UNIVERSO DE JAVIER DE LUCAS. ENERGIA...más o menos limpia... Los “animales tecnológicos” sacan energía de la Naturaleza, la transforman y la utilizan.

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1 UNIVERSO DE JAVIER DE LUCAS

2 ENERGIA...más o menos limpia... Los “animales tecnológicos” sacan energía de la Naturaleza, la transforman y la utilizan Eólica Hidráulica Solar 1.- UNIVERSO DE ENERGIA

3 La energía de la vida...más o menos limpia... Química Eléctrica Térmica Nuclear

4 ... ¿qué es la ENERGÍA? El alma de la materia Antes de 1905  Materia y energía eran dos conceptos separados y su intersección daba lugar al Cosmos MateriaEnergía En 1905 A. Einstein  E = m c 2 La materia es energía condensada según un factor = (velocidad de la luz) 2

5 ... ¿cómo se manifiesta la ENERGÍA? Movimiento POTENCIAL Energía CINÉTICA Energía POTENCIAL = capacidad de producir un movimiento Hace falta una fuerza para producir cualquier movimiento que no sea rectilíneo y uniforme F = m a Movimiento EFECTIVO Asociación más inmediata: Energía Movimiento de un cuerpo Energía Movimiento de un cuerpo dotado de masa dotado de masa

6 ... ¿de dónde procede la FUERZA? Desniveles de energía - Una fuerza es la manifestación de una interacción. - La distribución espacial de la fuerza (que puede variar en el tiempo), es descrita por un campo de fuerzas. es descrita por un campo de fuerzas. - La energía es el efecto de una distribución espacial de fuerzas (campo). - Cada fuerza tiene un tipo de energía potencial asociada.

7 La pereza de la Naturaleza ? La vida misma es un continuo gasto de energía.... - La Naturaleza siempre tiende a los estados de menor energía potencial  máximo equilibrio. menor energía potencial  máximo equilibrio. - Oponerse a esto implica un gasto de energía. Mientras la manzana cuelgue del árbol, las fuerzas de adhesión en el interior las fuerzas de adhesión en el interior de la madera se opondrán de la madera se opondrán al “peso” de la manzana. al “peso” de la manzana. En cuanto esas fuerzas fallen, la manzana caerá al suelo por efecto de su peso  caerá al suelo por efecto de su peso  El suelo será el estado más estable, El suelo será el estado más estable, es decir, de menor energía potencial. es decir, de menor energía potencial.

8 El movimiento macroscópico no es nada más que uno de estos “cambios”, donde algún tipo de energía se transforma en cinética. donde algún tipo de energía se transforma en cinética. La continua transformación de la energía En este proceso, una parte siempre se disipa al entorno como energía térmica (calor). Esa energía será intercambiada con el entorno, pudiendo transformarse en pudiendo transformarse en en otra forma de energía. en otra forma de energía. - La existencia de cualquier cuerpo es definida, a cada instante, por un estado de energía. - Cualquier “cambio” implica una variación de la energía del cuerpo:

9 La continua transformación de la energía Muchas son las fuerzas y las formas de energía con las que tratamos en nuestra vida cotidiana... con las que tratamos en nuestra vida cotidiana... Sin embargo, todas las fuerzas se pueden reconducir a... - Estamos continuamente sometidos a fuerzas, aunque no nos demos cuenta. fuerzas, aunque no nos demos cuenta. - Recibimos energía constantemente, la transformamos y la disipamos. la transformamos y la disipamos. - Cada uno de nuestros movimientos, incluso los más imperceptibles, incluso los más imperceptibles, nos requiere ejercer algún tipo de nos requiere ejercer algún tipo de fuerza, con consecuentes fuerza, con consecuentes transformaciones y gastos de energía. transformaciones y gastos de energía. - Lo mismo vale para las máquinas y los aparatos que nos acompañan y los aparatos que nos acompañan en nuestras tareas. en nuestras tareas. Caminando por la calle... RADIACIÓN...Y muchas más...

10 LAS 4 FUERZAS QUE MUEVEN EL UNIVERSO GRAVITACIONAL Fuente: Masa = cantidad de materia Fuente: Masa = cantidad de materia Interacción: cuerpos dotados de masa Interacción: cuerpos dotados de masa Ley de la Gravitación Universal (Newton,1666) ¿Por qué tenemos los pies en el suelo? F = G ______ Tendemos a caer hacia el suelo, lugar de menor energía potencial Para subir, necesitamos gastar energía: el combustible del avión Para cualquier cuerpo C en la superficie de la Tierra T M T M C RT 2RT 2RT 2RT 2 g F = g M C

11 LAS 4 FUERZAS QUE MUEVEN EL UNIVERSO ELECTROMAGNÉTICA DDP Fuente: carga eléctrica Fuente: carga eléctrica Interacción: con cualquier cuerpo dotado de carga eléctrica (en reposo o en movimiento) o magnetismo Interacción: con cualquier cuerpo dotado de carga eléctrica (en reposo o en movimiento) o magnetismo El caso más sencillo: la interacción electrostática ¿Por qué podemos encender una bombilla? Para que se de una corriente eléctrica, es preciso mantener la Diferencia de Potencial (DDP) y, para eso, hay que gastar energía. y, para eso, hay que gastar energía. -+ e- Corrienteeléctrica Al cerrar el circuito, los e- van desde el polo – hacía el polo +.

12 γ  emisión de radiación γ, sin cambios en el nº de p, sin cambios en el nº de p, e- y n, pero con un cambio e- y n, pero con un cambio del nivel de energía de alguna del nivel de energía de alguna partícula partícula LAS 4 FUERZAS QUE MUEVEN EL UNIVERSO A nivel subatómico: DÉBIL: responsable del decaimiento β, juega un papel fundamental en muchas reacciones de fusión; de la misma naturaleza que la electromagnética, pero con un radio de acción mucho más reducido. de la misma naturaleza que la electromagnética, pero con un radio de acción mucho más reducido. Decaimientos radiactivos = emisión de partículas o de radiación electromagnética (e.m.) por un átomo. Protón p Neutrón n Electrón e - α  emisión de un núcleo α = 2p + 2n El resultado será otro elemento El resultado será otro elemento β  n  p con emisión de un e- El resultado será otro elemento El resultado será otro elemento

13 LAS 4 FUERZAS QUE MUEVEN EL UNIVERSO A nivel subatómico: FUERTE: mantiene unidos los QUARKS dentro de los protones y los neutrones ¿Siempre han existido estas fuerzas? Teoría del Big Bang FUERZASUNIFICADAS 10 – 43 s 10 – 4 s GRAVITACIONAL DÉBIL DÉBILELECTROMAGNÉTICA FUERTE...y los p y los n dentro de los núcleos atómicos

14 LA FÁBRICA DE LA ENERGÍA Teoría del Big Bang De la misma manera que todas las fuerzas se pueden reconducir a 4 FUERZAS FUNDAMENTALES QUE MUEVEN EL UNIVERSO, las diferentes formas de energía se pueden reconducir a 2 FORMAS PRIMARIAS: la MATERIA y la RADIACIÓN. E = m c 2 ¿De dónde proceden la materia y la radiación que observamos en el Universo? Al principio fue una energía enorme e infinitamente concentrada, que no tenía forma ni de materia ni de radiación. Materia + Antimateria  Radiación  Una ínfima fracción de segundo después, ya existían materia y radiación y el UNIVERSO ESTABA DOMINADO POR LA RADIACIÓN. 300 000 años después, la radiación se desacopló de la materia y la densidad de materia superó la densidad de radiación. Desde aquel entonces, el UNIVERSO ESTÁ DOMINADO POR LA MATERIA...pero si nada más hubiera ocurrido desde aquel entonces  El Universo sería un lugar frío e inerte, poblado únicamente por la radiación residual de la Gran Explosión y por materia primordial.

15 La observación del Universo y la misma existencia de la vida nos dicen que: - más materia (los elementos de los que está hecho nuestro propio mundo) ha sido sintetizada; - más materia (los elementos de los que está hecho nuestro propio mundo) ha sido sintetizada; - más radiaciones y de mayor energía que el débil fondo cósmico, nos llegan del Universo... - más radiaciones y de mayor energía que el débil fondo cósmico, nos llegan del Universo... una de ellas la conocemos de cerca y es la que permite nuestra existencia: la radiación Solar. una de ellas la conocemos de cerca y es la que permite nuestra existencia: la radiación Solar. LA FÁBRICA DE LA ENERGÍA ¿Dónde y cómo? En el interior de las ESTRELLAS Proceso: FUSIÓN NUCLEAR Condición necesaria: T ~ 10 6 – 10 8 ºK + Otras partículas Radiación 4 p 1 núcleo He...y así sucesivamente, todos los elementos: C, O...Ca, K...hasta el Fe 56  En la síntesis de núcleos complejos, parte de la masa se convierte en energía, en forma de radiación e.m. m c 2 = E

16 LA FÁBRICA DE LA ENERGÍA ¿De dónde vino esa energía inicial que dio origen al Universo? Nada se crea, nada se destruye, todo se transforma La energía total del Universo ha de mantenerse constante La energía total del Universo ha de mantenerse constante  Ni materia ni radiación se crean de la nada  Ni materia ni radiación se crean de la nada  La materia se puede convertir en radiación y viceversa  La materia se puede convertir en radiación y viceversa bajo determinadas condiciones físicas bajo determinadas condiciones físicas  Materia y radiación interaccionan constantemente:  Materia y radiación interaccionan constantemente: - Los átomos absorben y reemiten radiación de determinadas longitudes de onda, - Los átomos absorben y reemiten radiación de determinadas longitudes de onda, dependiendo de las condiciones físicas a las que estén sometidos. dependiendo de las condiciones físicas a las que estén sometidos. - Electrones frenados en campos electromagnéticos pierden parte de su - Electrones frenados en campos electromagnéticos pierden parte de su energía cinética en forma de radiación. energía cinética en forma de radiación. - Cualquier cuerpo por encima del 0 absoluto emite una radiación debida - Cualquier cuerpo por encima del 0 absoluto emite una radiación debida exclusivamente al su temperatura, que es lo que da la medida de la energía cinética exclusivamente al su temperatura, que es lo que da la medida de la energía cinética de las partículas que lo componen; dicha radiación es la radiación térmica. de las partículas que lo componen; dicha radiación es la radiación térmica. - Los colores que alegran nuestro mundo también se deben a algún tipo de - Los colores que alegran nuestro mundo también se deben a algún tipo de interacción entre la radiación solar visible y las moléculas de los materiales. interacción entre la radiación solar visible y las moléculas de los materiales. A T elevadísimas: Radiación  pares partícula – antipartícula A T elevadísimas: Radiación  pares partícula – antipartícula...Lo que ocurría en el Universo recién nacido......Lo que ocurría en el Universo recién nacido... T límite para producción de pares e - - e + ~ 10 9 T límite para producción de pares e - - e + ~ 10 9 ¿Y puede ocurrir que la radiación se transforme en materia?

17 2- ALTAS ENERGÍAS EN EL UNIVERSO ¿Cómo nos llega a la Tierra la energía del Cosmos? Los mensajeros del Universo Radiación Electromagnética Partículas ¿Cuándo hablamos de altas energías? λ (m) γ X UV IR Microondas RADIO VISIBLE Altas Energías E = h c λ 10 –15 10 –11 10 –9 10 –7 10 –5 10 –3 1 10 8

18 2- ALTAS ENERGÍAS EN EL UNIVERSO...Cuando la radiación se encuentra con la materia... γ IR VISIBLE UV ν Radiación γ E λ 12000ºK 6000ºK 3000ºk ? Emisiónfotosférica ¿Cuáles son entonces las fuentes cósmicas de radiación de altas energías? Estrella > > En una estrella “normal”, la radiación producida por las reacciones de fusión En una estrella “normal”, la radiación γ producida por las reacciones de fusión interacciona con toda la materia que se interpone entre el horno termonuclear y la superficie, interacciona con toda la materia que se interpone entre el horno termonuclear y la superficie, tardando, en estos procesos, millones de años. El espectro (distribución de energía E( λ )) de la radiación resultante (emisión fotosférica) depende críticamente de las condiciones físicas de la materia que compone la estrella.

19 1 millón de veces la energía desprendida por una bomba atómica de masa = de masa = 2- ALTAS ENERGÍAS EN EL UNIVERSO Fuentes de rayos γ La emisión de radiación de altas energías : - Requiere condiciones muy extremas - Requiere condiciones muy extremas - No es de origen térmico - No es de origen térmico Las Supernovas... L max > L galaxia entera E SN ~ 10 54 erg ~

20 2- ALTAS ENERGÍAS EN EL UNIVERSO Las Supernovas... Y sus remanentes milenarios Y sus remanentes milenarios Nebulosa del Cangrejo (M1) en el visible (verde) y rayos X (azul) Explosión SN: 1054 d.C. Púlsar en el corazón de M1, en rayos γ “Cygnus Loop” en Vela Explosión SN: hace unos 20.000 años 20.000 años Fuentes de rayos γ

21 2- ALTAS ENERGÍAS EN EL UNIVERSO El misterio de los brotes de rayos γ (GRB) E GRB > 10 3 E SN - Distribución casual en el cielo - Ubicación impredecible - Frecuencia fenómeno ~ 1vez / día - Duración y comportamiento variables - Causas desconocidas - No se ha podido observar ninguno a λ > rayos X - Posible clave del misterio: localización de la contraparte óptica para estudiar la naturaleza de la fuente. Fuentes de rayos γ Acreción de un agujero negro supermasivo en galaxias activas

22 2- ALTAS ENERGÍAS EN EL UNIVERSO Fuentes de rayos γ EL CIELO EN LOS RAYOS γ

23 2- ALTAS ENERGÍAS EN EL UNIVERSO Fuentes de rayos X La mayoría de las fuentes de rayos γ presentan también una emisión significativa en los rayos X Centaurus A (rayos X): radiogalaxia (AGN) Cygnus A (rayos X): radiogalaxia (AGN) Púlsar en Vela (rayos X) (remanente SN)

24 2- ALTAS ENERGÍAS EN EL UNIVERSO Fuentes de rayos X Corona Solar - Plasma a muy bajas densidades y altísimas T. - Estructura presente en la mayoría de los objetos celestes. objetos celestes. El misterio de la corona: T (corona) ~10 6 ºK T (fotosfera) ~10 3 ºK Las elevadísimas T de la corona se deben a un fenómeno llamado reconexión magnética. Las líneas de fuerza del campo magnético solar se rompen y se abren constantemente. Pero también vuelven a juntarse de diferentes maneras, cambiando la topología del campo magnético y desprendiendo una enorme cantidad de energía, en forma de calor, radiación electromagnética dura o energía cinética. Fenómenos de acreción en sistemas binarios Origen de la emisión X: radiación de frenado El material que cae a velocidades muy elevadas sobre el objeto en acreción El material que cae a velocidades muy elevadas sobre el objeto en acreción “pega un frenazo” y transforma su energía cinética en radiación e.m. dura. “pega un frenazo” y transforma su energía cinética en radiación e.m. dura. Sistemas de rayos X  Objeto en acreción: AN (Agujero Negro)  Objeto en acreción: AN (Agujero Negro) Cataclísmicas en erupción  Objeto en acreción: EB (Enana Blanca) o EN (Estrella de Neutrones) o EN (Estrella de Neutrones)

25 2- ALTAS ENERGÍAS EN EL UNIVERSO “Lluvia coronal” (rayos X) M51 : galaxia en interacción (rayos X) Disco de acreción Fuentes de rayos X

26 2- ALTAS ENERGÍAS EN EL UNIVERSO Fuentes de rayos X Centro galáctico en rayos X ¿Actividad en galaxias “normales”? ¿Actividad en galaxias “normales”?

27 2- ALTAS ENERGÍAS EN EL UNIVERSO Partículas de altas energías ELECTRONES PARTÍCULAS α IONES Aceleradores de partículas - Campos magnéticos - Campos magnéticos - Frentes de choques producidos por SN - Frentes de choques producidos por SN - Procesos de acreción - Procesos de acreción Fuentes de partículas de altas energías - Todo fenómeno responsable de emisión de - Todo fenómeno responsable de emisión de radiación de altas energías radiación de altas energías - La mayoría de las partículas que llegan a la Tierra - La mayoría de las partículas que llegan a la Tierra proceden del Sol y de SN dentro de nuestra galaxia proceden del Sol y de SN dentro de nuestra galaxia - Las más energéticas, aunque menos numerosas, - Las más energéticas, aunque menos numerosas, del centro de la Vía Láctea o de fuentes externas del centro de la Vía Láctea o de fuentes externas (km/s) PROTONES

28 3- DE LO INFINITAMENTE GRANDE A LO INFINITAMENTE PEQUEÑO Lo infinitamente GRANDE como laboratorio para el estudio de fenómenos que no ocurren de forma natural de forma natural en la Tierra Lo infinitamente PEQUEÑO como laboratorio para el estudio de fenómenos cuyas escalas espacio-temporales exceden la posibilidad de la experimentación directa directa Donde se juntan los dos universos: el Cosmos está formado por los mismos ladrillos

29 3- DE LO INFINITAMENTE GRANDE A LO INFINITAMENTE PEQUEÑO Donde se juntan los dos universos: Aplicaciones ESPECTROSCOPÍA  composición química y estado físico de estrellas y sistemas estelares; dinámica, presencia de campos eléctricos y magnéticos dinámica, presencia de campos eléctricos y magnéticos FÍSICA NUCLEAR  estructura y evolución estelar FÍSICA DE PARTÍCULAS  radiación cósmica (SN, Sol); materia oscura (dinámica de galaxias, cosmología); reconstrucción de las fases muy tempranas del Universo (cosmología)

30 LOS LADRILLOS DE LA MATERIA Los ladrillos sueltos: LEPTONES LEPTONES Ladrillos con cemento: QUARKS Partículas fundamentales que existen por separado por separado Partículas fundamentales siempre vinculadas por la fuerza fuerte Cargaeléctrica -1 0 +2/3 -1/3 -1 0 +2/3 -1/3 NEUTRINOS ELECTRÓN e- LEPTONES PESADOS PESADOS ( Tauones τ y Muones μ ) τ μ Upu Charmed c c Down d Strange s s Top tBottom b νe-νe-νe-νe- ντντντντ νμνμνμνμ 3- DE LO INFINITAMENTE GRANDE A LO INFINITAMENTE PEQUEÑO

31 LOS ETERNOS FUGITIVOS : LOS NEUTRINOS Millones y millones de neutrinos procedentes principalmente del Sol, de Supernovas galácticas y originados por el impacto de rayos cósmicos en la atmósfera terrestre, atraviesan la Tierra cada segundo...sin que nos demos cuenta No hay detección sin interacción Los neutrinos son leptones de carga eléctrica nula y de masa casi nula, que interaccionan muy débilmente con la materia.  La probabilidad de que interaccionen con la materia de un detector es muy baja.  La detección de los neutrinos es extremadamente difícil. Difícil, pero no imposible: el juego de las probabilidades Se utilizan superficies colectoras enormes para aumentar las probabilidades de detección. No hay detección sin interacción Los neutrinos son leptones de carga eléctrica nula y de masa casi nula, que interaccionan muy débilmente con la materia.  La probabilidad de que interaccionen con la materia de un detector es muy baja.  La detección de los neutrinos es extremadamente difícil. Difícil, pero no imposible: el juego de las probabilidades Se utilizan superficies colectoras enormes para aumentar las probabilidades de detección. 3- DE LO INFINITAMENTE GRANDE A LO INFINITAMENTE PEQUEÑO

32 LOS ETERNOS FUGITIVOS : LOS NEUTRINOS Un telescopio de neutrinos para ver más atrás en el tiempo... 300 000 años después del Big Bang: Hasta ahí nos permite ver la radiación más antigua Los neutrinos podrían permitirnos ver hasta los 10 primeros segundos del Universo...y mucho más adelante Neutrinos Materia oscura Futuro del Universo 3- DE LO INFINITAMENTE GRANDE A LO INFINITAMENTE PEQUEÑO

33 FAMILIAS DE PARTÍCULAS e- e- τ μ U C STB νe-νe-νe-νe- ντντντντ νμνμνμνμ MATERIA ORDINARIA BARIONES D p = uud n = udd MATERIA FUGAZ PARTÍCULAS INESTABLES MESONES Partículas secundarias producidas por rayos cósmicos producidas por rayos cósmicosMESONES Partículas secundarias producidas por rayos cósmicos producidas por rayos cósmicos Tienden a decaer en los respectivos Bariones. Se reproducen en los aceleradores, en el intento de simular los primeros instantes del Universo. Tienden a decaer en los respectivos Bariones. Se reproducen en los aceleradores, en el intento de simular los primeros instantes del Universo. Reacciones nucleares (fusión, decaimientos) Reacciones químicas Corrientes eléctricas Decaimiento β 3- DE LO INFINITAMENTE GRANDE A LO INFINITAMENTE PEQUEÑO

34 FAMILIAS DE PARTÍCULAS e- e- τ μ U C S T B νe-νe-νe-νe- ντντντντ νμνμνμνμ D FERMIONES: una gran familia donde...los gemelos no pueden estar juntos LEPTONESQUARKS BARIONES Partículasinestables Pn El estado de energía de cada partícula  4 números cuánticos. Sus distribuciones (probabilidad de que se encuentren en una determinada “zona”)  estadística de FERMI – DIRAC. PRINCIPIO DE EXCLUSIÓN: En un mismo átomo o partícula subatómica no pueden coexistir dos fermiones con los mismos números cuánticos. no pueden coexistir dos fermiones con los mismos números cuánticos. MESONES π, K, ή 3- DE LO INFINITAMENTE GRANDE A LO INFINITAMENTE PEQUEÑO

35 FAMILIAS DE PARTÍCULAS BOSONES: los mensajeros de las fuerzas Son las partículas que se encargan de transportar las interacciones (fuerzas). Siguen la estadística de BOSE- EINSTEIN. Cada fuerza tiene su mensajero ELECTROMAGNÉTICA FOTONES: partículas de luz sin masa (en reposo) E= h ν DÉBIL W+ W-Z Los protagonistas de la radiactividad FUERTE GLUONES: 8 diferentes pegamentos para los quarks y para protones y neutrones en los núcleos GRAVITACIONAL ¿GRAVITONES? 3- DE LO INFINITAMENTE GRANDE A LO INFINITAMENTE PEQUEÑO

36 Una idea extravagante... Dirac predijo la existencia de la antimateria en 1928, a la luz de las teorías de la Mecánica Cuántica (Nobel ´33). Dirac predijo la existencia de la antimateria en 1928, a la luz de las teorías de la Mecánica Cuántica (Nobel ´33)....pero no absurda......pero no absurda... La prueba de la existencia de la antimateria: Simulaciones en aceleradores de partículas 1932  detección del primer positrón (electrón positivo e+) 1932  detección del primer positrón (electrón positivo e+) 1955  el primer antiprotón y 1 año después, el primer antineutrón 1955  el primer antiprotón y 1 año después, el primer antineutrón 1965  el primer “antinúcleo” de antihelio 1965  el primer “antinúcleo” de antihelio 1981 (CERN)  la energía liberada por la aniquilación de materia y antimateria es >> que la nuclear 1981 (CERN)  la energía liberada por la aniquilación de materia y antimateria es >> que la nuclear 1996 (CERN)  se sintetiza el primer antiátomo de antihidrógeno 1996 (CERN)  se sintetiza el primer antiátomo de antihidrógeno 1991 (NASA)  el satélite CGRO 1991 (NASA)  el satélite CGRO ( Compton Gamma Rays Observatory ) descubre ( Compton Gamma Rays Observatory ) descubre una nube de positrones una nube de positrones que atraviesa el centro de nuestra galaxia que atraviesa el centro de nuestra galaxia Una idea extravagante... Dirac predijo la existencia de la antimateria en 1928, a la luz de las teorías de la Mecánica Cuántica (Nobel ´33). Dirac predijo la existencia de la antimateria en 1928, a la luz de las teorías de la Mecánica Cuántica (Nobel ´33)....pero no absurda......pero no absurda... La prueba de la existencia de la antimateria: Simulaciones en aceleradores de partículas 1932  detección del primer positrón (electrón positivo e+) 1932  detección del primer positrón (electrón positivo e+) 1955  el primer antiprotón y 1 año después, el primer antineutrón 1955  el primer antiprotón y 1 año después, el primer antineutrón 1965  el primer “antinúcleo” de antihelio 1965  el primer “antinúcleo” de antihelio 1981 (CERN)  la energía liberada por la aniquilación de materia y antimateria es >> que la nuclear 1981 (CERN)  la energía liberada por la aniquilación de materia y antimateria es >> que la nuclear 1996 (CERN)  se sintetiza el primer antiátomo de antihidrógeno 1996 (CERN)  se sintetiza el primer antiátomo de antihidrógeno 1991 (NASA)  el satélite CGRO 1991 (NASA)  el satélite CGRO ( Compton Gamma Rays Observatory ) descubre ( Compton Gamma Rays Observatory ) descubre una nube de positrones una nube de positrones que atraviesa el centro de nuestra galaxia que atraviesa el centro de nuestra galaxia AL LÍMITE DE LA CIENCIA FICCIÓN: LA ANTIMATERIA 3- DE LO INFINITAMENTE GRANDE A LO INFINITAMENTE PEQUEÑO e+ e -

37 AL LÍMITE DE LA CIENCIA FICCIÓN: LA ANTIMATERIA Una naturaleza simétrica... Toda partícula fundamental tiene su antipartícula exactamente igual, pero de carga eléctrica opuesta Cargaeléctrica -1 +1 0 +2/3 -2/3 -1/3 +1/3 -1 +1 0 +2/3 -2/3 -1/3 +1/3 e- e+ ν e- ν e+ LEPTONES Y ANTILEPTONES QUARKS Y ANTIQUARKS u Anti- u τ Anti- τ Anti- ν τ μ Anti- μ ν μν μ Anti- ν μ d Anti- d c Anti- c s Anti- s t b Anti- t Anti- b BARIÓNICA NO BARIÓNICA 3- DE LO INFINITAMENTE GRANDE A LO INFINITAMENTE PEQUEÑO ν τ

38 AL LÍMITE DE LA CIENCIA FICCIÓN: LA ANTIMATERIA ¿Hasta qué punto es simétrica la Naturaleza? p= uud n= udd Anti -p= Anti (uud) Anti -n= Anti (udd) ÁtomoAnti- Átomo Flor Anti-Flor GALAXIAS ANTI- GALAXIAS 3- DE LO INFINITAMENTE GRANDE A LO INFINITAMENTE PEQUEÑO

39 AL LÍMITE DE LA CIENCIA FICCIÓN: LA ANTIMATERIA La asimetría de la existencia ¿Podría existir un anti-Universo hecho de antimateria? No se ha encontrado rastro de antimateria en la Tierra. El encuentro de una persona con su anti-persona sería absolutamente destructivo para ambos... No se ha encontrado rastro de antimateria en la Tierra. El encuentro de una persona con su anti-persona sería absolutamente destructivo para ambos... Sólo se ha producido antimateria a nivel subatómico y atómico, en los aceleradores. subatómico y atómico, en los aceleradores. Sólo se ha producido antimateria a nivel subatómico y atómico, en los aceleradores. subatómico y atómico, en los aceleradores. Nunca se han producido ni detectado anti-átomos más complejos que el helio o anti-moléculas. más complejos que el helio o anti-moléculas. Nunca se han producido ni detectado anti-átomos más complejos que el helio o anti-moléculas. más complejos que el helio o anti-moléculas. Nunca se han encontrado galaxias de antimateria, sólo se ha detectado: antimateria, sólo se ha detectado: en La Vía Láctea, una nube de positrones en La Vía Láctea, una nube de positrones cuyo origen queda incógnito. cuyo origen queda incógnito. Nunca se han encontrado galaxias de antimateria, sólo se ha detectado: antimateria, sólo se ha detectado: en La Vía Láctea, una nube de positrones en La Vía Láctea, una nube de positrones cuyo origen queda incógnito. cuyo origen queda incógnito. Si al principio las simetrías eran perfectas, ¿por qué ganó la materia? Durante los primeros 10 - 4 segundos de vida del Universo se crearía un pequeño exceso de materia respecto a la antimateria. pequeño exceso de materia respecto a la antimateria. Ese ínfimo exceso de materia sobrevivida a la aniquilación es la semilla de las estructuras que observamos en nuestro universo. la semilla de las estructuras que observamos en nuestro universo. Durante los primeros 10 - 4 segundos de vida del Universo se crearía un pequeño exceso de materia respecto a la antimateria. pequeño exceso de materia respecto a la antimateria. Ese ínfimo exceso de materia sobrevivida a la aniquilación es la semilla de las estructuras que observamos en nuestro universo. la semilla de las estructuras que observamos en nuestro universo. ¿Azar? 3- DE LO INFINITAMENTE GRANDE A LO INFINITAMENTE PEQUEÑO

40 LA ENERGÍA DEL SOL 4 - DE LO INFINITAMENTE PEQUEÑO A LO INFINITAMENTE GRANDE IR VISIBLE UV RAYOS X MICROONDASRADIO PARTÍCULAS La luz visible y el calor permiten la existencia de la vida......pero eso no es lo único que nos llega de nuestro Sol...

41 4 - DE LO INFINITAMENTE PEQUEÑO A LO INFINITAMENTE GRANDE LA CARA MÁS ENERGÉTICA DE NUESTRO SOL El horno nuclear γ ν En el interior del Sol a cada segundo: - Las reacciones nucleares transforman - Las reacciones nucleares transforman 5x 10 6 T de materia en energía 5x 10 6 T de materia en energía - Cantidad de energía liberada por segundo > - Cantidad de energía liberada por segundo > que la consumida en toda la Historia de la Humanidad que la consumida en toda la Historia de la Humanidad - La energía es liberada en forma de: - La energía es liberada en forma de: T~10 7 ºK Radiación γ Interacciona con la materia El resultado de esas interacciones en una emisión fotosférica que presenta un espectro continuo con máximo de emisión en el visible. NO Interaccionan con la materia Se detectan < ½ de los ν esperados por el balance esperados por el balance de las reacciones nucleares. de las reacciones nucleares. ¿Transiciones entre diferentes tipos de ν? Se detectan < ½ de los ν esperados por el balance esperados por el balance de las reacciones nucleares. de las reacciones nucleares. ¿Transiciones entre diferentes tipos de ν? NO olvidemos que:  el Sol es una estrella absolutamente NORMAL.  NO es ninguna fuente poderosa de radiación o de partículas de altas energías....pero lo es para nosotros, debido a su CERCANÍA. NO olvidemos que:  el Sol es una estrella absolutamente NORMAL.  NO es ninguna fuente poderosa de radiación o de partículas de altas energías....pero lo es para nosotros, debido a su CERCANÍA. Neutrinos ν

42 4 - DE LO INFINITAMENTE PEQUEÑO A LO INFINITAMENTE GRANDE LA CARA MÁS ENERGÉTICA DE NUESTRO SOL 10 6 km T ~2 x 10 6 ºK d ~d ( vacío de laboratorio ) - Débil emisión visible - Fuerte emisión UV, X, e- acelerados La intensidad varía a lo largo del ciclo de actividad. La corona Plasma en condiciones muy extremas: X UV e- acelerados El viento solar - Prolongación de la corona que se extiende hasta los confines del Sistema Solar se extiende hasta los confines del Sistema Solar - Flujo de e- y p acelerados por campo magnético del Sol - En la Tierra medimos: v ~300-700 km/s d~ 6 partículas/ cm 3 v ~300-700 km/s d~ 6 partículas/ cm 3 - Tiempo necesario para alcanzar la Tierra: 15 min –72 h - Intensidad de flujo: dependiente del actividad solar El viento solar - Prolongación de la corona que se extiende hasta los confines del Sistema Solar se extiende hasta los confines del Sistema Solar - Flujo de e- y p acelerados por campo magnético del Sol - En la Tierra medimos: v ~300-700 km/s d~ 6 partículas/ cm 3 v ~300-700 km/s d~ 6 partículas/ cm 3 - Tiempo necesario para alcanzar la Tierra: 15 min –72 h - Intensidad de flujo: dependiente del actividad solar

43 4 - DE LO INFINITAMENTE PEQUEÑO A LO INFINITAMENTE GRANDE LA CARA MÁS ENERGÉTICA DE NUESTRO SOL Los escudos de la Tierra SOL SN Radiación Partículas CINTURONES MAGNÉTICOS ATMÓSFERA Y CAPA DE OZONO

44 4 - DE LO INFINITAMENTE PEQUEÑO A LO INFINITAMENTE GRANDE LA CARA MÁS ENERGÉTICA DE NUESTRO SOL Los talones de Aquiles de la Tierra Los polos son los puntos débiles del caparazón magnético......”gracias a ello”, la Naturaleza nos puede ofrecer este espectáculo Los polos son los puntos débiles del caparazón magnético......”gracias a ello”, la Naturaleza nos puede ofrecer este espectáculo El otro punto débil: el agujero en la capa de ozono La mano del Hombre: el mayor responsable del deterioro de la coraza de protección contra la dañina radiación UV del deterioro de la coraza de protección contra la dañina radiación UV

45 4 - DE LO INFINITAMENTE PEQUEÑO A LO INFINITAMENTE GRANDE LA CARA MÁS ENERGÉTICA DE NUESTRO SOL Los talones de Aquiles de la Tierra Emisión en rayos X en el polo Norte terrestre debida al viento solar

46 4 - DE LO INFINITAMENTE PEQUEÑO A LO INFINITAMENTE GRANDE LA RADIACIÓN CÓSMICA Todo empezó con un vuelo en globo Todo empezó con un vuelo en globo Ya se habían descubierto los rayos X y la radiactividad natural cuando... Ya se habían descubierto los rayos X y la radiactividad natural cuando... 1903: se descubre la ionización del aire. 1903: se descubre la ionización del aire. 1910: un electroscopio subido a la Torre Eiffel mide más radiactividad. 1910: un electroscopio subido a la Torre Eiffel mide más radiactividad. 1911: Victor Hess vuela en globo hasta los 5000m de altura, donde la 1911: Victor Hess vuela en globo hasta los 5000m de altura, donde la radiación era mucho más intensa que al nivel del mar  intuyó que: radiación era mucho más intensa que al nivel del mar  intuyó que: la radiación debía ser de origen cósmico (Nobel de Física 1936). la radiación debía ser de origen cósmico (Nobel de Física 1936). Hoy sabemos que: - Del espacio nos llega una enorme cantidad de partículas procedentes - Del espacio nos llega una enorme cantidad de partículas procedentes de objetos que protagonizan fenómenos de altas energías. de objetos que protagonizan fenómenos de altas energías. - Por la cercanía, la mayoría de esas partículas proceden del - Por la cercanía, la mayoría de esas partículas proceden del SOL y de Supernovas dentro de nuestra galaxia, aunque partículas SOL y de Supernovas dentro de nuestra galaxia, aunque partículas de energías elevadísimas nos lleguen también de AGN o GRB. de energías elevadísimas nos lleguen también de AGN o GRB. - De la misma manera, el flujo más intenso procede del SOL, - De la misma manera, el flujo más intenso procede del SOL, especialmente en los períodos de máxima actividad. especialmente en los períodos de máxima actividad. - Parte de la radiación cósmica primaria (p, e-, núcleos α y otros núcleos más pesados), - Parte de la radiación cósmica primaria (p, e-, núcleos α y otros núcleos más pesados), queda atrapada en los cinturones magnéticos. queda atrapada en los cinturones magnéticos. - Las partículas más energéticas que logran penetrar reaccionan - Las partículas más energéticas que logran penetrar reaccionan con los átomos de la alta atmósfera, produciendo cascadas de partículas secundarias. con los átomos de la alta atmósfera, produciendo cascadas de partículas secundarias.

47 4 - DE LO INFINITAMENTE PEQUEÑO A LO INFINITAMENTE GRANDE LA RADIACIÓN CÓSMICA Partículas de masa nula La idea más común : SEPARACIÓN RADIACIÓN  ONDA Algo abstracto, totalmente evanescente PARTÍCULA  CORPÚSCULO Algo tangible, dotado de masa, por pequeña que sea Definición de rayo cósmico restringida a partículas de masa finita partículas de masa finita Pero: MECÁNICA CUÁNTICA (Dualidad onda-corpúsculo) La radiación e.m. está hecha de PARTÍCULAS DE MASA NULA llamadas FOTONES RELATIVIDAD La masa de un cuerpo NO es absoluta sino que aumenta a v próximas a c Para la radiación cósmica, estamos en régimen relativista Lo que define la RADIACIÓN CÓSMICA es un RANGO DE ENERGÍA (VHE = Very High Energy ) independientemente de que se trate de: independientemente de que se trate de: - partículas dotadas de masa (p, e-, iones) aceleradas a v próximas a c - partículas dotadas de masa (p, e-, iones) aceleradas a v próximas a c - fotones de radiación e.m. dura ( γ y aún más energética) - fotones de radiación e.m. dura ( γ y aún más energética)

48 LA RADIACIÓN CÓSMICA ¿Cómo atrapar la radiación cósmica? Requisitos 1) Posibilidad de recibir la información 2) Cantidad Fiabilidad de la información 3) Calidad NEUTRINOS Débil interacción  difícil detección Estamos sometidos a un bombardeo constante de millones y millones Nos llegan de la fuente sin perturbaciones PARTÍCULASCARGADAS p, e-, IONES La mayoría son desviadas por los cinturones magnéticos de la Tierra Desviadas por campos magnéticos: del Sol y extrasolares  imposible localizar la fuente Posible alternativa: observación desde el espacio Dificultad: coste de misiones espaciales 4 - DE LO INFINITAMENTE PEQUEÑO A LO INFINITAMENTE GRANDE

49 LA RADIACIÓN CÓSMICA ¿Cómo atrapar la radiación cósmica? 1) Posibilidad de recibir la información 2) Cantidad Fiabilidad de la información 3) Calidad Fácilmente detectables Afortunadamente, la atmósfera absorbe la radiación de alta energía Comparable con la obtenida por los demás detectores de fotones FOTONES ALTA ENERGÍA = RADIACIÓN CÓSMICA NEUTRA Posibles soluciones: - Satélites  Dificultad: coste - Detección en Tierra de la radiación cósmica secundaria LO QUE SE DETECTA SON LAS PARTÍCULAS SECUNDARIAS PRODUCIDAS POR EL IMPACTO, EN LAS CAPAS ALTAS DE LA ATMÓSFERA, DE LOS FOTONES ALTAMENTE ENERGÉTICOS DE LA COMPONENTE NEUTRA DE LA RADIACIÓN CÓSMICA. 4 - DE LO INFINITAMENTE PEQUEÑO A LO INFINITAMENTE GRANDE

50 LA RADIACIÓN CÓSMICA Un fotón VHE impacta en la alta atmósfera Se generan partículas secundarias inestables que producen una reacción en cadena Se crea una cascada de partículassecundarias “air shower” Decenas de km Las partículas alcanzan v > c (¡en el medio!) emitiendo una radiación característica: RADIACIÓN CHERENKOV Visible-UV Visible-UV  Fácilmente detectable Cascadas de partículas 4 - DE LO INFINITAMENTE PEQUEÑO A LO INFINITAMENTE GRANDE

51 LA RADIACIÓN CÓSMICA Detectores Cherenkov 4 - DE LO INFINITAMENTE PEQUEÑO A LO INFINITAMENTE GRANDE El antiguo HEGRA High Energy Gamma Rays Array Observatorio del Roque de los Muchachos, La Palma, Islas Canarias MAGIC HEGRA El nuevo MAGIC Major Atmospheric Gamma – Rays Imaging Cherenkov Detector Observatorio del Observatorio del Roque de los Muchachos, Roque de los Muchachos, La Palma, Islas Canarias La Palma, Islas Canarias...coge el relevo...

52 LA RADIACIÓN CÓSMICA ¿Qué objetos estudiamos en el rango VHE? - AGN: mecanismo de producción de energía - AGN: mecanismo de producción de energía ¿presencia de un agujero negro supermasivo ¿presencia de un agujero negro supermasivo en galaxias “normales”? en galaxias “normales”? - Remanentes de SN - Remanentes de SN - GRB - GRB - Identificación de fuentes en el gap entre - Identificación de fuentes en el gap entre el rango de energía cubierto por los detectores el rango de energía cubierto por los detectores Cherenkov y el de los satélites Cherenkov y el de los satélites ¿Tienen los rayos cósmicos algo que ver con las nubes ? Impacto de rayos cósmicos Impacto de rayos cósmicos y cascadas de aire y cascadas de aire Equilibrio de la atmósfera Formación de nubes altas Formación de nubes altas Equilibrio térmico del Planeta 4 - DE LO INFINITAMENTE PEQUEÑO A LO INFINITAMENTE GRANDE

53 UNIVERSO DE FIN