Elementos en las estrellas
Prismas y rejillas dispersan la luz en sus colores característicos. La luz dispersada se llama espectro. Los científicos han calentado muestras de todos los diferentes elementos hasta que se convirtieron en gases o plasmas y emitieron luz. Cada elemento tiene un espectro que consta de líneas brillantes de colores y espacios oscuros. La luz de cada línea brillante tiene una rápidez específica de vibración o frecuencia que es característica del elemento. Los astrónomos han comparado los espectros de los elementos calentados en el laboratorio con los espectros de la luz solar, la luz de las estrellas y la luz de galaxias distantes. La luz de fuentes distantes generalmente tiene los espectros de varios elementos mezclados. La intensidad de las líneas de los diferentes elementos varía con su abundancia relativa en las fuentes distantes. Con mucho trabajo paciente, los astrónomos han identificado los elementos y medido su abundancia en estrellas distantes. Los mismos elementos que se encuentran en la Tierra se encuentran en todo el universo. Esto muestra la unidad del universo. Un solo proceso produjo todo el universo, incluida la Tierra.
Todos los núcleos del elemento tecnecio son radiactivos, pero algunas estrellas tienen cantidades medibles de él. La mitad de los núcleos más estables de tecnecio se desintegran en poco más de dos millones de años. Su presencia en algunos tipos de estrellas muestra que pueden producir nuevo tecnecio a través de procesos naturales.
Radiación natural del espacio
Victor Franz Hess (físico austríaco-estadounidense, 1883–1964) descubrió entre 1911 y 1912 que la radiación natural, lo suficientemente energética como para incluir rayos gamma, baña la Tierra. Ahora nos referimos a esta radiación como "rayos cósmicos". El término se refiere a la mezcla de rayos gamma y partículas de movimiento rápido que golpean continuamente la atmósfera de la Tierra. Algunas de las partículas provienen del Sol o de otras estrellas. Otros son fragmentos de átomos que se interpusieron en el camino de los rayos gamma y se rompieron. Algunos de los rayos son demasiado energéticos como para haber provenido de estrellas cercanas.
Hubo un largo debate sobre la fuente de los rayos gamma más energéticos. Aproximadamente una vez cada mes, una pequeña región del cielo emite un estallido de rayos gamma. La energía de la nueva fuente se desvanece rápidamente. Algunos astrónomos pensaron que estas fuentes de estallidos debían estar muy lejos, porque la luz de ellos es extremadamente enrojecida como la luz de las galaxias más distantes. Pero si las fuentes de explosión están lejos, mientras se encienden, deben producir brevemente más energía que una galaxia entera. Esto llevó a otros astrónomos a pensar que las fuentes del estallido son objetos expulsados a gran velocidad desde nuestra propia galaxia. Si están cerca de nuestra propia galaxia, no necesitan producir cantidades tan grandes de energía para lograr el brillo que vemos desde la Tierra. Aún así, no había una buena explicación de qué los dispara tan rápido. El debate continuó hasta que nuevos datos lo resolvieron[i] en 1997. Ahora sabemos que las fuentes de explosión están muy lejos y producen enormes cantidades de energía. Son verdaderamente cósmicos, no locales.
[i] Schwarzschild, Bertram, "High-Redshift Absorption Lines Show Convincingly that Gamma-Ray Bursters Are Very Far Away [Las líneas de absorción de alto corrimiento al rojo muestran de manera convincente que los estallidos de rayos gamma están muy lejos]", Physics Today, 50 (Número 7, julio de 1997), págs. 17–18.
Los rayos gamma más energéticos llegan a la Tierra desde las partes más lejanas y antiguas del universo. Debido a que han viajado tan lejos a la alta pero limitada velocidad de la luz, estos rayos gamma son las cosas más antiguas del universo. Al mismo tiempo, debemos concluir que no son infinitamente antiguos. Si las estrellas no fueran creadas y fueran infinitamente viejas, entonces todas las que pudieran estallar y emitir ráfagas de rayos gamma lo habrían hecho mucho antes de nuestro tiempo.
Las estrellas consumen su combustible
El hecho de que las estrellas sigan brillando muestra que no son infinitamente antiguas. Todas las estrellas, incluido el Sol, queman combustible. Su suministro de combustible debe ser limitado. Si son infinitamente antiguos, es difícil explicar por qué siguen brillando. ¿Es posible renovar el combustible de las estrellas y fabricar nuevos materiales radiactivos?
Los argumentos anteriores son válidos, pero algunas personas han tratado de sortearlos con una variedad de esquemas complicados. La mayoría de ellos buscaba un suministro continuo o renovable de combustible para que el universo pudiera ser no creado, sin principio ni fin. Francamente, esta es una preferencia filosófica, sin ninguna base científica. Para decidir científicamente primero tenemos que entender la cosmología.
Cosmología y Relatividad
En 1915, Einstein había generalizado su teoría de la relatividad y había fundado la ciencia de la cosmología. La relatividad general es en realidad un conjunto de ecuaciones diferenciales complicadas. Hay muchas soluciones porque uno puede elegir varios parámetros en las ecuaciones y también postular lo que se llama condiciones iniciales y de contorno.
En la actualidad no podemos observar ni el comienzo ni el borde del universo (si es que tiene un borde). Por lo tanto, la elección de las condiciones iniciales y de contorno es arbitraria. Los matemáticos comienzan con las condiciones iniciales y de contorno que les parecen buenas, resuelven las ecuaciones y luego ven si el modelo resultante del universo se parece en algo al universo actual. Sería más lógico escribir las condiciones actuales en el universo actual y luego resolver las ecuaciones de la relatividad general hacia atrás hasta conocer las condiciones al principio. Sin embargo, este procedimiento es mucho más difícil que resolver las ecuaciones en la dirección de avance.
Los valores de los parámetros y las condiciones elegidas pueden hacer que las ecuaciones sean fáciles, difíciles o imposibles de resolver. Naturalmente, Einstein y otros físicos y matemáticos encontraron primero la mayoría de las soluciones fáciles.
No hay nada de malo en resolver primero los casos fáciles. Al hacerlo, podemos aprender algo que hará que resolver los casos más difíciles sea más fácil o al menos posible. Los parámetros y condiciones que facilitan la solución no necesariamente se corresponden con la realidad. El problema de resolver solo los casos fáciles es la tentación de saltar a conclusiones filosóficas que no se corresponden con la realidad antes de hacer el trabajo duro necesario para resolver un caso realista. Incluso los grandes científicos no son inmunes a esta tentación, como veremos.
Willem de Sitter (astrónomo holandés, 1872–1934) encontró la primera solución no estática en 1917. En su solución, el universo consiste únicamente en espacio y tiempo vacíos. La solución es interesante para los matemáticos, pero no se corresponde con la realidad. La solución describe un universo con densidad de materia cero. Los objetos materiales (incluidos nosotros) existen en nuestro universo. Uno puede resolver las ecuaciones de un universo vacío, pero tal universo no podría tener seres vivos y racionales para encontrar la solución.
En 1922, Alexander Friedmann (matemático ruso, 1888-1925) encontró una solución que depende directamente de la densidad de materia y energía del universo. El suyo era el modelo aceptado hasta hace poco, cuando los astrónomos descubrieron que la expansión del universo se está acelerando. Ahora, muchos físicos y matemáticos están trabajando para extender y modificar su solución, o para encontrar otra solución que incluya una expansión acelerada.
Prismas y rejillas dispersan la luz en sus colores característicos. La luz dispersada se llama espectro. Los científicos han calentado muestras de todos los diferentes elementos hasta que se convirtieron en gases o plasmas y emitieron luz. Cada elemento tiene un espectro que consta de líneas brillantes de colores y espacios oscuros. La luz de cada línea brillante tiene una rápidez específica de vibración o frecuencia que es característica del elemento. Los astrónomos han comparado los espectros de los elementos calentados en el laboratorio con los espectros de la luz solar, la luz de las estrellas y la luz de galaxias distantes. La luz de fuentes distantes generalmente tiene los espectros de varios elementos mezclados. La intensidad de las líneas de los diferentes elementos varía con su abundancia relativa en las fuentes distantes. Con mucho trabajo paciente, los astrónomos han identificado los elementos y medido su abundancia en estrellas distantes. Los mismos elementos que se encuentran en la Tierra se encuentran en todo el universo. Esto muestra la unidad del universo. Un solo proceso produjo todo el universo, incluida la Tierra.
Todos los núcleos del elemento tecnecio son radiactivos, pero algunas estrellas tienen cantidades medibles de él. La mitad de los núcleos más estables de tecnecio se desintegran en poco más de dos millones de años. Su presencia en algunos tipos de estrellas muestra que pueden producir nuevo tecnecio a través de procesos naturales.
Radiación natural del espacio
Victor Franz Hess (físico austríaco-estadounidense, 1883–1964) descubrió entre 1911 y 1912 que la radiación natural, lo suficientemente energética como para incluir rayos gamma, baña la Tierra. Ahora nos referimos a esta radiación como "rayos cósmicos". El término se refiere a la mezcla de rayos gamma y partículas de movimiento rápido que golpean continuamente la atmósfera de la Tierra. Algunas de las partículas provienen del Sol o de otras estrellas. Otros son fragmentos de átomos que se interpusieron en el camino de los rayos gamma y se rompieron. Algunos de los rayos son demasiado energéticos como para haber provenido de estrellas cercanas.
Hubo un largo debate sobre la fuente de los rayos gamma más energéticos. Aproximadamente una vez cada mes, una pequeña región del cielo emite un estallido de rayos gamma. La energía de la nueva fuente se desvanece rápidamente. Algunos astrónomos pensaron que estas fuentes de estallidos debían estar muy lejos, porque la luz de ellos es extremadamente enrojecida como la luz de las galaxias más distantes. Pero si las fuentes de explosión están lejos, mientras se encienden, deben producir brevemente más energía que una galaxia entera. Esto llevó a otros astrónomos a pensar que las fuentes del estallido son objetos expulsados a gran velocidad desde nuestra propia galaxia. Si están cerca de nuestra propia galaxia, no necesitan producir cantidades tan grandes de energía para lograr el brillo que vemos desde la Tierra. Aún así, no había una buena explicación de qué los dispara tan rápido. El debate continuó hasta que nuevos datos lo resolvieron[i] en 1997. Ahora sabemos que las fuentes de explosión están muy lejos y producen enormes cantidades de energía. Son verdaderamente cósmicos, no locales.
[i] Schwarzschild, Bertram, "High-Redshift Absorption Lines Show Convincingly that Gamma-Ray Bursters Are Very Far Away [Las líneas de absorción de alto corrimiento al rojo muestran de manera convincente que los estallidos de rayos gamma están muy lejos]", Physics Today, 50 (Número 7, julio de 1997), págs. 17–18.
Los rayos gamma más energéticos llegan a la Tierra desde las partes más lejanas y antiguas del universo. Debido a que han viajado tan lejos a la alta pero limitada velocidad de la luz, estos rayos gamma son las cosas más antiguas del universo. Al mismo tiempo, debemos concluir que no son infinitamente antiguos. Si las estrellas no fueran creadas y fueran infinitamente viejas, entonces todas las que pudieran estallar y emitir ráfagas de rayos gamma lo habrían hecho mucho antes de nuestro tiempo.
Las estrellas consumen su combustible
El hecho de que las estrellas sigan brillando muestra que no son infinitamente antiguas. Todas las estrellas, incluido el Sol, queman combustible. Su suministro de combustible debe ser limitado. Si son infinitamente antiguos, es difícil explicar por qué siguen brillando. ¿Es posible renovar el combustible de las estrellas y fabricar nuevos materiales radiactivos?
Los argumentos anteriores son válidos, pero algunas personas han tratado de sortearlos con una variedad de esquemas complicados. La mayoría de ellos buscaba un suministro continuo o renovable de combustible para que el universo pudiera ser no creado, sin principio ni fin. Francamente, esta es una preferencia filosófica, sin ninguna base científica. Para decidir científicamente primero tenemos que entender la cosmología.
Cosmología y Relatividad
En 1915, Einstein había generalizado su teoría de la relatividad y había fundado la ciencia de la cosmología. La relatividad general es en realidad un conjunto de ecuaciones diferenciales complicadas. Hay muchas soluciones porque uno puede elegir varios parámetros en las ecuaciones y también postular lo que se llama condiciones iniciales y de contorno.
En la actualidad no podemos observar ni el comienzo ni el borde del universo (si es que tiene un borde). Por lo tanto, la elección de las condiciones iniciales y de contorno es arbitraria. Los matemáticos comienzan con las condiciones iniciales y de contorno que les parecen buenas, resuelven las ecuaciones y luego ven si el modelo resultante del universo se parece en algo al universo actual. Sería más lógico escribir las condiciones actuales en el universo actual y luego resolver las ecuaciones de la relatividad general hacia atrás hasta conocer las condiciones al principio. Sin embargo, este procedimiento es mucho más difícil que resolver las ecuaciones en la dirección de avance.
Los valores de los parámetros y las condiciones elegidas pueden hacer que las ecuaciones sean fáciles, difíciles o imposibles de resolver. Naturalmente, Einstein y otros físicos y matemáticos encontraron primero la mayoría de las soluciones fáciles.
No hay nada de malo en resolver primero los casos fáciles. Al hacerlo, podemos aprender algo que hará que resolver los casos más difíciles sea más fácil o al menos posible. Los parámetros y condiciones que facilitan la solución no necesariamente se corresponden con la realidad. El problema de resolver solo los casos fáciles es la tentación de saltar a conclusiones filosóficas que no se corresponden con la realidad antes de hacer el trabajo duro necesario para resolver un caso realista. Incluso los grandes científicos no son inmunes a esta tentación, como veremos.
Willem de Sitter (astrónomo holandés, 1872–1934) encontró la primera solución no estática en 1917. En su solución, el universo consiste únicamente en espacio y tiempo vacíos. La solución es interesante para los matemáticos, pero no se corresponde con la realidad. La solución describe un universo con densidad de materia cero. Los objetos materiales (incluidos nosotros) existen en nuestro universo. Uno puede resolver las ecuaciones de un universo vacío, pero tal universo no podría tener seres vivos y racionales para encontrar la solución.
En 1922, Alexander Friedmann (matemático ruso, 1888-1925) encontró una solución que depende directamente de la densidad de materia y energía del universo. El suyo era el modelo aceptado hasta hace poco, cuando los astrónomos descubrieron que la expansión del universo se está acelerando. Ahora, muchos físicos y matemáticos están trabajando para extender y modificar su solución, o para encontrar otra solución que incluya una expansión acelerada.