Nuestro cielo está cubierto por un mar de fantasmas estelares; todos los fantasmas potenciales que han estado muertos durante millones de años y que aún no lo sabemos. Eso es lo que discutiremos hoy. Lo que le sucede a la más grande de nuestras estrellas y cómo eso influye en la composición misma del universo en el que vivimos.
Comenzamos este viaje observando la Nebulosa del Cangrejo. Sus hermosos colores se extienden hacia el oscuro vacío; una tumba celestial que contiene un evento violento que ocurrió hace milenios. Extiende la mano y con el movimiento de tu muñeca, comienza a rebobinar el tiempo y observa cómo estas hermosas nebulosas comienzan a encogerse. A medida que el reloj gira hacia atrás, los colores de la nebulosa comienzan a cambiar, y notas que se están reduciendo a un solo punto. A medida que el calendario se acerca el 5 de julio de 1054, la nube gaseosa se ilumina y se asienta en un solo punto en el cielo que es tan brillante como la luna llena y es visible durante el día. El brillo se desvanece y finalmente hay un punto de luz; una estrella que no vemos hoy Esta estrella ha muerto, sin embargo, en este momento no lo habríamos sabido. Para un observador antes de esta fecha, esta estrella parecía eterna, como lo hicieron todas las otras estrellas. Sin embargo, como sabemos desde nuestro punto de vista privilegiado, esta estrella está a punto de convertirse en supernova y crear una de las nebulosas más espectaculares que observamos hoy.
Los fantasmas estelares son una forma adecuada de describir muchas de las estrellas masivas que vemos dispersas por todo el universo. Lo que muchos no se dan cuenta es que cuando miramos hacia el interior del universo, no solo estamos mirando a través de grandes distancias, sino que estamos mirando hacia atrás en el tiempo. Una de las propiedades fundamentales del universo que conocemos bastante bien es que la luz viaja a una velocidad finita: aproximadamente 300,000,000 m / s (aproximadamente 671,000,000 mph). Esta velocidad se ha determinado mediante muchas pruebas rigurosas y pruebas físicas. De hecho, comprender esta constante fundamental es la clave de gran parte de lo que sabemos sobre el universo, especialmente con respecto a la Relatividad General y la Mecánica Cuántica. A pesar de esto, conocer la velocidad de la luz es clave para comprender lo que quiero decir con fantasmas estelares. Verá, la información se mueve a la velocidad de la luz. Usamos la luz de las estrellas para observarlas y a partir de esto entender cómo funcionan.
Un buen ejemplo de este retraso es nuestro propio sol. Nuestro sol está aproximadamente a 8 minutos luz de distancia. Lo que significa que la luz que vemos desde nuestra estrella tarda 8 minutos en hacer el viaje desde su superficie hasta nuestros ojos en la tierra. Si nuestro sol desapareciera repentinamente en este momento, no lo sabríamos por 8 minutos; esto no solo incluye la luz que vemos, sino incluso su influencia gravitacional que se ejerce sobre nosotros. Entonces, si el sol se desvaneciera en este momento, continuaríamos en nuestro camino orbital sobre nuestra ahora inexistente estrella durante 8 minutos más antes de que la información gravitacional nos llegara y nos informara que ya no estamos gravitacionalmente unidos a ella. Esto establece nuestro límite de velocidad cósmica para la rapidez con la que podemos recibir información, lo que significa que todo lo que observamos en lo profundo del universo nos llega como si fuera una "x" hace años, donde "x" es su distancia de luz. Esto significa que observamos una estrella que está a 10 años luz de nosotros como lo fue hace 10 años. Si esa estrella muriera en este momento, no lo sabríamos por otros 10 años. Por lo tanto, podemos definirlo como un "fantasma estelar"; una estrella que está muerta desde su perspectiva en su ubicación, pero aún viva y bien en la nuestra.
Como se cubrió en un artículo mío anterior (Stars: A Day in the Life), la evolución de una estrella es compleja y altamente dinámica. Muchos factores juegan un papel importante en todo, desde determinar si la estrella incluso se formará en primer lugar, hasta el tamaño y, por lo tanto, la vida útil de dicha estrella. En el artículo anterior mencionado anteriormente, cubro los conceptos básicos de la formación estelar y la vida de lo que llamamos estrellas de secuencia principal, o más bien estrellas que son muy similares a nuestro propio sol. Mientras que el proceso de formación y la vida de una estrella de secuencia principal y las estrellas que discutiremos son bastante similares, existen diferencias importantes en la forma en que mueren las estrellas que investigaremos. La secuencia principal de muertes de estrellas es interesante, pero difícilmente se comparan con las formas de flexión del espacio-tiempo en que estas estrellas más grandes terminan.
Como se mencionó anteriormente, cuando estábamos observando la estrella desaparecida que se encontraba en el centro de la Nebulosa del Cangrejo, hubo un punto en el que este objeto brillaba tan brillante como la luna llena y se podía ver durante el día. ¿Qué podría hacer que algo se vuelva tan brillante que sería comparable a nuestro vecino celestial más cercano? Teniendo en cuenta que la Nebulosa del Cangrejo está a 6.523 años luz de distancia, eso significa que algo que está aproximadamente a 153 mil millones de veces más lejos que nuestra luna brillaba tan brillante como la luna. Esto se debió a que la estrella se convirtió en supernova cuando murió, que es el destino de las estrellas que son mucho más grandes que nuestro sol. Las estrellas más grandes que nuestro sol terminarán en dos estados muy extremos tras su muerte: estrellas de neutrones y agujeros negros. Ambos son temas dignos que podrían abarcar semanas en un curso de astrofísica, pero para nosotros hoy, simplemente repasaremos cómo se forman estos monstruos gravitacionales y lo que eso significa para nosotros.
La vida de una estrella es una historia de fusión casi desbocada contenida por el agarre de su propia presencia gravitacional. Llamamos a esto equilibrio hidrostático, en el que la presión externa de los elementos de fusión en el núcleo de una estrella es igual a la presión gravitacional interna que se aplica debido a la masa de la estrella. En el núcleo de todas las estrellas, el hidrógeno se fusiona en helio (al principio). Este hidrógeno provenía de la nebulosa de la que nació la estrella, que se fusionó y colapsó, dándole a la estrella su primera oportunidad de vida. A lo largo de la vida útil de la estrella, el hidrógeno se agotará y más y más "cenizas" de helio se condensarán en el centro de la estrella. Eventualmente, la estrella se quedará sin hidrógeno, y la fusión se detendrá brevemente. Esta falta de presión hacia afuera debido a que no se produce fusión temporalmente permite que gane la gravedad y aplasta la estrella hacia abajo. A medida que la estrella se contrae, aumenta la densidad y, por lo tanto, la temperatura en el núcleo de la estrella. Finalmente, alcanza una cierta temperatura y la ceniza de helio comienza a fusionarse. Así es como todas las estrellas proceden a lo largo de la parte principal de su vida y en las primeras etapas de su muerte. Sin embargo, aquí es donde las estrellas del tamaño del sol y las estrellas masivas que estamos discutiendo se separan parcialmente.
Una estrella que está más o menos cerca del tamaño de nuestro propio sol pasará por este proceso hasta que llegue al carbono. Las estrellas que son de este tamaño simplemente no son lo suficientemente grandes como para fusionar carbono. Por lo tanto, cuando todo el helio se ha fusionado en oxígeno y carbono (a través de dos procesos que son demasiado complejos para cubrir aquí), la estrella no puede "aplastar" el oxígeno y el carbono lo suficiente como para comenzar la fusión, la gravedad gana y la estrella muere. Pero las estrellas que tienen bastante más masa que nuestro sol (aproximadamente 7 veces la masa) pueden continuar pasando estos elementos y seguir brillando. Tienen suficiente masa para continuar este proceso de "aplastamiento y fusión", que son las interacciones dinámicas en los corazones de estos hornos celestes.
Estas estrellas más grandes continuarán su proceso de fusión más allá del carbono y el oxígeno, más allá del silicio, hasta llegar al hierro. El hierro es la nota de muerte cantada por estos gigantes ardientes, ya que cuando el hierro comienza a llenar su núcleo ahora moribundo, la estrella está en sus lanzamientos de muerte. Pero estas estructuras masivas de energía no pasan silenciosamente en la noche. Salen de la forma más espectacular. Cuando el último de los elementos que no son de hierro se fusionan en sus núcleos, la estrella comienza a hundirse en el olvido. La estrella se estrella sobre sí misma, ya que no tiene forma de evitar el implacable agarre de la gravedad, aplastando las capas subsiguientes de elementos sobrantes de su vida útil. Esta caída libre hacia adentro se cumple en cierto tamaño con una fuerza imposible de romper; Una presión de degeneración de neutrones que obliga a la estrella a rebotar hacia afuera. Esta cantidad masiva de energía gravitacional y cinética retrocede con una furia que ilumina el universo, brillando galaxias enteras en un instante. Esta furia es la sangre vital del cosmos; el tambor late en la sinfonía galáctica, ya que esta energía intensa permite la fusión de elementos más pesados que el hierro, hasta llegar al uranio. Estos nuevos elementos son lanzados hacia el exterior por esta fuerza asombrosa, montando las olas de energía que los arroja profundamente en el cosmos, sembrando el universo con todos los elementos que conocemos.
¿Pero qué queda? ¿Qué hay después de este espectacular evento? Todo eso depende nuevamente de la masa de la estrella. Como se mencionó anteriormente, las dos formas que toma una estrella masiva muerta son una estrella de neutrones o un agujero negro. Para una estrella de neutrones, la formación es bastante compleja. Esencialmente, los eventos que describí ocurren, excepto después de las supernovas, todo lo que queda es una bola de neutrones degenerados. Degenerar es simplemente un término que aplicamos a una forma que la materia adquiere cuando se comprime a los límites permitidos por la física. Algo que es degenerado es intensamente denso, y esto es muy cierto para una estrella de neutrones. Un número que puede haber escuchado es que una cucharadita de material de estrella de neutrones pesaría aproximadamente 10 millones de toneladas y tendría una velocidad de escape (la velocidad necesaria para alejarse de su atracción gravitacional) a aproximadamente .4c, o 40% de la velocidad de luz. A veces la estrella de neutrones se deja girar a velocidades increíbles, y las etiquetamos como púlsares; El nombre deriva de cómo los detectamos.
Estos tipos de estrellas generan MUCHA radiación. Las estrellas de neutrones tienen un enorme campo magnético. Este campo acelera electrones en sus atmósferas estelares a velocidades increíbles. Estos electrones siguen las líneas de campo magnético de la estrella de neutrones hasta sus polos, donde pueden liberar ondas de radio, rayos X y rayos gamma (dependiendo del tipo de estrella de neutrones que sea). Dado que esta energía se concentra en los polos, crea una especie de efecto de faro con haces de alta energía que actúan como los rayos de luz de un faro. A medida que la estrella gira, estos rayos se desplazan muchas veces por segundo. Si la Tierra, y por lo tanto nuestro equipo de observación, está orientada favorablemente con este púlsar, registraremos estos "pulsos" de energía a medida que los rayos de las estrellas nos bañen. Para todos los púlsares que conocemos, estamos demasiado lejos para que estos rayos de energía nos hagan daño. Pero si estuviéramos cerca de una de estas estrellas muertas, esta radiación que se extiende sobre nuestro planeta continuamente significaría cierta extinción de por vida tal como la conocemos.
¿Qué hay de la otra forma que toma una estrella muerta? un agujero negro? ¿Cómo ocurre esto? Si el material degenerado está tan lejos como podemos aplastar la materia, ¿cómo aparece un agujero negro? En pocas palabras, los agujeros negros son el resultado de una estrella inimaginablemente grande y, por lo tanto, una cantidad realmente masiva de materia que puede "romper" esta presión de degeneración de neutrones al colapsar. La estrella esencialmente cae hacia adentro con tal fuerza que rompe este límite aparentemente físico, girando sobre sí misma y envolviendo el espacio-tiempo en un punto de densidad infinita; Una singularidad. Este sorprendente evento ocurre cuando una estrella tiene aproximadamente 18 veces la cantidad de masa que tiene nuestro sol, y cuando muere, es realmente el epítome de la física que se ha ido al extremo. Este "bit extra de masa" es lo que le permite colapsar esta bola de neutrones degenerados y caer hacia el infinito. Es a la vez aterrador y hermoso pensar en ello; un punto en el espacio-tiempo que no es entendido completamente por nuestra física, y sin embargo, algo que sabemos existe. Lo verdaderamente notable de los agujeros negros es que es como el universo que trabaja contra nosotros. La información que necesitamos para comprender completamente los procesos dentro de un agujero negro está bloqueada detrás de un velo que llamamos horizonte de eventos. Este es el punto de no retorno para un agujero negro, para el cual cualquier cosa más allá de este punto en el espacio-tiempo no tiene caminos futuros que lo lleven. Nada escapa a esta distancia de la estrella colapsada en su núcleo, ni siquiera la luz, y por lo tanto, ninguna información deja este límite (al menos no en una forma que podamos usar). El corazón oscuro de este objeto verdaderamente asombroso deja mucho que desear y nos tienta a cruzar a su reino para tratar de conocer lo incognoscible; para agarrar el fruto del árbol del conocimiento.
Ahora hay que decir que hay mucho en el camino de la investigación con agujeros negros hasta el día de hoy. Físicos como el profesor Stephen Hawking, entre otros, han estado trabajando incansablemente en la física teórica detrás de cómo funciona un agujero negro, tratando de resolver las paradojas que aparecen con frecuencia cuando intentamos utilizar lo mejor de nuestra física contra ellos. Hay muchos artículos y documentos sobre tales investigaciones y sus hallazgos posteriores, por lo que no me sumergiré en sus complejidades tanto por desear preservar la simplicidad en la comprensión como por no quitarles las mentes increíbles que están trabajando en estos temas. Muchos sugieren que la singularidad es una curiosidad matemática que no representa completamente lo que sucede físicamente. Que el asunto dentro de un horizonte de eventos puede tomar formas nuevas y exóticas. También vale la pena señalar que en la Relatividad general, cualquier cosa con masa puede colapsar en un agujero negro, pero generalmente mantenemos un rango de masas ya que la creación de un agujero negro con algo menos de lo que está en ese rango de masa está más allá de nuestra comprensión de cómo eso podría pasar. Pero como alguien que estudia física, sería negligente no mencionar que a partir de ahora, estamos en una interesante sección transversal de ideas que tratan muy íntimamente con lo que realmente está sucediendo dentro de estos espectros de gravedad.
Todo esto me lleva de vuelta a un punto que debe hacerse. Un hecho que necesita ser reconocido. Cuando describí la muerte de estas estrellas masivas, toqué algo que ocurre. A medida que la estrella se separa de su propia energía y sus contenidos se expulsan hacia el universo, está ocurriendo algo llamado nucleosíntesis. Esta es la fusión de elementos para crear nuevos elementos. Desde hidrógeno hasta uranio. Estos nuevos elementos están siendo lanzados hacia afuera a velocidades increíbles y, por lo tanto, todos estos elementos eventualmente llegarán a las nubes moleculares. Las nubes moleculares (nebulosas oscuras) son los viveros estelares del cosmos. Aquí es donde comienzan las estrellas. Y de la formación estelar, obtenemos formación planetaria.
A medida que se forma una estrella, una nube de escombros que se compone de la nube molecular que dio origen a dicha estrella comienza a girar a su alrededor. Esta nube, como ahora sabemos, contiene todos esos elementos que se cocinaron en nuestras supernovas. El carbono, el oxígeno, los silicatos, la plata, el oro; Todos los presentes en esta nube. Este disco de acreción sobre esta nueva estrella es donde se forman los planetas, que se fusionan a partir de este entorno enriquecido. Bolas de roca y hielo que chocan, se acumulan, se desgarran y luego se reforman a medida que la gravedad trabaja con sus manos diligentes para moldear estos nuevos mundos en islas de posibilidades. Estos planetas se forman a partir de esos mismos elementos que se sintetizaron en esa erupción cataclísmica. Estos nuevos mundos contienen los planos para la vida tal como la conocemos.
En uno de estos mundos, se produce una cierta mezcla de hidrógeno y oxígeno. Dentro de esta mezcla, ciertos átomos de carbono se forman para crear cadenas de replicación que siguen un patrón simple. Quizás después de miles de millones de años, estos mismos elementos que fueron arrojados al universo por esa estrella moribunda se encuentran dando vida a algo que puede mirar hacia arriba y apreciar la majestad que es el cosmos. Quizás ese algo tiene la inteligencia para darse cuenta de que el átomo de carbono dentro de él es el mismo átomo de carbono que se creó en una estrella moribunda, y que ocurrió una supernova que permitió que ese átomo de carbono encontrara su camino hacia la parte correcta del universo en el tiempo justo. La energía que fue el último aliento moribundo de una larga estrella muerta fue la misma energía que permitió que la vida tomara su primer aliento y mirara las estrellas. Estos fantasmas estelares son nuestros antepasados. Se han ido en forma, pero aún permanecen dentro de nuestra memoria química. Existen dentro de nosotros. Somos supernovas Somos polvo de estrellas. Somos descendientes de fantasmas estelares ...
