El universo exótico

 Los protones, neutrones y electrones parecen ser bastante extravagantes en el universo, aunque a nosotros nos parezca que lo extraño sería cualquier otra cosa que no tenga esas partículas

Grupo de galaxias MACS J1149+2223, a 5.000 millones de años luz de distancia de la Tierra, con la supernova del fondo multiplicada por cuatro por el efecto de lente gravitacional, fotografiada por el `Hubble´.

Recopilamos algunas de las muchas preguntas que fuimos presentando en los últimos artículos: ¿Hay cosas que no vemos y que escapan a nuestros telescopios? ¿Hay materia que ni emite ni refleja la luz, que pasa de ella completamente? ¿Y si mirar no es la única ni siquiera la mejor forma de conocer el universo?

En realidad, la respuesta a todas esas preguntas ya la dimos en el primer artículo dedicado a la luz: la materia oscura existe sí o sí. Dijimos que otra cosa es el exotismo de la materia oscura. Y para los astrofísicos el concepto de materia oscura es exótico. Lo explicamos a continuación con bastantes más preguntas.

Los filósofos presocráticos consideraban que la materia estaba constituida por cuatro elementos básicos y, hoy en día, pensamos que la existencia de todo lo que vemos a nuestro alrededor se basa en cuatro tipos de interacciones entre partículas llamadas campo fuerte, débil, gravitatorio y electromagnético.

Bullet Cluster.NASA/CXC/CfA/ M. Markevitch et al

Los protones y neutrones forman los núcleos de átomos, y ellos mismos están formados por quarks que permanecen juntos porque existe una interacción llamada fuerte, que es extremadamente potente, de ahí su nombre (los físicos no se quiebran la cabeza con los nombres). Es tan potente que los protones pueden mantenerse juntos en los núcleos de los átomos incluso aunque tengan cargas eléctricas positivas. Pero el campo electromagnético, que es repulsivo para cargas iguales, es menos intenso que la interacción fuerte a escalas subatómicas.

Otro campo es el llamado débil, que tiene una intensidad cien veces menor que la interacción fuerte (de ahí su nombre, más simpleza lingüística para algo que no es nada sencillo). La interacción débil es extremadamente importante, por ejemplo es la responsable de que uno los 3 quarks que componen los neutrones cambie de propiedades (el llamado “sabor”, más historia con los nombres que dan los físicos) y estos últimos no sean estables, sino que tiendan a convertirse en protones (salvo que estén en un núcleo atómico). Este fenómeno parece poco relevante para cualquier persona, pero explica que la mayor parte de los átomos del universo sean de hidrógeno, y este se haya podido juntar con oxígeno para dar algo tan importante para la vida como es el agua. Sin la fuerza débil, en los primeros minutos del universo los neutrones habrían resistido enteritos y se habrían combinado con protones para formar núcleos como los de helio, al que le gusta combinarse poco, así que la química habría sido bastante aburrida y no existiría el mundo que conocemos.

La última interacción fundamental es la gravitatoria, que en principio actúa sobre cosas que tienen masa y es siempre atractiva. Los fotones, que son la representación en partícula del campo electromagnético, se dice que son sus mensajeros, no tienen masa. ¿Les afecta el campo gravitatorio? Si nos ceñimos a la Ley de Gravitación Universal de Newton, que establece que la fuerza gravitatoria entre 2 objetos depende de la multiplicación de sus masas, la respuesta sería no. Pero hoy está demostrado, gracias a la Relatividad General de Einstein, que a los fotones sí les afecta la gravedad, incluso aunque no tengan masa. El efecto es extremadamente pequeño, pero existe y da lugar a algunas de las imágenes más bonitas del universo, como son las cruces de Einstein, y a que existan los agujeros negros.

Los neutrinos que crea el Sol típicamente pueden atravesar todo el material de nuestra estrella sin inmutarse, mientras que los fotones tardan cientos de miles de años

A los fotones, entonces, que son los portadores del campo electromagnético, prácticamente no les afecta otra fuerza fundamental como es la gravitatoria. ¿Hay partículas a las que no afecta el campo electromagnético y solo interaccionan con otras partículas a través de algún otro campo fundamental? Serían partículas que no son nada sociables con los fotones, de ningún tipo, visibles, rayos-X, infrarrojos,..., que no interaccionan con ellos. La respuesta es sí, las hay: los neutrinos, que además no se relacionan tampoco con campo fuerte ni tienen gran masa para interaccionar mucho gravitatoriamente. Solo sabemos de ellas por la fuerza débil, que es muy poco intensa, así que por ejemplo los neutrinos que crea el Sol típicamente pueden atravesar todo el material de nuestra estrella sin inmutarse, mientras que los fotones tardan cientos de miles de años. Los neutrinos, además, pasan a través de nosotros y de toda la Tierra sin que nada los pare o los desvíe (prácticamente).

¿Hay partículas como los neutrinos, pero que tienen masas más grandes que ellos y que no interaccionan prácticamente con nada de lo que conocemos, sobre todo con los campos electromagnéticos? Pues la respuesta para los astrofísicos, y para muchos físicos de partículas, es sí, tienen que existir, pero no las hemos descubierto aún de forma directa. Estas partículas interaccionan con otras con fuerza débil como los neutrinos, pero tienen una masa bastante mayor. En inglés serían weakly interacting massive particles, WIMP, partículas masivas que interaccionan débilmente.

Llamar WIMP a esas partículas es como hablar de fruta, es un nombre muy genérico, y no nos dice gran cosa de sus particularidades. Podrían ser “sandías” o “cerezas”. Según nuestros estudios sobre las galaxias, cúmulos de galaxias y el comportamiento global del universo, tenemos bastantes pruebas de su existencia, deben ser la materia más abundante que existe, un 85% de todo lo que tiene masa, dejando solo un 15% para nuestros protones, neutrones, electrones, neutrinos,... Al ser materia que no interacciona con fotones, ni los absorbe y se calienta ni los emite y se enfría, es materia que no podemos o es muy difícil detectar con radiación electromagnética, no la vemos, es “materia oscura” pata negra, nuestra definición precisa para los astrofísicos. Podría calificarse como materia “procedente de un lugar lejano y percibida como muy distinto del propio”, sería materia oscura exótica de acuerdo a la RAE.

Nuestro único problema, bastante gordo es verdad, es que no hemos conseguido aislar ningún WIMP en un laboratorio, y lo hemos intentado. Y por eso este tipo de materia nos resulta “extraña, chocante, extravagante”, otra de las acepciones de exótica. O nos hemos equivocado mucho o aún no hemos sido capaces de detectarla, lo cual no es impensable porque estamos buscando algo que no interacciona casi con la materia normal ni con los fotones y lo estamos haciendo precisamente con instrumentos basados en materia normal y fotones. Es como querer coger agua con una raqueta de tenis. Cualquiera que sea la respuesta, tanto si los WIMPs existen como si no, significará un gran descubrimiento científico cuando la encontremos, sabremos mejor de qué material está hecho la mayor parte del universo.

Pablo G. Pérez González es investigador del Centro de Astrobiología, dependiente del Consejo Superior de Investigaciones Científicas y del Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (CAB/CSIC-INTA)

Patricia Sánchez Blázquez es profesora titular en la Universidad Complutense de Madrid (UCM)

Vacío Cósmico es una sección en la que se presenta nuestro conocimiento sobre el universo de una forma cualitativa y cuantitativa. Se pretende explicar la importancia de entender el cosmos no solo desde el punto de vista científico sino también filosófico, social y económico. El nombre “vacío cósmico” hace referencia al hecho de que el universo es y está, en su mayor parte, vacío, con menos de 1 átomo por metro cúbico, a pesar de que en nuestro entorno, paradójicamente, hay quintillones de átomos por metro cúbico, lo que invita a una reflexión sobre nuestra existencia y la presencia de vida en el universo.

Fuente: https://elpais.com/ciencia/2020-12-02/el-universo-exotico.html

 

 

 

¿El universo es un holograma?: la teoría más controvertida sobre el cosmos debería tomarse en serio

"A nadie le gusta saber que no importa, pero bueno, lo sospechábamos", dice riéndose y un tanto resignado el físico Roberto Amparan, al hablar sobre la trascendencia del ser humano dentro del cosmos. Él, es una de las mentes científicas más brillantes de nuestros tiempos.

El físico ha plasmado sus investigaciones sobre la gravedad cuántica en su libro Iluminando el lado oscuro del universo: Agujeros negros, ondas gravitatorias y otras melodías de Einstein, que arroja nueva luz a los secretos más sorprendentes del universo.

Sencillo, Amparan charló con Infobae México de los misterios más profundos del cosmos:  la teoría de las supercuerdas, agujeros negros, la relatividad general, el sentido del universo y del cuestionado Principio Holográfico.

"Podemos hablar del multiverso que es de las teorías más controvertidas, hay gente que dice que no quiere ni hablar ni oír de eso porque no es ciencia, y otras que sí.  Ahora no lo sabemos, el tiempo lo dirá, yo creo que sí que hay que tomarlo en serio", explica el físico sobre el Principio Holográfico.

Representación artística del agujero negro (Crédito: Archivo del Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica de México)

En los últimos tiempos, una de las teorías más polémicas sobre el universo es la que los físicos Gerard ´tHooft y Leonard Susskind propusieron en la década de los 90 y se le conoce como Principio Holográfico, dicha teoría postula la hipótesis de que el universo puede ser interpretado como un holograma.

Al respecto, Amparan opina que hay que tomarlo en serio, aunque aún no se ha demostrado nada, dice que los estudios que se están realizando tienen bases científicas y "es posible".

"Puede existir un multiverso y puede haber un universo en que la descripción fundamental del universo sea del tipo holográfico, y que en realidad estas tres dimensiones espaciales y una dimensión del tiempo que tenemos son parte de ello, de una ilusión holográfica; ten cuidado con lo que estoy diciendo,  pero es posible, es posible de una manera que todavía no entendemos, dentro de un tiempo quizá", dice sagaz.

El físico afirma que "teorías extravagantes", como pudiera parecer la del Principio Holografico se han estudiado desde siempre, sin embargo hay unas que se estudian de manera seria y otras no tanto, como la de que el universo es una simulación virtual, una especie de Matrix: "Es algo que no es una de las teorías que se están investigando de forma seria, sino es entretenimiento, no es una rama dominante de la llamada  cosmología".

En cambio, "que el universo es una especie de holograma, esto sí que es más serio, esto sí que es una posibilidad que se considera seriamente. Se está desarrollando de manera especulativa, no sabemos en qué sentido podríamos ser nosotros un holograma de algo más básico, pero esto sí que se estudia de una forma más seria. Eso sí tiene mayor base científica".

Amparan habló sobre la teoría del multiverso. (Foto: Pixabay)

Amparan explica que sí puede existir un multiverso, "que es la posibilidad de que nuestro universo sea parte de una entidad más grande en la que han ocurrido, de la misma manera que tú puedes tener un líquido en el que pueden aparecer diferentes burbujas, y que cada una esas burbujas sea como un universo, que haya diferentes universos-burbujas en una estructura más grande, eso es posible. Yo creo que es posible".

"Hay una cosa, esto tiene que ver con una teoría cuántica de la gravedad que unifica la física cuántica con la física de la gravedad, que tiene relación con lo que se conoce también como teoría de las cuerdas, supercuerdas,  y dentro de este contexto hay lo que se llama el `Principio Holográfico´, que dice que un sistema donde existe la gravedad, donde existe la física cuántica en realidad aparece de forma efectiva como una especie de hologramas de algo más fundamental", abunda el físico.

"¿Dónde está el holograma ? Eso no te lo puedo decir", sentencia Amparan.

Con la analogía de una manguera, el físico expone en que consiste el polémico Principio Holográfico: "Imagínate que es una especie de manguerita, un tubo y este tubo tiene dos dimensiones una muy pequeña la del circulito y después una más larga, que es lo largo en lo que te mueves; entonces si tú miras un tubo, una manguera desde muy lejos te parece que es algo que solamente tiene una dimensión pero si lo mires más de cerca ves que en realidad tiene dos dimensiones, entonces quizá nuestro universo sería algo parecido, si miras longitudes que sean muy grandes el universo tendría solo tres dimensiones, pero si fuéramos a distancias más pequeñas entonces podríamos ver qué hay otra dirección adicional que será muy pequeñita que sería otra dimensión, que nosotros no podemos verla".

En el marco de un festival cultural realizado en Querétaro, el científico español afirma que la curiosidad es lo que ha llevado a la humanidad a hacer los grandes descubrimientos para tratar de entender un poco el cosmos; y a su parecer, dichos descubrimientos nos han hecho replantearnos nuestro papel en el universo, que a decir de Amparan es insignificante en comparación a lo que hay allá afuera.

Compilado de fotografías EFE/NASA)

Describe al ser humano como a un simio que ha perdido el pelo (unos más que otros dice con humor), que ha llegado hacer grandes descubrimientos sin siquiera salir de este mundo.

"Eso somos, unos simios de la sabana con unos pocos miles de años de historia, que estamos en general penetrando en el universo en cosas impresionantes".

Sin embargo, acota que también nuestra naturaleza es una contradicción casi tan grande como los mismos  secretos del cosmos revelados.

"Somos capaces de descubrimientos como el de las ondas gravitatorias, porque lo que estamos sintiendo ahí es estremecerse el universo,  es una cosa que es tremenda,  es cómo el espacio-tiempo vibran…. Como especie somos capaces de hacer esos logros y estar orgullosos de todo lo que estamos aprendiendo del universo… Pero por otra, ahora estamos destrozándolo  y quizás llevándonos a nuestra propia extinción".

Con una pequeña sonrisa lanza un duro cuestionamiento: "Entonces ¿qué somos, inteligentes o estúpidos?".

"Pues es una mezcla de las  dos cosas, una mezcla bastante interesante, pero lo que yo espero es que gane la segunda, no lo sé (si se vaya a acabar el mundo) pero estamos en una situación bastante difícil",  se contesta el mismo rápidamente.

Amparan recuerda desde que tiene memoria le interesaba la naturaleza, las matemáticas y el cosmos, "le parecía fascinante". Luego descubrió que  estudiando todo esto junto podía aprender cosas como los agujeros negros.

Explica que los descubrimientos y las investigaciones que se están realizando hoy, el día de mañana tal vez tengan una aplicación práctica en la vida de las personas, como las investigaciones de Einstein, que luego de 1oo años se pudieron comprobar y aplicar.

"Hoy en día con los agujeros negros, estas fotografías de las ondas gravitatorias, son predicciones que se pudieron hacer hace mucho tiempo,  pero han llevado casi 100 años verificar las ondas gravitatorias , ya lo había dicho Einstein el 1916, pero llevó un siglo, primero, desarrollar la teoría para entender mejor otras implicaciones, los hoyos negros y después también desarrollar la tecnología capaz de detectar estas ondas".

A la pregunta de si considera que Dios existe, él prefiere cambiarla por "¿Qué sentido tiene el universo, o tiene sentido el universo?".

(Crédito: Archivo del Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica de México)

"Me parece más interesante si el  universo en el que vivimos tiene algún sentido. Yo no lo sé, pero creo que quizás sí lo tenga, cuál es este sentido no lo sé, lo que sí me parece es que lo que nos dice la ciencia es que quizá el universo tenga un sentido, pero nosotros como individuos, yo como individuo, yo creo que no soy muy relevante en el universo y eso cuesta mucho trabajo aceptarlo. Yo creo que una de las cosas que la ciencia nos ha dado es esta idea, de que parece que somos insignificantes e irrelevantes pero a ver no lo sabemos", dice sonriendo Amparan.

Fuente: https://www.infobae.com/america/mexico/2019/09/23/el-universo-es-un-holograma-la-teoria-mas-controvertida-sobre-el-cosmos-deberia-tomarse-en-serio/

 

30 años del Hubble en sus imágenes más espectaculares

La nebulosa de la Laguna, un vivero estelar a 4.000 años luz de distancia, muestra un extraordinario tapiz de nacimiento de estrellas

 

Nos ha mostrado el universo como ningún otro instrumento construido por la humanidad. Sus imágenes espectaculares han desplegado ante nosotros maravillas como estrellas nacientes, hermosas nebulosas que parecen batir sus alas o detalles sin precedentes de otros mundos, ofreciendo al mismo tiempo fantásticos descubrimientos científicos inimaginables en un pasado no muy lejano. El telescopio espacial Hubble cumple este viernes 30 años en órbita. Si hace una década, en su 20 aniverario, decíamos que era el más famoso de la Historia, hoy sigue sin ser destronado.
Nuestro gran ojo en el espacio fue lanzado por la NASA y la Agencia Espacial Europea (ESA) el 24 de abril de 1990 a bordo del transbordador espacial Discovery. Al día siguiente, los astronautas lo liberaron para que comenzara su viaje de descubrimientos. Entonces, nadie habría apostado que seguiría en marcha tres décadas después.
El cubo robótico, de unos 13 metros de largo y 4 de diámetro, mantiene una órbita circular alrededor de la Tierra a unos 593 kilómetros sobre el nivel del mar, lo que le permite evitar las turbulencias de la atmósfera y obtener imágenes de mayor resolución que un telescopio terrestre. Con su visión en ultravioleta, visible e infrarrojo cercano, el Hubble ha mostrado propiedades del espacio y tiempo. Ha investigado nuestro propio sistema solar y ha caracterizado las atmósferas de los planetas alrededor de otros soles. Nos ha mostrado cómo se forman, viven y mueren las estrellas. Ha revelado detalles intrincados de las formas, estructuras e historias de las galaxias, y ha descubierto agujeros negros supermasivos en los centros galácticos. Observando la frontera cósmica, el telescopio ha descubierto algunas de las primeras galaxias del universo y ha explorado la naturaleza de la enigmática materia oscura.

Sin embargo, no todo ha sido fácil. El Hubble ha tenido que ser sometido a varias reformas, cinco en total, para reparar sus espejos. Pese a todo, hoy continúa produciendo ciencia innovadora, ayudando a responder aún más sobre las principales preguntas de la astronomía. Hace tan solo unos días, sus observaciones revisadas mostraban que Fomalhaut b, que se creía un planeta extrasolar a 25 años luz de distancia, no es más que la nube de escombros en expansión de dos cuerpos helados que chocaron entre sí. En el futuro, se asociará con los próximos grandes observatorios de la NASA, el James Webb Space Telescope y el Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST), para proporcionar ciencia complementaria.
Las grandes capacidades del Hubble se representan sobre todo en sus imágenes. Estas son algunas de las más icónicas, aunque su catálogo es inmenso.

Justo a tiempo para el lanzamiento de la película «Star Wars Episodio VII: El despertar de la fuerza», el Hubble fotografiaba lo que parece un sable de luz cósmico de doble hoja. Es una estrella recién nacida en la nebulosa Herbig-Haro 24 (HH24) oculta a la vista directa.

Esta imagen, llamada "Los pilares de la Creación», es probablemente la imagen más famosa del Hubble. Están hechos de hidrógeno frío mezclado con polvo, en la nebulosa del Águila.

Vistas del sistema de anillos de Saturno y detalles de su atmósfera

El corazón de nuestra galaxia, la Vía Láctea, repleto de estrellas

La nebulosa de la burbuja. Una enorme burbuja lanzada al espacio por una estrella caliente y masiva.

La galaxia Whirlpool ilustra el gran diseño de una galaxia en espiral.

La Gran Mancha Roja de Júpiter, una gran tormenta que se mueve en sentido antihorario entre dos bandas de nubes en direcciones opuestas

La estrella gigante Eta Carinae, propensa a estallidos violentos

M104, la galaxia del sombrero.

La nebulosa Cabeza de Caballo en la constelación de Orión.

Las estructuras intrincadas creadas por una estrella moribunda en la nebulosa Ojo de Gato

LHCb explores the beauty of lepton universality

by Ana Lopes, CERN

  The LHCb experiment at CERN. Credit: CERN 

The LHCb collaboration has reported an intriguing new result in its quest to test a key principle of the Standard Model called lepton universality. Although not statistically significant, the finding—a possible difference in the behavior of different types of lepton particles—chimes with other previous results. If confirmed, as more data are collected and analyzed, the results would signal a crack in the Standard Model.

Lepton universality is the idea that all three types of charged lepton particles—electrons, muons and taus—interact in the same way with other particles. As a result, the different lepton types should be created equally often in particle transformations, or "decays," once differences in their mass are accounted for. However, some measurements of particle decays made by the LHCb team and other groups over the past few years have indicated a possible difference in their behavior. Taken separately, these measurements are not statistically significant enough to claim a breaking of lepton universality and hence a crack in the Standard Model, but it is intriguing that hints of a difference have been popping up in different particle decays and experiments.
The latest LHCb result is the first test of lepton universality made using the decays of beauty baryons—three-quark particles containing at least one beauty quark. Sifting through proton–proton collision data at energies of 7, 8 and 13 TeV, the LHCb researchers identified beauty baryons called Λb0 and counted how often they decayed to a proton, a charged kaon and either a muon and antimuon or an electron and antielectron.
The team then took the ratio between these two decay rates. If lepton universality holds, this ratio should be close to 1. A deviation from this prediction could therefore signal a violation of lepton universality. Such a violation could be caused by the presence in the decays of a never-before-spotted particle not predicted by the Standard Model.
The team obtained a ratio slightly below 1 with a statistical significance of about 1 standard deviation, well below the 5 standard deviations needed to claim a real difference in the decay rates. The researchers say that the result points in the same direction as other results, which have observed hints that decays to a muon–antimuon pair occur less often than those to an electron–antielectron pair, but they also stress that much more data is needed to tell whether this oddity in the behavior of leptons is here to stay or not.

 Fuente:https://phys.org/news/2020-01-lhcb-explores-beauty-lepton-universality.html

Beyond the brim, Sombrero Galaxy's halo suggests turbulent past

by Claire Andreoli / Rob Gutro, NASA's Goddard Space Flight Center







On the left is an image of the Sombrero galaxy (M104) that includes a portion of the much fainter halo far outside its bright disk and bulge. Hubble photographed two regions in the halo (one of which is shown by the white box). The images on the right zoom in to show the level of detail Hubble captured. The orange box, a small subset of Hubble's view, contains myriad halo stars. The stellar population increases in density closer to the galaxy's disk (bottom blue box). Each frame contains a bright globular cluster of stars, of which there are many in the galaxy's halo. The Sombrero's halo contained more metal-rich stars than expected, but even stranger was the near-absence of old, metal-poor stars typically found in the halos of massive galaxies. Many of the globular clusters, however, contain metal-poor stars. A possible explanation for the Sombrero's perplexing features is that it is the product of the merger of massive galaxies billions of years ago, even though the smooth appearance of the galaxy's disk and halo show no signs of such a huge disruption. Credit: NASA/Digitized Sky Survey/P. Goudfrooij (STScI)/The Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

Surprising new data from NASA's Hubble Space Telescope suggests the smooth, settled "brim" of the Sombrero galaxy's disk may be concealing a turbulent past. Hubble's sharpness and sensitivity resolves tens of thousands of individual stars in the Sombrero's vast, extended halo, the region beyond a galaxy's central portion, typically made of older stars. These latest observations of the Sombrero are turning conventional theory on its head, showing only a tiny fraction of older, metal-poor stars in the halo, plus an unexpected abundance of metal-rich stars typically found only in a galaxy's disk, and the central bulge. Past major galaxy mergers are a possible explanation, though the stately Sombrero shows none of the messy evidence of a recent merger of massive galaxies.
"The Sombrero has always been a bit of a weird galaxy, which is what makes it so interesting," said Paul Goudfrooij of the Space Telescope Science Institute (STScI), Baltimore, Maryland. "Hubble's metallicity measurements (i.e., the abundance of heavy elements in the stars) are another indication that the Sombrero has a lot to teach us about galaxy assembly and evolution."
"Hubble's observations of the Sombrero's halo are turning our generally accepted understanding of galaxy makeup and metallicity on its head," added co-investigator Roger Cohen of STScI.
Long a favorite of astronomers and amateur sky watchers alike for its bright beauty and curious structure, the Sombrero galaxy (M104) now has a new chapter in its strange story—an extended halo of metal-rich stars with barely a sign of the expected metal-poor stars that have been observed in the halos of other galaxies. Researchers, puzzling over the data from Hubble, turned to sophisticated computer models to suggest explanations for the perplexing inversion of conventional galactic theory. Those results suggest the equally surprising possibility of major mergers in the galaxy's past, though the Sombrero's majestic structure bears no evidence of recent disruption. The unusual findings and possible explanations are published in the Astrophysical Journal.
"The absence of metal-poor stars was a big surprise," said Goudfrooij, "and the abundance of metal-rich stars only added to the mystery."
In a galaxy's halo astronomers expect to find earlier generations of stars with less heavy elements, called metals, as compared to the crowded stellar cities in the main disk of a galaxy. Elements are created through the stellar "lifecycle" process, and the longer a galaxy has had stars going through this cycle, the more element-rich the gas and the higher-metallicity the stars that form from that gas. These younger, high-metallicity stars are typically found in the main disk of the galaxy where the stellar population is denser—or so goes the conventional wisdom.
Complicating the facts is the presence of many old, metal-poor globular clusters of stars. These older, metal-poor stars are expected to eventually move out of their clusters and become part of the general stellar halo, but that process seems to have been inefficient in the Sombrero galaxy. The team compared their results with recent computer simulations to see what could be the origin of such unexpected metallicity measurements in the galaxy's halo.
The results also defied expectations, indicating that the unperturbed Sombrero had undergone major accretion, or merger, events billions of years ago. Unlike our Milky Way galaxy, which is thought to have swallowed up many small satellite galaxies in so-called "minor" accretions over billions of years, a major accretion is the merger of two or more similarly massive galaxies that are rich in later-generation, higher-metallicity stars.
The satellite galaxies only contained low-metallicity stars that were largely hydrogen and helium from the big bang. Heavier elements had to be cooked up in stellar interiors through nucleosynthesis and incorporated into later-generation stars. This process was rather ineffective in dwarf galaxies such as those around our Milky Way, and more effective in larger, more evolved galaxies.
The results for the Sombrero are surprising because its smooth disk shows no signs of disruption. By comparison, numerous interacting galaxies, like the iconic Antennae galaxies, get their name from the distorted appearance of their spiral arms due to the tidal forces of their interaction. Mergers of similarly massive galaxies typically coalesce into large, smooth elliptical galaxies with extended halos—a process that takes billions of years. But the Sombrero has never quite fit the traditional definition of either a spiral or an elliptical galaxy. It is somewhere in between—a hybrid.
For this particular project, the team chose the Sombrero mainly for its unique morphology. They wanted to find out how such "hybrid" galaxies might have formed and assembled over time. Follow-up studies for halo metallicity distributions will be done with several galaxies at distances similar to that of the Sombrero.
The research team looks forward to future observatories continuing the investigation into the Sombrero's unexpected properties. The Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST), with a field of view 100 times that of Hubble, will be capable of capturing a continuous image of the galaxy's halo while picking up more stars in infrared light. The James Webb Space Telescope will also be valuable for its Hubble-like resolution and deeper infrared sensitivity.
Fuente: https://phys.org/news/2020-02-brim-sombrero-galaxy-halo-turbulent.html

NASA's Hubble surveys gigantic galaxy

by ESA/Hubble Information Centre

 

This Hubble Space Telescope photograph showcases the majestic spiral galaxy UGC 2885, located 232 million light-years away in the northern constellation Perseus. The galaxy is 2.5 times wider than our Milky Way and contains 10 times as many stars. A number of foreground stars in our Milky Way can be seen in the image, identified by their diffraction spikes. The brightest star photobombs the galaxy's disk. The galaxy has been nicknamed "Rubin's Galaxy," after astronomer Vera Rubin (1928 – 2016), who studied the galaxy's rotation rate in search of dark matter. Credit: NASA, ESA, and B. Holwerda (University of Louisville)

Galaxies are like snowflakes. Though the universe contains innumerable galaxies flung across time and space, no two ever look alike. One of the most photogenic is the huge spiral galaxy UGC 2885, located 232 million light-years away in the northern constellation, Perseus. It's a whopper even by galactic standards. The galaxy is 2.5 times wider than our Milky Way and contains 10 times as many stars, about 1 trillion. This galaxy has lived a quiescent life by not colliding with other large galaxies. It has gradually bulked up on intergalactic hydrogen to make new stars at a slow and steady pace over many billions of years. The galaxy has been nicknamed "Rubin's galaxy," after astronomer Vera Rubin (1928—2016). Rubin used the galaxy to look for invisible dark matter. The galaxy is embedded inside a vast halo of dark matter. The amount of dark matter can be estimated by measuring its gravitational influence on the galaxy's rotation rate.
This majestic spiral galaxy might earn the nickname the "Godzilla Galaxy" because it may be the largest known in the local universe. The galaxy, UGC 2885, is 2.5 times wider than our Milky Way and contains 10 times as many stars.
But it is a "gentle giant," say researchers, because it looks like it has been sitting quietly over billions of years, possibly sipping hydrogen from the filamentary structure of intergalactic space. This fuels modest ongoing star birth at half the rate of our Milky Way. In fact, its supermassive central black hole is a sleeping giant, too; because the galaxy does not appear to be feeding on much smaller satellite galaxies, it is starved of infalling gas.
The galaxy has been nicknamed "Rubin's galaxy," after astronomer Vera Rubin (1928—2016) by Benne Holwerda of the University of Louisville, Kentucky, who observed the galaxy with NASA's Hubble Space Telescope.
"My research was in a large part inspired by Vera Rubin's work in 1980 on the size of this galaxy." Rubin measured the galaxy's rotation, which provides evidence for dark matter, which makes up most of the galaxy's mass as measured by the rotation rate. "We consider this a commemorative image. This goal to cite Dr. Rubin in our observation was very much part of our original Hubble proposal."
In results being presented at the winter American Astronomical Society meeting in Honolulu, Hawaii, Holwerda is seeking to understand what led to the galaxy's monstrous size. "How it got so big is something we don't quite know yet," said Holwerda. "It's as big as you can make a disk galaxy without hitting anything else in space."
One clue is that the galaxy is fairly isolated in space and doesn't have any nearby galaxies to crash into and disrupt the shape of its disk.
Did the monster galaxy gobble up much smaller satellite galaxies over time? Or did it just slowly accrete gas for new stars? "It seems like it's been puttering along, slowly growing," Holwerda said. Using Hubble's exceptional resolution, his team is counting the number of globular star clusters in the galaxy's halo—a vast shell of faint stars surrounding the galaxy. An excess of clusters would yield evidence that they were captured from smaller infalling galaxies over many billions of years.
NASA's upcoming James Webb Space Telescope could be used to explore the center of this galaxy as well as the globular cluster population. NASA's planned Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST) would give an even more complete census of this galaxy's cluster population, especially that of the whole halo. "The infrared capability of both space telescopes would give us a more unimpeded view of the underlying stellar populations," said Holwerda. This complements Hubble's visible-light ability to track wispy star formation throughout the galaxy.
A number of foreground stars in our Milky Way can be seen in the image, identified by their diffraction spikes. The brightest appears to sit on top of the galaxy's disk, though UGC 2885 is really 232 million light-years farther away. The giant galaxy is located in the northern constellation Perseus.
Fuente:https://phys.org/news/2020-01-nasa-hubble-surveys-gigantic-galaxy.html

Here are the First Pictures from CHEOPS

The CHEOPS spacecraft is taking the first tentative steps in its mission. Back on January 29th, the spacecraft opened the cover on its lens. Now, we have the first images from CHEOPS.
CHEOPS stands for CHaracterising ExOPlanet Satellite. It’s a European Space Agency (ESA) mission to study some of the brightest and closest stars that are already known to host exoplanets. CHEOPS will make precision measurements of exoplanet sizes in order to reveal the density and composition of the worlds. It’s focusing on planets in the super-Earth to Neptune mass range.
Don’t get too excited yet. These first images won’t win any awards.
But they’re not meant to. Their purpose is to verify that the satellite’s systems are working, so their blurry nature is a critical part of the mission. And as the team waited for the first images the tension grew.

“When the first images of a field of stars appeared on the screen, it was immediately clear to everyone that we did indeed have a working telescope.”
Willy Benz, Principal Investigator, CHEOPS Mission.

“The first images that were about to appear on the screen were crucial for us to be able to determine if the telescope’s optics had survived the rocket launch in good shape,” explains Willy Benz, Professor of Astrophysics at the University of Bern and Principal Investigator of the CHEOPS mission, in a press release. “When the first images of a field of stars appeared on the screen, it was immediately clear to everyone that we did indeed have a working telescope,” said Benz.

First image of the star chosen as target for CHEOPS after cover opening. The star, at the centre of the image, is located at a distance of 150 light-years from us, in the constellation of Cancer. The image is about 1000×1000 pixels in size, with each pixel representing a tiny angle of about 0.0003 degree (1 arcsecond) on the sky. The other, fainter stars in the image are in the background of the target. The inset in the lower right corner shows a region of about 100-pixels in width, centered on the target star. The peculiar shape of the star in the image is due to the deliberate defocusing of CHEOPS optics. CHEOPS measures the star’s brightness by adding up the light received in all pixels within a region centered on the star as illustrated by the circle in the picture. The defocusing spreads the light onto many pixels, which allows CHEOPS to reach best possible photometric precision. Image Credit: ESA/Airbus/CHEOPS Mission Consortium 

Now that the CHEOPS team knows the telescope is working, they need to know how well it’s working. The team has had some time to analyze the image, and they say that CHEOPS is actually exceeding expectations. But in this case, CHEOPS is deliberately unfocused for testing, so better doesn’t mean clearer.

“This beautifully blurred image carries the promise of a new, deeper understanding of worlds beyond our Solar System.”
Kate Isaak, ESA Cheops Project Scientist.

“The good news is that the actual blurred images received are smoother and more symmetrical than what we expected from measurements performed in the laboratory,” says Benz. The blurred testing is designed to spread incoming light over as many pixels as possible. The results will tell the CHEOPS team if the telescope is smoothing out its jitters and its “pixel-to-pixel variations.” That smoothing is what will give CHEOPS its exceptional precision.

Artist’s impression of CHEOPS © ESA / ATG medialab

Even though it’s blurry, it’s the first image. And that makes it a milestone for the ESA and the CHEOPS team.
“This is a defining moment for the mission,” said Nicola Rando, ESA project manager for Cheops, in a press release.
“To the engineers and scientists across Europe who have worked and continue to work on Cheops, this image represents the culmination of many years of dedication and effort – designing, planning, coordinating and building this new and unique satellite,” said Rando.

“These initial promising analyses are a great relief and also a boost for the team.”
WILLY BENZ, PRINCIPAL INVESTIGATOR, CHEOPS MISSION.

These tests are all about the precision that CHEOPS needs to fulfill its mission. CHEOPS isn’t a planet-finding mission. It’s going to examine already-known exoplanets with extreme precision. It needs to sense extremely small dips in brightness as an exoplanet transits in front of its star. Since it’s the size of the planet that determines that dip, the more precisely CHEOPS can measure the dip, the more precisely it can determine the size of the planet.
“These initial promising analyses are a great relief and also a boost for the team,” said Benz.

This is just the beginning of CHEOPS’ testing phase. Over the course of about two months, the satellite will take more images. The overall goal of all these tests is to determine how accurate the spacecraft can be during different parts of its mission. “We will analyze many more images in detail to determine the exact level of accuracy that can be achieved by CHEOPS in the different aspects of the science program,” said David Ehrenreich, CHEOPS project scientist at the University of Geneva. “The results so far bode well.”

The CHEOPS mission, like all space missions, has been years in development. Milestones like these are important, and are gratifying to the people who work on the mission.
“Now that Cheops has observed its first target, we are one step closer to the start of the mission science,” said Kate Isaak, ESA Cheops project scientist. “This beautifully blurred image carries the promise of a new, deeper understanding of worlds beyond our Solar System.”
The Kepler mission revolutionized our understanding of exoplanets. Its results confirmed what many had guessed: most stars host planets, just like our Solar System does. Now, thanks largely to Kepler, we know of over 4000 confirmed exoplanets. CHEOPS represents the next step in characterizing and understanding exoplanets.

Preliminary looks at exoplanets were nowhere near as precise as what CHEOPS will provide. Ground-based measurements can give us a pretty good idea of an exoplanet’s mass. As a planet orbits its star, it gives the star a little tug. From that tug, astronomers can calculate the planet’s mass. But the planet’s density, and it’s composition, are not revealed.
But the precise size measurements from CHEOPS, when combined with a planet’s mass measurement, give us a much more accurate density, and hence, composition. That’s how CHEOPS will advance exoplanet science.
“CHEOPS will take exoplanet science to a whole new level,” says Günther Hasinger, ESA Director of Science.
“After the discovery of thousands of planets, the quest can now turn to characterization, investigating the physical and chemical properties of many exoplanets and really getting to know what they are made of and how they formed. CHEOPS will also pave the way for our future exoplanet missions, from the international James Webb Telescope to ESA’s very own PLATO and ARIEL satellites, keeping European science at the forefront of exoplanet research.”

Artist’s concept of Jupiter-sized exoplanet that orbits relatively close to its star (aka. a “hot Jupiter”). Credit: NASA/JPL-Caltech)

The CHEOPS mission will last about 3.5 years. 80% of that time will be taken up by the CHEOPS Guaranteed Time Observing (GTO) program. Most of the GTO program time will be used mostly to observe known exoplanets, and to characterize them in more detail.
As Kepler showed, exoplanets come in a wide variety of types, many of which are very different from what we see in our Solar System. They include Hot Jupiters, which are massive gas giants that orbit super close to their star. There are tidally-locked planets with molten surfaces. There may be ocean planets with no land area. And there are planets so close to their star that the gravity warps them into an egg-like shape. CHEOPS will grow our understanding of all of these types of planets we’re finding. The planets it characterizes will likely be targets for further study with even more powerful telescopes like the James Webb Space Telescope.
The CHEOPS GTO will also look at exoplanets found with the radial velocity method, and will observe their transits to find their sizes. It will also look at other solar systems with multiple exoplanets, and try to find any others that were missed.

Some stars are known to host multiple exoplanets. Part of the CHEOPS mission is to look at some of those solar systems and try to find other planets that were missed. The three planets discovered in the L98-59 system by NASA’s Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) are compared to Mars and Earth in order of increasing size in this illustration. Credit: NASA’s Goddard Space Flight Center

The other 20% of CHEOPS’ time will be available to the astronomy community under the Guest Observers (GO) program. Some of that time has already been allotted to study some the Hot Jupiter HD 17156 b, the exoplanet DS Tuc Ab which TESS found, and the multi-planet system GJ 9827. One of the planets orbiting GJ 9827 is the densest ever found, and may be 50% iron, making it a very intriguing candidate for follow-up observations.
CHEOPS’ science program should begin in April 2020, and will end around October 2023.

More:

• Press Release: CHEOPS space telescope takes its first pictures
• Press Release: A perfect blur – First image by exoplanet watcher Cheops
• Universe Today: ESA’s CHEOPS Just Launched. We’re About to Learn a LOT More About Exoplanets 

 Fuente: https://www.universetoday.com/144967/here-are-the-first-pictures-from-cheops/

La física matemática que probó que el futuro del universo está bien definido

Yvonne Choquet-Bruhat, que acaba de cumplir 96 años, encontró solución al llamado problema de Cauchy para las ecuaciones de Einstein de vacío

La matemática francesa Yvonne Choquet-Bruhat, en una imagen tomada en 2006. RENATE SCHMID

El filósofo español José Ortega y Gasset afirmaba: “Sorprenderse, extrañarse… es comenzar a entender”. La misma idea empujó desde niña a Yvonne Choquet-Bruhat a querer “desentrañar alguno de los secretos del extraño universo en que vivimos, y del papel que los seres humanos jugamos en él”, como expresa en su autobiografía. La científica francesa, que el pasado 29 de diciembre cumplió 96 años, siempre ha confiado en que la física y las matemáticas nos podrían ayudar a llevar a cabo tal empeño. Sus contribuciones, enmarcadas fundamentalmente en el campo de la relatividad general, la han convertido en una destacada figura en el área de la física matemática del siglo XX.

Yvonne Choquet-Bruhat –el apellido “Choquet” lo adquirió en su segundo matrimonio con Gustave Choquet– nació en Lille (Francia) en el seno de una familia culta. Su padre, Georges Bruhat (1887-1945), fue profesor de física en la Universidad de Lillle, y su madre, Berthe Hubert (1892-1972), profesora de arte, literatura y filosofía en varios liceos franceses. Desde una temprana edad, Choquet-Bruhat mostró un gran talento para la física y las matemáticas. A los dieciocho años ganó una medalla de plata del “Concours General”, una competición a nivel nacional en la que se premiaba a los mejores estudiantes del país. En 1943 comenzó sus estudios de Matemáticas en la Escuela Normal Superior de Sévres, en las afueras de París, donde se graduó tres años más tarde.

Fue entonces cuando empezó su actividad investigadora en el prestigioso Centro Nacional de Investigación Científica francés (CNRS por sus siglas en francés), bajo el asesoramiento del reconocido físico matemático André Lichnerowicz. Realizó su tesis sobre el llamado problema de valor inicial (o problema de Cauchy) en el contexto de la relatividad general, en el que se estudia la existencia de soluciones para las ecuaciones planteadas por Albert Einstein, cuando éstas cumplen determinadas condiciones de partida. En el marco cosmológico, la cuestión determinaría si el futuro del universo está bien definido cuando sólo contamos con la información del mismo en un “tiempo concreto”, lo que se conoce como dato inicial del problema.

Choquet-Bruhat logró probar, mediante el estudio de complejas ecuaciones diferenciales y técnicas geométricas, que si se parte de un dato inicial que cumple ciertas restricciones físicas plausibles, hay únicamente un futuro posible para el universo

Choquet-Bruhat logró probar, mediante el estudio de complejas ecuaciones diferenciales y técnicas geométricas, que si se parte de un dato inicial que cumple ciertas restricciones físicas plausibles, hay únicamente un futuro posible para el universo. Su trabajo doctoral, que tiene por título “Théorème d’existence pour certains systèmes d’equations aux dérivées partielles non linéaires”, pone de manifiesto la naturaleza determinista de la teoría de Einstein, pues el futuro del universo queda fijado por la información que lo describe en un instante de tiempo.

En 1949 Choquet-Bruhat fue nombrada investigadora asistente del CNRS, y más tarde asociada. En 1951 aceptó un contrato postdoctoral en el Instituto de Estudios Avanzados de Princeton en EE UU Allí tuvo la oportunidad de conocer a Einstein, a quien pudo explicar en su despacho, con una combinación de francés e inglés, los principales logros de su tesis. El genio alemán la felicitó por el trabajo realizado y la invitó a visitarle a su despacho siempre que quisiera.

La solución al problema de Cauchy ha fundamentado, entre otros campos de investigación, el estudio de la estabilidad de las soluciones de las ecuaciones de Einstein, que analiza cuánto varían los universos que surgen de ligeras perturbaciones del dato inicial. ¿Se obtiene un universo ligeramente diferente al previsto, o por el contrario no tendría casi nada que ver con él? Por otra parte, este trabajo facilitó el uso técnicas numéricas y analíticas para aproximar las soluciones de las ecuaciones de Einstein, ya que habitualmente son muy difíciles de calcular de forma explícita. Aparte, más allá de su importancia dentro la teoría de la relatividad general, el trabajo de Choquet Bruhat ha establecido las bases para el estudio de otras teorías físicas como la hidrodinámica relativista, la teoría Gauge no abeliana o la supergravedad.

Entre otros méritos, destaca el haber sido la primera mujer elegida para formar parte de la Academia de las Ciencias Francesa

La fecunda trayectoria científica de la física matemática ha dado como fruto un total de siete libros y trescientos artículos, que la han hecho merecedora de importantes premios y galardones nacionales e internacionales. Entre otros méritos, destaca el haber sido la primera mujer elegida para formar parte de la Academia de las Ciencias Francesa, el 14 de mayo de 1979.

En las últimas líneas de su autobiografía, la científica francesa rememora una reflexión del filósofo Blaise Pascal, en la que éste admite tener “una tremenda ignorancia de todo”. A pesar de que Choquet-Bruhat reconozca la ingente cantidad de preguntas que quedan por responder, sus contribuciones han significado un avance científico considerable.

Después de una vida dedicada a la investigación, Yvonne Choquet-Bruhat ha podido ver cumplido el sueño de su infancia: aportar luz sobre algunos de los misterios del universo en que nos toca vivir.

Fuente: https://elpais.com/elpais/2019/12/30/ciencia/1577705388_948507.html