La foto del Universo (explicada)

julio 7, 2010

Esta imagen ha estado dando vueltas en los periódicos del mundo con poca o ninguna explicación de qué es, por qué es así, por qué tiene esa forma o por qué es importante. En el diario La Nación explican: “La imagen muestra en primer plano los fragmentos más cercanos de la Vía Láctea y alcanza los elementos más lejanos del espacio y tiempo conocidos”. Creo que lo que todos quieren saber es por qué la foto tiene esos colores y forma tan extraña.

La explicación es verdaderamente muy simple.

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Sentemos la base

La imagen fue tomada por un satélite que detecta radiación electromagnética que va desde el infrarojo hasta las ondas de radio, siendo estas últimas menos energéticas que las primeras. Nosotros también podemos detectar radiación. Nuestros ojos son sensibles a la parte “visible” del espectro de radiación, por debajo de esto se encuentra la luz infraroja, la cual podemos sentir en la piel como calor, y por encima, la luz ultravioleta, que podemos “detectar” en cierta medida bronceándonos al sol. Más nos quemamos la piel, más rayos UV. Pero por debajo del infrarojo existe radiación como las microondas y la radio. Nadie puede detectar zonas de servicio WiFi o escuchar una estación de radio sin ayuda de un equipo electrónico. A su vez, cuando nos sacan una radiografia (rayos X, por encima del ultravioleta), no sentimos nada.


(hagan click para ver mejor la imágen)


Todo lo que existe produce radiación eletromagnética mediante básicamente dos mecanismos distintos: vibración o interacciones entre partículas. Al comienzo del universo, hubo un momento en el que la temperatura era de 2,7K, o -270,45 °C, que es muy cerca de la mínima temperatura posible. A esta temperatura las cosas irradian principalmente microondas. Ahora, de la misma forma que cuando miramos las estrellas, las vemos en el pasado porque la luz que nos llega tuvo que viajar durante miles de años, con esto ocurre lo mismo. La radiación de fondo de microondas es algo que permea el universo entero, y es el ruido que quedó de fondo de un momento del Big Bang, mucho antes de la formación de las estrellas y galaxias. Esta no solo es una foto del universo, si no que es una foto conjunta de cómo el universo se veía hace mucho tiempo, y de cómo se ve ahora.

¿Qué podemos ver?

Primera duda: ¿Por qué es un óvalo? Por las mismas razones que los mapamundi lo son también, para reducir la distorsión inherente al representar una imagen tridimensional en un plano.

Segunda duda importante: ¿Por qué es violeta? Como no vemos lo mismo que ve Planck, debemos representar las ondas infrarrojas, las microondas y las de radio de alguna forma. Usamos colores. En este caso, el infrarrojo es blanco/azul y las ondas más largas (hacia las ondas de radio) son progresivamente más rojas. Para más información lean esta entrada anterior.

Tercera duda: ¡¿Qué es todo lo demás, que puedo entender de todo esto?! Primero, la franja que atraviesa la imagen horizontalmente es nuestra galaxia. Si, un respiro de familiaridad bien merecido. Como es un disco y estamos dentro de ella, la vemos como una línea. Agarren un plato, colóquenlo a la altura de sus ojos y verán una línea. Esto es lo que se ve. ¿Pero cómo, si yo dije que era una imagen del universo en el pasado, antes de la formación de las galaxias? Lo que sucede es que en la imagen está toda la información captada. Las cosas que hoy irradian ondas a las cuales Planck es sensible también han sido captadas. Luego serán removidas estas fuentes de luz de la imagen final. Imagínense sacar varias fotos, desde el mismo lugar, a un edificio frente al cual pasa mucha gente caminando, y después combinar las fotos para obtener una foto del edificio sin gente.

Las plumas violetas que se extienden hacia los polos es polvo que sale volando de nuestra galaxia. No quiero entrar ahora a describir eso, pero eso es lo que es. Por lo demás, acá hay una imagen que muestra estructuras conocidas, o al menos, conocidas por los astrónomos… pero está Orión, ¡esa la conocemos!

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Por último, les sugiero que complementen esto con una visita a esta página, Chromoscope.net, donde pueden ver esta misma imagen y cambiar para ver luz visible, ondas de radio, rayos x, etc. Muy útil y muy interesante.

Espero les haya servido esta explicación para entender la foto y para poder explicarles a sus amigos que espero vayan a buscar al nerd del grupo para saber más.

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El nacimiento del hombre

marzo 5, 2010

Primeros pasos

El primer evento necesario para nuestro nacimiento del cual tenemos evidencia ocurrió aproximadamente hace 13,7 billones (mil millones) de años. En ese momento, el tiempo y el espacio entraron en existencia con el Big Bang, fue el día en el que nuestro universo nació. No sabemos que vino antes, y, dado que previamente a ese momento, el tiempo no existía, se argumenta que no es algo que se pueda saber. De hecho, el reloj no empieza en 0, si no en 5.39×10-44 segundos, que es 44 ceros y luego un 539. Este es el llamado “Tiempo de Planck”, y es la menor unidad de tiempo que se puede definir en la cual, y es el tiempo que tarda la luz en recorrer la menor distancia medible, llamada “Longitud de Planck”.1 En ese momento, el universo consistía en una masa de materia con increíbles niveles de energía, y se encontraba a una temperatura en el orden de 1032, o 100.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 K. Hacía calor.

A estas temperaturas, los componentes fundamentales de la materia, los quarks, se estrellaban entre sí a velocidades cercanas a la de la luz, demasiado rápido como para quedarse juntas y crear protones, neutrones, electrones y otras partículas. Básicamente, imagínense tratar de hacer una torta disparando los huevos hacia la harina a 300.000 km/s. A medida que el espacio se expandía, la materia se enfriaba, hasta que llegó un punto en el cual las fuerzas nucleares pudieron empezar a pegar a los quarks juntos, creando partículas capaces de establecer átomos. Sin embargo, para que esto ocurriera todavía hacían falta unos cuantos años. Durante un tiempo, la densidad del universo y su temperatura eran tal que se podían formar los núcleos de Hidrógeno, los cuales colisionaban entre sí, fusionándose para crear los núcleos de Helio y Litio. Recién han pasado 3 segundos desde que comenzó el universo.

Unos 300.000 años después, tenemos átomos estables. Antes, los átomos estaban a temperaturas tan elevadas que hacían que todo fuese una sopa de núcleos y cargas. Ahora, los electrones pueden empezar a orbitar los núcleos, creando átomos con propiedades químicas diferenciables (las propiedades químicas dependen principalmente de los electrones orbitando). El universo es ahora una colección de nubes de materia de diversas temperaturas. La temperatura promedio es de 3.500 K, y no hay estrellas ni galaxias, el carbón que ingerimos hoy en el almuerzo, todavía no estaba ahí. Es decir, estaban sus padres, primordialmente en forma de Hidrógeno. Todo átomo que está, estuvo y estará en nuestro cuerpo estaba presente en este momento, pero todavía tenían un enorme camino por recorrer.

Nebula del Aguila

En una de esas nubes (llamadas Nebulosas), los átomos están irradiando calor, van colisionando entre si y sucede, por primera vez, uno de los procesos fundamentales que daría origen a nuestra vida: gana la gravedad. La gravedad ya se ha estado manifestando desde los comienzos del universo, donde las fuerzas fundamentales del universo aparecieron y se separaron de una fuerza conjunta en las que conocemos hoy en día: nuclear débil, nuclear fuerte, electromagnética y gravitacional. Durante cientos de miles de años, la gravedad, más de 1025 veces más débil que cualquiera de las otras fuerzas, no podía incidir en el camino de las cosas. Ahora, es su momento, literalmente, de brillar.

En una nebulosa, un átomo de hidrógeno pasa andando por entre sus compañeros, y sucede algo maravilloso: se aleja, pero, lentamente, emprende una trayectoria curva, y comienza a orbitar lenta y casi indiscerniblemente, un centro de masa compuesto de trillones de trillones de otros átomos de hidrogeno y de helio. De a poco, se genera una diferencia en la densidad de la nube: hay más átomos en un lugar que en otro. Ha comenzado la creación de una estrella. La gravedad atrae a todos los demás átomos de esa nube a ese foco de densidad, en forma exponencial. Cada segundo que pasa la diferencia de densidad es mayor, generando una mayor atracción de más átomos, que cada vez vienen más rápido, hasta que tenemos una esfera compacta, gigantesca, de hidrógeno, helio y litio. Ya hay tanta masa, que en el interior de la esfera, moriríamos aplastados por la presión de miles de kilómetros de hidrógeno empujando, siendo atraídos al centro de este proto-sol. La presión y la masa aumentan en forma exponencial, aumentando la temperatura en el interior del conjunto, hasta que se alcanza la temperatura límite, y se enciende una luz en el universo. Nace un sol. De un momento al otro, cientos de miles de millones de kilos de hidrogeno se prenden fuego, y explota un mundo millones de veces más grande que la tierra. Se han puesto en marcha las fábricas de la vida.


La era solar

A lo largo de todo el universo, el espacio se prende fuego. Como luciérnagas en un jardín en una noche de millones de años, se prenden fuego luces en el fondo de lo que existe. Se trata de gigantescas esferas con motores nucleares en su interior, centros en los cuales una tremenda presión y temperatura choca y aprieta los nucleos de hidrogeno (protones), haciendo que se cree el helio y otros núcleos más grandes y pesados. Los electrones están por todos lados, incapaces de orbitar los núcleos. El mismo proceso que ocurrió brevemente a lo largo de todo el universo, ahora ocurre en focos centralizados, en las estrellas. Las mismas se encuentran rodeadas de las nebulosas que fueron partícipes de su nacimiento. Quizás, tenemos una nebulosa de cientos de miles de años luz de diámetro, en el cual unos pocos soles han nacido. El humano aún no existe, ni siquiera su planeta, pero estas estructuras, donde la gravedad finalmente es un jugador clave, conspiran invariablemente a su nacimiento. La gravedad permite mantener la estructura solar: la temperatura, la velocidad con la cual los átomos del sol se mueven, hacen que el mismo quiera dispersarse. Los átomos se quieren escapar del sol, pero la gravedad no los deja, manteniendo la estructura en equilibrio.

Pasan millones de años, y a una de las estrellas más masivas del universo está teniendo problemas: se le acaba el combustible. Su hidrógeno se ha transformado casi enteramente en helio, y el helio no se está fusionando para crear nada. El motor, se ha quedado sin nafta. Los átomos ya no empujan hacia afuera con la misma fuerza que antes, y la gravedad gana otra vez. El sol, en este momento una bola de helio que apenas puede seguir emitiendo luz, comienza a colapsar bajo su propio peso. Este colapso hace que la temperatura en su interior aumente, pero durante un tiempo no pasa nada, al helio todavía no le agrada la temperatura. Más y más, el sol se comprime, hasta que la temperatura en su interior alcanza una temperatura de 100 millones de grados. A esta temperatura, un núcleo de helio moviéndose a alta velocidad choca contra otro con una fuerza tremenda, y esta increíble violencia crea un nuevo núcleo. Cuando 3 núcleos de helio colisionan, nace, finalmente, el carbón. Antes, el motor de fusión de hidrógeno creaba helio. Ahora, el motor de fusión de helio, que opera a mayores temperaturas, crea carbón.

La historia se repite. Nuevamente se acaba el combustible, y el núcleo de la estrella vuelve a colapsar. Ahora, alcanza una temperatura de 300 millones de grados y el carbón comienza a fusionarse y a crear nitrógeno, oxigeno, sodio, magnesio, silicio y hierro. Hasta el hierro llegamos. La fusión de hierro absorbe energía, por lo que no es sostenible. Ahora, llego el final. El núcleo de la estrella tiene mucho hierro, y el sol se está apagando. Comienza otro colapso, pero esta vez, no hay vuelta atrás, no hay elementos para mantener una fusión que genere energía suficiente para empujar hacia afuera y equilibrar la gravedad. La gravedad esta ahora matando a la estrella y su orden. La misma se comprime y la temperatura aumenta miles de veces, creando por primera vez átomos más pesados que el hierro, como el oro. Este proceso, la vida de un sol, explica porque hay más carbón que hierro, más hierro que oro, y más oro que uranio: es el resultado fundamental de la forma en la cual el universo está construido. El proceso continua, hasta que la temperatura, que ha venido aumentando en forma exponencial, desata su fuerza: la estrella explota, se ha creado una Supernova. En la explosión, miles de millones de toneladas de hidrogeno, helio, carbón, nitrógeno, silicio, hierro y todo lo demás sale volando, propulsado a cientos de miles de kilómetros por hora, hacia el espacio exterior, donde se choca con cualquier cosa en su camino.

A veces, la explosión comprime una nebulosa donde se estaba generando un foco de densidad, dándole la fuerza necesaria para el colapso que crea una estrella. A veces, barre con todo en su terreno, soplando mundos fuera de su existencia. Las estrellas posteriores, nacidas de esta tremenda explosión, empezaran con algunos elementos más pesados que únicamente hidrógeno y helio, como es el caso con nuestro sol. Nuestro sol no es 1G, es decir, no es de la primera generación de estrellas, porque tiene demasiados elementos pesados, también nuestro planeta.


Disco protoplanetario


Hace 5 billones de años, nace nuestro sol. La nebulosa de su nacimiento, rica en elementos pesados creados en las explosiones de estrellas anteriores, gira a su alrededor, en lo que se denomina un “disco protoplanetario”. En el mismo, la materia colisiona y se condensa en focos que luego pasarán a ser los planetas. En algunos casos, un planeta recientemente creado puede colisionar con otro,  como se creo que ocurrió en el caso de la Tierra. Nuestro planeta, en ese momento una bola caliente de material, sufriendo cientos de miles de impactos de asteroides a diario, los cuales calentaban y licuaban al planeta, sufrió el impacto de un planeta de un tamaño similar a Marte. Un pedazo de la Tierra se separó de esta por siempre, creando la luna.


Disco protoplanetario en la constelación de Tauro


Nace la vida

Hace 3.8 billones de años, las cosas se ponen interesantes. Los materiales que se encuentran en la tierra se recombinan químicamente, creando ácidos, sales y compuestos orgánicos, como aminoácidos. Entre estas reacciones químicas, surgen procesos autosustentables que generan estructuras básicas que permiten regular la química local. Algunas moléculas químicas, compuestas principalmente por átomos de carbón, hidrógeno creados hace unos 10 billones de años en diversas estrellas, se organizan en forma espontanea debido a sus características hidrofílicas e hidrofóbicas. Esto genera regiones de relativa organización, donde la química ya no es regida únicamente por la temperatura promedio y las colisiones aleatorias, si no por estructuras creadas químicamente. Algunas de estas estructuras químicas son auto replicantes, es decir, generan estructuras similares a sí mismas. Estas capacidades se combinan en la creación de la primera célula procariota: la primera unidad química con elementos de replicación, regulación de la química mediante el uso de estructuras y capaz de la generación de energía a partir de elementos exteriores.

Estas células tienen en su interior ADN, que no es más que una cadena de información codificada en la forma de algunas moléculas fundamentales. Con el comienzo de la vida, comienza la evolución. La replicación de estas células jamás es perfecta, ocasionando variaciones que terminan por generar estructuras más complejas, las células eucariotas, que hacen su entrada hace 2 billones de años. Luego, la diversidad explota con la aparición de organismos multicelulares, donde distintas células se especializan en distintas tareas. Esto ocurre hace 1 billón de años.


La importancia del cosmos

Quiero hacer una pausa para comentar sobre la profunda e increíble complejidad de todo el asunto. Tenemos moléculas compuestas principalmente por carbón e hidrógeno, el primer elemento no inerte creado por la fusión nuclear en las estrellas y el elemento más abundante y simple de todo el universo respectivamente. El carbón presente en las primeras células, no fue creado en el sol, si no en estrellas previas a esta, y contiene protones y neutrones creados unos 3 minutos luego del comienzo del universo y de la existencia. Estas células contienen información codificada, la cual es susceptible a la alteración. No solo se producen errores en la lectura y escritura de la información durante la reproducción de estos organismos, también todo el universo contribuye en su escritura.

Sucede que en la tierra hay material radioactivo: material que emite radiación. La radiación no es más que algún tipo de partícula emitida que viaja muy rápido y choca contra las cosas, a veces, alterándolas. A veces la radiación emitida por algún elemento presente en una roca, golpea contra un gen de una célula y lo cambia, generando una mutación, la cual puede beneficiar o no a su organismo. También la radiación solar interviene de esta manera, y, más importante, la radiación de todo lo que existe en todo el universo. Sucede, que la historia de la vida en la tierra es la historia de cómo los organismos han evolucionado, la cual es causada por la selección y la mutación genética. Esta última, es causada tanto por la tierra en sí, como por la emisión de un fotón hace 10 billones de años por alguna estrella (que se encuentra a 10 billones de años luz). La historia de la vida en la tierra, ES parte de la historia de la radiación electromagnética existente en todo el universo, desde el comienzo de la realidad.


Hacia el humano

El resto, lo conocen. Los organismos multicelulares dan origen a los primeros animales, los cuales salen del agua a poblar la tierra, y generación tras generación, con mutaciones, selección y extinciones de por medio, un día, los neutrones y protones creados por una masa de partículas a trillones de grados, condensada en soles, cocinados en sus centros con fusión nuclear, colapsados por la gravedad, explotados por supernovas, emitidos a lo largo del universo, colapsados nuevamente en planetas y nuevos soles, luego combinados químicamente, alterados por fotones que vienen de billones de años atrás y del otro lado del universo, aglomerados en los órganos sexuales de un primate e unificados durante el acto de reproducción, provocan una reproducción celular ordenada y codificada en un planeta, naciendo así un hombre, y no otro. Vemos así que la diferencia entre uno, y otra posible persona, para explicar porque yo existo y no otro u otra cosa, uno debe remitirse a la interacción de todas las partículas, todas las estrellas, todas las nebulosas y todos los planetas, desde el comienzo del universo hasta hoy. Uno es, en definitiva, el producto inescapable de la realidad de las cosas, el resultado de la historia de la existencia, y no podría ser de otra manera, por definición.

No hace falta apelar a un espíritu o a un sentido de grandeza mayor, de un propósito trascendental, ya que todos estos son productos de nuestra imaginación, y son decepcionantemente inadecuados y simplistas frente a la grandiosa y elegante complejidad de la realidad misma, de la verdad de nuestros orígenes y nuestro indudable vinculo con todo lo que existió, existe y existirá. Nuestros hijos serán producto de las estrellas, de la gravedad y del electromagnetismo, del fuego y de la radiación, como nosotros antes de ellos, y ellos también, respiraran el mismo aire que nosotros, y atraerán con su masa, las galaxias y todo, con la gravedad, e interactuaran usando las mismas fuerzas fundamentales que provocaron su creación, y las mutaciones genéticas de toda la vida en la tierra y en todos los otros mundos del universo.

No hace falta exagerar la realidad, de por si no alcanzan palabras para absorber y comunicar su grandiosidad.

La próxima vez que celebren su cumpleaños, vean si consiguen 13,7 billones de velas.

Saludos.

1. Actualmente, los resultados de algunas imágenes captadas por el Telescopio Espacial Hubble, han puesto en duda la noción de que el Tiempo de Planck es la menor unidad temporal medible, pero dicha duda proviene de un solo resultado. Se esperaba que, si dicha unidad es de hecho adecuada, entonces la imagen se vería borrosa, lo cual no ocurrió. Algunos científicos han argumentado que el nivel de “borrosidad” esperado fue exagerado entre 1015 y 1030, haciendo que los resultados si sean consistentes con la teoría.



Fuentes:

Wikipedia

Death by Black Hole, Neil deGrasse Tyson

Cosmos, Carl Sagan

Breve historia del tiempo, Stephen Hawking

God, the Failed Hypothesis, Victor J. Stenger

Diversos libros de Física, Quimica y Biología

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