Blog de Enunlugardelcosmos

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La paradoja de Olbers

Escrito por Enunlugarenelcosmos 30-03-2016 en ciencia. Comentarios (0)

La paradoja de Olbers o problema de Olbers, formulada por el astrónomo alemán Heinrich Wilhelm Olbers en 1823, y anteriormente mencionada por Johannes Kepler en 1610 y por Chéseaux en el siglo XVIII, es la afirmación paradójica de que en un universo estático e infinito el cielo nocturno debería ser totalmente brillante sin regiones oscuras o desprovistas de luz.
Si el universo se supone infinito, sin un principio y conteniendo un número infinito de estrellas luminosas uniformemente distribuidas, entonces el número de estrellas a una distancia R debería ser proporcional a la superficie de una esfera de ese radio, es decir, N ~ 4πR^2. Como la intensidad de la luz sigue una ley de la inversa del cuadrado, entonces la luminosidad aportada por sucesivas capas de estrellas debería ser independiente del radio R de la capa, ya que el área aparente de una estrella disminuye con el cuadrado de la distancia y el número de estrellas esperado aumenta con el cuadrado de la distancia. Así, cada punto en el cielo debería ser tan brillante como la superficie de una estrella. En otras palabras, cada línea visual partiendo de la tierra debería acabar terminando en la superficie de una estrella. Como el cielo contiene regiones negras sin brillo se sigue que alguna de las hipótesis es incorrecta (ya que el argumento general de Olbers se considera correcto). Olbers se sorprendió al descubrir que su cálculo implicaba que la temperatura en nuestro planeta debería ser de 5.537,78 grados Celsius); debería recibirse luz equivalente a 50.000 veces la del Sol en el cenit, todo estaría fundido como en un volcán.
Debe aclararse que para que las estrellas parezcan "uniformemente distribuidas" en el espacio, deben estar también uniformemente distribuidas en el tiempo, porque cuanto más lejos se observa, más antiguo es lo que se observa. A una escala infinita, significa que el universo debe tener una edad infinita sin cambios radicales en la naturaleza de las estrellas durante ese tiempo.
Kepler vio esto como un argumento para un universo finito, o al menos para un número finito de estrellas, pero esto no es convincente por lo que se discute a continuación.
Un modo de explicarlo es que el universo no sea transparente, y que la luz de estrellas distantes sea bloqueada por estrellas oscuras intermedias o absorbida por polvo o gas, de modo que sólo la luz proveniente de una distancia finita pueda llegar al observador. A pesar de ello, esta explicación no resuelve la paradoja, ya que de acuerdo con la primera ley de la termodinámica, la energía debe conservarse, de modo que la materia intermedia se calentaría y liberaría la energía (posiblemente en otra longitud de onda). Esto daría como resultado, otra vez, la recepción uniforme de radiación desde todas las direcciones, lo que no se observa.
Otra explicación ofrecida señala el hecho de que cada estrella contiene una cantidad finita de materia, por lo que solo brilla por un periodo finito de tiempo, después del cual termina su combustible. A pesar de ello, la paradoja se mantiene si uno supone que las estrellas se crean constantemente en un lugar aleatorio del universo, brillan por un periodo limitado de tiempo, y desaparecen.
-Soluciones propuestas.
Existen diversas maneras de resolver esta paradoja, es decir, existen varias explicaciones de como en un universo infinito con una distribución isótropa y estadísticamente homogénea de estrellas el cielo puede llegar a presentar regiones desprovistas de luz. Estas soluciones consisten en invalidar algunos de los supuestos como por ejemplo la distribución uniforme de estrellas, la inifinitud o la eternidad del universo. Todas las soluciones al problema de Olbers sugieren que, "El universo no es infinito, o no siempre ha sido igual, o no estaría ocupado de manera uniforme por las estrellas."
-Solución de los cuerpos opacos.
Hay que contar la enorme cantidad de objetos que son opacos o que absorben en parte las radiaciones (como las nubes de gas) y que pueden estar situados en nuestra línea de visión hacia esas estrellas. Incluso si consideráramos que hay un número infinito de estrellas, también hay que considerar un número infinito de objetos opacos entre ellas. Sin embargo, si estos objetos opacos absorben energía tendría que estar calentándose continuamente, y por lo que sabemos todas las formas de materias conocidas al calentarse empiezan a reemitir energía electromagnética, por lo que esta solución no resuelve realmente la paradoja.
-Solución relativista.
Dentro de la Teoría general de la relatividad existen dos hechos que resuelven la paradoja de Olbers:
Si el universo lleva existiendo una cantidad finita de tiempo (como sugiere la Teoría del Big Bang), entonces sólo la luz de una cantidad finita de estrellas ha tenido tiempo de llegar a nosotros, por lo que la paradoja desaparece. Además como la luz tiene una velocidad finita y el universo unos 13800 millones de años, sólo vemos estrellas situadas a menos de 13800 millones de años luz lo cual constituye una región finita del universo.
De modo alternativo, si el universo se está expandiendo, y las estrellas más distantes se alejan de nosotros (lo que también aparece en la teoría del Big Bang), entonces su luz sufre un corrimiento al rojo. Este corrimiento al rojo disminuye la intensidad de la luz, de nuevo resolviendo la paradoja, ya que dicho corrimiento implica según la fórmula de Planck una reducción de la energía con la que viaja la luz y por tanto una atenuación de la intensidad por debajo de la esperada según la ley de la inversa del cuadrado en un universo estático. Esta reducción de la contribución de las galaxias distantes explicaría la oscuridad del cielo.
Cualquiera de los dos efectos por sí solo funcionaría,pero, de acuerdo con la teoría del Big Bang, ambos están sucediendo al mismo tiempo, aunque el tiempo finito tiene un efecto más importante en la resolución de la paradoja. Algunos ven la existencia de esta paradoja como prueba de la teoría del Big Bang.
-Solución basada en la dinámica estelar.
Incluso sin la teoría del Big Bang, puede establecerse que la edad del universo es finita a través de una evaluación matemática de la cantidad de hidrógeno existente. Si se supone que la cantidad de masa en las estrellas, dividido por la cantidad total de masa en el universo es distinto de cero, tras un cierto período alguna estrella habrá convertido demasiado hidrógeno en helio (o un elemento más pesado) para continuar su fusión nuclear. De ahí se sigue que la cantidad de hidrógeno transformada en helio por unidad de tiempo en una estrella cualquiera, dividida por la masa de la estrella, es distinto de cero.
Si esto se combina con la afirmación anterior, puede concluirse que la cantidad de hidrógeno convertido en helio por todas las estrellas dividida por la masa del universo es distinto de cero. No se conoce ningún proceso que pueda convertir elementos más pesados en hidrógeno en la cantidad suficiente, y si existiese, seguramente violaría la segunda ley de la termodinámica. Por ello, el tiempo necesario para que las estrellas conviertan todo el hidrógeno del universo en helio es finito, y no revertirá a su estado inicial. Después, sólo estrellas capaces de consumir elementos más pesados seguirán existiendo (y se consumirán cuando alcancen el hierro, algo conocido como la muerte térmica del universo). Esto todavía no ha sucedido, así que, o el universo tiene una edad finita, ha sufrido grandes cambios a lo largo de su historia, o bien existe un proceso desconocido (del cual no tenemos pruebas directas) que produce hidrógeno para mantenerlo funcionando.
-Solución de Mandelbrot.
Benoit Mandelbrot propuso un modo distinto de resolver el problema de Olbers, que no depende de la teoría del Big Bang. Mandelbrot probó que la luminosidad puede ser finita y pueden existir zonas oscuras en el cielo si se asume que la distribución de galaxias tiene una estructura fractal, siempre que a gran escala la dimensión fractal sea inferior a 3. Según la propuesta de Mandelbrot, las estrellas en el universo no están uniformemente distribuidas, sino que tienen una distribución fractal y lagunar, del tipo que muestra un polvo de Cantor, esto explicaría las amplias áreas oscuras.
En este tipo de hipótesis se supone que el conjunto fractal formado por todas las estrellas puede ser estadísticamente isótropo y homogéneo. La hipótesis de Mandelbrot ha sido considerada por diversos estudios que han considerado la distribución de las galaxias. Recientes estudios con satélites han corroborado que la radiación cósmica de fondo es isótropa hasta 1 parte en 10000. Las estimaciones sugieren que el universo es más bien un objeto multifractal cuya dimensión de Hausdorff-Besicovitch sería DH ~ 2,1±0,1 y cuya dimensión de correlación D2 ~ 1,3±0,1.
-Otras soluciones.
Otra reflexión señala que la paradoja parte de una premisa falsa. Esta explicación señala en términos sencillos que una cosa es que el número de estrellas en el universo sea "indeterminado" y otra es que sea "infinito", postulando, en definitiva, que el número de estrellas es finito.

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Bariones

Escrito por Enunlugarenelcosmos 30-03-2016 en ciencia. Comentarios (0)

Los bariones (del griego βαρύς, barys, “pesado”) son una familia de partículas subatómicas formadas por tres quarks. Los más representativos, por formar el núcleo del átomo, son el neutrón y el protón; pero también existe otro gran número de bariones, aunque estos son todos inestables. El nombre de barión se debe a que se creyó, cuando fue descubierto, que poseía una masa mayor que otras partículas.
Los bariones son fermiones afectados por la interacción nuclear fuerte, por lo que están sometidos al principio de exclusión de Pauli y pueden ser descritos mediante la estadística de Fermi-Dirac. Al contrario que los bosones, que no satisfacen el principio de exclusión.
Los bariones pertenecen, junto con los mesones, a la familia de partículas llamadas hadrones, es decir, aquellas compuestas por quarks. Se diferencian de los mesones por estar compuestos por tres quarks, mientras que los últimos están compuestos por un quark y un antiquark.
Junto al protón y al neutrón, dentro de la familia de los bariones se encuentran también las partículas delta (Δ), lambda (Λ), sigma (Σ), xi (Ξ) y omega (Ω).
Los bariones delta (Δ^++, Δ^+, Δ^0, Δ^-) están compuestos por quarks arriba y abajo, de tal manera que el spin total es 3/2. Se desintegran en un pion y en un protón o un neutrón.
Los bariones lambda (Λ^0) están compuestos por un quark arriba, uno abajo y un quark extraño, con los quarks arriba y abajo en un estado de spin isotópico 0 (sabor antisimétrico). La observación del lambda neutro supuso la primera evidencia del quark extraño. El barión lambda casi siempre se desintegra en un protón y un pion con carga, o en un neutrón y un pion neutro.
Los bariones sigma (Σ^+, Σ^0, Σ^-) están compuestos también por un quark extraño y la combinación de un quark arriba y otro abajo, pero en un estado de spin isotópico 1. El Σ^0 posee la misma estructura de quarks que el Λ^0 (arriba, abajo y extraño), por lo que su desintegración es mucho más rápida que el Σ^+ (arriba, arriba, extraño) y el Σ^- (abajo, abajo, extraño).
Los bariones xi (Ξ^0, Ξ^-) están compuestos de dos quarks extraños y un quark arriba o abajo. Se desintegran generalmente en un pion y un barión lambda, que a su vez se desintegra como tal. Debido a esta secuencia en cascada de desintegraciones, a Ξ se le llama también partícula en cascada (cascade particle).
El barión omega negativo (Ω-) está compuesto de tres quarks extraños. Su descubrimiento supuso un gran avance en el estudio de los procesos de los quarks, ya que sólo desde entonces se pudo predecir su masa y su desintegración.
Los bariones compuestos por quarks pesados se cifran añadiendo un subíndice, el cual indica que un quark extraño puede ser sustituido por otro más pesado (Ej.: Λ+c está compuesto por quark encantado, arriba y abajo; en vez de arriba, abajo y extraño).
La materia bariónica es aquella en cuya masa predominan los bariones, la cual puede estar formada por átomos de todo tipo, y por tanto, ser casi cualquier tipo de materia. Su contrario es la materia no bariónica, que puede estar formada por neutrinos o electrones libres, o incluso por especies extrañas de materia oscura no bariónica, tales como partículas supersimétricas, axiones o agujeros negros.
La distinción entre materia bariónica y no bariónica resulta de especial importancia en cosmología, ya que la cantidad de materia bariónica presente en el universo primitivo determina en gran medida los modelos de nucleosíntesis producidos en el Big Bang.
La mera existencia de bariones resulta ya un hecho cosmológico significativo, puesto que se presupone que el Big Bang produjo una cantidad igual de bariones y de antibariones. El proceso mediante el cual el número de bariones supera al de sus antipartículas es llamado bariogénesis (análogamente al proceso de leptogénesis, mediante el cual la cantidad de materia formada por leptones supera a su antimateria).
Imagen 1 Octeto bariónico. Imagen 2 diferencias bariones y mesones.

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Modelo atómico de Bohr

Escrito por Enunlugarenelcosmos 30-03-2016 en ciencia. Comentarios (0)

El modelo atómico de Bohr o de Bohr-Rutherford es un modelo clásico del átomo, pero fue el primer modelo atómico en el que se introduce una cuantización a partir de ciertos postulados. Dado que la cuantización del momento es introducida en forma ad hoc, el modelo puede considerarse transicional en cuanto a que se ubica entre la mecánica clásica y la cuántica. Fue propuesto en 1913 por el físico danés Niels Bohr, para explicar cómo los electrones pueden tener órbitas estables alrededor del núcleo y por qué los átomos presentaban espectros de emisión característicos (dos problemas que eran ignorados en el modelo previo de Rutherford). Además el modelo de Bohr incorporaba ideas tomadas del efecto fotoeléctrico, explicado por Albert Einstein en 1905.
Bohr se basó en el átomo de hidrógeno para hacer el modelo que lleva su nombre. Bohr intentaba realizar un modelo atómico capaz de explicar la estabilidad de la materia y los espectros de emisión y absorción discretos que se observan en los gases. Describió el átomo de hidrógeno con un protón en el núcleo, y girando a su alrededor un electrón. El modelo atómico de Bohr partía conceptualmente del modelo atómico de Rutherford y de las incipientes ideas sobre cuantización que habían surgido unos años antes con las investigaciones de Max Planck y Albert Einstein.
En este modelo los electrones giran en órbitas circulares alrededor del núcleo, ocupando la órbita de menor energía posible, o la órbita más cercana posible al núcleo. El electromagnetismo clásico predecía que una partícula cargada moviéndose de forma circular emitiría energía por lo que los electrones deberían colapsar sobre el núcleo en breves instantes de tiempo. Para superar este problema Bohr supuso que los electrones solamente se podían mover en órbitas específicas, cada una de las cuales caracterizada por su nivel energético. Cada órbita puede entonces identificarse mediante un número entero n que toma valores desde 1 en adelante. Este número "n" recibe el nombre de número cuántico principal.
Bohr supuso además que el momento angular de cada electrón estaba cuantizado y sólo podía variar en fracciones enteras de la constante de Planck. De acuerdo al número cuántico principal calculó las distancias a las cuales se hallaba del núcleo cada una de las órbitas permitidas en el átomo de hidrógeno. Estos niveles en un principio estaban clasificados por letras que empezaban en la "K" y terminaban en la "Q". Posteriormente los niveles electrónicos se ordenaron por números. Cada órbita tiene electrones con distintos niveles de energía obtenida que después se tiene que liberar y por esa razón el electrón va saltando de una órbita a otra hasta llegar a una que tenga el espacio y nivel adecuado, dependiendo de la energía que posea, para liberarse sin problema y de nuevo volver a su órbita de origen. Sin embargo no explicaba el espectro de estructura fina que podría ser explicado algunos años más tarde gracias al modelo atómico de Sommerfeld. Históricamente el desarrollo del modelo atómico de Bohr junto con la dualidad onda-corpúsculo permitiría a Erwin Schrödinger descubrir la ecuación fundamental de la mecánica cuántica.
Primer Postulado:
Los electrones giran alrededor del núcleo en órbitas estacionarias sin emitir energía.
Segundo Postulado:
Los electrones solo pueden girar alrededor del núcleo en aquellas órbitas para las cuales el momento angular del electrón es un múltiplo entero de h/2π.( Fórmula abajo).
siendo "h" la constante de Planck, m la masa del electrón, v su velocidad, r el radio de la órbita y n un número entero (n=1, 2, 3, ...) llamado número cuántico principal, que vale 1 para la primera órbita, 2 para la segunda, etc.
Tercer postulado:
Cuando un electrón pasa de una órbita externa a una más interna, la diferencia de energía entre ambas órbitas se emite en forma de radiación electromagnética.
Mientras el electrón se mueve en cualquiera de esas órbitas no radia energía, sólo lo hace cuando cambia de órbita. Si pasa de una órbita externa (de mayor energía) a otra más interna (de menor energía) emite energía, y la absorbe cuando pasa de una órbita interna a otra más externa. Por tanto, la energía absorbida o emitida será E2 - E1= h v .
En resumen podemos decir que los electrones se disponen en diversas órbitas circulares que determinan diferentes niveles de energía.

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COROT-9b

Escrito por Enunlugarenelcosmos 30-03-2016 en ciencia. Comentarios (0)

COROT-9b es un exoplaneta que orbita alrededor de la estrella COROT-9, aproximadamente a 1.500 años luz de distancia en la constelación Serpens. La distancia de aproximación más cercana de COROT-9b a su estrella es de aproximadamente 0,36 UA es la más grande de todos los planetas en tránsito conocidos, con un período orbital de 95 días. El tránsito de este planeta dura 8 horas, y su temperatura se sitúa entre 250 K (−23 °C; −10 °F) y 430 K (157 °C; 314 °F).
COROT-9b fue descubierto por el satélite COROT en órbita polar alrededor de la Tierra, este busca un pequeño declive en la luz de las estrellas mientras que un planeta pasa delante de él. Este descubrimiento fue anunciado en el 2010 en el día de San Patricio, después de 145 días de observaciones continuas en el verano del 2008.
COROT-9b tiene una masa de 0.84 MJ según lo determinado por la espectroscopia de HARPS, y tiene un radio de 1.05 RJ según lo determinado en el tránsito por la fotometría de la curva de la luz del planeta mientras pasa enfrente de su estrella. Esto implica que este planeta tiene una densidad correspondiente al 96% de la densidad del agua, la gravedad es 1.93 veces la de Tierra.
Puesto que es el primer planeta gigante templado encontrado por el método del tránsito, permitirá por primera vez que los astrónomos sean capaces de estudiar la atmósfera de un planeta gigante templado,2 examinando de que están compuestas las nubes, la composición de la atmósfera, de las distribuciones de la temperatura, e inclusive el interior del planeta. La atmósfera de este planeta es probablemente dominada por el hidrógeno y el helio (como Júpiter y Saturno) con hasta 20 masas de Tierra de otros elementos, incluyendo agua y roca a altas temperaturas y presiones.
Imagen 1 la impresión artística muestra el exoplaneta en tránsito Corot-9b. Descubierto combinando observaciones del satélite CoRoT y el instrumento HARPS del ESO, Corot-9b es el primer exoplaneta “normal” que se puede estudiar con gran detalle. Este planeta es levemente más grande que Júpiter y con una órbita similar a la de Mercurio.
Imagen 2 comparación del tamaño de COROT-9b con Júpiter.

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Galaxia de Barnard o NGC 6822

Escrito por Enunlugarenelcosmos 30-03-2016 en ciencia. Comentarios (0)

La Galaxia de Barnard o NGC 6822 es una galaxia irregular en la constelación de Sagitario. Forma parte del Grupo Local y es una de las galaxias más cercanas a la Vía Láctea. Es similar en estructura y composición a la Pequeña Nube de Magallanes. Fue descubierta por E. E. Barnard en 1884, a quien debe su nombre. Su estudio está dificultado por su proximidad al plano galáctico, por lo que sufre los efectos del polvo interestelar.
Distante 1,6 millones de años luz, pertenece a un vasto conjunto de galaxias irregulares que no parecen formar parte de ningún subgrupo en particular. Se trata de la primera galaxia en la cual se detectaron variables cefeidas. Históricamente hay que señalar que con esta galaxia, en 1925 Edwin Hubble demostró por vez primera la existencia de galaxias exteriores a la Vía láctea.
La galaxia de Barnard es considerada como un prototipo de las primitivas galaxias fragmentarias que habitaron el universo joven. Tiene un gran número de regiones HII, nebulosas de emisión formadas principalmente por hidrógeno ionizado, así como un brazo azulado de estrellas jóvenes que se extiende hacia la zona superior derecha. De todos modos, de acuerdo con algunos autores muestra un bajo número de estrellas muy brillantes y masivas, y no parece estar actualmente formando estrellas a gran ritmo.
Utilizando el Telescopio Espacial Hubble se ha descubierto en ella una nebulosa, bautizada como Hubble V, que permite tener una visión de cómo debe haber sido la formación de estrellas ultra-calientes y muy luminosas en las primeras épocas del universo. Hubble X es otra activa región de formación estelar dentro de esta galaxia.
NGC 6822 es también una galaxia de anillo polar; un estudio reciente muestra que su hidrógeno neutro -que llega además a una buena distancia- está distribuido en un anillo perpendicular a la galaxia, así cómo que las estrellas que la rodean son restos de un encuentro con otra galaxia en el pasado.
Desde NGC 6822 no se podrían estudiar bien las tres mayores galaxias del Grupo Local (Andrómeda, nuestra Vía Láctea, y Triángulo), debido a que desde ella se ven muy inclinadas -lo cual dificultaría el estudio de por ejemplo su estructura-; esto significa también que esta galaxia sería difícil de estudiar desde ellas debido a los efectos de oscurecimiento y enrojecimiento del polvo interestelar.(Imágenes abajo 2, 3 y 4). 
El aspecto de nuestra galaxia sería muy similar al que tiene M31 desde ella, que a su vez se vería desde NGC 6822 incluso más de canto que cómo la vemos nosotros. Triángulo, finalmente, se vería más o menos tan de canto cómo Andrómeda.
Imagen 1 galaxia Barnard o NGC 6822, 2 Nuestra galaxia vista desde NGC 6822. 3 Andrómeda vista desde NGC 6822. 4 Triángulo vista desde NGC 6822.

Foto de En un lugar del cosmos.

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