Hablemos sobre agujeros de gusano

in #spanish5 years ago (edited)

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El objeto sobre el que les hablaré hoy está estrechamente relacionado con los agujeros negros, de hecho, se teorizan vinculados a ellos. Los agujeros de gusano, son estructuras que podrían en un principio existir detrás del horizonte de sucesos de los agujeros negros, han sido objeto de estudio de muchos físicos teóricos, por la oportunidad que revisten de constituirse en canales que permitirían los viajes interestelares e intertemporales; han sido además protagonistas de varios libros, filmes y series de ciencia ficción, como: Contacto, Interestelar y Star Trek: Abismo Espacial 9.

¿Qué son los agujeros de gusano?

Antes de empezar cabe aclarar que, los agujeros de gusano, caen dentro del campo de las estructuras hipotéticas, no existe ninguna evidencia de su existencia, su estudio es meramente teórico, está dentro de la especulación matemática, es el productos de diferentes soluciones a las ecuaciones de campo de la relatividad general, sin embargo, es también conveniente recordar que hasta hace tres años, las ondas gravitacionales estaban también en el campo de la especulación y a la fecha, gracias a LIGO y Virgo, ya se han logrado registrar cinco emisiones de éstas y en uno de los casos incluso se ha logrado tener confirmación visual de su origen. Algo similar ocurría con los agujeros negros y las estrellas de neutrones, que hasta hace poco más o menos unos 60 años eran mera especulación teórica.

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Los agujeros de gusano son estructuras teóricas, que permitirían el paso de materia de una parte del espacio-tiempo a otra, una especie de atajo entre dos puntos del mismo o diferentes universos. Son una consecuencia de las ecuaciones de la relatividad general y su existencia fue estudiada por el mismo Einstein, quien se dedicó a ello junto a su discípulo Nathan Rosen, por eso son también conocidos como puentes Einstein-Rosen.

Fue el físico austriaco Ludwig Flamm, el primero en deducir su existencia en 1916, a partir de sus estudios de las implicaciones de incorporar la dimensión tiempo a las tres dimensiones físicas, en las ecuaciones de la relatividad general, pudo concluir la posible existencia de túneles espacio temporales a través de una cuarta dimensión física que podría comunicar Hiperespacialmente1, a dos o más regiones del cosmos, incluso separadas en el tiempo. Predijo que este tipo de estructuras debía existir más allá de los horizontes de sucesos de los agujeros negros predichos por Schwarzschild, en consecuencia, los agujeros de gusano de Flamm conectarían los agujeros negros, con otros cuerpos, también hipotéticos, los Agujeros blancos.

Por su parte el matemático Alemán Hermann Weyl, amplió el planteamiento de Flamm, al estudiar los efectos de la energía de un campo electromagnético sobre la masa, en el ámbito de la relatividad general, Weyl denomino a estas estructuras Tubos Unidimensionales.

Los trabajos de Flamm y Weyl fueron desarrollados más ampliamente por el propio Einstein y su discípulo el físico israelí Nathan Rosen, quienes además predijeron que este tipo de estructuras espacio-temporales tendría una duración muy breve, pues sería colapsados por la gravedad casi inmediatamente después de formarse.

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El nombre de Agujeros de Gusano, se le debe a físico teórico John Wheeler, quien les da esa denominación en un artículo publicado conjuntamente con Charles Misner, en 1957, usando la analogía de que para un gusano sería más rápido ir de un lado a otro de una manzana por un agujero que la atravesase, que desplazándose por su superficie.

La renovación en el estudio de los agujeros de gusano, viene de mano de uno de los más destacados físicos teóricos de la actualidad, Kip Thorne, físico estadounidense, catedrático del Instituto de Tecnología de California (Caltech), quien en fecha reciente ganara el Premio Nobel como parte del equipo que en 2015 confirmara la existencia de las ondas gravitacionales. Thorne en la década de los 80, colaboraría con Carl Sagan, quien para ese momento estaba escribiendo la novela "Contacto", la cual posteriormente sería llevada al cine, Thorne plateo a Sagan los agujeros de gusano como alternativa al uso de los agujeros negros, como canales de viaje interestelar en su novela, en vista de que la singularidad de los últimos no podía ser atravesada.

Posteriormente Thorne y varios de sus discípulos se dedicaron al estudio de estas estructuras, haciendo especial énfasis en las características que debería cumplir la materia que conformara el túnel, para mantenerlos estables, llegando a la conclusión de que debería estar compuesta de un tipo de materia exótica, que tuviese masa y en consecuencia energía negativa, que contrarrestase el efecto de la gravedad y previniese el colapso.

Para el año 2005, el físico teórico israelí Amos Ori, formularía una solución a las ecuaciones de campo, que permitiría la existencia de los agujeros de gusano y el viaje en el tiempo, sin necesidad de requerir de materia exótica para prevenir su colapso, sin embargo la estabilidad de esta solución aun no ha sido estudiada, ni si sería necesaria una precisión infinita para que la estructura se formase.

¿Cómo se forman los agujeros de gusano?

No existe una teoría realmente aceptada sobre cómo se formarían, una de las más comunes es que serían parte de una estructura que se originaría conjuntamente con los agujeros negros, durante su formación, la gravedad provocaría que se revirtieran en otra parte del espacio tiempo produciéndose un Agujero Blanco2, por donde sería expulsada parte de la materia de la estrella cuyo colapso originó el agujero negro y la materia y radiación que fuesen absorbidas por éste, en este proceso se formarían dos estructuras claramente definidas el Horizonte Futuro, equivalente al horizonte de sucesos del agujero negro, del cual ni la materia ni la radiación atrapadas podrían escapar, y el Horizonte Pasado, en el cual ninguna forma de materia o radiación podría entrar o mantenerse en su interior, ambas estructuras estarían interconectadas por el agujero de gusano.

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A nivel cuántico también se especula la posible creación de agujeros de gusano, con diámetros menores a la Distancia de Plank específicamente en la llamada Espuma Cuántica3, donde estos conductos podrían formarse por mecanismos aun no son del todo claros, pues se necesitaría una teoría de la gravedad cuántica que lo explicara, en todo caso este tipo de agujeros también sería altamente inestable y colapsarían en periodos de tiempo menores al Tiempo de Plank. Dentro del ámbito de la Teoría de Cuerdas4, los agujeros de gusano serían canales de flujo que conectan dos Branas5.

También se plantea la posibilidad de la formación de agujeros de gusano en el universo primitivo, este tipo de agujeros serian mantenidos estables por Cuerdas Cósmicas6, esta hipótesis fue propuesta por el matemático neozelandés Matt Visser.

¿En que se diferencia un agujero de gusano de un agujero negro?

Esencialmente los agujeros de gusano son estructuras hipotéticas, su existencia se limita al campo de la especulación matemática, por su parte los agujeros negros si bien también son producto de la solución a las ecuaciones de campo de la relatividad especial, se ha logrado hallar pruebas empíricas de su existencia, que aun cuando no han podido ser confirmadas visualmente, cumplen con la caracterización que los modelos teóricos han predicho.

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Por otro lado, según el modelo del puente Eintein-Rosen, los agujeros de gusano serían parte de una estructura mayor, de la cual los agujeros negros también formarían parte, en este modelo, los agujeros de gusano serían canales de interconexión entre los agujeros negros y los blancos, canales que serían tan inestables que se colapsarían incluso antes de que la luz pudiese atravesarlos.

En resumen, los agujeros negros serían estructuras estables en las cuales la materia y radiación es atrapada en la singularidad y no puede escapar de ella, mientras que los agujeros de gusano serían hipotéticos ductos que conectarían a dos regiones del espacio-tiempo a través del hiperespacio y serían inestables, colapsando sobre sí mismos.

¿Existen diferentes tipos de agujeros de gusano?

Es posible caracterizar a los agujeros de gusano de varias formas, en primer lugar, de acuerdo a los lugares del espacio-tiempo que conectan, según esto se puede definir dos tipologías:

  1. Agujeros de gusano intrauniverso: este tipo de agujero de gusanos, permitiría conectar dos puntos distantes del mismo universo, pero en tiempos diferentes.

  2. Agujeros de gusano interuniverso: en este caso los puntos de entrada y salida del agujero de gusanos estarían ubicados en el espacio-tiempo de dos universos diferentes. Esta concepción estaría relacionada con la hipótesis de Universos Múltiples7.

También es posible clasificarlos según la estructura que teóricamente tendrían, dado su modelo matemático; en tal sentido se podría tipificar de la siguiente forma:

  1. Agujero de gusano de Schwarzschild: este es el tipo de agujeros de gusano descritos por Einstein y Rosen, son producto de los agujeros negros de Schwarzschild y serían inestables.

  2. Agujeros de gusano de Kerr o de Kerr-Newman: este tipo agujeros de gusano estaría tras un agujero negro de Kerr o de Kerr Newman, cuya velocidad de giro haría posible franquear la singularidad, que tendría forma de anillo, permitiendo transitarlo en una sola dirección.

  3. Agujero de gusano de Lorentz: este tipo de agujero de gusano, es en esencia un agujero de gusano de Schwarzschild, en el cual el túnel estaría conformado por materia exótica, no necesariamente estaría vinculado a un agujero negro y/o blanco, lo que lo haría franqueable en ambas direcciones, futuro y pasado, este es el tipo de agujeros negros también son denominados atravesables o practicables y serían el principal interés de las investigaciones actuales.

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Otra clasificación está determinada por el espacio geométrico en el cual se construyen los modelos matemáticos que describen al agujero de gusano, en este caso es posible describir dos tipologías:

  1. Agujeros de gusano euclídeos: este tipo de agujeros de gusano son descritos en el espacio euclidiano de tres dimensiones, son objeto de estudio fundamentalmente de la física cuántica.

  2. Agujeros de gusano de Lorentz: este tipo de agujeros de gusano son el resultado del modelado dentro de un espacio tetra dimensional de Minkowki, producto de las transformaciones de Lorentz; estos son objeto de estudio de la física relativista.

¿Se puede viajar en el tiempo usando un agujero de gusano?

Una de las peculiaridades de los agujeros de gusano sería que en su interior el tiempo se distorsionaría de tal forma que permitiría el viaje en el tiempo, esta característica teórica ha conducido a varios científicos, entre ellos Stephen Hawking, a cuestionar la posibilidad de existencia de este tipo de objetos, partiendo de la idea de que las leyes físicas no pueden permitir que existan objetos que puedan provocar paradojas temporales, este planteamiento es la base de la Conjetura de protección cronológica.

Para Hawking, no es posible ningún tipo de viaje en el tiempo a otro nivel que no sea subatómico, plantea a manera de broma, que debe existir algún cuerpo de seguridad encargado de regular los viajes en el tiempo, esto como analogía a lo descrito por Asimov en su novela “El Fin de la Eternidad”, que se encargaría de prevenir las paradojas temporales causadas por viajes en el tiempo descuidados o de prevenir que estos se realicen. En el trasfondo de esta broma, Hawking postula que serían las propias leyes de la física, las que imposibilitarían los viajes temporales, impidiendo que existan mecanismos, como los agujeros de gusano, que los hagan posibles. Al igual que la Conjetura de censura cósmica de Penrose, de la cual hablé en un post previo, esto se trata sólo de una especulación sin una formulación matemática formal, es sólo un campo de investigación abierto para su desarrollo.

Aun cuando la conjetura de la protección cosmológica tiene muchos adeptos dentro de la comunidad científica, varios expertos han salido en defensa de la posibilidad de existencia de estos objetos y al mismo tiempo del viaje en el tiempo.

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Thorne por ejemplo, plantea en su libro “Agujeros negros y tiempo curvo: el escandaloso legado de Einstein”, que, si se tiene las dos bocas de un agujero de gusano y una de ellas es acelerada a una velocidad cercana a la de la luz, por efecto de la dilatación del tiempo existirá una diferencia temporal entre ambas y si un viajero entra por la boca acelerada saldrá en el pasado por la boca que se mantuvo estática y viceversa, si entra por la boca estática saldrá en el futuro por la boca acelerada.

Por supuesto este procedimiento implicaría tecnologías que ni existen, ni son factibles de existir por el momento, implicaría que se dispone de mecanismos para estabilizar con energía negativa el túnel y además para trasladar una de las bocas a velocidades relativistas, por otro lado, este tipo de mecanismo de viaje temporal, sólo permitiría viajar como mucho, al momento de creación de la máquina y al momento del tiempo donde se fije la otra boca del agujero.

El mismo Thorne explica que, aunque la teoría de la relatividad permita los agujeros de gusano y con esto los viajes en el tiempo, no parece haber ley física que permita ganar la suficiente energía negativa para evitar el colapso gravitacional del túnel del agujero de gusano. En consecuencia, sería imposible cruzarlo y viajar en el tiempo. Pareciendo concordar esto con la conjetura de protección cronológica.

¿Existen en el universo los agujeros de gusano?

La respuesta simple es, no se sabe, de momento no existe la tecnología ni se ha formulado un método que en efecto permitan detectarlos. Por lo que su existencia es sólo especulativa, está en el campo de los objetos hipotéticos, si bien existen modelos matemáticos que sustentarían su existencia, también hay planteamientos en contra. Pero como mencioné al inicio de la publicación, hasta el 2015, las ondas gravitacionales también estaban en el campo de los fenómenos hipotéticos y hoy tenemos pruebas empíricas de su existencia.

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Recientemente los científicos Pablo Bueno, Pablo A. Cano, Frederik Goelen, Thomas Hertog y Bert Vercnocke, han presentado un artículo, en el que formulan un modelo sobre las ondas gravitacionales que deberían percibirse en el caso de la colisión entre dos agujeros de gusano en rotación, el equipo de científicos, indica que se diferenciaría de las ondas percibidas tras la colisión de dos agujeros negros de Kerr, pues después del tren de ondas se detectaría un eco, mientras que en el caso de los agujeros negros las ondas se detienen, pues son atrapadas por el horizonte de sucesos. Por lo que si se detectasen estos ecos posteriores al tren de ondas inicial se descartaría la colisión de dos agujeros negros y se estaría ante la posibilidad de que se trate de agujeros de gusano.

Con esto concluye esta publicación, espero que haya sido de su agrado, estoy atento a sus preguntas y comentarios. Gracias por su atención.

Texto original de @amart29, Barcelona noviembre de 2018

Notas

  1. Hiperespacio: el concepto de hiperespacio se usa de forma genérica para referirse a cualquier espacio que supere las tres dimensiones espaciales que conforman el espacio euclidiano o el espacio tetradimensional de Minkowski.
  2. Agujero Blanco: son estructuras opuestas a los agujeros negros, que se supone serían su salida, el horizonte de sucesos de un agujero blanco sería el límite a partir del cual ningún tipo de materia o radiación puede mantenerse en el interior del agujero blanco, es decir tendría el efecto expulsar materia y radiación al espacio. Este tipo de objetos son hipotéticos, ya que no se tienen evidencias empíricas de su existencia.
  3. Espuma Cuántica: es un concepto que se utiliza para describir un nivel cuántico del universo, de gran turbulencia, en el cual los sucesos se dan a escalas inferiores a la escala de Plank, en éste se estarían continuamente generando pares de partículas y antipartículas virtuales de alta energía que tendrían una escaso tiempo de vida pues se aniquilarían mutuamente
  4. Teoría de Cuerdas: es un modelo fundamental de la física teórica que explica que las partículas fundamentales no serían puntuales, sino diferentes estados oscilatorios de estructuras fundamentales similares a cuerdas o filamentos, de esta forma todas las partículas estarían formadas por un mismo tipo de estructura pero se diferenciarían unas de otras por su oscilación. Este modelo pretende integrar los efectos de la gravedad al nivel cuántico, mediante la incorporación del gravitón como una partícula formada por una cuerda unida por sus extremos y que haría posible la mediación de la fuerza de gravedad con las demás partículas. Uno de los aspectos más controvertidos de esta teoría es la necesidad de recurrir a un espacio de hasta once dimensiones espaciales, para su implementación, estas dimensiones estarían plegadas o enrolladas sobre las tres que percibimos, serían apreciables sólo a escala subatómica, otra consecuencia de esta teoría es la posibilidad de existencia de otros universos con leyes físicas diferentes a las nuestras.
  5. Branas: En el marco de la teoría de cuerdas las branas o membranas serían objetos que existirían en la undécima dimensión, cada brana correspondería a un universo diferente, así existirían infinitas branas, estas se plegarían sobre si mismas y oscilarían constantemente, el choque entre dos branas produciría un big-bang. Dentro de este modelo, la materia y energía sólo podría difundirse dentro de las cuatro primeras dimensiones, mientras que la gravedad afectaría las once, por ese motivo la materia de un universo puede generar efectos gravitacionales, sobre la de otro.
  6. Cuerdas Cósmicas: son objetos unidimensionales hipotéticos que serían remanentes del universo primigenio, serian el producto de una transición de fase, el cambio de un estado a otro, posterior a la inflación cósmica. Éstas se suponen serían el origen de algunas estructuras como las galaxias, lo que permitiría dar una explicación a porque se agrupan en filamentos. Estas cuerdas serían similares a las lineas o grietas que se forman en los cristales de hielo, cuando el agua se congela.
  7. Universos Múltiples: o multiverso, se refiere a las diferentes hipótesis de existencia de infinidad de universos, la estructura de estos universos, su relación y disposición, dependería de la hipótesis considerada. Si bien esta idea ha sido principalmente explotada en la literatura y filmografía de ciencia ficción y fantástica, también es estudiada como parte de algunas teorías científicas, como la teoría de cuerdas. En 2013 los científicos Laura Mersini-Houghton y Richard Holman, afirmaron, basados en la interpretación de datos recabados por el telescopio Planck, haber detectado evidencia de la presencia de otro universo adyacente, cuya gravedad estaría afectando el nuestro, generando flujo de materia hacia una región particular del espacio, estos estudios han sido cuestionados por varios expertos.

Referencias

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Una gran investigación y la explicación para los que menos sabemos muy amena, clara y entretenida. Felicitaciones!

Gracias por tu apoyo @hosgug, que bueno que te haya gustado la publicación.

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No puedo dejar de pasar por aqui para una grata y dificil lectura, ja ja, porque me resulta tan interesante y llamativo el tema, y aunque trate de explicarselo a alguien me resulta imposible, pero hago el intento. Gratamente sorprendida y espero que siempre nos tengas tan buen material @amart29

Gracias @sacra97, que bueno que te haya gustado

Hola @amart29, como te he comentado en publicaciones anteriores los temas que presentas son altamente fascinantes, en particular el tema de los agujeros de gusano mantienen a la sociedad actual en gran expectativa, se habla mucho de ellos tanto en documentales como en películas de ciencia ficción tales como las que promueve Marvel, en cuyos diálogos ya se habla y maneja con naturalidad todo lo relativo a los puentes Einstein-Rosen, pareciera que es algo que debería saber el colectivo como cotidiano!! Por otro lado, en cuanto a los viajes temporales tuve la oportunidad de ver un programa de la serie Genios de Steven Hawking en el cual argumentaba sus razones científicas para asegurar que de lograrse eventualmente serían en línea ascendente temporal, es decir, hacia el futuro, no obstante, mencionaba una posibilidad de viajes hacia el pasado mediante el pliegue de cuerdas, adicionando que en la actualidad no se cuenta con los avances tecnológicos necesarios para avanzar en esos ámbitos. Al respecto, ya como visión muy personal creo que es inevitable lograrlo, así como ocurrió con la comprobación de la existencia del Bosón de Higgs particula que sabemos fue teorizada en momentos donde la tecnología no permitía la demostración de su existencia y por mucho tiempo fue una figura teórica; creo que en los temas que planteas llegaremos a un momento histórico donde la tecnología permita hacer realidad los viajes temporales, ya veremos si la humanidad contará para entonces con la sabiduría necesaria para administrar esos descubrimientos de forma sabia!! Saludos fraternos!!

Hola @reinaseq, ciertamente los agujeros de gusano al igual que los agujeros negros ya se han vuelto parte de la cultura popular, son un recurso común en las películas y series, al respecto una que es muy recomendable desde el punto de vista científico, es Interestelar, el modelo del agujero de gusano y del agujero negro que en ella aparecen fue creado bajo la asesoría de Kip Thorne, y son muy realistas, excepto la parte posterior a la entrada en el agujero negro, ya eso no tiene ni pie ni cabeza; creo que es la primera vez en el cine que un agujero negro es representado en rotación, es decir un agujero negro de Kerr y con un disco de acreción, lo mismo pasa con el agujero de gusano, normalmente son representados como huecos o túneles y eso en un espacio tridimensional no tiene sentido, en Interestelar lo representan como una burbuja e incluso representan la curvatura de la luz que ambos objetos generarían.

Sobre el viaje en el tiempo, creo que te refieres al uso de las velocidades relativistas como recurso para hacerlo, la dilatación del tiempo a velocidades próximas a las de la luz, digamos que, impulsaría al futuro al objeto acelerado, pues para él el tiempo pasaría más lento a la vista de un observador en reposo, mientras que para un observador acelerado a un velocidad relativista el tiempo de un objeto en reposo pasaría más rápido, esa es la paradoja de los gemelos, nota aparte no se porque es paradójico, el gemelo acelerado seria visto por el que esta en reposo moverse (envejecer) lentamente, debido a la dilatación del tiempo, mientras que para el gemelo acelerado su hermano envejecería rápidamente ante su vista. Entonces en consecuencia el Gemelo Acelerado estaría viajando en el tiempo al futuro, pero sería un viaje sin retorno posible al pasado, incluso esto mismo pasa con los cuerpos masivos, los objetos que están bajo el efecto de la curvatura espacio temporal de un objeto masivo también están sujetos a la dilatación del tiempo, como ejemplo para quienes estamos en la tierra, el tiempo pasa más lento que para quienes están en el espacio, esto fue probado empíricamente usando relojes atómicos en aviones sincronizados con otros en tierra, los que estaban en tierra se atrasaron respecto a los que estaba en el aire.

Ahora viajar al pasado sería algo más complicado, hipotéticamente, si las ecuaciones de la relatividad lo permitieran, al viajar más rápido que la luz se revertiría el tiempo, pero esto sería teóricamente imposible, por ello los agujeros de gusano representarían una alternativa, pues a través de ellos se estaría viajando más rápido que la luz, sin hacerlo de hecho. Sólo seria necesario encontrar uno y estabilizarlo usando materia exótica para poder hacer esto posible 😅

Ahora sobre la posibilidad de esto último, yo quizá soy menos optimista, soy más partidario de la conjetura de Hawking, no creo que las leyes físicas permitan el viaje en el tiempo a nivel macroscópico, al menos no al pasado y tal parece que todo apunta hacia allá. Pero como tu dices muchas de las cosas teorizadas y que creíamos hipotéticas y hasta imposibles, se han terminado confirmando, así que quizá haya mucha gente equivocada por ahí.

Gracias por tu comentario, me agradó mucho leerlo y responderlo, un abrazo. Saludos

Excelente, nada como un experto para dar las explicaciones de alto nivel, agradezco encarecidamente tu dedicación con esta respuesta, para los que apenas manejamos algunas nociones es una oportunidad de abrir el debate y seguir aprendiendo, en adición creo que llegará el momento histórico en el cual la tecnología permita comprobar todos los planteamientos teóricos del presente, todo hecho científico comienza con una especulación hasta que se logra demostrar!! Saludos!!

Gracias a ti @reinaseq, por tu comentario y apoyo a mis publicaciones. Y en efecto hacia allá vamos, ya hay proyectos para aceleradores de partículas que lograrán mayores energías que el LHC, en los próximos años debería lanzarse el telescopio espacial James Webb, mucho mas grande y avanzado que el Hubble, hay iniciativas privadas para enviar diminutas naves espaciales al sistema solar Próxima Centaury, entre otras cosas interesantes, así que como afirmas es muy posible que llegue el momento en que se puedan demostrar o refutar las muchos de planteamientos que hoy pueden ser considerados hipotéticos ya hoy se está creando la tecnología y en las próximas décadas veremos muchos avances. Yo en lo particular estoy a la expectativa por la entrada en funcionamiento del James Webb, que según he leído tendrá la posibilidad de mostrar imágenes de sistemas planetarios en estrellas próximas. Eso si nada de experto, apenas soy un aficionado y con mucho esfuerzo 😅. Gracias de nuevo y saludos fraternos.

Excelente mi estimado profesor. Ahora bien en un universo tan infinito y tan incomprendido por su humanidad, que aun falta mucho por descubrir y analizar,en el día de hoy solo son hipótesis pero creo que en años muy lejanos de nuestra existencia los humanos podrán descubrír aun mas cosas que hoy solo se predicen.

Gracias por tu apoyo @lanzjoseg, es muy cierto lo que dices, saludos





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