inestabilidad de Jeans

En el centro de una galaxia, donde un agujero negro supermasivo hace girar a su alrededor un disco de gas incandescente, a veces nacen estrellas gigantes. No se parecen a las normales: el disco las alimenta continuamente con materia, y la estrella puede crecer hasta alcanzar cientos de masas solares, permaneciendo brillante mientras el flujo de gas no se agote.

En los primeros 500 millones de años después del Big Bang, las galaxias crecían a un ritmo vertiginoso. El gas caía rápidamente en ellas y colapsaba en estrellas sin encontrar resistencia. Este período se conoce como 'formación estelar sin obstáculos'.

Todo objeto pulsante tiene un momento en que el ritmo se rompe. Para las estrellas de bosones —grumos hipotéticos de partículas ultraligeras— ese momento resulta ser el punto donde la masa deja de crecer. Los autores del trabajo calcularon el modo radial más bajo (el tono fundamental de la «respiración») para toda una familia de estas estrellas, incluyendo modelos con autointeracción.

La luz del cuásar J0744+2052 viajó hacia nosotros durante casi 12 mil millones de años. En su camino, atravesó nubes de hidrógeno que absorbieron líneas específicas del espectro, como un peine que va filtrando frecuencias finas. Los astrónomos llaman a este patrón bosque de Lyman-alfa.

El colapso del núcleo de una estrella se parece a la compresión de un muelle: la materia cae hacia dentro y en el centro nace una estrella de neutrones. Pero la caída nunca es perfectamente uniforme. En las capas exteriores hirvientes, los remolinos aleatorios transmiten rotación al gas que cae — y alrededor del objeto central se arremolina un disco.

Una fogata arde parejo y durante mucho tiempo. Pero basta un soplo de viento para que la llama se apague, dejando solo brasas. Una historia similar ocurrió con el gravastar, un objeto hipotético que debía reemplazar al agujero negro. Un agujero negro común esconde en su interior una singularidad: un punto donde las leyes de la física se rompen.

En la búsqueda de la naturaleza de la materia oscura, una de las hipótesis más intrigantes se remonta a los primeros instantes después del Big Bang.

Un agujero negro es como una gota giratoria de líquido viscoso. Normalmente, esa gota tiende a permanecer entera: la división reduciría su superficie, lo que contradice la ley de no disminución de la entropía (una medida del desorden, como una taza rota que no se pega sola).

Los detectores LIGO y Virgo captan las ondulaciones del espacio-tiempo, pero algunas señales obligan a reescribir los guiones de la muerte estelar.

Una nube gigante de materia invisible actúa como un espejo deformante: distorsiona la luz de una galaxia lejana. Con esas distorsiones, los astrónomos pueden pesar la nube y asomarse a su interior.

La materia oscura es el armazón invisible del universo. No brilla, pero su atracción mantiene a las estrellas dentro de las galaxias. En algunos modelos, las partículas de esta materia pueden colisionar e intercambiar energía, como las moléculas en el aire caliente.

Un patinador sobre hielo pega los brazos al cuerpo y su giro se acelera de repente. Cuando una estrella masiva agota su combustible y su núcleo colapsa, ocurre algo parecido, pero a escala cósmica.

Una galaxia lejana siempre parece más roja de lo que realmente es. Así funciona el polvo cósmico: diminutas partículas sólidas que dispersan la luz azul con más fuerza que la roja, como una neblina al atardecer. Los astrónomos midieron este efecto en decenas de miles de galaxias con dos potentes instrumentos.

Una gota de miel se extiende lentamente sobre la mesa; el agua, rápido. La resistencia al flujo, la viscosidad, es diferente para cada líquido. Pero, ¿y si la viscosidad cambia sobre la marcha, a medida que la sustancia se comprime o se expande?

Ya en la década de 1960, el físico Joseph Weber intentó captar ondas gravitacionales con cilindros de aluminio que debían vibrar como diapasones por la ondulación del espacio-tiempo.

Cuando una sopa caliente se enfría, aparecen grumos en la superficie; de manera similar, el universo temprano, al enfriarse, generaba filamentos de energía: las cuerdas cósmicas. Algunas se asemejan a una goma elástica tensada: mientras está intacta, es estable. Pero si cortas la goma, se rompe.

En una sala abarrotada donde giran parejas, a veces recorre una ola: unas parejas se separan, otras se forman, y el movimiento arrastra a todos. De manera similar se comporta una nube densa de neutrinos, las partículas más pequeñas que apenas interactúan con la materia.

Después del Big Bang, la materia oscura y la materia ordinaria (principalmente hidrógeno) se separaron en velocidad.

Un globo en la palma de la mano rebota igual en todas direcciones. Pero una botella de refresco se comporta de otra manera: a lo largo del cuello es rígida, pero transversalmente se aplasta con facilidad. Así más o menos es la presión dentro de algunas estrellas: puede ser desigual en distintas direcciones. Estas estrellas se llaman anisotrópicas, y hasta ahora su comportamiento se describía con métodos dispersos.

Una estrella con un peso de cien mil soles vive de forma brillante y breve. Su final es un colapso rápido en un agujero negro. Pero justo antes del final, logra envolverse en un denso capullo de gas. Son precisamente estos capullos los que el telescopio James Webb distingue alrededor de objetos misteriosos: los 'pequeños puntos rojos'.

Un río fluye hacia un remolino, pero en el camino se encuentra con un dique que tiene una ranura. La mayor parte del agua se acumula frente al dique, pero una parte, tras ganar altura, lo sobrevuela y cae directamente en el embudo. Así ocurre con el gas en una galaxia: desciende hacia el centro, pero choca con un anillo de estrellas y gas, que actúa como un dique.

En el universo lejano, cuando tenía solo un par de miles de millones de años, muchas galaxias parecían calderos hirviendo: el gas se condensaba tan rápido que las estrellas estallaban una tras otra, y el polvo se calentaba y brillaba intensamente en el rango submilimétrico.

Un flujo de electrones entra en el plasma como un chorro de agua golpea un estanque tranquilo. El chorro perturba la superficie, generando ondas que crecen rápidamente y mezclan el agua. En el plasma, este proceso se llama inestabilidad de Buneman: el haz de electrones excita oscilaciones que luego disipan su energía.

Un torrente de gas incandescente se aleja de la estrella y, de repente, se detiene como si hubiera chocado contra una pared invisible. Esto es exactamente lo que vieron los investigadores al intentar reproducir una eyección estelar a escala de laboratorio.

En las frías nubes de gas interestelar se esconden largos y delgados filamentos, como hilos en una madeja. Es precisamente en ellos donde, al contraerse, nacen nuevas estrellas. Los astrónomos tomaron siete de estas nubes a distancias de 140 a 920 años luz y midieron cuántos filamentos de diferentes grosores hay en ellas.

En un disco de gas y polvo alrededor de una estrella joven, las partículas de polvo se comportan como granos de arena en una corriente de agua: el gas fluye más rápido, el polvo se queda atrás y entre ambos surge fricción. Esa fricción puede hacer oscilar las ondas magnéticas que recorren el disco.

Dos estrellas giran alrededor de un centro común, absorbiendo gas de la nube circundante. Alrededor de cada estrella y alrededor de todo el par se forman discos de gas en rotación. De estos discos, como de mangueras, brotan chorros. Dentro de los discos, el gas se mezcla constantemente: así funciona la inestabilidad magnetorrotacional.

En las frías nubes de gas interestelar se extienden largos y densos filamentos. En ellos, como en incubadoras abarrotadas, maduran las futuras estrellas. Durante mucho tiempo se pensó que dentro de estos filamentos todo estaba gobernado por la gravedad: la materia fluye suavemente hacia los centros, donde la densidad aumenta y finalmente estalla una estrella.

En una fría nube de gas donde nace una estrella, la química duerme. Las moléculas apenas chocan y las reacciones se congelan. Pero si una partícula cargada atraviesa la nube, arranca electrones de los átomos, ionizándolos. Así, en la nube dormida aparecen iones activos, listos para construir nuevas moléculas.

En una nube oscura donde aún no brilla ninguna estrella, el gas comienza a contraerse hacia un centro común. Así nacen las estrellas más masivas de la Galaxia: aquellas que pesan decenas de veces más que el Sol. Los astrónomos apuntaron radiotelescopios hacia la nube SDC335.579-0.292 y vieron cómo las moléculas de gas se alinean en corrientes que caen hacia adentro.

Un trozo de masa, si se estira hacia los lados, no se estira de manera uniforme: en un punto se adelgaza y se rompe. El tejido vivo se comporta de manera similar, pero en lugar de una ruptura aparecen bandas de cizallamiento: zonas estrechas donde las células comienzan a deslizarse unas sobre otras, como las cartas de una baraja al cortarlas.

En el centro de una enorme ciudad de galaxias flota una nube densa de gas. Se ha enfriado hasta tal punto que, según todas las reglas, debería colapsar en estrellas nuevas, como el vapor se convierte en gotas en un vidrio frío. Pero el vidrio permanece seco. Los astrónomos apuntaron el telescopio de rayos X Chandra hacia esa nube y la observaron durante casi tres días seguidos.

En un tokamak, el plasma es como una multitud en una calle estrecha: basta con que alguien corra para que todos se lancen a la vez. En un stellarator con sección no circular, la calle es sinuosa, con callejones sin salida y bolsas. La multitud no puede formar una sola ola: la gente se queda atrapada en diferentes rincones.

Un cúmulo de galaxias se parece a una intersección concurrida donde las galaxias, como autos, se precipitan contra un viento de gas caliente. Este viento, llamado presión de ariete, arranca de las galaxias sus reservas de gas frío, el combustible para formar estrellas.

En el centro de casi toda galaxia grande se esconde un agujero negro. Cuando engulle gas, expulsa potentes corrientes de vuelta, como un dragón que no puede tragar toda su presa y exhala llamas. Estos "vientos" se aceleran hasta miles de kilómetros por segundo y pueden barrer las reservas de gas del que nacen las estrellas.

En la oscura nube G318.049+00.086, donde aún no hay ninguna estrella, el polvo y el gas se han alineado en cuatro largos filamentos. Convergen en un denso nudo central, como cuatro ríos que desembocan en un lago.

Una estrella joven está rodeada por un disco plano y giratorio de gas y polvo: es el andamiaje de los futuros planetas.

Al igual que en una habitación atestada cada persona extra aumenta bruscamente la presión en las paredes, en una estrella de neutrones el incremento de densidad provoca un aumento de la resistencia interna. Pero incluso esta resistencia tiene un techo absoluto.

Una gota de agua cae sobre una hoja de loto y rebota sin dejar rastro. Esta maravilla de autolimpieza ha sido perfeccionada por la naturaleza durante millones de años, y los ingenieros llevan mucho tiempo intentando reproducirla. Pero si la gota golpea demasiado rápido, se deshace en salpicaduras, pierde masa y deja manchas húmedas en la superficie.