domingo, 22 de abril de 2012
EVIDENCIA DE MATERIA OSCURA. - "Eliminar todos los demás factores, y el que sigue debe ser la verdad". Sherlock Holmes en el signo de los cuatro, de Arthur Conan Doyle".
"Eliminar todos los demás factores, y el que sigue debe ser la verdad". Sherlock Holmes en el signo de los cuatro, de Arthur Conan Doyle".
El tipo de trabajo de detective descrito por Sherlock Holmes ha sido utilizado por los astrónomos durante mucho tiempo a profundizar nuestra comprensión del universo. Desde entonces el éxito fenomenal de Isaac Newton para explicar el movimiento de los planetas con su teoría de la gravedad y las leyes del movimiento en 1687, materia invisible ha se ha invocado para explicar observaciones desconcertante de cuerpos cósmicos.
Por el contrario, el intento de explicar las anomalías en el movimiento de Mercurio debido a la existencia de un nuevo planeta, llamado a Vulcan, no tuvo éxito. La solución resultó para ser la teoría de Einstein del general de la relatividad, que modificó la teoría de Newton.
Hoy, los astrónomos se enfrentan con similar, aunque mucho más grave, problema. A diferencia del caso de Urano, donde la gravedad de Neptuno agrega una fracción de uno por ciento a la actuación de la fuerza gravitacional de Urano, la fuerza adicional necesaria en los casos descritos a continuación es varios cientos por ciento! No es exagerado decir que resolver el problema de la materia oscura requerirá un cambio profundo en nuestra comprensión del universo.
• Medida velocidad rotacional v de nubes orbitando a una distancia r
• Calcular la aceleración centrípeta de nubes = v2/r
• Equiparar la aceleración gravitatoria de la materia m dentro de la órbita = GM/r2 (G es la constante gravitacional universal)
• Resolver la ecuación M = rv2/g.
Determining the gravity of a galaxy (Illustration: NASA/CXC)
Muchos estudios posteriores confirmaron este descubrimiento, y el panorama general que ha surgido es la de un disco de estrellas y gas incrustado en un halo esférico, grande de materia oscura.
La conclusión: no hay suficiente masa en las estrellas y gas para proporcionar la gravedad necesaria. Las galaxias elípticas deben contener aproximadamente cinco veces como mucho masa de materia oscura como la cantidad actual de estrellas y gas.
El tipo de trabajo de detective descrito por Sherlock Holmes ha sido utilizado por los astrónomos durante mucho tiempo a profundizar nuestra comprensión del universo. Desde entonces el éxito fenomenal de Isaac Newton para explicar el movimiento de los planetas con su teoría de la gravedad y las leyes del movimiento en 1687, materia invisible ha se ha invocado para explicar observaciones desconcertante de cuerpos cósmicos.
Por ejemplo, el movimiento anómalo de Urano llevaron a los astrónomos sugieren que existía un planeta invisible, y unos años más tarde, en 1846, Neptuno fue descubierto. Este procedimiento sigue siendo el principal método utilizado para descubrir planetas que orbitan estrellas.
Foto derecha: Sirio a y B
Una línea de razonamiento similar llevó a la detección en 1862, de la débil enana blanca Sirio B en órbita alrededor de la brillante estrella Sirio.
Por el contrario, el intento de explicar las anomalías en el movimiento de Mercurio debido a la existencia de un nuevo planeta, llamado a Vulcan, no tuvo éxito. La solución resultó para ser la teoría de Einstein del general de la relatividad, que modificó la teoría de Newton.
Hoy, los astrónomos se enfrentan con similar, aunque mucho más grave, problema. A diferencia del caso de Urano, donde la gravedad de Neptuno agrega una fracción de uno por ciento a la actuación de la fuerza gravitacional de Urano, la fuerza adicional necesaria en los casos descritos a continuación es varios cientos por ciento! No es exagerado decir que resolver el problema de la materia oscura requerirá un cambio profundo en nuestra comprensión del universo.
Credit images to "NASA/CXC/SAO"
• Medida velocidad rotacional v de nubes orbitando a una distancia r
• Calcular la aceleración centrípeta de nubes = v2/r
• Equiparar la aceleración gravitatoria de la materia m dentro de la órbita = GM/r2 (G es la constante gravitacional universal)
• Resolver la ecuación M = rv2/g.
Determining the gravity of a galaxy (Illustration: NASA/CXC)
A continuación le damos evidencia de la existencia de materia oscura. La posibilidad que estas observaciones pueden explicarse por cambiar la teoría de la gravedad se describe en una sección separada (alternativas a la materia oscura).
ALTERNATIVAS A LA MATERIA OSCURA
Aunque las pruebas para la materia oscura son amplias y profundas, sin embargo es indirecta y se basa en la suposición de que las leyes del movimiento y la gravedad como fueron formuladas por Newton y ampliada por Einstein se aplican. Una posibilidad alternativa es que una modificación de la gravedad puede explicar los efectos atribuidos a la materia oscura. La idea básica es que en aceleraciones muy bajas, correspondientes a grandes distancias, se modifica la ley de la gravitación habitual.
La más estudiada de estas modificaciones se denomina Dinámica Newtoniana Modificada o MOND. De acuerdo con esta hipótesis, la fuerza de gravedad cae más lentamente en aceleraciones bajas (inversamente como la distancia en lugar de inversamente al cuadrado de la distancia). Con esta receta, menos masa es necesaria para explicar la rotación observada de los bordes exteriores de las galaxias o la presión de los gases calientes en cúmulos de galaxias que en la teoría de Einstein de Newton. Ajustando los parámetros de la teoría, se puede eliminar la necesidad de materia oscura.
Aunque MOND ha tenido cierto éxito en la explicación de las observaciones de galaxias, otras teorías que implican la modificación de la ley de la gravedad y han sido duramente impugnados por observaciones de la galaxia clúster 1E0657-56, también conocido como el cúmulo bala.
La imagen adjunta muestra gas caliente de rayos x que producen (Rosa) y luz óptica de estrellas en las galaxias de clúster (naranja y blanco). Las observaciones de rayos x muestran que el cúmulo bala está compuesto de dos grandes cúmulos de galaxias que están chocando a altas velocidades.
Utilizando la técnica de las lentes gravitacional, los astrónomos han deducido que la total concentración en masa de los clusters (azul) está separada de la de gas caliente. Esta separación fue presumiblemente producida por la colisión de alta velocidad en la que las partículas de gas colisionaron mutuamente, mientras que las estrellas y la materia oscura fueron afectadas. No puede explicarse por una ley alterada de gravedad centrada en las partículas de gas caliente y proporcionó evidencia directa de que la mayor parte de la materia en el cúmulo bala es materia oscura. Aunque tales colisiones violentas entre grupos son raras, (MACS J0025.4-122) muestra el mismo efecto.
Velocidad de rotación de las galaxias.
Medir la aceleración de la materia orbitando alrededor de un objeto es el método básico para determinar la masa de dicho objeto. Por ejemplo, al medir la aceleración centrípeta de un planeta que orbita el sol a una distancia conocida, puede determinarse la masa que debe tener el sol para producir esa aceleración.
De manera similar, los astrónomos pueden calcular la masa de una galaxia midiendo la aceleración de las nubes que orbita alrededor de los bordes exteriores de una galaxia. Pionero por Vera Rubin y sus colegas demostraron que, tanto para su sorpresa, la masa requiere de muchas galaxias espirales es mucho mayor que la masa observada de todas las estrellas visibles y gas. Aproximadamente 5 veces mayor!
Foto derecha:
Ingredientes de la vía láctea
* Agujero negro en el medio
* Delgado disco de estrellas, gas y polvo
* Globulares cúmulos estelares
* Nube de materia oscura que contiene la mayor parte de la masa de la galaxia.
(Ilustración: NASA/CXC/M.Weiss)
Muchos estudios posteriores confirmaron este descubrimiento, y el panorama general que ha surgido es la de un disco de estrellas y gas incrustado en un halo esférico, grande de materia oscura.
Gas caliente en galaxias elípticas
Grandes galaxias elípticas tienen atmósferas extendidas de gas caliente que parecen estar en equilibrio. La presión del gas caliente se equilibra con la fuerza gravitatoria de toda la masa de una galaxia. Chandra y otros telescopios de rayos x pueden utilizarse para medir la presión de gas caliente y observaciones con telescopios ópticos pueden utilizarse para determinar la masa de las estrellas.
La conclusión: no hay suficiente masa en las estrellas y gas para proporcionar la gravedad necesaria. Las galaxias elípticas deben contener aproximadamente cinco veces como mucho masa de materia oscura como la cantidad actual de estrellas y gas.
Movimientos al azar de estrellas en galaxias enanas
Las Galaxias enanas son sistemas débiles, discretos con sólo unos pocos millones de estrellas, pero en última instancia pueden desempeñar un papel clave en la comprensión de la materia oscura. Las mediciones de los movimientos al azar de estrellas en las galaxias enanas cercanas indican que estas galaxias pueden requerir una fracción mucho mayor de materia oscura que las galaxias normales. Pueden ser los mejores lugares para buscar radiografías o rayos gamma que podrían derivarse de la decadencia o la aniquilación de las partículas de materia oscura.
Gas caliente en cúmulos de galaxias
La primera indicación de la magnitud del problema de materia oscura proviene de un estudio de 1933 por Fritz Zwicky de la velocidad de los movimientos aleatorios de galaxias en el cúmulo de Coma de galaxias. Encontró que 10 a 100 veces más materia que podrían ser detectadas en las estrellas era necesaria para mantener el cúmulo de galaxias y que no vuele en pedazos
Una posibilidad era que el llamado "asunto falta" en forma de gas caliente indetectable con telescopios ópticos. De hecho, en las últimas dos décadas, telescopios de rayos x han descubierto enormes nubes de gas demillones de grados centigrados en cúmulos de galaxias. Estas nubes de gas caliente aumentan la masa del clúster, pero no lo suficiente para resolver el misterio.
Por el contrario, el gas caliente en cúmulos de galaxias proporciona una confirmación independiente de la materia oscura. Como con las galaxias elípticas gigantes, la medición de la presión de gas caliente en cúmulos de galaxias muestra que debe ser sobre 5 - 6 veces más materia oscura como todas las estrellas y gas que observamos, o podría escapar el gas caliente en el clúster.
Credit images to "NASA/CXC/SAO"
La huella de Einstein detrás del Telescopio Espacial Chandra...
La operación de Chandra y la interpretación de los datos recogidos por Chandra sería imposibles sin un entendimiento del efecto fotoeléctrico. Dos detectores de rayos x de Chandra hacen uso de la expulsión de electrones de átomos por Rayos x a través del efecto fotoeléctrico.
Este proceso también es responsable de la absorción de rayos x por la atmósfera terrestre, razón por la cual Chandra tiene que estar en primer lugar en el espacio.
El papel del efecto fotoeléctrico en astronomía de rayos x es crucial. Casi cada espectro de una fuente de rayos X Chandra hace muestra evidencia de la absorción de rayos x por átomos en el espacio interestelar entre el origen y Chandra, o iones y átomos aglutinados alrededor de un origen cósmico, como una nube de gas frío alrededor de una estrella joven, o un agujero negro acreción fotoeléctrica. Este efecto permite astrofísicos para determinar la cantidad y la composición del gas frío y polvo en el espacio y rastrear el movimiento de los átomos de hierro que orbitan muy cerca de los agujeros negros.
Relatividad especial
La teoría de la relatividad especial implica que: el tiempo pasa a diferentes velocidades para marcos de referencia en movimiento relativo; que la radiación de electrones moviéndose a cerca de la velocidad de la luz es altamente techada y potenciada en energía; y que se pueden crear pares de materia-antimateria de electrones de los fotones de muy alta energías.
Estos efectos son necesarias para interpretar la luz observada de púlsares, ráfagas de rayos gamma y de chorros de rayos x que se originan cerca de agujeros negros supermasivos y extensión sobre cientos de miles de años luz.
Relatividad general
La teoría de la relatividad general implica ese espacio de masa curvas que a su vez implica la existencia de agujeros negros.
Muchas de las poderosas fuentes de rayos x observadas por Chandra se cree que es debido a la X-radiation de gas que se calienta a millones de grados como arremolinan hacia agujeros negros. La teoría de la relatividad general se utiliza junto con las observaciones de rayos x para determinar cuánto gas está cayendo en estos agujeros negros y establecer límites a sus masas.
Un cuidadoso estudio de los rayos x de gas cayendo hacia agujeros negros en última instancia, puede probar las predicciones de la relatividad general. Ya, observaciones de Chandra han proporcionado pruebas para el arrastre del espacio alrededor de los agujeros negros y la existencia de event Horizon.
Otra consecuencia de la curvatura del espacio por la materia es la curvatura de la luz, que provoca enormes galaxias y cúmulos de galaxias para actuar como lentes gravitacionales. Este fenómeno ha permitido a los científicos usando a Chandra estudiar quasares distantes, y, a través de la comparación con observaciones ópticas, para investigar las condiciones de gas nubes alrededor de agujeros negros con una precisión sin precedentes.
Por último, la relatividad general es la teoría fundamental necesaria para entender la evolución del universo. Observaciones de Chandra de distantes cúmulos de galaxias permiten a los astrónomos a inventariar la cantidad de materia oscura y energía oscura, los dos componentes dominantes de masa y energía en el universo.
Nota del autor del Blog: Lo referente a Materia Oscura y Energía Oscura , se publicarán en notas siguientes a estas. No lo hago acá por razones de espacio. ¡Gracias!
La huella de Albet Einstein tras el Telescopio Espacial Chandra...
El año 2005 marca el centenario de "Milagroso año" Albert Einstein en la que publicó tres artículos describiendo ideas que ya han influido en toda la física moderna. En 1905, Einstein escribió tres papeles fundamentales, todo en pocos meses. El primer documento afirmaba que la luz a veces debe comportarse como un flujo de partículas con energías discretas, "quanta". El segundo documento ofreció una prueba experimental de la teoría del calor. El tercer documento dirigida un puzzle central para los físicos del día - la conexión entre la teoría electromagnética y ordinario de movimiento - y resuelto mediante el "principio de la relatividad".
Las huellas dactilares de Einstein pueden encontrarse en prácticamente cada resultado científico obtenido con los datos del Observatorio de rayos X Chandra. A su vez, estos resultados han ampliado nuestro concepto del universo más allá de lo que se imaginaba a comienzos del siglo XX. Tres de los descubrimientos de Einstein-del efecto fotoeléctrico, la teoría de la relatividad y la teoría de la relatividad general (publicada en 1915) se describen a continuación, con ejemplos de cómo su trabajo es utilizado ampliamente por los astrónomos de rayos X.
Efecto fotoeléctrico
Es bien sabido que el trabajo de Einstein sobre la relatividad había transformado el paisaje de la física, pero generalmente no se aprecia que recibió el Premio Nobel por sus trabajos sobre el efecto fotoeléctrico. Sus trabajos premiados mostraban que la emisión de electrones de una sustancia cuando huelgas luces alta energías puede explicarse si la luz se compone de fotones que se comportan como partículas.
Nota del autor del blog: "En este punto debo detenerme para mostrar un resumen de la Biografía de Albert Einstein, quién despues de mi Padre fue el inspirador de mi vida y afán de estudios... algunos lamentablemente no pude encarar por falta de recursos"
Biografía
Albert Einstein nació en Ulm, en Wurtemberg, Alemania, 14 de marzo de 1879. Seis semanas más tarde la familia se trasladó a Munich, donde más tarde comenzó su escolaridad en el Luitpold Gymnasium. Posteriormente, se trasladaron a Italia y Albert continuó su educación en Aarau, Suiza y en 1896 ingresó en la escuela de Politécnica Federal de Suiza en Zurich para ser entrenados como profesor de física y matemáticas. En 1901, el año en que obtuvo su diploma, adquirió la ciudadanía suiza y, como no pudo encontrar un puesto de enseñanza, aceptó un puesto como asistente técnico en la Oficina de patentes de Suiza. En 1905 obtuvo su doctorado.
Durante su estancia en la Oficina de patentes y en sus ratos libres, produjo gran parte de su notable trabajo, y en 1908 fue nombrado profesor en Berna. En 1909 se convirtió en profesor extraordinario en Zurich, en 1911 profesor de física teórica en Praga, volvió a Zurich en el año siguiente para llenar un puesto similar. En 1914 fue nombrado a Director del Kaiser Wilhelm Institute física y profesor en la Universidad de Berlín. Se convirtió en un ciudadano alemán en 1914 y permaneció en Berlín hasta 1933 cuando renunció a su ciudadanía por razones políticas y emigró a Estados Unidos para tomar la posición de profesor de física teórica en el Princeton. Se convirtió en un ciudadano de Estados Unidos en 1940 y se retiró de su cargo en 1945.
Tras la Segunda Guerra Mundial, Einstein fue una figura destacada en el movimiento de Gobierno Mundial, fue ofrecida la Presidencia del Estado de Israel, que rechazó, y colaboró con el doctor Chaim Weizmann en el establecimiento de la Universidad Hebrea de Jerusalén.
Einstein siempre parece tener una visión clara de los problemas de la física y la determinación para resolverlos. Tenía una estrategia propia y fue capaz de visualizar las principales etapas en el camino hacia su meta. Consideraba sus principales logros como mero peldaño para el siguiente avance.
Al comienzo de su trabajo científico, Einstein se dio cuenta de las insuficiencias de la mecánica newtoniana y su teoría de la relatividad especial que se deriva de un intento de conciliar las leyes de la mecánica con las leyes del campo electromagnético. Trató con los clásicos problemas de mecánica estadística y en el que se fusionaron con la teoría cuántica: Esto condujo a una explicación del movimiento browniano de moléculas. Investigó las propiedades térmicas de la luz con una densidad de baja radiación y sus observaciones sentaron las bases de la teoría de fotones de luz.
En sus primeros días en Berlín, Einstein postuló que la interpretación correcta de la teoría de la relatividad especial también debe proporcionar una teoría de la gravitación y en 1916 publicó su libro sobre la teoría de la relatividad general. Durante este tiempo también contribuyó a los problemas de la teoría de la radiación y la mecánica estadística.
En la década de 1920, Einstein se embarcó en la construcción de las teorías de campo unificado, aunque continuó trabajando en la interpretación probabilística de la teoría cuántica, y él perseveró con esta obra en América. Contribuyó a la mecánica estadística por su desarrollo de la teoría cuántica de un gas monoatómico y que también ha realizado trabajo valioso en relación con probabilidades de transición atómica y cosmología relativista.
Después de su retiro continuó trabajando hacia la unificación de los conceptos básicos de la física, adoptando el enfoque opuesto, geometrización, para la mayoría de los físicos.
Investigaciones de Einstein por supuesto, son, bien narradas y sus obras más importantes incluyen la teoría de la relatividad especial (1905), (traducciones al inglés, 1920 y 1950), la Relatividad General teoría de la relatividad (1916), las investigaciones sobre la teoría del movimiento browniano (1926) y la evolución de la física (1938). Entre sus obras no científicas, sobre el sionismo (1930), por qué la guerra? (1933), Mi filosofía (1934) y mi más tarde años (1950) son quizás los más importantes.
Albert Einstein recibió doctorados honoris causa en ciencia, medicina y filosofía de las universidades de muchos europeos y americanos. Durante la década de 1920, dio conferencias en Europa, América y el Lejano Oriente y le otorgó becas o pertenencias de las principales academias científicas en todo el mundo. Obtuvo numerosos premios en reconocimiento de su obra, incluyendo la Medalla Copley de la Royal Society de Londres en 1925 y la medalla Franklin del Instituto Franklin en 1935.
Regalos de Einstein inevitablemente resultaron en su vivienda en soledad intelectual y, para la relajación, la música jugó un papel importante en su vida. Se casó con Mileva Maric en 1903 y tuvieron una hija y dos hijos; su matrimonio se disolvió en 1919 y en el mismo año se casó con su prima, Elsa Löwenthal, quien murió en 1936. Murió el 18 de abril de 1955 en Princeton, Nueva Jersey.
From Nobel Lectures, Physics 1901-1921, Elsevier Publishing Company, Amsterdam, 1967
Esta biografía de autobiografía fue escrita en el momento de la adjudicación y publicado por primera vez en la serie de libro Les Prix Nobel. Más tarde fue editado y reeditado en conferencias Nobel. Para citar este documento, siempre Estado la fuente como se muestra arriba.
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* Albert Einstein fue formalmente asociado con el Instituto de estudios avanzados, ubicado en Princeton, Nueva Jersey.
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