Podcast CB SyR 377: Galaxias con el Webb, teoría de cuerdas, Atapuerca, peste negra, agujeros negros supermasivos y holografía

Por Francisco R. Villatoro, el 22 julio, 2022. Categoría(s): Astrofísica • Astronomía • Ciencia • Física • Noticias • Physics • Podcast Coffee Break: Señal y Ruido • Recomendación • Science ✎ 9

He participado en el episodio 377 del podcast Coffee Break: Señal y Ruido [iVooxiTunes], titulado “Ep377: Galaxias; Cráneo; Peste Negra; Agujeros Negros; Holografía», 21 jul 2022. «La tertulia semanal en la que repasamos las últimas noticias de la actualidad científica. En el episodio de hoy: Las galaxias más distantes del JWST (min 9:00); Hallado el cráneo humano más antiguo (47:00); Strings 2022, el congreso de la teoría de cuerdas (1:05:00); El origen de la peste negra (1:18:00); Formación de los primeros agujeros negros supermasivos (1:53:00); Nueva dualidad dS/CFT (2:18:00); Señales de los oyentes (2:38:00). Todos los comentarios vertidos durante la tertulia representan únicamente la opinión de quien los hace… y a veces ni eso. CB:SyR es una actividad del Museo de la Ciencia y el Cosmos de Tenerife. Museos de Tenerife apoya el valor científico y divulgativo de CB:SyR sin asumir como propios los comentarios de los participantes».

Portada gentileza de Manu Pombrol (@manupombrol).

Ir a descargar el episodio 377.

Como muestra el vídeo, Alberto Aparici @cienciabrujula ha reemplazado como conductor del episodio a Héctor Socas Navarro @HSocasNavarro (@pCoffeeBreak), que está de viaje; además, por videoconferencia participamos Ángel López-Sánchez @El_Lobo_Rayado, Gastón Giribet @GastonGiribet, y Francis Villatoro @emulenews (Alberto destaca que dos se encuentran en el hemisferio sur y los otros dos nos encontramos en el hemisferio norte, y en el chat de Youtube comentan que dos están al este del meridiano de Greenwich y otros dos estamos al oeste de dicho meridiano); en la segunda hora se incorpora a la tertulia Sara Robisco Cavite @SaraRC83 (en el hemisferio norte y al oeste de Greenwich, con lo que rompe la simetría terrestre del podcast, a pesar de ello su presencia es siempre bienvenida y sus aportaciones imprescindibles).

Tras la presentación de Alberto, pasamos a breves, donde Ángel nos destaca dos artículos aparecidos en arXiv que presentan candidatos a galaxias muy lejanas en las imágenes del Telescopio Espacial James Webb (JWST). El primero detecta dos candidatos a galaxias GL-z13 con z ~ 13 y GL-z11 con z ~ 11. No se han detectado usando los espectros de JWST, sino los filtros que usa en el infrarrojo (los que luego se usan para colorear las imágenes), en concreto, F090W, F115W, F150W, F200W, F277W, F356W, y F444W.

Se ha estimado la masa de estas galaxias usando modelos teóricos, apuntando a unas ∼10⁹ masas solares; una masa muy grande para lo que se esperaba para las galaxias que aparecieron cuando el universo tenía ≲300−400 millones de años tras el big bang. Si se modela la luz de la estrella con una exponencial se puede estimar que el disco de dichas galaxias tiene un radio de r50 ≈ 0.7 kpc.

Lo más importante que destacamos es que estos candidatos a galaxias son candidatos y habrá que esperar a su ratificación independiente por otros grupos. El artículo con estas galaxias es Rohan P. Naidu, …, Pieter van Dokkum, …, Andrea Weibel, «Two Remarkably Luminous Galaxy Candidates at z≈11−13 Revealed by JWST,» arXiv:2207.09434 [astro-ph.GA] (19 Jul 2022), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2207.09434.

Ángel menciona otro artículo que analiza galaxias de alto z observadas en la primera imagen de JWST. Nos destaca la gran calidad del espectro que ha obtenido el instrumento NIRSpec de JWST. ¡Hasta se puede ver la línea de emisión [O III] 4363 Å. El artículo es D. Schaerer, R. Marques-Chaves, …, N. G. Guseva, «First look with JWST spectroscopy: z∼8 galaxies resemble local analogues,» arXiv:2207.10034 [astro-ph.GA] (20 Jul 2022), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2207.10034.

destacando la primera supernova descubierta por JWST. Se ha anunciado con una astronota «Discovery of Possible Transient in JWST NIRCam Images of SDSS J141930.11+525159.3,» AstroNote 2022-145 (16 Jul 2022) [imagen JPG]. Todavía no se ha publicado ningún artículo estudiando en detalle este candidato a supernova.

También nos destaca que se han hallado en la Sima del Elefante de Atapuerca restos faciales de un cráneo que parece tener más de 1.2 millones de años. Si se confirma la datación se trataría del fósil humano más antiguo del continente europeo. Todavía no se ha publicado ningún artículo, que tardará en llegar al menos un año, pero que se publicará en la revista Nature. El fósil ha sido presentado en rueda de prensa justo tras su descubrimiento (una práctica poco habitual en antropología). Sus descubridores lo califican de hallazgo histórico.

Se incorpora a la tertulia Sara, apasionada de la antropología, como Alberto, que nos ofrece más detalles sobre este hallazgo. Este fósil podría ayudar a arrojar luz sobre muchas cuestiones de la evolución humana que aún están sin resolver. Más información divulgativa en Judith de Jorge, «Hallan en Atapuerca la cara del primer europeo», Ciencia, ABC, 08 jul 2022.

Esta semana se está celebrando el congreso anual de teoría de cuerdas, Strings 2022, Viena, 18-23 julio (https://indico.cern.ch/e/strings22). En el congreso imparten charlas Edward Witten (lunes 18), Juan Maldacena (miércoles 20) y Andrew Strominger (jueves 21), entre otros (el programa detallado para los interesados con las charlas en vídeo y la presentación en PDF). La charla de Witten es sobre su artículo Venkatesa Chandrasekaran, Roberto Longo, …, Edward Witten, «An Algebra of Observables for de Sitter Space,» arXiv:2206.10780 [hep-th] (22 Jun 2022), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2206.10780 (con cosas de Edward Witten, «Gravity and the Crossed Product,» arXiv:2112.12828 [hep-th] (23 Dec 2021), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2112.12828). La charla de Maldacena es sobre su artículo Henry W. Lin, Juan Maldacena, …, Jieru Shan, «Looking at supersymmetric black holes for a very long time,» arXiv:2207.00408 [hep-th] (01 Jul 2022), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2207.00408 (con cosas de su divulgativo Henry W. Lin, Juan Maldacena, …, Jieru Shan, «Holography for people with no time,» arXiv:2207.00407 [hep-th] (01 Jul 2022), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2207.00407).

Nos cuenta Alberto un artículo en Nature sobre el origen de la peste negra, localizado en Kirguistán, en Asia Central. Entre 1347 y 1353 la peste negra devastó Eurasia y el norte de África, falleciendo entre el 30 % y el 60 % de la población de Europa . Causado por la bacteria Yersinia pestis fue el primero de una larga serie durante 500 años. El debate sobre su origen se remonta al siglo XIV. En Kirguistán se encuentran 467 lápidas fechadas con precisión, el 25 % fechadas en dos años, 1338 y 1339; además se indica que la causa de la muerte fue una «pestilencia»; este brote inicial se extendió durante 7 u 8 años. El ADN de los dientes de los esqueletos enterrados indica la presencia de Yersinia pestis. Además, el genoma de estas bacterias es ancestral al genoma del resto de estas bacterias que se han secuenciado de fallecidos por peste a partir de 1347.

Obviamente, este artículo no cierra el debate por completo. Quizás haya restos más antiguas en algún lugar aún por descubrir. Por ahora es solo la evidencia más antigua de un posible origen de la peste negra.  Maria Spyrou de la Universidad de Tübingen en Alemania. También escuchó de Phil Slavin de la Universidad de Stirling en el Reino Unido. Para obtener más información sobre los orígenes de Black Death, consulte el documento en las notas del programa. El artículo es Maria A. Spyrou, Lyazzat Musralina, …, Johannes Krause, «The source of the Black Death in fourteenth-century central Eurasia,» Nature 606: 718-724 (15 Jun 2022), doi: https://doi.org/10.1038/s41586-022-04800-3.

Fuente: Nature (2022) https://www.nature.com/articles/s41586-022-04813-y.

Nos cuenta Gastón un tema que quedó pendiente la semana pasada, un nuevo mecanismo para la formación de los primeros agujeros negros supermasivos. Nos cuenta Gastón los resultados de simulaciones por ordenador de la formación de agujeros negros supermasivos en épocas muy tempranas (desde z = 15.7 hasta z = 6). Se pensaba que el origen de los agujeros negros supermasivos (SMBHs) en el primer millardo después de la gran explosión (desplazamiento al rojo z > 6) requería condiciones exóticas en el medio primordial, o al menos algún tipo de ajuste fino. El problema era que la semilla tenía que ser un agujero negro con una masa entre diez mil y cien mil masas solares; parecía difícil el colapso gravitacional de una región de gas tan grande. Pero las nuevas simulaciones indican todo lo contrario, las regiones con gas muy turbulento colapsan de forma directa (DCBH) sin ningún problema en SBHMs.

Una nube de gas que colapsaría dando lugar a una estrella supermasiva de hasta 300 000 masas solares, no puede colapsar cuando hay demasiada turbulencia (hay fuertes flujos de gas frío que evitan que el gas se caliente lo suficiente). No se forman estrellas hasta que el volumen de gas supera los 40 millones de masas solares (con un desplazamiento al rojo de 25.7, unos 126 millones de años después del big bang), momento en que la gravedad puede superar al efecto de la turbulencia. El halo colapsa formando estrellas supermasivas de vida muy corta que dan lugar a agujeros negros por colapso directo dentre 31 000 y 40 000 masas solares. Así, los primeros SMBHs se formaron sin necesidad de procesos exóticos.

Comentamos que el término estrellas supermasivas no nos gusta. Yo comento que quizás sea más adecuado el término estrella transitoria, pero Gastón prefiere el término semilla. El artículo es Muhammad A. Latif, Daniel J. Whalen, …, Tyrone E. Woods, «Turbulent cold flows gave birth to the first quasars,» Nature 607: 48-51 (06 Jul 2022), doi: https://doi.org/10.1038/s41586-022-04813-y; más información en Daniel J. Whalen, Muhammad A. Latif (and Leslie Sage), «Revealing the origin of the first supermassive black holes,» Nature, 06 Jul 2022, doi: https://doi.org/10.1038/d41586-022-01560-y.

Nos cuenta Gastón dos artículos que firma un teórico de cuerdas amigo suyo (el famoso Tadashi Takayanagi, quien junto Shinsei Ryū introdujo en 2006 un método para calcular la entropía del entrelazamiento cuántico en teorías de campos conformes en el contexto del principio holográfico Juan Martín Maldacena). Por cierto, publicaron juntos el artículo Gaston Giribet, Yasuaki Hikida, Tadashi Takayanagi, «Topological string on OSP(1|2)/U(1),» Journal of High Energy Physics 2009: JHEP09 (01 Sep 2009), doi: https://doi.org/10.1088/1126-6708/2009/09/001, arXiv:0907.3832 [hep-th] (22 Jul 2009), que no se comenta en el podcast. Al grano, los artículos que nos presenta Gastón presentan una nueva dualidad dS/CFT (en concreto, dS₃/CFT₂ inspirada en AdS₃/CFT₂ y en el modelo WZW). La conjetura de Maldacena sobre la dualidad AdS/CFT relaciona una teoría de campos conforme en d dimensiones con un espaciotiempo hiperbólico en d+1 dimensiones (espaciotiempo anti-de Sitter, con constante cosmológica negativa —que implica que está en contracción— y con un borde bien definido). Gastón nos describe que se está intentando lograr una dualidad similar para un espaciotiempo como el nuestro, de tipo de Sitter, en expansión acelerada con una constante cosmológica positiva, pero sin borde (aunque con un horizonte cósmico); la ausencia de borde complica mucho la dualidad con un teoría CFT con una dimensión menos.

Gastón nos lo explica muy bien y destaca que hay que construir un diccionario entre los grados de libertad de ambos teorías. Yo apostillo que puede parecer difícil de entender cómo los grados de libertad de un volumen (bulk) se pueden poner en correspondencia con los grados de libertad de una superficie (borde); la idea clave es que, si se pueden contar los grados de libertad físicos en la teoría cuántica en ambos espacios, el número de estados físicos coincida (de ahí que se pueden poner en correspondencia mediante un diccionario adecuado). Contar estados es algo que se realiza de forma estándar en mecánica estadística usando la función de partición; así que la demostración de la dualidad se reduce a demostrar que las funciones de partición son iguales, a pesar de que los grados de libertad físicos de cada teoría tengan naturaleza muy diferente (por ejemplo, en un caso pueden ser agujeros negros y en otro partículas, o cuerdas abiertas y branas, etc.).

La holografía nació en el campo de la teoría de cuerdas, pero hoy en día tiene vida independiente. A pesar de ello, la mayoría de los expertos en holografía son teóricos de cuerdas. Un artículo es Yasuaki Hikida, …,  Tadashi Takayanagi, Yusuke Taki, «Holography in de Sitter Space via Chern-Simons Gauge Theory,» Physical Review Letters 129: 041601 (18 Jul 2022), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.041601, arXiv:2110.03197 [hep-th] (07 Oct 2021), y el otro es Yasuaki Hikida, …,  Tadashi Takayanagi, Yusuke Taki, «CFT duals of three-dimensional de Sitter gravity,» Journal of High Energy Physics 2022: 129 (20 May 2022), doi: https://doi.org/10.1007/JHEP05(2022)129, arXiv:2203.02852 [hep-th] (06 Mar 2022). Más información divulgativa en Jordan Cotler, «Steps toward Quantum Gravity in a Realistic Cosmos,» APS Physics 15: 107 (18 Jul 2022) [web].

Y pasamos a Señales de los Oyentes.

Juan Manuel Cruz pregunta: «Si son galaxias tan antiguas, ¿no deberían presentar elementos químicos pesados en mucha menos proporción que las que tenemos en el universo local?» Ángel contesta que lógicamente sí, que la metalicidad de estos objetos es diferente a la típica de los objetos que observamos en la actualidad. Pero puede haber objetos muy viejos que mantengan parámetros similares, y gracias a ello sabemos que son objetos muy viejos.

Cristina Hernandez García pregunta:«Homo naledi ¿tuvo migraciones? ¿Qué relación podría tener o no relación?» Contesta Alberto que nadie lo sabe. Solo se ha encontrado esta especie en un lugar, la cámara Dinaledi de la cueva Rising Star, cerca de Johannesburgo (Sudáfrica), la llamada cuna de la humanidad. Así que no sabe casi nada de esta especie.

Lorenzo Escartín pregunta: «¿Hasta qué punto se podrían considerar estos agujeros negros de colapso directo componentes para explicar materia oscura?» Contesta Alberto que estos serían MACHOs y están descartados. Sin embargo, no está descartado que la materia oscura sean agujeros negros primordiales con masa entre la de un asteroide y la Luna; esta ventana según algunos estudios solo podría explicar un porcentaje pequeño de la materia oscura. El gran problema de todo candidato a la materia oscura es explicar cómo se desacopla la materia oscura de la materia en los primeros instantes del universo, para que no afecta a ninguno de los procesos que afectan a la materia hasta que el universo es suficientemente grande como para que la gravitación sea una interacción dominante a escala cósmica y la materia oscura empiece a jugar un rol en la formación de las grandes estructuras de materia. Con los agujeros negros primordiales se requiere mucho ajuste fino para lograrlo.

¡Qué disfrutes del podcast!



9 Comentarios

  1. Muy bueno el artículo citado del ABC sobre el hallazgo de Atapuerca. Dice que hace 1,4 millones de años el clima era más cálido que en la actualidad. Había hipopótamos chapoteando en el norte de España.

  2. ¿Afecta a la turbulencia en esas épocas primigenias la energía de la radiación cósmica de fondo?

    Supongo que en esos momentos la temperatura del fondo cósmico de microondas sería de miles de grados, las estrellas que existieran en ese entorno no serían muy normales y supongo que el flujo del gas tampoco para que se formasen tampoco.

    No me imagino una estrella cuya temperatura superficial fuese más baja que la del entorno.

    1. NoTengoNiIdea, me parece que sabes poco del CMB. Te cuento lo que te cuentan todos los libros de cosmología: el fondo cósmico se formó a z = 1100 (unos 380 000 años desde el inicio) con una temperatura de unos 3000 K (ionización del hidrógeno). Cuando se formaron las primeras estrellas la temperatura del CMB era muy baja (para z = 20 serían unos 57 K y para z = 15 unos 46 K).

      Las primeras estrellas, con cientos de masas solares, tenían temperaturas superficiales de decenas de miles de kelvin. Para ellas un CMB con decenas de kelvin era irrelevante. Más aún, cuando la densidad de fotones del CMB es ridículamente pequeña.

      Quizás te imaginas el CMB como un gas similar al aire de nuestra atmósfera. Pero es un «gas» de fotones. En la actualidad el CMB tiene unos 400 fotones por centímetro cúbico, que si fueran 400 átomos por centímetro cúbico sería un ultravacío comparable a los mejores que podemos lograr en un laboratorio.

  3. «…Nos cuenta Gastón los resultados de simulaciones por ordenador de la formación de agujeros negros supermasivos en épocas muy tempranas desde z=15.7 hasta z=6…»

    La temperatura del Fondo Cósmico de Microondas en la época correspondiente a z=15.7 era de -228ºC y en la correspondiente a z=6 era de -254ºC.

    Saludos.

  4. Gracias por la explicación Francis.

    Entonces, si lo he entendido bien, la relevancia de la radiación de fondo es irrelevante para la estrella una vez formada.

    ¿Pero es irrelevante para las turbulencias que determinan si una región colapsa o no antes que otra?

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