Científicos del Fermilab, ponen a prueba la Teoría del universo holográfico.

¿Es nuestra realidad sólo una ilusión holográfica? Para algunos puede que la simple pregunta les parezca algo descabellada pero no para los científicos del Laboratorio Nacional Fermi o Fermilab, un laboratorio de física de altas energías que cuenta con el segundo acelerador de partículas más potente del mundo, el Tevatron, ya que actualmente está realizando un experimento único que pretende poner a prueba el principio holográfico.

Vista aérea del Fermilab. El primer anillo es el Inyector Principal, el segundo de más de 6 kilómetros de circunferencia,  es el Tevatrón.

Como personajes de un programa de televisión que no saben que su aparente mundo tridimensional sólo existe en una pantalla bidimensional, nosotros podríamos estar ignorando que nuestro espacio tridimensional es sólo una ilusión. La información de todo lo que existe en el universo podría en realidad estar codificada en pequeños paquetitos bidimensionales.

Si se acercan lo suficiente a la pantalla del televisor verán píxeles, pequeños puntos de información que si nos alejamos forman una imagen continua. Los científicos piensan que la información en el Universo podría estar almacenada de igual forma, y que el tamaño de cada pixel que forma el espacio, sería 10 billones de billones de veces más pequeño que un átomo.

Según lo explica Craig Hogan, director del Centro de Astrofísica de Partículas del Fermilab, y desarrollador de la Teoría del Ruido Holográfico, lo que se está buscando es saber si el espacio-tiempo es un sistema cuántico como lo es la materia. Y de llegar a confirmarse, esto cambiaría completamente la forma en cómo veníamos percibiendo el Universo durante miles de años.

La teoría cuántica sugiere que es imposible saber al mismo tiempo la locación exacta y la velocidad de las partículas subatómicas. Si el espacio está formado por una especie de bits bidimensionales, con una información limitada sobre la ubicación exacta de los objetos, entonces el espacio mismo, podría estar incluido dentro de esta teórica de la incertidumbre.  De igual forma que la materia continúa vibrando (en forma de ondas cuánticas), aún cuando está congelada a cero absoluto, este espacio digitalizado debería producir vibraciones aún en su estado más bajo de energía.

Esencialmente lo que el experimento pretende es probar la habilidad del universo de almacenar información. Si hay un grupo de bits que te dice dónde está algo, eventualmente resultará imposible encontrar más información específica sobre la localización, al menos en principio. El instrumento que se está utilizando para encontrar estos límites es el Interferómetro Holográfico, o también conocido como el Holómetro del Fermilab, el instrumento más sensible que se ha creado para medir la vibración del espacio mismo.

Ahora que está operando a su máxima capacidad, el Holómetro usa un par de interferómetros colocados uno cerca del otro. Cada uno envía un rayo de láser de un kilowatt (equivalente a 200 000 punteros láser) hacia un bifurcador de rayos y luego hacia dos brazos perpendiculares de 40 metros. La luz es entonces reflejada nuevamente hacia el bifurcador láser donde los dos rayos se recombinan, creando fluctuaciones y destellos en caso de haber movimiento. Los investigadores analizan estas fluctuaciones en la luz de retorno para ver si el rayo bifurcador se mueve en alguna dirección, siendo llevado por la vibración del espacio mismo.

Un científico del Fermilab trabaja con los rayos láser en el corazón del Holómetro; el cual usará dos interferómetros láser idénticos para probar si el Universo es un holograma bidimensional.

El ruido holográfico, se espera que este presente en todas las frecuencias, pero los científicos deben estar alertas para no ser engañados por otras fluctuaciones creadas por otras fuentes. El Holómetro está analizando una frecuencia tan alta (millones de ciclos por segundo) que los movimientos normales de la materia no deberían causar problemas. Sin embargo el ruido de fondo dominante se debe a menudo a las ondas de radio emitidas por los aparatos eléctricos cercanos. Sin embargo este experimento está diseñado para identificar y eliminar este ruido proveniente de fuentes convencionales.

Como apunta el físico del Fermilab, Aaron Chou, director del proyecto del Holómetro, “si se encuentra ruido que no se puede eliminar, significaría que se podría haber detectado algo fundamental acerca de la naturaleza, el ruido intrínseco del espacio-tiempo, lo cual sería un momento muy emocionante para la física. Un resultado positivo abrirá toda una nueva serie de cuestionamientos acerca de cómo el funciona el espacio.”

Se espera que este experimento comience a dar los primeros datos el próximo año.

En este experimento trabajan 21 científicos y estudiantes del Fermilab, del Instituto Tecnológico de Massachusetts, la Universidad de Chicago, y la Universidad de Michigan.

Microbios, calentamiento global y extinciones.

Mientras se produce un acelerado deshielo en el Ártico, en el norte de Suecia se reproduce aceleradamente un microbio capaz de generar enormes cantidades de metano.

El metano, principal componente del gas natural, es un potente gas de efecto invernadero, siendo 25 veces más eficiente en retener el calor que el dióxido de carbono, por lo que su aumento contribuye a la aceleración del calentamiento global.

Miles de millones de años atrás, antes de que las cianobacterias oxigenaran la atmósfera de la Tierra, en los entonces tibios y poco profundos océanos, existían unos microbios del grupo llamado archaea que liberaban gas metano a la atmósfera, por ello que se les conoce como metanógenos. Hoy día existen descendientes de estos microorganismos, se conocen desde finales del siglo XVIII, y como no necesitan del oxígeno para sobrevivir, se les puede encontrar en diversos hábitats como el lecho de los lagos, el fondo marino, también en ambientes extremos como chimeneas marinas, géiseres o pozos de petróleo; en el intestino de algunos mamíferos como los rumiantes y los seres humanos, o incluso dentro de bacterias que están dentro de las termitas.

Desde hace unos años los investigadores están prestando mucha atención a los metanógenos que viven bajo las capas de hielo permanente o permafrost, allí se alimentan del hidrógeno y el dióxido de carbono producido por otras bacterias con las que conviven y generando metano como subproducto.

Hasta hace poco este hecho no representaba ningún problema para el ecosistema, pues las pequeñas cantidades de metano que estos microbios producían se mantenían bajo el hielo, mientas que una parte era consumido por otros microorganismos consumidores de metano. Sin embargo, el calentamiento de las regiones árticas ha alterado este sistema, y ahora los metanógenos tienen acceso al dióxido de carbono y al hidrógeno, el cual es convertido en metano que es transportado a la atmósfera, favoreciendo aún más el calentamiento del medio ambiente.

Diversos estudios han demostrado que el permafrost de las ciénagas de Stordalen en Suecia, se ha derretido rápidamente en los últimos 30 años y que la zona emite una cantidad cada vez mayor de gas metano. Rhiannon Mondav, una estudiante de doctorado de la Universidad de Uppsala, decidió tomar muestras de la turba, agua y aire de la zona, que al ser analizadas permitieron descubrir un metanógeno hasta ahora desconocido que llamaron methanoflorens stordalenmirensis, y que sorprendentemente constituía el 90% de los metanógenos de la ciénaga de Stordalen; pero no es exclusivo de esta zona, ya que se han encontrado en otras ciénagas y humedales.

Lo peculiar de este microorganismo es que se ha adaptado tan bien al deshielo del permafrost, que a medida que este hielo se va descongelando, el microbio se va extendiendo, de forma similar a como lo hacen las algas, por áreas cada vez más bastas. Y dado que el metano es un subproducto de su metabolismo, esto traerá importantes consecuencias para el medio ambiente.

El permafrost se derrite

La continua desaparición de estas capas de hielo no es un fenómeno exclusivo de las ciénagas de Suecia, la capa ártica del este de Siberia también está experimentando el deshielo de su permafrost y esto puede traer consigo graves consecuencias.

Mientras el permafrost del suelo marino está congelado, forma una capa que atrapa el metano que está debajo, pero conforme se descongela, se forman huecos por donde escapa, lo que puede contribuir a un aumento en la temperatura.

Actualmente se estima que en el este de Siberia, se está liberando al menos 17 teragramos al año de gas metano, (un teragramo equivale a un millón de toneladas); llegando a igualar a la cantidad de metano que se produce en la tundra, que es considerada una de las mayores fuentes de metano del hemisferio norte.

Agujeros en el hielo

En lo que va de año, se han encontrado 3 agujeros de entre 15 a 100 metros de ancho en el norte de Siberia.

Vladimir Romanovsky, geólogo especializado en el estudio del permafrost en la Universidad de Fairbanks de Alaska, junto con otros colegas, ha estado estudiando la estructura de estos huecos y ha observado que presentan restos de lodo de un metro de altura que fue eyectado hacia la superficie. Dado que esta parte de Siberia contiene profundos yacimientos de metano, así como pequeños lagos formados hace 4 000 a 10 000 años atrás, cuando el clima era más cálido, ha hecho pensar a Romanovsky, que la presión creada posiblemente por el gas, eventualmente arrojó el lodo a la superficie conforme el suelo se hundía.

Según este geólogo, el desarrollo de los huecos en el permafrost puede ser un indicador del calentamiento global, y de ser así, es probable que veamos más de estos agujeros en el futuro.

La ultima vez que se registró un aumento exponencial en los niveles de metano en la atmósfera, ocurrió algo verdaderamente catastrófico a nivel planetario.

La gran extinción o gran mortandad.

252 millones de años atrás, entre el fin de periodo Pérmico y comienzos del Triásico, cerca del 90% de todas las especies del planeta fueron exterminadas.

Por mucho tiempo se ha venido especulando sobre las causas que originaron semejante hecatombe, ¿erupciones volcánicas, asteroides, intensos incendios de carbón? En marzo de 2014 se hizo público un estudio realizado por investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y colegas chinos, en donde se apuntaba como causante de esta masiva mortandad a un microbio de la familia de los metanógenos llamado Methanosarcina. Esta novedosa y prometedora propuesta, sostiene que este microbio floreció súbita y rápidamente en los océanos, debido al influjo repentino de un nutriente indispensable para su crecimiento, el níquel, que fue proporcionado por las dramáticas explosiones de los volcanes siberianos, que según se estima, son las que han producido los mayores depósitos de níquel del mundo.

Hasta entonces, los metanógenos generaban metano a partir del dióxido de carbono y el hidrógeno, pero la methanosarcina había adquirido la capacidad de aprovechar la rica fuente de carbón orgánico en los lechos marinos al haber experimentado un intercambio de genes con una antigua bacteria que se alimentaba de celulosa, lo que le permitió arrojar exponenciales cantidades de metano en los océanos y en  la atmósfera, cambiando dramáticamente el clima y la química de los mares.

El aumento en las cantidades de metano incrementó los niveles de dióxido de carbono en los océanos, ya que los residuos biológicos son convertidos en metano por estos metanógenos, y éste es a su vez transformado en dióxido de carbono por otros organismos, dando como resultado una acidificación,  similar a la que predicen algunos científicos que se produciría de no hacer algo para evitar el cambio climático y que  eliminó al 95% de las especies marinas.

 

El alienígeno origen de las nubes nuctilucentes.

Este particular tipo de nubles también conocidas como nubes mesosféricas polares, con su peculiar forma de ondas luminosas color azul eléctrico, suelen dar una especie de atmósfera alienígena al cielo crepuscular, y es que dicha semejanza no es coincidencia, ya que el ingrediente clave para su formación proviene del espacio exterior.

James Russell de la Universidad de Hampton y jefe del proyecto que tiene a su cargo el satélite AIM, llamado así por las siglas en inglés de Aeronomía del Hielo en la Mesosfera (Aeronomy of Ice in the Mesosphere) de la NASA,  se encarga de analizar este tipo de fenómenos, y señala que se ha detectado que este tipo de nubes contienen una pizca de humo de meteoros.

Las nubes nuctilucentes o nubes luminosas, según lo indica su nombre, han sido todo un misterio desde su descubrimiento en 1885 por el alemán T.W. Backhouse. En un principio se pensó que su origen se debía a las cenizas arrojadas por la explosión del volcán Krakatoa, pero en cuanto las cenizas desaparecieron llevándose consigo los formidables atardeceres que hicieron de la observación de los cielos vespertinos un romántico pasatiempo, las nubles nuctilucentes permanecieron, y hoy día pueden ser observadas con mayor claridad que nunca entre los 50 y 70 grados al Norte y Sur del Ecuador.

Fotografía de Adrian Maricic.
Nubes nuctilucentes sobre el lago Leven, Escocia.
2 de julio, 2011.

El satélite AIM lleva consigo tres instrumentos, uno de ellos denominado SOFIE, según las siglas en inglés de Ocultación Solar para el Experimento de Hielo (Solar Occultation for Ice Experiment), que como su nombre lo indica, utiliza una técnica de ocultación solar para medir la energía proveniente del Sol que atraviesa el limbo de la atmosfera terrestre mientras el Sol sale o se oculta. Con la ayuda de este instrumento se ha podido determinar que cerca del 3% de cada cristal de hielo que compone las nubles nuctilucentes, tiene un origen meteórico.

El interior de nuestro sistema solar está plagado de meteoroides de diferentes tamaños que van desde los 50 metros hasta diminutas motas de polvo. Cada día la Tierra atrapa toneladas de este material, principalmente los más pequeños, cuando estos meteoritos penetran la atmósfera se incendian, dejando atrás una especie de niebla compuesta de diminutas partículas suspendidas a una altura de entre 70 a 100 kilómetros sobre la superficie terrestre. No es coincidencia que las nubles nuctilucentes se formen a 83 kilómetros de altura, directamente en la zona de niebla meteórica, porque precisamente estas diminutas motitas actúan como puntos de atracción donde las moléculas de agua se reúnen para formar cristales de hielo, en un proceso llamado nucleación.

La nucleación es un fenómeno que ocurre todo el tiempo en la capas inferiores de la atmósfera. En las nubes ordinarias, las motas de polvo en suspensión e incluso los microbios sirven como sitios de nucleación. Las gotas de agua, los pequeños cristales de hielo y los copos de nieve, se aglomeran alrededor de estas partículas y caen a la tierra cuando son lo suficientemente pesados.

Los agentes de nucleación son especialmente importantes en el etéreo reino de las nubes nuctilucentes, ya que estas nubles se forman en los límites del espacio exterior donde la presión del aire es casi nula, y por lo tanto las probabilidades de que dos moléculas de agua se encuentren son pocas, y de que se junten son aún más escasas, pero el humo de los meteoros ayuda a que se den las condiciones necesarias para ello.

Según los datos obtenidos a través del satélite AIM, los cristales de hielo pueden conglomerarse alrededor del polvo de los meteoros de rango entre 20-70 nanómetros. En comparación, las nubes tipo cirro que se forman en la parte más baja de la atmósfera donde el agua es abundante, contienen cristales entre 10 a 100 veces más grandes.

El pequeño tamaño de los cristales de hielo explica el color azulado de las nubes. Las partículas pequeñas tienden a dispersar las longitudes de onda de luz más cortas (azules) de forma más intensa que las longitudes de onda más largas (rojas). Así que cuando un rayo de luz golpea una nuble nuctilucente, el color azul es el que se dispersa hacia la Tierra.

El humo de los meteoros explica mucho sobre las nubes nuctilucentes, pero aún persiste un misterio fundamental. ¿Porqué brillan y se esparcen?

La importancia de su estudio

En el siglo XIX, las nubes nuctilucentes sólo eran visibles desde mayores altitudes, como Canadá o Escandinavia, pero en época reciente han sido observadas más hacia el sur, en lugares como Colorado, Utah y Nebraska. Russell cree que esto se debe al cambio climático.

Uno de los gases más abundantes en la atmósfera desde el siglo XIX es el metano; subproducto del carbón, gas natural, petróleo, vertederos y de actividades agrícolas.

Resulta que el metano incrementa al formación de las nubes nuctilucentes, como lo explica Russell, “cuando el metano llega a las capas más altas de la atmósfera es ionizado a través de una compleja serie de reacciones hasta formar vapor de agua, y es este vapor extra lo que permite la formación de cristales de hielo para la formación de las nubes nuctilucentes.

Este gráfico, preparado por el profesor James Russell de la Universidad de Hampton, muestra cómo el metano, un gas de efecto invernadero, hace que aumenten las cantidades de vapor de agua en la superficie de la atmósfera. Las moléculas de agua se congelan alrededor del humo dejado por los meteoros para formar las nubes nuctilucentes.

De comprobarse esta teoría, las nubes nuctilucentes resultarían ser una especie de “canario de mina” que nos alerta sobre cuál es el principal gas de efecto invernadero. Y es por esto que también resulta importante su estudio, porque aunque tienen una apariencia extraterrestre, nos dicen algo muy importante sobre nuestro propio planeta.

http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2012/07aug_meteorsmoke/