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10 maneras en que un proyecto revela el alma del universo
El Atacama Large Millimeter / submilimeter Array (ALMA), la colección de radiotelescopios más poderosa del mundo, se construye en la meseta de Chajnantor en el norte de Chile. A una altura de 5,000 metros (16,500 pies), es más alto que las capas más gruesas de la atmósfera terrestre.
Estos telescopios nos permiten descifrar longitudes de onda que son más largas que la luz óptica, revelando luz (o colores) que no podemos ver con nuestros propios ojos. Pero ALMA, que significa "alma", es también una máquina del tiempo. Mira al pasado para verificar las teorías científicas de cómo se formó el universo hace más de 13 mil millones de años. También nos impulsa hacia el futuro a medida que buscamos nuevos mundos y la vida extraterrestre que los habita.
Crédito de la foto destacada: C. Ponton / ESO10La Molécula de la Vida
En la nube de gas gigante Sagitario B2, cerca del centro de nuestra galaxia, ALMA ha detectado por primera vez en el espacio interestelar una molécula rica en hidrógeno, que contiene carbono, relacionada con las que necesitamos para la vida en la Tierra. Este descubrimiento significa que las moléculas interestelares como estas pueden haber venido a la Tierra en el pasado lejano para reactivar la vida aquí. También sugiere que la vida extraterrestre basada en el carbono puede existir en otras partes del universo.
Las nubes moleculares como Sagitario B2 son conocidas como "viveros estelares" porque sus áreas compactas de gas y polvo son muy adecuadas para crear estrellas. Hasta ahora, todas las moléculas orgánicas descubiertas en el espacio interestelar consistían en una cadena recta de átomos de carbono. Pero en Sagitario B2, ALMA encontró una nueva molécula, el cianuro de isopropilo, con una estructura de carbono ramificada como la que se encuentra en los aminoácidos. Los aminoácidos son los componentes básicos de las proteínas, que son componentes clave de la vida en la Tierra.
Este descubrimiento sugiere que las moléculas necesarias para la vida tal como la conocemos se crean cuando se forman estrellas, mucho antes de que existan planetas como la Tierra. El cianuro de isopropilo era abundante en Sagitario B2, por lo que las moléculas ramificadas pueden ser comunes en el espacio interestelar. Los astrónomos también esperan encontrar aminoácidos allí.
9Las galaxias que se fusionan
Las fusiones violentas entre galaxias son bastante comunes. Pero sus estrellas y sistemas solares en realidad no chocan. En cambio, estas galaxias se atraviesan como fantasmas porque sus estrellas están demasiado alejadas para tocarlas.
Una fusión desencadena una frenética formación de nuevas estrellas, junto con el caos gravitacional. Durante mucho tiempo se creyó que esto destruyó las estructuras originales de la galaxia, reemplazándolas con una gran galaxia elíptica con forma de fútbol americano. Se suponía que esto sucedería incluso si las dos galaxias originales eran galaxias de disco, como nuestra Vía Láctea, con áreas circulares aplanadas de gas y polvo.
Esa ha sido la sabiduría predominante desde que se realizaron simulaciones por computadora en la década de 1970. Simulaciones más nuevas contradijeron estos resultados, sugiriendo que algunas fusiones de galaxias pueden formar galaxias de disco. Pero los científicos no tenían pruebas de ninguna manera.
Ahora, sin embargo, ALMA y otros radiotelescopios han proporcionado a la pistola humeante 24 galaxias observadas que se han sometido a fusiones para formar galaxias de disco. Eso es el 65 por ciento de las 37 galaxias encuestadas por un grupo de investigación internacional encabezado por Junko Ueda de la Sociedad de Japón para la Promoción de la Ciencia.
Como dijo Ueda, “Sabemos que la mayoría de las galaxias en el universo más distante también tienen discos. Nosotros, sin embargo, aún no sabemos si las fusiones de galaxias también son responsables de ellas, o si están formadas por el gas frío que cae gradualmente en la galaxia. Tal vez hemos encontrado un mecanismo general que se aplica a lo largo de la historia del universo ".
8Las órbitas excéntricas e inclinadas de exoplanetas
Algunos exoplanetas, que son planetas fuera de nuestro sistema solar, orbitan sus estrellas en una forma muy alargada u ovalada (una órbita "excéntrica") o en un ángulo muy inclinado desde el ecuador de su estrella (una órbita "inclinada"). Para descubrir por qué sucede esto en los sistemas binarios, en los que dos estrellas se orbitan entre sí, los científicos utilizaron ALMA para observar HK Tauri, un joven sistema binario en la constelación de Tauro.
Para entender lo que hace ALMA, es útil saber cómo se hacen las estrellas y los planetas. Cuando una nube de gas interestelar se colapsa sobre sí misma por la fuerza de su propia gravedad, se arremolina más y más rápido hasta que se aplana en un disco. En el centro de ese disco, una protoestrella se forma como un embrión en una matriz. Cuando la temperatura central de la protoestrella llega a ser lo suficientemente alta como para provocar reacciones nucleares, nace una nueva estrella. Alrededor del 90 por ciento de las veces, el gas y el polvo que queda del nacimiento de la estrella gira alrededor de la nueva estrella en un disco protoplanetario. El material en este disco puede eventualmente formar planetas, lunas y otros objetos.
En un sistema binario, si las dos estrellas y sus discos protoplanetarios no orbitan en el mismo plano (lo que significa que están "desalineados"), se pueden formar nuevos planetas con órbitas muy excéntricas o inclinadas. Una teoría, el mecanismo de Kozai, dice que la fuerza de gravedad de una segunda estrella le da a los planetas de la primera estrella estas extrañas órbitas.
ALMA confirmó esta teoría con HK Tauri. La estrella tenue, HK Tauri B, tiene un disco protoplanetario que bloquea el brillo de la luz de la estrella, lo que hace que el disco sea fácil de ver en la luz visible. Pero el disco protoplanetario de HK Tauri A está inclinado de modo que la luz cegadora de su estrella hace que este disco sea imposible de ver en la luz visible. ALMA detectó ambos discos fácilmente en luz de longitud de onda milimétrica, lo que revela que están desalineados entre sí al menos 60 grados. Al menos un disco no está en el mismo plano que las órbitas de las dos estrellas.
Si bien esto no explica cada órbita de exoplanetas extraños en el universo, sí muestra que las condiciones para sesgar la órbita de un exoplaneta pueden estar presentes cuando ese planeta se forma en un sistema binario.
7Las líneas de vida que forman el planeta
En un sistema de estrellas múltiples conocido como GG Tau-A en la constelación de Tauro, ALMA ha detectado gas y polvo en una corriente. La corriente fluye desde un inmenso disco externo que rodea todo el sistema estelar a un disco interno más pequeño que rodea solo la estrella central principal. Parece una rueda dentro de una rueda.
Los científicos habían sido conscientes de ese disco interno antes de ALMA, pero no pudieron explicar cómo sobrevivió el disco interno. Su material estaba siendo agotado por su estrella central tan rápidamente que el disco debería haberse desvanecido hace mucho tiempo. Luego, ALMA detectó este fenómeno nunca antes visto: los grupos de gas en el área entre los dos discos que actúan como un salvavidas transfiriendo material desde el disco externo para alimentar el disco interno. Por lo tanto, el disco interno puede sobrevivir mucho más tiempo, lo que le da una mayor posibilidad de desarrollar planetas que orbitan alrededor de la estrella central.
Si otros sistemas estelares múltiples tienen estas estructuras vitales para alimentar discos protoplanetarios, tendremos más lugares para cazar exoplanetas y vida extraterrestre en el futuro.
6La Nebulosa Boomerang
A 5.000 años luz de distancia de la Tierra, la Nebulosa Boomerang en la constelación de Centauro gana el premio al objeto más frío conocido en el universo. Su temperatura es de solo 1 Kelvin, lo que equivale a -272 grados Celsius (-458 ° F). Eso es aún más frío que el fondo cósmico de microondas, que, a 2.8 Kelvin, es la temperatura natural de fondo del espacio.
Los científicos examinaron las propiedades frígidas de la Nebulosa Boomerang utilizando ALMA. En el proceso, también descubrieron la forma real de la nebulosa. Anteriormente, los telescopios ópticos representaban la nebulosa en luz visible como una pajarita con dos bumeranes superpuestos. Pero ALMA pudo visualizar longitudes de onda de luz que antes estaban ocultas por una gruesa banda de polvo que rodeaba a la estrella dentro de la nebulosa. Resultó que la nebulosa tiene una forma mucho más amplia, que se está expandiendo rápidamente.
Los astrónomos también descubrieron por qué la Nebulosa Boomerang es tan fría. Su estrella central está muriendo. Esto crea un flujo rápido de gas desde la estrella que simultáneamente se expande y enfría la nebulosa, al igual que el gas en expansión enfría un refrigerador. A medida que la expansión del gas disminuye, la capa exterior de la nebulosa se calienta. "Esto es importante para comprender cómo mueren las estrellas y cómo se convierten en nebulosas planetarias", dice Raghvendra Sahai, del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA. "Al usar ALMA, pudimos arrojar nueva luz en forma literal y figurativa sobre la agonía de una estrella parecida al Sol".
5El espacio Blob
Este hallazgo de ALMA es emocionante por lo que los telescopios no ver. Pero empecemos con lo que vieron nuestros telescopios.
En 2009, los astrónomos descubrieron una brillante burbuja de gas caliente que se extendió por más de 55,000 años luz. Lo llamaron "Himiko", después de una reina legendaria de Japón. A casi 13 mil millones de años luz de la Tierra, y dado el tiempo que tarda la luz en recorrer esa distancia, los científicos vieron a Himiko en un momento en que el universo tenía solo el 6 por ciento de su tamaño actual. Parecía demasiado grande y poderoso para su época.
Al usar el Telescopio Espacial Hubble y ALMA, los astrónomos pudieron resolver algunos de los rompecabezas. El Hubble reveló que Himiko se compone de tres grupos estelares, cada uno de los cuales es el tamaño habitual de una galaxia luminosa desde ese momento. Estos tres grupos forman estrellas a una velocidad asombrosa de aproximadamente 100 masas solares cada año. Como explica Richard Ellis del Instituto de Tecnología de California, "Este sistema triple extremadamente raro, visto cuando el universo tenía solo 800 millones de años, proporciona información importante sobre las etapas más tempranas de la formación de galaxias durante un período conocido como" Amanecer Cósmico ", cuando el El universo se bañó primero a la luz de las estrellas. Aún más interesante, estas galaxias parecen prepararse para fundirse en una sola galaxia masiva, que eventualmente podría evolucionar en algo similar a la Vía Láctea ".
Pero aquí está lo que dejó a los astrónomos rascándose la cabeza. Un área con tal formación estelar activa debería crear nubes de polvo de elementos pesados como carbono, oxígeno y silicio. Cuando se calientan con la luz de las estrellas, estos elementos producen longitudes de onda de radio que ALMA puede captar. Pero ALMA no detectó ninguna onda de radio significativa. Tampoco detectó carbono gaseoso, que también está asociado con la formación de estrellas furiosas.
En cambio, los astrónomos creen que el gas interestelar de Himiko está hecho de hidrógeno y helio. Esto probablemente significa que estamos viendo una galaxia primordial, ya que se está formando poco después del Big Bang.
4La fábrica de polvo de supernova
Sin polvo, ninguno de nosotros existiría. El polvo es crítico para la formación de estrellas y planetas. Sabemos que el universo está lleno de eso, pero los científicos no estaban seguros de cómo se formó el polvo en el universo primitivo.
Hoy en día, la mayoría del polvo en el universo proviene de estrellas de todos los tamaños a medida que mueren. Pero en el universo temprano, solo las estrellas masivas se habían convertido en supernovas. Eso representó algo de polvo, pero aparentemente no lo suficiente para las grandes cantidades observadas en galaxias jóvenes y distantes. Luego, los astrónomos examinaron los restos de Supernova 1987A con ALMA, y encontraron la respuesta al polvo inicial que faltaba.
Como su nombre lo indica, SN 1987A explotó en 1987 a unos 168,000 años luz de la Tierra. Los científicos esperaban ver grandes cantidades de polvo en forma de átomos de carbono, oxígeno y silicio unidos a moléculas en el centro del gas de refrigeración de la explosión. Con los telescopios de esa época, solo vieron una pequeña cantidad de polvo caliente. Pero cuando usaron ALMA, detectaron una nube de polvo con una masa igual al 25 por ciento de nuestro sol.Con la capacidad de ALMA de revelar las longitudes de onda milimétricas y submilimétricas en las que el polvo frío (mucho más abundante) brilla intensamente, se resolvió el misterio.
"Las galaxias realmente tempranas son increíblemente polvorientas, y este polvo juega un papel importante en la evolución de las galaxias", dice Mikako Matsuuro de University College London. “Hoy en día, sabemos que el polvo se puede crear de varias maneras, pero en el universo primitivo, la mayor parte debe provenir de supernovas. Finalmente tenemos evidencia directa para apoyar esa teoría ".
3La estrella de la muerte de Orión
Hay asesinos de planetas acechando en la guardería estelar abarrotada de la Nebulosa de Orión.
Como explicamos anteriormente, las grandes nubes moleculares de gas y polvo, como la nebulosa, brindan un excelente ambiente para crear estrellas y, finalmente, planetas. Pero también hay estrellas de tipo O más antiguas en la Nebulosa de Orión que son mucho más masivas que nuestro sol y tienen temperaturas de superficie de 50,000 Kelvin o más. Estas estrellas O ejercen el poder de la vida y la muerte sobre los sistemas planetarios en desarrollo en su región. Cuando estas O-estrellas masivas y de corta duración se convierten en supernova, los científicos creen que las explosiones resultantes crean nubes de gas y polvo que formarán la próxima ronda de estrellas y planetas. Pero mientras estas estrellas-O viven, pueden destruir discos protoplanetarios si esos sistemas solares embrionarios se acercan demasiado.
Con la capacidad de ALMA de ver objetos ocultos por el polvo, los astrónomos pueden visualizar el doble de la cantidad de discos protoplanetarios conocidos en la Nebulosa de Orión. Los datos muestran que si las estrellas jóvenes llegan a una décima parte de un año luz de una estrella O, la intensa radiación ultravioleta eliminará el disco protoplanetario de la estrella antes de que se formen los planetas. Esta radiación electromagnética extrema a menudo empuja a las jóvenes estrellas afectadas a la forma de lágrimas.
2El telescopio del horizonte de eventos
A mediados de 2014, los científicos instalaron un reloj atómico extremadamente preciso en el Sitio de Operaciones de Array de ALMA para sincronizar ALMA con una red global de radiotelescopios. Esto fue parte de un proceso para formar un instrumento del tamaño de la Tierra llamado Event Horizon Telescope (EHT). "Al unir las antenas de radio de longitud de onda milimétricas y submilimétricas más avanzadas en todo el mundo, el Telescopio Event Horizon crea un instrumento fundamentalmente nuevo con el mayor poder de aumento jamás alcanzado", dijo Shep Doeleman del Observatorio Haystack del MIT. "Anclado por ALMA, el EHT abrirá una nueva ventana a la investigación del agujero negro y enfocará uno de los únicos lugares en el universo donde las teorías de Einstein pueden romperse: en el horizonte de eventos".
El horizonte de eventos es un límite teórico que rodea un agujero negro que representa el punto de no retorno, donde nada, ni siquiera la luz, puede escapar de la atracción gravitacional del agujero. Los científicos quieren usar el EHT para ver si realmente existe un horizonte de eventos en el agujero negro supermasivo en el centro de nuestra galaxia Vía Láctea. Se cree que este agujero negro, Sagitario A *, empaqueta la masa de aproximadamente cuatro millones de soles en un área increíblemente pequeña.
Para probar aún más la teoría general de la relatividad de Einstein, la EHT también escaneará Sagitario A * en busca de una sombra, que es un área oscura donde el agujero negro ha tragado la luz. Con la forma y el tamaño de su sombra determinados por el giro y la masa de Sagittarius A *, los datos del EHT podrían revelar cómo el espacio y el tiempo se deforman en este entorno.
Los astrónomos también quieren observar la colisión de Sagittarius A * con G2, una enorme nube de gas y polvo, para ver cómo afecta al agujero negro y nuestra galaxia. Esta colisión durará más de un año.
1El nacimiento de un sistema solar
A principios de noviembre de 2014, ALMA nos dio la primera vista detallada de los planetas que se forman en un disco protoplanetario alrededor de una joven estrella similar al Sol. La estrella era HL Tau, en la constelación de Tauro, a unos 450 años luz de la Tierra. Esta imagen asombrosamente clara muestra el nacimiento de un nuevo sistema solar y también brinda una ventana a nuestro pasado al revelar cómo nuestro propio sistema solar puede haberse formado hace más de cuatro mil millones de años.
En luz visible, HL Tau está escondido detrás de una nube gigante de gas y polvo. Pero, una vez más, ALMA pudo escanear en longitudes de onda mucho más largas para ver a través del polvo hasta el núcleo de la nube, donde se desarrollaba la actividad de creación de planetas. La nueva imagen de ALMA confirmó un poco de teoría científica sobre la formación de planetas.
ALMA también dio a los astrónomos al menos una gran sorpresa. Se suponía que HL Tau era demasiado joven para que grandes cuerpos planetarios lo rodearan. Pero ALMA muestra claramente anillos concéntricos cortando el disco protoplanetario de HL Tau. Cuando los planetas aumentan de tamaño, crean estos anillos concéntricos, separados por huecos en los que los planetas están orbitando a su estrella joven y expulsando escombros del disco.
Al menos ocho planetas parecen estar formándose, uno para cada anillo concéntrico. La científica Catherine Vlahakis de ALMA resumió muy bien el punto de vista prevaleciente: "Esta única imagen revolucionará las teorías de la formación de los planetas".