12 mayo 2013

Potencia oscura: Grandes diseños para el viaje interestelar


Nave de agujero negro
“El espacio es grande”, escribió Douglas Adams en su libro Guía del Autoestopista Galáctico. “No creerías cómo de vasto, enorme, alucinantemente grande es”.
No estaba exagerando. Incluso nuestra estrella más cercana, Proxima Centauri, está a unos asombrosos 4,2 años luz de distancia – más de 200 000 veces la distancia de la Tierra al Sol. O, si lo prefieres, el equivalente a 50 millones de viajes de ida y vuelta a la Luna.

Distancias tan vastas parecerían poner a las estrellas mucho más allá del alcance de los exploradores humanos. Supón que hubiésemos sido capaces de subirnos en la Voyager 1 de la NASA, la sonda interestelar más rápida construida hasta la fecha. La Voyager 1 está ahora saliendo del Sistema Solar a aproximadamente 17 kilómetros por segundo. A esta velocidad necesitaríamos 74 000 años para alcanzar Proxima Centauri – huelga decir que no estaríamos por allí para disfrutar de las vistas.
Entonces, ¿qué necesitaríamos los humanos para alcanzar las estrellas en el lapso de una vida? Para empezar, necesitaríamos una nave espacial que pueda surcar el cosmos casi a la velocidad de la luz. No ha habido escasez de propuestas: vehículos propulsados por repetidos estallidos de bombas de hidrógeno, o de la aniquilación de materia y antimateria. Otras recuerdan a vastos veleros con gigantescas velas reflectantes, empujadas por rayos láser.
Todos estos ambiciosos esquemas tienen sus inconvenentes y es duduso que puedan cubrir tal distancia. Ahora hay dos nuevas posibilidades radicales sobre la mesa que podrían permitirnos – o a nuestros descendientes – alcanzar las estrellas.
En agosto, el físico Jia Liu de la Universidad de Nueva York esbozó su diseño para una nave alimentada por materia oscura (arxiv.org/abs/0908.1429v1). Poco después, los matemáticos Louis Crane y Shawn Westmoreland de la Universidad Estatal de Kansas en Manhattan propusieron planes para una nave alimentada por un agujero negro artificial (arxiv.org/abs/0908.1803).
Nadie discute que una nave impulsada por agujeros negros o materia oscura sería una tarea formidable. Aunque, es de notar, parece no haber nada en nuestra actual comprensión de la física que evite hacer una. Es más, Crane cree que estudios de factibilidad como el suyo tocan cuestiones de la cosmología que otras investigaciones no han considerado.
Combustible sobre la marcha
Toma la nave de materia oscura de Liu. La mayor parte de astrónomos están convencidos de la existencia de la materia oscura debido a la forma en que la gravedad tira de las estrellas y galaxias que vemos en nuestros telescopios. Tales observaciones sugieren que la materia oscura supera en peso a la materia visible del universo en un factor de seis – por lo que una nave de materia oscura podría tener una gran cantidad de combustible.
Liu se inspiró en una audaz nave propuesta por el físico estadounidense Robert Bussard en 1960. El diseño “ramjet de Bussardt” usaba campos magnéticos generados por la nave para captar el tenue gas del espacio interestelar. En lugar de usar cohetes convencionales, la nave sería impulsada forzando al gas de hidrógeno a acumularse para pasar por una fusión nuclear y expulsar los subproductos energéticos para generar el impulso.
Dado que la materia oscura es tan abundante en el universo, Liu imagina un cohete que no necesite transportar su propio combustible. Esto supera inmediatamente uno de los obstáculos de muchas de las naves propuestas, cuyo enorme suministro de combustible se añade al peso y estorba a su capacidad para acelerar. “Un cohete de materia oscura captaría su combustible sobre la marcha”, dice Liu.
Su plan es dirigir el cohete usando la energía liberada cuando las partículas de materia oscura se aniquilan entre sí. Aquí es donde la idea de Liu depende más de la física especulativa. Nadie sabe de qué está hecha en realidad la materia oscura, aunque hay numerosas teorías del mundo subatómico que contienen potenciales candidatos para la misma. Uno de los principales aspirantes propone que la materia oscura está hecha de neutralinos, partículas que no tienen carga eléctrica. Los neutralinos tienen la curiosidad de ser sus propias antipartículas: dos neutralinos que colisionen bajo las circunstancias correctas se aniquilarán entre sí.
Si las partículas de materia oscura se aniquilan de esta forma, toda su masa se convertirá en energía. Un kilogramo de la materia dará aproximadamente 1017 joules, más de 10 mil millones de veces la energía de un kilogramo de dinamita, y de sobra para impulsar el cohete hacia adelante.
Aún menos certeza hay en el detalle de cómo podría funcionar un cohete de materia oscura. Liu imagina el motor como una “caja” con una puerta que se abre en la dirección del movimiento del cohete. Cuando la materia oscura entra, la puerta se cierra y la caja se encoge para comprimir la materia oscura y aumentar el ritmo de aniquilación. Una vez que tiene lugar la aniquilación, se abre otra puerta y los productos salen disparados del cohete. Todo el ciclo se repite una vez tras otra.
Liu señala que cuanto más rápido viaje su cohete de materia oscura, más rápido recolectará la materia oscura y acelerará. Cómo de rápido puede acelerar depende de la densidad de materia oscura de sus alrededores, el área de recolección del motor y la masa del cohete. En sus cálculos, Liu asume que la nave pesa apenas 100 toneladas y que tiene un área de recolección de 100 metros cuadrados. “Tal cohete podría ser capaz de alcanzar la velocidad de la luz en unos pocos días”, comenta. Por lo que el viaje a Proxima Centauri sería recortado de decenas de miles de años a unos pocos.
Sin embargo, hay un pequeño problema. Para trabajar de forma más eficiente, el cohete de Liu tendría que volar a través de densas regiones de materia oscura. Por lo que sabemos, la mayor concentración de materia oscura está a 26 000 años luz de distancia en el centro de la Vía Láctea. Aún así, Liu señala que nadie ha hecho un mapa detallado de la materia oscura en nuestra galaxia y espera encontrar concentraciones más cercanas.
Y, si eso no fuese suficiente para desecharlo, ¿cómo se construye un motor que no filtre la materia oscura? “Éste es el talón de Aquiles de la idea”, dice Crane. La materia oscura, por su propia naturaleza, interactúa muy débilmente con la materia normal y pasaría a través de ella. Esto podría explicar por qué los experimentos en la Tierra no han sido capaces de captar el paso de ninguna partícula de materia oscura.
Crane cree que fabricar un cohete a partir de materiales que aún no estamos seguros si existen es un salto de fe demasiado grande. Prefiere tratar con la física y tecnología más establecida. Liu sigue impertérrito. Señala a las teorías que contienen grandes cantidades de otras partículas aparte de las comunes y las partículas de materia oscura, tales como aquellas con dimensiones extra. “Es posible que exista un tipo de materia que intractúe fuertemente con ambas”, comenta. “Esto podría usarse para crear la caja”.
El punto dulce del agujero negro
Para llegar a las estrellas, tienes que exprimir cada joule de energía de tu combustible. Los cohetes químicos son terriblemente ineficientes, convirtiendo apenas el 10-8 por ciento de su masa en energía. Incluso la fusión convierte menos de 1 uno por ciento del combustible nuclear en energía. Un cohete de antimateria sería el estándar dorado. “Está garantizado que extraerás el 100 por cien de la energía a partir de una aniquilación de materia-antimateria”, dice Crane. “No obstante, la antimateria es tremendamente ineficiente de fabricar en primer lugar, y una cosa muy peligrosa – si toca tu nave la mandará al Reino de los Cielos”.
Crane está convencido de que la única opción es, de hecho, la radiación de Hawking. En la década de 1970, Stephen Hawking demostró que los agujeros negros no son completamente negros: pueden “evaporarse”, cuando toda su masa se convierte en una feroz lluvia de partículas subatómicas. Es esta radiación lo que Crane cree que podría usarse para propulsar una nave a través de la galaxia.
Los agujeros negros muy pequeños emiten mucha más radiación de Hawking que los grandes agujeros de masa estelar, de acuerdo con las ecuaciones que describen los agujeros negros. Crane ha calculado que un agujero negro que pese un millón de toneladas sería una fuente de energía perfecta: es lo bastante pequeño para generar suficiente radiación de Hawking como para alimentar la nave, y lo bastante grande para sobrevivir sin irradiar toda su masa durante un viaje interestelar típico de unos 100 años de duración. “Para mis sorpresa, había un ‘punto dulce’”, dice Crane.
La primera persona en proponer el uso de un mini agujero negro como propulsión fue el escritor de ciencia-ficción Arthur C. Clarke en su novela Claro de Tierra (Imperial Earth). Recientemente, Hawking también ha publicitado la idea, defendiendo la persecución de un agujero negro pre-existente. Crane no está seguro de que esto funcione. “¿Cuáles son las opciones de encontrar uno a la deriva por el Sistema Solar?”, se pregunta.
En lugar de esto, tendríamos que crear el nuestro. Para crear un agujero negro, dice Crane, tienes que concentrar una tremenda cantidad de energía en un volumen diminuto. Imagina un gigantesco láser de rayos gamma “cargado” mediante energía solar. La energía sería recolectada mediante paneles solares de 250 kilómetros de diámetro, orbitando a apenas unos pocos millones de kilómetros de distancia del Sol y absorbiendo la luz solar durante aproximadamente un año. “Sería un esfuerzo industrial descomunal”, admite Crane.
El agujero negro resultante de un millón de toneladas tendría aproximadamente el tamaño de un núcleo atómico. El siguiente paso sería maniobrar en el rango focal de un espejo parabólico unido a la parte trasera de los camarotes de una nave. La radiación de Hawking consiste en todo tipo de especies de partículas subatómicas, pero las más comunes son los fotones de rayos gamma. Colimados en un rayo paralelo por el espejo parabólico, serían los gases de escape de la nave y la empujarían hacia adelante.
De acuerdo con Crane, su nave de agujero negro de un millón de toneladas podría acelerar casi a la velocidad de la luz en pocas décadas. Si es demasiado lento para ti, hay una forma de acelerar las cosas. Un agujero negro más pequeño emitiría más radiación de Hawking, por lo que podría impulsarte más rápido siempre que tengas material extra para alimentarlo. Una vez estés viajando a esta velocidad en tu nave, el tiempo frenaría para ti y envejecerías más lentamente que tu familia y amigos de la Tierra. “Podría ser posible alcanzar la galaxia de Andrómedra a 2,5 millones de años luz en el lapso de una vida humana”, dice Crane.
A pesar de los alucinante que parece, Crane reitera que, hasta donde sabe, ésta es la única forma factible de viajar a las estrellas. Lo que genera una interesante pregunta: ¿podría una civilización avanzada estar ya surcando la Vía Láctea a bordo de naves de agujeros negros?
Crane cree que es posible. Por tanto, tal vez buscar naves de agujeros negros sería una forma fructífera de buscar inteligencia extraterrestre. Conforme el agujero negro que impulsa la nave emite su radiación de Hawking, se sacudiría y enviaría una onda a través del espacio-tiempo. Podríamos ser capaces de detectar tales ondas, también conocidas como ondas gravitatorias, aquí en la Tierra.
Primero necesitaríamos construir nuevos observatorios de ondas gravitatorias. Las instalaciones actuales, como los detectores gemelos LIGO en Hanford, Washington, y Livingston, Louisiana están orientados a buscar ondas gravitatorias de baja frecuencia emitidas con agujeros negros y estrellas de neutrones que se fusionan, las cuales serían bastante diferentes de las rápidas ondas emitidas por una nave de agujero negro. “Actualmente, estamos buscando ondas gravitatorias lentas con frecuencias de pocos hercios”, dice Crane. “Creo que merecería la pena barrer el cielo buscando ondas gravitatorias de alta frecuencia”.
Tal vez ET ha elegido construir una nave de materia oscura en lugar de esto. “Si las civilizaciones extraterrestres avanzadas están usando actualmente cohetes de materia oscura, los lugares con mayor densidad de la misma podrían ser como grandes ciudades donde se concentra el tráfico”, dice Liu.
Esto le lleva a especular sobre por qué ningún extraterrestre se ha cruzado en nuestro camino hasta donde sabemos. “Debido a que la densidad de materia oscura en nuestra vecindad es relativamente baja respecto al centro de la Vía Láctea, es difícil lograrla aquí”, dice. Por lo que el mismo problema que evita que exploremos el universo en una nave de materia oscura podría ser lo que evite que ET nos haga una visita.
Universos bebé
Aparte de los retos tecnológicos, Crane cree que las naves de agujeros negros tienen también notables implicaciones filosóficas. Crane empezó a pensar por primera vez en los agujeros negros artificiales hace 12 años cuando el físico Lee Smolin, ahora en el Instituto Perimeter para Física Teórica en Waterloo, Ontario en Canadá, pidió a Crane que leyese el manuscrito de su libro The Life of the Cosmos (La vida del cosmos).
Nadie sabe qué sucede en la singularidad de un agujero negro, el punto donde el espacio y el tiempo se curvan tanto que las leyes de la relatividad colapsan. En su libro, Smolin sugirió que podría crearse y brotar un nuevo universo. Por lo que los universos en los que es probable que surjan, darán vida a más de tales universos. Esto significa que nuestro universo podría ser un universo bebé, y es más probable que haya procedido de uno que es bueno creando tales agujeros negros que no de uno que no lo sea.
Crane se preguntó entonces lo que sucedería si las civilizaciones inteligentes pudiesen crear agujeros negros. Esto significaría que la vida en estos universos desempeñó un papel clave para la proliferación de universos bebé. Smolin pensó que la idea era demasiado descabellada y la dejó fuera de su libro. Pero Crane ha estado pensando en ello durante la última década.
Cree que estamos viendo la selección darwiniana funcionando a la mayor escala posible: sólo los universos que contienen vida pueden crear agujeros negros que a su vez dan vida a otros universos, mientras que los universos inertes están en un camino evolutivo sin salida.
Sus últimos cálculos le hicieron darse cuenta de lo extraño que era que pudiese haber un agujero negro del tamaño adecuado para impulsar una nave. “¿Por qué hay ese punto dulce?”, pregunta. La única razón para que una civilización inteligente cree un agujero negro, observa, es que pueda viajar a través del universo.
“Si esta hipótesis es correcta”, dice, “¡vivimos en un universo que está optimizado para construir naves estelares!”
Formas de ir a las estrellas
Se han propuesto otros métodos para alcanzar las estrellas, aunque todos tienen problemas:
Vela de luz impulsada por láser:
Ventajas:
  • El láser permanece en la Tierra, por lo que la nave no lleva combustible
  • La energía de la luz se convierte de forma eficiente en energía cinética
Desventajas:
  • Descomunal fuente de energía necesaria para alimentar el láser
  • El rayo láser se dispersa, debilitándose su impulso con la distancia
  • Sólo puede transportar cargas ligeras
Cohete de bomba de hidrógeno
Ventajas:
  • Sabemos cómo construir uno
Desventajas:
  • La fusión nuclear es poco eficiente, por lo que necesitaríamos transportar gigatoneladas de combustible
Cohete de antimateria
Ventajas:
  • No requiere mucho combustible, dado que todo el suministro se convierte en energía
Desventajas:
  • La producción de antimateria requiere enormes cantidades de energía
  • Difícil almacenar antimateria en una nave hecha de materia

Autor: Marcus Chown
Fecha Original: 25 de noviembre de 2009
Enlace Original


Tomado de: http://www.cienciakanija.com/2010/01/05/potenci-oscura-grandes-disenos-para-el-viaje-interestelar/

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