Nuestro Universo

2007-05-23T13:54:00.000-03:00

UNIVERSO

"Universo" es una palabra derivada del francés antiguo unvers, que viene del latín unus ("uno") y versus ("vuelta"). 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 describe todo aspecto de este universo con sus fenómenos.

El Universo es todo, sin excepciones, materia, energía, espacio y tiempo, todo lo que existe forma parte del Universo. En el universo, por cada millón de átomos de hidrógeno los 10 elementos más abundantes son:

ELEMENTOS - ATOMOS
H Hidrógeno 1.000.000
He Helio 63.000
O Oxígeno 690
C Carbono 420
N Nitrógeno 87
Si Silicio 45
Mg Magnesio 40
Ne Neón 37
Fe Hierro 32
S Azufre 16
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 y se cuantifican por la ley de Hubble. Es decir, los astrónomos observan que hay una relación directa entre la distancia a un objeto remoto (como una galaxia) y la velocidad con que está alejándose. En cambio, si esta expansión ha sido continua en toda la edad del Universo, entonces en el pasado estos objetos distantes 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, el Universo se cree que era un caliente y denso plasma. Según avanza la expansión, la temperatura cae a ritmo constante hasta el punto en que los átomos se pueden formar. Sobre este tiempo la energía de fondo se desacopla de la materia y fue libre de viajar a través del espacio. La energía sobrante continuó enfriándose al expandirse el Universo y hoy forma el fondo cósmico de microondas. Esta radiación de fondo es remarcablemente uniforme en todas direcciones, que los cosmólogos han intentado explicar como 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%(200 millones de años).Otros métodos de estimación dan diferentes rangos de edad desde 11.000 millones a 20.000 millones. En el libro de 1977 Los Primeros Tres Minutos del Universo, el premio Nóbel Steven Weinberg muestra la física de qué ocurrió justo momentos después del Big Bang. Los descubrimientos adicionales y los refinamientos de las teorías hicieron que lo actualizara y reeditara en 1993.

Sopa Primigenia
Hasta hace poco, la primera centésima de segundo era más bien un misterio, impidiendo a Wainberg y a otros describir exactamente cómo era el Universo. Los nuevos experimentos en el RHIC en el Brookhaven National Laboratory han proporcionado a los físicos una luz en esta cortina de alta energía, de tal manera que pueden observar directamente los tipos de comportamiento que pueden haber tomado lugar en este instante. En estas energías, los quarks que componen los protones y los neutrones no estaban juntos y una mezcla densa super caliente de quarks y gluones, con algunos electrones, era todo lo que podía existir en los microsegundos anteriores a que se enfriaran lo suficiente para formar el tipo de partículas de materia que observamos hoy en día.
Protogalaxias
Los rápidos avances en lo que pasó después de la existencia de la materia, existe mucha información sobre la formación de las galaxias. Se cree que las primeras galaxias eran débiles "galaxias enanas" que emitían tanta radiación que desharían 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

El Universo observable actual parece tener un espacio-tiempo geométricamente plano conteniendo una densidad masa-energía equivalente de 9,9 × 10-30 gramos por centímetro cúbico. Los constituyentes primarios parecen consistir en 73% de energía oscura, 23% de materia oscura fría y un 4% de átomos. Así, la densidad de los átomos está en el orden del núcleo de hidrógeno sencillo para cada cuatro metros 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 (partícula muy abundante en el universo) tenga, aunque mínima, una masa, lo que significaría, de ser comprobado, que la energía y la materia oscura no existen. Durante las primeras fases del Big Bang, se formaron las mismas cantidades de materia y antimateria. Sin embargo, aunque el proceso físico de una violación CP dé como resultado una asimetría en la suma de materia comparada con la anitmateria. Esta asimetría explica la suma de materia residual encontrada en el Universo hoy, de otra forma casi toda la materia y antimateria se habría aniquilado la una a la otra cuando hubieran entrado en contacto. 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 estaban en la forma del isótopo deuterio (2H), helio-3 (3He) y litio (7Li). Consecuentemente la materia interestelar de las galaxias ha sido enriquecido sin cesar por elementos más pesados. Éstos se han introducido como un resultado de las explosiones de supernovas, los vientos estelares y la expulsión de la cubierta exterior de estrellas desarrolladas. 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.

Estructura Física
Tamaño

Muy poco se conoce sobre el tamaño del Universo. Puede tener una longitud de billones de años luz o incluso tener un tamaño infinito. Un artículo de 2003 dice establecer una cota inferior de 24 gigaparsecs (78.000 millones de años luz) del tamaño del Universo, pero no hay ninguna razón para creer que esta cota está de alguna manera muy ajustada. El Universo observable (o visible), que consiste en todas las localizaciones que podían habernos afectado desde el Big Bang dada la velocidad de la luz finita, es ciertamente finito. La distancia comóvil al extremo del Universo visible es sobre 46.500 millones de años luz en todas las direcciones desde la Tierra, así el Universo visible se puede considerar como una esfera perfecta con la Tierra en el centro y un diámetro de unos 93.000 millones de años luz. Hay que notar que muchas fuentes han publicado una amplia variedad de cifras incorrectas para e tamaño del Universo visible, desde 13.700 hasta 180.000 millones de años luz.

Forma

Una pregunta importante abierta en cosmología es la forma del Universo. Matemáticamente, ¿qué 3-variedad representa mejor la parte espacial del Universo?

Primero, si el Universo es espacialmente plano, por ej. se desconoce si las reglas de la geometría Euclidiana son válidas a la mayor escala. Actualmente, muchos cosmólogos creen que el Universo observable está muy cerca de ser espacialmente plano, con arrugas locales donde los objetos masivos distorsionan el espacio-tiempo, de la misma forma que la superficie de un lago es casi plana. Esta opinión fue reforzada por los últimos datos del WMAP, mirando hacia las "oscilaciones acústicas" de las variaciones de temperatura en la radiación de fondo de microondas.

Segundo, se desconoce si el Universo es múltiplemente conexo. El Universo no tiene contas espaciales de acuerdo al modelo estándar del Big Bang, pero sin embargo debe ser espacialmente finito (compacto). Esto se puede comprender utilizando una analogía en dos dimensiones: la superficie de una esfera no tiene límite, pero no tiene un área finita. Es una superficie de dos dimensiones con curvatura constante en una tercera dimensión. La 3-esfera es un equivalente en tres dimensiones en el que las tres dimensiones están constantemente curvadas en una cuarta.

Si el Universo fuese compacto y sin cotas, sería posible después de viajar una distancia suficiente para volver donde uno empezó. Así, la luz de las estrellas y galaxias podría pasar a través del Universo observable más de una vez. Si el Universo fuese múltiplemente conexo y suficientemente pequeño (y de un tamaño apropiado, tal vez complejo) entonces posiblemente se podría ver una o varias veces alrededor de él en alguna (o todas) direcciones. Aunque esta posibilidad no ha sido descartada, los resultados de las últimas investigaciones de la radiación de fondo de microondas hacen que esto parezca improbable.

Las Galaxias

Las galaxias son el constituyente fundamental del Universo y, a pesar de que distan mucho de la Tierra no se observan a través del telescopio como simples puntos de luz, sino que se manifiestan como manchas luminosas de diferentes formas. Esto equivale a decir que el Universo está formado por galaxias y agrupaciones de galaxias. Para adentrarse en este complejo mundo estelar, los científicos distinguen entre galaxias locales, integradas por un grupo de treinta a las que está unida gravitacionalmente la Vía Láctea, de la que forma parte el sistema solar, y todas las demás galaxias, a las que llaman galaxias exteriores.

Estas unidades de estrellas está distribuidas por todo el Universo y presentan características muy diversas, tanto en lo que respecta a su configuración como a su antigüedad: las hay viejas y jóvenes, grandes y pequeñas, brillantes y opacas, y de muy variadas formas. 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 suelen tener un diámetro de 170.000 años luz, mientras que las primeras no pasan de los 6.000 años luz.

Además de estrellas, las galaxias contienen también materia interestelar, constituida por polvo y gas en una proporción que varia del 1 al 10% de su masa.

Galaxia Andrómeda Galaxia Estirada

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 NGC 1316

Galaxias elípticas

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.

Vía Láctea

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, y también lo es nuestra galaxia, la Vía Láctea.

Galaxia espiral barrada

Es un tipo especial de galaxia espiral, que tiene un núcleo de forma elíptica del que parten dos brazos, primero rectos y luego espirales, en direcciones opuestas. En algunos casos, los brazos llegan a cerrarse formando un círculo y dejan el núcleo en el centro, como si fuera el diámetro. Estas galaxias son muy poco numerosas.

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.

Galaxias Vecinas – Años Luz de distancia
Nubes de Magallanes 200.000
El Dragón 300.000
Osa Menor 300.000
El Escultor 300.000
El Fogón 400.000
Leo 700.000
NGC 6822 1.700.000
NGC 221 (M32) 2.100.000
Andrómeda (M31) 2.200.000
El Triángulo 2.700.000
La Vía Láctea

La Vía Láctea es nuestra galaxia. Los romanos la llamaron "Camino de Leche". Según las observaciones, posee una masa de 1012 masas solares y es, muy posiblemente, una espiral. 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 número central como en los brazos, están siendo 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 por segundo.

El sistema solar está en uno de los brazos de la espiral, a unos 30.000 años luz del centro y unos 20.000 del extremo. Cada 225 millones de años el Sistema Solar completa un giro alrededor del centro de la galaxia. No podemos ver el brillante centro porque se interponen materiales opacos, polvo cósmico y gases fríos, que no dejan pasar la luz.

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 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. Hasta el presente, se han observado 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. Estos soles, gaseosos y esféricos, brillan por sus gigantescas reacciones nucleares. Si la reacción no es muy grande comienza por emitir una luz roja oscura y después se mueve hacia el estadio superior, que es en el que está nuestro Sol, para después al modificarse las reacciones nucleares interiores, dilatarse y enfriarse.

La dilatación por enfriamiento de los gases exteriores la convierte en una gigante roja, se 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 se contrae por la gravitación, hasta hacerse pequeña y densa, como una estrella pequeña y blanca o azul, una enana blanca. Si la estrella inicial era más grande que el Sol, su ciclo puede ser diferente: en lugar de una gigante, se vuelve una súper gigante y puede acabar su vida con una explosión.

También hay algunas estrellas que consumen todo su combustible muy rápidamente y continúan contrayéndose hasta convertirse en un agujero negro. La estrella más cercana al Sol es Alfa Centauro.

Las estrellas evolucionan durante millones de años, nacen cuando se acumula una gran cantidad de materia en un lugar del espacio. Se comprime y se calienta hasta que empieza una reacción nuclear, que consume la materia, convirtiéndola en energía.

Las estrellas pequeñas la gastan lentamente y duran más que las grandes.

Cuásares y Púlsares
Son astros muy diferentes, pero ambos emiten mucha radiación.

Los Cuásares son objetos lejanos que emiten grandes cantidades de energía, con radiaciones similares a las de las estrellas.

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 Dopler, que mueve el espectro hacia el rojo cuando los objetos se alejan.

El primer Cuásar estudiado, 3C 273 está a 1.500 millones de años luz de la Tierra. A partir de 1980 se han identificado miles de cuásares. Algunos se alejan 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. Ésta es, aproximadamente, la edad del Universo. A pesar de las enormes distancias, la energía que llega en algunos casos es muy grande, equivalente a miles de galaxias. Como ejemplo, el s50014+81 es unas 60.000 veces más brillante que toda la Vía Láctea.

Los Púlsares son fuentes de ondas de radio que vibran con periodos regulares. Se detectan mediante radiotelescopios. La palabra Púlsar significa pulsating radio source, fuente de radio pulsante. Se requieren relojes de extraordinaria precisión para detectar cambios de ritmo, y sólo en algunos casos.

Agujeros Negros

Son cuerpos con un campo gravitatorio extraordinariamente grande. No puede escapar ninguna radiación electromagnética ni luminosa, por eso son negros. Están rodeados de una "frontera" esférica que permite que la luz entre pero no salga. Hay dos tipos de agujeros negros: cuerpos de alta densidad y poca masa concentrada en un espacio muy pequeño, y cuerpos de densidad baja pero masa muy grande, como pasa en los centros de las galaxias. Si la masa de una estrella es más de dos veces la del Sol, llega un momento en su ciclo en que ni tan solo los neutrones pueden soportar la gravedad. La estrella se colapsa y se convierte en agujero negro.

Como en el Big Bang, en los agujeros negros se da una singularidad, es decir, las leyes físicas y la capacidad de predicción fallan. En consecuencia, ningún observador externo puede ver qué pasa dentro.
El científico británico Stephen W. Hawking ha dedicado buena parte de su trabajo al estudio de los agujeros negros. En su libro "Historia del Tiempo" explica cómo, en una estrella que se está colapsando, los conos luminosos que emite empiezan a curvarse en la superficie de la estrella. Al hacerse pequeña, el campo gravitatorio crece y los conos de luz se inclinan cada vez más, hasta que ya no pueden escapar. La luz se apaga y se vuelve negro.

Unidades para medir distancias

Unidad astronómica (ua): Distancia medida entre la Tierra y el Sol.

Aproximadamente 149.600.000 km. No se utiliza fuera del sistema solar.

Año Luz: Distancia que puede recorrer la luz en un año. Son 9.46 billones de Kms. Si una estrella es a 10 años luz, lo vemos tal como era hace 10 años. Es la más práctica.

Pársec (paralaje-segundo): Distancia de un cuerpo que tiene una paralaje de 2 segundos de arco. Equivale a 20.86 billones de km. 3.26 años luz o 206.265 ua. La más científica.

Conceptos Básicos
Masa: es la cantidad de materia de un objeto.
Volumen: es el espacio ocupado por un objeto.
Densidad: se calcula dividiendo la masa de un objeto por su volumen.
Temperatura: La cantidad de calor de un objeto. La temperatura más baja posible en el Universo es de 273 °C bajo cero (0° Kelvin), que es no tener ningún tipo de energía.
Movimiento

La gravedad es la fuerza de atracción entre objetos.En el Universo toda la materia se mueve a causa de ésta y otras fuerzas.

La gravedad depende de la masa de los objetos y de la distancia que los separa. Cuanto más masa tienen y más cerca están, mayor es la fuerza. Cuando se separan el doble la fuerza se reduce a un cuarto. La gravedad actúa como si toda la masa de un cuerpo se concentrase en un único punto, el centro de gravedad.

La zona esférica alrededor de un cuerpo donde actúa su gravedad es el campo gravitacional.

La ley de la gravitación universal fue formulada por el físico británico Isaac Newton en el año 1684.

Las estrellas, las galaxias y todo el Universo se mueven. Otra cosa es detectar el movimiento de algunos cuerpos, sobre todo, de los más lejanos. Se ha medido el movimiento de muchos objetos del Universo. Así sabemos que, para desplazarse una distancia aparente igual al diámetro de la luna, la estrella más cercana Alpha Centauro, necesita 506 años. Arturo necesita 815; Sirio, 1.410; Altair, 2.830; Capella, 4270 y Fomalhaut 5.000. Se llama órbita la trayectoria de un objeto que gira alrededor de otro.

El periodo orbital es el tiempo que el objeto tarda en completar una órbita. Parece que todos los objetos, en el espacio, orbitan alrededor de otros con más masa.

SE RECOMIENDA

Cosmos, libro de Carl Sagan, para preparar tu monografía o simplemente para conocer más. El Profesor Carl Sagan realizó para la televisión un programa de trece capítulos, en el que desarrollaba tan exquisitamente comprensible y apasionante todo lo relacionado con el cosmos. La obra aborda también el tema de las misiones espaciales destinadas a explorar los planetas más próximos a la tierra, se ocupa de la antigua Biblioteca de Alejandría, el cerebro humano, los jeroglíficos egipcios, el origen de la vida, de la muerte del sol, de la evolución de las galaxias y de los orígenes de la materia, los soles y los mundos. Se nos habla aquí de una evolución cósmica de quince mil millones de años que ha transformado la materia en vida y conciencia, haciendo posible que el Cosmos se interrogara acerca de sí mismo. Se comentan también los mas recientes descubrimientos sobre la vida fuera de la tierra, y cómo podemos comunicarnos con los habitantes de otros mundos. Sagan contemplaba así nuestro planeta desde un privilegiado punto de vista extraterrestre, y lo veía como un mundo azul habitado por una forma de vida que apenas acaba de descubrir su propia unidad y se aventura en el vasto océano del espacio.

Carl edward Sagan, nacido en 1934 en la ciudad de Brooklyn, NY, hijo de inmigrantes rusos, desde chico tenía inclinación hacía la ciencia y en especial a la astronomía, en 1955 se gradúa en física en la universidad de Chicago, inmediatamente colabora como asesor de la NASA, actividad que realiza durante 30 años, en 1960 obtiene su doctorado en astronomía y astrofísica. Escribió una sola novela de ciencia ficción “Contact” que se convirtió en un bestseller, y fue llevada al cine en 1997, la misma trata sobre cómo sería el primer contacto de la humanidad con una civilización tecnológicamente avanzada extraterrestre, basada en el programa S.E.T.I. del que fue colaborador y divulgador en la realidad. Fallece en 1996 tras padecer una larga enfermedad.