El Big Bang, los límites humanos y agujeros negros 10 mil millones de veces más grandes que el Sol.

Un nuevo estudio sugiere la posible existencia de “agujeros negros tremendamente grandes” o SLABs por sus siglas en inglés, incluso más grandes que los agujeros negros supermasivos ya observados en los centros de las galaxias.

La investigación, dirigida por el profesor emérito de la Universidad Queen Mary de Londres, Bernard Carr (1949), de la Escuela de Física y Astronomía, indagó cómo estas podrían formarse y los posibles límites de su tamaño.

Simulación de un Agujero Negro en el Núcleo de una Galaxia, desarrollado por la NASA.

Si bien hay evidencia de la existencia de "Agujeros Negros Supermasivos" (SMBH por sus siglas en inglés) en núcleos galácticos, con masas de un millón a diez mil millones de veces la de nuestro Sol, estudios previos han sugerido que hay un límite superior para su tamaño debido a nuestra visión actual sobre cómo se forman y crecen tales agujeros negros.

La existencia de SLABs, incluso más grande que esto, podría proporcionar a los investigadores una poderosa herramienta para pruebas cosmológicas y mejorar nuestra comprensión del "Universo Temprano".

Estaremos de acuerdo que el modelo más aceptado sobre el origen y evolución del Universo, este que es en el que habitamos, es conocido con el nombre de “Big Bang”.

Según este modelo, en el principio de los tiempos, toda la materia del Universo se encontraba concentrada en una región de tamaño muy pequeño, muchísima más pequeña que un átomo, y, debido a una gran "explosión", el Universo surgió y se expandió. Y la única fuerza existente se subdividió en las 4 fuerzas fundamentales que conocemos actualmente: la fuerza electromagnética, la fuerza nuclear fuerte, la fuerza nuclear débil,  y la fuerza gravitatoria

Al expandirse se enfrió y mientras se enfriaba, la materia se fue transformando.

Se teoriza que este Universo pasó por cuatro etapas sucesivas:

inflación, confinamiento de quarks, nucleosíntesis y recombinación.

En detalle tenemos:

La inflación cósmica es un conjunto de propuestas en el marco de la física teórica para explicar la expansión ultrarrápida del universo en los instantes iniciales y resolver el llamado problema del horizonte. Es decir, la causa que nos lleva a poder observar el Universo, en cualquier dirección, con la misma situación o característica. Como, por ejemplo la temperatura, que debe ser uniforme en todos los lugares del Universo. Esta etapa se teoriza debió comenzar en el instante 10 a la menos 36 segundos y dio origen a la ultrarrápida expansión: el universo comenzó su expansión a un ritmo exponencial, de manera que se multiplicó por 2.3 veces cada 10 a la menos 34 segundos. Esto representa una velocidad mucho mayor a la de la luz.

El confinamiento de quarks a continuación, con la evolución, en el tiempo 10 a la menos 35 segundos, posterior al comienzo de la inflación cósmica y de la primera rotura de la simetría, se iniciaron otros dos importantísimos eventos: el desacople de la segunda fuerza, la fuerza nuclear fuerte, y la generación de la primera tríada de partículas elementales: los quarks, los electrones y los neutrinos. Lo que significa que se obligó a los quarks a permanecer aislados dentro de unos límites. Ya existía algo más estable y debemos agradecer a la rotura de simetría de las fuerzas, o a la ínfima asimetría de una sola partícula másica por cada 3 mil millones de fotones que se transforman en partículas y antipartículas. Estas partículas másicas sobrantes, ¡son el origen de nuestra existencia!. A la primera gran fuerza única, básica, de la prístina etapa, y que mantenía la homogeneidad dentro del punto primordial; al desacoplarse una de las fuerzas, la gravitacional,  sin que sepamos porqué ocurrió, la simetría se quebró. Ahora seguió la fuerza nuclear fuerte.

La nucleosíntesis denominada primordial, para diferenciarla de cualquier otro fenómeno de nucleosíntesis, y que está definida por la formación de nuevos núcleos y de nuevos átomos a partir de los protones, neutrones, electrones, neutrinos y fotones, este proceso, que comenzó luego de la formación de los quarks, electrones y neutrinos, se originó en la levísima asimetría en la producción de partículas mas bien que de antipartículas. En la actualidad éste proceso sólo tiene lugar en el sol y en las estrellas. Estamos a un microsegundo después del "Big Bang" y el proceso de formación del Universo está en el punto de "no retorno". Esto significa que todo lo que ocurrirá posteriormente, a partir de este momento, ya está definido. Todo lo que ocurrirá será consecuencia de leyes físicas que ya conocemos y que fueron aplicadas para explicar y comprender científicamente la formación de las galaxias, de las estrellas y de los planetas. Una pausa, en este instante, 10 a la menos 6 segundos después del "inicio". No estamos cerca del primer segundo de tiempo, ni siquiera estamos cerca del milésimo del tiempo transcurrido. Aún falta prácticamente un millón de microsegundos para llegar al primer segundo o, dicho de otra forma, faltan aún 999,999 milisegundos para completar el primer segundo. Y no obstante todo está definido y determinado.

La recombinación el efecto generado debido a que la temperatura continuaba descendiendo pavorosamente, sólo en algunos "picosegundos", de 10 billones baja a 100 mil millones de grados. Se produce entonces otro importante fenómeno, si bien lo bastante misterioso como para que no sea factible agregar mucho sobre él: se concretó el desacople de la fuerza electrodébil de la fuerza electromagnética, originando separadamente la fuerza débil y la electromagnética. Aún a una temperatura de diez mil millones de grados el universo era una densa materia cósmica, homogénea en la creación y aniquilación casi simultánea de nucleones, electrones, neutrinos y otras partículas elementales, pero no hay aún formación de núcleos atómicos. Los neutrinos juegan un papel de gran importancia. Absorbidas y reemitidas sin cesar por los nucleones, estas partículas, juntamente con los electrones, transforman continuamente los protones en neutrones y viceversa. Dichas reacciones, gobernadas por la fuerza débil, mantienen en equilibrio la cantidad existente de protones con la de neutrones. Y la temperatura siguió disminuyendo y, como consecuencia de la disminución de la energía de agitación térmica en el fluido cósmico, comienzan a tener lugar nuevos acontecimientos: la energía de los neutrinos y la energía de las demás partículas disminuye progresivamente y, por debajo de los diez mil millones de grados, los neutrinos no son capaces de interactuar con los nucleones por falta de energía. No siendo ya absorbidos por estas partículas, los neutrinos comienzan a desacoplarse y circular libremente por la materia cósmica, la cual se convierte en trasparente a su movimiento. Además, la población de neutrones libres comienza a reducirse ya que, con el desacople de la fuerza débil y la simultánea falta de interacción con los neutrinos, el neutrón se vuelve inestable y se desintegra en un protón, un electrón y un neutrino. Por otra parte, los protones son estables ante la fuerza débil y por lo tanto crece la población de protones en desmedro de la de neutrones. El porqué los protones son estables, al encontrarse aislados, pero no así los neutrones, es otro de los secretos mejor guardados por la naturaleza. El evento más importante en la formación de los átomos que originarán la materia, es la rotura del equilibrio entre neutrones y protones: antes existían en partes iguales y por la alta energía de agitación térmica no podían interactuar entre sí. Ahora pueden interactuar uniéndose un protón y un neutrón formando el núcleo del átomo del deuterio, y en seguida núcleos de Helio, que se suman a los primeramente aparecidos de Hidrógeno.

En esos primeros instantes la concentración de los protones en el "Universo Temprano", era del 87% y la de los neutrones del 13%. Un 75% de los protones han formado principalmente los núcleos de hidrógeno, el resto ha formado, junto con los neutrones presentes, el 5% de deuterio y el 20% de helio, participando con 1 y 2 protones y con 1 y 2 neutrones respectivamente, en cada núcleo. Y todos los neutrinos viajan en forma libre a través de la materia cósmica que resulta transparente a su paso. Los electrones, sobrantes de la aniquilación previa con los positrones, también viajan libremente a través de esa lava incandescente, con la particularidad de que su número es exactamente igual al de los protones. Desde esos instantes iniciales, la carga eléctrica total siempre ha sido nula, y así continúa actualmente.

La población de esas partículas y núcleos atómicos, ha permanecido prácticamente intacta hasta el presente, con la salvedad de que los neutrones no pueden quedar libres ya que se aniquilan a través de la desintegración beta. En consecuencia, el producto de la nucleosíntesis primordial se mantiene indefinidamente: los protones, electrones, fotones y neutrinos conservan inalterable su cantidad, los neutrones libres desaparecen (se combinan con los protones para formar deuterio, helio, litio, berilio, etc.) y las cantidades de núcleos de hidrógeno y helio, junto con las cantidades mínimas de otros elementos, se mantienen en las proporciones siguientes:

Hidrógeno 90%, Helio (casi) 10%, del deuterio sólo hay vestigios, Carbono 0.15%,

Oxígeno 0.07%,  Litio 10 a la menos 7 % y Uranio 10 a la menos 10%.

Se pensaba que: "Después de transcurridos un mil millones de años a partir del "Big Bang" empezaron a formarse las primeras galaxias", esta idea fue plenamente vigente hasta el mes de junios del 2020 en que se dieron a conocer nuevos resultados obtenidos por medio del telescopio espacial Hubble de la   Administración Nacional de Aeronáutica y el Espacio, de Estados Unidos conocida como la "National Aeronautics and Space Administration" (NASA) y de la Agencia Espacial Europea conocida en francés como "Agence Spatiale Européenne" (ESA), proyecto conjunto de las agencias (NASA/ASE), que sugieren que la formación de las primeras estrellas y galaxias del universo temprano tuvo lugar antes de lo que se creía. 

Un equipo europeo de astrónomos no ha hallado evidencias de la primera generación de estrellas, conocidas como “población III”, tras remontarse hasta cuando el universo tenía tan solo quinientos millones de años de antigüedad.

El estudio, ha sido liderado por la becaria de investigación de la ESA Rachana Bhatawdekar, sondeó el "Universo Temprano", esto, entre un lapso de entre 500 y un mil millones de años después el "Big Bang", sucedió que investigando las vistas tomadas por Hubble del cúmulo galáctico MACSJ0416, que aparece en la imagen, y su campo paralelo, una región cercana en el firmamento capturada con el mismo tiempo de exposición que el propio cúmulo. El equipo científico combinó estas observaciones, obtenidas como parte del programa "Hubble Frontier Fields", para producir las observaciones más profundas jamás realizadas de cúmulos galácticos y las galaxias situadas por detrás, utilizando para ello diversas herramientas desarrolladas en tiempos recientes, consiguiendo que las imágenes fueran magnificadas por el efecto de "Lente Gravitacional", contando adicionalmente con datos de apoyo del Telescopio Espacial Spitzer de la NASA y del Telescopio Muy Grande (VLT) del Observatorio Europeo Austral (ESO).

La exploración de las primeras galaxias sigue siendo un reto importante de la astronomía moderna. No sabemos cómo ni cuándo se formaron las primeras estrellas y galaxias del universo. El telescopio espacial Hubble puede abordar estas cuestiones mediante observaciones de campo profundo, que permiten a los astrónomos asomarse a mirar el Universo, tal y como se presentaba hasta quinientos millones de años después de sucedido el "Big Bang".

Rachana y sus colaboradores se habían propuesto estudiar la primera generación de estrellas del universo temprano, "La población III". Su hipótesis es que surgieron a partir del material primigenio que emergió del "Big Bang", estas estrellas deberían estar compuestas únicamente por hidrógeno, helio y litio, los únicos elementos que existían antes de que los procesos desencadenados en los núcleos de dichas estrellas pudieran dar lugar a elementos más pesados, como oxígeno, nitrógeno, carbono y hierro.

Gracias a una nueva técnica que elimina la luz de galaxias brillantes en primer término de un cúmulo, este equipo descubrió galaxias de fondo con masas inferiores a lo observado hasta el momento con Hubble, a una distancia correspondiente a cuando el universo tenía menos de un mil millones de años. En el intervalo cósmico estudiado, no encontraron evidencias de "La Población III".

Estos resultados muestran que las primeras galaxias debieron formarse mucho antes de lo que los astrónomos creían y también sugieren que la formación más temprana de estrellas y galaxias se produjo mucho antes de lo que se puede estudiar con el Telescopio Espacial Hubble, abriendo así un campo interesantísimo para seguir investigando con el próximo Telescopio Espacial James Webb de la agencias NASA/ESA/CSA: las primeras galaxias del universo. La NASA en concordancia con la ESA y la CSA que es La Agencia Espacial Canadiense ("Canadian Space Agency" en inglés y "Agence spatiale canadienne" en francés) es el organismo que gestiona el programa espacial de Canadá, ha propuesto la fecha tentativa de su lanzamiento para el 31 de octubre de este año. Los resultados se presentaron el 3 de junio de 2020 durante el 236.º encuentro de la American Astronomical Society y fueron publicados por la Agencia Espacial Europea.

Se ha pensado ampliamente que los SMBH se forman dentro de una galaxia anfitriona y crecen hasta alcanzar su gran tamaño al tragar estrellas y gas de su entorno o fusionarse con otros agujeros negros. En este caso, hay un límite superior, algo por encima de diez mil millones de masas solares en su masa.

En este estudio, los investigadores proponen otra posibilidad de cómo podrían formarse las SMBH, que podría evadir este límite. Sugieren que tales SLABs podrían ser “primordiales”, formándose en el "Universo Temprano" y mucho antes que las galaxias.

Como los agujeros negros ‘primordiales’ no se forman a partir de una estrella que colapsa, podrían tener una amplia gama de masas, incluidas unas muy pequeñas y tremendamente grandes.

El profesor de matemáticas y astronomía Bernard Carr dijo en un comunicado: “Ya sabemos que los agujeros negros existen en una amplia gama de masas, con un SMBH de cuatro millones de masas solares que residen en el centro de nuestra propia galaxia. Si bien actualmente no hay evidencia de la existencia de SLABs, es concebible que puedan existir y también podrían residir fuera de las galaxias en el espacio intergaláctico, con interesantes consecuencias de observación. Sin embargo, sorprendentemente, la idea de SLABs se ha descuidado en gran medida hasta ahora. Hemos propuesto opciones sobre cómo podrían formarse estos SLABs y esperamos que nuestro trabajo comience a motivar discusiones entre la comunidad”.

Se cree que la "materia oscura" constituye alrededor del ochenta por ciento de la masa ordinaria del Universo. Si bien no podemos verlo, los investigadores creen que la "materia oscura" existe debido a sus posibles consecuencias, es decir, sus efectos gravitacionales sobre la materia visible, como las estrellas y las galaxias. Sin embargo, todavía no sabemos a ciencia cierta qué es la "materia oscura".

Los agujeros negros primordiales son uno de los candidatos potenciales. La idea de su existencia se remonta a la década de 1970 cuando los profesores Carr y  Stephen Hawking sugirieron que en los primeros momentos del Universo las fluctuaciones en su densidad podrían haber dado lugar a que algunas regiones colapsaran en agujeros negros.

“Los SLABs en sí mismos no podrían proporcionar la materia oscura”, dijo el profesor Carr, “pero si existen, tendrían implicaciones importantes para el Universo Temprano y harían plausible que los agujeros negros primordiales más ligeros pudieran hacerlo”.

Mi conclusión personal sobre el tema:

Aún falta mucho camino por recorrer, pero poco a poco se van encontrando pistas que nos levan a conseguir pequeños adelantos, como se observa, los nuevos descubrimientos, confirman algunas suposiciones, pero desactivan otras que se tenían como verdades inamovibles.

Como aclaración del panorama en el siglo XXI, me permito incluir un apunte realizado por el profesor e ingeniero Lino Spagnolo de la Universidad del Morón. Dicha Universidad se encuentra en la República Argentina, y parte del material empleado proviene de la conferencia que el ingeniero dictó en el año 2005, pues refleja, a mi parecer, una verdad valedera en estos asuntos.

"Si bien la ciencia encara el análisis de este primer evento, retrocediendo teóricamente hacía el pasado, o desde el presente hacía su origen, desde los hechos conocidos hacía el momento en que se originaron. Tratamos de acercarnos tanto como sea posible, se puede llegar a conocer como sucedieron las cosas, o por lo menos como creemos firmemente que sucedieron, hasta un segundo después del origen cero o hasta un milisegundo después, o incluso hasta 0.0000000001 segundos después, pero siempre habrá un límite de acercamiento al instante cero. Este límite se denomina tiempo de Planck y es de 10 a la menos 43 segundos y el Universo aún tenía el tamaño de la longitud de Planck (10 a la menos 33 centímetros).La acción de tales campos "antigravitatorios" dio origen al comienzo de la etapa inflacionaria en el instante 10 a la menos 35 segundos, cuando aún el "microbólido" primordial tenía un radio de 10-25 cm.

A partir de allí suministró a ese universo puntual un violentísimo empuje inicial hacía el exterior de forma tal que pudo vencer la fuerza gravitatoria. Luego continuó actuando hasta que el universo alcanzó un radio de algunos metros (quizás 20 metros según algunos cálculos). Para esta extraordinaria expansión (multiplicó su radio aproximadamente por un mil treinta veces) le tomó el tiempo entre 10 a la menos 35 segundos y 10 a la menos 32 segundos, lo cual equivale a haberlo realizado a una velocidad miles de billones de veces la velocidad de la luz. El campo escalar, responsable del exponencial crecimiento, fue también el responsable de la separación de la gran fuerza unificada. Dicha fuerza, que en su origen unificaba las 4 fuerzas fundamentales que conocemos actualmente como: la fuerza electromagnética, la fuerza nuclear fuerte, la fuerza nuclear débil,  y la fuerza gravitatoria, era en tales instantes la única fuerza existente cuyas características aún desconocemos".

Y finalmente explica: "la teoría del "Big Bang" se presenta como muy confiable, capaz de predecir fenómenos, y no tiene contradicciones internas, si exceptuamos algunos de los ya nombrados misteriosos defectos de simetría. Los datos astronómicos hasta ahora conocidos y el desarrollo de la física de las partículas elementales (que lentamente se va construyendo con el concurrente esfuerzo de los físicos teóricos y de los físicos experimentales que trabajan en los laboratorios de las altas energías), confirman ampliamente las hipótesis y el desarrollo de esta teoría y debemos aclarar estos puntos:

• La Física no explica cómo comenzó: se declara incompetente para el análisis de su inicio.

• No podemos preguntarnos en que lugar se produjo el big-bang puesto que el espacio comienza a existir con su ocurrencia.

• Tampoco podemos hablar de “cuándo comienza” puesto que el tiempo comienza con su inicio. 

• El propio "Big Bang" crea el espacio-tiempo. 

A pesar de su nombre, no podremos hablar de que haya ocurrido realmente una explosión: en  consecuencia de que al inicio no existía nada, que en un determinado momento hubiese explotado; tampoco había nada a su alrededor, material o un algo que permitiera la propagación de las ondas sonoras. No parece adecuado catalogar lo ocurrido allí, con ningún nombre de algo conocido, puesto que lo ahí sucedido, en el primer instante, se halla más allá de todo conocimiento, tanto de la Física como de todo otro conocimiento humano. Sólo podremos interpretar y explicar lo ocurrido después del "Big Bang", e incluso un cierto tiempo después, que si bien es extremadamente pequeño, tuvo que transcurrir.

Sin duda mejoraremos las perspectivas con el andar del tiempo, hay actualmente, mucha gente talentosa y mejor preparada que nunca trabajando en estos temas, además de que hoy se cuenta con adelantados instrumentos telescópicos y la unión de distintos países, en cuanto a sus comunidades científicas, lo que a mi manera de ver resulta más alentador que la competencia.

Cooperación VS Competición, ¿Que opción, a la larga, otorga mejores resultados?

 

Los limites existentes para la humanidad en el año 2021, sólidos y momenanéamente insuperables, serán superados, un tanto más temprano o más tarde, pero estos años, serán muy importantes, para proyectar el futuro y lo que en el sucederá. 

Son por ahora, algunos límites vigentes, y guardan secretos, que en el futuro podrán ser despejados en beneficio de la especie.