Lo que nunca le cuentan sobre la teoría del Big Bang
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Lo que nunca le cuentan sobre el Big Bang

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Lo que nunca le cuentan sobre el Big Bang: Aunque Stephen Hawking siempre estuvo asociado con el Big Bang, uno de los conceptos más populares de la astrofísica, pocos saben que detrás de la construcción de esta noción hubo un intenso debate.

La semana pasada nos dejó Stephen Hawking, el físico más célebre de nuestros tiempos. Por su gran estatura intelectual y su inmensa popularidad, su nombre aparece asociado con un sinnúmero de predicciones teóricas, entre ellas el inicio del universo en el Big Bang. Pero pocas veces nos aclaran qué es eso del Big Bang y cómo es que Stephen Hawking encaja en esa aventura de la física moderna, que es intentar comprender el universo como un todo. Para entenderlo hay que visitar tres episodios claves en la historia de Stephen Hawking y de este fenómeno.

El Big Bang es un chiste

Es una idea que nació de la combinación de dos hitos de la física del siglo XX. Primero, en 1917 Albert Einstein culminó su titánico esfuerzo por demostrar teóricamente que el espacio-tiempo se distorsiona por la presencia de la materia: la teoría general de la relatividad. En ella tenemos la herramienta más poderosa para hacer modelos autoconsistentes del universo, las ecuaciones de campo de Einstein.

Segundo, en 1929 Edwin Hubble usó los hallazgos de Henrietta Swan Leavitt, una de las mujeres computadoras del Harvard College Observatory, y el telescopio más poderoso de su tiempo para demostrar que otras galaxias se están alejando de la nuestra, y mientras más lejos están, más rápido se alejan. Hubble había descubierto la expansión del universo.

Big Bang 

Gráfica: Distribucion de galaxias en apenas una minuscula parte del firmamento revelada por el telescopio espacia Hubble. / NASA / HubbleSSDS y Stephen Hawking, caracterizado el el film sobre su vida.

Al juntar las observaciones de Hubble con la solución a las ecuaciones de campo que habían encontrado Alexander Friedmann, físico y aviador durante la Primera Guerra Mundial, y Georges Lemaître, físico y sacerdote católico, teníamos por primera vez un modelo autoconsistente: un universo lleno de materia que se había expandido desde un estado primigenio. En palabras del propio Lemaitre, el resultado de “la explosión de un huevo cósmico en el momento de la creación”. Pero la historia aún no estaba concluida.

Fred Hoyle, Thomas Gold y Hermann Bondi, tres brillantes físicos que habían trabajado en el sistema de radar utilizado para la defensa de Inglaterra durante la Segunda Guerra Mundial, coincidían con los cálculos de Lemaitre, pero estaban en profundo desacuerdo con su interpretación. Encontraban irracional la idea de que el universo tuviese un inicio que no puede describirse en términos científicos. Juntos desarrollaron la teoría del universo estacionario, un universo eterno e inmutable en donde las galaxias se separaban las unas de las otras.

Fue Hoyle quien en una emisión de la radio BBC, el 28 de marzo de 1949, se burló de la idea de la creación del universo en una gran explosión, en inglés, un Big Bang. Y ese es el nombre que aún le seguimos dando a esa teoría.

El Big Bang, ¿una buena idea?

Fred Hoyle es aún considerado uno de los físicos más brillantes (y controversiales) del siglo XX y fue precisamente con él con quien Stephen Hawking quiso trabajar cuando inició su doctorado en la Universidad de Cambridge, en octubre de 1962. Pero Hoyle era un hombre de muchas ocupaciones y Hawking fue asignado a trabajar con Dennis Sciama, una figura emergente en la física del Reino Unido. Luego de un primer año difícil, marcado por el diagnóstico de la enfermedad que eventualmente lo llevaría a la parálisis, Hawking volvió a trabajar, y bajo el estímulo de Sciama, desarrolló una reputación de genialidad e impertinencia que vieron su apogeo en un episodio que lo enfrentó al mismísimo Hoyle.

En 1964 Hoyle y su estudiante Jayant Narlikar presentaron en la Royal Society una teoría modificada de la gravedad que respaldaba sus ideas del universo estacionario. Hawking estaba presente y, al finalizar la charla, en la ronda de preguntas, señaló una falla en la teoría de Hoyle. Cuando Hoyle le preguntó por qué estaba seguro, Hawking respondió que lo había calculado. Todos en la audiencia estaban impresionados. Pensaron que Hawking había hecho ese complejo cálculo mentalmente durante la charla, pero en realidad había visto una versión anterior del trabajo de Narlikar, con quien compartía oficina. Hoyle estaba furioso, estaba intentando obtener la financiación para comenzar su propio instituto de investigación y pensó que todo el intercambio era una trampa para desprestigiarlo. Eventualmente consiguió los recursos e inició el Institute of Astronomy en Cambridge y le ofreció un trabajo allí a Stephen Hawking.

La teoría del universo estacionario de Hoyle no tenía un sustento teórico irrefutable, pero hacía predicciones claras que podían ser contrastadas directamente con las observaciones. La observación que la descartó de lleno se obtuvo en 1964, cuando Arno Penzias y Robert Wilson, quienes trabajaban para Bell Telephone Laboratories realizando experimentos de comunicación satelital, descubrieron una señal en frecuencia de microondas que provenía de todas partes del firmamento: la radiación de fondo de microondas.

La radiación de fondo probaba que el universo había tenido una etapa en la era mucho más caliente y mucho más densa, pero no probaba cuál era su origen. En su trabajo con Roger Penrose, Hawking demostró que las singularidades, los lugares del espacio-tiempo donde las leyes de la física se rompen, son una consecuencia natural de las ecuaciones de campo de Einstein y luego fue más allá proponiendo que el universo mismo pudo haberse creado en una singularidad. Expuso esa idea en su primer libro, La estructura del espacio-tiempo a gran escala”, un tratado técnico que escribió junto con Gary Gibbons. En él usaba la geometría diferencial para describir el origen del espacio-tiempo y la naturaleza de su expansión infinita, una teoría a la que aún no podemos responder con las observaciones.

El Big Bang no está concluido.

Muchas cosas han cambiado en la física desde que Stephen Hawking publicó Una breve historia del tiempo, en 1988. Y aunque ahora tenemos certezas sobre el origen del universo en un evento particular, tenemos nuevas preguntas.

En 1992, las observaciones del satélite COBE confirmaron que el espectro y la distribución de la radiación de fondo de microondas en el firmamento es consistente con la radiación fósil del joven universo (Premio Nobel de Física 2006). A COBE le siguieron experimentos en globo como Boomerang y satélites como WMAP y Planck, que confirmaron que las fluctuaciones de esa radiación son homogéneas a un nivel de 0,01 %. Lo mismo sucede con la distribución de las galaxias a gran escala, también es homogénea en el firmamento, como lo revelan nuevas observaciones hechas con telescopios robóticos. ¿Cómo es posible que el universo sea tan similar incluso en direcciones opuestas del firmamento? Claro, estaba conectado en el momento del Big Bang, pero si la expansión del universo fue uniforme en el tiempo, solamente pequeños parches seguían comunicados mientras se expandían. Para que todos los puntos del firmamento estuviesen conectados, la expansión tuvo que haber sido tremendamente rápida y luego reducirse drásticamente hasta los niveles que ahora observamos.

Una de las pistas que tenemos viene del desplazamiento de galaxias lejanas que indican que el universo no solamente se está expandiendo, sino que además se está expandiendo cada vez más rápido (Premio Nobel de Física 2011). Esto no contradice la idea del Big Bang, pero nos pone a pensar en que la expansión del universo puede cambiar en distintas épocas, aunque no tenemos la certeza de qué es lo que la controla. A eso es a lo que llamamos energía oscura, una presión que impulsa la expansión del universo y que hasta ahora solamente podemos explorar usando la teoría cuántica de campos y otras herramientas de la física teórica.

La expansión acelerada es uno de los eslabones perdidos del Big Bang y precisamente ese era el tema del último artículo que escribió Stephen Hawking. En colaboración con el astrofísico belga Thomas Hertog, discutían cómo, bajo ciertas conjeturas, la inflación, el período de expansión acelerada que explicaría la homogeneidad del universo, reduce el número de universos posibles y termina casi siempre en un universo homogéneo como el nuestro.

Stephen Hawking era el primero en reconocer las limitaciones de una teoría. En las primeras páginas de Una breve historia del tiempo advertía: “Cualquier teoría física es siempre provisional, en el sentido de que es sólo una hipótesis: nunca se puede probar. A pesar de que los resultados de los experimentos concuerden muchas veces con la teoría, nunca podremos estar seguros de que la próxima vez el resultado no vaya a contradecirla. Sin embargo, se puede rechazar una teoría en cuanto se encuentre una única observación que contradiga sus predicciones”.

Sabía perfectamente que en la frontera del conocimiento hay que dejar volar la imaginación, pero que en la física las ideas extraordinarias necesitan evidencias extraordinarias.

ACN/Juan Diego Soler, Astrofísico colombiano/El Espectador

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«Enjambre» de terremotos duró varios años: los científicos finalmente saben porqué

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En junio de 2020, aprovechando el confinamiento y teletrabajo originado por la pandemia, se obtuvo uno de los mapeos de mas alta resolución del enjambre sísmico 2016 hasta el momento. Foto: Cortesía/ MSN
Foto: Cortesía/ MSN
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A principios de 2016, un enjambre de terremotos inició en el sur de California (EEUU). Los temblores no ocurrieron todos los días, y la mayoría fueron demasiado pequeños para que los humanos los sintieran, pero mes tras mes los temblores continuaron ocurriendo y multiplicándose,sin que nadie supiera el porque.

Luego en 2018, miles de pequeños terremotos del mismo enjambre se activaron en la misma zona, algunos lo suficientemente grandes como para hacer oscilar las lámparas y poner nerviosos a los residentes de las ciudades cercanas. En los últimos cuatro años ha habido más de 22.000 temblores. Sin embargo, el origen detrás de toda esta actividad continuó un misterio, hasta ahora.

En junio de 2020, aprovechando el confinamiento y teletrabajo originado por la pandemia, se obtuvo un mapa de muy alta resolución del enjambre sísmico 2016 hasta el momento, lo que ha permitido que los científicos se concentren en una causa probable.



El análisis del enjambre 2016, utilizó un algoritmo informático para determinar las ubicaciones y el momento de los pequeños temblores, creando una imagen asombrosamente detallada de la actividad sísmica a medida que se desarrollaba.

El misterioso enjambre de terremotos de California

El estudio geológico, sugiere que el grupo de terremotos fue provocado por fluidos que se inyectaron naturalmente en el sistema de fallas. El trabajo insinúa que los fluidos pueden jugar un papel en otros enjambres detectados en todo el mundo, y el método utilizado podría resultar útil para mejorar el análisis sísmico global.

«El detalle aquí es increíble», dice la sismóloga Elizabeth Vanacore de la Red Sísmica de Puerto Rico en la Universidad de Puerto Rico en Mayagüez. «Este tipo de trabajo es de vanguardia y realmente hacia dónde se dirige la ciencia».

Por otra parte, a lo largo de una línea de falla, las fisuras en la corteza terrestre alguna vez se imaginaron como estructuras simples, pero «en realidad, las zonas de falla son lugares muy complicados», afirma Emily Roland, sismóloga marina de la Universidad de Washington.

Según Roland: «Algunas fallas pueden doblarse. Otras se entrecruzan bajo tierra. Las fallas analizadas en el nuevo estudio se entrelazan en un laberinto subterráneo que se extiende a lo largo de varias millas».

El enjambre de terremotos que reveló esta intrincada estructura subterránea, pasó desapercibido hasta 2017, cuando un correo electrónico de un ciudadano curioso llegó al buzón de correo de la Southern California Seismic Network (SCSN). Ese correo electrónico solicitaba información sobre un enjambre de pequeños terremotos en un tramo escasamente poblado del estado.

El estudio geológico, sugiere que el enjambre de terremotos fue provocado por fluidos que se inyectaron naturalmente en un sistema de microfallas subterráneas. Foto: Cortesía/ Strangesounds.org

El estudio geológico, sugiere que el enjambre de terremotos fue provocado por fluidos que se inyectaron naturalmente en un sistema de microfallas subterráneas. Foto: Cortesía/ Strangesounds.org

Estructura subterránea de microfallas

Una mirada superficial a la región no reveló nada extraordinario, afirma Zachary Ross, geofísico del Instituto de Tecnología de California (CalTech) que dirigió el estudio, publicado el 18 de junio en la revista Science. Ubicada la zona altamente activa de fallas de San Jacinto, el área a menudo está sujeta a pequeños temblores.

Pero al profundizar en la historia sísmica de la región, los investigadores se dieron cuenta de que el autor del correo electrónico tenía razón: casi un año antes, en 2016, un enjambre de pequeños terremotos se había extendido a lo largo del borde de la reserva indígena «Cahuilla».

Los enjambres de terremotos tienen un comportamiento misterioso. La mayoría de los enjambres ocurren como una proliferación de cientos o miles de temblores durante horas, días o incluso meses. En Puerto Rico, donde los enjambres son particularmente comunes, los eventos tienden a durar entre 36 y 48 horas, afirma la sismóloga Vanacore.

Si bien muchos enjambres están asociados con volcanes, otros se mueven por paisajes lejos de cualquier actividad importante. El potencial de destrucción de estos eventos varía ampliamente. El enjambre de Cahuilla provocó terremotos desde principios de 2016 hasta el año pasado, pero todos los temblores fueron mínimos y nunca generaron daños significativos durante cuatro años.

La conclusión del estudio, hace que los geólogos se centren en identificar las estructuras de microfallas descubierta en California y en Puerto Rico, para poder medir y pronosticar de una manera mas precisa la ocurrencia de estos raros fenómenos sísmicos en todo en planeta.

[Fuentes] ACN | NatGeo | Reuters | MSN | Redes

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