The Big Bang Theory

Si leés este blog seguro escuchaste hablar del Big Bang. En general se usa la expresión para referirse a los instantes iniciales de expansión del universo. El nombre, que significa literalmente Gran Estruendo (aunque en castellano suele traducirse como Gran Explosión), el nombre, decía, se presta a una imaginación inexacta del fenómeno. De hecho, fue inventado por un —influyente— opositor de la teoría, con la intención de ridiculizarla. En todo caso, el nombre es muy marketinero, y está aquí para quedarse. Más aún cuando, hoy por hoy, el Big Bang tiene sólidas bases observacionales.

La razón por la cual una "gran explosión" no es una visualización correcta del Big Bang es que el espacio mismo, y el tiempo inclusive, se originaron en el evento. No es algo que ocurrió allá, en algún rincón remoto del universo. ¿Pero cómo se lo representa habitualmente? Como una explosión descomunal, ocurriendo ahí, en el centro de la pantalla, como vimos en el primer capítulo de Cosmos:

Yo, la verdad, no sé qué habría que hacer. Es que es algo difícil de imaginar, una explosión ocurriendo en todo el espacio, ¿no? Pero es así. El Big Bang ocurrió en todo el espacio.

Tal vez ésto es mejor. El Big Bang ocurrió aquí:

Menos dramático, ¿no? Pero si uno lo piensa da un escalofrío. Claro, también ocurrió en la vertiginosa lejanía del espacio profundo. Regiones lejanas hoy, justamente porque el universo se expandió, y lo sigue haciendo. El espacio entre mis manos que fotografié el día que escribí esta nota es hoy, cuando la estás leyendo, un poquito más amplio. ("Si el universo se expande, ¿por qué es tan difícil encontrar lugar para estacionar?", se pregunta Woody Allen creo que en Días de Radio.)

Termino con esta foto reciente del Telescopio Espacial Hubble, que me inspiró para esta nota. Es una de esas exposiciones descomunales que hace el Hubble, 50 mil segundos en un cachito de cielo del tamaño de la bolita de una birome sostenida con el brazo extendido. Hay miles de galaxias en la imagen, drásticamente reducida para meterla en esta columna. (No dejen de explorar la versión original de 3900×3900 píxels.) Pero también hay estrellas, estrellas de nuestra galaxia, a unos pocos miles de años luz de nosotros. Las estrellas son las que tienen "rayitos", fíjense. La galaxia más cercana que podamos ver por ahí está a cientos de millones de años luz. Las galaxias del centro de la foto forman un cúmulo que se encuentra a cinco mil millones de años luz. Y detrás de ellas, con su imagen distorsionada y amplificada por la propia gravedad del cúmulo de galaxias, hay un quásar a nueve mil millones de años luz, de cuando el universo era bien jovencito, cuando nuestro Sol ni siquiera existía. Lo que se dice profundidad de campo, ¿no?

Y el Big Bang ocurrió en todos lados, entre mis manos, y en todo el espacio hasta esas estrellas, y entre las galaxias del cúmulo, y más allá del quásar. A veces no hay dramamine que alcance.

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Créditos de las imágenes: La explosión está tomada de Cosmos, A Spacetime Odyssey, (2014, Fox). Con ciertas reservas (bueno, con un montón de reservas), me gustó la serie. Espero que resulte tan inspiradora de una generación como lo fue Cosmos, Un Viaje Personal, de Carl Sagan, cuando yo era adolescente. La foto del cúmulo de galaxias es de NASA/ESA/STScI. Fue publicada en abril de 2014 aquí. Vayan a explorar la versión gigante que está llena de preciosuras.

Derecho al fondo

Más allá de los planetas, más allá de las estrellas, más allá de la Vía Láctea, atravesando el inimaginable vacío del espacio intergaláctico, más allá de las galaxias más lejanas, vemos la oscuridad de la noche. Negrura total, por lo menos en la parte visible de la luz. Pero un resplandor invisible y muy tenue nos llega de todos lados, como de un rescoldo muy muy frío. El rescoldo de una fogata apagada también tiene un brillo invisible. No podemos verlo, pero podemos sentirlo. Si acercamos la palma de la mano podemos sentir esa luz invisible, la radiación infrarroja. Pero el rescoldo del espacio es más frío aún, no es ni siquiera radiación infrarroja. No podemos sentirlo con la mano. Son microondas. Como si hubiera algo, un muro helado a 270°C bajo cero rodeándonos por todos lados. ¿Estamos encerrados?
 
La luz de todas esas estrellas, de todas esas galaxias, viene hacia nosotros con una velocidad finita, los famosos 300 mil kilómetros por segundo. De manera que cuanto más lejos miramos, más antiguo es lo que vemos. Ese muro helado de microondas viene del fondo de todo, es un fósil de 13800 millones de años de antigüedad.

Es el universo bebé. El universo cuando tenía apenas 380 mil años. ¿Bebé? Un bebé de 380 mil años... parece mucho. Pero comparémoslo con 13800 millones de años, la edad del universo. Así no parece tanto. Comparado con una vida humana de 80 años, son las primeras 20 horas de vida. Es realmente la edad de un bebé, ¡y un bebé muy joven!

Este rescoldo de radiación ancestral fue descubierto de casualidad por Arno Penzias y Robert Wilson el 20 de mayo de 1964, hace exactamente 50 años al momento de escribir estas líneas. Penzias y Wilson lo descubrieron con una antena en forma de cuerno, de 6 metros de largo, diseñada para detectar las ondas de radio reflejadas en los primeros satélites de comunicaciones (que eran simplemente unos globos metálicos gigantes en órbita, llamados Echo). La señal de estas comunicaciones era tan débil que se necesitaba conocer todas las posibles interferencias, tanto de otras antenas terrestres, de radio, de radar, etc, como de fuentes extraterrestres, el Sol, la Vía Láctea... Enfriaron el detector con helio líquido a -269°C, y barrieron el cielo en elevación. A pesar de sus esfuerzos (que incluyeron rasquetear la caca de las palomas que insistían en anidar en la acogedora antena) no lograban eliminar una persistente señal que, día y noche, les llegaba por igual de todo el cielo. Finalmente se convencieron de que era real, y expresaron su intensidad con la temperatura del cuerpo negro equivalente: 3K, 3 Kelvins, 270 grados Celsius bajo cero.

Un cuerpo negro a esa temperatura produce radiación electromagnética en todo el espectro, como ya hemos contado, con una forma muy precisa conocida desde la última Navidad del siglo XIX. El pico, el máximo de la intensidad de esta radiación, está en los 160 GHz, que corresponde a las microondas milimétricas (a diferencia de las estrellas como el Sol, que emiten más intensamente en la parte visible del espectro electromagnético). De todos modos, Penzias y Wilson midieron en una sola frecuencia centimétrica con su primitivo detector, 4080 MHz, según reza inocentemente el título de su trabajo en el Astrophysical Journal: A measurement of excess antenna temperature at 4080 Mcs.

Este fondo cósmico de microondas había sido predicho años antes por los cosmólogos que impulsaban la hipótesis que ya entonces se llamaba Big Bang para el origen del universo. Gamow, quien ya apareció por aquí, fue el primero, si no recuerdo mal. Las microondas de Penzias y Wilson vinieron como anillo al dedo. Hoy por hoy, 50 años después, son la mejor evidencia que tenemos de que el universo realmente comenzó con un Big Bang.

Al cumplirse un aniversario tan redondo, y aprovechando la nota de la semana pasada sobre el cuerpo negro, me parece adecuado contar algo sobre estas cosas. Son la piedra fundamental de la cosmología, y todo el mundo debería conocerlas como quien conoce, no sé, al Quijote, a Hamlet, a la Gioconda o la Quinta de Beethoven. Seguiré la próxima semana, a la misma batihora, y por el mismo baticanal...

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Las fechas están redondeadas para claridad de la lectura. Para los curiosos y los fanáticos de las cifras exactas (entre los cuales no me incluyo): la edad del universo es de 13798 ± 37 millones de años (medida por el observatorio espacial Planck); el fondo cósmico de microondas se formó 377 mil años después en un fenómeno que se llama recombinación (pero no fue un momento exacto, fue un proceso rápido que no viene al caso).

La foto de la antena es de Wikipedia, usuario Fabioj.

Cuerpo negro

Sigamos con la desmitificación de los agujeros negros que comenzamos hace poco. Hoy me voy a ocupar de algo que cada tanto me preguntan: ¿qué es un cuerpo negro? ¿Es lo mismo que un agujero negro? ¡¿Cómo que una estrella es un cuerpo negro, si es re-brillante?! Radiación de cuerpo negro, temperatura de cuerpo negro... Es terminología que suele aparecer en explicaciones astronómicas, y no siempre resulta obvio a qué se refiere, ni su relación con las estrellas, con los agujeros negros, con la radiación electromagnética, con la Mecánica Cuántica...

La radiación de cuerpo negro es la radiación electromagnética emitida por un objeto negro que ha alcanzado un equilibrio térmico con su entorno. La expresión "cuerpo negro" puede resultar confusa, pero un cuerpo negro no es más que un objeto negro ideal. El carbón vegetal y el negro de humo son buenas aproximaciones. La intensidad de la radiación en cada longitud de onda emitida tiene una forma matemática precisa que depende exclusivamente de la temperatura del objeto. Este punto es crucial, y su descubrimiento, así como el de la forma matemática, es uno de los momentos culminantes de la Física del siglo XIX. (Ver nota sobre el tema aquí.)

"¿Pero de qué radiación me estás hablando, si es negro?" El adjetivo "negro" se debe a que, a temperatura ambiente, un cuerpo negro se ve negro, ya que casi toda su radiación está en la parte infrarroja del espectro electromagnético que, como lo esencial, es invisible a los ojos. Las estrellas son "cuerpos negros" en el sentido de la física, aunque no sean negras. A sus temperaturas de miles de grados, por el contrario, brillan intensamente en la parte visible de las ondas electromagnéticas. Lo mismo ocurre con el carbón vegetal cuando hacemos asado, ¿no? Empieza a brillar visiblemente a medida que está cada vez más caliente.

La importancia de la radiación de cuerpo negro en la Física es doble. Por un lado, sirve como referencia de la radiación emitida por cualquier objeto, aunque no esté en equilibrio con su entorno. De hecho, la diferencia sirve precisamente para caracterizar ese desequilibrio.

Por otro lado, es una herramienta conceptual fundamental en la Física teórica. Max Planck, quien en 1900 desentrañó la expresión matemática que describe esta radiación, descubrió que las vibraciones del campo electromagnético estaban cuantizadas en el interior del cuerpo negro, es decir no todas las energías estaban permitidas. Su propuesta (un "acto desesperado", según sus propias palabras) resolvió una maraña de varias décadas, que tenía el marketinero nombre de "catástrofe ultravioleta", unificando las descripciones que habían propuesto para la radiación de cuerpo negro otros genios del siglo XIX: Jozef Stefan, Ludwig Boltzmann y Wilhelm Wien. En 1905 Albert Einstein propuso que el campo electromagnético mismo (fuera del cuerpo) estaba también cuantizado como proponía Planck, y que esto explicaba un misterio del fenómeno fotoeléctrico. Este descubrimiento le valió a Einstein el Premio Nobel de Física en 1921. No, no fue por la Teoría de la Relatividad como suele creerse. Estos dos descubrimientos abrieron la puerta para la más profunda revolución en la Física desde el Renacimiento, o tal vez desde los Griegos, la Mecánica Cuántica, sobre la que se basa íntegramente nuestra civilización tecnológica.

¿Y los agujeros negros? Los agujeros negros son cuerpos negros casi perfectos, emitiendo radiación que eventualmente los haría desaparecer, evaporarse. Su temperatura depende de manera inversa con la masa, de manera que los más chiquitos son más "calientes", y se evaporarían más rápido. Los gigantes que viven en el corazón de las galaxias, con masas enormes, son muy "fríos", radian poco, y serían longevos. Por ahora, sin embargo, ninguna de estas características de los agujeros negros ha sido verificada mediante observaciones (mayormente porque lo que vemos es la radiación del disco de acreción, y no la radiación de cuerpo negro emitida por el agujero propiamente dicho).

Seguiré en otro momento, por ahora basta esta pastillita...

Los cuatro rincones del mundo

En diciembre, vagabundeando por el barrio de Kensington mientras esperaba que abriera el Museo de Ciencias de Londres, me encontré con este negocio precioso: The Map House, y en la foto se puede ver el interés que despertaba en los peatones. Lamentablemente estaba cerrado. Pero en la vidriera había un mapa asombroso. Un mapamundi como nunca había imaginado. Aquí está.

En la vidriera de The Map House vi este extraordinario mapa de la Tierra Cuadrada y Estacionaria. Pasen y vean:

Esta loquísima interpretación de nuestro planeta es obra de un tal Orlando Ferguson, de South Dakota. Profesor Ferguson. No vayan a creer que el Profesor Ferguson desarrollaba su obra de divulgación gratuitamente. No señor: si uno le mandaba 25 centavos, aparentemente recibía un libro que explicaba las razones de esta disparatada "teoría", que estaría sustentada por la Sagrada Escritura (por eso hay "cuatro ángeles en las cuatro esquinas de la Tierra"). Por lo que dice, el libro valía su peso en oro. 

 

El reflejo en la vidriera tal vez no les permita apreciar claramente el hecho, pero sí: la Luna y el Sol son dos lámparas colgadas de unos descomunales brazos móviles, articulados en un poste que sostiene a la estrella polar. Dejando de lado este "modelo mecánico" que parece tan fuera de lugar a fines del siglo XIX, lo más increíble es la forma de la superficie terrestre. Tiene la forma de un exprimidor de fruta, con el hemisferio norte convexo hasta la latitud aproximada de México, y luego una concavidad que alcanza su mínimo un poco al sur del Ecuador. Desde allí la superficie se eleva hasta los glaciares colgantes de la Antártida. Vale decir que la Gravitación, desarrollada dos siglos antes, no permite que los océanos adopten esa forma sin chorrearse al fondo del cuenco. Pero a quién le importa.

La dificultad más obvia es la falta de horizonte en la mayor parte de esta superficie. Me pregunto si al Profesor Ferguson le habrá temblado la lapicera mientras dibujaba la concavidad de Sudamérica, y pensaba en el hecho de que le bastaría con alzar la vista al cielo, mirando al Sudeste, para ver nuestra parte del continente. Una maravilla: las selvas amazónicas, las pampas, la Cordillera de los Andes, los fiordos de Chile, todo, todo, colgando del cielo a la vista de los norteamericanos. Y correspondientemente, nuestros paisanos verían en el cielo del noroeste las Rocosas, el Gran Cañón del Colorado, las Cataratas del Niágara. Me hace acordar a la Tierra Hueca del Capitán Byrd, y la vuelta de tuerca que recibió ese disparate durante el nazismo, de que nosotros estamos adentro.

Aparentemente estas dificultades no le preocupaban a Orlando. Tal vez ni se le ocurrían. Lo único que lo movía eran los cuatrocientos versículos de la Biblia que (según él) favorecían su Tierra Cuadrada y Estacionaria:

Cerca del borde derecho hay un dibujo que pretende motivar la cuadratura y la quietud de la Tierra poniendo en ridículo la idea de la Tierra redonda y en movimiento. Aquí está el detalle. Me parece que ni vale la pena refutar esta aparente paradoja, pero el dibujo es muy gracioso.

Para los que gusten de los mapas, tengo que recomendar uno de mis blogs favoritos, donde se encuentran mapas de todo tipo, raros, locos, ridículos, fascinantes, ingeniosos... Es Strange Maps. Le escribí al autor comentándole este mapa y resultó que ya lo había contado en Strange Maps. La nota está aquí, y vale la pena. Hay una versión digital de alta definición del mapa, aparentemente hecha a partir del único original sobreviviente del mapa de Ferguson, que tal vez sea el que cuelga en la vidriera de The Map House.

En el Cielo la Vía Láctea

Los Premios Ig Nobel, entregados anualmente por la organización Improbable Research, son una fuente inagotable de risa y reflexión. Según la propia organización, la Investigación Improbable es aquélla que primero te hace reir, y después de deja pensando. Los Premios Ig Nobel, cuyo nombre parodia a propósito a los prestigiosos Premios Nobel, celebran a los más destacados investigadores en esa frontera difusa.

Tan difusa que las categorías mismas son un poco disparatadas, y cambian todos los años. Nuestro amigo Diego Golombek y sus colaboradores ganaron el Premio Ig Nobel de Aviación en 2007, con su inefable trabajo sobre el efecto del Viagra en el jet-lag de los hámsters. El que no haya visto a Diego contar la experiencia, así como lo que realmente significa lo que aprendieron con esta investigación, no sabe lo que se pierde.

El año pasado se entregó un premio conjunto de Biología y Astronomía. ¿Algún sesudo y simpático análisis de esteroides en los asteroides? Nada de eso. El premio fue para un grupo de zoólogos que descubrió que el escarabajo estercolero sudafricano, cuando se pierde, ¡puede navegar observando la Vía Láctea!

Muchos animales usan el Sol o la Luna para navegar. Unos pocos (nosotros, algunos pájaros, algunas focas) pueden usar las estrellas para navegar en las noches sin Luna. Sólo los seres humanos, parecía, somos conscientes de la franja lechosa que, además de las estrellas, cruza el cielo en las noches sin Luna. Bueno, no: los estercoleros también. Lo descubrieron mediante una serie de ingeniosos experimentos, que incluyeron taparle los ojos que miran hacia arriba (sí, estos coleópteros tienen un par de ojos dorsales), meterlos adentro de un planetario para simular distintas situaciones del cielo, y por supuesto observarlos durante las noches de octubre, cuando la Vía Láctea está cerquita del horizonte al caer la noche.

Este gráfico es uno de los resultados que lo demuestran. Está representado el tiempo que le lleva a los escarabajos salir desde el centro de una arena circular rodeada de una alta pared negra (empujando sus pelotas de estiércol, naturalmente). Cuando hay luna lo hacen en 20 segundos. Sin luna, pero con el cielo estrellado, tardan más o menos el doble. Pero si está nublado, o si les tapan el campo visual hacia arriba, el tiempo de salida se alarga a 2 minutos. En el campo, por supuesto, no se pueden eliminar las estrellas (que en su mayor parte recorren la Vía Láctea) y dejar sólo el resplandor nebuloso de la Galaxia. Pero en un planetario sí, y los bichos se las arreglan para orientarse sólo con su nebulosidad, y salir de la arena casi en el mismo tiempo que con el cielo estrellado, en 50 segundos.

Vale la pena aclarar que no se mueven ni a lo largo de la Vía Láctea, ni perpendicularmente, ni hacia la Luna cuando está en el cielo, etc. Pueden caminar en cualquier dirección que prefieran para transportar su valiosa carga, sólo usan las pistas celestes como referencia para mantener una dirección constante. Aparentemente, les interesa alejarse lo antes posible de la pila de estiércol para evitar que algún compañero les robe la carga.

¡Escarabajos! ¡Son artrópodos, con una vida elemental y un cerebro minúsculo! Sin embargo, de manera instintiva y diminuta, estos bichos experimentan su propia conexión con el cosmos. ¿Qué más verán en el cielo los animales? ¿Qué verán en nosotros?

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El artículo es: Dacke M et al., Dung beetles use the Milky Way for orientation, Current Biology (2013) 23:298-300, de donde está tomado el gráfico. La foto la tomé de una nota de la BBC, y tiene crédito de la revista y los autores.