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15 - Agosto - 2020
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Un equipo científico ha descubierto a 12.000 millones de años luz la galaxia más distante de características similares a la Vía Láctea, un hallazgo que aporta nuevas claves sobre el universo y pone en duda la teoría astronómica dominante. El descubrimiento es asimismo relevante porque la galaxia SPT0418-47 no es en absoluto caótica, lo que contradice las teorías que propugnaban que todas las galaxias eran turbulentas e inestables en los primeros compases del universo, sin las estructuras que se encuentran habitualmente en las más maduras, como la nuestra.

Según publica la revista científica “Nature”, la galaxia descubierta es sorprendentemente parecida a la Vía Láctea y resulta de gran interés porque, dada su gran distancia a la Tierra, la luz que nos llega ahora de ella nos la muestra en un estado inicial de su formación, con una décima parte de su edad actual, cuando el universo apenas tenía 1.400 millones de años.

Esta distante “hermana”, pese a que aparentemente no tiene brazos espirales, comparte dos características esenciales con la Vía Láctea: un disco rotatorio y un gran grupo de estrellas concentradas de forma compacta alrededor de su centro, la llamada protuberancia. Se trata de la primera vez que se ha podido analizar una protuberancia en un estadio tan primitivo, señala por su parte en un comunicado el Observatorio Europeo Austral (ESO), ya que el descubrimiento se hizo desde instalaciones de las que es socio este centro en el desierto de Atacama (Chile). ”Este resultado es un hito en el campo de la formación de galaxias, al mostrar que las estructuras que observamos en las galaxias de espiral próximas y en nuestra Vía Láctea ya estaban hace 12.000 millones de años”, explica Francesca Rizzo, líder de esta investigación y doctoranda en el Instituto Max Planck de Astrofísica de Alemania. ”Lo que descubrimos nos dejó bastante perplejos”, agrega la coautora Simona Vegetti, investigadora del Instituto Max Planck de Astrofísica. “A pesar de que se estaban formando estrellas a gran velocidad, y ser por tanto el lugar de procesos altamente energéticos, SPT0418-47 es el disco galáctico mejor ordenado que se ha observado en una fase inicial del universo”.

”Este resultado es bastante inesperado y tiene importantes implicaciones sobre cómo creemos que evolucionan las galaxias”, agrega Vegetti. “Puede ser, indican estos investigadores, que el universo no fuese un lugar tan caótico como se creía tan poco tiempo después del “Big bang”. Los modelos teóricos también apuntaban que una galaxia tan distante en el espacio y el tiempo tendría que ser bien distinta a la Vía Lactea, pero es realmente “bastante similar a las galaxias más próximas”, asegura el coautor del estudio, Filippo Fraternali, del Instituto Astonómico Kapteyn, de la Universidad de Groningen. Los investigadores advierten, no obstante, de que prevén que SPT0418-47 evolucione hasta convertirse en una galaxia muy diferente a la Vía Láctea, dentro de la categoría elíptica.

Incluso los telescopios más potentes son incapaces de permitir un estudio detallado de galaxias tan lejanas como SPT0418-47. Pero el equipo científico superó este obstáculo utilizando una galaxia cercana como un cristal de aumentos. Este efecto, llamado lente gravitacional, consiste en aprovechar la fuerza gravitacional de una galaxia intermedia para distorsionar la luz de la que se desea estudiar ampliando su imagen. ”Cuando vi por primera vez la imagen reconstruida de SPT0418-47 no lo podía creer: el cofre del tesoro se abría”, asegura Rizzo. El estudio de estas galaxias distantes, subraya la ESO, es “fundamental para nuestra comprensión sobre cómo las galaxias se han formado y evolucionado”. Analizarla es volver a la infancia de estas galaxias. Próximas investigaciones deberán ahora establecer si este tipo de galaxias estables pese a encontrarse en una fase inicial son frecuentes, reescribiendo las teorías sobre la conformación y evolución de las galaxias.

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En cosmología, se entiende por Big Bang, también llamada La Gran Explosión, el principio del universo, es decir, el punto inicial en el que se formó la materia, el espacio y el tiempo. De acuerdo con el modelo cosmológico estándar, el Big Bang tuvo lugar hace unos 13 800 millones de años. Las teorías sobre el Big Bang no describen, en realidad, este hecho en sí, sino el universo temprano, en su evolución temporal después del Big Bang. El término Big Bang no se refiere a una explosión en un espacio ya existente, sino que designa la creación conjunta de materia, espacio y tiempo, a partir de lo que se conoce como una singularidad, es decir, un punto al que matemáticamente nos podemos acercar más y más, pero sin llegar a él.

Para entenderlo, uno debe imaginarse el desarrollo del universo en expansión en sentido temporal inverso, retrocediendo hacia el pasado. El universo se va haciendo cada vez más pequeño, pero la cantidad de materia es la misma, de manera que la densidad va aumentando, hasta llegar al punto en el que la densidad de materia y energía se hace infinita y obviamente, superior a la densidad de Planck, una unidad enorme que equivale aproximadamente a 10 elevado a 23 masas solares, comprimidas en el espacio de un solo núcleo atómico.

Nacido en 1858 en Kiel, Alemania, Max Planck fue hijo de intelectuales. Su abuelo y bisabuelo eran profesores de teología, su padre fue profesor de derecho y su tío juez. En 1867, su familia emigró a Múnich. Allí, el joven Planck se inscribiría en la escuela Maximiliansgymnasium. Desde muy pequeño, Max demostró una gran aptitud para la matemática, la astronomía, la mecánica y la música.

Se graduó pronto, a los 17 años, y comenzó a estudiar física téorica en la Universidad de Múnich. En 1877, entró en la Universidad Freidrich Wilhelms en Berlín, donde estudió con el físico Hermann von Helmholtz. Fue una persona que tuvo una gran influencia en Planck. Se convirtieron en buenos amigos y, eventualmente, Max decidió centrarse en la termodinámica como su campo de investigación.

En 1894, cuando estaba bajo la comisión de compañías eléctricas para fabricar mejores bombillas, Planck comenzó a trabajar en el problema de la radiación de cuerpo oscuro. Los físicos tenían dificultades para explicar cómo la intensidad de la radiación electromágnetica emitida por un absorbente perfecto (un cuerpo oscuro) dependía de la temperatura del cuerpo y la frecuencia de la radiación (es decir, del color de la luz). Con el paso del tiempo, Planck resolvió este problema sugiriendo que la energía no fluye de forma constante. En su lugar, lo hace en paquetes discretos, o cuantios. Es lo que se conoce como el postulado de Planck. Matemáticamente se puede expresar como E = hv. E es la energía, v es la frecuencia, y la h es la constante de Planck. Esta teoría, que no era consistente con la mecánica clásica newtoniana, ayudó a provocar una revolución en la ciencia.

De izquierda a derecha: W. Nernst, A. Einstein, M. Planck, R. A. Millikan y Von Laue, en una cena organizada por este último en 1931, en Berlín.

Durante la década de 1920, apareció una nueva teoría sobre la mecánica cuántica, conocida como la interpretación de Copenhague. Fue creada, principalmente, por los físicos alemanes Neils Bohr y Werner Heisenberg. En ella, afirmaban que la mecánica cuántica sólo tiene la capacidad de predecir probabilidades; y que en general, los sistemas físicos no tienen propiedades definidas antes de ser medidas. Sin embargo, fue rechazada por Planck, que creía que la mecánica de ondas haría que la teoría cuántica fuese innecesaria. A él se unieron sus compañeros Erwin Schrödinger, Max von Laue y Albert Einstein. Todos querían salvar la mecánica clásica del caos de la teoría cuántica. Pero el tiempo se encargó de demostrar que ambas interpretaciones eran correctas (y matemáticamente equivalentes), dando lugar al nacimiento de las teorías de dualidad partícula-onda.

Werner Heisenberg.

En 1914, Max Planck se unió al fervor nacionalista que recorría Alemania. Aunque no fue un nacionalista extremo, fue uno de los firmantes del Manifiesto de los Noventa y tres. Un documento apoyado por 93 científicos y escolares alemanes. En él, se apoyaba la guerra y se justificaba la participación de Alemania. Sin embargo, en 1915, Planck revocó algunas partes del manifiesto. En 1916, se convirtió en un crítico de la anexión de otros territorios por parte de Alemania. Tras la guerra, Planck estaba considerado como la autoridad alemana sobre la física. Era el decano de la Universidad de Berlin, miembro de la Academia Prusiana de Ciencias y la Sociedad Física Alemana, y presidente de la sociedad Kaiser Wilhelm (KWS, ahora conocida como la Sociedad Max Planck). Durante los turbulentos años de la década de 1920, el físico utilizo está posición para conseguir fondos la investigación científica.

La llegada al poder de los nazis en 1933 trajo tremendas dificultades. Planck presenció algunas en primera persona. Entre ellas, pudo ver la expulsión de sus puestos de muchos de sus compañeros y amigos judíos. Sin olvidar su humillación. También fue testigo del enorme éxodo de científicos y académicos alemanes. Durante esos años, el físico intentó permanecer alejado de la política, pero fue obligado a entrar en ella cuando sus colegas se vieron amenazados. En 1936, renunció a su posición como presidente de la KWS debido a su continuo apoyo a los compañeros judíos de la sociedad. En 1938, renunció a su presidencia de la Academia Prusiana de las Ciencias, porque el Partido Nazi se había hecho con el control de la organización. A pesar de todos los golpes y dificultades llevados por la guerra, y por el bombardeo aliado, Planck y su familia permanecieron en Alemania.

En 1945, el hijo de Max Planck, Erwin, fue arrestado debido a un intento de asesinato de Hitler. Tuvo lugar en el atentado fallido del 20 de julio de 1944, y provocó su ejecución a manos de la Gestapo. Este evento provocó que Planck cayese en una profunda depresión de la que no legó a recuperarse antes de su fallecimiento.

No es sorprendente que, en 1918, recibiese un Premio Nobel de la Física. Fue en reconocimiento a su contribución fundamental a una nueva rama de la física. También fue incluido en la Foreign Membership of the Royal Society en 1926, consiguiendo la medalla Copley de esa sociedad en 1928. En 1909, fue invitado a participar como conferencista en la Universidad de Columbia, en la ciudad de Nueva York. También fue muy respetado por sus colegas y contemporáneos. Se convirtió en una parte integral de las tres organizaciones científicas que dominaban las ciencias alemanas: la Academia Prusiana de Ciencias, la Sociedad Kaiser Wilhelm y la Sociedad Física Alemana. Esta última también creó la Medalla Max Planck. No es sorprendente que la primera de todas, en 1929, fuese entregada al propio Planck y a Albert Einstein.

En 1948, en la ciudad de Gotinga, también se creó la sociedad Max Planck. Su objetivo era honrar la vida y logros del físico. Esta sociedad creció durante las décadas posteriores, llegando a absorber la Sociedad Kaiser Wilhem y todas sus instituciones. En la actualidad, la sociedad está reconocida como líder en ciencia e investigación tecnológica. Es la organización líder en investigación en Europa, con 33 Premios Nobeles entregados a sus científicos. En 2009, la Agencia Espacial Europea (ESA) puso en órbita la sonda Planck. Es un observatorio espacial que analizó la radiación de fondo de microondas en las frecuencias de microondas e infrarrojo. Entre 2009 y 2013, proporcionó las mediciones más precisas que tenemos, hasta la fecha, sobre la densidad media de la materia ordinaria y la materia oscura en el universo..

También ayudó a resolver diferentes incógnitas sobre el inicio del Universo y la evolución cósmica. Max Planck siempre será recordado como uno de los científicos más influyentes del siglo XX. Junto a investigadores como Einstein, Schrödinger, Bohr y Heisenberg (la mayor parte de ellos eran amigos suyos), lograron redefinir nuestra percepción de la física y la naturaleza del Universo.

El telescopio espacial Planck de la ESA cesó en su labor en 2013. Tras una exitosa misión de cuatro años y medio, durante la cual reveló la verdadera edad del universo (80 millones de años más joven de lo que se pensaba), agotó su combustible. Ahora, permanece «estacionado» en una órbita segura alrededor del sol, lejos de la Tierra y la Luna, por cientos de años

Esto significa que las ecuaciones fallan y el proceso no se puede explicar. En este estado, la teoría de la relatividad general carece de validez; para explicar la situación del universo en ese momento habría que recurrir a una teoría, aún desconocida, de gravedad cuántica. De ahí que la física actual no conozca ninguna teoría generalmente aceptada capaz de explicar el universo en sus inicios ni el propio Big Bang. Transcurrido aproximadamente un microsegundo después del Big Bang, el universo ya se había expandido y enfriado lo suficiente como para que su desarrollo posterior estuviera determinado por procesos que podemos observar en la física de partículas.

Las teorías del Big Bang se ocupan de la evolución del universo en un rango temporal que abarca desde un tiempo de Planck (aprox. 10-43 segundos) después del Big Bang hasta entre 300 000 y 400 000 años más tarde, cuando ya se empezaban a formar átomos estables y el universo se hizo transparente. Lo que viene después ya no forma parte del Big Bang.

La teoría del Big Bang es el modelo cosmológico predominante para los períodos conocidos más antiguos del universo y su posterior evolución a gran escala. Afirma que el universo estaba en un estado de muy alta densidad y temperatura y luego se expandió. Si las leyes conocidas de la física se extrapolan más allá del punto donde son válidas, encontramos una singularidad. Mediciones modernas datan este momento hace aproximadamente 13 800 millones de años, que sería por tanto la edad del universo. Después de la expansión inicial, el universo se enfrió lo suficiente para permitir la formación de las partículas subatómicas y más tarde simples átomos. Nubes gigantes de estos elementos primordiales se unieron más tarde debido a la gravedad, para formar estrellas y galaxias.

A mediados del siglo XX, tres astrofísicos británicos, Stephen Hawking, George F. R. Ellis y Roger Penrose, prestaron atención a la teoría de la relatividad y sus implicaciones respecto a nuestras nociones del tiempo. En 1968 y 1979 publicaron artículos en que extendieron la teoría de la relatividad general de Einstein para incluir las mediciones del tiempo y el espacio.

De acuerdo con sus cálculos, el tiempo y el espacio tuvieron un inicio finito que corresponde al origen de la materia y la energía. Desde que Georges Lemaître observó por primera vez, en 1927, que un universo en permanente expansión debería remontarse en el tiempo hasta un único punto de origen, los científicos se han basado en su idea de la expansión cósmica. Si bien la comunidad científica una vez estuvo dividida en partidarios de dos teorías diferentes sobre el universo en expansión, la del Big Bang y la teoría del estado estacionario, la acumulación de evidencia observacional proporciona un fuerte apoyo para la primera.

En 1929, a partir del análisis de corrimiento al rojo de las galaxias, Edwin Hubble concluyó que las galaxias se estaban distanciando, lo que es una prueba observacional importante consistente con la hipótesis de un universo en expansión. En 1964 se descubrió la radiación de fondo cósmico de microondas, lo que es también una prueba crucial en favor del modelo del Big Bang, ya que esta teoría predijo la existencia de la radiación de fondo en todo el universo antes de ser descubierta. Más recientemente, las mediciones del corrimiento al rojo de las supernovas indican que la expansión del universo se está acelerando, aceleración atribuida a la energía oscura. Las leyes físicas conocidas de la naturaleza pueden utilizarse para calcular las características en detalle del universo del pasado en un estado inicial de extrema densidad y temperatura.

En física y astronomía, el corrimiento al rojo, acercamiento hacia el rojo o desplazamiento hacia el rojo (en inglés: redshift), ocurre cuando la radiación electromagnética, normalmente la luz visible, que se emite o refleja desde un objeto, es desplazada hacia el rojo al final del espectro electromagnético. De manera más general, el corrimiento al rojo es definido como un incremento en la longitud de onda de radiación electromagnética recibida por un detector comparado con la longitud de onda emitida por la fuente. Este incremento en la longitud de onda se corresponde con un decremento en la frecuencia de la radiación electromagnética. En cambio, el decrecimiento en la longitud de onda es llamado corrimiento al azul. Cualquier incremento en la longitud de onda se llama "corrimiento hacia el rojo", incluso si ocurre en radiación electromagnética de longitudes de onda no visibles, como los rayos gamma, rayos X y radiación ultravioleta. Esta denominación puede ser confusa ya que a longitudes de onda mayores que el rojo (p.ej. infrarrojo, microondas y ondas de radio), los "desplazamientos hacia el rojo" se alejan de la longitud de onda del rojo.

Así que al hablar de frecuencias de ondas menores que el rojo continúa significando que la longitud de onda tiende a alargarse y no a asemejarse al rojo. Un corrimiento hacia el rojo puede ocurrir cuando una fuente de luz se aleja de un observador, correspondiéndose a un desplazamiento Doppler que cambia la frecuencia percibida de las ondas sonoras. Aunque la observación de tales desplazamientos hacia el rojo, o su contrapuesto, hacia el azul, tiene numerosas aplicaciones terrestres (p.ej. Radar Doppler y pistola radar), la espectroscopia astronómica utiliza los corrimientos al rojo Doppler para determinar el movimiento de objetos astronómicos distantes.

Este fenómeno fue predicho por primera vez y observado en el Siglo XIX cuando los científicos empezaron a considerar las implicaciones dinámicas de la naturaleza ondulatoria de la luz. Otro mecanismo de corrimiento hacia el rojo es la expansión métrica del espacio, que explica la famosa observación de los corrimientos al rojo espectrales de galaxias distantes, quasares y nubes gaseosas intergalácticas que se incrementan proporcionalmente con su distancia al observador. Este mecanismo es una característica clave del modelo del Big Bang de la cosmología física. Un tercer tipo de corrimiento al rojo, el corrimiento al rojo gravitacional (también conocido como efecto Einstein), es un resultado de la dilatación del tiempo que ocurre cerca de objetos masivos, de acuerdo con la relatividad general. Estos tres fenómenos se pueden comprender bajo el paraguas de leyes de transformación de marcos. Existen otros muchos mecanismos con descripciones físicas y matemáticas muy diferentes que pueden conducir a un desplazamiento en la frecuencia de radiación electromagnética y cuyas acciones pueden ocasionalmente ser conocidas como "desplazamiento al rojo", incluyendo la dispersión y efectos ópticos.

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