NeoFronteras

¿Tiene el espacio-tiempo textura?

Área: Física — jueves, 13 de agosto de 2009

Observaciones con telescopios de rayos gamma parecen indicar que el espacio-tiempo podría tener textura a la escala de Planck.

Foto
Telescopio MAGIC. Foto: R. Wagner, MAGIC.

MAGIC (Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov Telescope) es básicamente un espejo parabólico de gran tamaño situado en el observatorio del Roque de los Muchachos en la isla de La Palma que hace las veces de telescopio óptico. En lugar de observar los objetos directamente trata de capturar la luz Cherenkov los rayos cósmicos que emiten y que cruzan la atmósfera terrestre. Parte de los rayos cósmicos están constituidos por partículas y otros por rayos gamma, que es radiación electromagnética.
Los rayos gamma muy energéticos son muy escasos y por tanto difíciles de capturar. Pero si se utiliza la atmósfera terrestre como detector intermedio, como hace MAGIC, la tarea es posible. Estos rayos gamma son emitidos por los procesos más energéticos del Universo y permiten estudiar los fenómenos que los producen. Por tanto MAGIC facilita el estudio de objetos exóticos, como explosiones supernova o colisiones de estrellas de neutrones, pero, como veremos, quizás haya servido también para explorar los límites de la Física Teórica.
En 2005 este detector registró un evento particularmente interesante. Si este tipo de medidas se confirmaran se produciría una pequeña revolución en Física, sobre todo ahora que tanta falta hace debido a que la puesta en marcha del LHC se retrasa una vez más.
El análisis de los datos parece estar de acuerdo con una propuesta que dice que si la gravedad cuántica existe debe de haber un nivel a una escala muy pequeña (la escala de Planck) en el que el espacio-tiempo no es suave, sino que tiene una fina estructura que incluso puede fluctuar. A ese nivel no habría una manera clara de distinguir entre izquierda y derecha o entre arriba y abajo o entre pasado y futuro. Lo malo es que un acelerador de partículas nunca tendrá tanta energía como para explorar la escala de Planck.
Esta idea del espacio-tiempo “espumoso” es algo que se propuso hace décadas, pero se ha puesto de moda en los últimos años porque algunas teorías cuánticas de la gravedad parecen predecir un efecto debido a esta textura que se podría medir experimentalmente. Esto es precisamente lo que supuestamente habrían encontrado el MAGIC y otros telescopios similares recientemente.
Según estas nuevas teorías, la textura del espacio-tiempo pasaría prácticamente desapercibida, pero su efecto acumulativo podría ser observado. Los fotones de luz que viajaran desde los confines del Universo tendrían que atravesar miles de millones de años luz de distancia y el efecto de la textura espacio-temporal se dejaría notar en una pequeñísima variación en la velocidad de la luz entre fotones de distinta energía. Esto solamente se podría medir en fotones muy energéticos como los de los rayos gamma, que interaccionarían más fuertemente con el propio espacio-tiempo a través del cual viajan. Sería en definitiva una violación a la invarianza Lorentz como les gusta decir a los físicos.
Según esta hipótesis, si existe un fenómeno cósmico que emita simultáneamente una variedad de fotones gamma con distinta pero alta energía, ocurrirá que cuando lleguen aquí los encontraremos desfasados temporalmente en virtud de su energía (longitud de onda). Esto es lo que al parecer vieron Robert Wagner y sus colaboradores al analizar los datos recolectados el 30 de junio de 2005 por MAGIC sobre los fotones gamma emitidos por Markian 501, un objeto situado a 500 millones de años luz de distancia de nosotros. Los fotones de más baja energía llegaron 4 minutos antes que sus equivalentes más energéticos.
Otra explicación menos exótica del fenómeno vendría dada por la propia naturaleza del mecanismo de producción de los rayos gamma, que emitiría primero los menos energéticos. Posibilidad que cae dentro de lo pausible.
Si se confirmara este resultado se daría un buen impulso a la Teoría Cuántica de Lazos y otras teorías rivales a las cuerdas, aunque ya se intenta acomodar este tipo de resultado dentro de las propias teorías de cuerdas.
El año pasado se sugirió que un ruido presente en un detector de ondas gravitacionales alemán podría deberse a la textura espacio temporal. Sin embargo, la mayoría de los expertos están de acuerdo que hay otras explicaciones más plausibles al fenómeno.
En julio de 2006 la formación de telescopios HESS, situada en Naminia, observó una erupción gamma procedente de una galaxia situada cuatro veces más lejos que Markarian 501. En este caso el desfase temporal fue de sólo medio minuto, pero esto sería razonable, dada la menor energía de esta erupción comparada con la registrada por MAGIC.
Los resultados más recientes proceden de Fermi, el satélite gamma de la NASA lanzado el año pasado. En septiembre de 2008 registró rayos gamma procedentes de una fuente situada a 12000 millones de años luz de distancia. Según los análisis realizados por Amelino-Camelia y Lee Smolin en uno de los eventos de este caso, los fotones menos energéticos se anticiparon en 20 minutos a los demás. Otros dos eventos contienen retrasos menores. Según John Ellis estas observaciones son consistentes entre sí y entran dentro de los márgenes de error.
La única manera de ver si efectivamente estas medidas se deben a un fenómeno cuántico en la escala de Planck es analizar los datos de todos ellos y ponerlos en relación a la distancia de la fuente y a la energía de los fotones emitidos. Si hay una estadística suficiente, combinando los diferentes resultados se podría rechazar que el efecto se debiera a la naturaleza de la fuente.
Hay otros detectores de rayos gamma además de los mencionados, como el VERITAS (Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System) en Mount Hopkins (Arizona) o el futuro MACE (Major Atmospheric Cherenkov Telescope Experiment) en Ladakh (India), a 4500 metros sobre el nivel del mar en la meseta tibetana. Todos estos instrumentos podrían permitir a los expertos hacer un seguimiento de 24 horas de este tipo de fenómenos, obviando el efecto de rotación de la Tierra. Combinando sus resultados con los de Fermi se espera que en unos pocos años se confirme definitivamente o no esta hipótesis.
También tendremos dentro de poco el observatorio de neutrinos IceCube de la Antártida. Como en las explosiones de supernova se produce un chaparrón de neutrinos (como el medido en 1987 cuando explotó la supernova de la Gran Nube de Magallanes) se podría utilizar a estas partículas para medir un fenómeno similar causado también por la textura del espacio-tiempo. La textura del espacio tiempo afectaría incluso a las oscilaciones entre las distintas clases de neutrinos. Además, en este caso, si se encuentra este fenómeno, no podría explicarse el resultado mediante otros mecanismos menos exóticos.
Lo interesante de todo esto es que supuestamente hay fenómenos físicos que se pueden medir que quizás permitan construir una teoría cuántica de la gravedad. Una meta que ha sido bastante esquiva desde hace ya muchas décadas.

Fuentes y referencias:
New Scientist.
Artículo 1.
Artículo 2.
Artículo 3.
Artículo 4.
Artículo 5.
Más allá de las cuerdas.

Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.
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8 Comentarios

  1. lluís:

    Este es el tipo de estudios que me aceleran las pulsaciones. En la explicación “menos exótica” se me escapa el por qué de la emisión de rayos gamma menos energéticos. Como sea, a ver si pronto nos podemos afeitar con la “espuma espacio-temporal”. Ahí es nada meter las naricitas en la escala de Planck; si mal no recuerdo la escala de las energías de Planck son de 10^20 ordenes de magnitud más grande que la escala de la física subátomica. Con un poco de suerte los que ya tenemos unos añitos quizás nos podamos pasar al estado “gato-muerto” conociendo el secreto de la gravedad cuántica. Ojalá!!!

  2. NeoFronteras:

    La emisión menos exótica depende de la naturaleza de la producción de los rayos gamma que varía en cada caso. Otra posibilidad es que la radiación atraviese un medio material como un gas tenue. Lo importante es descartar este tipo de efectos.
    Pero lo más interesante es que esto es un resultado experimental y a partir de él se puede hacer ciencia. Lo mismo pasaba con el efecto fotoeléctrico a principios del siglo XX y dio lugar a la MC.

  3. tomás:

    Muy estimado lluís: Dices que la escala de Planck es 10^20 veces “mayor” que la escala subatómica. ¿No querrás decir “menor”?
    Te preguntto: Si sólo el espacio estuviera cuantificado, el resultado de la experiencia ¿no sería el mismo?
    Un ignorante y cordial saludo.

  4. lluís:

    Hola tomás. Pues no, no me equivoqué. En esa escala cuanto más pequeña es la distancia más energía se necesita para “recorrerla”. Esa distancia se supone que es la más pequeña, es decir la llamada “longitud de Planck” (Lp). Por tanto la energía de Planck se supone que es la máxima posible en una región a tal escala. A lo segundo que me preguntas, no puedo contestarte así como así. Debería estudiarlo y no sé si llegaría a alguna conclusión válida. Quizás Neo pueda responder a eso. Un cordial saludo, amigo tomás…

  5. NeoFronteras:

    La longitud de Planck es 1,616252 (81) × 10-35 metros. Un proton mide 1020 longitudes de Planck.
    Para poder explorar una distancia tan pequeña se necesitaría un acelerador que alcanzara una energía del orden de la energía de Planck (1,9561 × 109 J). Se puede definir un tiempo de Planck (5,39121 × 10−44 s), una masa, una temperatura y una carga de Planck. Y se pueden derivar el área, volumen, momento, energía… de Planck. Todos ellos se obtienen por cálculo dimensional a partir de constantes fundamentales.
    Hay unas buenas tablas al respecto en wikipedia: http://en.wikipedia.org/wiki/Planck_units
    En unidades geometrizadas en las que G, la constate de Planck reducida, la velocidad de la luz y la constante de Boltzmann valen todas 1 las definiciones anteriores valen 1 en su mayoría.
    Desde un punto de vista lógico un Universo cuántico mediría una longitud de Planck y pesaría una masa de Planck. La pregunta es ¿por qué no es así?

  6. tomás:

    Gracias lluís. No te había leido con la atención que mereces y realmente me refería a longitudes.
    También gracias a Neo. Ma ha sido muy útil la web recomendada.
    Dos cordiales saludos a repartir.

  7. Joabbl:

    Un universo cuántico mediría una longitud de Planck y pesaría una masa de Planck, vale, pero yo me pregunto : ¿Para quién y en que sistema de referencia? ¿La longitud de Planck es absoluta? Sería la única por lo poco que yo sé. Si un universo cuántico es así debería serlo para alguien “fuera” de él, no para nosotros. En estas cuestiones uno parece perderse irremisiblemente …

    Saludos

  8. JOrge:

    Pregunto como lego absoluto: si el espacio tiempo es discontinuo ¿habrían posibilidades prácticas derivadas de ello? se me ocurre por ejemplo en “abrir pasadizos en el espacio tiempo” para viajar mas rápido que la luz u obtener energía del vacío ¿he leído demasiada ciencia ficción?

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