, from Harvard University, Cambridge, MA, USA. Professor of Astronomy and Physics, Johns Hopkins University and Space Telescope Science Institute, Baltimore, MD, USA. Science Editors: Lars Bergström, Olga Botner, Lars Brink, Börje Johansson, The Nobel Committee for Physics Illustrations, unless otherwise indicated: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences Editor: Annika Moberg The Royal Swedish Academy of Sciences 7