¿Qué es el IAA-CSIC?

2016-01-18T00:00:00

Dirección: Pablo Cano
Animación: Pablo Cano
Guión: Emilio José García Gómez-Caro
Locución: Susana Escudero (RTVA) y Emilio José García
Música: Magnetic Wind - The Message

Vídeo realizado por el Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC) y la Fundación Española de Ciencia y Tecnología (FECYT)

El universo desde Granada

Uno de los inconvenientes de la astrofísica, la imposibilidad de llevarse el objeto de estudio al laboratorio, sugiere una visión verdaderamente poética de esta disciplina: ¿no resulta sorprendente que sepamos qué hay dentro de las estrellas sin siquiera tocarlas? ¿O que conozcamos cómo era el Sistema Solar miles de millones de años antes de la aparición de la vida? ¿O incluso que seamos capaces de anticipar el futuro de nuestra Galaxia, la Vía Láctea, y del resto de galaxias? Los astrónomos han conseguido, a través de diversos medios, vencer la resistencia del universo a dejarse conocer. Hasta tal punto que presentar un centro de investigación como el Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC) obliga no solo a hablar sobre qué son los planetas, las estrellas y las galaxias, sino también sobre su posición, características y comportamiento, e incluso sobre su pasado y su futuro. Hacemos aquí un repaso, a modo de tráiler, de lo que se investiga en el IAA, que esperamos sirva para colocar las piezas en su lugar.

Nuestro vecindario

El Sistema Solar no presenta, ni remotamente, una distribución uniforme. Tenemos una estrella, el Sol, que aglutina más del 99% de la masa total del Sistema, cuatro planetas rocosos de tamaño más bien pequeño (Mercurio, Venus, Tierra y Marte), otros cuatro planetas gaseosos gigantes (Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno), varios planetas enanos confirmados (Plutón entre ellos), cientos de miles de asteroides, más de cuatro mil cometas identificados y más de mil quinientos objetos helados situados más allá de Neptuno. Abrumador, ¿verdad? Pero constituye un vecindario bastante conocido: sabemos que el Sistema Solar se formó hace unos 4.600 millones de años a partir de una única nube de gas y polvo, que comenzó a concentrarse y a rotar hasta aplanarse en forma de disco en cuyo centro, la región más densa y caliente, nació el Sol. A su alrededor se crearon pequeños grumos de gas y polvo, los llamados planetesimales, que poco a poco acumularon suficiente materia para convertirse en planetas, rocosos en las regiones internas y cálidas, y gaseosos en las regiones externas y frías. Encontramos un ejemplo de este proceso en lo que hoy conocemos como cinturón de asteroides, un conjunto de cuerpos rocosos situados entre Marte y Júpiter que constituyen los restos de un planeta que no llegó a formarse debido a la fuerza gravitatoria de Júpiter. Y también quedaron algunos “escombros” en las regiones más externas del Sistema, que forman el cinturón de objetos transneptunianos (o cinturón de Kuiper) y, mucho más lejos, la nube de Oort, una burbuja que rodea todo el Sistema Solar y que puede contener millones de cometas.

Dada su proximidad, el estudio de este complejo vecindario se acomete de diversas formas: el IAA ha participado, por ejemplo, en Mars Express y Venus Express, misiones espaciales de la Agencia Espacial Europea (ESA) que han sobrevolado Marte y Venus respectivamente; en Cassini-Huygens (NASA/ESA) que, además de sobrevolar Saturno, liberó un módulo que descendió sobre la superficie de Titán, una de sus lunas; y en Rosetta, una misión pionera al acompañar al cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko en su viaje hacia las regiones internas del Sistema Solar. El IAA ha participado en ellas tanto en la parte técnica (en electrónica o mecánica) como en el aprovechamiento científico de los datos obtenidos, y en la actualidad está colaborando en misiones con destino a Mercurio (BepiColombo), Marte (ExoMars) y a Júpiter y sus lunas heladas (JUICE).

Y los datos que aportan estas misiones se combinan con estudios desde aquí, en Granada: por ejemplo, el IAA mantiene una investigación muy activa sobre atmósferas planetarias, incluida la terrestre, que no solo busca responder a preguntas sobre su origen y evolución, sino que trata de comprender su comportamiento global, un sistema muy complejo en el que intervienen numerosos factores. Para ello desarrolla modelos teóricos, que aplica al análisis de los datos obtenidos con telescopios y satélites (como SABER o MIPAS), y cuenta con un laboratorio experimental que estudia cómo las partículas de polvo dispersan la luz, algo esencial para el estudio tanto de las atmósferas planetarias como de la envoltura de gas y polvo que rodea el núcleo de los cometas. El estudio de estos últimos, junto con los asteroides y el resto de “escombros” helados más allá de Neptuno, constituye una línea de investigación en el centro que busca comprender la historia del Sistema Solar: estos objetos son los bloques originales que, muy transformados, vemos hoy dar forma a cuerpos tan distintos como nuestro sólido planeta y el liviano Saturno, cuya densidad es tan baja que flotaría en el mar. Y nuestra estrella, el Sol, también es objeto de investigación en el centro: sabemos que tiene manchas (o regiones algo más frías), que sufre fenómenos violentos (que, además de producir las auroras boreales, pueden interrumpir las comunicaciones terrestres e incluso provocar apagones), y que su actividad se ciñe a un ciclo de once años. Y sabemos que todo ello se debe a su campo magnético, pero desconocemos con exactitud cómo funciona. Investigadores del IAA estudian ese motor de la actividad solar, y participan de manera destacada en misiones como Sunrise y Solar Orbiter (ESA).

Estrellas

Su interior, ciclo de vida y planetas Según nos alejamos de nuestro Sistema Solar nos encontramos ante un drástico cambio de escala: el kilómetro, o incluso la Unidad Astronómica –la distancia de la Tierra al Sol, ciento cincuenta millones de kilómetros–, resultan ineficaces y tenemos que acudir a otras unidades de medida, como el año luz, para estudiar el universo. Y es que las estrellas se encuentran realmente lejos unas de otras: para hacernos una idea, la luz de la estrella más cercana, Próxima Centauri, tarda cuatro años en llegar hasta nosotros, en tanto que la del Sol nos alcanza en apenas ocho minutos. Auguste Comte aseguraba, en 1825, que nunca conoceríamos las estrellas de otra forma que como inalcanzables puntos de luz en el cielo debido a su enorme distancia. Claramente, se equivocó. Las estrellas son enormes esferas de gas (el radio del Sol es ciento nueve veces el de la Tierra, y es una estrella mediana), compuestas sobre todo por hidrógeno y helio, y que generan energía gracias a las reacciones termonucleares que se producen en su núcleo: el hidrógeno, su “combustible”, se convierte en helio en un proceso que genera energía. Esta energía se va haciendo camino hacia la superficie estelar y viaja enormes distancias hasta llegar a nuestros ojos.

En el IAA se estudian las estrellas desde muy diversos puntos de vista y a través de diferentes técnicas: se emplea la fotometría, que mide con precisión el flujo de luz de una estrella y sus posibles variaciones, la espectroscopía, una técnica que descompone su luz y permite estudiar su composición, temperatura o velocidad de rotación, y la astrosismología, que mide las oscilaciones en la superficie de las estrellas, un fenómeno parecido a los terremotos terrestres pero, en este caso, causado por el movimiento del gas en su interior (la misión internacional CoRoT, en la que participó el Instituto de Astrofísica de Andalucía, empleaba esta técnica, que permite analizar la estructura interna de las estrellas). También se desarrollan herramientas teóricas que ayudan a comprender las observaciones y que se centran en aspectos específicos, como la rotación de la estrella, sus modos de oscilación o su estadio evolutivo.

Hablando de evolución, ¿saben que una estrella, después de nacer a partir de una nube de gas, pasa muchísimos años (entre millones y billones) en una etapa conocida como secuencia principal, y que después sufre cambios drásticos que la llevan a la muerte? En el IAA también se estudian esas primeras y últimas etapas de la vida de las estrellas, durante las que su interacción con el entorno, o con el medio interestelar, es significativa. Se investiga el proceso de formación estelar y los distintos mecanismos que intervienen en él, desde la nube de gas original hasta la entrada en la etapa adulta, así como los momentos últimos, en los que la estrella, dependiendo de su masa, explotará como supernova o se convertirá en una nebulosa planetaria. Algunas estrellas –las muy muy masivas, con unas treinta veces la masa del Sol–, producirán al morir uno de los eventos más energéticos conocidos, una explosión de rayos gamma (GRB, de su nombre en inglés). Se trata de intensos destellos de rayos gamma con una duración de entre una centésima de segundo y varios minutos, y que son tan impredecibles como escurridizos. Sin embargo, la combinación de la observación con satélites como Swift (NASA), con la de telescopios robóticos de gran velocidad de apuntado, como los pertenecientes a la Red BOOTES, gestionada por el IAA, comienza a aportar luz a un fenómeno que, hace apenas diez años, constituía uno de los mayores enigmas de la astrofísica.

De estrellas binarias a galaxias

Si queremos poner en contexto las estrellas, hay que hablar de cómo se agrupan. Además de formar sistemas binarios o múltiples (varias estrellas girando en torno a un centro común), existen dos tipos de agrupaciones estelares básicas: los cúmulos abiertos, compuestos por estrellas jóvenes y calientes, y los cúmulos globulares, que agrupan hasta millones de estrellas, aunque en este caso viejas y frías.

Y, si buscamos sociedades estelares aún mayores, llegamos a las galaxias. Las galaxias son conjuntos de estrellas, gas y polvo que se mantienen unidos por la fuerza de la gravedad y que presentan diferentes tamaños y formas. La nuestra, la Vía Láctea, es una galaxia espiral que contiene entre cien y cuatrocientos mil millones de estrellas y forma parte del cúmulo de galaxias llamado Grupo Local, que incluye también a Andrómeda y otras treinta galaxias de menor tamaño. Su interacción con las galaxias vecinas constituyó la pista inequívoca para dilucidar su origen: la Vía Láctea se formó por la fusión de varias galaxias enanas y no lleva una vida apacible y aislada, sino que sigue en proceso de “construcción”. La gran evidencia se halló en 1994, escondida tras las densas regiones centrales de la Vía Láctea: se trata de la galaxia enana de Sagitario, que gira en torno a la Vía Láctea y que, se anticipa, no sobrevivirá una órbita más y se fusionará con ella en unos setecientos cincuenta millones de años. Astrónomos del Instituto de Astrofísica de Andalucía estudian las poblaciones estelares de la Vía Láctea para desentrañar su estructura, para ahondar en su proceso de formación y evolución e incluso para ver lo que no se ve: a 26.000 años luz de la Tierra, en el centro la Vía Láctea, habita Sgr A*, un agujero negro supermasivo cuya existencia, propuesta hace más de treinta años, no fue confirmada hasta finales del siglo pasado; los astrónomos observaron estrellas girando alrededor del centro galáctico a velocidades de mil quinientos kilómetros por segundo (cincuenta veces más rápido que la Tierra alrededor del Sol), y solo la fuerza gravitatoria de un agujero negro podría retener a estas estrellas en sus aceleradísimas órbitas.

Se estima que, a lo largo de su vida, Sgr A* ha devorado una cantidad de materia equivalente a más de dos millones de soles, aunque se queda pequeño comparado con otros agujeros negros supermasivos, como el de la galaxia M87, con una masa estimada de unos tres mil millones de soles. Los astrónomos saben que la mayoría de las galaxias a partir de un cierto tamaño ocultan un agujero negro supermasivo en su centro y podría decirse que, mientras algunos se hallan en un estado de letargo, como Sgr A*, otros están bien despiertos y activos. De hecho, el término “núcleos activos de galaxias” (AGNs, del inglés) designa a un grupo de galaxias cuya energía, muy superior a la que pueden producir sus estrellas, se halla concentrada en la región central, o núcleo. Se cree que es la materia existente en el entorno del agujero negro la que, en su proceso de caída, libera esa energía, pero los AGNs constituyen fenómenos muy complejos que aún presentan incógnitas: en algunos casos, por causas aún no del todo claras, se observan unos chorros de partículas que viajan casi a la velocidad de la luz y que emanan del núcleo. Se trata de los mayores aceleradores de partículas del universo, se conocen como jets relativistas e integran una línea de investigación dentro del IAA que se lleva a cabo mediante observaciones en diferentes longitudes de onda y con simulaciones numéricas, y que busca definir detalles sobre su estructura y composición y sobre cómo y dónde se generan.

Galaxias por doquier

Ahora vamos a irnos muy lejos para apreciar el paisaje que forman las galaxias. Nuestro Grupo Local constituye una diminuta entidad dentro del universo, formado por miles de millones de galaxias que se agrupan en pares de galaxias, grupos de decenas de ellas, cúmulos de cientos y supercúmulos. Si pudiéramos hacer lo imposible y sacar una fotografía desde fuera del universo, veríamos una estructura a gran escala con una disposición curiosa: la distribución de galaxias en el espacio se muestra como una colección de vacíos gigantes con forma de burbuja, separados por películas y filamentos constituidos por galaxias, con los supercúmulos apareciendo ocasionalmente como nodos relativamente densos.

La variedad de galaxias resulta abrumadora (enanas, gigantes, elípticas, espirales, irregulares, lenticulares, barradas y no barradas, activas y no activas, en grupos o solitarias), y además hay que considerar que, al mirar muy lejos, estamos contemplando el pasado del universo: la luz solar tarda ocho minutos en alcanzarnos, lo que supone que siempre vemos el Sol cuando era ocho minutos más joven; pero si trasladamos esto a las galaxias lejanas veremos que los telescopios muy potentes son, en cierto sentido, como máquinas del tiempo. De hecho, el Telescopio Espacial Hubble ha conseguido observar galaxias tan distantes que su luz ha tardado en alcanzarnos más de trece mil millones de años (el universo tiene una edad estimada de trece mil ochocientos millones de años, de modo que estamos hablando de la etapa en la que se formaron las primeras galaxias). Así que no solo podemos clasificar y estudiar las galaxias de nuestra época, sino que también podemos conocer cómo eran las generaciones anteriores. En el Instituto de Astrofísica de Andalucía se investigan las condiciones necesarias para encender la actividad en los núcleos galácticos (o los factores que provocan que un agujero negro supermasivo salga de su letargo), así como el papel que juegan la actividad nuclear y el entorno en la evolución de las galaxias; también se estudian las estrellas muy masivas, cuyo aporte de energía e interacción con el medio resultan determinantes en la evolución de algunas galaxias, así como el medio interestelar y la relación entre la masa de las estrellas y su contenido en elementos pesados, ambos imprescindibles para entender la formación estelar.

El todo...

Ya conocemos, más o menos, las partes, y llegamos al todo, a la cosmología, una rama de la astronomía que trata de las leyes generales, del origen y de la evolución del universo. Edwin Hubble demostró, en 1929, que las galaxias se alejan unas de otras y que además este desplazamiento aumenta con la distancia: cuanto más distantes, a mayor velocidad se alejan. Es lo que se denomina expansión del universo, un proceso que, si rebobinamos mentalmente, muestra las galaxias acercándose y apunta al origen de todo: a un instante, hace trece mil ochocientos millones de años, en el que toda la materia y energía estaba contenida en un punto infinitamente denso y pequeño que experimentó una violenta expansión, origen del tiempo, el espacio y todas las agrupaciones de materia. Es lo que se conoce como big bang y constituye, hasta la fecha, el esqueleto teórico que mejor explica el origen del universo en el que vivimos.

Quedan, sin embargo, muchas incógnitas: para comprender el universo y anticipar su evolución debemos tener en cuenta toda la materia y energía que lo compone, y un gran porcentaje de esta es invisible o completamente desconocida. Las últimas investigaciones indican que el universo se compone en un 68,3% de energía oscura, una fuerza repulsiva que provoca el progresivo (y acelerado) distanciamiento de las galaxias, en un 26,8% de materia oscura, un tipo de materia que no emite ni refleja luz y que solo puede detectarse por su acción gravitatoria, y en un frugal 4,9% de materia ordinaria, o el tipo de materia que forma las galaxias, las estrellas, los planetas y nosotros mismos. Demasiadas cosas oscuras, ¿verdad?

En el IAA se lleva a cabo un acercamiento a los problemas cosmológicos que incluye modelos teóricos, datos observacionales (sobre todo a través de cartografiados de galaxias a gran escala) y desarrollo de instrumentación, que busca profundizar en la naturaleza, distribución y dinámica de las galaxias y de los cúmulos de galaxias para comprender su evolución, así como detectar y conocer la materia oscura y averiguar la naturaleza de la energía oscura y las implicaciones de su existencia.

Y sus leyes

Al definir el término cosmología hemos hablado de las leyes del universo, un término que puede intimidar pero que nos remite a un fenómeno muy cotidiano: una de esas leyes generales, la gravedad, es la que hace que se nos caigan las cosas y la que nos mantiene pegados a la Tierra, a la Tierra girando en torno al Sol, al Sol girando en torno al centro de la Vía Láctea, etcétera. Se trata de la fuerza de atracción que experimentan entre sí los objetos con masa, y aumenta si estos objetos son muy masivos pero disminuye si están distantes. Seguro que todo esto les suena del colegio, pero lo curioso llega al observar los efectos de la gravedad. Einstein, en su teoría de la relatividad, mostró que el tiempo y el espacio, que siempre se habían considerado entidades diferenciadas, formaban en realidad una entidad única: el espacio tiempo.

El espacio tiempo es el escenario en el que se desarrollan todos los eventos físicos del universo, y se trata de un tejido maleable: una analogía muy utilizada compara el espacio tiempo con una sábana tensada, que representaría el universo sin materia. Si ponemos una pelota sobre ella el tejido a su alrededor se curvará, de igual modo que el Sol produce una curvatura espacio temporal. Y, si añadimos una pelota menor cerca de la otra, se verá atraída por ella (esta era la Tierra). Pero, ¿qué ocurriría si depositamos una pelota muy, muy pesada? La curvatura será extrema, ¿no? Pues esto es lo que ocurre en el universo en torno a objetos muy masivos, como los agujeros negros. Los escenarios de gravedad en situaciones extremas, como los agujeros negros o el mismo origen del universo, constituyen una línea de investigación en el IAA que engloba diferentes objetivos, entre ellos tender puentes entre las leyes del universo macroscópico (la gravedad) y el microscópico (la física cuántica), profundizar en el conocimiento de las ondas gravitatorias, una especie de “arrugas” en el espacio tiempo producidas por el movimiento de objetos muy masivos (piensen en las ondas producidas al tirar una piedra a un estanque), o averiguar por qué algunas partículas elementales tienen masa cuando, según la teoría, no deberían tenerla (este es también uno de los objetivos del Gran Colisionador de Hadrones –LHC–, el mayor acelerador de partículas del mundo).

Bueno, y ahora que hemos surcado el universo y llegado hasta sus mismos confines, toca volver, un poco bruscamente, a nuestra silla y al folleto que tenemos entre manos. Desde el Instituto de Astrofísica de Andalucía queremos transmitir nuestra pasión por la ciencia en general y la astrofísica en particular. Una pasión que, esperamos, compartan con nosotros.

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