El mes pasado, es posible que haya visto la publicación del blog, ¡Mira hacia arriba! Explorando el cosmos de cerca y de lejos . Estuvimos encantados de presentar al autor, profesor y astrofísico teórico más vendido, Dra. Katie Mack , y astrofísico observacional y profesor, Dr. JJ. Hermes , para nuestro primer episodio de 2022 de Estadísticamente hablando. Tuvimos tantas preguntas geniales de nuestra audiencia que no pudimos contestarlas todas. El Dr. Mack y el Dr. Hermes han accedido amablemente a responder algunas de esas preguntas en esta publicación de blog.
¿Tenemos una teoría sobre qué causó las fluctuaciones en el fondo cósmico de microondas?
Dra. Mack: El fondo cósmico de microondas, la luz de los confines más lejanos del universo observable que nos da una vista del plasma primordial que llenó nuestro cosmos en sus primeros 380 000 años, es casi completamente uniforme. Las fluctuaciones en la temperatura (o densidad) de ese plasma resplandeciente brillante están solo en el nivel de aproximadamente 1 en 100,000. Sin embargo, esas pequeñas fluctuaciones son cruciales: a través del lento colapso gravitacional, pequeños puntos en la densidad del plasma primordial eventualmente crecieron hasta convertirse en cúmulos enteros de galaxias en la actualidad.
Tenemos algunas teorías sobre el origen de esas fluctuaciones. La teoría más destacada es la de la inflación cósmica: un proceso a través del cual el universo primitivo se expandió extremadamente rápido durante un corto tiempo y, a través de fluctuaciones cuánticas en el campo que impulsa esa expansión, estableció pequeñas variaciones en la densidad de la energía en el universo. . Cuando el universo siguió creciendo a un ritmo más relajado, esos pequeños puntos de densidad también crecieron. Este proceso parece coincidir con nuestras observaciones de la distribución de esos puntos en todo el universo, pero todavía hay debates en la comunidad física sobre si la inflación o algún otro proceso es la mejor explicación.
¿Por qué Heat Death es el escenario más probable del fin del universo?
Dra. Mack: No sabemos con certeza cómo terminará el universo. Lo mejor que podemos hacer es extrapolar a partir de las observaciones actuales, utilizando nuestras mejores teorías o modelos para conectar los datos que tenemos ahora con la forma en que esperamos que evolucione en el futuro un universo que se parece al nuestro hoy. Sabemos por nuestras observaciones de galaxias distantes que el universo se está expandiendo. Durante mucho tiempo, los astrónomos han estado tratando de determinar si la expansión continuará para siempre o si algún día dará la vuelta y hará que el universo se contraiga nuevamente. Todavía no podemos decirlo con certeza, pero lo que podemos decir es que la expansión se está acelerando, y lo ha sido durante varios miles de millones de años, lo que sugiere que no es probable que ocurra un cambio de rumbo. Lo que sea que esté causando que la expansión se acelere (lo llamamos "energía oscura") parece ser el componente más importante del universo en este momento, impulsando su evolución futura. Nuestros modelos cosmológicos nos dicen que mientras la expansión se acelere, el cosmos eventualmente se volverá muy frío y vacío, y la materia y la radiación se volverán cada vez más difusas. Un universo como ese inevitablemente evoluciona hacia una Muerte por Calor en la que todo lo que queda en el cosmos es el "calor residual" de todos los procesos astrofísicos que han ocurrido y, en la lenta descomposición que ocurre en cualquier sistema físico, se quemaron y descompusieron. lejos.
¿Alguna idea de lo que sucederá después del fin del universo? ¿Comenzará otro universo o es el final de la historia?
Dra. Mack: Cuando hablo del "fin" del universo, lo que quiero decir es un proceso por el cual cada objeto o estructura en el universo observable es, de una forma u otra, destruido. Algo así como una Muerte por Calor lograría eso a través de una lenta descomposición durante trillones y trillones de años; un proceso como la descomposición del vacío sería mucho más repentino y violento. En cualquier caso, hay posibilidades que incluyen que suceda algo después de que ocurra el proceso de destrucción final, aunque también hay posibilidades que no. No todos los extremos de todas las cosas en el cosmos terminan definitivamente con el espacio-tiempo mismo. Hay algunas posibilidades (algunas de las cuales discuto en mi libro) para que ocurra un nuevo Big Bang después de la destrucción de nuestro cosmos. Si nos equivocamos acerca de la energía oscura, y resulta ser algo que podría cambiar su naturaleza dramáticamente en el futuro, podría conducir a un Big Crunch, en el que el cosmos colapsaría sobre sí mismo. Esto no conduciría necesariamente a un nuevo Big Bang, pero hay algunos modelos especiales en los que un universo colapsado se “rebotaría”. (Son modelos más especulativos que la idea original de Big Crunch). También ha habido sugerencias de que podría ocurrir un nuevo Big Bang después de Heat Death. E incluso más allá de eso, hay modelos de multiversos en los que hay regiones del espacio mucho más allá de los límites de nuestro propio universo observable en las que la evolución cósmica podría estar ocurriendo de una manera totalmente diferente, con Big Bangs y finales cósmicos en diferentes líneas de tiempo.
Muchos físicos están investigando estas ideas, a menudo buscando en los orígenes de nuestro propio cosmos pistas sobre la posibilidad de que nuestro universo haya surgido después del final de un ciclo anterior de algún tipo. Sin embargo, aún no tenemos una respuesta definitiva.
¿Qué partícula en el modelo estándar está asociada con la fuerza de la gravedad?
Dra. Mack: El modelo estándar de física de partículas no incluye una partícula asociada con la gravedad, ¡lo cual es parte de por qué sabemos que está incompleto! Nuestra mejor comprensión de la gravedad proviene de la teoría de la relatividad general de Einstein. Esa teoría sugiere que la gravedad no es una "fuerza" en el mismo sentido que las otras fuerzas, sino que en realidad es una consecuencia de la curvatura del espacio mismo. Es una teoría hermosa, pero no encaja fácilmente en nuestro marco con las otras fuerzas de la naturaleza, como el electromagnetismo y las fuerzas nucleares del Modelo Estándar. Todos ellos se basan en la mecánica cuántica (o la teoría cuántica de campos, para ser más precisos) e involucran partículas llamadas bosones de calibre que actúan como portadores de fuerza de las fuerzas fundamentales. La búsqueda de unir la gravedad y la mecánica cuántica ha sido uno de los proyectos más importantes de la física teórica en los últimos cien años. La teoría de cuerdas es uno de los principales contendientes por el premio de la teoría definitiva que uniría la gravedad y la mecánica cuántica, pero no está completamente aceptada ni verificada experimentalmente (y puede que nunca lo esté). En cualquier caso, las teorías de la gravedad cuántica generalmente contienen una partícula hipotética que transporta la gravedad, llamada gravitón. El gravitón no ha sido detectado, pero tenemos observaciones que nos pueden decir un poco sobre él, si es que existe. Por ejemplo, sabemos que si existen gravitones, deben ser sin masa, porque los efectos de la gravedad viajan a la velocidad de la luz y, por lo tanto, cualquier cosa que lleve gravedad también debe hacerlo, y solo las partículas sin masa pueden hacerlo. Pero aún no se ha determinado exactamente cómo encajaría este gravitón hipotético en una teoría más grande y más completa que el modelo estándar.
Si estuviera parado en una de las estrellas más alejadas en el tiempo de nosotros, ¿el universo se vería igual o se vería como si el borde estuviera más cerca de nosotros desde un lado?
Dra. Mack: No hay borde en el universo, por lo que podemos decir. Hay un límite a lo lejos que podemos ver en el universo, y eso está determinado por cuánto tiempo ha existido el cosmos. Esencialmente, si hay algo tan lejos que la luz de ese material tardaría más que la edad del universo (13.800 millones de años) en llegar a nosotros, está más allá del borde de nuestro universo observable. Así que vivimos en una especie de burbuja en un espacio mucho más grande, donde esa burbuja está definida por esa distancia más allá de la cual no podemos ver, ni siquiera en principio. No vemos ninguna evidencia de un borde físico real o un cambio dramático en cómo es el espacio en diferentes lugares; es solo una cuestión de perspectiva, como el horizonte cuando estás parado en la Tierra. Dondequiera que estés parado en este momento, el horizonte define un círculo a tu alrededor, más allá del cual no puedes ver. Ese círculo depende de la perspectiva en la que te encuentres y está determinado por la curvatura de la Tierra, pero si te alejaras unos kilómetros, el horizonte trazaría un círculo diferente. Es la misma idea en el cosmos. Una galaxia a 10 mil millones de años luz de nosotros no está más cerca de ningún tipo de borde. Tiene su propia burbuja de universo observable, centrada en sí misma, y puede ver partes del cosmos que nosotros no podemos. Por lo que podemos decir, a grandes rasgos, el universo es más o menos el mismo dondequiera que miremos. Entonces, probablemente lo que alguien vería a su alrededor (en términos de distribución de galaxias, la estructura general de la materia en el universo, etc.) desde esa galaxia distante se parecería mucho a lo que vemos desde aquí.
Cuando algo pasa frente a una estrella, ¿cómo determinas si es una cosa diminuta que está DEMASIADO enfrente o una COSA ENORME que está muy cerca de la estrella?
Dr. Hermes: Dado que las estrellas están tan lejos, casi nunca podemos resolver sus superficies, ¡así que todas las estrellas cubren la misma área en nuestros detectores! Por lo tanto, realmente no importa si un planeta pasa frente a la estrella muy cerca de la estrella o muy lejos, el área del planeta siempre bloqueará la misma cantidad de área que la estrella anfitriona y causará la misma profundidad de tránsito de un planeta. . Esto hace las cosas un poco más fáciles.
Pero su pregunta llega a una complicación que tenemos: ¿cómo sabemos si es un planeta pequeño que transita frente a una estrella pequeña o un planeta grande que proyecta una sombra sobre una estrella grande? Esto es casi siempre un problema en astronomía: ¿es algo pequeño y cercano o grande y lejano? A menos que podamos determinar el tamaño (radio) de la estrella anfitriona, no podemos diferenciar entre una cosa pequeña que pasa frente a una estrella pequeña o una cosa grande frente a una estrella grande. Afortunadamente, tenemos formas bastante confiables de determinar el radio de una estrella, ya sea determinando su distancia y usándola para estimar el radio necesario para igualar su brillo observado o, en algunos casos especiales, usando terremotos estelares para mejorar nuestra estimación del radio de la estrella anfitriona. Por lo general, podemos medir el radio de una estrella y, por lo tanto, su exoplaneta, con un pequeño porcentaje de incertidumbre.
Hay bastantes Júpiter calientes. ¿Cuál sería su destino en la fase de gigante roja?
Dr. Hermes: Los Júpiter calientes fueron algunos de los primeros planetas encontrados porque son planetas gigantes que orbitan muy cerca de la estrella anfitriona, muchas veces más cerca que Mercurio en nuestro sistema solar. Es casi seguro que ninguno de los Júpiter calientes que conocemos actualmente sobrevivirá a medida que su estrella anfitriona se convierta en una estrella gigante. De hecho, hay varios investigadores tratando de encontrar planetas gigantes alrededor de estrellas gigantes, y el mes pasado anunciaron un lote de planetas que están destinados a ser engullidos por su estrella anfitriona muy pronto:
https://keckobservatory.org/planetas-condenados .
