Agujero negro
El núcleo de la galaxia elíptica gigante M87, donde hay evidencia de un agujero negro supermasivo. También se observa un potente chorro (jet) de materia eyectada por los poderosos campos magnéticos generados por éste. Imagen tomada por el Telescopio espacial Hubble.
Un agujero negro u hoyo negro es una región finita del espacio-tiempo provocada por una gran concentración de masa en su interior, con enorme aumento de la densidad, lo que genera un campo gravitatorio tal que ninguna partícula material, ni siquiera los fotones de luz, puede escapar de dicha región.
La curvatura del espacio-tiempo o «gravedad de un agujero negro» provoca una singularidad envuelta por una superficie cerrada, llamada horizonte de sucesos. Esto es debido a la gran cantidad de energía del objeto celeste. El horizonte de sucesos separa la región del agujero negro del resto del Universo y es la superficie límite del espacio a partir de la cual ninguna partícula puede salir, incluyendo la luz. Dicha curvatura es estudiada por la relatividad general, la que predijo la existencia de los agujeros negros y fue su primer indicio. En los años 70, Hawking, Ellis y Penrose demostraron varios teoremas importantes sobre la ocurrencia y geometría de los agujeros negros.1 Previamente, en 1963, Roy Kerr había demostrado que en un espacio-tiempo de cuatro dimensiones todos los agujeros negros debían tener una geometría cuasi-esférica determinada por tres parámetros: su masa M, su carga eléctrica total e y su momento angular L.
Se cree que en el centro de la mayoría de las galaxias, entre ellas la Vía Láctea, hay agujeros negros supermasivos. La existencia de agujeros negros está apoyada en observaciones astronómicas, en especial a través de la emisión de rayos X por estrellas binarias y galaxias activas.
Antimateria
En física de partículas, la antimateria es la extensión del concepto de antipartícula a la materia. Así, la antimateria está compuesta de antipartículas, mientras que la materia ordinaria está compuesta de partículas. Por ejemplo, un antielectrón (un electrón con carga positiva, también llamado positrón) y un antiprotón (un protón con carga negativa) podrían formar un átomo de antimateria, de la misma manera que un electrón y un protón forman un átomo de hidrógeno. El contacto de materia y antimateria llevaría a la aniquilación de ambas, dando lugar a fotones de alta energía (rayos gamma) y otros pares partícula-antipartícula.
¿Dónde está la anti-materia?
Las teorías científicas aceptadas afirman que en el origen del universo existían materia y antimateria en iguales proporciones. Pero la materia y la antimateria se aniquilan mutuamente, dando como resultado energía pura, y sin embargo, el universo que observamos está compuesto únicamente por materia. Se desconocen los motivos por los que no se ha encontrado grandes estructuras de antimateria en el universo. En física, el proceso por el que la cantidad de materia superó a la de antimateria se denomina bariogénesis, y baraja tres posibilidades:
Pequeño exceso de materia tras el Big Bang: Especula con que la materia que forma actualmente el universo podría ser el resultado de una ligera asimetría en las proporciones iniciales de ambas. Se ha calculado que la diferencia inicial entre materia y antimateria debió ser tan insignificante como de una partícula más de materia por cada diez mil millones de parejas partícula-antipartícula.
Asimetría CP: En 1967, Andréi Sájarov postuló por primera vez que las partículas y las antipartículas no tenían propiedades exactamente iguales o simétricas; una discusión denominada la Violación CP.1 Un reciente experimento en el acelerador KEK de Japón sugiere que esto quizás sea cierto, y que por tanto no es necesario un exceso de materia en el Big Bang: simplemente las leyes físicas que rigen el universo favorecen la supervivencia de la materia frente a la antimateria.2 En este mismo sentido, también se ha sugerido que quizás la materia oscura sea la causante de la bariogénesis al interactuar de distinta forma con la materia que con la antimateria.3
Existencia de galaxias de antimateria ligada por antigravedad: Muy pocos científicos confían en esta posibilidad, pero todavía no ha podido ser completamente descartada. Esta tercera opción plantea la hipótesis de que pueda haber regiones del universo compuestas de antimateria. Hasta la fecha no existe forma de distinguir entre materia y antimateria a largas distancias, pues su comportamiento y propiedades son indistinguibles. Existen argumentos para creer que esta tercera opción es muy improbable: la antimateria en forma de antipartículas se crea constantemente en el universo en las colisiones de partículas de alta energía, como por ejemplo con los rayos cósmicos. Sin embargo, éstos son sucesos demasiado aislados como para que estas antipartículas puedan llegar a encontrarse y combinarse. La NASA ha enviado la sonda AMS (Alpha Magnetic Spectrometer) para buscar rastros de antimateria más compleja,4 que pudiesen indicar que todavía existe antimateria en el universo. Sin embargo los experimentos no han detectado nada hasta la fecha.
Producción y coste de la antimateria
La antimateria es la sustancia más cara del mundo, con un coste estimado de unos 60.000 millones de USD el miligramo.7 8 La producción de antimateria, además de consumir enormes cantidades de energía, es muy poco eficiente, al igual que la capacidad de almacenamiento, que ronda sólo el 1% de las partículas creadas. Además, debido a que la antimateria se aniquila al contacto con la materia, las condiciones de almacenamiento —confinamiento mediante campos electromagnéticos—, tienen igualmente un coste elevado.
Otra estimación de su coste la dio el CERN, cuando dijo que había costado algunos cientos de millones de francos suizos la producción de una milmillonésima de gramo.
Debido a esto, algunos estudios de la NASA plantean recolectar mediante campos magnéticos la antimateria que se genera de forma natural en los Cinturones de Van Allen de la Tierra, o incluso en los cinturones de los grandes planetas gaseosos como Júpiter.
También se trabaja en mejorar la tecnología de almacenaje de antimateria. El Dr. Masaki Hori ha anunciado un método de confinamiento de antiprotones por radiofrecuencia, lo que según sus palabras podría reducir el contenedor al tamaño de una papelera.
En noviembre de 2008 la doctora Hui Chen del Lawrence Livermore National Laboratory de Estados Unidos anunció que ella y su equipo habrían creado positrones al hacer incidir un breve aunque intenso pulso láser a través de una lámina de oro blanco de pocos milímetros de espesor, esto habría ionizado al material y acelerado sus electrones. Los electrones acelerados emitieron cuantos de energía, que al decaer dieron lugar a partículas materiales, dando también como resultado positrones.
Usos de la antimateria
- El primero como combustible.
Para imaginaros lo potente que puede llegar a ser, con sólo 250 gramos de antimateria se
podría llegar a Marte en 1 día y a la Luna en 8 minutos.
- El segundo sería como para producir energía.
La antimateria es la fuente de energía más poderosa conocida por el hombre. Libera una
energía de una eficacia del cien por cien (la fisión nuclear posee una eficacia del uno y
medio por cien). La antimateria no genera contaminación ni radiación, y una gota podría
proporcionar energía eléctrica a toda Nueva York durante un día.
- El tercer uso que podría tener la antimateria, y desgraciadamente el más peligroso, sería el
de armamento. Este proceso de aniquilación materia-antimateria podría ser empleado
como el explosivo más potente que pueda imaginarse. Un gramo de antimateria al unirse
con un gramo de materia produciría una energía capaz de lanzar 1 millón de toneladas de
material a casi 20000 metros de altura. O lo que es lo mismo, la potencia de veinte kilones,
es decir, la potencia de la bomba que fue lanzada sobre Hiroshima.
Si bien la antimateria está lejos de ser considerada una opción por su abrumador costo y las dificultades tecnológicas inherentes a su manipulación, las antipartículas sí están encontrando usos prácticos: la Tomografía por emisión de positrones es ya una realidad. También se investiga su uso en terapias contra el cáncer, ya que un estudio del CERN ha descubierto que los antiprotones son cuatro veces más efectivos que los protones en la destrucción de tejido canceroso,13 y se especula incluso con la idea de diseñar microscopios de antimateria, supuestamente más sensibles que los de materia ordinaria.14 Pero el mayor interés por la antimateria se centra en sus aplicaciones como combustible (o incluso para armamento), pues la aniquilación de una partícula con una antipartícula genera energía pura según la ecuación de Einstein E=mc² La energía generada por kilo (9×1016 J/kg), es unas diez mil millones de veces mayor que la generada por reacciones químicas, diez mil veces mayor que la energía nuclear de fisión, y unas cien veces mayor que la energía nuclear de fusión.
Por ejemplo, se estima que sólo serían necesarios 10 miligramos de antimateria para propulsar una nave a Marte16
No obstante, hay que indicar que estas cifras no tienen en cuenta que aproximadamente el 50% de la energía se disipa en forma de emisión de neutrinos, por lo que en la práctica habría que reducir las cifras a la mitad.
Pero además de todo esto, la antimateria tiene muchas limitaciones:
- No existe en el mundo conocido antimateria relativamente disponible.
- Hasta ahora, en el proceso de obtener una unidad de energía como antimateria hemos de
gastar previamente 100 millones más de energía.
- La eficacia del almacenamiento actual de antiprotones es tan solo del orden del 1%.
- Si toda la capacidad se usara para producir antiprotones, los resultados finales al cabo de
un año únicamente servirían para mantener encendida una lámpara de 100 vatios durante
3 segundos.
- Si se acudiera a usar toda la capacidad mundial de antimateria producible la lámpara no
podría estar encendida más de 6 minutos.
- Todas las reservas energéticas mundiales existentes de carbón, gas y petróleo, una vez
convertidas en antiprotones, con los rendimientos actuales, producirían una energía
insuficiente para que un automóvil pudiese dar la vuelta a España haciendo un recorrido
costero.
Conclusión
No sabemos si en realidad existe la antimateria, pero de hecho, en caso de que se descubra, no estamos preparados para recibirla. De hecho se han estado haciendo varios experimentos en busca de antimateria que satisficiese nuestra curiosidad, y sólo se ha conseguido crear unos pocos átomos de antimateria. Todas las expediciones han sido fallidas, ya que en total, se han buscado 450 Km. de la superficie terrestre, mediante análisis de radiaciones cósmicas, y sólo se ha hallado materia. La distancia analizada sin encontrar antimateria ha sido de 309 trillones de kilómetros. Mientras tanto, sólo nos queda intentar avanzar en la ciencia y tecnología para que llegue un día en que podamos producir cantidades de antimateria para todos, claro que sólo para buenos fines.
El núcleo de la galaxia elíptica gigante M87, donde hay evidencia de un agujero negro supermasivo. También se observa un potente chorro (jet) de materia eyectada por los poderosos campos magnéticos generados por éste. Imagen tomada por el Telescopio espacial Hubble.
Un agujero negro u hoyo negro es una región finita del espacio-tiempo provocada por una gran concentración de masa en su interior, con enorme aumento de la densidad, lo que genera un campo gravitatorio tal que ninguna partícula material, ni siquiera los fotones de luz, puede escapar de dicha región.
La curvatura del espacio-tiempo o «gravedad de un agujero negro» provoca una singularidad envuelta por una superficie cerrada, llamada horizonte de sucesos. Esto es debido a la gran cantidad de energía del objeto celeste. El horizonte de sucesos separa la región del agujero negro del resto del Universo y es la superficie límite del espacio a partir de la cual ninguna partícula puede salir, incluyendo la luz. Dicha curvatura es estudiada por la relatividad general, la que predijo la existencia de los agujeros negros y fue su primer indicio. En los años 70, Hawking, Ellis y Penrose demostraron varios teoremas importantes sobre la ocurrencia y geometría de los agujeros negros.1 Previamente, en 1963, Roy Kerr había demostrado que en un espacio-tiempo de cuatro dimensiones todos los agujeros negros debían tener una geometría cuasi-esférica determinada por tres parámetros: su masa M, su carga eléctrica total e y su momento angular L.
Se cree que en el centro de la mayoría de las galaxias, entre ellas la Vía Láctea, hay agujeros negros supermasivos. La existencia de agujeros negros está apoyada en observaciones astronómicas, en especial a través de la emisión de rayos X por estrellas binarias y galaxias activas.
Antimateria
En física de partículas, la antimateria es la extensión del concepto de antipartícula a la materia. Así, la antimateria está compuesta de antipartículas, mientras que la materia ordinaria está compuesta de partículas. Por ejemplo, un antielectrón (un electrón con carga positiva, también llamado positrón) y un antiprotón (un protón con carga negativa) podrían formar un átomo de antimateria, de la misma manera que un electrón y un protón forman un átomo de hidrógeno. El contacto de materia y antimateria llevaría a la aniquilación de ambas, dando lugar a fotones de alta energía (rayos gamma) y otros pares partícula-antipartícula.
¿Dónde está la anti-materia?
Las teorías científicas aceptadas afirman que en el origen del universo existían materia y antimateria en iguales proporciones. Pero la materia y la antimateria se aniquilan mutuamente, dando como resultado energía pura, y sin embargo, el universo que observamos está compuesto únicamente por materia. Se desconocen los motivos por los que no se ha encontrado grandes estructuras de antimateria en el universo. En física, el proceso por el que la cantidad de materia superó a la de antimateria se denomina bariogénesis, y baraja tres posibilidades:
Pequeño exceso de materia tras el Big Bang: Especula con que la materia que forma actualmente el universo podría ser el resultado de una ligera asimetría en las proporciones iniciales de ambas. Se ha calculado que la diferencia inicial entre materia y antimateria debió ser tan insignificante como de una partícula más de materia por cada diez mil millones de parejas partícula-antipartícula.
Asimetría CP: En 1967, Andréi Sájarov postuló por primera vez que las partículas y las antipartículas no tenían propiedades exactamente iguales o simétricas; una discusión denominada la Violación CP.1 Un reciente experimento en el acelerador KEK de Japón sugiere que esto quizás sea cierto, y que por tanto no es necesario un exceso de materia en el Big Bang: simplemente las leyes físicas que rigen el universo favorecen la supervivencia de la materia frente a la antimateria.2 En este mismo sentido, también se ha sugerido que quizás la materia oscura sea la causante de la bariogénesis al interactuar de distinta forma con la materia que con la antimateria.3
Existencia de galaxias de antimateria ligada por antigravedad: Muy pocos científicos confían en esta posibilidad, pero todavía no ha podido ser completamente descartada. Esta tercera opción plantea la hipótesis de que pueda haber regiones del universo compuestas de antimateria. Hasta la fecha no existe forma de distinguir entre materia y antimateria a largas distancias, pues su comportamiento y propiedades son indistinguibles. Existen argumentos para creer que esta tercera opción es muy improbable: la antimateria en forma de antipartículas se crea constantemente en el universo en las colisiones de partículas de alta energía, como por ejemplo con los rayos cósmicos. Sin embargo, éstos son sucesos demasiado aislados como para que estas antipartículas puedan llegar a encontrarse y combinarse. La NASA ha enviado la sonda AMS (Alpha Magnetic Spectrometer) para buscar rastros de antimateria más compleja,4 que pudiesen indicar que todavía existe antimateria en el universo. Sin embargo los experimentos no han detectado nada hasta la fecha.
Producción y coste de la antimateria
La antimateria es la sustancia más cara del mundo, con un coste estimado de unos 60.000 millones de USD el miligramo.7 8 La producción de antimateria, además de consumir enormes cantidades de energía, es muy poco eficiente, al igual que la capacidad de almacenamiento, que ronda sólo el 1% de las partículas creadas. Además, debido a que la antimateria se aniquila al contacto con la materia, las condiciones de almacenamiento —confinamiento mediante campos electromagnéticos—, tienen igualmente un coste elevado.
Otra estimación de su coste la dio el CERN, cuando dijo que había costado algunos cientos de millones de francos suizos la producción de una milmillonésima de gramo.
Debido a esto, algunos estudios de la NASA plantean recolectar mediante campos magnéticos la antimateria que se genera de forma natural en los Cinturones de Van Allen de la Tierra, o incluso en los cinturones de los grandes planetas gaseosos como Júpiter.
También se trabaja en mejorar la tecnología de almacenaje de antimateria. El Dr. Masaki Hori ha anunciado un método de confinamiento de antiprotones por radiofrecuencia, lo que según sus palabras podría reducir el contenedor al tamaño de una papelera.
En noviembre de 2008 la doctora Hui Chen del Lawrence Livermore National Laboratory de Estados Unidos anunció que ella y su equipo habrían creado positrones al hacer incidir un breve aunque intenso pulso láser a través de una lámina de oro blanco de pocos milímetros de espesor, esto habría ionizado al material y acelerado sus electrones. Los electrones acelerados emitieron cuantos de energía, que al decaer dieron lugar a partículas materiales, dando también como resultado positrones.
Usos de la antimateria
- El primero como combustible.
Para imaginaros lo potente que puede llegar a ser, con sólo 250 gramos de antimateria se
podría llegar a Marte en 1 día y a la Luna en 8 minutos.
- El segundo sería como para producir energía.
La antimateria es la fuente de energía más poderosa conocida por el hombre. Libera una
energía de una eficacia del cien por cien (la fisión nuclear posee una eficacia del uno y
medio por cien). La antimateria no genera contaminación ni radiación, y una gota podría
proporcionar energía eléctrica a toda Nueva York durante un día.
- El tercer uso que podría tener la antimateria, y desgraciadamente el más peligroso, sería el
de armamento. Este proceso de aniquilación materia-antimateria podría ser empleado
como el explosivo más potente que pueda imaginarse. Un gramo de antimateria al unirse
con un gramo de materia produciría una energía capaz de lanzar 1 millón de toneladas de
material a casi 20000 metros de altura. O lo que es lo mismo, la potencia de veinte kilones,
es decir, la potencia de la bomba que fue lanzada sobre Hiroshima.
Si bien la antimateria está lejos de ser considerada una opción por su abrumador costo y las dificultades tecnológicas inherentes a su manipulación, las antipartículas sí están encontrando usos prácticos: la Tomografía por emisión de positrones es ya una realidad. También se investiga su uso en terapias contra el cáncer, ya que un estudio del CERN ha descubierto que los antiprotones son cuatro veces más efectivos que los protones en la destrucción de tejido canceroso,13 y se especula incluso con la idea de diseñar microscopios de antimateria, supuestamente más sensibles que los de materia ordinaria.14 Pero el mayor interés por la antimateria se centra en sus aplicaciones como combustible (o incluso para armamento), pues la aniquilación de una partícula con una antipartícula genera energía pura según la ecuación de Einstein E=mc² La energía generada por kilo (9×1016 J/kg), es unas diez mil millones de veces mayor que la generada por reacciones químicas, diez mil veces mayor que la energía nuclear de fisión, y unas cien veces mayor que la energía nuclear de fusión.
Por ejemplo, se estima que sólo serían necesarios 10 miligramos de antimateria para propulsar una nave a Marte16
No obstante, hay que indicar que estas cifras no tienen en cuenta que aproximadamente el 50% de la energía se disipa en forma de emisión de neutrinos, por lo que en la práctica habría que reducir las cifras a la mitad.
Pero además de todo esto, la antimateria tiene muchas limitaciones:
- No existe en el mundo conocido antimateria relativamente disponible.
- Hasta ahora, en el proceso de obtener una unidad de energía como antimateria hemos de
gastar previamente 100 millones más de energía.
- La eficacia del almacenamiento actual de antiprotones es tan solo del orden del 1%.
- Si toda la capacidad se usara para producir antiprotones, los resultados finales al cabo de
un año únicamente servirían para mantener encendida una lámpara de 100 vatios durante
3 segundos.
- Si se acudiera a usar toda la capacidad mundial de antimateria producible la lámpara no
podría estar encendida más de 6 minutos.
- Todas las reservas energéticas mundiales existentes de carbón, gas y petróleo, una vez
convertidas en antiprotones, con los rendimientos actuales, producirían una energía
insuficiente para que un automóvil pudiese dar la vuelta a España haciendo un recorrido
costero.
Conclusión
No sabemos si en realidad existe la antimateria, pero de hecho, en caso de que se descubra, no estamos preparados para recibirla. De hecho se han estado haciendo varios experimentos en busca de antimateria que satisficiese nuestra curiosidad, y sólo se ha conseguido crear unos pocos átomos de antimateria. Todas las expediciones han sido fallidas, ya que en total, se han buscado 450 Km. de la superficie terrestre, mediante análisis de radiaciones cósmicas, y sólo se ha hallado materia. La distancia analizada sin encontrar antimateria ha sido de 309 trillones de kilómetros. Mientras tanto, sólo nos queda intentar avanzar en la ciencia y tecnología para que llegue un día en que podamos producir cantidades de antimateria para todos, claro que sólo para buenos fines.