Tocar el vacío: energía oscura y supernovas

La teoría sobre el hallazgo de esta fuerza, que domina el comportamiento del universo

En cosmología física, la energía oscura es una forma hipotética de materia que estaría presente en todo el espacio, produciendo una presión negativa y que tiende a incrementar la aceleración de la expansión del Universo, resultando en una fuerza gravitacional repulsiva. Asumir la existencia de la energía oscura es la manera más popular de explicar las observaciones recientes en las que el Universo parece estar expandiéndose con una tasa de aceleración positiva. En el modelo estándar de la cosmología, la energía oscura actualmente aporta casi tres cuartas partes de la masa-energía total del Universo.

Dos posibles formas de la energía oscura son la constante cosmológica, una densidad de energía constante que llena el espacio en forma homogénea y campos escalares como la quintaesencia: campos dinámicos cuya densidad de energía puede variar en el tiempo y el espacio. De hecho, las contribuciones de los campos escalares que son constantes en el espacio normalmente también se incluyen en la constante cosmológica. Se piensa que la constante cosmológica se origina en la energía del vacío. Los campos escalares que cambian con el espacio son difíciles de distinguir de una constante cosmológica porque los cambios pueden ser extremadamente lentos. Para distinguir entre ambas se necesitan mediciones muy precisas de la expansión del Universo, para ver si la velocidad de expansión cambia con el tiempo. La tasa de expansión está parametrizada por la ecuación de estado. La medición de la ecuación estado de la energía oscura es uno de los mayores retos de investigación actual de la cosmología física.

¿Qué es la energía oscura? Quizá, junto con el origen de la vida, ésta sea la cuestión más fundamental que la ciencia tiene planteada hoy. Hemos descubierto un gran vacío en nuestro conocimiento. Desconocemos algo que actualmente llena casi todo el universo y ejerce una fuerza repulsiva. Una fuerza que compensa los efectos de atracción gravitatoria debidos a la materia y los supera, acelerando el ritmo al que se está expandiendo el universo desde que se originó, en el Big-Bang. Si el universo estuviese vacío, el ritmo de expansión sería constante, mientras que la presencia de materia o energía, tal y como las conocemos, frena dicho ritmo por sus efectos gravitatorios.

Hace una década aún no se hablaba de energía oscura, se hablaba de materia oscura, del ritmo de expansión, de su desaceleración, de la geometría del universo... entonces hacíamos el inventario de las componentes de universo y las cuentas no cuadraban. El fondo de radiación cósmica apuntaba a una densidad (incluyendo todo tipo de materia y energía) equivalente a unos seis núcleos de hidrógeno por metro cúbico, la llamada densidad crítica, cuyo crítico significado también ha cambiado en el modelo cosmológico actual. Pero la componente dominante de tal densidad no podía ser hidrógeno, ni ningún otro átomo, ni tampoco una materia diferente (y aún por identificar) llamada materia oscura fría porque todos estos tipos de materia ejercen fuerzas de atracción gravitatoria que se pueden medir. Y midiendo estos efectos gravitatorios podemos acotar la cantidad de materia responsable de los mismos y concluimos que, como mucho, la densidad de materia puede ser un 30% de la densidad crítica. Nos faltaba el 70% de algo y ese algo tenía que ser realmente exótico.

Tan exótico como requería el sorprendente resultado obtenido independientemente por dos grupos de astrónomos que observaban supernovas termonucleares lejanas con el objetivo de medir cuánto se frenaba el ritmo de expansión del universo. Los grupos liderados por Brian Schmidt (High Redshift Team) y Saul Perlmutter (Supernova Cosmology Project) desencadenaron en 1998 una revolución cosmológica al encontrar que el ritmo de expansión del universo en vez de frenarse, se aceleraba. Desde entonces la calidad y cantidad de datos astronómicos, en todos los frentes, no ha hecho más que aumentar y confirmar los resultados anteriores.


Las supernovas: faros cósmicos

Touching the Void es el título de un libro de montaña escrito por Joe Simpson en 1989, su experiencia con el vacío en los Andes peruanos. Cuando se publicó, yo (Inmaculada) estaba haciendo la tesis en el Centro de Estudios Avanzados de Blanes (CSIC), precisamente sobre supernovas. Las supernovas son explosiones estelares, estudiábamos (y cocinábamos en el ordenador) supernovas termonucleares, una especie de bombas muy parecidas entre sí que explotan al desencadenarse en su interior reacciones nucleares.

Foto de los restos de la supernova de Tycho en rayos X, infrarrojo y visible. En 1572 apareció en la constelación de Casiopea una "estrella nueva" que fue vista por Tycho Brahe y otros astrónomos de la época. Su estudio nos ayuda a entender el origen de este tipo de supernovas tan importantes en cosmología.- NASA / CXC / SAO | JPL-CALTECH Ver imagen ampliada

Las supernovas brillan mucho, durante unos días brillan tanto como toda una galaxia, por eso vemos supernovas que están muy lejos, son nuestros faros cósmicos. Midiendo lo que ha disminuido, desde su origen, la luz que nos llega podemos estimar la distancia a la que se encuentra la supernova y con esta información acotar el ritmo de expansión del universo. Hoy se detectan supernovas que ocurrieron cuando el universo tenía la mitad de su edad actual (hace unos cuantos miles de millones de años). Desde entonces la luz emitida por la supernova ha estado viajando a través del universo, de su geometría, y en ese viaje se ha ido encontrando con todas sus componentes y nos trae información sobre los mismos. Teniendo en cuenta estas nuevas y lejanas supernovas, el conocido y familiar método de los faros cósmicos indica, con un 99% de fiabilidad, la presencia de una componente que acelera el ritmo de expansión, la energía oscura. En concreto, si consideramos además los datos del fondo de radiación cósmica, concluimos que hasta un 70 % del universo es dicha componente. Finalmente las cuentas cuadran, lanzándonos quizás al vacío.


Tocando el vacío

Efectivamente, todas las evidencias astronómicas son compatibles con que la energía oscura sea la energía asociada al vacío cuántico. El vacío no está realmente tan vacío, hay partículas que se crean y se destruyen continuamente, que existen solo durante un tiempo muy breve. Asociada a estas partículas hay una energía que cumple todos los requisitos. Es más, las supernovas indican que inicialmente la expansión del universo se frenó y posteriormente se aceleró y ésta es precisamente una característica que tendría la energía del vacío: al expandirse el universo, la densidad asociada con la materia disminuye pero la asociada al vacío, que es una propiedad del espacio mismo, permanece constante. De esta forma, la densidad de materia dominaría en el pasado, frenando el ritmo de expansión, y en un cierto punto (que las supernovas muestran) pasó a dominar la energía del vacío y el ritmo de expansión comenzó su aceleración. El problema aquí es que entre la energía del vacío estimada teóricamente y la que se necesita para explicar las observaciones astronómicas hay una discrepancia muy grande, excesivamente grande, tanto que, de nuevo... ¡algo no cuadra!

La supernova SN2002dd es una de las más lejanas descubiertas y nos muestra una época del pasado en la que aún dominaban los efectos gravitatorios (atracción) sobre los de la energía oscura (repulsión). A la izqda. se muestra una imagen de la misma región del cielo tomada en 1995, siete años antes de la explosión de la supernova.- NASA / HST Ver imagen ampliada

El modelo cosmológico

El modelo cosmológico compatible con todas estas observaciones es el llamado Universo con constante cosmológica y materia oscura fría, un nombre que nos recuerda directamente todo lo que no sabemos. Conocemos la materia de la que esta hecha la Tierra, el Sol, las estrellas, nosotros, esa materia se encuentra en todo el universo y está ahí desde el principio, desde el Big-Bang, pero su densidad sería solo un 5% de la densidad crítica. El otro 95% aún se nos escapa. Varios experimentos tratan de identificar la materia oscura fría, cuya cantidad podemos estimar por sus efectos gravitatorios, su densidad sería un 25% de la crítica. Y algo más lejos estamos de entender el 70% restante: la energía oscura o energía del vacío o, como la llamó Albert Einsten, la constante cosmológica. Una constante que Einsten introdujo en sus ecuaciones para compensar la gravedad y que rotundamente descartó posteriormente.

Ahora hay que preparar las supernovas para una nueva fase, pues para acotar la naturaleza de la energía oscura tenemos que aumentar la precisión de las distancias, obtenidas mediante el método de los faros cósmicos, en un factor diez. Para ello parece inevitable entender completamente las supernovas, cómo se forman y cómo explotan. Las supernovas no son todas exactamente iguales, no emiten la misma luz, pero como propuso Mark Phillips en 1993 es posible calibrarlas y así, a través de esa calibración, emplearlas como faros cósmicos. El método ha funcionado perfectamente, indicándonos, como hemos visto, la existencia de la energía oscura. Sin embargo algunos astrónomos, como Mario Hamuy, Filippo Mannucci o Mark Sullivan han relacionado las características observadas de las supernovas con su entorno, con la edad de las estrellas de las que proceden. Esto es crítico para un faro cósmico, si la luz del faro depende del lugar, no nos sirve para estimar distancias. Si las supernovas en el pasado no eran iguales a las supernovas vecinas que usamos para la calibración, hemos tocado fondo y no podemos aumentar la precisión. No podemos mientras no sepamos cómo tener en cuenta este hecho. Este es uno de nuestros proyectos actuales.

Entender el origen de la energía oscura es todo un reto, también lo fue para Joe Simpson caer y salir del vacío, algo fuera de todas las expectativas. Este reto nos puede llevar a resolver otros problemas fundamentales, como unificar la gravedad con las otras fuerzas o quizás entender el espacio-tiempo de una forma distinta. Además de los proyectos relacionados con las supernovas hay nuevos experimentos previstos o ya funcionando: aceleradores de partículas, grandes telescopios, satélites, simulaciones numéricas en grandes ordenadores, cálculos teóricos... y mientras, en estas calurosas noches de verano, "La luna gira en el cielo sobre las tierras sin agua" (Federico García Lorca) y seguimos sorprendiéndonos al mirar las estrellas, sintiendo curiosidad y la atracción que es lo que desde siempre nos lleva a descubrir, a descubrir incluso el vacío.


Presión negativa

No se debe confundir la energía oscura con la materia oscura ya que, aunque ambas forman la mayor parte de la masa del Universo, la materia oscura es una forma de materia, mientras que la energía oscura es un campo que llena todo el espacio.

La energía oscura causa la expansión porque tiene una gran presión negativa. Una sustancia tiene una presión positiva cuando empuja a los objetos que están en su entorno. Esta es la situación habitual para los fluidos. La presión negativa, o tensión, existe cuando la sustancia tira de su entorno. Un ejemplo común de presión negativa ocurre cuando un sólido es estirado para soportar un peso colgante.

De acuerdo con la métrica FLRW, que es una aplicación de la Relatividad General a la cosmología, la presión dentro de una substancia contribuye a su atracción gravitacional sobre otras cosas igual que hace su masa. La presión negativa causa una repulsión gravitacional. El efecto gravitacional repulsivo de la presión negativa de la energía oscura es mayor que la atracción gravitacional causada por la propia energía. A escala cosmológica, esto también supera a todas las otras formas de atracción gravitacional, dando como resultado la aceleración de la expansión del Universo.

Para resolver la contradicción de que el empuje cause atracción o la contracción cause repulsión se considera que:

• El empuje de la presión positiva y el empuje de la presión negativa son fuerzas no gravitacionales que solamente mueven substancias en torno a su espacio interior sin cambiar el espacio en sí.
• Sin embargo, la atracción gravitacional (o repulsión) que causan opera sobre el propio espacio, disminuyendo (o incrementando) la cantidad de espacio entre las cosas. Esto es lo que determina el tamaño del Universo.
• No hay necesidad de que estos dos efectos actúen en la misma dirección. De hecho, actúan en direcciones opuestas.

Fuentes:

• elpais.com/Tocar el vacío
  
• Wikipedia/Energía Oscura

Tweet

Envasado al vacío

Todos recordamos la película de Paul Verhoeven Total recall en la que, en determinado momento, tanto Schwarzenegger como la chica quedaban expuestos a la tenue atmósfera marciana y el cuasivacío allí imperante los hacía ver como "hinchados", se les salían los ojos y, en fin, terminaban pareciendo inflados como el Hombre Michelin.

La pregunta, entonces, es: ¿es exacta la descripción de la película? ¿Nos cuentan la historia correcta los miles y miles de ejemplos de exposición al vacío que leímos y seguimos leyendo en la ciencia ficción? ¿Qué le pasa, en realidad, a un astronauta cuando se le rompe el traje espacial?

Bueno, depende. Tamarack R. Czarnik, médica residente en Medicina Aeroespacial y especialista en medicina hipobárica, relata este increíble caso: el astronauta Gregory Bennett estaba trabajando en el espacio durante una de las misiones de los transbordadores espaciales. De repente, una de las trabas metálicas que ajustan los guantes del traje espacial se abrió y, aunque el astronauta la cerró de inmediato, una de las piezas perforó el traje espacial en el guante de la otra mano entre el pulgar y el índice. No fue un agujero grande, tan solo tenía 3 mm., y ni el propio astronauta lo notó. Recién cuando volvió a la nave y se quitó el traje descubrió una herida dolorosa en la palma de la mano: la traba le había perforado no solo el traje sino también la piel. Lo que ocurrió fue lo siguiente: la descompresión del guante "chupó" los labios de la herida y los selló contra la abertura del traje, y Gregory estuvo sangrando hacia el espacio todo el rato hasta que regresó al vehículo. No pasó nada.

Edward White, primer hombre en efectuar una caminata espacial —como piloto de la Géminis 4— y también primer hombre... ¡en perder un guante en pleno espacio! Un año y medio después, moriría incinerado con sus compañeros Chaffee y Grissom en el incendio de la Apolo 1. Su guante iba a durar más que él: aún está en órbita estable y tiene el honor de ser el primer trozo de "basura espacial" de que se tiene memoria

Pero, igualmente, una descompresión repentina no es un chiste. Aunque no, la mayoría de las representaciones literarias y cinematográficas no se ajustan a la realidad científica. Veamos.

Desde que comenzó la carrera espacial, se han expuesto cierto número de organismos terrestres a los efectos del vacío, tanto involuntariamente como —nos avergüenza decirlo así— en forma experimental. La suma de estas experiencias deseadas o no, más nuestros conocimientos físicos y médicos, nos permiten tener una idea más bien clara de lo que le sucederá a un hombre si se lo expone al vacío total del espacio.

El asunto comenzó en los 60s, cuando la tecnología nos acercaba a hacer realidad los vuelos espaciales tripulados. Entonces, los ingenieros se vieron obligados a desarrollar proyectos que les permitieran determinar el tiempo que un ser humano sería capaz de sobrevivir (el tiempo que tendrían para reaccionar) si se le rompía el traje espacial, si un meteorito le perforaba el casco de la nave o percances similares.

Así, construyeron unas cosas llamadas "cámaras de gran altidtud", para reproducir las condiciones en un ambiente tal: bajísima presión, temperaturas bajo cero, alta tasa de radiación y demás. Hecho esto, sometieron a varios grupos de suicidas, er, voluntarios y también a algunos animales. Sí, la NASA tiró gatitos y perritos al espacio para ver cómo se morían. Por supuesto, los experimentos con animales concluían con sus muertes, lo que se trataba de evitar con los voluntarios humanos. Bueno, no nos olvidemos que la pobre Laika se frió en la reentrada a la atmósfera, por más monumentos que le hagan los rusos.

Pero incluso antes de la era espacial, ya hubo un hombre que tuvo problemas con la descompresión: se trata de Joseph Kittinger, aviador militar norteamericano condecorado, que detenta aún hoy el record mundial de altitud en paracaídas. Saltó tres veces desde globos e, increíblemente, en dos de ellas sufrió descompresiones accidentales por fallas en el traje.

En su primer salto (noviembre de 1959), un problema en una junta le descomprimió el traje mientras caía desde 23.287 metros de altura. Kittinger se desmayó instantáneamente, pero la velocidad de la caída libre le salvó la vida: lo devolvió a una altura segura y el paracaídas automático se abrió en forma normal. El cuerpo exangüe de Joe comenzó a girar mientras caía libre, hasta llegar a 120 revoluciones por minuto. Se ha calculado que esta velocidad de rotación aplicó sobre sus extremidades más de 22 gravedades (22 G).

Joe Kittinger junto a la barquilla de su globo. Bajo la puerta hay un cartel que dice "Este es el escalón más alto del mundo"

Su segundo salto no tuvo consecuencias, pero el tercero, en el que anotó su marca mundial (16 de agosto de 1960) sí. En esa oportunidad, Kittinger saltó desde 31.330 m, algo que nadie más se atrevió a hacer, pero una nueva falla en una junta le descomprimió el guante derecho. La mano comenzó a doler enormemente y se le quedó paralítica, pero se recuperó apenas el militar saltó y la caída lo llevó a una altura segura. Como dato anecdótico, cabe señalar que Joe no sólo batió ese día el récord mundial de salto en paracaídas, sino también los de caída libre más larga, mayor altitud de ascenso en globo y mayor velocidad alcanzada por un hombre sin vehículo a través de la atmósfera (1.149 km/h).

Como sea, los datos de esos experimentos tan peligrosos y crueles permitieron a los expertos enterarse de cómo las bajas presiones y temperaturas afectaban a los seres humanos y de cómo el cuerpo respondía a esta brutal agresión. Completaron sus estudios y se quedaron con la duda de si la realidad les confirmaría sus teorías, hasta que una serie de desagradables accidentes —cuándo no— vino a demostrarles que, en efecto, tenían razón.

En 1965, un técnico estaba probando un traje espacial nuevo en una cámara hipobárica. Lo triste fue que el traje no aguantó la descompresión, sometiendo al hombre al vacío durante 40 segundos. Tras ese tiempo se desmayó. Apenas se recomprimió la cámara, el sufrido sujeto recuperó el sentido y salió del trance sin mayores consecuencias. Lo único que recuerda es la saliva hirviendo sobre su lengua.

Kittinger saliendo del globo en su tercer salto

En un incidente posterior (1982), otro hombre fue introducido en una cámara defectuosa, que lo sometió a cuatro minutos de vacío. La víctima quedó inconsciente y se puso completamente azul, y sólo sobrevivió porque uno de los que estaba afuera tuvo la presencia de ánimo suficiente como para romper una de las ventanas y permitir que el aire penetrara en el recinto. Lo sacaron con los labios congelados, vomitando sangre por los pulmones rotos y sangrando profusamente por ambos tímpanos. Se le diagnosticó barotrauma grado IV y se lo trató, primero, volviendo a comprimirlo en una atmósfera de nitrox (oxígeno y nitrógeno a partes iguales) y luego dándole Decadrón. A las 24 horas recuperó la conciencia y estaba lúcido; al 5º día se le sacó la intubación, y al año mostraba respuestas neurológicas normales o superiores. Tuvo suerte.

A los tripulantes de la Soyuz 11 no les fue tan bien. Regresaban a la Tierra luego de un acople con la estación espacial Salyut 1 tras haber pasado tres semanas en ella, convirtiendo la misión en la primera visita tripulada exitosa a la también primera estación espacial. Pero el resto de la misión no resultó exitosa. Al desacoplarse, doce tornillos explosivos debían explotar secuencialmente, separando a la nave de la estación. Sin embargo, por una falla, estallaron todos a la vez y rompieron una válvula esférica del sistema de ecualización de presiones de la Soyuz, que se abrió de golpe y dejó escapar todo el aire de la cápsula. Uno de los tres tripulantes, Viktor Patsayev, comprendió en seguida la causa del problema: se desabrochó el cinturón de seguridad y se aproximó a la válvula para tratar de obstruirla con algo o de cerrarla mediante el sistema manual de emergencia.

Lamentablemente, era imposible que lo lograra. La Soyuz perdió todo el aire y quedó a 0 atmósferas en menos de 30 segundos, siendo que Viktor hubiese necesitado más de un minuto para cerrar la válvula con la manivela. Estaban a 168.000 metros de altura. Irónicamente, el vehículo continuó su descenso normalmente y aterrizó en forma correcta. Cuando el equipo de rescate abrió la escotilla encontró el cuerpo de Viktor junto a la válvula y los cadáveres de sus dos compañeros —Georgi Dobrovolski y Vladislav Volkov— aún atados a sus asientos, con pacíficas expresiones en sus rostros que los hacían parecer dormidos.

El heroico Viktor Patsayev

Algunos de los daños provocados por la súbita exposición al vacío del espacio ocurren de inmediato; otros tardan más tiempo. En el primer caso encontramos básicamente la expansión de los gases en el interior del cuerpo. Al faltar presión externa, los gases de los pulmones e intestino se dilatarán. Si esta dilatación es muy grande, el hombre morirá por el puro y simple estallido de sus pulmones. Si por algún milagro sobreviviera a esto, la ruptura de los alvéolos inyectará burbujas de aire en las arterias, llevando esos globitos al cerebro y matándolo de todos modos. Aunque parezca increíble, un buen remedio para evitar este horrible fin es vaciar completamente los pulmones de aire en el momento en que nos damos cuenta de que la cabina se ha descomprimido. En algunos casos, un grito de horror ha salvado la vida de un astronauta en peligro, al dejar sin aire a sus pulmones.

Otro de los peligros de la descrompresión recibe el nombre de "ebullismo": a presión cero, el agua se evapora espontáneamente en segundos, es decir, hierve aunque se encuentre a muchos grados bajo cero. Si uno lo piensa bien, la perspectiva es horrible: las lágrimas de la superficie del ojo comenzarán a hervir, así como la humedad de las fosas nasales, la saliva dentro de la boca, el sudor sobre la piel, etc. Al mismo tiempo, el agua de los músculos y el resto de los tejidos internos hervirá igualmente (no está exenta de las leyes de la física), y el cuerpo alcanzará, debido al vapor generado, un volumen más de dos veces mayor al normal.

¿Suficiente martirio? De ningún modo. Algunos segundos después, la falta de presión hará que el nitrógeno disuelto en nuestra sangre vuelva a su estado gaseoso, una dolorosísima circunstancia conocida por los buzos con el nombre de "enfermedad descompresiva". Para completar el espantoso cuadro, las burbujas irán al cerebro para formar trombos, provocando anoxia cerebral, embolia y hemorragias intracraneales.

Emblema de la trágica misión Soyuz 11

Mientras a usted le pasan todas estas cosas tan lindas, la radiación ultravioleta le quemará la piel en cuestión de segundos, de modo tan grave como si hubiese estado expuesto al sol del mediodía en el verano caribeño... varias horas y sin protección.

La buena noticia es que el cuerpo no pierde el calor hacia el espacio si no tiene aire a su alrededor que lo absorba: usted se morirá de cualquiera —o de todas— las horribles cosas apuntadas, pero no tiene por qué temerle a la hipotermia.

Bueno, esto es espantoso, pero... ¿cuánto tiempo se puede sobrevivir en estas condiciones? Hoy sabemos que un hombre expuesto al vacío mantiene la conciencia durante diez segundos completos, tiempo suficiente para intentar hacer algo para salvarse. No diremos que estará cómodo, pero al menos estará vivo y dueño de sí como para tratar de salir de esa desgraciada situación. Pero luego de esos diez segundos (que se conocen como "tiempo de conciencia útil"), comienza a aparecer la anoxia o asfixia cerebral. Sin presión de aire, el mecanismo de intercambio gaseoso de los pulmones funciona en sentido contrario, sacando el oxígeno de la sangre y echándolo por la boca y la nariz, acelerando la hipoxia del sistema nervioso central. Pasados los diez segundos de gracia, la persona se queda ciega y comienza a perder la conciencia, mientras los fluídos hierven y la boca y la nariz se le congelan. Algunos segundos después el cuerpo se pone azul ("cianosis") y comienzan las convulsiones y el coma. De ahí a la muerte —es fácil imaginarlo— solo falta un ligero empujón.

Si a uno le pasa todo esto, aún sería posible salvarlo siempre y cuando el corazón le siguiese latiendo. Si se le da oxígeno a presión de inmediato (y de inmediato quiere decir entre 60 y 90 segundos a contar desde el momento de la descompresión), es casi seguro que la persona saldrá del trance con solamente lesiones menores, aunque la ceguera inducida por la hipoxia puede llegar a durarle muchos días.

Después de los 90 segundos, la sangre comenzará a hervir y el corazón se detendrá... para siempre.

Salvo el técnico del episodio ya relatado, que sobrevivió luego de 4 minutos de vacío, ninguna otra persona en el mundo quedó con vida tras superar el ominoso límite del minuto y medio.

Pero vemos que la realidad, aunque sombría, es sorprendente. Cualquier lego diría que la supervivencia en el espacio sin traje espacial es cuestión de segundos: eso no es así. Se mide en minutos, y todo gracias a la Madre Evolución, que nos dio un cuerpo lo suficientemente resistente como para sobrevivir... un ratito.

fuente: http://axxon.com.ar/

---