GRAVEDAD CERO: EL COMIENZO

El desarrollo de la investigación encargada de evaluar la adaptación fisiológica del ser humano en el ambiente de ingravidez del espacio está repleto de desafíos especiales. Como tal, los vuelos espaciales tripulados han sido relativamente poco frecuentes y costosos, lo que ha derivado en sólo un número pequeño de sujetos disponibles a investigar y la significación estadística de los resultados ha sido, como tal, difícil de evaluar. Además, por razones válidas y comprensibles, los tipos de mediciones realizadas sobre el ser humano han sido limitados. El equipo utilizado en el entorno del espacio ha tenido que ser especialmente diseñado para cada tarea y, por tanto, el desarrollo de tecnología más compleja ha requerido periodos de prueba más prolongados. 

Cualquier respuesta fisiológica observada en la población de astronautas es, en realidad, el resultado de una combinación o integración de las respuestas de varios sistemas orgánicos, cada una respondiendo de manera simultánea a los desafíos impuestos por los vuelos espaciales y la ingravidez. El campo de las ciencias biológicas en condiciones de microgravedad está estrechamente ligado a la exploración del hombre del espacio. El trabajo de nuestra comunidad científica está destinado a ser aplicado directamente a la medicina espacial. Estos estudios se llevan a cabo como parte de un enfoque más fundamental, a fin de comprender cómo la gravedad afecta a la fisiología. No debemos olvidar que la gravedad ha configurado la vida terrestre a lo largo de cientos de millones de años. Ambas condiciones de microgravedad (reales o simuladas) se utilizan en modelos de investigación fisiológica. El sistema cardiovascular es particularmente sensible a las condiciones ambientales, especialmente la gravedad y las contramedidas implementadas en la actualidad no han sido lo suficientemente capaces de prevenir los trastornos cardiovasculares impuestos por el medio ambiente espacial. 

El conocimiento de las características físicas del espacio propiamente dicho resulta fundamental en Medicina Espacial para comprender las alteraciones fisiológicas surgidas como consecuencia de la exposición a ese medio hostil y antinatural. La envoltura gaseosa o atmósfera que posibilita la vida en la Tierra depende en su configuración de la fuerza de atracción terrestre o gravedad y de la radiación térmica solar que propende a la masa de gas a expandirse en el espacio adyacente. Entre ambas fuerzas existe un equilibrio permanente que determina en la vertical un decrecimiento continuo de densidad y presión. A medida que aumenta la distancia a la Tierra, la densidad gaseosa va haciéndose menor, de manera que a los 700 km de la superficie terrestre, las colisiones de las partículas resultan inmensurables. A ese nivel se establece el límite entre la Tierra y el espacio. Por encima de los 700 km se extiende la exosfera, zona donde se mueven libremente partículas de aire. Esta área va haciéndose progresivamente más evanescente hasta constituir el espacio propiamente dicho. A nivel del espacio la densidad de las partículas gaseosas es del orden de 1 a 10 cc. 

En el área de transición o “borde espacial”, se distinguen dos zonas importantes: 

a) la línea de Karman, situada a unos 80 km, representa la máxima altitud que permite ascender a una aeronave bajo control aerodinámico de su estructura. Por encima de esta línea, la dirección de los vehículos espaciales se lleva a cabo mediante jets a reacción; 

b) entre 180 y 200 km de altura la resistencia del aire es insignificante y se considera el límite mecánico entre la atmósfera y el espacio. Los vuelos tripulados en órbita alrededor de la Tierra se efectúan entre 240 y 500 km de altitud, los científicos deben proveer a los vehículos espaciales soporte frente a la ausencia de atmósfera, frente a los efectos de las radiaciones y frente a una potencial colisión con pequeños objetos espaciales.

INTRODUCCION A LA GRAVEDAD CUANTICA

 Los físicos, pese a carecer de una teoría cuántica de la gravedad viable, no pueden resistir la tentación de proponer hipótesis sobre las características del espaciotiempo a escalas de distancia de 10-33 cm (la escala de Planck, a la que pasan a ser importantes los efectos cuánticos de la gravedad), aunque sólo sea para convencerse de que sus conceptos más amados se desintegran a tales distancias. Pero cualquiera de esas hipótesis, por ahora, chocan con una realidad: los fósiles que se disponen para estudiarlos no sabemos interpretarlos. A temperaturas muy elevadas, la situación se deteriora rápidamente. En el borde fatal de 10-32 K –la temperatura de Planck–, nada marcha. Nuestra física deja de funcionar. 

El comportamiento de la materia en esas extremas condiciones se encuentra muy por fuera de nuestras posibilidades de manejo. Peor aún, hasta nuestras nociones tradicionales pierden su sentido, y tocamos los límites del conocimiento que hasta ahora ha adquirido la humanidad. Pero como los físicos son personas habituadas a hacer volar sus pensamientos, algunos de ellos sostienen que a la escala de Planck el espaciotiempo adopta una estructura espumiforme. 

A escalas de mucha distancia, como las que experimentamos a diario, el espaciotiempo parece plano y liso como la superficie del mar vista desde lo alto; pero al aproximarnos a la escala de Planck, se agita y espumea como un océano turbulento. Si los físicos pretenden describir el micromundo a la distancia de la escala de Planck, quedará poco del espaciotemporal continuo en el que se ha basado hasta ahora la descripción de la naturaleza. Es posible que se apele a nuevos conceptos más allá del espacio y del tiempo. Mas, pese al hecho de que las teorías relativitas del campo cuántico actuales fallen a la escala de Planck, los físicos no hallan nada que les impida describir el micromundo a todas las escalas de distancia superiores a la escala de Planck. Ese es el motivo de que se prescinda sin problema de la gravedad al pensar en unificar todas las otras fuerzas. Hay ya teorías, aunque parciales, matemáticamente coherentes (GUT's), que unifican las fuerzas débil, electromagnética y fuerte a escalas de distancia previas a la escala de Planck, aunque no hayan sido verificadas experimentalmente. Muchos físicos están convencidos de que si bien teorías como las GUT's han aclarado la dinámica del universo muy primitivo, mientras no exista una teoría totalmente unificada (que incluya la gravedad) no se podrá describir el origen del universo. Porque si imaginamos que retrocedemos en el tiempo hasta el universo muy primitivo, la temperatura y la energía de interacción de partículas cuánticas pueden aumentar sin límite de modo que llegará un momento en que se penetre en la escala de distancias de Planck. El problema de la gravedad cuántica se plantea inevitablemente si queremos aclarar el origen del universo. 

Aunque los físicos no hayan logrado, ni mucho menos, inventar una teoría de campo totalmente unificado que incluya la gravedad, hay muchos que creen que se ha dado un gran paso adelante en esta dirección en la última década. El punto de partida ha sido siempre la teoría de la relatividad general de Einstein y conceptos con ella relacionados, por lo eficaz que es esa teoría para explicar la física gravitatoria macrocósmica. El problema es que hay que modificar esta teoría sin perder por ello las predicciones ya probadas de la gravedad a gran escala y resolver al mismo tiempo los problemas de la gravedad cuántica a corta distancia y de la unificación de la gravedad con las otras fuerzas de la naturaleza. Se han propuesto soluciones a este problema, como la «teoría de la supergravedad» y la «teoría de Kaluza-Klein» y, la más reciente, que ha despertado gran interés: «la teoría de las supercuerdas» . 

Sólo el tiempo podrá decirnos si estas ideas van a llevar a los físicos a callejones sin salida o si nos conducen hacia una teoría general del universo. Pero en el fondo, no son más que «ideas vesánicas de la historia sin fin…», que podrían, a lo mejor, estar en lo cierto.

AGUJEROS NEGROS SUPERMASIVOS

En un agujero negro la materia de una estrella de tamaño colosal ha colapsado en un volumen pequeñísimo. Por lo tanto su densidad es enorme. Efectivamente un agujero negro es un objeto tan compacto y denso que distorsiona profundamente el espacio y el tiempo a su alrededor. El campo gravitatorio de los agujeros negros es tan intenso que no permite que la radiación electromagnética –de la cual la luz visible forma parte–escape de ellos. En consecuencia son invisibles. De allí su nombre. El agujero negro se encuentra rodeado de una superficie esférica llamada horizonte de los eventos. Éste puede ser atravesado en una única dirección: desde afuera hacia adentro. Las partículas y la luz pueden penetrarlo hacia el interior, pero no pueden escapar desde su interior hacia el Universo exterior. 

 Por lo tanto el horizonte de los eventos es un punto de no retorno. Dado que todas las estrellas rotan lo más probable es que los agujeros negros mantengan su rotación luego de colapsar. Los agujeros negros rotantes atraen o acretan la materia de sus alrededores haciéndola rotar. La materia acretada se acumula por afuera del horizonte de los eventos formando un disco plano que se denomina disco de acreción. Cerca del horizonte, donde la gravedad es más intensa, la materia del disco es recalentada a varios cientos de miles de grados de temperatura e irradia intensamente en la región X del espectro electromagnético antes de caer ha el centro. En la Teoría de la Relatividad General los agujeros negros rotantes están descriptos por la métrica de Kerr. La métrica de Schwarzschild es un caso particular de la métrica de Kerr, que describe agujeros negros sin rotación. 

Los agujeros negros se clasifican en cuatro tipos según su masa. Los agujeros negros estelares se forman por colapso gravitacional en las etapas finales de vida de una estrella cuya masa supera los 3 Mʘ donde el símbolo Mʘ indica una masa solar. Esta unidad de uso corriente en astrofísica equivale a la masa del Sol, que es 1,989 x 1030 kg. Los agujeros negros supermasivos son aquellos cuyas masas están comprendidas entre 106 y 109 Mʘ. Se cree que se alojan en el centro de las galaxias activas. Se denomina así a cierto tipo de galaxias que presentan una extraordinaria y violenta actividad impulsada por alguna fuente altamente energética localizada en sus núcleos. Las primeras galaxias activas que se descubrieron fueron los quasars ( quasi stellar radio source). Los quasars son sumamente luminosos. Su luminosidad es entre 100 y 1000 veces superior a la de cualquier otra galaxia pero es emitida desde un volumen muy pequeño. Por lo tanto los quasars deben ser objetos sumamente compactos. La intensa luminosidad podría ser el resultado de la acreción de materia por parte de un agujero negro ubicado en el centro. La materia acretada irradiaría enormes cantidades de energía gravitacional a medida que cae hacia el centro. Para explicar semejante luminosidad el agujero negro central debe tener una masa del orden de 106 – 109 Mʘ. 

Actualmente se cree que existen agujeros negros supermasivos no sólo en el centro de los quasars y de las galaxias activas sino en el centro de todas las galaxias. Entre los agujeros negros estelares y los supermasivos se encontrarían los agujeros negros intermedios, cuya existencia aún se cuestiona . Su masa estaría comprendida entre 102 y 105 Mʘ. Se han hallado indicios de esta clase de objetos en algunos cluster globulares. Por ejemplo, en el centro del cluster M15 que orbita alrededor de nuestra galaxia se ha hallado un cuerpo central cuya masa se ha estimado en 4000 Mʘ. También se cree que existe un agujero negro intermedio de masa 2 x 104 Mʘ en el centro del cluster G1 próximo a la galaxia de Andrómeda. 

Por último, se ha especulado acerca de la existencia de agujeros negros primordiales de masa muy inferior a 1 Mʘ. Este tipo de agujeros negros sólo pueden haberse generado en el universo temprano cuando la densidad de la materia era suficientemente alta. El estudio de este tipo de objetos requiere de las herramientas de la Teoría de Campos e incluso de la Gravedad Cuántica, teoría que aún no se ha desarrollado por completo.