EL UNIVERSO
El universo es la totalidad
del espacio y del tiempo, de todas las formas de
la materia, la energía y el impulso, las leyes y constantes
físicas que las gobiernan. Sin embargo, el término universo puede
ser utilizado en sentidos contextuales ligeramente diferentes, para referirse a
conceptos como el cosmos, el mundo o la naturaleza.
Observaciones astronómicas indican que el universo tiene una edad de 13,73 ± 0,12 millares de años y por lo menos 93.000 millones de años luz de extensión. El evento que se cree que dio inicio al universo se denomina Big Bang. En aquel instante toda la materia y la energía del universo observable estaba concentrada en un punto de densidad infinita. Después del Big Bang, el universo comenzó a expandirse para llegar a su condición actual, y continúa haciéndolo.
Debido a que, según la teoría de la relatividad especial, la materia no puede moverse a una velocidad superior a la velocidad de la luz, puede parecer paradójico que dos objetos del universo puedan haberse separado 93 mil millones de años luz en un tiempo de únicamente
13 mil millones de años; sin embargo, esta separación no entra en conflicto con
la teoría de la relatividad general, ya que ésta sólo afecta al movimiento
en el espacio, pero no al espacio mismo, que puede extenderse a un ritmo
superior, no limitado por la velocidad de la luz. Por lo tanto,
dos galaxias pueden separarse una de la otra más rápidamente que la
velocidad de la luz si es el espacio entre ellas el que se dilata.
Mediciones sobre la distribución
espacial y el desplazamiento hacia el rojo (redshift) de galaxias
distantes, la radiación cósmica de fondo de microondas, y los porcentajes
relativos de los elementos químicos más ligeros, apoyan la teoría de la
expansión del espacio, y más en general, la teoría del Big Bang, que propone
que el universo en sí se creó en un momento específico en el pasado.
Observaciones recientes han
demostrado que esta expansión se está acelerando, y que la mayor parte de la
materia y la energía en el universo es fundamentalmente diferente de la
observada en la Tierra, y no es directamente observable. La imprecisión de las
observaciones actuales ha limitado las predicciones sobre el destino final del
universo.
Los experimentos sugieren que el
universo se ha regido por las mismas leyes físicas, constantes a lo largo de su
extensión e historia. La fuerza dominante en distancias cósmicas es la
gravedad, y la relatividad general es actualmente la teoría más
exacta para describirla. Las otras tres fuerzas fundamentales, y las partículas
en las que actúan, son descritas por el Modelo Estándar. El universo tiene
por lo menos tres dimensiones de espacio y una de tiempo, aunque
experimentalmente no se pueden descartar dimensiones adicionales muy pequeñas.
El espacio-tiempo parece estar conectado de forma sencilla, y
el espacio tiene una curvatura media muy pequeña o incluso
nula, de manera que la geometría euclidiana es, como norma general,
exacta en todo el universo.
La ciencia modeliza el universo como
un sistema cerrado que
contiene energía y materia adscritas
al espacio-tiempo y que se rige fundamentalmente por principios
causales.
Basándose en observaciones
del universo observable, los físicos intentan describir el
continuo espacio-tiempo en que nos encontramos, junto con toda
la materia y energía existentes en él. Su estudio, en las
mayores escalas, es el objeto de la cosmología, disciplina basada en
la astronomía y la física, en la cual se describen todos los
aspectos de este universo con sus fenómenos.
La teoría actualmente más aceptada
sobre la formación del universo, dada por el belga valón Lemaître, es el
modelo del Big Bang, que describe la expansión del espacio-tiempo a partir
de una singularidad espacio temporal. El universo experimentó un rápido periodo
de inflación cósmica que arrasó todas las irregularidades iniciales. A
partir de entonces el universo se expandió y se convirtió en estable, más frío
y menos denso. Las variaciones menores en la distribución de la masa dieron
como resultado la segregación fractal en porciones, que se encuentran
en el universo actual como cúmulos de galaxias.
En cuanto a su destino final, las
pruebas actuales parecen apoyar las teorías de la expansión permanente del
universo (Big Freeze o Big Rip), aunque otras afirman que la materia oscura podría
ejercer la fuerza de gravedad suficiente para detener la expansión y hacer que
toda la materia se comprima nuevamente; algo a lo que los científicos denominan
el Big Crunch o la Gran Implosión.
Porción observable Los
cosmólogos teóricos y astrofísicos utilizan de manera
diferente el término universo, designando bien el sistema completo o
únicamente una parte de él. Según el convenio de los cosmólogos, el
término universo se refiere frecuentemente a la parte finita del espacio-tiempo que
es directamente observable utilizando telescopios, otros detectores, y
métodos físicos, teóricos y empíricos para estudiar los componentes
básicos del universo y sus interacciones. Los físicos cosmólogos asumen que la
parte observable del espacio (también llamado nuestro
universo) corresponde a una parte de un modelo del espacio entero y normalmente
no es el espacio entero. Frecuentemente se utiliza el término el
universo como ambas: la parte observable del espacio-tiempo, o el
espacio-tiempo entero.
Algunos cosmólogos creen que el
universo observable es una parte extremadamente pequeña del universo «entero»
realmente existente, y que es imposible observar todo el espacio.
En la actualidad se desconoce si esto es correcto, ya que de acuerdo a los estudios
de la forma del universo, es posible que el universo observable esté cerca
de tener el mismo tamaño que todo el espacio. La pregunta sigue
debatiéndose. Si una versión del escenario de la inflación
cósmica es correcta, entonces aparentemente no habría manera de determinar
si el universo es finito o infinito. En el caso del universo observable,
éste puede ser solo una mínima porción del universo existente, y por
consiguiente puede ser imposible saber realmente si el universo está siendo
completamente observado.
Evolución
Teoría sobre el origen y la formación del Universo (Big Bang)
El hecho de que el universo esté
en expansión se deriva de las observaciones del corrimiento al
rojo realizadas en la década de 1920 y que se cuantifican por la ley
de Hubble. Dichas observaciones son la predicción experimental del modelo
de Friedmann-Robertson-Walker, que es una solución de las ecuaciones de campo
de Einstein de la relatividad general, que predicen el inicio del universo
mediante un big bang.
El "corrimiento al rojo" es
un fenómeno observado por los astrónomos, que muestra una relación directa
entre la distancia de un objeto remoto (como una galaxia) y la velocidad con la
que éste se aleja. Si esta expansión ha sido continua a lo largo de la vida del
universo, entonces en el pasado estos objetos distantes que siguen alejándose
tuvieron que estar una vez juntos. Esta idea da pie a la teoría del Big Bang; el
modelo dominante en la cosmología actual.
Durante la era más temprana
del Big Bang, se cree que el universo era un caliente y denso plasma.
Según avanzó la expansión, la temperatura decreció hasta el punto en que se
pudieron formar los átomos. En aquella época, la energía de fondo se desacopló
de la materia y fue libre de viajar a través del espacio. La energía remanente
continuó enfriándose al expandirse el universo y hoy forma el fondo cósmico de
microondas. Esta radiación de fondo es remarcablemente uniforme en todas
direcciones, circunstancia que los cosmólogos han intentado explicar como
reflejo de un periodo temprano de inflación cósmica después
del Big Bang.
El examen de las pequeñas variaciones
en el fondo de radiación de microondas proporciona información sobre la
naturaleza del universo, incluyendo la edad y composición. La edad del
universo desde el Big Bang, de acuerdo a la información actual
proporcionada por el WMAP de la NASA, se estima en unos 13.700
millones de años, con un margen de error de un 1% (137 millones de años). Otros
métodos de estimación ofrecen diferentes rangos de edad, desde 11.000 millones
a 20.000 millones.
Protogalaxias
Los rápidos avances acerca de lo que pasó después de la existencia de la materia aportan mucha información sobre la formación de las galaxias. Se cree que las primeras galaxias eran débiles "galaxias enanas" que emitían tanta radiación que separarían los átomos gaseosos de sus electrones. Este gas, a su vez, se estaba calentando y expandiendo, y tenía la posibilidad de obtener la masa necesaria para formar las grandes galaxias que conocemos hoy.
Composición fisica del universo
El universo observable actual parece
tener un espacio-tiempo geométricamente plano, conteniendo una densidad
masa-energía equivalente a 9,9 × 10-30 gramos por centímetro cúbico. Los
constituyentes primarios parecen consistir en un 73% de energía oscura,
23% de materia oscura fría y un 4% de átomos. Así, la densidad de los
átomos equivaldría a un núcleo de hidrógeno sencillo por cada cuatro
metros cúbicos de volumen. La naturaleza exacta de la energía oscura y la
materia oscura fría sigue siendo un misterio. Actualmente se especula con que
el neutrino, (una partícula muy abundante en el universo), tenga, aunque
mínima, una masa. De comprobarse este hecho, podría significar que la energía y
la materia oscura no existen.
Durante las primeras fases
del Big Bang, se cree que se formaron las mismas cantidades de materia
y antimateria. Materia y antimateria deberían eliminarse mutuamente al
entrar en contacto, por lo que la actual existencia de materia (y la ausencia
de antimateria) supone una violación de la simetría CP, por lo que puede
ser que las partículas y las antipartículas no tengan propiedades exactamente
iguales o simétricas, o puede que simplemente las leyes físicas que rigen
el universo favorezcan la supervivencia de la materia frente a la
antimateria.En este mismo sentido, también se ha sugerido que quizás la materia
oscura sea la causante de la bariogénesis al interactuar de
distinta forma con la materia que con la antimateria.
Antes de la formación de las primeras
estrellas, la composición química del universo consistía primariamente
en hidrógeno (75% de la masa total), con una suma menor
de helio-4 (4He) (24% de la masa total) y el resto de otros
elementos. Una pequeña porción de estos elementos estaba en la forma
del isótopo deuterio (2H), helio-3 (3He)
y litio (7Li). La materia interestelar de las galaxias
ha sido enriquecida sin cesar por elementos más pesados, generados
por procesos de fusión en la estrellas, y diseminados como resultado
de las explosiones de supernovas, los vientos estelares y la expulsión de
la cubierta exterior de estrellas maduras.
El Big Bang dejó detrás un
flujo de fondo de fotones y neutrinos. La temperatura de la radiación de
fondo ha decrecido sin cesar con la expansión del universo y ahora
fundamentalmente consiste en la energía de microondas equivalente a una
temperatura de 2'725 K. La densidad del fondo de neutrinos actual es sobre
150 por centímetro cúbico.
Estructuras agregadas del universo
Las galaxias
A gran escala, el universo está
formado por galaxias y agrupaciones de galaxias. Las galaxias son
agrupaciones masivas de estrellas, y son las estructuras más grandes en
las que se organiza la materia en el universo. A través del telescopio se
manifiestan como manchas luminosas de diferentes formas. A la hora de
clasificarlas, los científicos distinguen entre las galaxias del Grupo
Local, compuesto por las treinta galaxias más cercanas y a las que está unida
gravitacionalmente nuestra galaxia (la Vía Láctea), y todas las demás
galaxias, a las que llaman "galaxias exteriores".
Las galaxias están distribuidas por
todo el universo y presentan características muy diversas, tanto en lo que
respecta a su configuración como a su antigüedad. Las más pequeñas abarcan
alrededor de 3.000 millones de estrellas, y las galaxias de mayor tamaño pueden
llegar a abarcar más de un billón de astros. Estas últimas pueden tener un
diámetro de 170.000 años luz, mientras que las primeras no suelen exceder de
los 6.000 años luz.
Además de estrellas y sus astros
asociados (planetas, asteroides, etc...), las galaxias contienen
también materia interestelar, constituida por polvo y gas en una
proporción que varia entre el 1 y el 10% de su masa.
Se estima que el universo puede estar
constituido por unos 100.000 millones de galaxias, aunque estas cifras varían
en función de los diferentes estudios.
Formas de galaxias
La creciente potencia de los
telescopios, que permite observaciones cada vez más detalladas de los distintos
elementos del universo, ha hecho posible una clasificación de las galaxias por
su forma. Se han establecido así cuatro tipos distintos: galaxias elípticas,
espirales, espirales barradas e irregulares.
Galaxia elíptica.
En forma de elipse o de esferoide, se
caracterizan por carecer de una estructura interna definida y por presentar muy
poca materia interestelar. Se consideran las más antiguas del universo, ya que
sus estrellas son viejas y se encuentran en una fase muy avanzada de su
evolución.
Galaxias espirales
Están constituidas por un núcleo
central y dos o más brazos en espiral, que parten del núcleo. Éste se halla
formado por multitud de estrellas y apenas tiene materia interestelar, mientras
que en los brazos abunda la materia interestelar y hay gran cantidad de
estrellas jóvenes, que son muy brillantes. Alrededor del 75% de las galaxias
del universo son de este tipo.
Galaxia espiral barrada
Es un subtipo de galaxia espiral,
caracterizados por la presencia de una barra central de la que típicamente
parten dos brazos espirales. Este tipo de galaxias constituyen una fracción
importante del total de galaxias espirales. La Vía Láctea es una galaxia
espiral barrada.
Galaxias irregulares
Incluyen una gran diversidad de
galaxias, cuyas configuraciones no responden a las tres formas anteriores,
aunque tienen en común algunas características, como la de ser casi todas
pequeñas y contener un gran porcentaje de materia interestelar. Se calcula que
son irregulares alrededor del 5% de las galaxias del universo.
La Vía Láctea
La Vía Láctea es
nuestra galaxia. Según las observaciones, posee una masa de 1012 masas
solares y es de tipo espiral barrada. Con un diámetro medio de unos
100.000 años luz se calcula que contiene unos 200.000 millones de
estrellas, entre las cuales se encuentra el Sol. La distancia desde
el Sol al centro de la galaxia es de alrededor de 27.700 años luz
(8,5 kpc) A simple vista, se observa como una estela blanquecina de forma
elíptica, que se puede distinguir en las noches despejadas. Lo que no se
aprecian son sus brazos espirales, en uno de los cuales, el llamado brazo
de Orión, está situado nuestro sistema solar, y por tanto la Tierra.
El núcleo central de la galaxia presenta
un espesor uniforme en todos sus puntos, salvo en el centro, donde existe un
gran abultamiento con un grosor máximo de 16.000 años luz, siendo el grosor
medio de unos 6.000 años luz.
Todas las estrellas y la materia
interestelar que contiene la Vía Láctea, tanto en el núcleo central como
en los brazos, están situadas dentro de un disco de 100.000 años luz de
diámetro, que gira lentamente sobre su eje a una velocidad lineal superior a
los 216 km/s.
Las constelaciones
Tan sólo 3 galaxias distintas a la nuestra
son visibles a simple vista. Tenemos la Galaxia de Andrómeda, visible
desde el Hemisferio Norte; la Gran Nube de Magallanes, y la Pequeña
Nube de Magallanes, en el Hemisferio Sur celeste. El resto de las galaxias no
son visibles al ojo desnudo sin ayuda de instrumentos. Sí que lo son, en
cambio, las estrellas que forman parte de la Vía Láctea. Estas estrellas
dibujan a menudo en el cielo figuras reconocibles, que han recibido diversos
nombres en relación con su aspecto. Estos grupos de estrellas de perfil
identificable se conocen con el nombre de constelaciones. La Unión
Astronómica Internacional agrupó oficialmente las estrellas visibles en 88
constelaciones, algunas de ellas muy extensas, como Hidra o
la Osa Mayor, y otras muy pequeñas como Flecha y Triángulo.
Las estrellas
Son los elementos constitutivos más
destacados de las galaxias. Las estrellas son enormes esferas de gas que
brillan debido a sus gigantescas reacciones nucleares. Cuando debido a la
fuerza gravitatoria, la presión y la temperatura del interior de una estrella
es suficientemente intensa, se inicia la fusión nuclear de sus
átomos, y comienzan a emitir una luz roja oscura, que después se mueve hacia el
estado superior, que es en el que está nuestro Sol, para posteriormente, al
modificarse las reacciones nucleares interiores, dilatarse y finalmente
enfriarse.
Al acabarse el hidrógeno, se originan
reacciones nucleares de elementos más pesados, más energéticas, que convierten
la estrella en una gigante roja. Con el tiempo, ésta vuelve inestable, a la vez
que lanza hacia el espacio exterior la mayor parte del material estelar. Este
proceso puede durar 100 millones de años, hasta que se agota toda la energía
nuclear, y la estrella se contrae por efecto de la gravedad hasta hacerse pequeña
y densa, en la forma de enana blanca, azul o marrón. Si la estrella inicial es
varias veces más masiva que el Sol, su ciclo puede ser diferente, y en
lugar de una gigante, puede convertirse en una supergigante y acabar su vida
con una explosión denominada supernova. Estas estrellas pueden acabar
como estrellas de neutrones. Tamaños aún mayores de estrellas pueden
consumir todo su combustible muy rápidamente, transformándose en una entidad
supermasiva llamada agujero negro.
Los Púlsares son fuentes de
ondas de radio que emiten con periodos regulares. La palabra Púlsar
significa pulsating radio source(fuente de radio pulsante). Se detectan
mediante radiotelescopios y se requieren relojes de extraordinaria
precisión para detectar sus cambios de ritmo. Los estudios indican que un
púlsar es una estrella de neutrones pequeña que gira a gran
velocidad. El más conocido está en la Nebulosa del Cangrejo. Su densidad
es tan grande que una muestra de cuásar del tamaño de una bola de bolígrafo
tendría una masa de cerca de 100.000 toneladas. Su campo magnético, muy
intenso, se concentra en un espacio reducido. Esto lo acelera y lo hace emitir
gran cantidad de energía en haces de radiación que aquí recibimos como ondas de
radio.
La palabra Cuásar es un
acrónimo de quasi stellar radio source (fuentes de radio casi
estelares). Se identificaron en la década de 1950. Más tarde se vio que
mostraban un desplazamiento al rojo más grande que cualquier otro objeto
conocido. La causa era el Efecto Doppler, que mueve el espectro hacia el rojo
cuando los objetos se alejan. El primer Cuásar estudiado, denominado 3C 273,
está a 1.500 millones de años luz de la Tierra. A partir de 1980 se han
identificado miles de cuásares, algunos alejándose de nosotros a velocidades
del 90% de la de la luz.
Se han descubierto cuásares a 12.000
millones de años luz de la Tierra; prácticamente la edad del Universo. A pesar
de las enormes distancias, la energía que llega en algunos casos es muy grande,
equivalente la recibida desde miles de galaxias: como ejemplo, el s50014+81 es
unas 60.000 veces más brillante que toda la Vía Láctea.
Los planetas
Los planetas son cuerpos que giran en
torno a una estrella y que, según la definición de la Unión Astronómica
Internacional, deben cumplir además la condición de haber limpiado su órbita de
otros cuerpos rocosos importantes, y de tener suficiente masa como para que su
fuerza de gravedad genere un cuerpo esférico. En el caso de cuerpos que orbitan
alrededor de una estrella que no cumplan estas características, se habla
de planetas enanos, planetesimales, o asteroides. En
nuestro Sistema Solar hay 8
planetas: Mercurio,Venus, Tierra, Marte, Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno,
considerándose desde 2006 a Plutón como un planeta enano. A
finales de 2009, fuera de nuestro Sistema Solar se han detectado más de
400 planetas extrasolares, pero los avances tecnológicos están permitiendo
que este número crezca a buen ritmo.
Los satélites
Los satélites naturales son astros
que giran alrededor de los planetas. El único satélite natural de
la Tierra es la Luna, que es también el satélite más cercano
al sol. A continuación se enumeran los principales satélites de los
planetas del sistema solar (se incluye en el listado a Plutón, considerado
por la UAI como un planeta enano).
Tierra: 1 satélite → Luna
Marte: 2 satélites
→ Fobos, Deimos
Júpiter: 63 satélites
→ Metis, Adrastea, Amaltea, Tebe, Ío, Europa, Ganimedes, Calisto, Leda, Himalia, Lisitea, Elara, Ananké,Carmé, Pasífae, Sinope...
Saturno: 59 satélites
→ Pan, Atlas, Prometeo, Pandora, Epimeteo, Jano, Mimas, Encélado, Tetis, Telesto, Calipso, Dione, Helena,Rea, Titán, Hiperión, Jápeto, Febe...
Urano: 15 satélites
→ Cordelia, Ofelia, Bianca, Crésida, Desdémona, Julieta, Porcia, Rosalinda, Belinda, Puck, Miranda, Ariel,Umbriel, Titania, Oberón.
Neptuno: 8 satélites
→ Náyade, Talasa, Despina, Galatea, Larisa, Proteo, Tritón, Nereida
Plutón: 3 satélites
→ Caronte, Nix, Hidra
Asteroides y cometas
En aquellas zonas de la órbita de una
estrella en las que, por diversos motivos, no se ha producido la agrupación de
la materia inicial en un único cuerpo dominante o planeta, aparecen los
discos de asteroides: objetos rocosos de muy diversos tamaños que orbitan
en grandes cantidades en torno a la estrella, chocando eventualmente entre sí.
Cuando las rocas tienen diámetros inferiores a 50m se
denominan meteoroides. A consecuencia de las colisiones, algunos
asteroides pueden variar sus órbitas, adoptando trayectorias muy excéntricas
que periódicamente les acercan la estrella. Cuando la composición de estas
rocas es rica en agua u otros elementos volátiles, el acercamiento a la
estrella y su consecuente aumento de temperatura origina que parte de su masa
se evapore y sea arrastrada por el viento solar, creando una larga cola de
material brillante a medida que la roca se acerca a la estrella. Estos objetos
se denominan cometas. En nuestro sistema solar hay dos grandes discos de
asteroides: uno situado entre las órbitas de Marte y Júpiter,
denominado el Cinturón de asteroides, y otro mucho más tenue y disperso en
los límites del sistema solar, a aproximadamente un año luz de
distancia, denominado Nube de Oort.
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