EL UNIVERSO
- Edad: el Universo tiene 13.700 millones de años (margen de error cercano al 1%).
- Destino final: las pruebas apoyan la Teoría de la expansión permanente del Universo.
La teoría actualmente más aceptada de la formación del Universo es el modelo del Big Bang , que describe la expansión del espacio-tiempo a partir de una singularidad espaciotemporal. El Universo experimentó un rápido periodo de inflación cósmica que arrasó con 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 de la segregación fractal en porciones que se encuentran en el universo actual, como cúmulos de galaxias.
Universum - C. Flammarion, Woodcut, Paris 1888, ColorationPorción observable
Los cosmólogos teóricos y observacionales se diferencian en la utilización del término popopopoUniverso, significando el sistema completo o sólo una parte del sistema.
Según el convenio de los cosmólogos, el Universo ("U" mayúscula) se refiere frecuentemente a la parte finita del espacio-tiempo que es directamente observable utilizando telescopios y otros detectores y utilizando 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 comóvil (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, la parte observable del espacio tiempo o el espacio tiempo entero.
La mayoría de los cosmólogos creen que el Universo observable es una parte extremadamente pequeña del Universo "entero" (teórico) y que es imposible observar todo el espacio comóvil. Actualmente 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, pero la pregunta sigue debatiéndose. Si una versión del escenario de la inflación cósmica es correcto, entonces no hay un camino de determinar si (teóricamente) el Universo es finito o infinito, en el caso del Universo observable es sólo una pizca del Universo (teórico).
Teoría
Los cosmólogos teóricos estudian modelos del conjunto espacio-tiempo que están conectados y buscan modelos que son consistentes con los modelos físicos cosmológicos del espacio-tiempo en la escala del universo observable. Sus modelos son especulativos pero utilizan los métodos de la física teórica
Multiversos
Algunos teóricos amplían su modelo de "todo el espacio-tiempo" más allá de un único espacio-tiempo conectado, hacia un conjunto de espacio-tiempos desconectados entre sí o multiverso. Para clarificar la terminología, George Ellis, U. Kirchner y W.R. Stoeger recomendaron utilizar el término el Universo para los modelos teóricos de todos los espacio-tiempo conectados en que nosotros vivimos, dominio del Universo para el Universo observable o una parte similar del espacio-tiempo, Universo para un espacio-tiempo general (nuestro propio Universo u otro desconectado del nuestro), "multiverso" para un conjunto de espacio-tiempos desconectados y "Universo multi-dominio" para referirse a un modelo por completo de un único espacio-tiempo conectado en el sentido de los modelos de inflación caótica.
Por ejemplo, la materia que cae en un agujero negro en nuestro Universo podría emerger como un Big Bang, empezando otro Universo. Sin embargo, todas estas ideas son actualmente imposibles de probar y no pueden ser consideradas más que como especulaciones. El concepto de Universos paralelos se comprende sólo cuando se relaciona con la teoría de cuerdas. El teórico de cuerdas Michio Kaku ofreció varias explicaciones al fenómeno de posibles Universos paralelos.
El físico David Deutsch sugiere que el multiverso es una consecuencia de las interpretaciones de Universos paralelos, que considera como la mejor explicación alternativa a las de la Escuela de Copenhage de la teoría cuántica presentada por Niels Bohr, a mediados del siglo XX.
Es decir, todavía no se ha demostrado una ley que confirme lo dicho.
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 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 contínua 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 Nobel 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 protónes y los neutrónes no estaban juntos y una mezcla densa supercaliente de quarks y gluónes, 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.
Destino Final
El destino final del Universo tiene diversos modelos que explican lo que sucederá en función de diversos parámetros y observaciones. A continuación se explican los modelos fundamentales.
Big Crunch o la Gran Implosión
Es muy posible que el inmenso aro que rodeaba a las galaxias sea una forma de materia que resulta invisible desde la Tierra. Esta materia oscura tal vez constituya el 99% de todo lo que hay en el Universo.
La fuerza gravitatoria de toda esa materia tal vez podría cesar e invertir con ella la expansión, así las galaxias empezarían a retroceder y con el tiempo chocarían unas contra otras, la temperatura se elevaría y el Universo se precipitaría hacia un destino catastrófico en el que quedaría reducido nuevamente a un punto.
Algunos físicos han especulado que después se formaría otro Universo, en cuyo caso se repetiría el proceso.
Hoy en día, esta hipótesis parece incorrecta, pues a la luz de los últimos datos experimentales, el Universo se está expandiendo, cada vez más rápido.
Big Rip o Gran Desgarramiento
El Gran Desgarramiento o Teoría de la Eterna Expansión, llamado en inglés Big Rip, es una hipótesis cosmológica sobre el destino último del universo.
La clave de esta hipótesis es la cantidad de energía oscura en el universo. Si el universo contiene suficiente energía oscura, podría acabar en un desgarramiento de toda la materia.
El valor clave es w, la razón entre la presión de la energía oscura y su densidad energética. A w < -1, el universo acabaría por ser desgarrado. Primero, las galaxias se separarían entre sí, luego la gravedad sería demasiado débil para mantener integrada cada galaxia. Aproximadamente tres meses antes del fin, los sistemas planetarios perderían su cohesión gravitatoria. En los últimos minutos, se desbaratarán estrellas y planetas, y los átomos serán destruidos en una fracción de segundo antes del fin del tiempo.
Los autores de esta hipótesis calculan que el fin del tiempo ocurriría aproximadamente 3,5×1010 años después del Big Bang, o dentro de 2,0×1010 años.
Una modificación de esta teoría, aunque poco aceptada, asegura que el universo continuaría su expansión sin provocar un Big Rip.
No Espacio, No Tiempo
Esta teoría consiste en la nula existencia de tiempo al iniciarse el espacio, lo cual originó que todos los eventos ocurridos en el universo no tuvieran (ni necesiten tener) momento definido en la historia. Esta teoría explica principalmente qué provocó la gran explosión (que en realidad no fue una explosión, ni fue provocada), así como también explica el destino del universo, que en términos simples, será cuando el tiempo deje de tener relevancia y por la separación de la materia en el espacio, deje de existir y todo se enfríe, transformando el tiempo en un concepto inexistente de letargo infinito....
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 centrímetro 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.
Tamaño
La imagen de luz visible más profunda del cosmos, el Campo Ultra Profundo del Hubble.
Artículo principal: Universo observable
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. Ver forma del Universo para más información.
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 ciertemante 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. Ver Universo observable para una lista de cifras incorrectas publicadas en la prensa popular con explicaciones de cada una.
La imagen de luz visible más profunda del cosmos, el Campo Ultra Profundo del Hubble. Forma
Primero, si el Universo es espacialmente plano, p.ej. se desconoce si las reglas de la geometría Euclidiana son válidas a la mayor escala. Actualmente, muchos cosmólogos creen que el Universo observable es tá 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, tel 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.
Homogeneidad e isotropía
Fluctuaciones en la radiación de fondo de microondas. Imagen NASA/WMAP.
Mientras que la estructura está considerablemente fractalizada a nivel local (ordenada en una jerarquía de racimo), en los órdenes más altos de distancia el Universo es muy homogéneo. A estas escalas la densidad del Universo es muy uniforme y no hay una dirección preferida o significantemente asimétrica en el Universo. Esta homogeneidad es un requisido de la Métrica de Friedman-Lemaître-Robertson-Walker empleada en los modelos cosmológicos modernos.
La cuestión de la anisotropía en el Universo primigenio fue significantemente contestada por el WMAP, que buscó fluctuaciones en la intensidad del fondo de microondas. Las medidas de esta anisotropía han proporcionado información útil y restricciones sobre la evoulción del Universo.
Hasta el límite de la potencia de observación de los instrumentos astronómicos, los objetos radian y absorven la energía de acuerdo a las mismas leyes físicas como lo hacen en nuestra propia galaxia.Basándose en esto, se cree que las mismas leyes y constantes físicas son universalmente aplicables a través de todo el Univeso observable. Ninguna prueba confirmada ha sido encontrada que muestre que las constantes físicas han variado desde el Big Bang y las posibles variaciones están siendo forzadas.
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.
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.
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.
Galaxia elíptica NGC 1316
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.
Vista de la Vía Láctea desde la tierra.
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.
Galaxia irregular NGC 1427
La Vía Láctea
La Vía Láctea es nuestra galaxia. 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.
Recreación artística hecha por la NASA de la Vía Láctea. Vista a lo largo de su eje.
Ninguna de las galaxias exteriores, es decir, distintas de la Vía Láctea, es observable desde la Tierra a simple vista. 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 reaccion 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 súpergigante 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.
Los púlsares
Hay estrellas que pueden emitir ondas luminosas y pulsaciones de ondas de radio conocidas como púlsares (Pulsations Radio Sources).En las reacciones nucleares que se producen la temperatura es tan alta que los átomos de hierro que se han formado se descomponen, la estrella se colapsa y estalla.
Otros términos
Versión coloreada del Grabado Flammarion. El original fue publicado en Paris en 1888
Diferentes palabras se han utilizado a través de la historia para denotar "todo el espacio", incluyendo los equivalentes y las variantes en varios lenguajes de "cielos", "cosmos" y "mundo". El macrocosmos también se ha utilizado para este efecto, aunque está más específicamente definido como un sistema que refleja a gran escala uno, algunos o todos estos componentes del sistema o partes (similarmente, un microcosmos es un sistema que refleja a pequeña escala un sistema mucho mayor del que es una parte).
Aunque palabras como mundo y sus equivalentes en otros lenguajes ahora casi siempre se refieren al planeta Tierra, previamente se referían a cada cosa que existía (se podía ver), por ejemplo Copérnico. Algunos lenguajes utilizan la palabra "mundo" como parte de la palabra "espacio exterior", p.ej. en alemán la palabra "Weltraum".
Escrito por Sebastián Mira Castets a las 05:29
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