El físico Peter Horava, de la Universidad de California, Berkeley, cree que el grafeno puede ayudarnos a entender lo que sucedió inmediatamente después del Big Bang, o lo que está pasando cerca del horizonte de sucesos de un agujero negro, donde los campos gravitacionales son extraordinarios.

Esta semana, un equipo de astrónomos, usando el Telescopio Espacial Spitzer, han informado de la primera detección extragaláctica de la molécula de fullereno C70, y la posible detección del planar C24 («una pieza de grafeno») en el espacio. Letizia Stanghellini y Richard Shaw, miembros del equipo del Observatorio Nacional de Astronomía Óptica en Tucson, Arizona, describe cómo las colisiones provocadas por los vientos de las viejas estrellas en las nebulosas planetarias podrían ser responsables de la formación de los fullerenos (C60 y C70) y el grafeno (planar C24).

El equipo está dirigido por Domingo Aníbal García-Hernández, del Instituto de Astrofísica de Canarias, en España, e incluye astrónomos y bioquímicos internacionales.

Una nebulosa planetaria se originan desde las estrellas similares a nuestro Sol, y al llegar al final de sus vidas empiezan a expulsar bocanadas de gas al espacio. En es caso que nos ocupa, las nebulosas planetarias se encuentran en las Nubes de Magallanes, dos galaxias satélite de nuestra Vía Láctea, que se ven mejor desde el hemisferio sur. La distancia las hacen parecer como pequeñas manchas borrosas.

La distancia a las Nubes de Magallanes se puede determinar alcanzando un grado de precisión mejor del 5%. Con estas distancias tan precisas, el equipo de investigación determina la luminosidad real de las estrellas, y de esta menera confirma que dichos objetos son de hecho nebulosas planetarias y no algún otro objeto del zoo astrofísico.

Los fulerenos o fullerenos [buckyballs], tienen muchas propiedades interesantes e importantes. Están formados por átomos de carbono dispuestos en una esfera tridimensional similar a las cúpulas geodésicas que popularizó Buckminster Fuller.

El fullereno C70 se puede comparar con un balón de rugby, mientras que el C60 se compara con una pelota de fútbol. Ambas moléculas se han detectado en la muestra. El grafeno (planar C24) es una lámina plana de átomos de carbono, de un átomo de espesor, que tiene una fuerza extraordinaria, conductividad, elasticidad y delgadez.

Citado como la sustancia más delgada conocida, el grafeno fue sintetizado por primera vez en laboratorio en 2004 por Geim y Novoselov, por lo que recibieron el Premio Nobel de Física 2010. «Si se confirma con el laboratorio de espectroscopia, algo casi imposible con las técnicas actuales, sería la primera detección de grafeno en el espacio», declaraba García-Hernández.

El equipo ha propuesto que los fullerenos y el grafeno se forman a partir de la destrucción inducida por el choque (es decir, colisiones grano a grano) de granos de carbono amorfo hidrogenado (HAC). Estas colisiones, se piensa que son provocadas por los vientos estelares que emanan de las nebulosas planetarias, y este equipo han podido observar evidencia de fuertes vientos estelares en el espectro ultravioleta de estas estrellas.

«Lo sorprendente es que la existencia de estas moléculas no depende de la temperatura estelar, sino de la fuerza de los choques del viento», apunta Stanghellini.

La Pequeña Nube de Magallanes es particularmente pobre en metales (carece de otros elementos aparte del hidrógeno y el helio); sin embargo, este tipo de ambientes favorece la evolución de las nebulosas planetarias ricas en carbono, lo que propicia las moléculas de carbono complejas .

El reto ha sido extraer las pruebas del grafeno (planar C24) de los datos de Spitzer. «El Telescopio Espacial Spitzer ha sido increíblemente importante para el estudio de moléculas orgánicas complejas en entornos estelares», indicó Stanghellini. «Ahora estamos en la etapa no sólo de detectar los fullerenos y otras moléculas, sino empezando a comprender cómo se forman y evolucionan las estrellas.» añade Shaw.

«Estamos planeando un seguimiento desde tierra a través del sistema de telescopios de NOAO, y esperamos encontrar otras moléculas en las nebulosas planetarias donde se ha detectado fullereno, para poner a prueba algunos de los procesos físicos que podrían ayudarnos a entender la bioquímica de la vida.»

El físico Peter Horava, de la Universidad de California, Berkeley, ha desarrollado una nueva teoría de la gravedad cuántica, que refleja la necesidad de comprender lo que sucedió inmediatamente después del Big Bang o lo que está pasando cerca del horizonte de sucesos de un agujero negro, donde los campos gravitacionales son tan enormes.

En la física de la materia condensada, en concreto el grafeno, un átomo de carbono de un átomo de espesor, cuyos electrones van y vienen por la superficie como las bolas de una máquina de pinball, se puede describir utilizando la mecánica cuántica. Dado que los átomos de grafeno se mueven a sólo una fracción de la velocidad de la luz, no hay necesidad de tomar en cuenta la relatividad.

No obstante, cuando el grafeno se enfría hasta cerca de cero absoluto ocurre algo extraordinario: los electrones aumentan su velocidad de forma espectacular, y en ese momento, ya se hacen necesarias las teorías relativistas para describirlo correctamente. Fue este cambio lo que desató la imaginación de Horava. Lo que más le sorprendió fue que en el grafeno no siempre es evidente la simetría de Lorentz.

¿Podría decirse lo mismo de nuestro universo? se preguntaba. Lo que vemos hoy a nuestro alrededor es un cosmos frío, donde el espacio y el tiempo aparecen vinculados por la simetría de Lorentz, esto es un hecho que los experimentos han establecido con una precisión asombrosa. Pero las cosas eran muy diferentes en aquellos primitivos instantes. ¿Qué ocurre si la simetría, tan evidente hoy día, no es fundamental para la naturaleza, sino algo que surgió cuando el universo se enfriaba desde el Big Bang, para acabar emergiendo como grafeno conforme se enfriaba?

Horava ha ajustado las ecuaciones de Einstein de forma que elimine la simetría de Lorentz: una propiedad que mantiene la velocidad de la luz constante para todos los observadores, no importa lo rápido que se muevan, el tiempo se detiene y las distancias se contraen justo en el mismo grado. Este conjunto de ecuaciones de Horava, describen la gravedad en el mismo marco cuántico que las otras fuerzas fundamentales de la naturaleza: la gravedad surge como la fuerza de atracción debido a las partículas cuánticas llamadas gravitones, prácticamente de la misma forma que la fuerza electromagnética es transmitida por los fotones. También modifica la relatividad general, incluyendo una dirección preferente para el tiempo, desde el pasado hacia el futuro, que es la forma en que el universo que observamos parece evolucionar.

«De repente, tenemos nuevos ingredientes para modificar el comportamiento de la gravedad a distancias muy cortas», señaló Horava en una entrevista.

Al romper la simetría entre el espacio y el tiempo, la teoría de Horava altera la física de los agujeros negros, especialmente la de los agujeros negros microscópicos, que se forman con las energías más altas, y si esto aparece así en la relatividad general «es un asunto muy importante.»

La gravedad Horava también podría ayudar a resolver uno de los grandes misterios sin resolver de la cosmología moderna: el enigma de la materia oscura, si las ecuaciones de movimiento, derivadas de la relatividad general, están un poco desviadas, eso podría explicar las velocidades observadas de las estrellas y las galaxias sin necesidad de la materia oscura.

«Es posible que la imagen de materia oscura del universo provenga de alguna fracción por corregir de las ecuaciones de Einstein», dice Horava.

Lo mismo ocurre con la energía oscura: las teorías de la física de partículas predicen una fuerza para la energía oscura de alrededor de 120 órdenes de magnitud más grande que lo que se observa, y la relatividad general no puede explicar esta enorme discrepancia. Pero, la teoría de Horava contiene un parámetro que puede ser finamente ajustado, de tal manera que, la energía del vacío previsto por la física de partículas se vea reducido a un valor positivo pequeño, y eso está en consonancia con los movimientos observados de las estrellas y galaxias.

Las respuestas definitivas, por supuesto, vendrán con las mejores observaciones de los agujeros negros supermasivos, los cuales contienen regiones de intensa gravedad que podrían revelar las correcciones necesarias a la relatividad general, y probar la teoría de Horava sobre la gravedad cuántica, del mismo modo que las mediciones que no explicaban la órbita de Mercurio, demostrando que las leyes de Newton eran incompletas, y ello abrió la puerta a Einstein.

• Referencia: DailyGalaxy.com, 12 de agosto 2011, por Casey Kazan
• Fuente: NewScientist.com y SpaceDaily.com .
• Imagen: NASA