Agujeros negros y colisiones estelares pueden iluminar el lado oscuro universo

Los científicos que buscan captar pruebas de la materia oscura – la sustancia invisible que se piensa que constituye gran parte del universo – pueden encontrar una útil herramienta en el reciente trabajo de investigadores de la Universidad de Princeton y la Universidad de Nueva York. El equipo dio a conocer en un informe publicado en la revista Physical Review Lettersde este mes, un método creado para la detección de colisiones de estrellas contra un esquivo tipo de agujero negro, el cual está en la corta lista de objetos que se cree que componen la materia oscura. Tal descubrimiento podría servir como prueba observable de la materia oscura y proporcionar una comprensión mucho más profunda del funcionamiento interno del universo

Agujero negro primordial atravesando una estrella © Crédito: Tim Sandstrom

Los investigadores postdoctorales Shravan Hanasoge del Departamento de Geociencias de Princeton, y Michael Kesden del Centro de Cosmología y Física de Partículas de la Universidad de Nueva York (NYU) simularon el resultado visible de un agujero negro primordial pasando a través de una estrella. Como remanentes teóricos del Big Bang, los agujeros negros primordiales poseen las propiedades de la materia oscura y son uno de distintos objetos cósmicos que se cree que son el origen de la misteriosa sustancia, pero aún no se han observado.

Si los agujeros negros primordiales son la fuente de la materia oscura, la gran cantidad de estrellas en la galaxia de la Vía Láctea – aproximadamente 100 mil millones – hace que el encuentro sea inevitable, según informan los autores. A diferencia de los agujeros negros más grandes, un agujero negro primordial no se “tragaría” la estrella, sino que provocaría vibraciones perceptibles en la superficie estelar cuando pasa a través de la misma.

Por lo tanto, conforme aumenta el número de telescopios y satélites que estudian estrellas lejanas en la Vía Láctea, aumentan también las probabilidades de observar un agujero negro primordial cuando se desliza inocuamente a través de uno de los miles de millones de estrellas de la galaxia, dice Hanasoge. El modelo de ordenador desarrollado por Hanasoge y Kesden puede utilizarse con las actuales técnicas de observación solar para ofrecer un método más preciso de detectar agujeros negros primordiales que con las herramientas existentes.
“Si los astrónomos sólo mirasen al Sol, las posibilidades de observar un agujero negro primordial serían bajas, pero la gente está ahora buscando en miles de estrellas”, comenta Hanasoge.
“Hay una cuestión más amplia de lo que constituye la materia oscura, y si se encontrase un agujero negro primordial encajaría todos los parámetros – tienen masa y fuerza por lo que influyen directamente en otros objetos del universo, y no interactúan con la luz . La identificación de uno tendría profundas implicaciones para nuestra comprensión de los inicios del universo y la materia oscura”.
Aunque no se ha observado directamente la materia oscura, se cree que las galaxias residen en extensos halos de materia oscura, basándonos en efectos gravitatorios documentados de estos halos sobre el gas y las estrellas visibles de las galaxias. Al igual que otros candidatos propuestos a materia oscura, los agujeros negros primordiales son difíciles de detectar porque no emiten ni absorben luz, atravesando sigilosamente el universo sólo con sutiles efectos gravitatorios sobre los objetos cercanos.
No obstante, debido a que los agujeros negros primordiales son más pesados ​​que otros candidatos a materia oscura, su interacción con las estrellas serían detectables por parte de los observatorios estelares actuales y futuros, comenta Kesden. Al cruzarse su camino con una estrella, la gravedad de un agujero negro primordial exprimiría la estrella, y luego, una vez que el agujero negro pasa a través de la misma, provocaría que la superficie estelar ondulase mientras vuelve a su lugar.
“Imagina que golpeas un globo lleno de agua y observas las ondas en el agua de su interior, eso es similar al aspecto en la superficie de una estrella”, señala Kesden. “Al mirar cómo se mueve la superficie de la estrella, puedes averiguar lo que está pasando en el interior. Si un agujero negro pasa a través de la estrella, puede verse la vibración en la superficie”.


Observando la superficie del Sol en busca de pistas de materia oscura
Kesden y Hanasoge utilizan el Sol como modelo para calcular el efecto de un agujero negro primordial en la superficie de una estrella. Kesden, cuya investigación incluye agujeros negros y materia oscura, calculó la masa de un agujero negro primordial, así como la trayectoria probable del objeto a través del Sol. Hanasoge, que estudia la sismología del Sol, la Tierra y las estrellas, calculó el efecto de vibración del agujero negro en la superficie del Sol.
Se crearon simulaciones de vídeo de los cálculos de los investigadores por parte de Tim Sandstrom de la NASA, utilizando la supercomputadora Pleiades de Centro de Investigación Ames de la agencia en California. Un vídeo muestra las vibraciones en la superficie del Sol cuando un agujero negro primordial – representado por un camino blanco –   pasa por su interior. Una segunda película describe el resultado de un agujero negro rasgando la superficie solar.
Marc Kamionkowski, profesor de física y astronomía en la Universidad Johns Hopkins, dijo que el trabajo sirve como un conjunto de herramientas para la detección de agujeros negros primordiales, dado que Hanasoge y Kesden han proporcionado un método completo y preciso que aprovecha las actuales observaciones solares. Kamionkowski es un físico teórico conocido por su trabajo con estructuras a gran escala y la historia temprana del universo, y aunque no participó en el proyecto, está familiarizado con él.
“Se sabe que a medida que un agujero negro primordial se acerca a una estrella, tiene un efecto, pero ésta es la primera vez que los cálculos son numéricamente precisos”, dijo Kamionkowski.
“Ésta es una idea inteligente que aprovecha las observaciones y mediciones ya realizadas por los físicos solares. Es como si alguien te llama para decir que puede haber un millón de dólares en tu felpudo. Si resulta no ser cierto, tampoco te costará nada a mirar. En este caso, es posible que haya materia oscura en los conjuntos de datos que ya tienen los astrónomos, ¿por qué no mirar?”
Un aspecto importante de la técnica de Kesden y Hanasoge, comenta Kamionkowski, es que se reduce una brecha significativa en la masa que puede detectarse por los métodos existentes de arrastre de agujeros negros primordiales.
La búsqueda de agujeros negros primordiales se ha visto por el momento limitada a masas que son demasiado pequeñas para incluir un agujero negro, o tan grandes que “los agujeros negros habrían interferido en las galaxias de formas tan atroces que nos habríamos dado cuenta”, dijo Kamionkowski. “Los agujeros negros primordiales se han descuidado un poco y creo que es porque no ha habido una única idea bien motivada de cómo encontrarlos dentro del rango en el que probablemente podrían existir”.
El actual rango de masas en el que podrían observarse agujeros negros primordiales se estableció en base a anteriores observaciones directas de la radiación de Hawking – las emisiones de un agujero negro a medida que se evapora en rayos gamma – así como de la curvatura de la luz alrededor de grandes objetos estelares, dice Kesden. La diferencia de masa entre estos fenómenos, sin embargo, es enorme, incluso en términos astronómicos. La radiación de Hawking sólo puede observarse si la masa del agujero negro que se evapora es menor de 100 000 billones de gramos. En el otro extremo, un objeto debe ser mayor de 100 cuatrillones (24 ceros) de gramos para que la luz se curve visiblemente a su alrededor. La búsqueda de agujeros negros primordiales cubrió una franja de masa que se extiende en un factor de 1000 millones, explicó Kesden – similar a la búsqueda de un objeto desconocido con un peso cualquiera entre una moneda y un camión basculante.
Él y Hanasoge sugieren una técnica para dar al rango un necesario recorte y establecieron unos parámetros más específicos para detectar un agujero negro primordial. La pareja encontró en sus simulaciones que un agujero negro primordial de más de 1000 trillones (21 ceros) de gramos – aproximadamente la masa de un asteroide – produciría un efecto detectable en la superficie de una estrella.
“Ahora que sabemos que los agujeros negros primordiales pueden producir vibraciones perceptibles en las estrellas, podríamos tratar de observar una muestra más grande de estrellas aparte de nuestro propio Sol”, señala Kesden.
“La Vía Láctea tiene 100 000 millones de estrellas, por lo que debería haber alrededor de 10 000 eventos detectables cada año en nuestra galaxia, si supiéramos dónde buscar”.
Esta investigación fue financiada con becas de la NASA y la Beca Postdoctoral  James Arthur de la Universidad de Nueva York.


Fuente | Ciencia Kanija

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Cúmulos de galaxias validan la Teoría de Einstein

Poner a prueba la gravedad es simple: salta desde la ventana del segundo piso y mira qué pasa. Es mucho más difícil poner a prueba la teoría de la gravedad de Albert Einstein – la Teoría de la Relatividad General – que dice que la masa de un objeto curva el espacio y el tiempo a su alrededor. Aunque los investigadores han demostrado la relatividad general en la escala del sistema solar, la validación a escalas cósmicas ha sido más difícil. Eso es exactamente lo que ha hecho ahora un grupo de astrofísicos en Dinamarca.
Los investigadores, encabezados por Radek Wojtak del Instituto Niels Bohr en la Universidad de Copenhague, se propusieron poner a prueba una predicción clásica de la relatividad general: que la luz pierde energía conforme escapa de un campo gravitatorio. Cuanto más fuerte sea el campo, mayor será la pérdida de energía sufrida por la luz. Como resultado, los fotones emitidos desde el centro de un cúmulo de galaxias – un objeto masivo que contiene miles de galaxias – debería perder más energía que los fotones que llegan desde el borde del cúmulo, ya que la gravedad es más fuerte en el centro. Y así, la luz que emerge del centro debe tener una longitud de onda más larga que la luz procedente de los bordes, moviéndose hacia el extremo rojo del espectro de luz. El efecto se conoce como desplazamiento gravitatorio al rojo.

Wojtak y sus colegas sabían que la medición del desplazamiento gravitatorio al rojo dentro de un único cúmulo de galaxias sería difícil, debido a que el efecto es muy pequeño y tiene que separarse del desplazamiento al rojo causado por la velocidad orbital de las galaxias individuales dentro del cúmulo y el desplazamiento al rojo provocado por la expansión del universo. Los investigadores abordaron el problema haciendo un promedio de los datos recopilados a partir de 8000 cúmulos de galaxias por el Sloan Digital Sky Survey. Se tenía la esperanza de detectar el desplazamiento gravitatorio al rojo “mediante el estudio de las propiedades de la distribución de desplazamiento al rojo de galaxias en los cúmulos, en lugar de mirar los desplazamientos al rojo de galaxias individuales por separado”, explica Wojtak.
Efectivamente, los investigadores descubrieron que la luz de los cúmulos estaba desplazada hacia el rojo en proporción a la distancia desde el centro del cúmulo, según lo predicho por la relatividad general. “Pudimos medir pequeñas diferencias en el desplazamiento al rojo de las galaxias y ver que la luz procedente de las galaxias en el centro de un cúmulo tenía que ‘arrastrarse’ a través del campo gravitatorio, mientras que la luz de las galaxias exteriores surgía con mayor facilidad”, comenta Wojtak. Los hallazgos aparecen on-line hoy en Nature.
Además de confirmar la relatividad general, los resultados apoyan el modelo del universo de Materia Oscura Fría Lambda, un modelo cosmológico ya popular según el cual la mayor parte del cosmos se compone de un material invisible que no interactúa con la materia que forma estrellas y planetas. La prueba también presta apoyo a la energía oscura, la misteriosa fuerza que parece estar separando el universo.
David Spergel, astrofísico de la Universidad de Princeton, felicita a Wojtak y sus colegas por “combinar inteligentemente” un gran conjunto de datos de cúmulos para detectar un “efecto sutil”. Spergel comenta que: “Ésta es otra victoria para Einstein. … Esta prueba sobre los cúmulos sugiere que vivimos en un universo extraño con materia y energía oscuras, pero uno en el que la Teoría de la Relatividad de Einstein es válida a gran escala”.
Fuente | Ciencia Kanija

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Los astrónomos predicen que Plutón tiene un anillo

El polvo procedente de los satélites de Plutón debería formar un tenue anillo alrededor del planeta enano, de acuerdo con los nuevos cálculos.

Hasta hace poco, el único anillo del Sistema Solar era el de Saturno. Pero en las décadas de 1960 y 1970 los astrónomos descubrieron anillos alrededor de Urano y Neptuno. Mientras tanto, la nave Voyager 1 enviaba imágenes hacia la Tierra del anillo de Júpiter.


                  Sistema de lunas de Plutón © Crédito NASA/ESA


Está claro que estos anillos son mucho menos impresionantes que los de Saturno, pero las implicaciones están claras: Los anillos parecen mucho más comunes de lo que los astrónomos pensaron en una época. Tal vez incluso sean la norma.



Y esto genera una interesante pregunta: ¿Podría Plutón tener un anillo?

Las pruebas observacionales dicen que Plutón no tiene un anillo. Las mejores imágenes son del Telescopio Espacial Hubble, y no muestran nada.

Pero hoy, Pryscilla Maria Pires dos Santos y sus colegas de la Universidad Estatal UNESP-São Paulo en Brasil dicen que Plutón debería tener un anillo, pero uno que es demasiado tenue para que lo vea Hubble.

Su conclusión proviene de modelar la forma en la que los impactan los micrometeoritos en los satélites de Plutón. Nix e Hydra deberían mandar polvo a lo órbita del planeta enano.

Este polvo cae en espiral inevitablemente hacia Plutón y sus satélites debido a su interacción con el viento solar. De esta forma, el polvo es eliminado de la órbita.

Pero eso no significa que no pueda formar un anillo. La cuestión importante es si el polvo puede reemplazarse tan rápidamente como se elimina.

Pires dos Santos y compañía calculan que el polvo inicialmente forma un anillo de unos 16 000 km de anchura, englobando las órbitas tanto de Nix como de Hydra. Sin embargo, el viento solar elimina el 50 por ciento del polvo en un año.

Aun así, esto deja suficiente para formar un anillo, aunque uno extremadamente tenue. “Un anillo tenue…puede mantenerse gracias a las partículas de polvo liberadas desde las superficies de Nix e Hidra”, dicen Pires dos Santos y sus colegas.

Calculan que su transparencia (o profundidad óptica) tiene un valor de 10-11. En comparación, el anillo principal de Urano tiene una transparencia de entre 0,5 y 2,5.

Hubble debería ser capaz de ver un anillo alrededor de Plutón con una transparencia de aproximadamente 10-5, por lo que no es una sorpresa que no haya visto el anillo que predice el equipo brasileño. No hay forma de ver tal anillo directamente desde la Tierra.

Afortunadamente, hay una forma de zanjar el tema.

La nave New Horizons está actualmente en camino hacia Plutón, no equipada con una cámara capaz de ver el anillo sino con un contador de polvo que podría hacer el trabajo en su lugar. Si esta sonda se encuentra incluso en la más ligera nube de polvo cuando llegue el 14 de julio de 2015, finalmente lo sabremos con seguridad.

Fuente | Ciencia Kanija





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Una Tierra sin Luna podría potencialmente dar soporte a la vida

Los científicos han creído desde hace mucho tiempo que, sin nuestra Luna, la inclinación de la Tierra variaría mucho con el tiempo, de cero grados, donde el Sol permanece sobre el ecuador, a 85 grados, donde el Sol brilla casi directamente sobre uno de los polos.

La estabilidad de un planeta tiene un efecto en el desarrollo de la vida. Un planeta que se vea moviéndose sobre su eje conforme orbita al Sol experimentaría grandes fluctuaciones en el clima, lo cual podría potencialmente afectar a la evolución de la vida compleja.


Tierra y Luna © Crédito: NASA


Sin embargo, nuevas simulaciones demuestran que, incluso sin Luna, la inclinación del eje de la Tierra – conocida como oblicuidad - variaría sólo unos 10 grados. La influencia de otros planetas del Sistema Solar podría haber mantenido estable a una Tierra sin Luna.

El efecto estabilizador que nuestra gran Luna tiene sobre la rotación de la Tierra, por tanto, puede no ser tan crucial para la vida como se pensaba anteriormente, de acuerdo con un artículo de Jason Barnes de la Universidad de Idaho y sus colegas, que se presentó en una reciente reunión de la Sociedad Astronómica Americana.

La nueva investigación también sugiere que no se necesitan lunas para que otros planetas del universo sean potencialmente habitables.


Cuando gira el mundo

Debido al tirón gravitatorio de su estrella, el eje del planeta rota como la peonza de un niño a lo largo de decenas de miles de años. Aunque el centro de gravedad permanece constante, la dirección de la inclinación se mueve con el tiempo, o precesa (como dicen los astrónomos).

De forma similar, el plano orbital de un planeta también precesa. Cuando los dos están sincronizados, la combinación puede provocar que la oblicuidad total del planeta oscile caóticamente. Pero la gravedad de la Luna terrestre ha demostrado tener un efecto estabilizador. Acelerando la precesión rotacional de la Tierra y manteniéndola desincronizada respecto a la órbita de precesión, minimiza las fluctuaciones, creando un sistema más estable.

En lo que se refiere a las lunas de planetas terrestres, la de la Tierra tiene el mayor tamaño – sólo unos cientos de veces menor que su propio planeta padre. En comparación, Marte es unas 60 millones de veces más masivo que su mayor luna, Fobos.

La diferencia es sustancial, y por una buena causa – mientras que las lunas marcianas parecen ser asteroides capturados, los científicos creen que la Luna terrestre se formó cuando un cuerpo del tamaño de Marte impactó con nuestro joven planeta, haciéndolo pedazos que luego se consolidarían en el satélite lunar – un satélite que afecta a la inclinación del planeta.

Los científicos estiman que sólo un uno por ciento de cualquier planeta terrestre tendrá una luna sustancialmente grande. Esto significa que la mayor parte de tales planetas se espera que tengan cambios masivos en su oblicuidad.

El tirón de los planetas

Aunque la Luna terrestre proporciona algo de estabilidad, los nuevos datos revelan que el tirón de otros planetas que orbitan el Sol – especialmente Júpiter – evitaría que la Tierra oscilara demasiado, a pesar de su caótica evolución.

“Debido a que Júpiter es el más masivo, realmente define el plano medio del Sistema Solar”, comenta Barnes.

Sin la Luna, Barnes y sus colaboradores han determinado que la oblicuidad terrestre variaría sólo de 10 a 20 grados a lo largo de 500 millones de años.

Esto no parece mucho, pero los cambios de 1 a 2 grados que exhibe actualmente el planeta se cree que son responsables en parte de las Edades de Hielo.

De acuerdo con Barnes, el desplazamiento actual es un “pequeño efecto, pero en combinación con el clima actual de la Tierra, provoca grandes cambios”.

Aun así, un cambio de 10 grados no es un problema grave cuando se trata de la vida. “Tendría efectos, pero no evita el desarrollo de vida inteligente a gran escala”.

Además, si Júpiter estuviese más cerca, explica Barnes, la órbita de la Tierra precesaría con más rapidez, y la Luna haría que el planeta fluctuase más en lugar de menos.

“Una luna puede estabilizar o desestabilizar, dependiendo de qué pasa en el resto del sistema”, apunta.

Las ventajas de un giro inverso

El equipo también determinó que los planetas con un movimiento hacia atrás, o retrógrado, deberían tener variaciones menores que aquellos que giran en la misma dirección que su estrella madre, a pesar de una gran luna.

“Pensamos que la rotación inicial debería ser aleatoria”, comenta Barnes. “Si es así, la mitad de los planetas no tendrían problemas con las variaciones en oblicuidad”.

¿Qué determina la forma en que gira un planeta? Sospecha que “lo que sea que impacte por última vez con el planeta establece su tasa de rotación”.

Una probabilidad de precesión retrógrada de un 50%, combinado con la probabilidad de que otros planetas del sistema eviten que su inclinación sea muy brusca, indica que podría haber más planetas terrestres habitables. Barnes aventura una estimación de un 75% de los planetas rocosos en la zona habitables pueden ser lo bastante estables para que la vida evolucione en ellos, Aunque señala que se necesitan estudios adicionales para confirmar o refutar esto.

En comparación, la idea anterior de que se necesitaba una gran luna para una inclinación constante dejaba a apenas un 1% de los planetas terrestres con un clima estable.

“Una gran luna puede estabilizar un planeta”, señala Barnes”, pero en la mayor parte de los casos no es necesario”.


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