Por su interés, voy a reproducir un artículo publicado en Blanco y Negro (14-8-05), titulado En los límites de Universo, escrito por Horst Guntheroth, y que resume los conocimientos que del Cosmos se tenían a esa fecha.
1.-La Vía Láctea
Nuestra galaxia es una acumulación de estrellas: unos 100.000 millones de enormes esferas incandescentes en cuyo interior se produce un fenómeno de fusión que transforma el hidrógeno en helio y, como resultado, libera grandes cantidades de energía. Estas centrales nucleares a escala cósmica aparecen agrupadas- en numerosos cúmulos estelares- formando una espiral gigantesca de unos 15.000 años luz de espesor por 100.000 de diámetro. Además de girar ininterrumpidamente sobre si misma, la Vía Láctea se desplaza por el universo a gran velocidad como si fuera un platillo volante. Nuestro sistema solar -que significa menos que un punto en la galaxia- se encuentra en un lugar imperceptible de uno de los brazos exteriores de la espiral, que completa una vuelta alrededor de su núcleo central cada 230 millones de años. Hasta hoy ha completa apenas 20. Los científicos han descubierto que en estos brazos están formándose constantemente nuevas estrellas. En el centro, en cambio, se almacenan astros viejos, y, según los expertos, en el mismo centro se ha localizado un agujero negro, una gran fuerza de atracción invisible que, como un caníbal, devora cuanto le rodea a determinada distancia. Ni la luz escapa a su impresionante poder.
2.-Teoría del big bang
En el principio, hace aproximadamente 13.500 millones de años, sólo hubo radiación y una materia, no identificada aún, que fue concentrándose más y más en un diminuto punto que, tras alcanzar inimaginables niveles de temperatura y densidad, acabó explotando. En un minuto, la onda expansiva, que aun sigue y pudiera ser infinita, alcanzó un diámetro de millones de kilómetros. Así surgieron, según la teoría del “big bang”, el espacio y el tiempo. Aunque cuestionada, esta hipótesis sobre el origen del universo es, con todo, la más aceptada entre los astrofísicos. Tras la explosión, se cree, se formaron las primeras partículas elementales: la materia prevaleció sobre la antimateria - se desconocen las causas - y se formaron los protones, neutrones y electrones; tres minutos después, lo hicieron los primeros núcleos atómicos sencillos. Hubo que esperar 300.000 años para que surgieran los componentes básicos del universo-hidrógeno y helio-, y casi un millón más para que las nubes de gas se concentraran en algunas regiones. Dentro de estas nubes nacieron luego las primeras estrellas y galaxias, y en una de ellas-9.000 millones de años después del “big bang”- se formó nuestro sistema solar y, en él, por fin, nuestro planeta
3.-El cosmos
Una pequeña mota de polvo, llamada Tierra, viaja entre las maravillas del firmamento como si fuese una nave de crucero, por la inmensidad del espacio. Sus tripulantes, frágiles y pequeños, poseen una curiosidad insaciable y unos delirios de grandeza fuera de lugar en un cosmos tan gigantesco y enigmático. Persiguen lo imposible: saber al detalle cómo se formó el universo, de que está compuesto, donde acaba-si acaba-; qué papel juegan en él, siendo tan fugaces y diminutos que, a escala cósmica, representan poco más que un pestañeo.
Para averiguarlo, apenas cuentan con herramientas: kilo y medio de masa encefálica por cabeza y un arsenal de instrumentos de observación que han ido creando a lo largo del tiempo. De forma sorprendente, han conseguido, no obstante, hacer maravillas con tan pocos recursos. Con ellos han logrado, incluso, comprender parte de lo que ocurre mucho más allá de las luces que brillan en el telón oscuro del cielo.
El telescopio espacial Hubble -en órbita a 600 kilómetros de la Tierra- fotografió, hace unos años, más de 100 cúmulos estelares formados entre 400 y 800 millones de años después de la gran explosión que los astrofísicos consideran, probablemente, como los primeros objetos que iluminaron un cosmos, hasta ese momento, oscuro. “nunca habíamos retrocedido tanto hacia el pasado”. Asegura Rodger Thompson, de la Universidad de Arizona.
Poco después, en el 2001, el equipo internacional de científicos del telescopio Isaac Newton, situado en La Palma, Canarias, observó otro espectáculo increíble: la nebulosa de Andrómeda ejercía tal atracción sobre su galaxia vecina NGC205 que le arrebataba un autentico reguero de astros desplazándose hacia la que consideramos nuestra galaxia hermana: Andrómeda está a “sólo” 2’5 millones de años luz de la Vía Láctea y es muy similar en apariencia, aunque no en tamaño, Andrómeda es dos veces más grande.
No menos asombrados quedaron recientemente los investigadores norteamericanos del Centro Snithsonian de Astrofísica de Harvard. Estudiaban la constelación de Centauro cuando observaron la fase final en la vida de una estrella: poco más que residuos calcinados del antiguo combustible estelar. El carbono se había cristalizado en el interior del astro hasta formar un diamante de 400 kilómetros de diámetro. Nunca antes se había descubierto una enana tan grande; ahora, el antiguo sol recorre el espacio convertido en una gema gigantesca.
Gracias a estos y a otros muchos conocimientos acumulados en los últimos años, los astrofísicos han podido hacerse una idea generalizada, aunque no del todo consensuada, del origen del universo; también acerca de su composición y de su destino. El cosmos que dibujan es un lugar grandioso y dramático, violento y aun enigmático, cuyos secretos la mente humana apenas alcanza a comprender.
Los científicos saben que todas las estrellas son soles similares al nuestro: enormes bolas de gas incandescente, en cuyo interior el hidrógeno se transforma en helio, liberando grandes cantidades de energía. Algunos poseen sólo una fracción de la masa del Sol; otros la superan hasta en cientos de veces.
Las distancias entre estos reactores nucleares son tan descomunales que se miden en años luz. Esta unidad de medida equivale a la distancia que la luz recorre en un año: 9’46 billones de kilómetros. La distancia entre el Sol y la estrella más cercana, Próxima Cetauri, es, por poner un caso, de 4’3 años luz; casi 40 billones de kilómetros. Sólo un pequeño salto si la comparamos con la distancia a otras estrellas.
¿Cuántas hay? Imposible saberlo hasta hoy, y probablemente nunca. En una noche clara se pueden apreciar , a simple vista, hasta 6000, una cifra-dicen los expertos-que supone lo que una gota en el océano: sólo en la Vía Láctea existen unos 100.000 soles que, en su dinámica, trazan una espiral gigantesca de l5.000 años luz de grosor por 150.000 de diámetro. Bajo esta forma, nuestra galaxia viaja por el universo cono un platillo volante plano cuyos brazos giran en torno al centro. Nuestro sistema solar se encuentra en uno de los brazos exteriores y completa un giro cada 230 millones de años; desde su origen ha dado apenas 20 vueltas. Después, entre una estrella y otra, no hay prácticamente nada: vacío. La materia interestelar sólo consta de un par de átomos de hidrógeno y helio por centímetro cúbico.
La Vía Láctea es, a su vez, una más entre las innumerables galaxias que concentran todas las estrellas del universo. Las galaxias más cercanas a la nuestra son la Gran Nube de Magallanes-a 150.000 años luz-y la Pequeña Nube de Magallanes, a unos 200.000. Están formadas por 15.000 y 5.000 millones de estrellas, respectivamente. La siguiente en proximidad es la nebulosa de Andrómeda.
Vistas con el telescopio, las galaxias aparecen bajo formas de espiral, de Z o de estructuras elípticas o lenticulares. No se sabe cuantas flotan en el universo, pero ya se han descubierto tantas-miles de millones, y cada día se encuentran nuevas-, que los astrónomos han dejado de bautizarlas hace tiempo. Ahora, como en el catálogo de unos grandes almacenes, sólo les asignan números.
La mayoría de las galaxias aparecen reunidas en grupos o cúmulos debido a la atracción gravitatoria. Otros muchos conglomerados están formados por cientos de galaxias y se agrupan formando lo que los astrónomos denominan “supercúmulos”. Estos, si pudieran ser vistos a gran distancia, formarían una estructura porosa, como la de una gigantesca esponja; grandes espacios vacíos de hasta 150 millones de años luz rodeados por filamentos que serían los supercúmulos.
La estructura del universo no es rígida; por el contrario, está gobernada por una dinámica de escala descomunal. Los astrónomos han constatado que las galaxias, independientemente de las fuerzas gravitatorias locales, vuelan a gran velocidad, alejándose unas de otras, como un trueno tras una explosión. Los expertos sitúan la causa de este fenómeno en el mismo origen del universo. A menos de un minuto del big bang, el universo alcanzó un diámetro de muchos millones de kilómetros; más tarde, se formaron los primeros elementos: hidrógeno y helio. Se necesitaron, no obstante, muchos millones de años para que se formaran nubes de gases allí donde su concentración era mayor que en otros lugares. La fuerza de la gravedad fue aglutinando entonces la materia, la presión interior propició un aumento espectacular de las temperaturas y los átomos de hidrógeno acabaron, por fin, fusionándose para formar nuevos átomos, esta vez, de helio. Nació así la primera estrella.
Todas las galaxias están tejidas por cúmulos estelares de distintas edades; los astrónomos han aprendido incluso a determinar las distintas fases de los astros, que con el paso del tiempo van cambiando sus características. Cuando, por ejemplo, una estrella de la masa de nuestro Sol ha transformado casi todo su hidrógeno en helio, el astro empieza a incrementar enormemente su tamaño. A estas ancianas estelares, los astrónomos las llaman “gigantes rojas”, las cuales, millones de años después, expulsan al espacio sus capas externas. Concluyen entonces sus reacciones nucleares, y queda apenas un núcleo brillante, relativamente pequeño, del tamaño de la Tierra. Estamos ya ante una “enana blanca”, de una densidad difícilmente imaginable: en su superficie, un dedal pesaría varias toneladas. A lo largo de otros millones de años, la estrella se va enfriando más hasta convertirse en una “enana negra”.
Las estrellas mucho más grandes que el Sol acaban, en cambio, de otra manera: consumen su hidrógeno a mayor velocidad, y en sólo unos pocos millones de años, su interior se contrae, su temperatura aumenta, el helio se funde y se transforma en carbono, que se acumula en las capas exteriores del núcleo. Como sabemos, la presión interior sigue aumentando hasta que se produce la explosión, se ha creado una “supernova”, las capas exteriores son lanzadas al espacio con gran violencia. Durante la explosión, los átomos de carbono se transforman en otros elementos más pesados que, a la larga, se convertirán en material de nuevas estrellas y planetas: la Tierra y sus seres vivos estamos compuestos de una materia que un día perteneció a un gran astro. Somos, a nuestro modo, polvo de estrellas.
Por último, los restos de estas supernovas se contraen hasta alcanzar una densidad tal que las partículas atómicas, al quedar tan próximas entre si, posibilitan que los electrones se unan con los protones para formar neutrones. Queda entonces un astro de una materia tan densa que una cucharada de ella pesaría, en la Tierra, miles de millones de toneladas. ¿Es, entonces, el fin de la supernova? No. Realmente las supernovas no mueren del todo al explotar: de la materia que arrojan al espacio surgirán nuevos astros.
Según los astrofísicos, muchos de estos cadáveres estelares acaban transformándose en uno de los objetos más fascinantes del espacio: los “agujeros negros”. La enorme fuerza gravitatoria de estos cuerpos atrae todo lo que se encuentra cerca de ellos. Ni la luz escapa a su enorme poder de atracción. El universo está lleno de estos monstruos.
Los agujeros negros suministran, a su vez, la energía de los objetos más brillantes del universo. Los quasares; núcleos activos de galaxias remotas que giran a gran velocidad y que a menudo poseen una luminosidad billones de veces superior a la del Sol. En su interior, se conjetura, esconden un agujero negro, un tragón cósmico capaz de absorber incluso estrellas enteras. Los científicos llevan localizados hasta hoy miles de quasares.
“En el centro de casi todas las galaxias hay un agujero negro”, dice Reinhard Gencel, del Instituto Max Plack de Física Extraterrestre de Garching, en Munich. Él y su grupo de trabajo han comprobado la presencia de uno de estos caníbales en el corazón de la Vía Láctea, aunque se trata de uno relativamente pequeño. “Posee 2’5 millones de veces la masa del Sol y su apetito no es tan exagerado”, afirma. “En mil años se traga, como mucho, una cantidad de materia equivalente a la del Sol”.
La dinámica que rige el comportamiento de los grandes conjuntos de los cuerpos celestes sigue siendo uno de los puntos flacos de la investigación astrofísica. Aún se ignora qué ocurre cuando chocan dos conjuntos de estrellas. La pregunta no es retórica: La nebulosa de Andrómeda se acerca cada vez más a la Vía Láctea y la colisión parece inevitable. “Estas dos enormes galaxias se encontrarán dentro de unos 5.000millones de años”, declara Martín Rees, profesor de Astronomía en la Universidad de Cambridge. Nadie cree, sin embargo, que el acontecimiento derive en una gran catástrofe cósmica. “quizá acabe formándose un cúmulo estelar un tanto amorfo”, dice Rees.
Los astrofísicos han dudado también, durante mucho tiempo, sobre el destino del universo, pero los nuevos datos les han llevado a asegurar que el cosmos no terminará nunca y que su expansión es infinita y eterna. Esta expansión sigue acelerándose incluso ahora. A pesar de esto, los astrónomos creen que sólo durante cierto tiempo seguirán naciendo estrellas a partir de los restos de astros muertos. Según los cálculos más recientes, dentro de unos 100.000 millones de años, nacerán los últimos soles de cada galaxia y el universo se convertirá en un desierto de cadáveres estelares.
Entre los muchos enigmas que aún quedan por desvelar, Los científicos están detrás de la posible existencia de una especie de pegamento cósmico que, con su gravitación, frene el movimiento expansivo de las galaxias y mantenga juntas las estrellas que las forman; la masa de los astros visibles no es suficiente para lograrlo. Investigan febrilmente por eso la composición de esa posible materia oscura, de cuya existencia hay apenas indicios. Se trataría, quizá, de partículas elementales exóticas, aún no descubiertas, que llenan buena parte del espacio interestelar. Además de esta materia oscura, los expertos sospechan también de la existencia de una energía oscura: una misteriosa fuerza que, desde el big bang, impulsa y acelera la expansión del universo. Hasta hoy, sin embargo, ningún científico tiene idea de que puede ser esta energía. “Es un hueso que se nos ha atravesado en la garganta”, reconoce Steven Weinberg, de la Universidad de Texas, en Austin, y ganador del Premio Nóbel de Física. Su colega Genzel profetiza. “La futura solución de este problema hará temblar el campo de la Física. Sabemos que es muy probable que tengamos que derribar buena parte del edificio teórico y levantarlo de nuevo”.
A estos grandes desafíos científicos se unen los filosóficos. A muchos astrónomos no acaba de gustarles la teoría del big bang: si tras la explosión de hace 13.500 millones de años nacieron el tiempo y el espacio, ¿qué había antes de la explosión Los defensores de la hipótesis afirman que no tiene sentido pensar esto. Stephen Hawking ironiza incluso: “Pensar qué había antes es como imaginar un punto situado un kilómetro al norte del Polo Norte”.
No conformes con respuestas como estas, 33 astrofísicos enviaron recientemente a la revista americana New Scientist una carta abierta en la que afirman que la teoría del big bang no se habría generalizado debido a unas observaciones convincentes, sino, ante todo, a que sus defensores habían sabido imponerse por otros medios, arrinconando a sus detractores. No hay, sin embargo, a la vista, una explicación mejor del origen del universo que la del big bang. Ni siquiera los críticos ofrecen otra alternativa.
Por su relación con el cosmos, voy a ampliar este tema con los apartados que siguen.
Para averiguarlo, apenas cuentan con herramientas: kilo y medio de masa encefálica por cabeza y un arsenal de instrumentos de observación que han ido creando a lo largo del tiempo. De forma sorprendente, han conseguido, no obstante, hacer maravillas con tan pocos recursos. Con ellos han logrado, incluso, comprender parte de lo que ocurre mucho más allá de las luces que brillan en el telón oscuro del cielo.
El telescopio espacial Hubble -en órbita a 600 kilómetros de la Tierra- fotografió, hace unos años, más de 100 cúmulos estelares formados entre 400 y 800 millones de años después de la gran explosión que los astrofísicos consideran, probablemente, como los primeros objetos que iluminaron un cosmos, hasta ese momento, oscuro. “nunca habíamos retrocedido tanto hacia el pasado”. Asegura Rodger Thompson, de la Universidad de Arizona.
Poco después, en el 2001, el equipo internacional de científicos del telescopio Isaac Newton, situado en La Palma, Canarias, observó otro espectáculo increíble: la nebulosa de Andrómeda ejercía tal atracción sobre su galaxia vecina NGC205 que le arrebataba un autentico reguero de astros desplazándose hacia la que consideramos nuestra galaxia hermana: Andrómeda está a “sólo” 2’5 millones de años luz de la Vía Láctea y es muy similar en apariencia, aunque no en tamaño, Andrómeda es dos veces más grande.
No menos asombrados quedaron recientemente los investigadores norteamericanos del Centro Snithsonian de Astrofísica de Harvard. Estudiaban la constelación de Centauro cuando observaron la fase final en la vida de una estrella: poco más que residuos calcinados del antiguo combustible estelar. El carbono se había cristalizado en el interior del astro hasta formar un diamante de 400 kilómetros de diámetro. Nunca antes se había descubierto una enana tan grande; ahora, el antiguo sol recorre el espacio convertido en una gema gigantesca.
Gracias a estos y a otros muchos conocimientos acumulados en los últimos años, los astrofísicos han podido hacerse una idea generalizada, aunque no del todo consensuada, del origen del universo; también acerca de su composición y de su destino. El cosmos que dibujan es un lugar grandioso y dramático, violento y aun enigmático, cuyos secretos la mente humana apenas alcanza a comprender.
Los científicos saben que todas las estrellas son soles similares al nuestro: enormes bolas de gas incandescente, en cuyo interior el hidrógeno se transforma en helio, liberando grandes cantidades de energía. Algunos poseen sólo una fracción de la masa del Sol; otros la superan hasta en cientos de veces.
Las distancias entre estos reactores nucleares son tan descomunales que se miden en años luz. Esta unidad de medida equivale a la distancia que la luz recorre en un año: 9’46 billones de kilómetros. La distancia entre el Sol y la estrella más cercana, Próxima Cetauri, es, por poner un caso, de 4’3 años luz; casi 40 billones de kilómetros. Sólo un pequeño salto si la comparamos con la distancia a otras estrellas.
¿Cuántas hay? Imposible saberlo hasta hoy, y probablemente nunca. En una noche clara se pueden apreciar , a simple vista, hasta 6000, una cifra-dicen los expertos-que supone lo que una gota en el océano: sólo en la Vía Láctea existen unos 100.000 soles que, en su dinámica, trazan una espiral gigantesca de l5.000 años luz de grosor por 150.000 de diámetro. Bajo esta forma, nuestra galaxia viaja por el universo cono un platillo volante plano cuyos brazos giran en torno al centro. Nuestro sistema solar se encuentra en uno de los brazos exteriores y completa un giro cada 230 millones de años; desde su origen ha dado apenas 20 vueltas. Después, entre una estrella y otra, no hay prácticamente nada: vacío. La materia interestelar sólo consta de un par de átomos de hidrógeno y helio por centímetro cúbico.
La Vía Láctea es, a su vez, una más entre las innumerables galaxias que concentran todas las estrellas del universo. Las galaxias más cercanas a la nuestra son la Gran Nube de Magallanes-a 150.000 años luz-y la Pequeña Nube de Magallanes, a unos 200.000. Están formadas por 15.000 y 5.000 millones de estrellas, respectivamente. La siguiente en proximidad es la nebulosa de Andrómeda.
Vistas con el telescopio, las galaxias aparecen bajo formas de espiral, de Z o de estructuras elípticas o lenticulares. No se sabe cuantas flotan en el universo, pero ya se han descubierto tantas-miles de millones, y cada día se encuentran nuevas-, que los astrónomos han dejado de bautizarlas hace tiempo. Ahora, como en el catálogo de unos grandes almacenes, sólo les asignan números.
La mayoría de las galaxias aparecen reunidas en grupos o cúmulos debido a la atracción gravitatoria. Otros muchos conglomerados están formados por cientos de galaxias y se agrupan formando lo que los astrónomos denominan “supercúmulos”. Estos, si pudieran ser vistos a gran distancia, formarían una estructura porosa, como la de una gigantesca esponja; grandes espacios vacíos de hasta 150 millones de años luz rodeados por filamentos que serían los supercúmulos.
La estructura del universo no es rígida; por el contrario, está gobernada por una dinámica de escala descomunal. Los astrónomos han constatado que las galaxias, independientemente de las fuerzas gravitatorias locales, vuelan a gran velocidad, alejándose unas de otras, como un trueno tras una explosión. Los expertos sitúan la causa de este fenómeno en el mismo origen del universo. A menos de un minuto del big bang, el universo alcanzó un diámetro de muchos millones de kilómetros; más tarde, se formaron los primeros elementos: hidrógeno y helio. Se necesitaron, no obstante, muchos millones de años para que se formaran nubes de gases allí donde su concentración era mayor que en otros lugares. La fuerza de la gravedad fue aglutinando entonces la materia, la presión interior propició un aumento espectacular de las temperaturas y los átomos de hidrógeno acabaron, por fin, fusionándose para formar nuevos átomos, esta vez, de helio. Nació así la primera estrella.
Todas las galaxias están tejidas por cúmulos estelares de distintas edades; los astrónomos han aprendido incluso a determinar las distintas fases de los astros, que con el paso del tiempo van cambiando sus características. Cuando, por ejemplo, una estrella de la masa de nuestro Sol ha transformado casi todo su hidrógeno en helio, el astro empieza a incrementar enormemente su tamaño. A estas ancianas estelares, los astrónomos las llaman “gigantes rojas”, las cuales, millones de años después, expulsan al espacio sus capas externas. Concluyen entonces sus reacciones nucleares, y queda apenas un núcleo brillante, relativamente pequeño, del tamaño de la Tierra. Estamos ya ante una “enana blanca”, de una densidad difícilmente imaginable: en su superficie, un dedal pesaría varias toneladas. A lo largo de otros millones de años, la estrella se va enfriando más hasta convertirse en una “enana negra”.
Las estrellas mucho más grandes que el Sol acaban, en cambio, de otra manera: consumen su hidrógeno a mayor velocidad, y en sólo unos pocos millones de años, su interior se contrae, su temperatura aumenta, el helio se funde y se transforma en carbono, que se acumula en las capas exteriores del núcleo. Como sabemos, la presión interior sigue aumentando hasta que se produce la explosión, se ha creado una “supernova”, las capas exteriores son lanzadas al espacio con gran violencia. Durante la explosión, los átomos de carbono se transforman en otros elementos más pesados que, a la larga, se convertirán en material de nuevas estrellas y planetas: la Tierra y sus seres vivos estamos compuestos de una materia que un día perteneció a un gran astro. Somos, a nuestro modo, polvo de estrellas.
Por último, los restos de estas supernovas se contraen hasta alcanzar una densidad tal que las partículas atómicas, al quedar tan próximas entre si, posibilitan que los electrones se unan con los protones para formar neutrones. Queda entonces un astro de una materia tan densa que una cucharada de ella pesaría, en la Tierra, miles de millones de toneladas. ¿Es, entonces, el fin de la supernova? No. Realmente las supernovas no mueren del todo al explotar: de la materia que arrojan al espacio surgirán nuevos astros.
Según los astrofísicos, muchos de estos cadáveres estelares acaban transformándose en uno de los objetos más fascinantes del espacio: los “agujeros negros”. La enorme fuerza gravitatoria de estos cuerpos atrae todo lo que se encuentra cerca de ellos. Ni la luz escapa a su enorme poder de atracción. El universo está lleno de estos monstruos.
Los agujeros negros suministran, a su vez, la energía de los objetos más brillantes del universo. Los quasares; núcleos activos de galaxias remotas que giran a gran velocidad y que a menudo poseen una luminosidad billones de veces superior a la del Sol. En su interior, se conjetura, esconden un agujero negro, un tragón cósmico capaz de absorber incluso estrellas enteras. Los científicos llevan localizados hasta hoy miles de quasares.
“En el centro de casi todas las galaxias hay un agujero negro”, dice Reinhard Gencel, del Instituto Max Plack de Física Extraterrestre de Garching, en Munich. Él y su grupo de trabajo han comprobado la presencia de uno de estos caníbales en el corazón de la Vía Láctea, aunque se trata de uno relativamente pequeño. “Posee 2’5 millones de veces la masa del Sol y su apetito no es tan exagerado”, afirma. “En mil años se traga, como mucho, una cantidad de materia equivalente a la del Sol”.
La dinámica que rige el comportamiento de los grandes conjuntos de los cuerpos celestes sigue siendo uno de los puntos flacos de la investigación astrofísica. Aún se ignora qué ocurre cuando chocan dos conjuntos de estrellas. La pregunta no es retórica: La nebulosa de Andrómeda se acerca cada vez más a la Vía Láctea y la colisión parece inevitable. “Estas dos enormes galaxias se encontrarán dentro de unos 5.000millones de años”, declara Martín Rees, profesor de Astronomía en la Universidad de Cambridge. Nadie cree, sin embargo, que el acontecimiento derive en una gran catástrofe cósmica. “quizá acabe formándose un cúmulo estelar un tanto amorfo”, dice Rees.
Los astrofísicos han dudado también, durante mucho tiempo, sobre el destino del universo, pero los nuevos datos les han llevado a asegurar que el cosmos no terminará nunca y que su expansión es infinita y eterna. Esta expansión sigue acelerándose incluso ahora. A pesar de esto, los astrónomos creen que sólo durante cierto tiempo seguirán naciendo estrellas a partir de los restos de astros muertos. Según los cálculos más recientes, dentro de unos 100.000 millones de años, nacerán los últimos soles de cada galaxia y el universo se convertirá en un desierto de cadáveres estelares.
Entre los muchos enigmas que aún quedan por desvelar, Los científicos están detrás de la posible existencia de una especie de pegamento cósmico que, con su gravitación, frene el movimiento expansivo de las galaxias y mantenga juntas las estrellas que las forman; la masa de los astros visibles no es suficiente para lograrlo. Investigan febrilmente por eso la composición de esa posible materia oscura, de cuya existencia hay apenas indicios. Se trataría, quizá, de partículas elementales exóticas, aún no descubiertas, que llenan buena parte del espacio interestelar. Además de esta materia oscura, los expertos sospechan también de la existencia de una energía oscura: una misteriosa fuerza que, desde el big bang, impulsa y acelera la expansión del universo. Hasta hoy, sin embargo, ningún científico tiene idea de que puede ser esta energía. “Es un hueso que se nos ha atravesado en la garganta”, reconoce Steven Weinberg, de la Universidad de Texas, en Austin, y ganador del Premio Nóbel de Física. Su colega Genzel profetiza. “La futura solución de este problema hará temblar el campo de la Física. Sabemos que es muy probable que tengamos que derribar buena parte del edificio teórico y levantarlo de nuevo”.
A estos grandes desafíos científicos se unen los filosóficos. A muchos astrónomos no acaba de gustarles la teoría del big bang: si tras la explosión de hace 13.500 millones de años nacieron el tiempo y el espacio, ¿qué había antes de la explosión Los defensores de la hipótesis afirman que no tiene sentido pensar esto. Stephen Hawking ironiza incluso: “Pensar qué había antes es como imaginar un punto situado un kilómetro al norte del Polo Norte”.
No conformes con respuestas como estas, 33 astrofísicos enviaron recientemente a la revista americana New Scientist una carta abierta en la que afirman que la teoría del big bang no se habría generalizado debido a unas observaciones convincentes, sino, ante todo, a que sus defensores habían sabido imponerse por otros medios, arrinconando a sus detractores. No hay, sin embargo, a la vista, una explicación mejor del origen del universo que la del big bang. Ni siquiera los críticos ofrecen otra alternativa.
Por su relación con el cosmos, voy a ampliar este tema con los apartados que siguen.
4.-El big bang única alternativa al origen del universo
Aunque existen razones fundadas para admitir que el universo es finito, esto es, que tuvo su origen en el bin bang, aun está presente la pregunta de si en ese instante además del universo se creó el mundo, o si ya existía un mundo con anterioridad al bin bang.
Decimos que, en la actualidad, la teoría que da una explicación mejor del origen del Universo es la del big bang. Con este principio vamos a adentrarnos, un poco más, en este tema. Para ello, nada mejor que hacer un resumen de lo que a este respecto dice Stephen W. Hawking en su libro Historia del tiempo (1988):
Fue el físico y matemático ruso Alexander Friedmann quien, desde un principio, aceptó la relatividad general al pie de la letra Friedmann hizo dos suposiciones muy simples sobre el universo: que el universo parece el mismo desde cualquier dirección desde la que se le observe, y que ello también sería cierto si se le observase desde cualquier otro lugar. A partir de estas dos ideas únicamente, Friedmann demostró que no se debería esperar que el universo fuera estático. Friedmann predijo lo que varios años después Edwin Huble encontró con los corrimientos hacia el rojo de las galaxias; su alejamiento a través del efecto Doppler, y, por lo tanto, la expansión del universo.
Todos los trabajos realizados por Friedmann, comparten el hecho de que en algún tiempo pasado (entre diez y veinte mil millones de años) la distancia entre galaxias vecinas debe haber sido cero. En aquel instante, que llamamos big bang, la densidad del universo y la curvatura del espacio- tiempo habrían sido infinitas.
Esta densidad y curvatura del espacio-tiempo infinitas es lo que hace que todo allí, en ese punto, colapse; hasta la teoría. Ese punto es lo que se llama una singularidad, donde incluso nuestras teorías científicas, formuladas bajo la suposición de que el espacio-tiempo, es uniforme y casi plano, dejan de ser aplicables.
Ello significa que aunque hubiera acontecimientos anteriores al big bang no se podrían determinar, porque toda predicción fallaría, por lo que sólo podremos determinar lo que sucedió después del big bang. Así pues, todos los modelos científicos en lo que respecta al espacio tiempo, hay que decir que tienen su origen en el big bang.
A mucha gente no le gusta la idea de que el espacio-tiempo tenga un principio, probablemente porque suena a intervención divina. Por ello, hubo un buen número de intentos para evitar la conclusión de que había habido un big bing. La respuesta contraria que consiguió un apoyo más amplio fue la llamada teoría del estado estacionario. La idea era que conforme las galaxias iban alejándose unas de otras, nuevas galaxias se formaban continuamente en las regiones intergalácticas, a partir de materia nueva que era creada de forma continua. El descubrimiento de la radiación de microondas por Penzias y Wilson en 1.965, indicó que el universo debe haber sido mucho más denso en el pasado, lo que hizo que la teoría del estado estacionario fuera abandonada.
Hubo algún que otro intento de evitar la conclusión de que debe haber habido un big bang y, por lo tanto, un principio del espacio-tiempo, pero también fueron retiradas.
Uno de ellos suponía que el universo en expansión actual no habría resultado de una singularidad como el big bang, sino de una fase previa de contracción. Cuando el universo se colapsó, las partículas que lo formaran podrían no haber colisionado todas entre si, sino que se habrían entrecruzado y separado después, produciendo la expansión actual del universo.
Con posterioridad, la respuesta a la teoría de la relatividad general de que nuestro universo debería haber tenido un big bang, un principio del espacio-tiempo, llegó a través de una aproximación completamente diferente, pero relacionada con una singularidad. Fue argumentada por un físico y matemático británico, Roger Penrose, en 1965. Con el hecho de que la gravedad es siempre atractiva, demostró que una estrella que se colapsa bajo su propia gravedad está atrapada en una región cuya superficie se reduce con el tiempo a tamaño cero. Y, si la superficie de la región se reduce a cero, lo mismo debe suceder con su volumen. Toda la materia de la estrella estará comprimida en una región de volumen nulo, de tal forma que la densidad de materia y la curvatura del espacio-tiempo se harán infinitas. En otras palabras, se obtiene una singularidad contenida dentro de una región del espacio-tiempo llamado agujero negro.
A primera vista, el resultado de Penrose sólo es aplicable a estrellas. No tiene nada que ver con la cuestión de si el universo entero tuvo, en el pasado, una singularidad del tipo del big bang. Pero cuando Hawking leyó la teoría de Penrose según la cual cualquier cuerpo que sufriera un colapso gravitatorio debería finalmente formar una singularidad, comprendió que si se invierte la dirección del tiempo en la teoría de Penrose, de forma que el colapso se convirtiera en una expansión, las condicione del teorema seguirían verificándose, por lo que podrían aplicarse al universo, con tal de que éste a gran escala fuera, en la actualidad, aproximadamente como un modelo de Friedmann, como así es aparentemente.
El resultado final de esta meditación, fue un artículo conjunto de Penrose y Hawking, en 1970, que al final probó que debe haber habido una singularidad como la del big bang, con la única condición de que la relatividad general sea correcta y que el universo tenga tanta materia como observamos. A pesar de que hubo una fuerte oposición a este trabajo, en especial por parte de los rusos, debido a su creencia marxista en el determinismo científico, como no se puede discutir en contra de un teorema matemático, al final, este trabajo llegó a ser generalmente aceptado y, hoy en día, casi todo el mundo supone que el universo comenzó con una singularidad como la del big bang.
5.- Big bang; Teoría inflacionaria
Dentro de las teorías sobre el big bang destaca la conocida como Teoría inflacionaria. En principio diré que, hasta el momento, el gran bang (la gran explosión) sigue siendo un misterio. Alan H. Guth, físico y cosmólogo Estadounidense, nacido en 1947, habló de esta teoría, por primera vez, en la Universidad de Harvard a sus treinta y dos años. La base de la explicación que da sobre el bin bang es que el universo estalló por gravedad repulsiva, que tiene una potente fuerza gravitatoria negativa. Según Guth, en su primera etapa, el universo contenía cierta cantidad de esa materia, con un poco bastaba.
La repulsión gravitatoria interna sería la causa de que esa pequeña cantidad de materia se expandiera a gran velocidad. Si fuera materia normal, su densidad iría disminuyendo a medida que se iba expandiendo, pero la materia antigravitatoria se comporta de manera totalmente distinta, porque otra de sus características importantes es que su densidad no varía, de modo que al expandirse su masa total es proporcional al volumen que ocupa al no variar su densidad, con lo cual también crece su antigravedad. Con este tipo de expansión, que Guth llama inflación, un minúsculo trocito inicial puede adquirir enorme dimensión, tan enorme que puede exceder, con mucho, el tamaño del universo observable.
No hay duda que, según la fórmula de Einstein E=mc2, el aumento considerable de masa del trocito inflacionario debió también multiplicarse por un factor colosal su energía[1]. Como el periodo de inflación tiene un límite porque, según Guth, la materia antigravitatoria es inestable, en determinado momento termina por liberar toda la energía acumulada que produce una bola de fuego de partículas elementales que continúa expandiéndose, pero ya con materia normal y con fuerza de gravedad positiva. la velocidad de expansión irá decreciendo con el tiempo como en la actualidad. La descomposición de la materia antigravitatoria marca el fin de la inflación, que según esta teoría, desempeña el papel del big bang.
6.- Materia, radiación y temperatura
Como vimos en el tema Origen, en el primer instante con temperaturas elevadísimas, superiores a los tres mil billones de grados todo era radiación. A partir de esta enorme energía se creó toda la materia existente en el universo. La rapidísima expansión iniciada por el universo desde su origen hizo que la altísima temperatura inicial fuera descendiendo hasta la actual de unos 270 grados centígrados bajo cero.
Como hemos dicho, la radiación consiste en fotones, pero a escala macroscópica se manifiesta en forma de ondas electromagnéticas que a mayor frecuencia de la onda mas energía tienen los fotones que la constituyen. Ondas de distintas frecuencias producen efectos físicos distintos. La luz visible corresponde a una estrecha gama de frecuencias (384 por 10 elevado a 12 hasta 769 por 10 elevado a 12 Hz.). Cuando la temperatura de la bola de fuego fue descendiendo gracias a la expansión vertiginosa del universo, la frecuencia de las ondas electromagnéticas, consecuentemente, fue siendo menor. En la actualidad, después de catorce mil millones de años, están por debajo del nivel de las microondas (menos de 10 elevado a 9 Hz.).
¿Por qué en el instante inicial sólo había radiación? porque cada partícula de masa sólo puede crearse, como tal partícula, a una determinada temperatura conocida como temperatura umbral (los fotones no tienen temperatura umbral porque ellos constituyen la radiación). A temperaturas más elevadas que su temperatura umbral cada partícula se comporta como un constituyente de la radiación térmica, no como partícula libre. Es por esto por lo que a la temperatura de 3000 millones de grados nos situamos por debajo del umbral de temperatura de electrones y positrones, como decimos en el cuarto fotograma del tema Origen, y al independizarse de la radiación comienzan a actuar como partículas libres. A la inversa, si la temperatura de un cuerpo aumenta progresivamente partiendo de la temperatura ambiental, al llegar a los 3500 grados los electrones se separan del núcleo atómico (estado de plasma). Al alcanzar unos mil millones de grados los núcleos se fragmentan en sus componentes (protones y neutrones) y, finalmente, al superar el billón de grados los protones y neutrones se rompen en sus elementos constitutivos (quars) al haberse superado su temperatura umbral.
7.-Notas curiosas sobre el cosmos
La luz y el calor, fenómenos naturales que percibimos por los sentidos, son causados por los fotones. Los fotones son causantes de otros muchos fenómenos naturales Los fotones, ¿son partículas?. Lo que se sabe de los fotones es que no tienen masa en reposo[2]. La velocidad de desplazamiento de los fotones es, aproximadamente, de 300.000 Km./seg. A esta velocidad, un fotón daría ocho vueltas a la Tierra en un segundo.
La Tierra describe su órbita alrededor del Sol a una velocidad de 30 Km./seg.
A su vez, el Sol describe una órbita alrededor del centro galáctico a 220 Km./seg.. A esta velocidad, el Sol tarda en dar una revolución completa alrededor del centro galáctico de, aproximadamente, 200 millones de años.
Nuestra galaxia forma parte del Grupo local, y el Grupo local está integrado en el Supercúmulo de Virgo.
El Supercúmulo de Virgo es parte de un conjunto de miles de galaxias que comparten un movimiento global, a una velocidad de más de 600 Km./seg. hacia una concentración de masa, aún no determinada, conocida como el Gran Atractor, situado a unos 200 millones de años luz.
La Vía Láctea tiene un diámetro máximo de 100.000 años luz y un número aproximado de estrellas de 100.000 millones.
El Sol es unas 1.300.000 veces mayor que la Tierra, por lo que si el volumen de la Tierra es de 1’087 billones de km3, el volumen del Sol será de 1.413.000 billones de km3.
La masa del Sol es de unos 2 por 10 elevado a 33 g (10 seguido se 33 ceros) y su volumen 1’413 por10 elevado a 33 cm3 por lo que su densidad media es de 1’42 g/cm3.
Si la masa del Sol es 2 por 10 elevado a 33 g y la de un átomo de hidrógeno, principal componente del Sol, es 1'7 por 10 elevado a menos 24 g, el número de átomos del Sol será aproximadamente 10 elevado a 57, como se indica en el escrito ¿Por qué es tan viejo el universo?
La masa de la Tierra es de unos 5’98 por 10 elevado a 27 g (10 seguido de 27 ceros) y su volumen 1’087 por 10 elevado a 27 cm3 , por lo que su densidad media es de 5’5 g/cm3.
Para que un cuerpo lanzado desde la superficie de la Tierra, verticalmente hacia arriba, no caiga otra vez a la Tierra (despreciando la resistencia del aire), sino que se aleje al infinito, hay que comunicarle una velocidad de 11’2 km/seg. Esta velocidad se denomina velocidad de escape.
La luz que emite el Sol tarda en llegar a la Tierra unos 8 minutos debido a que está a una distancia de unos 145 millones de kilómetros.
Desde el instante que el universo se hizo transparente a la radiación, las ondas de luz han viajado sin dispersarse por el espacio durante unos catorce mil millones de años, por lo que se ha extendido en una esfera gigantesca de más de catorce mil millones de años luz de radio.
Para que la Tierra se convirtiera en un agujero negro, su masa tendría que apretujarse en una bola de 2cm. de diámetro, y el Sol en una bola de 6Km. de diámetro. Curiosamente, como la Tierra al apretujarse mantendría la misma masa y la conservaría hasta convertirse en agujero negro, la Luna no tiene por que enterarse de ello, ya que como la masa de la Tierra es siempre la misma, seguiría atrayendo a la Luna con la misma fuerza, por lo que la Luna seguiría dando vueltas alrededor de la minúscula bolita en que se convirtió la Tierra.
El Sol lleva luciendo, aproximadamente, 5.000 millones de años, y le queda combustible para otros 5.000 millones. En el centro del Sol la temperatura es de unos 15.000.000 de grados C.
El Sol, para producir su energía, transforma 600 millones de toneladas de hidrógeno en helio cada segundo, de las cuales sólo convierte en energía 4’5 millones de toneladas. La energía generada en el centro del Sol tarda un millón de años en alcanzar la superficie solar.
La temperatura en el centro del Sol es de unos 15.000.000 de grados centígrados. La presión en su centro es de 340.000.000.000 de veces la presión del aire en la superficie de la Tierra.
Si la Tierra hubiera sido un Sol (imposible), hubiera tenido combustible, al ritmo del Sol, sólo para 11 segundos.
El Sol contiene el 99% de la masa de los planetas del sistema solar.
El Sol está situado, aproximadamente, a 30.000 años luz del centro de la Vía Láctea, por lo que una señal luminosa generada en el centro de nuestra galaxia, tardaría 25.000 años en llegar a nosotros.
La velocidad del electrón en su giro alrededor del núcleo es de unos 100.000.000. cm./seg..
La galaxia Andrómeda se encuentra a 2 millones de años luz de la nuestra. La gravedad atrae mutuamente a Andrómeda y a nuestra galaxia a una velocidad, aproximada, de 100 Km./seg. Ambas galaxias chocarán dentro de unos 5.000 millones de años. ¡Será un espectáculo fabuloso!
El aire es más pesado de lo que piensa mucha gente, ello es la razón por lo que la presión atmosférica puede ser tan destructiva cuando hay vientos muy fuertes. Por ejemplo, cada 22’4 litros de aire pesan alrededor de 28’8 gramos, por lo que en una sala de 4 por 6 por 2’5 metros, que tiene un volumen de unos 60 metros cúbicos, tiene una capacidad de 60.000 litros. Divídase este volumen por 22`4 y multiplíquese por 28`8 y el resultado nos dice que en la sala hay 77`14 kilogramos de aire, equivalentes al peso de un hombre de unos 1`80 metros de altura. Consecuencia: cuando caminamos por una habitación, empujamos a nuestro alrededor muchos kilos de aire sin apreciarlo, es por ello que donde más se acumula el polvo en un local (partículas en suspensión en el aire) es donde hay más circulación de personas.
[1] No entraremos en detalles del por que este incremento de energía positiva se compensa con el incremento de energía gravitatoria negativa también en aumento, con lo cual la energía total permanece constante.
[2] Todas las partículas sin masa en reposo, por ley de la naturaleza, tienen que estar en permanente movimiento.
Para que un cuerpo lanzado desde la superficie de la Tierra, verticalmente hacia arriba, no caiga otra vez a la Tierra (despreciando la resistencia del aire), sino que se aleje al infinito, hay que comunicarle una velocidad de 11’2 km/seg. Esta velocidad se denomina velocidad de escape.
La luz que emite el Sol tarda en llegar a la Tierra unos 8 minutos debido a que está a una distancia de unos 145 millones de kilómetros.
Desde el instante que el universo se hizo transparente a la radiación, las ondas de luz han viajado sin dispersarse por el espacio durante unos catorce mil millones de años, por lo que se ha extendido en una esfera gigantesca de más de catorce mil millones de años luz de radio.
Para que la Tierra se convirtiera en un agujero negro, su masa tendría que apretujarse en una bola de 2cm. de diámetro, y el Sol en una bola de 6Km. de diámetro. Curiosamente, como la Tierra al apretujarse mantendría la misma masa y la conservaría hasta convertirse en agujero negro, la Luna no tiene por que enterarse de ello, ya que como la masa de la Tierra es siempre la misma, seguiría atrayendo a la Luna con la misma fuerza, por lo que la Luna seguiría dando vueltas alrededor de la minúscula bolita en que se convirtió la Tierra.
El Sol lleva luciendo, aproximadamente, 5.000 millones de años, y le queda combustible para otros 5.000 millones. En el centro del Sol la temperatura es de unos 15.000.000 de grados C.
El Sol, para producir su energía, transforma 600 millones de toneladas de hidrógeno en helio cada segundo, de las cuales sólo convierte en energía 4’5 millones de toneladas. La energía generada en el centro del Sol tarda un millón de años en alcanzar la superficie solar.
La temperatura en el centro del Sol es de unos 15.000.000 de grados centígrados. La presión en su centro es de 340.000.000.000 de veces la presión del aire en la superficie de la Tierra.
Si la Tierra hubiera sido un Sol (imposible), hubiera tenido combustible, al ritmo del Sol, sólo para 11 segundos.
El Sol contiene el 99% de la masa de los planetas del sistema solar.
El Sol está situado, aproximadamente, a 30.000 años luz del centro de la Vía Láctea, por lo que una señal luminosa generada en el centro de nuestra galaxia, tardaría 25.000 años en llegar a nosotros.
La velocidad del electrón en su giro alrededor del núcleo es de unos 100.000.000. cm./seg..
La galaxia Andrómeda se encuentra a 2 millones de años luz de la nuestra. La gravedad atrae mutuamente a Andrómeda y a nuestra galaxia a una velocidad, aproximada, de 100 Km./seg. Ambas galaxias chocarán dentro de unos 5.000 millones de años. ¡Será un espectáculo fabuloso!
El aire es más pesado de lo que piensa mucha gente, ello es la razón por lo que la presión atmosférica puede ser tan destructiva cuando hay vientos muy fuertes. Por ejemplo, cada 22’4 litros de aire pesan alrededor de 28’8 gramos, por lo que en una sala de 4 por 6 por 2’5 metros, que tiene un volumen de unos 60 metros cúbicos, tiene una capacidad de 60.000 litros. Divídase este volumen por 22`4 y multiplíquese por 28`8 y el resultado nos dice que en la sala hay 77`14 kilogramos de aire, equivalentes al peso de un hombre de unos 1`80 metros de altura. Consecuencia: cuando caminamos por una habitación, empujamos a nuestro alrededor muchos kilos de aire sin apreciarlo, es por ello que donde más se acumula el polvo en un local (partículas en suspensión en el aire) es donde hay más circulación de personas.
[1] No entraremos en detalles del por que este incremento de energía positiva se compensa con el incremento de energía gravitatoria negativa también en aumento, con lo cual la energía total permanece constante.
[2] Todas las partículas sin masa en reposo, por ley de la naturaleza, tienen que estar en permanente movimiento.
BIBLIOGRAFÍA
Hawking, S. W. (1988). Historia del tiempo, (Ortuño, M. Trad.).Barcelona: Ed. Crítica. (Trabajo original publicado en 1970).
Vilenkin, A. (2009). Muchos mundos en uno. (Amado Diéguez. Trad.). Barcelona: Alba Editorial S. L. V. (Trabajo original publicado en 2006)
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