Los fotones de todas las estrellas
A partir de datos de Fermi reconstruyen la historia de la formación estelar del Universo y la cantidad de fotones que se han emitido por las estrellas desde el origen del Universo.
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El telescopio espacial Fermi observa el cielo en rayos gamma. Lleva observando desde 2008 y está ya acabando su vida útil, pero estos 10 años de datos incluso ya permiten hacer estudios para los que este instrumento no había sido diseñado.
El último estudio en ser publicado, que firma toda la colaboración Fermi, pero que han realizado en su mayor parte Marco Ajello (Clemson University) y sus colaboradores, es algo realmente bonito.
Los rayos gamma portan mucha energía, por lo que sólo pueden ser generados en los eventos más violentos que se dan en el Cosmos, como en los quasars o blazars, que son, básicamente, núcleos activos de galaxias en donde hay un agujero negro supermasivo.
Como todos sabemos, alrededor de un agujero negro supermasivo, sobre todo en los primeros estadios de la formación galáctica, hay un disco de acreción que deja caer materia en él, produciéndose grandes cantidades de energía. Esto hace que se formen dos chorros de partículas y radiación (incluida rayos gamma) en la misma dirección del eje del agujero. Por casualidad, algunos de estos chorros nos apuntan directamente a nosotros, por lo que son visibles incluso aunque estén en los confines del Universo. A este fenómeno se le denomina blazar.
«Estos fotones tienen alta energía, típicamente con miles de millones de veces la energía de la luz visible», dice Ajello. Los fotones gamma que detecta Fermi de estas fuentes tienen una energía del orden del 1 TeV, que es, más o menos, la energía cinética que tiene un mosquito al volar, pero concentrada en sólo un fotón.
Esta energía es tan alta que un fotón de estos que se encuentre con cualquier otro fotón viajando en una dirección arbitraria, por ejemplo el emitido por una estrella, se aniquilará y producirá un par electrón-positrón y dejará de existir como tal. La probabilidad de que algo así ocurra es baja, pero el camino que recorren es tan grande que parte de los fotones gamma emitidos por estos núcleos activos desaparecen si están lejos de nosotros. Los fotones intergalácticos contra los que estos gamma interaccionan fueron emitidos alguna vez por alguna estrella.
Estos núcleos activos se formaron incluso muy al principio de la vida del Universo. Además, distintos núcleos activos están a distintas distancias, lo que significa distintos tiempos. Si tenemos buenos modelos de ellos, se puede calcular cuantos rayos gamma emiten estos objetos simplemente midiendo cuántos nos llegan de objetos de este tipo situados en el universo local, tanto gammas como de otros tipos, básicamente porque no hay pérdidas en este caso.
Por consiguiente, podemos inferir cuántos fotones se han emitido desde que aparecieron las primeras estrellas y cómo ha sido la tasa de formación estelar a lo largo del tiempo desde entonces. Simplemente hay que contar los fotones gamma que se han restado por el tipo de fenómeno antes descrito. Esto es precisamente lo que han hecho en este estudio basándose en datos de Fermi procedentes de 739 blazars.
«Básicamente, tenemos una herramienta, como un libro, que nos cuenta la historia de la luz de las estrellas a lo largo de la historia del Universo y finalmente lo encontramos y lo acabamos de leer», dice Ajello.
Ajello y colaboradores han conseguido reconstruir un 90% la historia del universo en este aspecto de la formación estelar. Según sus resultados, la mayor tasa de formación estelar se dio entre 3000 y 4000 millones de años tras el Big Bang, algo que concuerda con otros estudios independientes.
Conocer esta tasa de formación estelar a lo largo de la vida del Universo constituye un poderosa herramienta para comprender la evolución del mismo.
Pero este nuevo método ha permitido calcular también el número total de fotones que han sido emitidos por todas las estrellas alguna vez. Es lo que se denomina como Fondo de Luz Extragaláctica (o EBL en sus siglas en inglés o «niebla cósmica» informalmente). El número total de fotones de este fondo emitidos desde el principio que han calculado que es de 4 ×1084. Es decir, un 4 seguido de 84 ceros.
Aunque este número es muy grande, el universo también lo es, lo que permite que se pierdan muy pocos fotones al estar básicamente vacío. Pero todos los fotones de este fondo que chocan contra la Tierra es el equivalente a la luz que recibiríamos de una bombilla de 60 w situada a 4 km.
En todo caso, sólo recalcar, que se calculan estos fotones, no porque vengan hacia nosotros y los detectemos, pues viajan en cualquier dirección. Sino que se infieren porque algunos de ellos se aniquilan con fotones gamma que sí vienen hacia nosotros.
El estudio también ilumina el final de la edad oscura del Universo, cuando empezó la época de reionización, unos 500 millones de años tras el Big Bang. Es cuando las primeras estrellas empezaron a funcionar y su luz ionizó el hidrógeno neutro que había a su alrededor.
Este estudio permite explorar los primeros mil millones de años del Universo y saber más sobre una época que los actuales telescopios convencionales no son capaces aún de explorar en detalle.
Han encontrado un número muy grande de fotones ultravioletas, que son los que se espera que haya durante la época de reionización, provenientes de una población de galaxias irregulares. Si esto se confirma, estas galaxias serían las que produjeron la reionización. Se espera que el telescopio James Webb pueda decirnos más sobre este asunto cuando se lance y empiece a operar.
Este mismo equipo de investigadores planea ahora usar esta misma técnica al estudio de otros aspectos cosmológicos, como la tasa de expansión del Universo, lo que permitiría tener otra vía distinta a la habitual para calcular el parámetro de Hubble.
Copyleft: atribuir con enlace a http://neofronteras.com
Fuentes y referencias:
Artículo original.
Ilustración: NASA/JPL-Caltech
5 Comentarios
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miércoles 12 diciembre, 2018 @ 10:20 am
A ver, Neo, que no me aclaro. Cualquiera comprende muy bien lo de la bombilla de 60 W a 4 km de distancia, y eso para toda la Tierra. Como los fotones vienen de todas partes, supongo será para la superficie de toda ella; o sea, a repartir. Pero no consigo hacerme con la comparación del mosquito y el fotón. Porque el W es unidad de potencia y el eV es unidad de energía, que depende de la longitud de onda.
O sea que o todos mis recuerdos de física se han perdido ya o algo no cuadra.
Gracias anticipadas.
miércoles 12 diciembre, 2018 @ 3:08 pm
Estimado Tomás:
La potencia esa es la de los fotones emitidos por las estrellas. Pero cada fotón gamma emitido por uno de estos blazars tiene un energía de 1 TeV, la misma, más o menos, que la energía cinética de un mosquito volando, pero para sólo un fotón.
miércoles 12 diciembre, 2018 @ 5:59 pm
Esto nos lleva a esa curiosa categoría de comparaciones familiares, que comprenden el campo de fútbol como sistema de tallas (el peligroso asteroide son 4 campos de fútbol), se podría incluir el expolio romano o el expolio español o el saqueo británico (la manivela de la FED es equivalente a 3 expolios romanos por segundo, o 1 expolio español a la semana o un saqueo británico a la quincena), en sentido divulgativo son muy útiles porque la comparación es un recurso impagable, pero en otro sentido pueden ser totalmente inútiles porque si una persona pasada por el sistema educativo que es muy manifiestamente mejorable suele ignorar que conducir su coche de cuatro metros y pico a la absurda (por lenta) velocidad de 90 km/h (crucero entre dos semáforos urbanos), es decir 25 m/s exactamente, más de cinco veces la longitud de su vehículo que es considerable, y que si tiene reflejos sobrehumanos tardará toda una longitud de su vehículo (más) en siquera pisar el freno (ni digamos a velocidades civilizadas de caballero español, o de donde sea que da exactamente igual, de crucero interurbano), uno se explica que arrollen a un señor de edad avanzada (en el paso de peatones) y se lo lleven en el techo del carro durante medio kilómetro.
Es lo bueno de la física. Es la misma para fotones y para tanquetas alemanas con motores sobredimensionados y carrocerías de gran inercia, dicen que para ser más seguras. Si vas dentro, supongo. Que por cierto la energía cinética de nuestra carraca alemana viene siendo de unos 3 cuatrillones de eV (~3 YeV). O sea, nuestro nivel de imbecilidad es de 30 billones de mosquitos-Planck por cada carnet que regala la DGT (o el órgano competente del estado-pandereta que se trate).
Y eso por no comparar el coste del telescopio Fermi con algo. Hay infinitud de posibilidades. Con un 1% menos de estupidez habría tal cantidad de Fermis ahí arriba que habría problemas de tráfico. Precisamente donde debería haberlos.
miércoles 12 diciembre, 2018 @ 8:29 pm
Tomás, lo que quieren decir es que:
1 TeV = 1.6E-7 J
Ahora calcula la energía cinética de un mosquito de m = 2 miligramos que vuela a v = 40 cm/s
E = 1/2 m v^2 = 1.6E-7 J
Saludos.
jueves 13 diciembre, 2018 @ 10:27 am
Muchas gracias, Albert. La primera parte la tenía clara, (7 = 19 – 12; por las potencias)pero no había seguido con la energía cinética del mosquito, lo cual me demuestras es sencillo.
Un abrazo.