26 de marzo de 2012

La Historia del universo – parte 5

La Historia del universo – parte 5

El Consorcio Virgo
En los 4 capítulos anteriores del la historia cósmica, hemos aprendido mucho. Vimos como eventualmente se pido haber formado el universo, que etapas de desarrollo recorrió, y como podría ser su siniestro final en el futuro. Nuestros científicos, en los últimos 100 años, han confeccionado un  cuadro exhaustivo, juntando fragmento tras fragmento, como en un puzle gigante – para la crónica del universo.-

Ahora muchos se preguntarán, si este cuadro de hecho corresponde a la realidad. ¿A caso, la historia no pudo haber recorrido un camino distinto? Los científicos por naturaleza son muy escépticos y se cuestionan repetidas veces todos los resultados – hasta que haya una seguridad total.
Esto también ataña a la historia cósmica y por esta razón hubo un encuentro internacional de científicos. Este Consorcio Virgo es un grupo de cosmólogos proveniente de Alemania, Inglaterra, Canadá, Estados Unidos de América y Japón. En el año 2005, realizaron la más grande simulación computacional, la llamada Simulación Milenio.-

También vimos. Que las observaciones del fondo de microondas por el WMAP entregó una gran cantidad de datos sobre el cosmos prístino. También tenemos una imagen sobre el contenido de materia del universo y con esto las condiciones de la iniciación  del universo. Con estos datos bajo la consideración de la leyes físicas - principalmente la ley de gravedad – y la expansión del espacio-tiempo, se  ser posible simular con un ordenador, el desarrollo cósmico desde el año 380 000 (después del Big-bang). Si nuestras teorías son ciertas, entonces el resultado de la simulación debería corresponder a las observaciones actuales.-

¿Qué realmente vemos cuando observamos el fondo de radiación de micro ondas?


En un cuadro como este, están representadas pequeñísimas diferencias de temperaturas, mediante diferentes coloraciones, del joven universo (azul = más frío; rojo = más caliente). Estos corresponden a campos de mayores o menores densidades de materia, donde las densidades mayores corresponden a temperaturas más altas. En una palabra vemos entonces, que la materia no estaba totalmente repartida uniformemente  en el universo, cómo era de esperarse. Ya desde el principio hubo  fluctuaciones fractales. ¿Cómo se produce esto? La verdadera causa la debemos buscar en una época más temprana. En nuestro cuadro, el universo con una edad de 380 000 años ya se encuentra en una fase más avanzada, podríamos decir en la “fase del gateo”. Originalmente, de acuerdo a nuestros conocimientos anteriores, la expansión cósmica se encontraba en ámbitos de de las longitudes de Planck, con lo cual debemos asignarlo al mundo cuántico. Pero aquí reina la indeterminación de Heisenberg, no hay nada que está claramente definido, todo es un constante subir y bajar, un ir y venir – todo fluctúa. Pero de repente el universo se infla a una velocidad fantástica (fase inflacionaria). De golpe abandona el estado cuántico, se hace macroscópico. Los estados de la densidad de la energía que recién estaban  oscilando de un lado a otro, análogamente con temperatura y gravitación, prácticamente se “congelan”. El patrón del tejido cósmico, conformado por zonas de mayor y menor densidad/temperatura se ha formado.
Si ahora observamos el cuadro WMAP, en principio vemos el más que microscópico pequeño rumoreo cuántico del vacío – sólo que fue agrandado por la expansión cósmica. Mientras tanto también se generó la materia, que sin embargo, sólo constituye el 4% de la densidad de energía, frente a esto se encuentra el 21% de la materia oscura que se formó simultáneamente. Mientras que la materia oscura se pudo acumular sin perturbaciones a lo largo de las estructuras que se formaron, esto le fue denegado a la materia. Ella interactuaba fuertemente con la dominante radiación, que lisaba inmediatamente cada más pequeña ondulación. La materia oscura sólo interactúa a través de la gravitación, Por esto la simulación en lo principal es una historia del desarrollo de la materia oscura – la materia normal con su reducido aporte. Sólo juega un papel secundario.

Con la gentil autorización de Nasa/WMAP Science Team

La simulación
Nuestro universo es gigantesco y alberga grandes cantidades de materia. Por esto es complicado de configurar una simulación computacional, para que se acerquen lo más posible a los hechos reales. Un factor esencial es la cantidad elegida de las partículas de la materia oscura, que finalmente revelan la distribución y el desarrollo de las galaxias. En la Simulación Milenio, se introdujo la fabulosa cantidad de 10 mil millones de partículas, para obtener información lo más detallada posible, cada una de estas partículas ficticias representa 1 mil millones de masas solares. Donde como efecto final se pudo observar el desarrollo de 20 millones de galaxias.


Una tarea mamut como esta tampoco era posible realizarla con un PC “normal” – habría necesitado 38 años de ininterrumpido de cálculos matemáticos. Al fin y al cabo la simulación comienza en el año 380 000, cuando el universo se hizo transparente para la radiación. Las finas simulaciones que aun hoy podemos observar en la radiación de fondo, son el punto de partida, para los cálculos, que entonces corren hasta el presenta. Para este trabajo se usó el ordenador IBM p690. Del centro de dfatos de la sociedad Max-Planck en Garching (Alemania). Una máquina que se compone de 512 procesadores con una memora principal de 1 terabyte, que alcanzó apenas para esta labor. El tiempo del proceso de cálculo se extensión por un poco más de un mes.

Fuente: CISL, Computacional Informations Systems Laboratory.-

 Desde hace tiempo se hacia la pregunta, cómo se formaron los quásares. Aquí les tenemos que ver con galaxias, en los cuales actúan hoyos negros masivos, con miles de millones de masas solares. Debido a que se trata de galaxias jóvenes, es realmente curioso que ya en tiempos tempranos del universo existieran bólidos tan masivos como estos. En todo caso hoy estamos relativamente seguros, que el desarrollo iba de estructuras más pequeñas a estructuras más grandes (Por eje. galaxias). En la simulación milenio se evidenció, que algunos de estos masivos hoyos negros ya estaban presentes  unos pocos ciento de millones de años después del Big-bang y que en sus galaxias anfitrionas madurando a los objetos más pesados del universo.-

Historia cósmica
Las finas oscilaciones  de la densidad existentes a la edad de 380 000 años, son entonces el punto de partida de la simulación. Inicialmente en forma muy lenta, debido a la acción gravitatoria de la materia esto comenzó a concentrarse en aquellos lugares de mayor densidad, de tal menare que la densidad seguía aumentando. Esto reforzó a la gravitación, con lo cual la aglomeración de la materia oscura es acelerada. Pero no se produce un colapso total, más bien la energía gravitacional es transformada en un movimiento caótico de las partículas – en energía cinética. La materia oscura genera una especie de presión de gas que actuaba en contra la gravitación – se produce un equilibrio dinámico: Se forman halos de materia oscura. Esto es apoyado por la materia normal, que no se puede retraer de la acción gravitacional de los halos acumulándose en estos lugares. También la presión de gas de aquellos actúa de forma estabilizadora sobre los halos.-

La presión del gas aún es una presión térmica: Cada densificación lleva a un aumento de la temperatura (esto lo saben todas aquellos que una< vez inflaron una rueda de bicicleta con un bombín). Esto también es el caso  con el gas cósmico compuesto por Hidrógeno y Helio. Si la presión térmica es tan grande como la gravitación dirigida hacia adentro, impide un aumento de la contracción. Recién después del enfriamiento del gas, se pueden formar estrellas y galaxias de él.

Nota:
Las aquí descritas partículas de la materia oscura hasta ahora sólo son conjeturas, nadie sabe se realmente existen. En caso que si, su comportamiento es muy exótico. Mientras toda la materia normal, en caso en una contracción sobre la acción de la presión, reacciona con un aumento de la temperatura, la materia oscura aparentemente no lo hace. De otro modo a la moderna astronomía ya hace tiempo habría detectado una radiación calórica equivalente. La CDM (Cold Dark Matter) debe ser tan fría, que después de la contracción hacia los halos, no emite ninguna radiación. La razón de la “invisibilidad” hay que buscarla, que la partículas oscuras no interaccionan con nada. De esta manera en cada segundo nos podrían atravesar nuestro cuerpo al igual que los neutrinos, sin que nos demos cuenta de ello. –




En los siguientes cuadros A hasta D se puede observar la formación de halos desde las iniciales finas estructuras hasta nuestros tiempos. Se simula en lapso dew tiempo de más de 13 mil millones de años. En el primer cuadro se representa al universo alcanzó una edad de 15 millones de años, se pueden reconocer las estructuras pero aún aparecen difusas.


  


Poco a poco se solidifican las estructuras, formando una red de finas formaciones filamentosas. A lo largo de estas estructuras  de forma de hebras se juntan poco a poco los halos de materia oscura, que pueden mostrar variados tamaños. Los cuadros muestran un recorte de la simulación, de aprox. 800 millones de años luz. Aquí a una edad de 1 mil millones de años.


El universo ahora tiene una edad de 4,7 mil millones de años. Las estructuras ahora están claramente moldeadas. Donde se cruzan los filamentos, pueden aparecer halos bastante masivos, pueden mostrar 10ˆ15 veces la masa del Sol, lo que corresponde al más grande cúmulo de galaxias en el cosmos, que abarcan unas mil galaxias.



El universo a una edad de 13, 6 mil millones de años. La simulación alcanzó el estado del cosmos tal como lo podemos observar hoy en día. A lo largo de los filamentos se estructuró la materia, que encierran enormes espacios vacíos. Estos no son absolutamente vacíos, sino contiene un gas muy diluido  - pero no materia comprimida como la que conocemos en las galaxias. En estos ámbitos falta la dominante fuerza de la materia oscura.
Vea el video  de la simulación  al final de este artículo.-

A hora muchas se podrían preguntar: “¿…estas par de manchas de colores son ahora la historia del universo?”. Si,  aquel que ya se haya interesado un poco por el desarrollo del cosmos, sabrá, que esta, siempre clara expresión de las estructuras a gran escala, realmente debe haber sucedido. Ya que justamente, este cuadro obtenemos en la realidad, si observamos una vez una gran cantidad de galaxias proyectadas sobre un mapa:




Arriba vemos un mapa  de muchos programas de patrones, el llamado Sloan- y Cfa2-Surveys. Así como está representado aquí, las galaxias se distribuyen en nuestra vecindad cósmica.  Claramente se pueden reconocer las acumulaciones  en los Great Walls. Esta vista real de la distribución de las galaxias se enfrenta al cuadro del resultado de la simulación milenio abajo. Este no llevaba exactamente al mismo patrón, pero también aquí se pueden ver claramente la formación de estructuras. Por decirlo así un patón de  tejido para un cosmos.-


Como se mencionó arriba, el origen de las estructuras hoy observadas, según las cuales se  alinea la materia en el universo, no es diferente al gran aumentado susurro cuántico del ex microscópicamente pequeño universo originario, que después por la influencia de la gravitación siguió desarrollando en forma autónoma. Nuestros científicos una vez más han demostrado, que mediante un enorme despliegue, que mientras tanto que mientras tanto hemos comprendido en principio, como funciona un sistema como el cosmos.


 http://www.youtube.com/watch?v=Y9yQOb94yl0 Simulación realizada potr el instituta Max Plaqnck

Redactado el 20 de mayo de 2011

Traducido al castellano por A. Gundelach, Marzo 2012. Con la gentil autorización de Werner Kasper, Mittelweg 1, D- 35117 Münchhausen, Abenteuer-Universum (Aventura Universo)



 

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