Las primeras galaxias del Universo surgieron en forma similar a Vía Láctea

Un equipo de astrónomos observó un período que transcurrió poco después del Big Bang, y detectó torbellinos de gas en algunas de las primeras galaxias que se formaron en el Universo. Estas “recién nacidas” (observadas tales como eran hace unos 13.000 millones de años) surgieron formando vórtices similares a nuestra Vía Láctea.

El equipo internacional, encabezado por la Dra. Renske Smit, del Instituto Kavli de Cosmología (Universidad de Cambridge), usó el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), ubicado en Chile, para observar por primera vez unas galaxias incubadoras de estrellas en el Universo distante. Los resultados de la investigación se publicaron en la revista Nature, y se presentarán en el congreso número 231 de la Sociedad Astronómica de Estados Unidos (AAS, en su sigla en inglés).

Como la luz de los objetos distantes tarda en alcanzar la Tierra, al observar objetos situados a miles de millones de años luz podemos observar el pasado y presenciar la formación de las primeras galaxias. Sin embargo, esa parte del Universo está llena de una densa “niebla” de gas de hidrógeno neutro que impide observar la formación de las primeras galaxias con telescopios ópticos.

Smit y sus colegas usaron ALMA para observar dos pequeñas galaxias recién nacidas tales como eran solo 800 millones de años después del Big Bang. Al analizar la “huella” espectral de la luz infrarroja lejana recabada por ALMA, pudieron calcular la distancia de las galaxias y, por primera vez, observar el movimiento interno del gas del que se alimentaron para crecer.

“Antes de ALMA, nunca habíamos presenciado la formación de galaxias con tanto detalle, y tampoco habíamos podido determinar el movimiento del gas en galaxias que se remontan a los inicios de la historia del Universo”, explica el Dr. Stefano Carniani, del Laboratorio Cavendish y el Instituto Kavli de Cosmología de Cambridge.

Los investigadores descubrieron que el gas presente en estas jóvenes galaxias rotaba formando un remolino, en forma similar a nuestra galaxia y otras galaxias más maduras observadas en períodos mucho más tardíos del Universo. Pese a ser relativamente pequeñas (cerca de cinco veces más pequeñas que la Vía Láctea), estas galaxias formaban estrellas a una mayor velocidad que otras galaxias jóvenes y, para sorpresa de los investigadores, eran menos caóticas de lo que se esperaba.

 “En el Universo joven, la gravedad generaba un rápido flujo de gas hacia las galaxias que las agitaba y desencadenaba la formación de numerosas estrellas. Y al estallar en violentas explosiones de supernova, estas estrellas agitaban el gas a su vez”, señala Smit, quien realiza un posdoctorado en el marco de una beca Rubicon en Cambridge, otorgada por la Organización Neerlandesa de Investigación Científica.

“Creíamos que las galaxias jóvenes serían más ‘desordenadas’ desde el punto de vista dinámico debido al caos generado por la explosión de estrellas jóvenes. Sin embargo, estas minigalaxias resultaron ser capaces de mantener cierto orden y parecen bien reguladas. A pesar de ser muy pequeñas, están en vías de alcanzar rápidamente la ‘madurez’ de galaxias como la nuestra”.

Los datos recabados por este proyecto allanan el camino para estudiar más a fondo las galaxias pertenecientes a los primeros miles de millones de años de las historia cósmica. 

OBSERVATORIO ALMA/DICYT

Fuente: http://elblogantares.blogspot.com.es/2018/01/las-primeras-galaxias-del-universo.html

ASTRONOMERS SET THE LIMIT FOR JUST HOW MASSIVE NEUTRON STARS CAN BE

In February of 2016, scientists working at the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) made history when they announced the first-ever detection of gravitational waves. Since that time, the study of gravitational waves has advanced considerably and opened new possibilities into the study of the Universe and the laws which govern it.

For example, a team from the University of Frankurt am Main recently showed how gravitational waves could be used to determine how massive neutron stars can get before collapsing into black holes. This has remained a mystery since neutron stars were first discovered in the 1960s. And with an upper mass limit now established, scientists will be able to develop a better understanding of how matter behaves under extreme conditions.

The study which describes their findings recently appeared in the scientific journal The Astrophysical Journal Letters under the title “Using Gravitational-wave Observations and Quasi-universal Relations to Constrain the Maximum Mass of Neutron Stars“. The study was led by Luciano Rezzolla, the Chair of Theoretical Astrophysics and the Director of the Institute for Theoretical Physics at the University of Frankfurt, with assistance provided by his students, Elias Most and Lukas Wei.

Collisions of neutron stars produce powerful gamma-ray bursts – and heavy elements like gold. Credit: Dana Berry, SkyWorks Digital, Inc.

For the sake of their study, the team considered recent observations made of the gravitational wave event known as  GW170817. This event, which took place on August 17th, 2017, was the sixth gravitational wave to be discovered by the Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) and Virgo Observatory. Unlike previous events, this one was unique in that it appeared to be caused by the collision and explosion of two neutron stars.

And whereas other events occurred at distances of about a billion light years, GW170817 took place only 130 million light years from Earth, which allowed for rapid detection and research. In addition, based on modeling that was conducted months after the event (and using data obtained by the Chandra X-ray Observatory) the collision appeared to have left behind a black hole as a remnant.

The team also adopted a “universal relations” approach for their study, which was developed by researchers at Frankfurt University a few years ago. This approach implies that all neutron stars have similar properties which can be expressed in terms of dimensionless quantities. Combined with the GW data, they concluded that the maximum mass of non-rotating neutron stars cannot exceed 2.16 solar masses.

Artist’s impression of gravitational-wave emissions from a collapsing star. Credit: aktuelles.uni-frankfurt.de

As Professor Rezzolla explained in a University of Frankfurt press release:

“The beauty of theoretical research is that it can make predictions. Theory, however, desperately needs experiments to narrow down some of its uncertainties. It’s therefore quite remarkable that the observation of a single binary neutron star merger that occurred millions of light years away combined with the universal relations discovered through our theoretical work have allowed us to solve a riddle that has seen so much speculation in the past.”

This study is a good example of how theoretical and experimental research can coincide to produce better models ad predictions. A few days after the publication of their study, research groups from the USA and Japan independently confirmed the findings. Just as significantly, these research teams confirmed the studies findings using different approaches and techniques.

In the future, gravitational-wave astronomy is expected to observe many more events. And with improved methods and more accurate models at their disposal, astronomers are likely to learn even more about the most mysterious and powerful forces at work in our Universe.

Further Reading: Goethe University Frankfurt am Main, The Astrophysical Journal Letters

Fuente: https://www.universetoday.com/138283/astronomers-set-limit-just-massive-neutron-stars-can/

SETI quiere centrar su atención en un nuevo y misterioso objeto

La búsqueda de vida inteligente extraterrestre no para. Y a veces da sus frutos en el descubrimiento de interesantísimos nuevos objetos astronómicos. ¿Qué es FRB 121102 y por qué suscita tanta atención?


 

Nuevo año y nuevas noticias en la búsqueda de vida (inteligente) extraterrestre. Los esfuerzos SETI (del inglés, Search for ExtraTerrestrial Intelligence) por parte del equipo Breakthrough Listen de la Universidad de Berkeley están apuntando a una nueva y prometedora señal: la cononcida como FRB 121102, homónima del supuesto objeto que la produce. ¿Y por qué? Sus características, su emisión intermitente y rápida, y su distancia pronostican algo misterioso e interesantísimo. 

El misterioso objeto que emite hacia el universo 

Las recientes observaciones de un objeto distante que emite ráfagas intermitentes de ondas de radio ha llamado la atención de diversos científicos de todo el mundo. Estas señales son tan brillantes que pueden verse en todo el universo. Con estos datos, podemos conocer más sobre el lugar de donde vienen, pero no hemos conseguido aclarar el misterio de lo que los causa.

Ahora, utilizando el Telescopio Robert C. Byrd Green Bank para observar las ráfagas de radio rápidas producidas por FRB (fast radio burst) 121102, el equipo Breakthrough Listen pretende ahondar en las razones por las que se producen estos extraños estallidos.

 

Dichas señales, explican los investigadores, están casi 100% polarizadas linealmente, lo que indica que la fuente de las ráfagas está incrustada en fuertes campos magnéticos. Como los que se encuentran alrededor de un agujero negro masivo, por ejemplo. Ya, de por sí, esta característica es extraña.

Las ráfagas de radio son pulsos breves y brillantes de emisiones cuyas fuentes, hasta la fecha, eran desconocidas. El misterioso objeto FRB 121102 es el único que conoce como origen de dichas ráfagas: se han observado más de 200 estallidos de alta energía procedentes de esta fuente, que se encuentra en una galaxia enana a unos tres mil millones de años luz de la Tierra. ¿A qué se deben? 

La señal que parecía de otro mundo 

La noticia saltó a los medios el pasado septiembre cuando la Universidad de Harvard mostró la extraña señal al mundo: "Los estallidos de esta fuente nunca habían sido observados a esta frecuencia", explicaba Andrew Siemion, director del Centro de Investigación SETI de Berkeley y del programa Breakthrough Listen. El origen parece ser una galaxia enana a varios miles de años luz de aquí

En seguida la prensa se hizo con la voz: "¿Estamos ante una señal extraterrestre?", lo que atrajo la atención sobre el interesante descubrimiento. Pero esta señal no es nueva. Estos científicos se hicieron con las primeras señales allá por por 2012. Desde entonces, en busca de pistas de vida inteligente, FRB 121102 ha sido observada con detenimiento.

El origen de las FRB registradas es una galaxia enana con apenas el 1% de la masa de la Vía Láctea, situada a varios miles de millones de años luz de aquí. Desde su descubrimiento, las señales FRB grabadas se cuentan por cientos. ¿Sabemos por fin de dónde vienen? Los científicos creen que sí. 

Un magnetar junto al agujero 

Según el estudio, las mediciones confirman las observaciones de otros equipos de astrónomos: la polarización casi del 100% de las ráfagas de radio. Esto es algo verdaderamente extraño, y solo se ha visto en las emisiones de radio de los entornos magnéticos extremos alrededor de los agujeros negros masivos. Como los que se encuentran en los centros de las galaxias, por ejemplo.

Los científicos sugieren que estas ráfagas de radio rápidas podrían provenir de una estrella de neutrones giratoria altamente magnetizada, algo que conocemos como magnetar, situada cerca de agujero negro masivo que aún está creciendo a medida que el gas y el polvo son atrapados en él. 

 

Representación de un magnetar. Fuente: Nanda Rea/Jeff Michaud

Estas ráfagas oscilan entre los treinta microsegundos y los nueve milisegundos de duración, lo que indica que la fuente podría tener tan solo ¡diez kilómetros de diámetro! Este es el tamaño típico de una estrella de neutrones, lo que da pie a pensar en el magnetar. Pero la cosa no es tan sencilla.

"En este momento, no conocemos realmente el mecanismo. Todavía hay muchas preguntas sin contestar. Por ejemplo: ¿cómo puede una estrella de neutrones rotativa producir la gran cantidad de energía típica de un FRB?", planteaba Vishal Gajjar, investigador y parte del equipo Breakthrough Listen. Todavía queda mucho por descubrir. 

¿Y si fueran realmente extraterrestres? 

Otra posibilidad, aunque muy improbable, es que el FRB sea una señal de alta potencia de una civilización avanzada. Esta fue la hipótesis que dio pie a esta investigación. "No podemos descartar por completo la hipótesis extraterrestre para los FRB en general", afirmaba Gajjar. Breakthrough Listen ha registrado hasta la fecha datos de una docena de FRB, incluido el FRB 121102, y planea muestrear las treinta fuentes conocidas de ráfagas de radio rápidas. 

"Queremos una muestra completa para que podamos llevar a cabo nuestro análisis SETI estándar en busca de patrones de modulación o señales de banda estrecha", confirmaba. Los investigadores esperan encontrar así cualquier tipo de señal de información emitida que no esperamos de la naturaleza.

"Este resultado es una excelente demostración de las capacidades de la instrumentación Breakthrough Listen, [un equipo que está financiado de forma privada con más de 100 millones de dólares anuales] y las sinergias entre SETI y otros tipos de astronomía", explicaba Andrew Siemion. "Esperamos trabajar con la comunidad científica internacional para aprender más acerca de estas fuentes enigmáticas, 'perdidas' en mitad del universo".

Fuente: http://elblogantares.blogspot.com.es/2018/01/seti-quiere-centrar-su-atencion-en-un.html 

Can Bose-Einstein condensates simulate cosmic inflation?

Rolling downhill: illustration of a coherent quantum phase transition

Cosmological inflation, first proposed by Alan Guth in 1979, describes a hypothetical period when the early Universe expanded faster than the speed of light. The model, which answers fundamental questions about the formation of the Universe we know today, has become central to modern cosmology, but many details remain uncertain. Now atomic physicists in the US have developed a laboratory analogue by shaking a Bose-Einstein condensate (BEC). The team's initial results suggest that the Universe may have remained quantum coherent throughout inflation and beyond. The researchers hope their condensate model may provide further insights into inflation in a more accessible system, however not everyone agrees on its usefulness.

Dynamical instability occurs in all sorts of physical systems that are out of equilibrium. A ball perched at the top of a hill, for example, may stay put for short time. But the tiniest perturbation will send the ball falling towards a lower-energy state at the bottom of the hill. Guth realized that a very short, very rapid period of expansion could occur if the Universe got stuck out of equilibrium around 10^-35 s after the Big Bang, causing it to expand by a factor of around 10²⁶ in a tiny fraction of a second. The details of the inflationary model have been revised many times, and numerous questions remain. "This is where I can contribute, even though I'm not a cosmologist," says Cheng Chin of the University of Chicago in Illinois: "We have only one Universe, so it becomes very hard to say whether our theories really capture the whole physics as we can't repeat the experiment."

Shake it up

Chin and colleagues created their model system by cooling 30,000 atoms in an optical trap into a BEC, in which all the atoms occupy a single quantum state. Initially, this BEC was sitting still in the centre of the trap. The researchers then began to shake the condensate by moving the trapping potential from side to side with increasing amplitude. This raised the energy of the state in which the condensate was stationary relative to the trapping potential. When the shaking amplitude was increased past a critical value, the energy of this "stationary" state became higher than the energy of two other states with the condensate oscillating in opposite directions inside the trap. The condensate therefore underwent a dynamical phase transition, splitting into two parts that each entered one of these two momentum states.

Between 20-30 ms after the phase transition, the researchers saw a clear interference pattern in the density of the condensate. This shows, says Chin, that the condensate had undergone a quantum coherent separation, with each atom entering a superposition of both momentum states. After this, the clear interference pattern died out. This later period corresponds, says Chin, to the period of cosmological relaxation in which, after inflation had finished, different parts of the Universe relaxed to their new ground states. More detailed analysis of the condensate in this phase showed that, although its quantum dynamics were more complicated – with higher harmonics of the oscillation frequencies becoming more prominent – the researchers' observations could not be described classically.

Chin says that cosmologists may find this observation interesting. Although "in principle, everything is quantum mechanical," he explains, the practical impossibility of performing a full quantum simulation of the Universe as its complexity grows leads cosmologists to fall back on classical models. "The value of our research is to try and point out that we shouldn't give up [on quantum simulation] that early," he says. "Even in inflation and the subsequent relaxation process, we have one concrete example to show that quantum mechanics and coherence still play a very essential role."

Inflated claims?

James Anglin of the University of Kaiserslautern in Germany is impressed by the research. "Understanding what happens to small initial quantum fluctuations after a big instability has saturated is an important and basic question in physics, and it really is an especially relevant question for cosmology," he explains. "The big difference, of course, is that the cosmic inflation scenario includes gravity as curved spacetime in general relativity, such that space expands enormously while the inflaton field [the field thought to drive inflation] finds its true ground state. A malicious critic might say that this experiment is a perfect analogue for cosmological inflation, except for the inflation part."

"This is indeed nice work," he concludes: "The language is simply a little bit inflated!" The research is described in Nature Physics.

About the author

Tim Wogan is a science writer based in the UK

Fuente: http://physicsworld.com/cws/article/news/2017/dec/28/can-bose-einstein-condensates-simulate-cosmic-inflation