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Divulgar es tener conciencia de una altísima misión: poner al alcance de la mayoría el patrimonio científico de la minoría. Manuel Calvo Hernando Another Day in the Lab

4/9/20 - DJ:

Nueva detección de ondas gravitacionales y un malentendido

T.E.L: 6 min.

El caso de GW190521 y el problema de narrar el tiempo y el espacio.


La Agencia Sinc publicó un artículo sobre la noticia, cuyo primer párrafo sintetiza los datos más importantes:

Hace siete mil millones de años, a una distancia de 17.000 millones de años luz, dos agujeros negros, de 66 y 85 masas solares, se fusionaron dando lugar a un nuevo agujero negro masivo, de alrededor de 142 masas solares. Tanto los dos agujeros progenitores como el resultante de la fusión se sitúan en un rango de masas superior al que se había observado hasta la fecha, y el resultante es el agujero negro más masivo jamás detectado con ondas gravitacionales. 

Los detalles se pueden leer en aquel artículo. En cambio, quisiera dedicarme al malentendido que parece existir entre los navegantes de la web, tanto en Argentina como en otras partes del mundo. Muchos comentaristas de los artículos publicados no logran entender cómo es posible que el evento haya ocurrido en tiempo y distancia como los indicados en el párrafo anterior.

Para muestra, indico un caso que creo que es el más interesante:
En el artículo publicado en el NYTimes, un comentarista dice (traducción mía):
"Hay algo que no entiendo acá. El evento ocurrió hace 7 mil millones de años en un lugar que está a 17 mil millones de años de distancia ahora. ¿Cómo podemos saber eso? ¿No es que la información generada hace 7 mil millones de años desde 17 mil millones de años luz de distancia debe estar todavía a 10 mil millones de años de alcanzar la Tierra?

¿O es que ese evento ocurrió hace 7 mil millones de años cuando los agujeros negros estaban a 7 mil millones de años luz de distancia y en los siguientes 7 mil millones de años el lugar del evento se movió 10 mil millones de años luz más lejos, eso es, más rápido que la luz?

El escritor necesita hacer un mejor trabajo en explicar esos números y cómo se relacionan."

 Creo que el comentario sintetiza el problema de comunicación y, curiosamente, la respuesta está en la pregunta.

Efectivamente, el evento ocurrió hace 7 mil millones de años, cuando los objetos estaban a 7 mil millones de años luz de distancia. Desde que se emitió la radiación (y las ondas gravitacionales) pasaron 7 mil millones de años. Durante ese tiempo, la luz estuvo viajando hacia nosotros. Y durante ese tiempo de viaje, el universo siguió expandiéndose. Por ende, la longitud de onda de esa radiación se fue "estirando". Al aumentar la distancia entre los picos de una onda, su longitud es mayor. Es decir que la radiación se fue "corriendo al rojo" del espectro como consecuencia de la expansión del universo. Y como consecuencia de esa misma expansión, la fuente de radiación se fue alejando cada vez más desde su lugar de origen.

Los astrónomos pueden medir ese "corrimiento al rojo cosmológico", al que llaman simplemente "z". Si vamos al artículo científico, veremos que el valor de z en este caso es 0.82.

Ahora usemos la Calculadora Cosmólogica de Ned Wright y en el campo z ponemos ese valor. Resultado:


Destaco estos valores:
The light travel time was 7.011 Gyr.
The angular size distance DA is 1582.0 Mpc or 5.1598 Gly.
The luminosity distance DL is 5240.1 Mpc or 17.091 Gly.

El tiempo de viaje de la luz fue de 7 mil millones de años.
La distancia del tamaño angular (DA) es de 5 mil millones de añoz luz.
La distancia de luminosidad (DL) es de 17 mil millones de años luz.
(Recordemos que en inglés el punto es lo mismo que la coma para nosotros. Gly significa "miles de millones de años luz")

¿Cómo se entiende? ¿Cómo se calcula?
El valor de z (en este caso .82) se mide. Y a partir de ese valor se puede calcular la DL (distancia de luminosidad) con la fórmula
(1+z)^2*DA
Es decir: 1 (que es un factor de escala) más el valor de z, elevado al cuadrado, multiplicado por la distancia de tamaño angular.
(1+0.82)²*5,1598
=3,31*5,1598=17,09.

La explicación es simple: Efectivamente, como dice el comentarista incrédulo, desde que ocurrió el evento, la fuente de radiación se siguió alejando y lo hizo...más rápido que la velocidad de la luz. Es que no se trata del movimiento propio de los objetos, sino de la expansión del universo. El impedimento de viajar más rápido es para la luz, así como para cualquier cosa que posea masa (que ni siquiera puede llegar a esa velocidad c). Pero el propio espacio-tiempo está exceptuado, lo que implica dos cosas:
-El espacio-tiempo no está hecho de materia que tenga masa (por ejemplo cuerdas)
-Los astrónomos no tienen la menor idea de qué está hecho el espacio-tiempo

La Ley de Hubble impone que, a grandes distancias, los objetos (galaxias por ejemplo) se alejen más rápido que c. La Constante de Hubble, medida con un valor promedio de 70 km/s implica que una galaxia que se encuentre a 1 mpc, megaparsec (3,26 millones de años luz) se aleja a 70 km/s. Otra galaxia a 2 mpc, se aleja a 140 km/s. Y así sucesivamente. Si hacemos una tabla, con una columna de distancia (en mpc) y otra de velocidad (en km/s) veremos que en la columna velocidad llegaremos en algún momento a la velocidad de la luz y luego la superaremos. Eso ocurre cuando el valor de mpc es equivalente a 14 mil millones de años luz.



El diámetro del universo es mayor a 90 mil millones de años luz, aclaración pertinente porque otros comentaristas indican que "nada" puede existir más allá de 14 mil millones de años luz, confundiendo edad del universo con tamaño. Lo que se detecta ahora cuando la fuente estaba a 14 mil millones de años luz, ya no se encuentra a esa distancia, sino a una mucho mayor. Las galaxias ubicadas por encima de tal distancia se alejan a velocidades mayores a c. ¿Eso implica que no las veremos nunca? Dado que la velocidad de la luz emitida será c y la expansión será mayor a c, podríamos decir que la luz de ese objeto no llegaría nunca a nosotros. Sin embargo, el universo se expande también para nosotros, por lo que el "horizonte cosmológico" se hace más grande y, en algún momento tal horizonte incluirá a los objetos que hoy no podemos ver, pero no incluirá otros más distantes.

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Trivia para intrépidos
Sea una galaxia A ubicada a 14 mil millones de años luz de la Vía Láctea, y una galaxia B ubicada a 14,2 mil millones de años luz de la Tierra. Si por lo dicho arriba, ambas se alejan de nosotros a una velocidad mayor a c, ¿también se alejan entre sí a esa velocidad?
Ahora demos vuelta el enunciado. Digamos que nosotros estamos en una galaxia a 14 mil millones de años luz de la Vía Láctea y medimos la velocidad a la que se aleja aquella galaxia espiral que contiene al Sistema Solar. ¿qué velocidad mediremos?
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La DL también se calcula de otra forma. Se puede usar la DL para saber cuán lejos estamos de una lamparita de 100W si la percibimos con cierto brillo aparente (dado que hay una relación entre brillo y distancia). Ese cálculo es común en cursos de iniciación a la astronomía para fuentes fijas o estacionarias o en expansión a distancias "cortas". Pero para grandes distancias, empieza a tallar la cosmología. Este tipo de cálculo de la DL permite establecer las "candelas estándar" como las supernovas.

Por ende, el valor de z indica cuánto se estuvo expandiendo el universo desde que se emitió la radiación hasta que se la detectó, por su corrimiento al rojo, y como consecuencia, se puede usar para saber a qué distancia está el objeto AHORA.

El valor z y el periodismo científico
Para finalizar: en su sitio, Ned Wright dice irónicamente que a los periodistas les enseñan las 5 W (qué, quién, cómo, cuándo, dónde, en inglés), pero no la z. 


Es que según el astrofísico, los periodistas de ciencia deberían usar el valor de z, en vez de indicar qué edad tenía el universo cuando se emitió la radiación o a qué distancia están los objetos (comóviles) ahora o a qué distancia estaban cuando se emitió la radiación. Es que todos esos cálculos dependen de ciertas variables como la geometría del universo y la constante de Hubble. En cambio, los astrónomos usan directamente el valor z del corrimiento al rojo cosmológico que no se calcula, sino que se mide.

En este gráfico vemos el problema de las distancias en cosmología:

En eje horizontal tenemos la distancia y en el vertical, el tiempo. 
En el horizontal, abajo, tenemos dos galaxias, una que seríamos nosotros y otra que emite radiación. En la vertical, eso ocurre en temit, en el tiempo que se emiten los fotones. La distancia entre la posición de nuestra galaxia EN ESE MOMENTO y la galaxia emisora es la distancia de emisión.
Desde que se emite la radiación, viaja y tarda en llegarnos un tiempo después (arriba tnow), mientras tanto la galaxia emisora se fue alejando. Así, en la parte superior tenemos la distancia actual, entre las actuales posiciones de ambas galaxias comóviles. Nótese que el gráfico de la radiación emitida es azul y la radiación que arriba posteriormente a nosotros es roja y más larga. Ese alargamiento de la longitud de onda de la radiación está dada por la expansión del universo que es también la causa del alejamiento de la galaxia emisora respecto a nosotros. 
Por ende, conocer el valor z permite conocer la distancia a la galaxia emisora en el momento actual, aunque no podamos ver dónde está ahora.

En definitiva: se detectó ahora la radiación (y ondas gravitacionales) de una fusión de agujeros negros que ocurrió hace 7 mil millones de años. La fuente de esa emisión está ahora a 17 mil millones de años luz de distancia.☉

Fuentes y enlaces relacionados
La fusión de dos agujeros negros en otro supermasivo desconcierta a la comunidad astrofísica

These Black Holes Shouldn’t Exist, but There They Are

Ned Wright Cosmology calculator

Sobre las imágenes
Una imagen que simula la fusión de agujeros negros GW190521. Créditos...N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno/Max Planck Institute for Gravitational Physics; Simulating eXtreme Spacetimes Collaboration.

Gráfico distancias cosmológicas
Prof. Dr. Guinevere Kauffmann

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