el “latido” de la Tierra: conocemos su frecuencia pero no su origen

Si excluimos quizás la meteorología, nuestro planeta parecería una roca estable e inamovible, pero hace tiempo que sabemos que no es así. El clima, los continentes, los océanos, e incluso la vida en en la Tierra van cambiando poco a poco con el tiempo.

Lo que hemos observado últimamente es que estos cambios tienen su propio ritmo.

El “latido” de la Tierra. A lo largo de los últimos años distintos estudios han ido observando un ciclo geológico escondido en nuestro planeta. Un “pulso” de actividad que se repite en ciclos que duran varios millones de años.

El pulso se caracteriza por una alternancia de largos periodos de estabilidad geológica separados por breves (en un contexto geológico) periodos de gran actividad en los que se suceden eventos de gran impacto. Eventos como erupciones volcánicas, movimientos tectónicos, cambios en el nivel del mar o extinciones masivas, entre otros.

27,5 millones de años. Hasta ahora se estimaba que este “latido” tenía una frecuencia aproximada de entre 26 y 30 millones de años. Uno de los estudios más recientes en este campo afinaba esta estimación y le calculaba un periodo promedio de 27,5 millones de años.

Los últimos 260 millones de años en nuestro planeta. Para calcular este promedio, el equipo responsable del estudio se valió de las dataciones más recientes de cerca de un centenar de eventos geológicos acontecidos en los últimos 260 millones de años.

Más concretamente, 89 eventos entre los que se incluyen extinciones de especies terrestres y marítimas, erupciones de basalto de inundación, desapariciones del oxígeno oceánico, fluctuaciones del nivel del mar, y otros. Según recalca el equipo, utilizar los datos más recientes sobre los eventos les abrió la puerta a generar su nueva estimación sobre la periodicidad de estos.

10 picos. En su análisis de las últimas eras el equipo identificó 10 picos de actividad geológica en torno a los cuales se agrupaban una buena parte de los eventos analizados. Los detalles del trabajo fueron publicados en un artículo en la revista Geoscience Frontiers.

Uno de estos detalles es tranquilizador: el último de los picos identificados se produjo hace unos 7 millones de años, lo que nos da bastante margen hasta el siguiente.

Aproximaciones varias. El estudio es uno de tantos que han indagado en esta cuestión. En declaraciones a Science Alert, el geólogo de la Universidad de Adelaida Alan Collins ponía en relieve otro, publicado en 2018 en la revista Science Advances.

En aquel estudio la frecuencia calculada a estos picos no era de 27,5 millones de años sino de 26 millones. Este análisis se basaba en los ciclos de carbono y movimientos tectónicos tan solo. Para Collins la inclusión de otros eventos no añade necesariamente validez estadística al cálculo ya que algunos de estos eventos estarían vinculados entre sí por relaciones de causa-efecto.

La gran cuestión. El misterio que estos trabajos no resuelven es qué es lo que causa estos ciclos en nuestro planeta. Sí contemplan algunas hipótesis, como la posibilidad de que sean causadas por los movimientos geológicos en el manto de la Tierra y de la tectónica de placas.

Otra posibilidad es que tenga que ver con algo externo, como el movimiento orbital de nuestro planeta y su interacción con otros cuerpos, ya sean otros planetas o asteroides de nuestro entorno. 

La corteza helada de Europa ‘flota libremente’ a través del océano oculto de la Luna

 

La nave espacial Juno de la NASA capturó esta imagen de Europa durante el sobrevuelo cercano de la misión el 29 de septiembre de 2022.

Imagen: Image data: NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS. Image processing: Björn Jónsson (CC BY 3.0)

El 29 de septiembre de 2022, la nave espacial Juno de la NASA realizó su sobrevuelo más cercano a Europa, llegando a 220 millas (355 kilómetros) del planeta joviano. La superficie congelada de la Luna. La vista más cercana de Europa reveló detalles increíbles del caótico terreno de la Luna, que sugieren que su corteza helada no está donde solía estar. Las imágenes también mostraban una característica recientemente descubierta que fue apodada “Ornitorrinco” por su extraña forma.

Los hallazgos, posibles gracias a las imágenes de JunoCam, se publicaron recientemente en el Revista de ciencia planetaria, mientras que los resultados derivados de las imágenes de alta resolución de la nave espacial, capturadas por su Unidad de Referencia Estelar (SRU), fueron publicados en la revista Planetas JGR.

Se cree que Europa alberga un océano salado debajo de su corteza helada que contiene el doble de agua que todos los océanos de la Tierra juntos, según a NASA. El terreno accidentado de la luna presenta intrincadas redes de crestas y manchas oscuras, lo que sugiere posibles columnas de vapor de agua que podrían estar saliendo al espacio .

Imagen: NASA/JPL-Caltech/SwRI

La imagen en blanco y negro de la superficie de Europa fue capturada por la SRU de Juno durante el sobrevuelo cercano y revela una región entrecruzada con una Red de finos surcos y dobles crestas, o pares de largas líneas paralelas, que indican características elevadas en el hielo. Los puntos que se ven en la imagen son partículas penetrantes de alta energía, que son el resultado del ambiente de radiación severa alrededor de la Luna. Mientras tanto, las manchas oscuras pueden estar relacionadas con la burbujeación de líquido debajo del hielo (también conocida como actividad de pluma criovolcánica).

En la parte inferior derecha de la imagen está el ornitorrinco, que mide 67 kilómetros (42 millas) en su parte más ancha. Presenta crestas prominentes y material de color marrón rojizo oscuro, con una matriz grumosa llena de bloques de hielo que miden entre 0,6 y 4,3 millas (1 a 7 kilómetros) de ancho. 

Alrededor de los bordes de Ornitorrinco, las formaciones de crestas colapsan en la característica pronunciada. Estas formaciones apoyan la teoría de que la capa helada de la luna puede dar en regiones donde bolsas de agua salobre del océano subsuperficial se esconden debajo de la superficie. “Estas características insinúan la actividad superficial actual y la presencia de agua líquida subsuperficial en Europa”, dijo Heidi Becker, co-investigadora principal de SRU en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, en un declaración.

Imagen: Image data: NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS. Image processing: Björn Jónsson (CC BY 3.0)

Las imágenes capturadas por la cámara de luz visible a bordo de la nave espacial Juno, la JunoCam, revelan las fracturas, crestas y bandas que se entrecruzan la superficie de la luna con gran detalle. Estas características de la superficie de Europa han borrado terrenos de más de 90 millones de años, según NASA.

Estas características de la superficie respaldan la teoría de que la capa de hielo exterior de Europa se mueve y esencialmente flota libremente. La teoría del “verdadero desplazamiento polar”, como se le conoce, afirma que la corteza helada de los polos norte y sur de Europa ya no está donde solía estar.

“Un verdadero desplazamiento polar ocurre si la capa helada de Europa se desacopla de su interior rocoso, lo que resulta en altos niveles de estrés en la capa, lo que conduce a a patrones de fractura predecibles”, Candy Hansen, co-investigadora de Juno que dirige la planificación de JunoCam en el Instituto de Ciencias Planetarias en Tucson, Arizona , dijo en un comunicado. “Esta es la primera vez que estos patrones de fracturas se han mapeado en el hemisferio sur, lo que sugiere que la verdadera El efecto de la deriva polar en la geología de la superficie de Europa es más extenso de lo que se había identificado anteriormente”.

Las imágenes de JunoCam provocaron una reevaluación de una característica notable en la superficie de Europa. Hansen notó que Gwern, inicialmente pensado que era un cráter de impacto de ancho (21 km de ancho), en realidad estaba cruzando crestas creando una sombra ovalada.

La misión Juno de la NASA se lanzó en 2011 para explorar Júpiter y sus diversas lunas. Europa es de especial interés para los científicos, ya que quieren saber si la vida podría haber evolucionado en la luna helada. Es por eso que la luna está recibiendo más naves espaciales para explorar sus extrañas características. Misión Europa Clipper Se espera que llegue a Júpiter en 2030 y estudie el campo magnético de Europa para confirmar si existe un océano debajo de su corteza helada. el La misión JUICE de la Agencia Espacial Europea Está en camino al sistema joviano para explorar el gigante gaseoso y sus tres lunas oceánicas.

Constante de Boltzmann, la unión entre energía y temperatura

 ¿Te suena aquello de que la temperatura de un objeto depende de la velocidad a la que se mueven sus partículas? Pues detrás de ese fenómeno se esconde la constante de Boltzmann, una de las piedras angulares de la física moderna. Denotada como kB y valorada en 1,38 x 10-23 joules por kelvin, esta cifra fue introducida por el físico austríaco Ludwig Boltzmann en el siglo XIX y proporcionó un vínculo fundamental entre el comportamiento microscópico de las partículas y las propiedades macroscópicas de los sistemas.

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Los grillos te cantan la temperatura

RELACIÓN ENTRE TEMPERATURA Y ENERGÍA

Así, la constante de Boltzmann es esencial para entender como puede la temperatura relacionarse con la energía de las partículas en un sistema. Para ilustrar esto, podemos considerar un gas ideal, es decir, un modelo muy muy simple de una sustancia en estado gaseoso: en un gas ideal las partículas se mueven libremente, chocando entre sí y con las paredes del recipiente que contiene al gas.

Pues bien, a medida que vayamos aumentando la temperatura del gas, las partículas dentro del recipiente comenzarán a moverse más rápido. Esto se deberá a que, al suministrar calor (energía), estamos aumentando la energía cinética – un tipo de energía proporcional a la velocidad – de cada una de las partículas. Justamente, la contante de Boltzmann nos anticipa exactamente cuánto aumentará esa energía cinética por cada grado que aumente la temperatura.Por ejemplo, si calentamos un gas de 27 ºC  a 327 ºC, la energía cinética media se duplicará. Esto se debe a la relación directa establecida por la constante de Boltzmann ⟨Ecin​⟩=23​kB​T, en donde Ecin es la energía cinética media de las partículas, kB la constante de Boltzmann y T la temperatura, es decir, la energía térmica de las partículas que forman el sistema.

CORDON PRESS

Ludwig Boltzmann  (1844-1906). Físico austriaco

IMPLICACIONES EN LA VIDA COTIDIANA

No obstante, esta relación no es solo una mera curiosidad teórica, sino que también tieneimplicaciones prácticas que alcanzan el contexto de la vida cotidiana. Por ejemplo, los termómetros miden la temperatura, que está directamente relacionada con la energía cinética de las moléculas en el objeto que estamos midiendo. Sin la constante de Boltzmann, no podríamos relacionar estas dos cantidades de manera precisa.

También en los motores de combustión y en muchas otras reacciones químicas, la temperatura influye en la velocidad de las partículas y, por ende, en la tasa de las reacciones. En otras palabras, conocer la energía cinética de las partículas a diferentes temperaturas permite diseñar procesos más eficaces y sin una pérdida de energía significativa.Finalmente, en el estudio de las estrellas y de otros cuerpos celestes, la temperatura y la energía de las partículas son absolutamente fundamentales para entender fenómenos como la radiación estelar y las reacciones nucleares en el núcleo de las estrellas. Sin el conocimiento de la constante de Boltzmann, muchos de estos procesos serían una completa incógnita para nosotros.

UN PUENTE ENTRE LO MICROSCÓPICO Y LO MACROSCÓPICO

Realmente, la constante de Boltzmann es un concepto clave en la física, ya que ayuda a entender cómo las propiedades y el comportamiento de las partículas individuales, como átomos y moléculas, se traducen en las propiedades que podemos observar y medir a gran escala, como la temperatura o la presión. Es una especie de puente que abre un canal de estudio único entre el mundo microscópico y el macroscópico.

Además, la constante de Boltzmann es fundamental para entender la entropía, que es una medida del desorden o de la cantidad de formas en que las partículas de un sistema pueden organizarse. Al conectar la entropía con el número de configuraciones posibles de las partículas, la constante de Boltzmann proporciona una base para comprender cómo los cambios a nivel microscópico afectan a las propiedades macroscópicas del sistema.

Esto es lo que pasaría si la materia oscura desapareciera del universo

 La materia oscura fría del universo es aproximadamente cinco veces mas abundante que la materia ordinaria. Aunque a día de hoy no sabemos de que está compuesta, tiene, como toda masa, un efecto de atracción gravitatoria que afecta al modo en que se distribuyen las estrellas en las galaxias y hace que los objetos celestes roten (e.d. se muevan) mucho más rápido de lo que lo harían si no existiera. 

¿Qué ocurriría si desapareciera? Sin materia oscura todas las galaxias grandes perderían estrellas, concretamente las que están en las “afueras”.

Perder estrellas

Si eliminásemos la materia oscura de la Vía Láctea, todo lo que está ahora en la periferia de la galaxia, las estrellas más alejadas del centro, se separarían. Y lo harían porque están rotando. Es como si quitamos el Sol del sistema solar: los planetas que normalmente giran a su alrededor, atraídos por su masa, se escaparían. Sin la atracción del Sol, seguirían moviéndose en línea recta, en función de en qué momento angular estuvieran sus órbitas, pero en cualquier caso saldrían disparados. 

NGC 1277 es un buen ejemplo de que puede existir una galaxia masiva sin materia oscura. Aunque realmente no sabemos lo que le pasó a esta galaxia, lo interesante es que, como no ha tenido materia oscura no ha podido atraer material de fuera, esto es, las estrellas y el gas de la periferia que suelen estar presentes en otras galaxias. Por eso es un objeto único en el universo, como no hay otro igual.

¿Afectaría al Sistema Solar que desapareciera la materia oscura?

En el centro de cualquier galaxia masiva, la materia ordinaria está más concentrada que la materia oscura y su efecto gravitatorio es predominante. Por eso las estrellas y todos los objetos del centro galáctico no se verían afectados gravemente si la materia oscura desapareciera. 

La mayor parte de las estrellas no escapan del centro de la galaxia, se quedan ahí. Cada vez que se acercan más, se mueven más rápido. Pero no colapsan, porque se mueven. Colapsar, de hecho, es muy difícil. 

El sistema solar y la Tierra están en mitad de la la Vía Láctea, así que posiblemente no nos afectaría demasiado si desapareciera la materia oscura. Habría que hacer números para estar seguros, probablemente notaríamos algo, pero el Sol está lo suficientemente cerca del centro de la galaxia como para que la fuerza de gravedad dominante no sea la de la materia oscura sino la del resto de la materia. 

Ilustración de la Vía Láctea que muestra los brazos espirales, la protuberancia galáctica central, la ubicación del Sol y distintas fuentes de rayos X. NASA/CXC/M.Weiss, CC BY

Perderíamos galaxias enanas

La desaparición de la materia oscura en las galaxias de baja masa, las llamadas galaxias enanas, sí que tendría un efecto catastrófico. 

Las galaxias enanas son las más numerosas. Estas galaxias tienen mayor proporción de materia oscura respecto a su masa total que las galaxias más masivas. En ellas, la masa de la materia oscura puede llegar a ser hasta decenas de miles de veces mayor que la materia luminosa. Por eso, en este caso, las consecuencias de perder la materia oscura serían muy superiores a las de perder las estrellas del exterior: las galaxias enanas se disgregarían por completo. 

Nada cambia sin Sagitario A*

No sabemos como se formó el agujero negro del centro de nuestra galaxia, Sagitario A*. Aunque se llame agujero negro, su origen no tiene que deberse necesariamente a un colapso de materia oscura. 

El agujero negro en el centro de nuestra galaxia actúa muy localmente. No dicta en ningún caso la órbita del Sol y no tiene ningún efecto considerable. A escala de la galaxia como un todo, la atracción del agujero negro es irrelevante. Si lo quitásemos del sistema, probablemente no ocurriría nada significativo. 

La unión de la Vía Láctea y Andrómeda

Contando sus 200 000 millones de estrellas, su agujero negro supermasivo y su halo de materia oscura, la Vía Láctea tiene una masa de 1,15 billones de soles. Por eso decimos que estamos ante una galaxia masiva. Andrómeda, nuestra galaxia vecina más importante, también lo es, con una masa de aproximadamente 1,5 billones de veces la del Sol. 

La atracción gravitacional que ejercen una sobre otra hace que se estén acercando (contrarrestando el efecto de la expansión del universo) y, en algún momento, se fusionarán. Es más, son tan masivas que aunque quitáramos el alto contenido de materia oscura probablemente terminarían fusionándose. Eso sí, lo harían en un plazo de tiempo mucho mayor del que se prevé en la actualidad al disponer de materia oscura.

Simulación de la colisión entre La Vía Láctea y la galaxia de Andrómeda. NASA; ESA; and F. Summers, STScI | Simulation Credit: NASA; ESA; G. Besla, Columbia University; and R. van der Marel, STScI.

En el principio del universo

Imaginemos por un momento que la materia oscura no hubiera existido nunca. Ese panorama cambiaría mucho las cosas, para empezar porque las galaxias enanas a lo mejor no se hubieran formado nunca. Eliminar la materia oscura de la ecuación al principio del universo implica que se generarían principalmente galaxias muy masivas. 

La Vía Láctea probablemente sí se hubiera formado, pero tendría casi con toda seguridad muchas menos estrellas. Y tampoco veríamos los llamados halos estelares que resultan de la canibalización de las galaxias enanas por parte de las galaxias mas masivas.

¿Sin materia oscura el universo se disgregaría?

Hay materia oscura por todos lados. Aun así, toda la materia oscura que existe es incapaz de frenar la aceleración de la expansión del universo. La materia oscura solo ejerce el papel de atraerlas más en aquello que tiene relativamente cerca.

Por otro lado, la materia oscura es capaz de contrarrestar lo que denominamos como flujo de Hubble (Hubble Flow). Hay algunas escalas donde, gracias a que hay materia oscura, los objetos se desacoplan de la expansión y colapsan (el caso de Andrómeda y la Vía Láctea es un buen ejemplo).

Si quitáramos toda la materia oscura de golpe, al igual que pasaría con las estrellas de la periferia de las galaxias masivas, las galaxia mas externas de los cúmulos de galaxias saldrían disparadas. Algunas de estas galaxias a la fuga se incorporarían al flujo de Hubble y, por tanto, a la expansión global del universo. 

¿Y qué hay de la energía oscura? Con lo que sabemos a día de hoy sobre ella, aún en el escenario hipotético de que despareciera la materia oscura, la energía oscura no produciría un efecto tan radical como para forzar la disgregación total del universo