Trabajando juntos en pro de la Física

Astrofísica y cosmología

Explicado por:

Gustavo Yepes Profesor del Departamento Física Teórica de la Universidad Autónoma de Madrid.

Desarrolla su investigación en el campo de la formación de galaxias e imparte las asignaturas de Introducción al Cálculo Computacional (2º) y Mecánica Teórica (3º). También coordina el programa de Doctorado de Astrofísica y Cosmología.

 

 La Astrofísica y la Física del Espacio han sido algunos de los campos más activos en los últimos años gracias, en gran parte, a la gran carga de datos observacionales que ha aportado el telescopio espacial HUBBLE. Cada vez nos encontramos más cerca de responder preguntas que todos nos hemos planteado alguna vez: ¿tuvo el universo un origen? ¿es finito? ¿cómo evolucionará en el futuro?...

 

 

Quizá podíamos empezar hablando de Marte y esos viajes proyectados, ¿qué resultados podemos esperar de todo eso?
 
Ni los astrónomos ni, incluso, geólogos planetarios, esperan grandes cosas de un viaje a Marte. Los viajes del Apolo a la Luna tampoco aportaron grandes cosas, desde el punto de vista científico. Trajeron algunas piedras que venían a confirmar lo que ya los satélites habían detectado. No obstante, el interés político y social hacia estos campos repercute favorablemente en nuestra labor. La Astrofísica es hoy un área prioritaria en España, en los planes de I+D, aunque eso sí, no por el interés en viajar a Marte...
 
 
 
¿Y el HUBBLE? ¿cuál es la importancia del HUBBLE dentro de la historia de los telescopios?
 
La importancia del HUBBLE comienza porque es el único telescopio capaz de observar en el rango óptico que hay en el espacio. Existen, no obstante, otros telescopios, de menor tamaño, que detectan la luz en otras frecuencias, como son los telescopios de rayos X, infrarrojos, radiotelescopios (telescopios de microondas), etc. El HUBBLE ha representado un desarrollo enorme para la Astrofísica porque ha permitido la observación del "espacio profundo", de objetos cuya señal es muy débil y que, por lo tanto, están muy alejados en el tiempo, lo que ha hecho posible conocer mucho de la Historia del Universo.
 
 
 
¿Porqué un telescopio alejado de la Tierra?
 
 
La ventaja de situar un telescopio en el espacio es que allí no existen las turbulencias de la atmósfera por lo que de partida se logra una mayor resolución que el mismo telescopio instalado en tierra. Por otra parte, el HUBBLE no es muy grande, mide 2m., cuando en tierra ya existen telescopios de 10 m de diámetro y hoy se planea construir futuros telescopios de 30 m y más.
 
 
 
¿Porqué se quiere "jubilar" ahora, después una importante inversión técnica y económica que corrigió una óptica defectuosa?
 
Ya sabéis que la historia del HUBBLE ha sido bastante accidentada: no se hicieron las pruebas suficientes y nació "miope". Hubo que ponerle unas "gafas". Luego, en sucesivas intervenciones se ha ido mejorando: cambiando giróscopos (básicos para la orientación), instalando detectores mucho más sensibles, etc., hasta situarlo en la actualidad (2004) como un instrumento de una enorme capacidad. Sin embargo, desde la explosión del Columbia, las futuras misiones de mantenimiento se han suprimido (creo que le quedan solo un par de giróscopos funcionando, de manera que cuando le fallen perderá la órbita) por lo que su jubilación forzosa está muy próxima y la NASA se dedicará a otras cosas. Proyectos no parece que le falten.
 
 
 
Has mencionado los telescopios de tierra, ¿qué pueden aportar con una competencia como la del HUBBLE?
 
Bien, el desarrollo de los telescopios en tierra también ha sido muy importante en los últimos años. En la actualidad de lo que se trata es de combinar varios al mismo tiempo (algo parecido a cuando utilizamos ordenadores "en paralelo") unidos, en este caso, por fibra óptica.
El Hubble ha representado un desarrollo enorme para la Astrofísica...
El objetivo es aumentar la capacidad colectora (el nº de fotones por unidad de superficie, que depende del tamaño del espejo). En teoría, cuanto más grande es el espejo del telescopio, mejor. No obstante, es casi imposible lograr un espejo de una sola pieza de más de 8 m debido a las deformaciones que provoca en la lente la fuerza de la gravedad (al orientar el telescopio y cambiar de posición la lente, pesadísima,
Telescopio UAM
ésta se curva). Necesariamente, hay que dividir el cristal en muchos trozos pequeños. Estos telescopios de tierra, aunque tienen una fuerza colectora muchísimo mayor que la del HUBBLE, tienen las limitaciones de la atmósfera mencionadas antes: hay ciertos tipos de ondas de luz, ultravioleta, por ejemplo, que son absorbidas por la atmósfera y que, por lo tanto, resultan indetectables. En la UAM, para no ser menos, tenemos nuestro propio observatorio que es un laboratorio de enseñanza donde hay un telescopio grande (0,5 m) y otros pequeños que se instalan en la terraza del observatorio y que se conectan a una serie de ordenadores, tal como se hace en la astronomía profesional. Esto se completa con una serie de cámaras digitales (CCD). Puedo afirmar que los alumnos disfrutan muchísimo cuando suben allí arriba.
 
 
 
¿Es imprescindible "mirar" a través de estos medios para avanzar en el conocimiento del Universo? ¿no son suficiente los modelos teóricos? ¿o se mira para confirmar precisamente esos modelos?
 
Por todo lo dicho antes, yo diría que el gran avance de los últimos años experimentado por la Cosmología proviene precisamente del enorme desarrollo de los sistemas de observación que nos permiten retrotraernos en el tiempo hasta los primeros instantes tras el Big Bang.
¡¿?!.....
A ver. Los modelos teóricos del Big Bang arrancan con la Teoría de la Relatividad de Einstein (1918), que es una interpretación muy general de la atracción gravitacional descrita por Newton.
...se posee una primera evidencia experimental directa de una predicción de los modelos Big Bang.
Estos modelos son unos entre los varios posibles que se derivan de esta teoría. Presuponen un momento de gran concentración de energía en un punto, con una densidad infinita, a partir del cual, el Universo empezó a expandirse. Como inciso, es curioso señalar que el propio Einstein no creía al principio para nada en la validez de estos modelos evolutivos del Universo y que incluso propuso otros modelos alternativos, igualmente válidos, desde el punto de vista matemático que los modelos de Big Bang. Pues bien, a partir del desarrollo de las tecnologías en observación astronómica que mencionábamos antes, especialmente desde mediados de los años 60, pudo romperse un impas que no permitía considerar como cierta o falsa ninguno de los modelos cosmológicos propuestos , la de un Universo expansivo donde toda la materia se crea a un T=0 o, por el contrario, la de un Universo, donde la materia se está formando eternamente a medida que las galaxias se alejan mutuamente (Modelo Estacionario). Sin embargo, con el descubrimiento casual de una señal de radio que parece venir de cualquier punto del espacio, lo que se denomina Radiación de Fondo, se posee una primera evidencia experimental directa de una predicción de los modelos Big Bang.
 
 
 
Vale. Dentro de vuestro departamento, ¿cómo os dividís el trabajo de investigación?
 
Muy fácil: la Astrofísica y Cosmología cubren todo lo que va desde la Estratosfera hacia arriba. Hay una serie de escalas o divisiones: si uno investiga en el Sistema Solar, hablamos de Física Planetaria; si la investigación va más allá del Sistema Solar pero dentro de nuestra Galaxia, se trataría de Física Estelar o Galáctica; si el objeto de estudio está fuera de nuestra Galaxia, estaremos hablando de Física Extragaláctica; finalmente, si a uno le interesa mirar más allá, a las galaxias en su conjunto, más allá en el tiempo y en el espacio, entonces estaremos hablando de Cosmología, física, teórica, etc. En nuestro Dpto. cubrimos todo este rango. Aquí hay profesores trabajando en formación estelar dentro de nuestra Galaxia y en la detección de planetas en otras estrellas, que es algo muy reciente y que suscita mucho interés. Se trata de un proyecto muy importante de la ESA (Agencia Europea del Espacio) para la creación de una batería de telescopios en el espacio destinados a detectar otros planetas que tengan condiciones habitables. Otros planetas enormes, tipo Júpiter, ya se han detectado pero lo realmente interesante, el salto verdaderamente cualitativo sería encontrar algún planeta como la Tierra. Hay también profesores que se dedica a estudiar sistemas extragalácticos y otros investigando en la formación de galaxias y su relación con la Cosmología , a un nivel más teórico. En este caso, nuestro objeto de atención es lo que se llama "materia oscura" de la que supuestamente está formado el Universo en un 90% pero que, sin embargo, es invisible porque no interacciona con la luz. Hay, no obstante, una serie de evidencias científicas que conducen a pensar que esa materia efectivamente existe pero lo cierto es que desconocemos totalmente su posible composición o naturaleza.
 
 
 
He oído hablar alguna vez de ese asunto pero o me lo han explicado mal o no lo he entendido.....
 
Para "pillar in fraganti" a esa materia utilizamos un método de trabajo basado en la búsqueda de interacción entre esa materia y otras pertenecientes al mundo "visible". Toda materia, por el hecho de serlo, tiene interacción gravitatoria, atrae a otra materia ya sea visible u obscura, e incluso a la luz. Una de las evidencias de la presencia de esta materia exótica, es el conocido como Efecto Lente. Todos sabemos que la luz, cuando pasa de un medio menos denso a otro más denso, se curva. Pues bien, cuando apuntamos un telescopio hacia lo que se conoce como cúmulo de galaxias, que son gigantescas aglomeraciones de materia, en algunas afortunadas ocasiones, nos encontramos con imágenes de galaxias más lejanas que están distorsionada por la presencia de la materia de ese cúmulo. La luz de estas galaxias lejanas ha sufrido un efecto similar al que ocurre cuando ponemos una lupa. Las vemos en forma de arco, unas manchas curvas que aparecen en muchas fotos del HUBBLE y que asemejan a la difracción que sufre la luz al pasar de un medio a otro. Sin embargo, la explicación a este fenómeno no tiene nada que ver con índices de refracción. Es una predicción también de la Relatividad General de Einstein. Lo que ha ocurrido es que la presencia de una gran concentración de masa ha distorsionado el espacio alrededor de ella, y por tanto, la visión de la luz procedente de cualquier objeto que haya detrás de esa zona. De ahi el nombre de "Lente Gravitacional"
...debe existir al menos 10 veces más materia en el Universo de la que podemos ver.
para referirse a este fenómeno. Pues bien, aplicando las teoría de Einstein, uno puede calcular la cantidad de materia que hace falta para producir las distorsiones, arcos de luz, que el HUBBLE ha detectado en algunos cúmulos de galaxias. El resultado es sorprendente. Es más de 10 veces mayor que la suma de todas las galaxias que componen ese cúmulo. Uno podría pensar que estamos cometiendo algún error al estimar este valor, sin embargo, existen otras muchas observaciones, por ejemplo mediante los telescopios de rayos X de los que hablé antes, que son totalmente independientes de esta que acabo de contar y que también nos predicen que debe existir al menos 10 veces más materia en el Universo de la que podemos ver.
 
 
 
Me imagino que para un científico esta labor de detective debe ser apasionante.....
 
 
Bueno es que recientemente se ha descubierto algo que viene a complicar, o a hacer más interesante, según se vea, el escenario...... Se trata del tema de la Energía Oscura, una energía extraña que algunos califican como la "quinta esencia", en alusión a los antiguos alquimistas. Esta energía se opone a la gravedad generada por la Materia y al hasta hace poco considerado inevitable proceso de ralentización en la expansión del Universo, como consecuencia de las fuerzas de atracción entre los cuerpos. De hecho, esta Energía operaría de forma contraria, no solo no frenando si no acelerando la expansión del Universo
 
 
 
No somos nadie....
 
 
Tranquilo. Todo esto tan aparentemente lejano y sofisticado tiene, sin embargo, aplicaciones prácticas muy inmediatas. Por ej., el chip de las cámaras de vídeo o de fotografía digital (el famoso CCD), es una aplicación directa de las investigaciones de los astrónomos en la búsqueda de un soporte más fiable que la película fotográfica, un soporte de información lineal que pudiera ser leído por un ordenador. Otra aplicación, informática en este caso, se deriva de la necesidad de analizar la información sobre el Universo. Información que combina varias dimensiones y que resulta tan compleja que, necesariamente, precisa de herramientas de cálculo potentísimas y que ha dado lugar a la super computación. En definitiva, yo diría que dar respuesta a nuestras preguntas representa para la industria grandes retos que, a su vez, movilizan potentes departamentos de desarrollo. La investigación en Ciencia Básica no es dinero tirado, como pueden pensar algunos. Un país que no invierta en Ciencia Básica es un país sin futuro.

 

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