Sobre bomberos, música y energía oscura

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“En la unidad original de la primera cosa se halla la causa secundaria de todas las cosas, junto con el germen de su aniquilación inevitable. “

Edgar Allan Poe, Eureka

Torpe y veloz, el camión de bomberos no puede detenerse, cada segundo cuenta. Al escuchar la sirena, el instructor de manejo, inquieto, le explica a la joven aprendiz que tiene que estar muy alerta cuando oye la sirena de los bomberos, pues no se sabe si el camión se acerca o se aleja. La joven lo mira fijamente y responde: “yo si que puedo saberlo”. ¡Vaya chica perspicaz!, está lista para usar el poder del conocimiento a su favor. Veamos cómo.

Un onda de sonido es una perturbación que se propaga en un medio material. Si pellizcas la cuerda de una guitarra, el sacudón de la cuerda agitará las moléculas de aire que estén en su vecindad produciendo compresión y relajación de pequeños volúmenes de aire. Esa agitación se propagará por todos los medios que vaya encontrando a su paso hasta llegar a tu cuerpo, a tu oído. En la descripción de las ondas usamos cantidades identificables como la intensidad, frecuencia, velocidad de propagación del sonido en el medio, longitud de onda, entre otras. Un ejemplo que ayuda a visualizar las propiedades de las ondas es la típica piedra lanzada a un estanque de agua, que estaría tranquila de otra manera. Allí puedes ver que el trastorno producido se propaga de manera concéntrica en una deformación de la superficie del agua que tiene crestas y valles. La distancia entre las crestas la llamamos “longitud de onda” y la cantidad que cuenta el número de crestas que llegan al borde del estanque por unidad de tiempo lo denominamos “la frecuencia”.

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Un experimento sublime

No cabe duda que si queremos estudiar el comportamiento del sonido, nada más hermoso que la música. La intensidad del sonido la relacionamos con la potencia (energía por unidad de tiempo) que transmites al tocar, digamos, la cuerda de tu guitarra. El timbre lo da la naturaleza del material del instrumento. La notas son manifestaciones en nuestros oídos de las frecuencias de las ondas. Si la nota es aguda, entonces decimos que la frecuencia es alta, si la nota es grave decimos que la frecuencia es baja. Revisa esta aplicación online con tres diapasones virtuales en las notas “Mi”, “La”, “Do” (E, A, C en notación inglesa), debajo verás las frecuencias asociadas. ¡Tócalas!

Christian Doppler nació y creció en Salzburgo a principios del siglo XIX y por supuesto que la magia de la música no podía dejar de tocarlo. Estudió matemáticas, filosofía y física en la Universidad Técnica de Viena y luego ejerció en el Politécnico de Praga. Doppler tenia la hipótesis que la frecuencia de las ondas de sonido se modificarían de haber velocidad relativa entre la fuente y el receptor, es decir, que uno se esté moviendo con respecto al otro. Para probar su hipótesis, montó una orquesta de músicos en un vagón de tren, les dio una nota para tocar y pidió al conductor alejarse y acercarse a diferentes velocidades. Mientras tanto, otros músicos registraban en un papel la nota que sus oídos captaban (músicos con una facultad que se conoce como oído absoluto, que son capaces de reconocer notas con solo oírlas). Con la data recolectada, Doppler mostró que efectivamente tal correspondencia entre la nota registrada por el oído de los virtuosos y la velocidad del concierto móvil existe. Desde entonces, miles de experimentos se han hecho con diferentes técnicas, cada vez con mayor grado de sofisticación, de modo que hoy en día está muy bien establecido que dicho fenómeno no solo es real, sino que se usa para determinar velocidades, en aviones, coches, bicicletas, etc, y se le conoce como “Efecto Doppler”. Si la fuente de sonido se acerca la frecuencia aumenta, es decir el sonido se escucha más agudo. Si se aleja, el sonido se escuchará más grave.

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En efecto, la joven aprendiz de manejo sabe que puede usar el efecto Doppler al escuchar el sonido de una sirena. Presta atención el camión de bomberos al pasar en este video

Los colores del universo

Los estudios de Christian Doppler no fueron solo sobre este mundo ¿Cómo un físico podía conformarse con comprender fenómenos de mortales?, su ambición era conocer los cielos. En un tratado que escribió en 1842 especuló que el color es una manifestación de la frecuencia de las ondas luminosas, en el ojo del espectador, como lo son las notas al oído. No solo eso, sino que también en este caso, la percepción del “color” cambia si tanto la fuente como el observador están en movimiento relativo. Con esto buscaba caracterizar el movimiento estelar.

Los experimentos con sonido no son muy difíciles, pero ¿qué sucede con los objetos celestes? Es mucho más complicado, ¿cómo sabemos que la luz que vemos de las estrellas es la original o ha cambiado debido a que se mueven respecto a nosotros? Hay varias maneras. Una muy bonita es usando espectroscopia, que es el estudio de la interacción entre la radiación electromagnética y la materia. Ésta interacción produce patrones únicos para cada elemento o compuesto, en muchos casos treméndamente definidos, que llamamos espectros. Cuando los átomos son expuestos a la luz, estos absorben ciertas frecuencias particulares que forman lo que se conoce como espectros de absorción. Veamos por ejemplo, los espectros de absorción del Hidrógeno (H), Neón (Ne), Mercurio (Hg) y Uranio (U).

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No mires los colores, mira las bandas oscuras y los anchos de las bandas, los patrones que se forman como líneas de color seguidas de espacios en negro son huellas digitales de cada uno de estos elementos. Si los espectros se observan corridos a otros colores, podremos decir que la fuente o la estrella que los contiene está en movimiento relativo al observador. En el caso de la luz, el efecto Doppler produce un corrimiento al ultravioleta si la fuente se acerca y hacia el infrarrojo si la fuente se aleja. La espectroscopia en astronomía también sirve para conocer composición, temperatura, velocidad de rotación y otras propiedades de las estrellas; ayuda a descubrir nuevos planetas y en general hacer muchísimos estudios interesantes.

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Para cuando Hubble comenzó sus estudios, en 1923, la comprensión de todos estos fenómenos sobre el comportamiento de la luz, el efecto Doppler y la espectroscopia ya estaba muy avanzada. Sin embargo, en astronomía era aún muy poco lo que se sabia sobre las grandes escalas, lo que llamaríamos la escala cosmológica. Estamos hablando de millones de años luz1, siendo que un año luz es aproximadamente  9.5\times 10^{12} km,  es una buena escala para estudiar el comportamiento de las galaxias, cuyo diámetro promedio es del orden de los miles de años luz. Actualmente se estudia el Universo en el orden de los billones de años luz, escala en la que las galaxias aparecen como puntos en el espacio. Después de recolectar gran cantidad de evidencia de que la Vía Láctea no es la única de ellas sino que el Universo está plagado de sistemas estelares independientes, en 1929, Edwin Hubble anunció que las galaxias parecen estar alejándose unas de las otras. Armados con un telescopio reflector de 2.5 m, con el que pudo observar objetos celestes a millones de años luz, Hubble y su colega Humason midieron la distancia y el corrimiento Doppler al infrarrojo de un buen puñado de galaxias. Un corrimiento que se percibió acentuado para galaxias de brillo muy débil, es decir las que se supone son las más lejanas. En las décadas siguientes, avances tecnológicos en astronomía permitieron confirmar y mejorar estas observaciones y dar cuenta de la grandeza del descubrimiento de Hubble y Humason: el Universo se está expandiendo2. Hubble sentó las bases para los modelos cosmológicos del siglo XX que son compatibles con la propuesta del Big Bang.

Un resultado inesperado

En 2011, Saul Perlmutter, Brian Schmidt y Adam Riess, recibieron el Nobel por su descubrimiento de “la expansión acelerada del universo a través de observaciones de Supernovas distantes“, uno de los hallazgos más importantes de este siglo. Una Supernova es una estrella que ha muerto dramáticamente en una violenta explosión, tan intensa que su brillo puede ser usado para medir distancias muy grandes con mucha precisión. Al estudiar el corrimiento Doppler de estas estrellas también se puede determinar si se acercan o se alejan y cómo lo hacen. Recordemos ahora que mirar lejos es mirar hacia atrás en el tiempo, así que comparando Supernovas a diferentes distancias, se puede conocer cómo se desarrolla la expansión del Universo, si es cada vez más lenta (desacelerada), constante o cada vez más rápida (acelerada). En las supernovas esta escrita la historia del Cosmos.

Los modelos cosmológicos, basados en Relatividad General de Einstein admiten todos estos escenarios. Décadas de data recolectada mostraron que la expansión del Universo es, de hecho, acelerada. Más aún, los resultados de las colaboraciones en las que trabajaron Perlmutter, Schmidt y Riess, muestran un período de desaceleración dentro de los primeros 7 billones de años de historia del Universo y luego aceleración en los próximos 7 billones de años3. ¿Cómo puede ser esto? ¿no debería el universo estar desacelerando debido a la atracción gravitacional? ¿Cómo puede estar acelerando?  Este sorprendente resultado nos indica que el Universo podría estar siendo dominado por una especie de fuerza que lo hace expandirse cada vez más rápido, cuyo origen reside en “algo” desconocido que los cosmólogos han denominado “Energía Oscura”. Si existe, su naturaleza, confío, nos será revelada por la ciencia en el futuro.

  1. Una año luz es la distancia que recorre la luz en un año terrestre []
  2. Este es el artículo original de Hubble: http://www.pnas.org/content/15/3/168 []
  3. Aquí y aquí puedes revisar la charla del Nobel de Perlmutter y el articulo en Physics Today, ambos en inglés []
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