¿Cómo calcular la masa de las galaxias y el universo? El pensamiento científico debe ser de simple a complejo. Parece simple pero en realidad es complejo.

Si quieres saber más y explorar el universo, los sueños y la imaginación no son lo más importante, necesitamos la ayuda de la ciencia. Volviendo a la esencia de la ciencia, el origen del universo y más allá de la imaginación, siempre tendremos muchas preguntas aparentemente simples pero en realidad fundamentales. Por ejemplo, ¿cuántos planetas y galaxias hay en el universo? ¿Están relacionados los agujeros negros con la energía oscura de la materia oscura? Qué hay más allá del universo, qué había antes del big bang, etc. Estas preguntas pueden parecer simples, pero son muy complejas de responder e involucran variables científicas muy complejas. Nada es absoluto, todo está cambiando.

La ciencia humana está todavía en su infancia. A medida que nuestra exploración científica del universo se profundice, surgirán más preguntas y, a veces, preguntas aparentemente simples se vuelven más difíciles de responder. Lo que estamos discutiendo hoy es un problema aparentemente simple: cómo "pesar" diferentes estructuras celestes. Los astrónomos siempre están hablando de cuán grandes son los exoplanetas, cuántas galaxias en esa galaxia tienen la masa del sol, etc. El tamaño de las galaxias planetarias supera nuestra imaginación. ¿Cómo saben o calculan esto los astrónomos? Existe una lógica científica detrás del cálculo de la estructura de una estrella u otro cuerpo celeste.

Antes de poder calcular las masas de otros planetas, necesitamos determinar la masa de la Tierra. La ley de gravitación universal de Newton nos dice que la fuerza gravitacional entre dos objetos es proporcional al producto de las masas entre los dos objetos, que también se puede registrar como sus masas divididas por el cuadrado de la distancia entre sus centros de masa. Para obtener una aproximación razonable, podemos suponer que su centro geográfico es su centro de masa.

Conociendo la masa y el radio de la Tierra, así como la distancia de la Tierra al Sol, puedes utilizar la ley de gravitación universal para recalcular la masa del Sol. La fuerza gravitacional entre la Tierra y el Sol es la constante gravitacional g multiplicada por la masa del Sol dividida por el cuadrado de la distancia entre la Tierra y el Sol. Una cosa a tener en cuenta es que la fuerza gravitacional debe ser igual a la fuerza centrípeta requerida por la Tierra para mantener su órbita (casi circular) alrededor del Sol. La fuerza centrípeta es la masa de la Tierra multiplicada por su velocidad dividida por el cuadrado de su distancia al Sol. Midiendo astronómicamente la distancia al Sol, podemos calcular la velocidad de la Tierra alrededor del Sol y, por tanto, su masa.

Una vez que tengamos los datos de la masa del Sol, podremos utilizar métodos astronómicos para determinar los radios y períodos orbitales de los otros planetas, y calcular la fuerza centrípeta necesaria, de modo que se pueda determinar la masa de cualquier planeta. En otras palabras, la masa de un planeta está determinada por su efecto gravitacional sobre otros cuerpos celestes.

Para calcular la masa de otro planeta, debemos medir de alguna manera la fuerza de su atracción gravitacional sobre otro cuerpo celeste. Sería mucho más sencillo si el planeta tuviera un satélite natural. Al observar el tiempo que tarda un satélite en orbitar su planeta anfitrión, podemos inferir la masa del planeta mediante las ecuaciones de Newton. Para los planetas que no han sido descubiertos o que no tienen satélites naturales, debemos tomar otras medidas. Por ejemplo, Mercurio y Venus no tienen lunas, pero ejercen una pequeña atracción gravitacional entre sí y sobre los demás planetas del sistema solar. Los astrónomos pueden utilizar estas pequeñas desviaciones para determinar la masa de los planetas sin satélites naturales.

Hasta el momento, los científicos han confirmado que hay más de 4.000 exoplanetas orbitando estrellas fuera del sistema solar. Para determinar si estos planetas distantes son habitables, necesitamos conocer la masa del exoplaneta. Conocer la masa del planeta es importante porque estos datos ayudan a los astrónomos a inferir si el planeta está hecho de gas o roca. Además de la composición de los planetas, los datos de masa de exoplanetas también pueden ayudar a los astrónomos a demostrar las actividades internas y de superficie de los planetas, como la tectónica de placas, los campos magnéticos globales y otros datos.

Sin embargo, la tecnología actual para estimar la masa de exoplanetas es limitada, y la velocidad radial es el principal método utilizado por los científicos para calcular exoplanetas. Este método funciona observando pequeñas oscilaciones en la órbita de una estrella. La vibración se produce porque es arrastrada por la gravedad del planeta. A partir de esto, los científicos pueden determinar la relación de masa del planeta con respecto a la estrella. Calcular la velocidad radial es relativamente fácil para planetas del tamaño de Neptuno o asteroides del tamaño de la Tierra que orbitan alrededor de estrellas muy brillantes.

El año pasado, los astrónomos del MIT desarrollaron una nueva técnica que puede determinar la masa de un exoplaneta simplemente utilizando el espectro de transmisión del planeta. Esta espectroscopia de medición de transmisión funciona midiendo la inclinación de la atmósfera del planeta a su paso por la estrella. Estos datos se pueden utilizar para determinar el tamaño del planeta y las propiedades atmosféricas y revelar su masa.

Los astrónomos ahora pueden utilizar telescopios espaciales y grandes telescopios terrestres para analizar los espectros de transmisión de exoplanetas. Cuando un planeta pasa frente a su estrella, parte de la luz atraviesa la atmósfera del planeta, creando un espectro de transmisión. Al analizar las longitudes de onda de la luz, los científicos pueden determinar las características de la atmósfera de un planeta, como su temperatura y la densidad de las moléculas atmosféricas. El tamaño del planeta se puede calcular a partir de la cantidad total de luz bloqueada.

Para probar este método, los astrónomos del MIT utilizaron esta técnica para medir un exoplaneta denominado HD189733b, que se encuentra a 63 años luz de distancia. Basándose en los datos de masa del espectro de transmisión, los astrónomos obtuvieron los mismos resultados de masa que con el método de la velocidad radial. En el futuro, se seguirán mejorando las especificaciones de los telescopios espaciales de alta resolución, como el telescopio espacial James Webb, cuyos instrumentos científicos infrarrojos son una potente herramienta para observar las atmósferas de los exoplanetas. Esta nueva tecnología se adaptará a más telescopios espaciales en el futuro y los astrónomos tendrán datos de masa más precisos sobre los exoplanetas.

¿Cuántos planetas hay en el universo? Nadie puede deducir el valor específico. Como metáfora, hay más planetas en el universo que arenas en la tierra. Aunque no sabemos el número de planetas que hay en el universo, los científicos estiman que hay entre 200 mil millones y 400 mil millones de planetas en la Vía Láctea. ¿Qué masa tiene una galaxia compuesta por tantos planetas? Esto plantea un problema para los astrónomos. Los astrónomos han recalculado la masa de la Vía Láctea utilizando nuevos datos del Telescopio Espacial Hubble de la NASA y el satélite Gaia de la Agencia Espacial Europea. El resultado es que nuestra galaxia pesa alrededor de 1,54 billones de masas solares.

¿Por qué son 1,54 billones de masas solares? Primero, debemos observar los componentes de este valor. La primera es que la masa de los 200 mil millones a 400 mil millones de planetas de la galaxia representa parte de ella, y la segunda es el agujero negro con una masa de 4 millones de soles en el centro de la galaxia. Estas dos partes son una pequeña fracción de la masa de la Vía Láctea, y el resto son sólo estimaciones de los astrónomos sobre la materia y la energía oscuras, así como la estructura del halo cerca de la Vía Láctea.

El material observado directamente por los telescopios espaciales puede predecir mejor la masa. En el futuro, con el lanzamiento de muchas misiones de telescopios espaciales de gran alcance, el número de planetas en la Vía Láctea será cada vez más preciso, pero la materia y la energía oscuras siempre han sido un dolor de cabeza para los astrónomos. ¿Qué es la materia oscura? Realmente no lo sabemos, y los astrónomos sólo pueden plantear la hipótesis de que podría tratarse de un montón de partículas teóricas extrañas que son indetectables. La materia y la energía oscuras no sólo representan una proporción muy alta de la masa de todas las galaxias del universo, sino que también representan alrededor del 96% del volumen del Hubble.

Conocer la masa de nuestra galaxia es muy importante en astronomía. Sin conocer la masa de la Vía Láctea, es difícil calcular cómo interactúa con galaxias cercanas, como la galaxia de Andrómeda. Conocer la masa de la Vía Láctea también nos ayuda a comprender mejor cómo evolucionó y cómo se formaron otras galaxias. En el futuro, los astrónomos esperan conocer la masa de la Vía Láctea con mayor precisión para poder ubicarla en el contexto de las teorías cosmológicas y compararla con datos simulados de galaxias del universo primitivo. La masa precisa de la Vía Láctea es una parte clave de muchas cuestiones cosmológicas.

Los astrónomos ahora tienen la tecnología para estimar la masa de galaxias distantes usando su velocidad de rotación, pero medir la masa de la Vía Láctea es mucho más difícil porque estamos dentro de la Vía Láctea y no podemos entender su situación general. Digamos que quieres saber qué tan grande es tu casa, pero no puedes salir de tu armario. El área de una casa entera, particularmente grande, solo se puede deducir en un armario, lo cual es extremadamente difícil.

Además, es imposible "pesar" una galaxia con sólo observarla, y mucho menos el observador que se encuentra dentro de ella. Sin embargo, cuanto más grande es la galaxia, mayor es su masa. de gravedad, más rápido se mueven los cúmulos de galaxias en su interior. Entonces, desde junio de 5438 hasta octubre de este año, los astrónomos se están preparando para observar 157 cúmulos de estrellas globulares, o cúmulos de estrellas muy densos, orbitando el centro de la Vía Láctea para calcular la velocidad de la Vía Láctea.

Los astrónomos han observado 34 cúmulos de estrellas distantes y utilizarán el satélite astrométrico Gaia de la Agencia Espacial Europea durante 22 meses para estimar sus masas. La mayoría de ellos se encuentran entre 6.500 y 70.000 años luz de la Tierra. Los astrónomos también estudiaron otros 12 cúmulos de estrellas observados por el Hubble, a unos 130.000 años luz de distancia. A medida que las observaciones continúan actualizándose, los movimientos de estos cúmulos de galaxias brindan a los astrónomos datos suficientes para estimar la velocidad de rotación de toda la galaxia, que pueden utilizar para calcular la masa de la galaxia.

Los planetas forman galaxias, galaxias y estructuras supergrandes, y todas estas estructuras, incluidos los vacíos cósmicos, forman el universo. Los astrónomos también pueden tener un valor de intervalo y un parámetro interno para la masa de una galaxia, pero desde una perspectiva científica, no tenemos forma de conocer la masa del universo. Porque no sólo necesitamos calcular la masa de todos los planetas y galaxias, sino que también necesitamos calcular la masa de la materia oscura, la energía oscura, las nubes de polvo e incluso el hidrógeno neutro en el espacio interestelar. Los astrónomos llevan más de un siglo buscando un valor para la masa del universo y todavía buscan métodos más precisos.

Medir la masa del universo es un parámetro importante para comprender su historia y evolución. Mientras que la energía oscura impulsa la expansión del universo, la materia visible bariónica intentará detener la expansión del universo. Esta fuerza de reacción en conjunto constituye la densidad promedio de materia y energía en el universo, que se llama parámetro de densidad del universo. Este parámetro es muy importante para el Modelo Estándar de Cosmología. Una forma de medir este parámetro es observar el Fondo Cósmico de Microondas (CMB). El brillo producido por el Big Bang tiene cambios de temperatura muy pequeños. Estos cambios pueden decirnos qué tan rápido se está expandiendo el universo, lo que a su vez nos permitirá conocer la densidad de la materia en el universo e inferir la masa del volumen de Hubble.

Otra forma de medir la masa del universo es observar cómo la luz de las galaxias distantes es desviada por la galaxia, lo que se llama lentes gravitacionales. Esta es una estimación aproximada.

Cuando los astrónomos observan lentes gravitacionales, primero comparan galaxias individuales y luego hacen comparaciones estadísticas. Como conocemos las formas de la mayoría de las galaxias del universo, podemos compararlas con las formas de las lentes que vemos para contar cuánta lente hay entre las galaxias y la Tierra. Este es un plan que los astrónomos llaman "estudio de mil grados".

El efecto de lente puede medir la masa entre nosotros y las galaxias distantes, pero no puede proporcionar un valor numérico para la densidad del universo. Por este motivo, los astrónomos necesitan saber a qué distancia se encuentra la galaxia. Por lo tanto, los astrónomos también determinan la distancia a la Vía Láctea midiendo su corrimiento al rojo en varias longitudes de onda. Por lo tanto, los parámetros de densidad cósmica son ligeramente diferentes a los calculados a partir del CMB. Esto se debe a que en el Modelo Estándar se supone que la cantidad de energía oscura en el universo es constante, pero según los últimos datos, no en el Modelo Estándar, la energía oscura cambia con el tiempo.

Detrás de algunos problemas complejos, hay otros simples que les corresponden. Conociendo la masa de una galaxia, podemos conocer la evolución de las galaxias observables en la Vía Láctea y en todo el universo. Al observar las galaxias del universo primitivo y estimar su masa, podemos conocer el estado de la materia y la energía en el universo primitivo. Conocer la masa del universo enriquecerá completamente el modelo del universo y tendrá un impacto extremadamente importante en la teoría de la evolución cósmica y la predicción de la dirección futura del universo.

La ciencia no se puede separar del cálculo, y el progreso científico no se puede separar del pensamiento imaginativo. Ante algunos problemas científicos aparentemente simples, también debemos pensar profundamente. La ciencia va de lo simple a lo complejo y deberíamos pensar en ello de esta manera.