12/07/2025

Doce cosas que (tal vez) no sabías sobre el Big Bang

Continuando con la serie de Doce cosas, aquí les traigo la posta sobre el Big Bang. Por ahora tenemos: Doce cosas que (tal vez) no sabías sobre el Sol, Doce cosas que (tal vez) no sabías sobre las constelaciones, y la nueva de hoy. 

1. El Big Bang no es una explosión. La expresión fue inventada por un opositor a la teoría para referirse al estado inicial del universo de manera despectiva. Pero un nombre marketinero nunca muere, por más inexacto que sea. El Big Bang no es una explosión, es el estado denso y caliente del universo primitivo.

2. El Big Bang ocurrió en todos lados. Siempre se lo representa como una explosión ocurriendo ahí, en algún lugar del espacio, tal vez con la silueta de Neil deGrasse de espaldas a nosotros como testigo privilegiado. Pero el Big Bang no fue una explosión, y no ocurrió en un lugar del espacio. Todo el universo era denso y caliente, y se expandía rápidamente. Todo. El Big Bang ocurrió aquí, entre la tecla F y la tecla H de mi teclado, por ejemplo.

3. Tres físicos entran a un bar... Un cura belga, un aviador soviético y un señor del país anteriormente llamado Holanda, fueron los pioneros de la teoría, que nació incluso antes de que Edwin Hubble encontrara la primera evidencia de que el universo se estaba expandiendo. Explorando las consecuencias de la teoría de la relatividad de Einstein, el padre Georges Lemaître llegó a la conclusión de que el universo tenía que estar expandiéndose, y en una reunión mundial de astronomía lo convenció a Hubble de que usara su recientemente descubierta técnica de medir la distancia a las galaxias para explorarlo. Jugó también un rol fundamental Willem de Sitter, que en la Holanda neutral durante la Primera Guerra Mundial hizo de nexo entre los físicos alemanes y los aliados. Se escribía con Einstein mediante postales, ya que habían descubierto que la censura bélica no las revisaba como hacían con las cartas. De Sitter fue un defensor de la constante cosmológica como causante de la expansión, una idea similar a la de la inflación cósmica y la energía oscura. Por su parte, Alexander Friedmann encontró la ecuación de movimiento del universo, es decir la manera en que el universo se expande. La solución de la ecuación de Friedmann, para el caso de una métrica plana (la que favorecen las observaciones actuales), se llama universo de Einstein-de Sitter. Volviendo de su luna de miel, en una estación de tren, Friedmann compró una pera, la comió sin lavarla, y se murió.

4. Si el universo se estaba expandiendo, como sugería el descubrimiento de la recesión de las galaxias y describía la teoría general de la relatividad, en el pasado tenía que haber sido más chico. Y en el pasado lejano, muy chico, y caliente (el Big Bang). Un objeto caliente, brilla. Y el brillo emitido por ese universo caliente primigenio todavía debería estar entre nosotros. Otro físico soviético, George Gamow, predijo su existencia en los años 30's y calculó en qué región del espectro electromagnético debía estar. Esa radiación, en la frecuencia de las microondas, recién fue observada tres décadas después, en los 60's, por Arno Penzias y Robert Wilson. El descubrimiento de este fondo cósmico de microondas fue casual, mientras calibraban una antena para probar las primeras comunicaciones vía satélite. Tenían una "estática" que no lograban eliminar, ni siquiera después de rasquetear lo que llamaron "material dieléctrico blanco" que las palomas depositaban en el interior de la antena. Era tal como lo habían predicho 30 años antes. A veces las cosas llevan tiempo.

5. El tamaño del  universo. Uno suele imaginar que el universo era súper chiquito en ese estado denso y caliente original. En algún momento, efectivamente, fue muy chiquito. Pero en el momento en que los fotones del fondo cósmico de microondas empezaron su viaje, un evento que los astrónomos llaman recombinación, no era tan chiquito. Medía unos 40 millones de años luz de radio, como de acá al cúmulo de Virgo. No había estrellas ni galaxias, sólo una inmensa masa (1083 átomos) de hidrógeno y helio a unos 3000 grados, llenando todo el universo de manera pareja y uniforme. Esto fue cuando el universo tenía 380 mil años.

6. Antes sí, fue mucho más chiquito y más caliente. En algún momento la temperatura fue la adecuada para que ocurrieran reacciones nucleares, como en el centro de las estrellas. El mismo George Gamow, junto con su alumno Ralph Alpher, en la década del 40 calcularon la física nuclear en ese estado, y encontraron que cuando el universo tenía 3 minutos de edad se formaron los núcleos de los átomos primordiales: hidrógeno en un 75%, 25% de helio, y muy poquito deuterio, helio-3 y litio. Gamow, que era muy chistoso, incluyó entre los autores a Hans Bethe, sin decirle nada, para que la lista de autores fuera Alpher, Bethe, Gamow, que suenan como las primeras letras del alfabeto griego. El trabajo, publicado en 1948, quedó inmortalizado como el paper alfa-beta-gamma

7. ¿Quién mide la edad del universo? ¿Hay algún reloj cósmico donde se pueda leer el número? No. La edad del universo no se mide, se calcula, usando una teoría matemática que incorpora todo lo que sabemos sobre la evolución del universo: la relatividad general, que describe la dinámica del espacio-tiempo, y la teoría cuántica de campos, que describe lo que le pasa a la materia. Es un modelo complicado, no son cuatro ecuaciones como la teoría del campo electromagnético de Maxwell. Y tiene un montón de parámetros, que hay que obtener de mediciones. Usando todo junto, teoría y mediciones, se calculan los demás parámetros, entre ellos la edad del universo. Hacia mediados de la década de 1990 los cálculos llevaban semanas de cómputo. Y entonces un chico argentino genial, Matías Zaldarriaga, físico de la UBA, en su trabajo de doctorado inventó un nuevo método de cálculo, que redujo el tiempo a minutos. Hoy en día podés correr tu propio cálculo en segundos, online, en servidores de la NASA: CAMB.

8. La principal fuente de datos para parametrizar el modelo es el mencionado fondo cósmico de microondas. Como las microondas no penetran bien la atmósfera terrestre (las absorbe el vapor de agua), recién en la Era Espacial tuvimos buenos datos cubriendo todo el cielo. Hubo tres generaciones de satélites: COBE, WMAP y Planck, cuyos datos finales se publicaron en 2018, casi 100 años después de que Einstein publicó la teoría. Los datos medidos por Planck tienen enorme sensibilidad y resolución espacial, y muestran que las microondas cósmicas viene de todas direcciones con asombrosa uniformidad. Los astrónomos las caracterizan como una temperatura, que resulta ser de 2.725 K (270 grados Celsius bajo cero, reíte de la ola polar). La diferencia entre los puntos un poquito más calientes y los más fríos es de una parte en 100 mil. El satélite Planck logró que la cosmología, que era un ciencia en la que los errores de medición eran por ejemplo un factor 2, alcanzara una precisión comparable a cualquier ciencia de laboratorio.

9. La uniformidad de la temperatura del fondo cósmico de microondas planteaba varios problemas. Imaginen que medimos la temperatura de todos los mates que se están tomando en este momento en la Argentina, y que nos da que todos ellos están a 75.324 °C, con precisión de un milésimo de grado. ¡Sería rarísimo! ¿Cómo puede ser, si están lejos cada uno del otro, no están en contacto, los preparó distinta gente, calentando el agua de distintas maneras, etc? Bueno, era algo así con el fondo cósmico de microondas. Tenía que haber un mecanismo físico que lo explicara. En la década de 1980 se propuso una teoría para resolver este "problema del horizonte" y otros: la inflación cósmica. La inflación, además, hizo un puñado de predicciones, casi todas las cuales fueron verificadas mediante observaciones, en particular las de Planck. Así que hoy en día la inflación forma parte del modelo cosmológico, aunque todavía hay cosas que no terminan de definirse.

10. Si el universo se hubiera originado como imaginaron Lemaître, Friedmann, Gamow, etc, en el instante inicial habría tenido tamaño nulo, densidad infinita y temperatura infinita. Esa situación se llama singularidad, y es medio imposible de tragar. Una magnitud física no puede ser realmente infinita. Aunque mucha gente sigue creyendo que ese origen singular es parte de la "teoría del Big Bang", es una creencia que atrasa 40 años. La inflación es un mecanismo que probablemente permite evitar la singularidad, y los datos de Planck apoyan el hecho de que no la hubo: la temperatura no llegó ni cerca de la llamada "escala de Planck", y mucho menos de infinito. Hay que decir que, aparte de que hay detalles que no se entienden, la inflación no es la única teoría posible para describir ese estado inicial del universo. Otro físico argentino, Jorge Pullin (este es del Balseiro), es uno de los autores de una de las alternativas, llamada Loop Quantum Gravity, que los seguidores de la sitcom The Big Bang Theory recordarán como la teoría en que se puso a trabajar Sheldon cuando se desencantó de la Teoría de Cuerdas. 

11. Así como existe un fondo cósmico de microondas, debería haber un fondo cósmico de neutrinos, producidos en las reacciones nucleares de la nucleosíntesis primordial, a los 3 minutos de edad del universo. Los neutrinos son de por sí muy difíciles de observar, ya que interactúan muy poco con el resto de la materia. Estos neutrinos, además, debido a la expansión del universo, tendrían hoy en día una energía pequeñísima (del orden de 0.000001 a 0.0001 electronvolts, para los que saben). Pero bueno, tal vez en el futuro alguien descubra cómo observarlos. Por ahora, existen apenas algunos indicios indirectos de su existencia.

12. Después de la recombinación pasaron millones de años hasta que se formaron las primeras estrellas. Millones de años nos parece mucho a nosotros, pero para el universo no es tanto. Se formaron las primeras estrellas, de puro hidrógeno y helio, los primeros agujeros negros gigantes, y las galaxias, entre ellas la Vía Láctea. Sí, la Vía Láctea es casi tan antigua como el universo, si bien evolucionó fusionándose con otras galaxias, por supuesto. Los cúmulos globulares, en particular, tan lindos de ver en el telescopio (Omega Centauri, 47 Tucanae, etc), son tan antiguos como el universo. El Sol, el sistema solar y la Tierra no son tan antiguos. Ya habían pasado generaciones de estrellas, que enriquecieron la materia de la galaxia con elementos pesados, cuando se formó el Sol, y al mismo tiempo la Tierra, en la cual muy poquito después algunas moléculas desafiaron la segunda ley de la termodinámica y se organizaron para vivir y reproducirse. La vida comenzó en la Tierra hace tal vez 4000 millones de años. No es tan antigua como el universo, pero es una fracción significativa de su existencia. Así de insignificantes como somos en la inmensidad del espacio cósmico, no somos insignificantes en la historia del universo.

13. Yapa: en la "estática" que escuchamos entre dos estaciones de radio, o entre dos canales de televisión (modelos antiguos, donde se pueda sintonizar entre estaciones), más o menos un 0.5% son fotones de la época de la recombinación. Hacelo, escuchalo: es una reliquia del universo bebé. Lo conté una vez aquí, y hace poco hice la cuenta de otra manera en el curso de Astrofísica para físicos curiosos en el Balseiro. Tal vez lo vuelva a contar.  

Les recuerdo las otras dos notas con Doce cosas que (tal vez) no sabías:

Doce cosas que (tal vez) no sabías sobre el Sol.

Doce cosas que (tal vez) no sabías sobre las constelaciones

¡Ya van tres docenas!



En el gráfico final, las flechas horizontales están a escala, a diferencia de lo que ocurre en las representaciones más habituales de la historia del universo, como la de aquí abajo, que estudiaremos otro día. La dirección vertical, en cambio, no está en escala: entre el extremo izquierdo (la recombinación) y el derecho (el universo visible) hay un factor 1100 de escala. 


05/07/2025

¿No te alcanza el tiempo?

Esta semana, si no te alcanza el tiempo, podés culpar al planeta. Si la Tierra fuera completamente sólida y rígida, y estuviera aislada en el universo, giraría de manera uniforme y constante, y todos los días durarían lo mismo. Pero no es así: la Tierra no es completamente rígida, ni está sola en el universo. Así que, a pesar de que seguimos usándola como un reloj, es un reloj imperfecto.

Durante la mayor parte de la historia humana esto no tuvo mayor importancia. Pero ahora no sólo tenemos relojes más precisos y estables que la Tierra, sino que tenemos sistemas (especialmente de comunicaciones y de navegación) que requieren medir el tiempo con gran precisión. Y para marcar el compás existe un organismo con uno de los nombres más copados posibles: es el International Earth Rotation and Reference Systems Service. Lo de "reference systems" es porque, además de saber a qué velocidad, hay que saber para dónde apunta el eje de la Tierra, que tampoco está fijo. 

Un día es un día, en la vida cotidiana. Pero cuando uno empieza a hurgar en los detalles, el día no es una sola cosa, igual que el año. Los dos principales son el día sideral, que es el tiempo que tarda la Tierra en dar una vuelta sobre sí misma, y el día solar, que es el tiempo que hay entre un mediodía y el siguiente. No son iguales porque, a lo largo del día, la Tierra avanza más o menos un grado en su órbita (tiene que completar 360 grados en 365 días). Entonces, para volver a tener el Sol en el meridiano, la Tierra tiene que girar un poquito más que un día sideral. La diferencia son unos 4 minutos, ya lo he contado.

El día solar dura exactamente 86400 segundos (24 por 60 por 60). Durante mucho tiempo, de hecho, así se definió el segundo, por medios astronómicos. Pero las fluctuaciones de la Tierra hicieron abandonar esa definición en la segunda mitad del siglo XX. Esas fluctuaciones son del orden de 1 milisegundo. Como 86400 es casi 100 mil, vemos que un día solar fluctúa 1 parte en 100 millones. Es bastante estable, pero no del todo. 

El número de milisegundos de más o de menos que tiene el día, con respecto a los 86400 segundos, se llama length of day (LOD). Desde que empezaron a usarse relojes atómicos en la década de 1950, hasta 2020, la LOD más corta registrada fue -1.05 ms. Pero desde 2020 la Tierra parece que se apuró, y ese récord se batió casi cada año. El siguiente gráfico muestra la LOD de años recientes, y se ve una tendencia a que sea cada vez más negativa.

Vemos que fluctúa fuertemente a lo largo del año, y que el día más corto siempre cae alrededor de julio. ¿Por qué? Nadie lo sabe. Hay muchos factores que afectan el movimiento de la Tierra: el movimiento del núcleo es el principal, pero también el reacomodamiento de la corteza, las corrientes oceánicas, y hasta la atmósfera. Por alguna razón han contrarrestado en años recientes el efecto de las mareas, que tienden a frenar la rotación.

La tendencia a la aceleración pareció revertirse en 2023, cuando no se batió un récord. La predicción era que en 2024 siguiera la tendencia de frenado. Pero el 2024, en cambio, pulverizó el récord nuevamente:

AñoFechaLOD
2020   19 de julio        -1.47 ms
2021   9 de julio        -1.46 ms
2022   30 de junio        -1.59 ms
2023   16 de julio        -1.31 ms
2024   5 de julio        -1.66 ms
2025   9 de julio        -1.30 ms (predicho)
2025   22 de julio        -1.38 ms (predicho)
2025   5 de agosto        -1.51 ms (predicho)

En la tabla hay tres posibles candidatos a día más corto en 2025, todos más largos que el récord de 2024. Pero puede fallar, como falló la predicción de 2024. ¿Y por qué en esas fechas? Es por la Luna. La principal fuente de fluctuaciones de la longitud del día es la posición de la Luna. Por acción de las mareas, la Tierra gira más rápido (y el día es más corto) cuando la Luna se encuentra más lejos hacia el sur o hacia el norte del ecuador, los llamados lunasticios. Este año, los lunasticios son el 9 de julio (imagen de abajo), el 22 de julio, y el 5 de agosto. 

Así que si en julio no te alcanza el día, ya sabés por qué. O, al menos, tenés una excusa.

 


La curva de LOD es de Time and Date, un sitio excelente, de donde además tomé la predicción de este año, y el mapa con las posiciones del Sol y la Luna el 9 de julio a las 12:00 UTC.

La Tierra con el reloj la hice con Copilot. 

28/06/2025

Ese es mi pollo

En el cielo austral hay muchas maravillas. Hay tantas, de hecho, que algunos objetos que serían notables en otra parte del cielo, pasan casi desapercibidos. Es el caso de la nebulosidad que rodea Lambda Centauri, una estrella de tercera magnitud que se encuentra entre Acrux y la Nebulosa de Carina.

Lambda Cen es una estrella de clase B, pero fronteriza con las A, y se la ve casi blanca. Es bastante cercana (470 años luz), y su posición y movimiento la caracterizan como miembro del enorme Cinturón de Gould que rodea el sistema solar. La nebulosa que la rodea tiene varias partes y números de catálogo. La región alrededor de la estrella se designa IC 2944. La parte más brillante, que abraza un cúmulo de estrellas, es IC 2948. Todo el conjunto está mucho más lejos que Lambda Centauri, a 6500 años luz, en el brazo de Carina de la Vía Láctea, como su vecina nebulosa de Carina

El cúmulo de estrellas de IC 2948 se formó, hace pocos millones de años, a partir del material de la propia nebulosa. Hoy en día son estrellas jóvenes, que brillan intensamente en radiación ultravioleta, y producen la característica fluorescencia roja del hidrógeno de la nebulosa. Pero la formación estelar no se ha detenido. En la foto pueden verse varias regiones pequeñas y bien oscuras:


Estos glóbulos son las partes más densas del mismo material interestelar, que se encuentran colapsando, por su propia gravedad, y en su interior van a formar nuevas estrellas (si la radiación del cúmulo no los disipa antes). En esta imagen del Very Large Telescope son espectaculares:

Estos fragmentos compactos y oscuros de una nebulosa se llaman, en general, glóbulos de Bok. Pero estos, por su descubridor, se llaman glóbulos de Thackeray. David Thackeray fue un astrónomo de Cambridge que hizo casi toda su carrera en Sudáfrica. En la década de 1950 descubrió estos glóbulos, y también estudió la nebulosa que rodea la estrella Eta Carinae, menos de 10 grados hacia el oeste. En su forma identificó una barba, pero como sabemos, el nombre que se consagró fue el que le puso, en la misma época, nuestro Enrique Gaviola: el Homúnculo

Alguien vio una vez, no sé si en las estrellas del cúmulo o en la silueta de la nebulosa, la figura de un pollo corriendo, y a la nebulosa le quedó el nombre Running Chicken. Yo la verdad que no lo veo. Pero me hizo gracia que, en una inesperada vuelta de tuerca, descubrí en mi foto una nebulosa planetaria, que es el otro extremo de la vida de las estrellas, la fase final de estrellas como el Sol: 

Por supuesto, la descubrí para mí: ya estaba descubierta. Y resulta que su nombre de catálogo es Hen 2-78, y hen significa gallina. Relindo, la gallina y el pollo que se le escapa. 


 


La foto fue la primera luz de mi nuevo Seestar S50 operando en modo ecuatorial, y también la primera luz del modo mosaico. Qué maravilla, hace todo el stacking y la composición de manera interna. Hice la foto en el Centro Atómico Bariloche, con mi amigo Eduardo Andrés, una linda noche en que además vimos pasar un cohete chino recién lanzado, emitiendo una encantadora pluma de gases brillantes. Pollo, gallina, pluma...

La designación Hen 2-72 corresponde a un catálogo compilado por Karl Henize, astrónomo y astronauta americano. También se la designa PN Hf 69.

21/06/2025

Eclipse de quasar

Cuando se los descubrió, en Cambridge en la década de 1960, los quasars causaron perplejidad. Eran fuentes de radio con una contraparte visible similar a una estrella. El más brillante era 3C 273, que se ve así en luz visible:

Brillaba como una estrella de magnitud 12.9 (visible en un telescopio de aficionado) pero su brillo en radio era inusual. Rápidamente le hicieron un espectro, y resultó que mostraba líneas atómicas también inusuales. Maarten Schmidt, del observatorio Mt. Wilson, se pasó un año mirando fijo el espectro, hasta que se dio cuenta de que las líneas eran la bien conocida "serie de Balmer" del hidrógeno, sólo que en longitudes de onda incorrectas:

Las líneas azules a ultravioletas estaban en el medio del visible, y la roja (la hache-alpha) estaba en el infrarrojo. Todas las longitudes de onda estaban estiradas un 16%. ¿Cómo podía ser? Por efecto Doppler, sería una estrella moviéndose al 16% de la velocidad de la luz, algo absurdo. La única explicación lógica era que el corrimiento al rojo fuese por la expansión del universo (algo no tan aceptado hace 60 años como ahora), y que por lo tanto estuviese a 2500 millones de años luz de nosotros, una distancia inmensa. 

A esa distancia, para brillar en el cielo con magnitud 12.9, el quasar debía tener una luminosidad 200 veces mayor que una galaxia entera como la Vía Láctea. ¿Cómo podía ser eso? Era tan luminoso, que si estuviese a 20 años luz del sistema solar, brillaría como el Sol. ¡En las noches de invierno austral el cielo sería celeste! ¡En primavera, con el Sol en Virgo, habría en el cielo como dos soles! Esto es de por sí impresionante, pero si les digo que las fluctuaciones de brillo que se observan indican que el objeto es del tamaño del sistema solar, se te vuela la cabeza.

Hoy sabemos que los quasars son los núcleos brillantes de ciertas galaxias, donde un agujero negro gigante está destruyendo materia a gran velocidad, lo que produce mucha radiación electromagnética en todo el espectro. ¿Cómo son esas galaxias? Son difíciles de ver, porque las abruma el brillo del quasar que tienen en el medio, como se ve en la foto de arriba. Recientemente, usando el Telescopio Espacial Hubble, lograron hacer una foto notable de 3C 273 eclipsando artificalmente el quasar:


Finalmente se puede ver la galaxia alrededor, con un montón de detalles. Los astrónomos distinguen lo que parecen ser galaxias satélites cayendo hacia el agujero negro central. Es la mejor imagen que tenemos de la galaxia que alberga un quasar. En las imágenes también se observa claramente el jet, el chorro de materia y energía que surge del quasar (similar al que hemos comentado recientemente en galaxias cercanas), con una parte brillante y visible incluso en la imagen del principio (sin el eclipse), y una parte más tenue y cercana al núcleo de la galaxia, antes invisible. Las observaciones del Hubble abarcan más de 20 años en este objeto, de manera que pudieron observar su movimiento, a esa enorme distancia. Las partes más lejanas del centro se mueven más rápido que las más cercanas, como si hubiera una aceleración. El jet brillante, vale la pena decir, es dos veces más largo que el diámetro de la Vía Láctea.

¿Cómo es el instrumento que permite hacer estas imágenes? Se llama Space Telescope Imaging Spectrograph, es decir, es un espectroscopio, no un coronógrafo. Pero delante de la cámara tiene una máscara, que es esencialmente una chapita con varias patitas, que permiten bloquear la luz selectivamente. En un apéndice del paper muestran algunas de las imágenes crudas, junto a un diagrama de la máscara:


Haciendo imágenes rotadas en varias direcciones lograron hacer la imagen con una resolución extraordiaria. Muy ingenioso. Espero que lo vuelvan a usar. 



El paper es Ren et al., 3C 273 host galaxy with Hubble Space Telescope Coronagraphy, A&A 683:L5 (2024). De allí son las imágenes de quasar eclipsado. La imagen del quasar sin eclipsar, también es de NASA/ESA/HST. El espectro viejo de 3C 273 (creo que es el original que hicieron Maarten Schmidt y Tom Matthews) viaja por la web; esta es una versión anotada.