Me despierto sobre un colchón en el suelo porque alguien se resistió a ofrecerme un rinconcito de su cama. Estoy en un piso compartido de Cambridge a 10 minutos caminando de la Universidad de Harvard.
Salgo a la cocina y encuentro preparando café al tipo barbudo que anoche me dijo estudiaba estrellas de neutrones. -“Hey…”,-“Hey…” son nuestros resacosos saludos. Él va en pijama y yo camiseta y calzoncillos. Es enero en Boston.
- “¿No pasaste frío?”, me pregunta.
- “uff…”, respondo.
Me ofrece café, y veo la luz al final del túnel. La expectativa de la cafeína agudiza mis sentidos, e intento hacer un chiste para astrofísicos: “Me acabas de abrir un túnel al final de la luz. Ah no; que esto es un agujero negro! al revés quería decir… je je…” Me mira de reojo, se hace el silencio, y constato que mi supuesta agilidad metal era efectivamente un placebo.
Caminamos hacia la mesa del comedor. Nos sentamos frente a frente. Tomo mi primer sorbo y le pregunto: ¿Cómo dices que se formaba una estrella de neutrones? (en esta reconstrucción de nuestras divagaciones, cualquier imprecisión en las palabras de Manu corresponde a lapsus de mi memoria, excesiva simplificación, o escasez de cafeína)
Materia apretujándose y comprimiéndose hasta límites insospechados
En realidad,el principio tras la formación de una estrella de neutrones no resulta diferente al de un agujero negro. Todo es cuestión de masa, fuerza de gravedad, y una progresiva compactación de la materia. Éste último punto sobre átomos y partículas comprimiéndose es el que más cautivó mi imaginación. Pero empecemos un poco más atrás.
Las estrellas brillan porque la fuerza de la gravedad en su interior es tan descomunal que apretuja los átomos de hidrógeno hasta el punto que fusionan sus núcleos generando átomos de helio. Esto libera gran cantidad de energía hacia el exterior, y empuja hacia fuera los propios átomos de hidrógeno de capas superiores. Así es como en la estrella se mantiene un equilibrio entre gravedad hacia dentro y presión hacia fuera.
Cuando el hidrógeno escasea, la presión del plasma disminuye y la gravedad empieza a ganar la partida. Todo se va compactando hasta el punto que el helio comienza a fusionarse en átomos más pesados. Esto generará más energía y volverá a empujar hacia fuera las capas de la estrella. Y así con más elementos químicos, hasta que poco a poco el combustible nuclear se va apagando y las capas exteriores empiezan a colapsarse hacia el centro.
Cuando esto ocurre hay un punto en que la presión es tan salvaje, quede manera muy localizada empiezan a producirse reacciones tremendamente exotérmicas,y la estrella pega un petardazobrutal formando una supernova. Para que te hagas una idea de las dimensiones de tal explosión, las supenovas que veis en imágenes de la NASA pueden tener varios años luz de diámetro. Nuestro sistema solar entero sería un puntito indistinguible dentro de la supernova.
Tras la supernova, parte del material estelar se esparcirá por el Universo, y parte se colapsará de nuevo hacia el centro.
Si la estrella era muy grande –más de 20 veces nuestro Sol-en el cadáver estelar quedará como mínimo la masa de 3 soles comprimidos en un espacio diminuto. Esto provocará una fuerza de gravedad tan grande que impedirá escapar incluso a la luz. Se habrá formado un agujero negro.
Si la estrella original era menor a 8 veces nuestro Sol, lo que quede será un pedrusco del tamaño de la Tierra y máximo 1.4 soles de masa que los astrofísicos llaman enana blanca.
Pero si inicialmente contenía entre 8 y 20 veces la masa de nuestro Sol, y en el cadáver estelar se concentra el equivalente a entre 1.4 y 3 soles, ocurrirá una cosa espectacular: la presión por la gravedad no será suficiente para constituir un agujero negro, pero sí para apretujar los átomos hasta el punto que protones y electrones se unan formando neutrones. Toma ya! Se estaráconstituyendo una estrella de neutrones, y toda esa materia de 1.4-3 soles quedará condensada en unradio de aproximadamente 10 km. Sonlos cuerpos observables más densos del Universo (por el momento), queel postdoc Manu Linares estudia desde el MIT gracias a los Rayos-X que emiten las reacciones termonucleares en su interior.
Escribí “(por el momento)”, porque de repente Manu me cuenta algo que me deja boquiabierto.
- Pero Manu; ¿tú qué diantre investigas exactamente?
- Entre otras cosas el tamaño exacto de la estrella de neutrones
- ¿Y eso es tan importante?
- ¡Mucho! porque la masa total sí la podemos saber. Y conocer si una determinada cantidad de materia se concentra en 8, 10, o 15 km nos da indicios de qué puede estar ocurriendo en su interior. Piensa que no sabemos bien qué física se aplica en estas superdensidades, y el grado de quarks sueltos que pueden existir.
- Un momento… ¿Quarks sueltos???? (sistema nervioso simpático activado: el cuerpo y mente se preparan para la acción)
- Sí; cuando la gravedad es muy grande, los neutrones pueden llegar a romperse y liberar los tres quarks que los constituyen.
- ¡Fuá! Y lo dices tan pancho… pero hay quarks sueltos por ahí?
- En la naturaleza no, pero dentro de una estrella de neutrones podría ser. No se sabe todavía, pero las leyes de la física en principioparecen permitirlo.
Apunte: Hace unas décadas se pensaba que electrones, protones y neutrones eran partículas elementales; es decir que no estaban formadas por partículas más pequeñas. Posteriormente se descubrió que protones y neutrones estaban en realidad constituidos por unas subpartículas llamadas quarks. En concreto los neutrones tenían en su interior dos quarks “down”, y un quark “up”. El protón lo contrario
- Oye… entonces… ¿podría haber estrellas de quarks?
- Bueno; nunca se ha observado ninguna…
- También se predijeron los agujeros negros de manera teórica mucho antes de ser observados
- Cierto.
- Entonces podrían existir… y si podrían existir, con lo grande que es el Universo, seguro que hay…
- No conocemos bien la física a estas energías, pero efectivamente hay gente diciendo que sí podrían existir. Ya te pasaré papers… y habla con algún físico teórico.
- ¿Qué crees que descubriremos antes: ¿estrellas de quarks o vida extraterrestre?
- El calcetín perdido en la lavadora…
- No me fastidies tío… Ya sé que no hay respuesta. Pero elucubra a partir de lo que sabes… tiene sentido
- Comodín del público… estrellas de quarks!
Cuando te enamoras de alguien (no me refiero a Manu…), no logras quitártelo de la cabeza. Sigues tu vida cotidiana como si nada, pero en realidad está constantemente presente, esperando el momento adecuado para el reencuentro. A mi me pasa con la ciencia y con quien me regala libretas. Y me sucedió con las estrellas de quarks.Tuve que escribir a Miguel.
¿Existe algo entre una estrella de neutrones y un agujero negro?
Apuesta que sí. Aunque sea por la ilusión que genera el desconocimiento. Cuando creía que yo tenía una idea superficial pero sólida de física subatómica, resulta que los protones y electrones se juntan formando neutrones, y que si los apretujas suficientes se rompen liberando sus quarks. ¿Qué más puede pasar? ¿Qué ocurre si todavía comprimes más esos quarks? ¿Qué estructura tiene la materia dentro de un agujero negro?
“Es una singularidad”, me dice el físico teórico Miguel Alcubierre desde la UNAM de México. Ya habíamos hablado de ello hace pocos meses durante una cena en DF amenizada por agujeros negros, de los que él es un experto. Retomamos el tema.
- Come on Miguel… ni una hipótesis? Aunque no sea falseable?
- A nadie le gusta la singularidad, pero hasta que tengamos una teoría cuántica de la gravitación consistente, es el resultado que la relatividad predice para los agujeros negros. Allí la materia no está en ningún estado. Se colapsa inevitablemente a un punto de densidad infinita. Es un teorema matemático formalmente demostrado, no un invento. No se le puede dar la vuelta.
- Grrrrrr…. ¿Y las estrellas de quarks?
- Sí son una posibilidad teórica. Pero no sabemos bien bajo qué condiciones se forman ni cuales son sus propiedades. Las ecuaciones de cromodinámica cuántica son horribles y no sabemos si se pueden aplicaren estas energías y presiones.
- He leído que las estrellas de quarks estarían formadas de materia extraña
- Hay 6 tipos de quarks: up, down, top, bottom (por falta de imaginación de los físicos), charm y strange. Bajo esas condiciones los strange podrían ser más estables.
- Pero entonces existen…
- Son posibles en principio. Pero entre un agujero negro y una estrella de neutrones no hay mucho margen para tener estrellas de quarks estables. Podría ocurrir que al formarse el plasma de quarks se iniciara un colapso hacia agujero negro.
- Pero Miguel… aunque la posibilidad sea muy remota, y las condiciones para su formación muy restringidas… con lo grande que es el Universo, si no son imposibles seguro que en algún rincón existen.
- Sí. Pero falta justo eso. Saber si están permitidas.
- Por lo que he leído, nadie dice que no lo estén…¿Crees que descubriremos primero vida extraterrestre o estrellas de quarks?
- Si existen, estrellas de quarks. Vida extraterrestre hay seguro pero me parece que estamos muy lejos de encontrarla. Y la astrofísica avanza muy rápido. Pero deberías hablar con un experto en partículas
Intuyo que el experto en partículas me dirigirá a un físico cuántico, y capaz que éste me envíe a un matemático de teoría de cuerdas. Einstein me libre… seguro que me advierte que lo suyo son todo especulaciones sin observación experimental, y me recomienda que hable con algún astrofísico de los que estudia el Universo mirando al cielo en lugar de a ecuaciones. Como Manu.
Paro aquí, porque por mucho que continuáramos nunca habría un final. Eso es lo bonito de la ciencia. El conocimiento va creciendo. Tanto el colectivo como el individual de cada uno. Ya retomaremos la aventura. Yo de momento me quedo ilusionado con que en algún rinconcito del Universo existe un astro del que todavía nunca había oído hablar. ¿lo descubriremos antes que la vida extraterrestre? Quien sabe… ¿opiniones?
Tras terminar toda la cafetera y contrastar otros fenómenos etnográficos no explicables por la ciencia, Manu y yo nos levantamos de la mesa.
- Por cierto Manu; a mi esto que decís de la singularidad me parece tener una jeta terrible… no tenéis ni puñetera idea y punto. Pero allí en el centro del agujero negro hay algo con alguna “forma” seguro
- Oye, que el mundo cuántico es aberrante. Y nuestra visión del mundo limitadísima. “Debemos aprender a vivir con los límites de nuestra percepción, e incluso de la imaginación”.
Gran frase y llena de sentido. Pero reniego de ella.
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Aconsejo muchos libros, pero me estoy leyendo “Historia de un átomo” De Lawrence M. Krauss y abarca todos estos temas. Se lee muy bien.
Pere, buen artículo.
Para saber si un tipo de materia puede dar lugar a una estrella es necesario conocer en detalle su ecuación de estado. En la teoría de los quarks y gluones (llamada QCD) se han propuesto muchos tipos “nuevos” de materia, pero para ninguno se ha podido calcular su ecuación de estado (los cálculos son extraordinariamente difíciles; estudiar un solo protón con QCD en redes requiere los superordenadores más poderosos del mundo). Ahora mismo, la única manera de conocerla es mediante experimentos. Entre estos, en mi opinión, los más interesantes son los experimentos con hipermateria (hipernúcleos, núcleos con protones, neutrones y partículas lambda); la hipermateria contiene quarks extraños y es un tipo de materia extraña. Estos experimentos son difíciles pero están avanzando más rápido que las simulaciones por ordenador. Todavía no se ha demostrado que la hipermateria sea suficientemente estable para formar estrellas, pero aún no se ha logrado fabricar ningún hipernúcleo con dos partículas lambda y muchos físicos creemos que cuando se logre serán lo suficientemente estables como permitir la formación de estrellas.
En mi opinión habrá importantes avances en el campo de las estrellas de quarks, las estrellas bosónicas y otras estrellas exóticas en la década en curso. Espero no equivocarme.
Hola, este tema siempre me ha parecido interesante. Y me ha gustado investigar sobre este tema en Internet. Pero ahora necesito algo de información más específica aunque sin ser demasiado técnica. Ya que estoy elaborando un trabajo para clase. Sobre todo me gustaría encontrar una fuente que me asegure esos límites de masas de los que se hablaba en el artículo. A quién me lea, comprendo que esos límites quizá en algunos casos no estén bien definidos, pero no puedo estar leyendo en un sitio que son 6 y 7 y 25 masas solares para tales cosas y en otro sitio lea 6 y 12 y 30 (por poner un ejemplo); y si pudiera alguien ofrecerme algo de fiabilidad en estos datos ya sea porque tiene una buena fuente o porque sabe de estos temas, me sería muy útil y se lo agradecería. También estaría perfecto alguna imagen de ayuda (el trabajo es sobre agujeros negros).
PD: Perdón por venir aquí a pedir ayuda para clase, pero mi profesor no puede ayudarme en esto je je.
Mira, lo más fiable es que tomes los valores de masa del núcleo: de 1.4 a 3 masas solares. Esos valores están bien definidos por nuestro conocimiento de la física. El problema es saber con precisión a que masas totales de la estrella pueden corresponder esos valores de masa del núcleo. Más aún cuando las estrellas masivas se caracterizan por ser poco estables y perder masa por vientos estelares o por pulsaciones.
Según el modelo que se consulte, el rango está entre 8 y 30 masas solares, aunque apostaría a que más bien está entre 8.5 y 25. No soy experto en el tema así que no puedo darte valores más precisos. Pero yo que tú me quedaría con el dato clave: que su núcleo tenga una masa entre 1.4 y 3 masas solares.
Y entonces para masas mayores de 30 masas solares, ¿no se formaría el agujero negro? Quizá lo que tu dices sea lo mejor, explicarlo hablando de la masa del núcleo, pero nunca lo había visto explicado así. Esa masa de la que hablamos es la originaria de la estrella que da lugar al agujero ¿no? Porque luego el agujero se formará a partir del remanente de la enana blanca, tras la supernova, sino me equivoco. Aunque segun creo haber leido se pueden formar agujeros de menor masa, asi que no sé si pasaran por supernova antes de convertirse en el agujero negro.
Muchas gracias por tu respuesta
No, me temo que te he liado. Te explico con más detalle.
Cuando hablamos de la masa de la estrella original (antes de la explosión de supernova), el intervalo en el que puede formarse una estrella de neutrones es de 8 a 30 masas solares (o de 8 a 20 como dice este artículo ). Para estrellas cuya masa total es mayor a 30 masas solares, entonces no se forma una estrella de neutrones, si no un agujero negro.
Por otro lado una enana blanca es lo que queda como remanente para estrellas de menos de 8 masas solares. Así, tendríamos un esquema global de este tipo:
20-30 masas solares o más: agujero negro.
de 20-30 a 8-10 masas solares: estrella de neutrones
menos de 8-10 masas solares: Enana blanca.
Los límites de masa dependen un poco la fuente que mires, ya que los trabajos más recientes dan cifras diferentes gracias a simulaciones más precisas, pero hay todo un rango de circunstancias que pueden variar esos valores. Más aún, depende de las circunstancias que se contemplen en el trabajo, el valor puede ser algo diferente.
Otro problema añadido es que una estrella con mucha masa pierde gran cantidad de masa durante su vida por viento estelar o pulsaciones, lo que puede provocar que su masa inicial sea bastante mayor que su masa justo antes de explotar como supernova.
No soy especialista en este tema, y no tengo a mano un buen manual de evolución estelar, así que no puedo darte más detalles. Sólo quería que constara para que o te extrañe si ves valores discrepantes en Internet.
Finalmente, quería indicarte que una enana blanca jamás se convertirá en una estrella de neutrones, ni una estrella de neutrones se convierta en un agujero negro. Cada uno de estos objetos es el resultado final de un esquema de evolución muy diferente. La siguiente imagen (de la NASA) lo resume muy bien, aunque no da valores numéricos.
http://www.cosmosportal.org/files/47101_47200/47109/file_47109.jpg
Por otro lado, las estrellas sólo pueden pasar a ser estrellas de neutrones en una explosión de supernova y hasta donde yo sé, la gran mayoría de agujeros negros de origen estelar también aparecen en una supernova, aunque hay hipótesis que plantean que ciertas estrellas extremadamente masivas pueden colapsar directamente en un agujero negro. Pero ojo, eso es una hipótesis hasta donde yo sé.
Y si se forman agujeros negros o estrellas de neutrones de masa “pequeña” comparada con la de la estrella original se debe a que cuando se produce una explosión de supernova, sólo el núcleo pasa a ser una estrella de neutrones (si su masa está entre 1.4 y 3 masas solares) o un agujero negro (si su masa más de 3 masas solares o más). El resto de la estrella se desperdiga en el medio interestelar.
Si te sirve, aquí tienes un link a una animación flash de la nasa (en inglés) que te da información sobre la evolución estelar, y en la que se basa la imagen anterior:
http://chandra.harvard.edu/edu/formal/stellar_ev/stellar_ev_flash.html
Muchas gracias por tu ayuda. He decidido centrarme en el caso tipo de una estrella muy masiva, una supergigante; y dar un panorama general sobre agujeros negros.
Este trabajo junto a los artículos de divulgación que leo diariamente en Amazings y otros blogs contribuyen a enriquecer mi conocimiento y saber más por ejemplo sobre agujeros negros, un tema que me gusta mucho pues está en el límite de la física.
He vuelto a confirmar eso de que tiene mas detalles de los que conocía, pero eso no me desanima je je.
Un saludo Ahskar,
de parte de un estudiante de bachillerato.
Pido perdón de nuevo por dirigirme aquí, pero es posible que encuentre alguien que me ayude.
Me gustan muchos estos temas, ¡seguid escribiendo sobre ello! Este artículo tenia un enfoque distinto a los que hacen el resto de compañeros. Ha sido también interesante. Estaría bien que Francis, Kanijo o alguien diera más información para personas que les interesa esto.
Y otra cosa iba decir…espero que la revista Amazings vaya genial y pueda llegar a los quioscos, y pueda llegar a más gente (como a mí je je).
Saludos
Grandioso articulo. Sobre todo me ha gustado que se escriben las conversaciones de desayuno de los fisicos, esas en las que dicen que “vida extraterrestre hay seguro”, que ciertas ecuaciones son horribles, un “no teneis ni puñetera idea y punto” o “el mundo cuántico es aberrante”.
Es en esas conversaciones donde se ve realmente como esta la ciencia.
Tal vez se descubra una estrella de Quarks junto a un planeta con algun tipo de vida extraterrestre al mismo tiempo
quien da mas?
Me ha encantado el artículo. Me he sentido muy identificado. Cuando tengo la oportunidad también acoso a científicos inocentes.
Lo malo es que eso suele dar alas a la imaginación y les molesta bastante que trates de dar ideas siendo un ignorante.
¿Encontraremos antes vida extraterrestre o estrellas de quarks? jejeje Tuviste suerte que no te tirara la cafetera encima.
No creo que sea molestia, sino frustración. Muchas veces le explicas algo a alguien, con mucho esfuerzo ya parece que lo ha entendido y seguidamente te hace una pregunta o una sugerencia que demuestra que no se ha enterado de nada. No te enfadas con él, que no tiene culpa de no saber lo que no le corresponde, pero sí te frustras.
Les comparto un interesante documental .
http://www.nytimes.com/2006/08/13/opinion/13bardach.html
cubano residente en Berna
el enlace correcto
http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=EBOkGw2XMs8
¿Densidad infinita? El infinito no es más que un concepto límite, como el horizonte. Tiene un incalculable valor como herramienta matemática (como los números complejos), pero ninguna magnitud física puede alcanzarlo. Si la RG conduce a infinitos que luego hay que renormalizar es simplemente porque todavía no se ha conseguido cuantizar.
Tienes razón y no. Creo que cuando aquí se habla de “infinito” no se hace más que para abreviar la fórmula más purista y formal: “ρ=lím_{v–>0} m/v” donde “ρ” es la densidad, “v” el volumen y “m” una cierta masa que permanece constante (o incluso aumenta). Claramente para ahorrar saliva no usarás esta expresión cuando hables distendidamente con un colega, la usarás cuando vayas a presentar un resultado importante.
Quiero recordarte que hay magnitudes físicas que, al menos teóricamente, sí pueden tomar valores complejos. Los taquiones, por ejemplo, poseerían una masa imaginaria y son teóricamente “posibles”.
Dices que el infinito no es más que un concepto límite y tienes razón, pero el uso del infinito en el caso de la densidad dentro de un agujero negro (y en otro muchos) está plenamente justificado, ten en cuenta que el volumen decrece rápida y constantemente (en un agujero negro la materia no parará jamás de contraerse sobre sí misma cada vez más (el volumen nunca llegará a ser cero, pero es esa la tendencia que tiene)), entonces no puedes cuantizarlo nunca dado que una medida hecha en un cierto “momento” no tendrá ningún valor cuando la materia del interior del agujero se haya vuelto a contraer sobre sí misma; también debes tener en cuenta que el tiempo dentro de un agujero negro se “rompe” y si se rompe el tiempo también nuestras ecuaciones sobre él: entonces no hay forma de encontrar una expresión que para un cierto tiempo te dé un volumen del objeto que está en el interior del agujero. Simplemente cuantizarlo es imposible, sólo sabemos cual es su tendencia.
Espero que se me haya entendido; explicar conceptos tan abstractos sin ecuaciones es complicado y no estoy muy acostumbrado.
gracias por compartir el desayuno con el resto del mundo
He aprendido algo nuevo, gracias.
Vida extraterreste, sin duda
Hola, interesante artículo sobre la cafeina y sus efectos a primera hora de la mañana jajaja. Estoy en 1º de Bachillerato de ciencias y estoy buscando libros de fisica, quimica, biologia y matematicas (quiero estudiar biotecnologia). Si me pueden recomendar algunos cuantos les estare muy agradecido.
Es que vida extraterrestre casi seguro que “caera” en cuanto pisemos Marte.
Lo dudo horrores
Oye, una preguntita de magufa, que agradezco de antemano a quien tenga a bien responder: ¿Qué tipo de partícula, o de qué está compuesto un electrón, para que al juntarlo con una prontón (3 quarks), de como resultado un neutrón (también 3 quarks)?
Perdón si es demasiado tonta la pregunta.
El electrón es una partícula fundamental, concretamente un leptón, que son un tipo de partículas “equivalentes” y en principio es tan indivisibles como los quarks. En este sentido, un electrón y un quark son primos, pero ninguno de los dos está compuesto de una partícula aún más fundamental (que nosotros sepamos).
Te dejo aquí un link a una tabla que resume las partículas fundamentales del modelo estandar:
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Standard_Model_of_Elementary_Particles.svg
Al combinarse un electrón con un protón, provoca el cambio de uno de sus quarks. En este tipo de cambios no se tienen que conservar las partículas en si mismas, si no sus propiedades de forma global, es decir, energía (o masa, que a estas escalas viene a ser equivalente) y carga eléctrica.
Así, el neutrón está compuesto por un quark up (carga +2/3) y dos down (-1/3). El cambio el protón está compuesto de dos up y un down. Cuando un electrón se combina con un protón, el electrón desaparece, pero cmabia un quark up por un quark down, y además genera un neutrino tipo e, de forma que en conjunto carga y energía quedan equilibradas.
Ahora bien este tipo de reacciones no es espotánea, ya que requiere bastante energía para que ocurra, pues el protón es una partícula más estable que el neutrón, al tener una menor energía (y masa). De hecho el neutrón se desintegra espotáneamente en un electrón, un protón y un antineutrino e mediante una desintegración beta.
Muchas gracias! Ahora lo entiendo aunque tengo que mirar la definición de más cosas
Tema interesante!
Gracias, Ahskar … El tema de “conversión” de partículas elementales en otras era algo que me dejaba perplejo. Para mí, que un bosón pudiese dar lugar a dos fotones era algo que nunca había entendido, por ejemplo. En tres párrafos me has dado la primera explicación que he comprendido.
Un saludo.
Una pregunta de un profano: ¿la materia de una estrella de neutrones o un agujero negro podría llegar a fusionarse a causa de la gravedad para formar un núcleo atómico de una masa atómica gigantesca? si pudiese ocurrir, ¿que masa podría llegar a tener de forma estable antes de estallar? igual alguien lo ha calculado…o igual es una burrada y por eso no lo han hecho…un saludo