Artículo publicado el 13 de agosto de 2012 en Daily Galaxy
El físico Peter Horava, de la Universidad de California en Berkeley, piensa que el grafeno puede ayudarnos a entender qué fue lo que ocurrió inmediatamente después del Big Bang, así como a conocer también qué es lo que sucede cerca del horizonte de sucesos de los agujeros negros, donde los campos gravitatorios son masivos.
En 2011, un equipo de astrónomos, utilizando el Telescopio Espacial Spitzer, informaron de la primera detección extragaláctica de la molécula de fullereno C70 además de la posible detección de C24 plano (“una pieza de grafeno”) en el espacio. Letizia Stanghellini y Richard Shaw, miembros del equipo del Observatorio Nacional de Astronomía Óptica en Tucson, Arizona, describieron cómo las ondas de choque impulsadas por los vientos de viejas estrellas en nebulosas planetarias pueden ser las responsables de la formación de fullerenos (C60 y c70) además de grafeno (C24 planar).
Grafeno en el espacio
El equipo ha sido liderado por Domingo Aníbal García-Hernández del Instituto de Astrofísica de Canarias, en España, e incluye un grupo internacional de astrónomos y bioquímicos.
Las nebulosas planetarias se originan en estrellas similares a nuestro Sol que han llegado al final de sus vidas y se despojan de sus coberturas de gas, que arrojan al espacio. En este caso, las nebulosas planetarias se sitúan en las Nubes de Magallanes, dos galaxias satélites de la nuestra, que se ven mucho mejor desde el Hemisferio Sur. A la distancia de las Nubes de Magallanes estas nebulosas planetarias parecen manchas borrosas.
Sin embargo, al contrario que las nebulosas planetarias de nuestra propia galaxia Vía Lácteam cuyas distancias no conocemos con certeza, la distancia a las nebulosas planetarias de las Nubes de Magallanes pueden determinarse con un error no mayor que un 5%. Con esta precisión el equipo de investigadores ha determinado la verdadera luminosidad de las estrellas y confirmó que los objetos son en realidad nebulosas planetarias y no otro tipo de objetos del zoo astrofísico.
Los fullerenos, o buckybolas, son conocidos por el trabajo de laboratorio en la Tierra y tienen muchas propiedades interesantes e importantes. Los fullerenos consisten en átomos de carbono unidos en una esfera tridimensional muy parecida a las cúpulas geodésicas popularizadas por Buckminster Fuller.
El fullereno C70 tiene un aspecto similar a un balón de rugby, y el C60 con un balón de fútbol. Las dos moléculas han sido detectadas en la muestra. El grafeno (C24 planar) es una lámina plana de átomos de carbono de un átomo de espesor que es extraordinariamente fuerte, conductora, elástica y delgada.
Citada como la sustancia más delgada que se conoce, el grafeno se sintetizó por primera vez en laboratorio en el año 2004 por Geim y Novoselov que recibieron en premio Nobel de Física de 2010. “De confirmarse con espectroscopia de laboratorio – algo que no es posible con las actuales técnicas – esta ocasión puede ser la primera vez que se detecta grafeno en el espacio”, aseguró García-Hernández.
El equipo propone que los fullerenos y el grafeno se forman por el choque inducido (colisiones grano con grano) que destruye los granos de carbono amorfo hidrogenado (HACs). Tales colisiones se esperan en vientos estelares que emanan de nebulosas planetarias y este equipo ha visto evidencias de fuertes vientos estelares en el espectro ultravioleta de estas estrellas.
“Lo que es particularmente sorprendente es que la existencia de estas moléculas no depende de la temperatura estelar sino más bien de la fuerza de sus vientos de choque”, declaró Stanghellini.
La Pequeña Nube de Magallanes es particularmente pobre en metales (cualquier elemento que no sea hidrógeno o helio en la jerga de los astrónomos), pero este tipo de entorno favorece la evolución de nebulosas planetarias ricas en carbono, lo que las convierte en lugares favorables para la presencia de moléculas complejas de este elemento.
El desafío ha sido lograr pruebas de la existencia del grafeno (C24 planar) a partir de los datos del Spitzer. “El Telescopio Espacial Spitzer ha sido muy importante a la hora de estudiar moléculas orgánicas complejas en entornos estelares”, afirmó Stanghellini. “Estamos en la etapa de no solo detectar fullerenos y otras moléculas sino también de comenzar a comprender cómo se forman y evolucionan en las estrellas”, añadió Shaw.
“Estamos planificando un seguimiento desde tierra a través del sistema de telescopios NOAO. Esperamos encontrar otras moléculas en las nebulosas planetarias donde se ha detectado el fullereno para poner a prueba algunos procesos físicos que nos pueden ayudar a entender la bioquímica de la vida”.
Horava ha desarrollado a su vez una nueva teoría de gravedad cuántica que refleja la necesidad de comprender qué ocurrió justo después del Big Bang o qué es lo que pasa cerca del horizonte de sucesos de los agujeros negros donde los campos gravitatorios son masivos.
En la física de la materia condensada, especialmente en el grafeno, una lámina de un átomo de espesor cuyos electrones saltan por la superficie igual que bolas de un pinball, puede describirse usando la mecánica cuántica. Al moverse los átomos de grafeno a solo una fracción de la velocidad de la luz no es necesario tener en cuenta la relatividad.
Pero al grafeno enfriado a temperaturas cercanas al cero absoluto le pasa algo extraordinario: la velocidad de los electrones crece de manera drástica. En ese caso sí son necesarias teorías relativistas para describir el fenómeno. Fue este cambio el que disparó la imaginación de Horava. Lo que le llamó la atención acerca del grafeno es que parece que no siempre se cumple en él la simetría de Lorentz.
Se preguntó si algo similar podría pasar con nuestro universo. Todo aquello que vemos a nuestro alrededor es un universo frío donde el espacio y el tiempo parecen unidos por la simetría de Lorentz, un hecho que los experimentos han corroborado con extraordinaria precisión. Pero todo fue muy distinto en los comienzos. ¿Qué pasa si esa simetría que hoy es aparente no es algo fundamental en la naturaleza si no algo que ha emergido mientras el universo se enfriaba desde la bola de fuego inicial del Big Bang, de la misma manera que emerge en el grafeno cuando se enfría?
Horava ajustó las ecuaciones de Einstein de forma que eliminó la simetría de Lorentz: una propiedad que mantiene la velocidad de la luz constante para todos los observadores, sin importar lo rápido que se muevan, el tiempo se ralentiza y las distancias se contraen exactamente en el mismo grado. Esto condujo a Horava a un grupo de ecuaciones que describen la gravedad en el mismo marco de referencia cuántico que las otras fuerzas fundamentales de la naturaleza: la gravedad emerge por la fuerza atractiva debida a los cuantos llamados gravitones de casi la misma manera que la fuerza electromagnética es propagada por los fotones. También corrigió la relatividad general para incluir una línea preferente de tiempo, del pasado al futuro, la manera en la que el universo parece evolucionar según nuestra observación.
“De repente tenemos nuevos ingredientes para modificar el comportamiento de la gravedad a distancias muy cortas”, declaró Horava en una entrevista a New Scientist.
Al partir en dos la simetría entre el espacio y el tiempo la física de Horava altera la física de los agujeros negros – en especial los microscópicos, cuáles pueden formarse a las mayores energías, qué significa para su formación y si son lo que parecen en el marco de la relatividad general “son cuestiones muy importantes”.
La gravedad de Horava debería poder resolver otro de los grandes misterios de la cosmología moderna: el misterio de la materia oscura. Si las ecuaciones de movimiento derivadas de la relatividad general están ligeramente desplazadas, esto puede explicar las velocidades de las estrellas y las galaxias sin que la materia oscura juegue un papel.
“Es posible que una fracción de la imagen que tenemos de la materia oscura en el universo pueda entenderse con correcciones de las ecuaciones de Einstein”, dijo Horava.
Y lo mismo para la energía oscura: las teorías de la física de partículas predicen que la fuerza de la energía oscura es cerca de 120 órdenes de magnitud mayor de lo observado y la relatividad general no puede explicar esta enorme discrepancia. Pero la teoría de Horava contiene un parámetro que puede ajustarse de manera que la energía del vacío predicha por la física de partículas puede reducirse al menor valor positivo, lo que está en la línea de lo que observamos en el movimiento de galaxias y estrellas.
Las últimas respuestas, por supuesto, llegarán con las observaciones de los agujeros negros supermasivos, que contienen regiones de intensa gravedad, que pueden revelar las correcciones necesarias de la relatividad general y demostrar la teoría de la gravedad cuántica de Horava, de la misma manera que las inexplicadas medidas de la órbita de Mercurio demostraron que las leyes de Newton eran incompletas, abriendo la puerta a Einstein.
Fecha Original: 13 de agosto de 2012
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