El universo tiene un límite de velocidad y no es la de la luz

Cuando se trata de límites de velocidad, la máxima establecida por las leyes de la física es la velocidad de la luz. Como Albert Einstein se dio cuenta por primera vez, todos los que miran un rayo de luz ven que parece moverse a la misma velocidad, sin importar si se está moviendo hacia ti o alejándose de ti. No importa qué tan rápido viaje o en qué dirección, toda la luz siempre se mueve a la misma velocidad, y esto es cierto para todos los observadores en todo momento. Además, todo lo que está hecho de materia solo puede acercarse, pero nunca alcanzar, la velocidad de la luz. Si no tienes masa, debes moverte a la velocidad de la luz; Si tienes masa, nunca podrás alcanzarla.

Pero en la práctica, en nuestro Universo, hay un límite de velocidad aún más restrictivo para la materia que es más bajo que la velocidad de la luz. Aquí está la historia científica del límite de velocidad cósmica real.

Cuando los científicos hablan de la velocidad de la luz, 299,792,458 m/s, implícitamente queremos decir “la velocidad de la luz en el vacío”. Solo en ausencia de partículas, campos o un medio para viajar, podemos lograr esta máxima velocidad cósmica. Incluso así, solo las partículas y ondas sin masa pueden alcanzar esta velocidad. Esto incluye fotones, gluones y ondas gravitacionales, pero no cualquier otra cosa que sepamos.

Los quarks, los leptones, los neutrinos e incluso la hipótesis de la materia oscura, todos tienen masas como una propiedad inherente a ellos. Los objetos hechos de estas partículas, como los protones, los átomos y los seres humanos, también tienen masa. Como resultado, pueden acercarse, pero nunca alcanzar, la velocidad de la luz en el vacío. No importa cuánta energía pongas en ellos, la velocidad de la luz, incluso en el vacío, será siempre inalcanzable.

Pero no hay tal cosa como un vacío perfecto. Incluso en el abismo más profundo del espacio intergaláctico hay tres cosas de las que no puedes deshacerte.

  1. El WHIM: el medio intergaláctico caliente-caliente. Este tenue y escaso plasma son las sobras de la red cósmica. Mientras que la materia se agrupa en estrellas, galaxias y grupos más grandes, una fracción de esa materia permanece en los grandes vacíos del Universo. La luz de las estrellas lo ioniza, creando un plasma que puede representar aproximadamente el 50% de la materia normal total en el Universo.
  2. El CMB: el fondo cósmico de microondas. Este baño sobrante de fotones se origina en el Big Bang, donde se encontraba en energías extremadamente altas. Incluso hoy, a temperaturas de solo 2,7 grados por encima del cero absoluto, hay más de 400 fotones CMB por centímetro cúbico de espacio.
  3. El CNB: el fondo de los neutrinos cósmicos. El Big Bang, además de los fotones, creó un baño de neutrinos. Superando en número a los protones por mil millones a uno, muchas de estas partículas que ahora se mueven lentamente caen en galaxias y cúmulos, pero muchas también permanecen en el espacio intergaláctico.

Cualquier partícula que viaje a través del Universo encontrará partículas del WHIM, neutrinos del CNB y fotones del CMB. A pesar de que son las cosas de menor energía, los fotones CMB son las partículas más numerosas y uniformemente distribuidas de todas. No importa cómo se genere o cuánta energía tenga, no es realmente posible evitar la interacción con esta radiación de 13.800 millones de años.

Cuando pensamos en las partículas de mayor energía en el Universo, es decir, las que se moverán más rápido, esperamos que se generen en las condiciones más extremas que ofrece el Universo. Eso significa que creemos que los encontraremos donde las energías son más altas y los campos son más fuertes: cerca de objetos colapsados ​​como estrellas de neutrones y agujeros negros.

Las estrellas de neutrones y el agujero negro son los lugares donde no solo se pueden encontrar los campos gravitatorios más fuertes del Universo, sino también, en teoría, los campos electromagnéticos más fuertes. Los campos extremadamente fuertes son generados por partículas cargadas, ya sea en la superficie de una estrella de neutrones o en el disco de acreción alrededor de un agujero negro, que se acercan a la velocidad de la luz. Las partículas cargadas en movimiento generan campos magnéticos y, a medida que las partículas se mueven a través de estos campos, se aceleran.

Esta aceleración provoca no solo la emisión de luz de una gran cantidad de longitudes de onda, desde rayos X hasta ondas de radio, sino también las partículas más rápidas y de mayor energía jamás vista: los rayos cósmicos.

Mientras que el Gran Colisionador de Hadrones acelera las partículas aquí en la Tierra hasta una velocidad máxima de 299,792,455 m/s, o 99.999999% de la velocidad de la luz, los rayos cósmicos pueden romper esa barrera. Los rayos cósmicos de mayor energía tienen aproximadamente 36 millones de veces la energía de los protones más rápidos jamás creados en el Gran Colisionador de Hadrones. Asumiendo que estos rayos cósmicos también están hechos de protones, se obtiene una velocidad de 299,792,457.99999999999992 m/s, que es extremadamente cercana, pero aún inferior, a la velocidad de la luz en el vacío.

Hay una muy buena razón por la que, cuando los recibimos, estos rayos cósmicos no son más energéticos que esto.

El problema es que el espacio no es un vacío. En particular el CMB tendrá sus fotones chocando e interactuando con estas partículas mientras viajan a través del Universo. No importa cuán alta sea la energía de la partícula que creas, tiene que pasar a través del baño de radiación que queda del Big Bang para poder llegar a ti.

A pesar de que esta radiación es increíblemente fría, a una temperatura promedio de alrededor de 2.725 Kelvin, la energía media de cada fotón no es despreciable; Es alrededor de 0.00023 electron-voltios. A pesar de que es un número pequeño, los rayos cósmicos que lo golpean pueden ser increíblemente energéticos. Cada vez que una partícula cargada de alta energía interactúa con un fotón, tiene la misma posibilidad que tienen todas las partículas que interactúan: si se permite energéticamente, por E = mc 2 , ¡existe la posibilidad de que pueda crear una nueva partícula!

Si alguna vez creas una partícula con energías superiores a 5 × 10 19  eV, solo podrán viajar unos millones de años luz (máx) antes de que uno de estos fotones que queda del Big Bang interactúe con ella. Cuando se produce esa interacción, habrá suficiente energía para producir un pión neutral que roba energía del rayo cósmico original.

Cuanto más enérgica sea tu partícula más probabilidades tienes de producir piones, lo que continuarás haciendo hasta que caigas por debajo de este límite teórico de energía cósmica conocido como  corte de GZK . (Nombrado por tres físicos: Greisen, Zatsepin y Kuzmin.) Hay aún más radiación de frenado (Bremsstrahlung) que surge de las interacciones con cualquier partícula en el medio interestelar / intergaláctico. Incluso las partículas de menor energía están sujetas a él e irradian energía en cantidades a medida que se producen pares de electrones / positrones (y otras partículas).

Creemos que cada partícula cargada en el cosmos (cada rayo cósmico, cada protón, cada núcleo atómico) debería estar limitado por esta velocidad. No solo la velocidad de la luz, sino un poco más baja, gracias al resplandor de las sobras del Big Bang y las partículas en el medio intergaláctico. Si vemos algo que está en una energía más alta entonces significa:

  1. las partículas a altas energías podrían estar jugando según reglas diferentes a las que actualmente creemos que hacen,
  2. se están produciendo mucho más cerca de lo que creemos: dentro de nuestro propio Grupo local o Vía Láctea, en lugar de estos agujeros negros extragalácticos distantes,
  3. o no son protones en absoluto, sino núcleos compuestos.

Las pocas partículas que hemos visto que rompen la barrera GZK superan con creces las  5 × 10 19  eV, en términos de energía, pero no superan las 3  × 10 21  eV , que sería el valor energético correspondiente para un núcleo de hierro. Dado que se ha confirmado que muchos de los rayos cósmicos de energía más alta son núcleos pesados en lugar de protones individuales, esta es la explicación más probable para los rayos cósmicos de energía ultraalta extrema.

Hay un límite de velocidad para las partículas que viajan a través del Universo, y no es la velocidad de la luz. En cambio, es un valor que es un poco más bajo dictado por la cantidad de energía en el resplandor sobrante del Big Bang. A medida que el Universo continúa expandiéndose y enfriándose, ese límite de velocidad aumentará lentamente a lo largo de escalas de tiempo cósmicas acercándose cada vez más a la velocidad de la luz. Pero recuerda, mientras viajas por el Universo, si vas demasiado rápido, incluso la radiación que sobra del Big Bang te puede freír. Mientras estés hecho de materia hay un límite de velocidad cósmica que simplemente no puedes superar.

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