Explican el origen de los monstruosos agujeros negros aparecidos tras el Big Bang

Proponen un posible origen para los enormes cuerpos situados en el centro de muchas galaxias: corrientes supersónicas de gas formado tras el origen del Universo se acumularon y colapsaron, generando estos objetos 

Un equipo internacional de investigadores ha conseguido elaborar una simulación de ordenador para explicar y recrear la formación de los primeros  agujeros negrossupermasivos, esas colosales acumulaciones de energía y masa (que tienen una masa comparable a la de cientos o miles de millones de soles) y que están en el centro de muchas galaxias, como la Vía Láctea. El estudio, publicado este jueves en Science, ha mostrado que corrientes de gas supersónicas formadas tras el Big Bang podrían ser la explicación para la aparición de estos objetos tan importantes en la evolución del Universo.

«Es un avance significativo», ha dicho en un comunicado Naoki Yoshida, primer autor del estudio e investigador en el Insituto Kavli de Física y Matemáticas del Universo. «El origen de los monstruosos agujeros negros siempre ha sido un misterio y ahora tenemos una posible solución».

Los astrónomos han podido ver agujeros negros supermasivos situados a una distancia de 13.000 millones de años luz, cuando el Universo apenas tenía el cinco por ciento de su edad actual. Pero ninguna de sus teorías ha podido explicar hasta ahora cómo fue el nacimiento de estos cuerpos en aquellas etapas tempranas. Esto implica que se desconoce una parte importante de cómo nació el Universo visible hoy en día y de que las teorías han pasado algo muy importante por alto. 

La semilla: el colapso gravitacional

Los científicos han dado varias posibles explicaciones. Sugirieron que los agujeros negros supermasivos podrían haberse formado tras la muerte de la primera generación de estrellas que apareció en el Universo. O bien que su origen estaría en la nube de gas primordial, esa masa de gas formada tras el Big Bang, antes que las estrellas. De acuerdo con esta idea, podría ser que el nacimiento de los agujeros negros estuviera relacionado con el colapso gravitacional de este gas. ¿Qué quiere decir esto? Este colapso ocurre cuando una gran acumulación de masa genera una atracción gravitacional tan fuerte que incluso supera la capacidad de resistencia de los átomos. Por eso, en teoría, el colapso progresa fuera de control y sin que nada pueda detenerlo hasta generar una singularidad: el agujero negro. 

 

Acumulación de materia oscura (arriba) y de gas primordial (abajo), que luego darían lugar a un agujero negro- Shingo Hirano

En esta ocasión, Yoshida y su compañero Shingo Hirano, investigador en la Universidad de Texas, Austin (EE.UU.), se fijaron en un posible mecanismo para generar agujeros negros supermasivos con una velocidad suficiente. La clave fue tener en cuenta el movimiento supersónico del gas atrapado por la materia oscura, esa extraña entidad que genera gravedad en el tejido del Universo pero que no está asociada a nada que pueda verse directamente a través de ningún instrumento.

Matemáticas para ver más lejos

De momento, no hay forma de ver lo que ocurrió directamente cuando el Universo estaba dando sus primeros pasos, y quizás nunca sea posible. Pero los científicos pueden desarrollar modelos de ordenador para usar los datos recogidos por los astrónomos y obtener resultados. Guardando las distancias, el proceso recuerda al funcionamiento de una «Thermomix»: se introducen datos (ingredientes) y la máquina los procesa (siguiendo las instrucciones de una «receta») para obtener resultados también en forma de números (la comida procesada). Si resulta que estas conclusiones son compatibles con las cosas que se observan a través de los telescopios, es porque el modelo ha dado con una explicación, al menos plausible, sobre lo que se está estudiando: en este caso el origen de los agujeros negros supermasivos más antiguos.

En esta ocasión, y gracias a los masivos cálculos de un supercomputador, las simulaciones mostraron que solo 100 millones de años después del Big Bang se formó una gran acumulación de materia oscura. Las corrientes de gas supersónicas, originadas en la gran explosión, fueron capturadas por estas acumulaciones de masa. Así, en tiempos muy breves, el gas se concentró y formó enormes y turbulentas nubes de gas, en cuyo interior se pudieron formar rápidamente los gérmenes de estrellas inmensas.

«Una vez que llegaron a una masa de 34.000 soles, las estrellas colapsaron por su propia gravedad, y dieron paso a agujeros negros», ha dicho Yoshida. «Estos agujeros negros masivos nacidos en el Universo temprano continuaron creciendo y fundiéndose con otros hasta convertirse en agujeros negros supermasivos», ha propuesto el astrofísico. Estos son los que podemos ver hoy en día a través de potentes telescopios.

La densidad de los agujeros negros

Las simulaciones son simulaciones y la realidad es la realidad. Pero lo cierto es que el modelo usado por estos investigadores ha predicho un Universo en el que habría un número de agujeros negros supermasivos similar al que realmente existe: con una densidad de cerca de uno por cada 3.000 millones al cubo de años luz (este es el volumen que queda comprendido en un cubo de 3.000 millones de años luz de lado).

Esta investigación será importante para las futuras investigaciones que analicen el crecimiento de grandes agujeros negros. Además, se espera que en los próximos años el potente telescopio espacial James Webb acelere este área gracias a su capacidad de observar el Universo más lejano y por tanto más antiguo.

Así las cosas, parece que con el Big Bang, en un instante imposible el tiempo comenzó a correr. Y con él la materia, la energía y el espacio «brotaron» en todas direcciones. Desde un punto singular en el que se concentraba toda la energía, en cuestión de segundos la expansión permitió la aparición de los átomos más sencillos posibles: los de hidrógeno y helio. En teoría, hicieron falta miles de millones de años para que apareciera la luz, y para que el gas primordial se aglutinase y formase estrellas, galaxias y también agujeros negros. Pero, ¿cómo ocurrió esto? ¿Cuándo y por qué aparecieron los primeros agujeros negros supermasivos? Esto es lo que aun se está tratando de comprender. La receta para lograrlo pasa por usar telescopios cada vez más potentes, y quizás valerse de la información de lasondas gravitacionales, y hacer simulaciones por odenador que puedan explicar los fenómenos que sí que se pueden observar.

Fuente: http://elblogantares.blogspot.com.es/2017/09/explican-el-origen-de-los-monstruosos.html

Resuelto el misterio de la distribución del oxígeno en las zonas externas de la Vía Láctea

Un equipo dirigido por un investigador del IAC y de la ULL ha medido con precisión la variación de la abundancia de este elemento químico a lo largo del disco de nuestra galaxia.

Durante la Gran Explosión (Big Bang) que dio lugar a nuestro Universo, solo se formaron dos elementos químicos en cantidades apreciables: el hidrógeno y el helio. Casi todos los elementos químicos restantes, menos los creados artificialmente por el ser humano, los producen las estrellas durante su vida y en procesos asociados con su muerte. En Astrofísica, los elementos químicos más pesados que el helio se denominan de forma genérica “metales” y la proporción que tiene un objeto cósmico de los mismos es la “metalicidad”, cuya cantidad media ha ido aumentado en las galaxias con el tiempo. De entre los “metales”, el oxígeno es el más abundante y, por lo tanto, se convierte en un indicador muy utilizado para estimar metalicidades.

Todas las galaxias espirales, como la Vía Láctea, muestran que la cantidad de oxígeno que contienen va disminuyendo según nos alejamos del centro galáctico, lo que se denomina el “gradiente de abundancia de oxígeno”. Este comportamiento puede explicarse atendiendo a distintos factores relacionados, primero, con la distribución radial de los flujos de gas que experimenta el disco galáctico, y, segundo, con la formación estelar posterior. Hace casi 30 años, se encontraron indicios de que el comportamiento del gradiente parecía aplanarse en las zonas más externas del disco de la Vía Láctea, más allá del denominado “radio isofotal”, situado a una distancia de 37.500 años luz del centro galáctico. Hasta la fecha, este presunto aplanamiento ha carecido de pruebas observacionales contundentes debido a que las nebulosas ionizadas asociadas a la formación estelar (regiones HII), que son los objetos donde mejor se puede determinar la abundancia de oxígeno, son muy débiles y difíciles de observar en esas zonas tan lejanas.

Sin embargo, gracias, principalmente, al espectrógrafo OSIRIS del Gran Telescopio CANARIAS (GTC), ubicado en el Observatorio del Roque de los Muchachos (Garafía, La Palma), un equipo de investigación del IAC y de la Universidad de Hong Kong ha podido medir de forma precisa y por primera vez la temperatura en las nebulosas de esas zonas externas de la Vía Láctea y determinar la abundancia de oxígeno. Sus resultados, recientemente publicados en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, muestran que tal aplanamiento no existe y que el gradiente de oxígeno se mantiene prácticamente constante hasta una distancia de 55.500 años luz del centro de la Vía Láctea, una fracción muy considerable del disco cuyo radio podría alcanzar unos 70.000 años luz.

“Si el gradiente de oxígeno en las zonas externas del disco de la galaxia presentase un aplanamiento -indica César Esteban, profesor de la Universidad de La Laguna (ULL), investigador del IAC y autor principal de este trabajo- supondría que algunos mecanismos complejos y exóticos estarían actuando en dichas zonas lejanas. Por ejemplo, que la eficiencia de la formación estelar se mantuviera constante, que existiera una caída de gas enriquecido químicamente desde el espacio intergaláctico o que los procesos de mezcla radial de gas fueran insólitamente eficaces. Nuestros resultados sugieren que podemos estar tranquilos a este respecto, no parece ocurrir nada extraño en los extrarradios de la Vía Láctea.”

En este sentido, Jorge García-Rojas, investigador en el IAC y otro de los autores del artículo, explica que “los resultados que hemos obtenido indican que los mecanismos que gobiernan la formación estelar y la evolución química en la Vía Láctea no sufren cambios sustanciales según su posición a lo largo del disco de la Galaxia”.

Grandes telescopios

Para obtener espectros detallados que permitieran determinar la temperatura del gas ionizado de las nebulosas ha sido fundamental usar grandes telescopios como el GTC, de 10,4 m, o el Very Large Telescope, sistema de cuatro telescopios de 8,2 m instalados en el Observatorio de La Silla, en Chile, del European Southern Observatory (ESO). “Hasta ahora – apunta Xuan Fang, investigador de la Universidad de Hong Kong que también ha participado en este estudio-, disponíamos de espectros obtenidos con telescopios sustancialmente más pequeños y muchas de las determinaciones de las abundancias químicas eran indirectas, sin la precisión suficiente para establecer sin lugar a dudas el comportamiento que hemos encontrado”.

“Estos resultados implican que los modelos más aceptados para la formación y evolución de la Vía Láctea, como son los denominados inside-out, pueden ser aplicados, al menos, a la mayor parte del disco galáctico”, concluye Laura Toribio, recién doctorada en el IAC y que también ha contribuido a esta investigación.

Artículo: “The radial abundance gradient of oxygen towards the Galactic anticentre”, por C. Esteban, X. Fang, J. García-Rojas y L. Toribio san Cipriano, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Artículo en astro-ph: https://arxiv.org/pdf/1706.07727.pdf
Artículo en Royal Astronomical Society: https://academic.oup.com/mnras/article-lookup/doi/10.1093/mnras/stx1624


Fuente: http://elblogantares.blogspot.com.es/2017/09/resuelto-el-misterio-de-la-distribucion.html

Entanglement is an inevitable feature of reality

Credit: CC0 Public Domain

(Phys.org)—Is entanglement really necessary for describing the physical world, or is it possible to have some post-quantum theory without entanglement?

In a new study, physicists have mathematically proved that any theory that has a classical limit—meaning that it can describe our observations of the classical world by recovering classical theory under certain conditions—must contain entanglement. So despite the fact that entanglement goes against classical intuition, entanglement must be an inevitable feature of not only quantum theory but also any non-classical theory, even those that are yet to be developed.

The physicists, Jonathan G. Richens at Imperial College London and University College London, John H. Selby at Imperial College London and the University of Oxford, and Sabri W. Al-Safi at Nottingham Trent University, have published a paper establishing entanglement as a necessary feature of any non-classical theory in a recent issue of Physical Review Letters.

"Quantum theory has many strange features compared to classical theory," Richens told Phys.org. "Traditionally we study how the classical world emerges from the quantum, but we set out to reverse this reasoning to see how the classical world shapes the quantum. In doing so we show that one of its strangest features, entanglement, is totally unsurprising. This hints that much of the apparent strangeness of quantum theory is an inevitable consequence of going beyond classical theory, or perhaps even a consequence of our inability to leave classical theory behind."

Although the full proof is very detailed, the main idea behind it is simply that any theory that describes reality must behave like classical theory in some limit. This requirement seems pretty obvious, but as the physicists show, it imparts strong constraints on the structure of any non-classical theory.

Quantum theory fulfills this requirement of having a classical limit through the process of decoherence. When a quantum system interacts with the outside environment, the system loses its quantum coherence and everything that makes it quantum. So the system becomes classical and behaves as expected by classical theory.

Here, the physicists show that any non-classical theory that recovers classical theory must contain entangled states. To prove this, they assume the opposite: that such a theory does not have entanglement. Then they show that, without entanglement, any theory that recovers classical theory must be classical theory itself—a contradiction of the original hypothesis that the theory in question is non-classical. This result implies that the assumption that such a theory does not have entanglement is false, which means that any theory of this kind must have entanglement.

This result may be just the beginning of many other related discoveries, since it opens up the possibility that other physical features of quantum theory can be reproduced simply by requiring that the theory has a classical limit. The physicists anticipate that features such as information causality, bit symmetry, and macroscopic locality may all be shown to arise from this single requirement. The results also provide a clearer idea of what any future non-classical, post-quantum theory must look like.

"My future goals would be to see if Bell non-locality can likewise be derived from the existence of a classical limit," Richens said. "It would be interesting if all theories superseding classical theory must violate local realism. I am also working to see if certain extensions of quantum theory (such as higher order interference) can be ruled out by the existence of a classical limit, or if this limit imparts useful constraints on these 'post-quantum theories.'"

 Explore further: Envisioning a future quantum internet

More information: Jonathan G. Richens, John H. Selby, and Sabri W. Al-Safi. "Entanglement is Necessary for Emergent Classicality in All Physical Theories." Physical Review Letters. DOI: 10.1103/PhysRevLett.119.080503

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