Una de las preguntas que se hace el ser humano desde que empezó la evolución se
refiere al mundo que nos rodea.
A medida que aumentan los conocimientos, este mundo se va ampliando. La
educación en Astronomía contribuye a un mejor conocimiento sobre el Universo.
Los cursos sobre esta materia se imparten desde hace siglos.
El Universo ha sido un misterio hasta hace pocos años, de hecho, todavía lo es, aunque sabemos muchas cosas. Desde las explicaciones mitológicas o religiosas del pasado, hasta los actuales medios científicos y técnicos de que disponen los astrónomos, hay un gran salto qualitativo que se ha desarrollado, sobre todo, a partir de la segunda mitad del siglo XX.
Quedan muchísimas cosas por descubrir, pero es que el Universo es enorme, o nosotros demasiado pequeños. En todo caso, vamos a hacer un viaje, en lenguaje sencillo y sin alardes, por lo más significativo que nos ofrece el conocimiento actual del Universo.
Universo Básico
"Universo", del latín universus, se suele definir como el conjunto de todas las cosas creadas (si se cree en la creación), o de todas las cosas que existen.
Solemos utilizar palabras como "universal" o
"universalidad" para referirnos a un hecho o idea que lo abarca todo
aunque, a menudo, hacemos referencia a algo que no va más allá de nuestro
planeta, como cuando nombramos un artista "universal" o nos referimos
a la "universalidad" de leyes, fenómenos o hechos culturales. En
estos casos, aunque obviamente nos referimos al ámbito de nuestro planeta,
seguimos expresando una idea de totalidad.
Cuando hablamos del Universo astronómico parece más adecuado referirnos a él
con la palabra griega "Cosmos". Aunque en muchos diccionarios podemos
encontrar exactamente las mismas definiciones para ámbos términos, hay una
diferencia de matíz: "Cosmos" parece limitado a la materia y al
espacio, mientras que el concepto de "Universo" incluye también la
energia y el tiempo.
En este capítulo vamos a tratar los aspectos básicos del Universo: qué es, cómo se observa y cuales son sus leyes fundamentales.
Qué es el Universo?
El Universo es todo, sin excepciones. Materia, energía, espacio y tiempo, todo lo que existe forma parte del Universo.
Es muy grande, pero no infinito. Si lo fuera, habría infinita materia en infinitas estrellas, y no es así. Al contrario: en cuanto a la materia el universo es, sobre todo, espacio vacío.
En este capítulo vamos a tratar los aspectos básicos del Universo: qué es, cómo se observa y cuales son sus leyes fundamentales.
Qué es el Universo?
El Universo es todo, sin excepciones. Materia, energía, espacio y tiempo, todo lo que existe forma parte del Universo.
Es muy grande, pero no infinito. Si lo fuera, habría infinita materia en infinitas estrellas, y no es así. Al contrario: en cuanto a la materia el universo es, sobre todo, espacio vacío.
El Universo contiene galaxias, cúmulos de galaxias y estructuras de mayor
tamaño llamadas supercúmulos, además de materia intergaláctica. Todavía no
sabemos con exactitud la magnitud del Universo, a pesar de la avanzada
tecnología disponible en la actualidad.
La materia no se distribuye de manera uniforme, sino que se concentra en lugares concretos: galaxias, estrellas, planetas... Sin embargo, el 90% del Universo es una masa oscura, que no podemos observar. Por cada millón de átomos de hidrógeno los 10 elementos más abundantes son:
La materia no se distribuye de manera uniforme, sino que se concentra en lugares concretos: galaxias, estrellas, planetas... Sin embargo, el 90% del Universo es una masa oscura, que no podemos observar. Por cada millón de átomos de hidrógeno los 10 elementos más abundantes son:
Nuestro lugar en el Universo
Nuestro mundo, la Tierra, es minúsculo comparado con el Universo. Formamos parte del Sistema Solar, perdido en un brazo de una galaxia que tiene 100.000 millones de estrellas, pero sólo es una entre los centenares de miles de millones de galaxias que forman el Universo.
Dice que hace unos 13.700 millones de años la materia tenía una densidad y una temperatura infinitas. Hubo una explosión violenta y, desde entonces, el universo va perdiendo densidad y temperatura.
El Big Bang es una singularidad, una excepción que no pueden explicar las leyes de la física. Podemos saber qué pasó desde el primer instante, pero el momento y tamaño cero todavía no tienen explicación científica.
Observación del Cosmos
Desde sus orígenes, la especie humana ha observado el cielo. Primero, directamente, después con telescopios cada vez más potentes. Ahora, con muchos medios electrónicos.
Las antiguas civilizaciones agrupaban las estrellas formando figuras. Nuestras constelaciones se inventaron en el Mediterráneo oriental hace unos 2.500 años. Representan animales y mitos del lugar y la época. La gente creía que los cuerpos del cielo influían la vida de reyes y súbditos. El estudio de los astros se mezclaba con supersticiones y rituales.
Las constelaciones que acompañan la trayectoria del Sol, la Luna y los
planetas, en la franja llamada zodíaco, nos resultan familiares: Aries, Tauro,
Géminis, Cáncer, Leo, Virgo, Libra, Escorpión, Sagitario, Capricornio, Acuario
y Piscis.
A principios del siglo XVII se inventó el telescopio. Primero se utilizaron lentes, después espejos, también combinaciones de ambos. Actualmente hay telescopios de muy alta resolución, incluso grupos de varios telescopios sincronizados.
A principios del siglo XVII se inventó el telescopio. Primero se utilizaron lentes, después espejos, también combinaciones de ambos. Actualmente hay telescopios de muy alta resolución, incluso grupos de varios telescopios sincronizados.
Los radiotelescopios detectan radiaciones de muy diferentes longitudes de onda.
Trabajan en grupos utilizando una técnica llamada interferometría.
La fotografía, la informática, las comunicaciones y, en general, los avances
técnicos de los últimos años han ayudado muchísimo a la astronomía.
El telescopio espacial Hubble (HST), situado en órbita, captura y envía imágenes y datos sin la distorsión provocada por la atmósfera.
Gracias a los espectros, producidos por la descomposición de la luz, podemos conocer información detallada sobre la composición química de un objeto. También se aplica al conocimiento del Universo.
Un hallazgo reciente, las lentes gravitacionales, aprovechan el hecho de que los objetos con masa pueden desviar los rayos de luz. Si se localiza un grupo de cuerpos con la configuración apropiada, actúa como una lente potentísima y muestra, en el centro, objetos distantes que no podríamos ver.
Las constelaciones
Las estrellas que se pueden observar en una noche clara forman determinadas figuras que llamamos "constelaciones", y que sirven para localizar más fácilmente la posición de los astros.
En total, hay 88 agrupaciones de estrellas que aparecen en la esfera celeste y que toman su nombre de figuras religiosas o mitológicas, animales u objetos. Este término también se refiere a áreas delimitadas de la esfera celeste que comprenden los grupos de estrellas con nombre.
Los dibujos de constelaciones más antiguos que se conocen señalan que las constelaciones ya habían sido establecidas el 4000 a.C. Los sumerios le dieron el nombre a la constelación Acuario, en honor a su dios An, que derrama el agua de la inmortalidad sobre la Tierra. Los babilonios ya habían dividido el zodíaco en 12 signos iguales hacia el 450 a.C.
Las actuales constelaciones del hemisferio norte se diferencian poco de las que conocían los caldeos y los antiguos egipcios. Homero y Hesíodo mencionaron las constelaciones y el poeta griego Arato de Soli, dio una descripción en verso de 44 constelaciones en su Phaenomena. Tolomeo, astrónomo y matemático griego, en el Almagesto, describió 48 constelaciones, de las cuales, 47 se siguen conociendo por el mismo nombre.
Muchos otras culturas agruparon las estrellas en constelaciones, aunque no siempres se corresponden con las de Occidente. Sin embargo, algunas constelaciones chinas se parecen a las occidentales, lo que induce a pensar en la posibilidad de un origen común.
Muchos otros propusieron nuevas constelaciones, pero los astrónomos acordaron finalmente una lista de 88. No obstante, los límites de las constelaciones siguieron siendo tema de discusión hasta 1930, cuando la Unión Astronómica Internacional fijó dichos límites.
Para designar las aproximadamente 1.300 estrellas brillantes, se utiliza el genitivo del nombre de las constelaciones, precedido por una letra griega; este sistema fue introducido por Johann Bayer. Por ejemplo, a la famosa estrella Algol, en la constelación Perseo, se le llama Beta Persei.
Entre las constelaciones más conocidas se hallan las que se encuentran en el plano de la órbita de la Tierra sobre el fondo de las estrellas fijas. Son las constelaciones del Zodíaco. Ademas de estas, algunas muy conocidas son Cruz del Sur, visible desde el hemisferiosur, y Osa Mayor, visible desde el hemisferio Norte. Estas y otras constelaciones permiten ubicar la posición de importantes puntos de referencia como, por ejemplo, los polos celestes.
La mayor constelación de la esfera celeste es la de Hydra, que contiene 68 estrellas visibles a simple vista. La Cruz del Sur, por su parte, es la constelación más pequeña.
Medidas del Universo
No sólo se pueden medir distancias, masa, volumen, densidad, temperatura; también se mide el brillo de los astros, la declinación, la longitud de onda y muchas otras magnitudes.
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 ºC bajo cero (0º Kelvin), que es no tener ningún tipo de energía.
Unidades para medir distancias
Medir el Universo es complicado. A menudo no sirven las unidades habituales. Las distancias, el tiempo y las fuerzas son enormes y, como es evidente, no se pueden medir directamente.
Para medir la distancia hasta las estrellas próximas se utiliza la técnica del paralaje. Se trata de medir el ángulo que forman los objetos lejanos, la estrella que se observa y la Tierra, en los dos puntos opuestos de su órbita alrededor del Sol.
El diámetro de la órbita terrestre es de 300 millones de kms. Utilizando la
trigonometría se puede calcular la distancia hasta la estrella. Esta técnica,
sin embargo, no sirve para los objetos lejanos, perque el ángulo es demasiado
pequeño y el margen de error, muy grande.
El brillo de los astros
El brillo (magnitud estelar) es un sistema de medida en que cada magnitud es 2,512 veces más brillante que la siguiente. Una estrella de magnitud 1 es 100 veces más brillante que una de magnitud 6. Las más brillantes tienen magnitudes negativas.
Únicamente hay 20 estrellas de magnitud igual o inferior a 1. La estrella más débil que se ha podido observar tiene una magnitud de 23.
Declinación
La declinación es la medida, en grados, del ángulo de un objeto del cielo por encima o por debajo del ecuador celeste.
Cada objeto describe un "círculo de declinación" aparente. La distancia, en horas, desde éste hasta el círculo de referencia (que pasa por los polos y la posición de la Tierra al inicio de la primavera) es la ascensión del objeto.
Combinando la ascensión, la declinación y la distancia se determina la posición relativa a la Tierra de un objeto.
Longitud de onda
El brillo (magnitud estelar) es un sistema de medida en que cada magnitud es 2,512 veces más brillante que la siguiente. Una estrella de magnitud 1 es 100 veces más brillante que una de magnitud 6. Las más brillantes tienen magnitudes negativas.
Únicamente hay 20 estrellas de magnitud igual o inferior a 1. La estrella más débil que se ha podido observar tiene una magnitud de 23.
Declinación
La declinación es la medida, en grados, del ángulo de un objeto del cielo por encima o por debajo del ecuador celeste.
Cada objeto describe un "círculo de declinación" aparente. La distancia, en horas, desde éste hasta el círculo de referencia (que pasa por los polos y la posición de la Tierra al inicio de la primavera) es la ascensión del objeto.
Combinando la ascensión, la declinación y la distancia se determina la posición relativa a la Tierra de un objeto.
Longitud de onda
La longitud de onda es la distancia entre dos crestas de ondas luminosas,
electromagnéticas o similares. A menor longitud, mayor frecuencia. Su estudio
aporta muchos datos sobre el espacio.
Las leyes del Universo
Nadie las ha impuesto, pero el Universo parece regirse por unas leyes que los científicos han tratado de descubrir a lo largo de la historia.
Leyes de Kepler
Se trata de tres leyes acerca de los movimientos de los planetas formuladas por el astrónomo alemán Johannes Kepler a principios del siglo XVII.
Las leyes del Universo
Nadie las ha impuesto, pero el Universo parece regirse por unas leyes que los científicos han tratado de descubrir a lo largo de la historia.
Leyes de Kepler
Se trata de tres leyes acerca de los movimientos de los planetas formuladas por el astrónomo alemán Johannes Kepler a principios del siglo XVII.
Kepler basó sus leyes en los datos planetarios reunidos por el astrónomo danés
Tycho Brahe, de quien fue ayudante. Sus propuestas rompieron con una vieja
creencia de siglos de que los planetas se movían en órbitas circulares.
Primera ley: Los planetas giran alrededor del Sol en órbitas
elípticas en las que el Sol ocupa uno de los focos de la elipse.
Segunda ley: Las áreas barridas por el segmento que une al Sol con el planeta (radio vector) son proporcionales a los tiempos empleados para describirlas. Como consecuencia de esta ley, cuanto más cerca está el planeta del Sol con más rapidez se mueve.
Tercera ley: Los cuadrados de los periodos siderales de revolución de los planetas alrededor del Sol son proporcionales a los cubos de los semiejes mayores de sus órbitas elípticas. Esto permite deducir que los planetas más lejanos al Sol orbitan a menor velocidad que los cercanos; dice que el período de revolución depende de la distancia al Sol.
Estas leyes desempeñaron un papel importante en el trabajo del astrónomo, matemático y físico inglés del siglo XVII Isaac Newton, y son fundamentales para comprender las trayectorias orbitales de la Luna y de los satélites artificiales.
Gravitación universal
La gravitación es la propiedad de atracción mutua que poseen todos los objetos compuestos de materia. A veces se usa como el término "gravedad", aunque este se refiere únicamente a la fuerza gravitacional que ejerce la Tierra
La gravitación es una de las cuatro fuerzas básicas que controlan las interacciones de la materia. Hasta ahora no han tenido los intentos de detectar las ondas gravitacionales que, según sugiere la teoría de la relatividad, podrían observarse cuando se perturba el campo gravitacional de un objeto de gran masa.
La ley de la gravitación, formulada por Isaac Newton en 1684, afirma que la atracción gravitatoria entre dos cuerpos es directamente proporcional al producto sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellos.
El efecto Doppler
La variación de la longitud de onda de la luz, radiación electromagnética y sonido de los cuerpos informa sobre su movimiento.
Cuando un vehículo se acerca oímos su motor más agudo que cuando se aleja.
Igualmente, cuando una estrella o una galaxia se acercan, su espectro se
desplaza hacia el azul y, si se alejan, hacia el rojo.
De momento, todas las galaxias observadas se desplazan hacia el rojo, es decir, se alejan de aquí.
Universo Avanzado
Tamaño del Universo
El Universo abarca todo lo conocido: la materia, la energía, el espacio y el tiempo. Las escalas en el universo son tan grandes que ni siquiera podemos imaginarlas.
Para hacernos una idea, por cada grano de arena que hay en la Tierra, existen un millón de estrellas, o más. Nuestra galaxia es sólo una entre cientos de miles de millones de galaxias.
Aún así, toda la materia del Cosmos es sólo una pequeñísima parte del universo. El Universo es, sobre todo, un inmenso espacio casi vacío.
Es imposible conocer el tamaño exacto del Universo. Podría incluso ser infinito, aunque no parece probable. Al no saber qué forma tiene, tampoco podemos calcular su tamaño. Además, sigue expandiéndose. Sólo conocemos el tamaño del Universo visible desde la Tierra.
Segunda ley: Las áreas barridas por el segmento que une al Sol con el planeta (radio vector) son proporcionales a los tiempos empleados para describirlas. Como consecuencia de esta ley, cuanto más cerca está el planeta del Sol con más rapidez se mueve.
Tercera ley: Los cuadrados de los periodos siderales de revolución de los planetas alrededor del Sol son proporcionales a los cubos de los semiejes mayores de sus órbitas elípticas. Esto permite deducir que los planetas más lejanos al Sol orbitan a menor velocidad que los cercanos; dice que el período de revolución depende de la distancia al Sol.
Estas leyes desempeñaron un papel importante en el trabajo del astrónomo, matemático y físico inglés del siglo XVII Isaac Newton, y son fundamentales para comprender las trayectorias orbitales de la Luna y de los satélites artificiales.
Gravitación universal
La gravitación es la propiedad de atracción mutua que poseen todos los objetos compuestos de materia. A veces se usa como el término "gravedad", aunque este se refiere únicamente a la fuerza gravitacional que ejerce la Tierra
La gravitación es una de las cuatro fuerzas básicas que controlan las interacciones de la materia. Hasta ahora no han tenido los intentos de detectar las ondas gravitacionales que, según sugiere la teoría de la relatividad, podrían observarse cuando se perturba el campo gravitacional de un objeto de gran masa.
La ley de la gravitación, formulada por Isaac Newton en 1684, afirma que la atracción gravitatoria entre dos cuerpos es directamente proporcional al producto sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellos.
El efecto Doppler
La variación de la longitud de onda de la luz, radiación electromagnética y sonido de los cuerpos informa sobre su movimiento.
De momento, todas las galaxias observadas se desplazan hacia el rojo, es decir, se alejan de aquí.
Universo Avanzado
Tamaño del Universo
El Universo abarca todo lo conocido: la materia, la energía, el espacio y el tiempo. Las escalas en el universo son tan grandes que ni siquiera podemos imaginarlas.
Para hacernos una idea, por cada grano de arena que hay en la Tierra, existen un millón de estrellas, o más. Nuestra galaxia es sólo una entre cientos de miles de millones de galaxias.
Aún así, toda la materia del Cosmos es sólo una pequeñísima parte del universo. El Universo es, sobre todo, un inmenso espacio casi vacío.
Es imposible conocer el tamaño exacto del Universo. Podría incluso ser infinito, aunque no parece probable. Al no saber qué forma tiene, tampoco podemos calcular su tamaño. Además, sigue expandiéndose. Sólo conocemos el tamaño del Universo visible desde la Tierra.
Tamaño del Universo visible
El límite del Universo visible desde la Tierra está a 46.500 millones de años luz, en todas las direcciones. Es decir, un diámetro de 93.000 millones de años luz. Un año luz son 9'46 billones de kilómetros.
El cálculo es enorme, y aún así, es sólo la parte del Universo que podemos ver.
Tras el Big Bang, el Universo se expandió tan rápidamente que parte de su luz
aún no ha llegado hasta nosotros y, por eso, no podemos verlo.
Pero si el Universo sólo tiene unos 13.800 millones de años, ¿cómo puede haber objetos más alejados? No es posible que se hayan alejado más rápidamente que la velocidad de la luz. La respuesta es la inflación del Universo.
a inflación es el origen de todo: del propio espacio, del tiempo, y de todas las leyes físicas, incluido el límite de la velocidad de la luz. Todo se crea en la propia inflación. Así que la inflación del Universo no está sometida al límite de la velocidad de la luz. La inflación crea nuevo espacio entre los objetos y los aleja.
Estructuras del Universo
La materia del Universo está ordenada. La fuerza de gravedad hace que la materia se agrupe formando estructuras. Desde las más simples, como las estrellas o los sistemas solares, hasta las gigantescas murallas de galaxias.
Aún así, la expansión del Universo hace que las distintas estructuras se alejen unas de otras a gran velocidad.
El límite del Universo visible desde la Tierra está a 46.500 millones de años luz, en todas las direcciones. Es decir, un diámetro de 93.000 millones de años luz. Un año luz son 9'46 billones de kilómetros.
Pero si el Universo sólo tiene unos 13.800 millones de años, ¿cómo puede haber objetos más alejados? No es posible que se hayan alejado más rápidamente que la velocidad de la luz. La respuesta es la inflación del Universo.
a inflación es el origen de todo: del propio espacio, del tiempo, y de todas las leyes físicas, incluido el límite de la velocidad de la luz. Todo se crea en la propia inflación. Así que la inflación del Universo no está sometida al límite de la velocidad de la luz. La inflación crea nuevo espacio entre los objetos y los aleja.
Estructuras del Universo
La materia del Universo está ordenada. La fuerza de gravedad hace que la materia se agrupe formando estructuras. Desde las más simples, como las estrellas o los sistemas solares, hasta las gigantescas murallas de galaxias.
Aún así, la expansión del Universo hace que las distintas estructuras se alejen unas de otras a gran velocidad.
Las estructuras más distantes son las más grandes y antiguas. Se formaron
cuando el Universo aún era muy joven, y ayudan a conocer su evolución.
Jerarquía de estructuras
Estructuras menores: son los cuerpos celestes, como los planetas y las estrellas, y las pequeñas agrupaciones, como nuestro Sistema Solar.
Galaxias: son estructuras intermedias. Agrupan familias de estrellas, gas, polvo y materia oscura. Sólo en el universo visible hay más de 100.000 millones, y pueden agrupar billones de estrellas. Muchas tienen un agujero negro en su centro. Nuestra galaxia es la Vía Láctea.
Cúmulos de galaxias: son conjuntos de galaxias envueltos en gas caliente. Su diámetro alcanza varios millones de años luz.
Estructuras menores: son los cuerpos celestes, como los planetas y las estrellas, y las pequeñas agrupaciones, como nuestro Sistema Solar.
Galaxias: son estructuras intermedias. Agrupan familias de estrellas, gas, polvo y materia oscura. Sólo en el universo visible hay más de 100.000 millones, y pueden agrupar billones de estrellas. Muchas tienen un agujero negro en su centro. Nuestra galaxia es la Vía Láctea.
Cúmulos de galaxias: son conjuntos de galaxias envueltos en gas caliente. Su diámetro alcanza varios millones de años luz.
Las galaxias giran unas en torno a otras, unidas por la gravedad. A veces chocan o se absorben unas a otras. La Vía Láctea pertenece a un cúmulo llamado Grupo Local, formado por 25 galaxias.
Supercúmulos de galaxias: Son conjuntos de cúmulos de galaxias.
Miden cientos de millones de años luz. Forman grandes capas por todo el
Universo visible. El Grupo Local forma parte del Supercúmulo de Virgo.
Murallas: estas son las últimas estructuras descubiertas, las más antiguas y grandes del Universo. Forman enormes franjas de supercúmulos de galaxias.
La gran muralla de Sloan, en la imagen, mide 1.370 millones de años luz. En
noviembre de 2013 se descubrió la mayor estructura que se conoce, la Gran
Muralla de Hércules-Corona Boreal, que se encuentra a 10.000 millones de años
luz de la Tierra y tiene unas dimensiones de 10.000 millones de años luz de un
extremo a otro; es muy alargada, ocupando casi el 11% del Universo
observable.
El Gran Atractor
El Supercúmulo de Virgo y el resto de estructuras del Universo visible avanzan hacia un misterioso punto llamado el Gran Atractor. Su centro está a 150 millones de años luz. Se descubrió a finales de los 80 y aún no se sabe qué es, aunque podría tratarse de una estructura aún mayor que los astrónomos llaman Laniakea ("cielo inmenso", en hawaiano).
El Universo observable
Incluso con la tecnología más avanzada, sólo alcanzamos a ver una pequeña parte del Universo. Se llama Universo observable, y es la parte del Cosmos cuya luz ha tenido tiempo de llegar hasta nosotros.
El Universo observable tiene forma de esfera, con la Tierra en su centro. Así que podemos ver la misma distancia en todas las direcciones.
El límite del Universo observable se llama horizonte de luz cósmica. Los objetos situados en ese horizonte son los más lejanos que podemos ver. Su luz partió hacia nosotros casi desde el origen del Universo, hace 13.700 millones de años. Así que los vemos tal y como eran hace más de 13.000 millones de años. Por eso son tan importantes para conocer la evolución del Universo.
Pero, como el Universo se expande, en realidad esos objetos se hallan mucho más lejos. Actualmente, están ya a 46.500 millones de años luz.
Grandes observatorios de la NASA
Para explorar todo el Universo observable, la NASA puso en órbita cuatro telescopios espaciales: Hubble, Chandra, Compton y Spitzer. Cada uno capta un tipo distinto de luz. Actualmente, el Compton ya no está operativo.
El Universo observable a simple vista
La parte del Universo que vemos a simple vista se llama esfera celeste. Es una esfera imaginaria, con la Tierra en el centro, donde se sitúan las constelaciones. Alcanza hasta los 2'5 millones de años luz.
Lo más lejano que puede verse es la vecina galaxia de Andrómeda, y las dos
galaxias satélite de la Vía Láctea: la Pequeña y la Gran Nube de Magallanes.
Todo lo demás, pertenece a nuestra galaxia, la Vía Láctea.
Tipos de partículas en el Universo
Toda la materia que existe en el Universo se compone de partículas. Cada tipo de partícula cumple una función distinta.
La interacción entre los distintos tipos de partículas hace posible el Universo tal como lo conocemos.
Hay dos clases de partículas: fermiones y bosones. Los fermiones forman la masa de la materia. Los bosones se encargan de aplicar a esa masa las cuatro fuerzas fundamentales: electromagnetismo, fuerza nuclear fuerte, fuerza nuclear débil y fuerza de la gravedad.
Partículas elementales
El Supercúmulo de Virgo y el resto de estructuras del Universo visible avanzan hacia un misterioso punto llamado el Gran Atractor. Su centro está a 150 millones de años luz. Se descubrió a finales de los 80 y aún no se sabe qué es, aunque podría tratarse de una estructura aún mayor que los astrónomos llaman Laniakea ("cielo inmenso", en hawaiano).
El Universo observable
Incluso con la tecnología más avanzada, sólo alcanzamos a ver una pequeña parte del Universo. Se llama Universo observable, y es la parte del Cosmos cuya luz ha tenido tiempo de llegar hasta nosotros.
El Universo observable tiene forma de esfera, con la Tierra en su centro. Así que podemos ver la misma distancia en todas las direcciones.
El límite del Universo observable se llama horizonte de luz cósmica. Los objetos situados en ese horizonte son los más lejanos que podemos ver. Su luz partió hacia nosotros casi desde el origen del Universo, hace 13.700 millones de años. Así que los vemos tal y como eran hace más de 13.000 millones de años. Por eso son tan importantes para conocer la evolución del Universo.
Pero, como el Universo se expande, en realidad esos objetos se hallan mucho más lejos. Actualmente, están ya a 46.500 millones de años luz.
Grandes observatorios de la NASA
Para explorar todo el Universo observable, la NASA puso en órbita cuatro telescopios espaciales: Hubble, Chandra, Compton y Spitzer. Cada uno capta un tipo distinto de luz. Actualmente, el Compton ya no está operativo.
El Universo observable a simple vista
La parte del Universo que vemos a simple vista se llama esfera celeste. Es una esfera imaginaria, con la Tierra en el centro, donde se sitúan las constelaciones. Alcanza hasta los 2'5 millones de años luz.
Tipos de partículas en el Universo
Toda la materia que existe en el Universo se compone de partículas. Cada tipo de partícula cumple una función distinta.
La interacción entre los distintos tipos de partículas hace posible el Universo tal como lo conocemos.
Hay dos clases de partículas: fermiones y bosones. Los fermiones forman la masa de la materia. Los bosones se encargan de aplicar a esa masa las cuatro fuerzas fundamentales: electromagnetismo, fuerza nuclear fuerte, fuerza nuclear débil y fuerza de la gravedad.
Partículas elementales
Las partículas elementales son las partes o porciones más pequeñas en que puede
dividirse la materia.
Los fermiones elementales son los quarks y los leptones:
- Quarks: se unen en grupos de tres para formar partículas más grandes, como protones y neutrones.
- Leptones: son partículas muy ligeras, como los electrones, los muones y los neutrinos.
Los bosones elementales son los fotones, los gluones y otros:
- Fotones: responsables del electromagnetismo.
- Gluones: se ocupan de la fuerza nuclear fuerte.
- Bosones W y Z: encargados de la fuerza nuclear débil.
- Gravitón: encargado de la gravedad, aunque aún no se ha visto nunca.
- Bosón de Higgs: responsable de que las partículas tengan masa. Explica toda la materia que vemos, y por eso se le llama "la partícula divina".
¿Qué son los hadrones?
Cuando varias partículas elementales se unen, foman partículas compuestas que llamamos hadrones.
Los fermiones compuestos son los bariones. Los más conocidos son los protones y los neutrones. Los bosones compuestos son los mesones. El más conocido es el pión. El colisionador de hadrones del CERN es un experimento de Física de partículas muy importante.
En él participan científicos de todo el mundo. Acelera las partículas
(hadrones) hasta casi la velocidad de la luz y las hace chocar entre sí para
ver cómo se comportan. Mediante estos experimentos, el CERN busca información
sobre tipos de partículas no descubiertos, la composición del Universo, su
origen, y cómo actúan las fuerzas entre sí.
La materia del Universo
Materia es todo lo que tiene masa. Toda la materia se compone de partículas. Son como pequeñísimas piezas que se unen para formar todo lo que vemos.
Todo lo que tiene masa, por pequeña que sea, emite gravedad. Incluso nosotros
mismos. En el Cosmos, la materia se atrae por esa gravedad. Se agrupa y forma
desde las pequeñas moléculas hasta los planetas, las estrellas y los grandes
cúmulos galácticos. La gravedad mantiene unida la materia. Aún así, la mayor
parte de la materia no se concentra en las galaxias, sino en los inmensos
espacios intergalácticos.
La materia visible
La parte de la materia que podemos ver es sólo el 5% de la composición del Universo. La materia visible se llama materia ordinaria o materia bariónica.
La materia ordinaria está formada por átomos. Puede estar en cuatro estados: sólido, líquido, gasesoso y plasma. Pasa de un estado a otro al ganar o perder calor. La mayor parte de la materia visible del Universo está en estado de plasma, ya que es el que forma las estrellas.
La materia oscura
En el Universo hay otro tipo de materia, que no podemos ver. Es la materia oscura o invisible. La cuarta parte del Universo conocido es materia oscura, aunque algunas fuentes calculan que lo es hasta un 80%. Esto significa que hay mucha más cantidad de materia oscura que de materia visible.
La materia visible
La parte de la materia que podemos ver es sólo el 5% de la composición del Universo. La materia visible se llama materia ordinaria o materia bariónica.
La materia ordinaria está formada por átomos. Puede estar en cuatro estados: sólido, líquido, gasesoso y plasma. Pasa de un estado a otro al ganar o perder calor. La mayor parte de la materia visible del Universo está en estado de plasma, ya que es el que forma las estrellas.
La materia oscura
En el Universo hay otro tipo de materia, que no podemos ver. Es la materia oscura o invisible. La cuarta parte del Universo conocido es materia oscura, aunque algunas fuentes calculan que lo es hasta un 80%. Esto significa que hay mucha más cantidad de materia oscura que de materia visible.
La materia oscura no emite ni refleja ningún tipo de luz. No desprende ningún
tipo de radiación, ni visible ni invisible. Por eso no podemos verla. Pero
sabemos que existe porque sí emite gravedad, y nuestra tecnología la detecta.
Su gravedad es tan grande que mueve los grandes cúmulos galácticos.
La composición de la materia oscura sigue siendo un misterio. Aunque se cree que podría estar formada por neutrinos y otras partículas aún desconocidas.
La radiación cósmica
Todos los objetos visibles del Cosmos, desde los planetas hasta los supercúmulos de galaxias, emiten algún tipo de radiación. Esta radiación es energía que viaja por el espacio. La luz que vemos es una pequeña parte de esa radicación, la que nuestros ojos pueden percibir.
Existen (es decir, conocemos) dos tipos de radiación cósmica: la radiación electromagnética y los rayos cósmicos.
La radiación electromagnética
Es la energía que emiten los cuerpos celestes y viaja por el espacio en forma de ondas. Se desplaza a la velocidad de la luz. La radiación electromagnética es, junto con la materia, el otro gran componente del Cosmos. Comprende las ondas de radio, las microondas, las ondas infrarrojas (calor), la luz visible, los rayos ultravioletas, los rayos X y los rayos gamma.
Nuestra atmósfera nos protege de la radiación electromagnética de más alta energía: los rayos gamma, los rayos X y parte de los rayos ultravioleta. De no ser así, la vida en la Tierra no sería posible.
Los rayos cósmicos
Los rayos cósmicos o radiación corpuscular no son ondas, sino partículas cargadas de energía, como los neutrinos. Las estrellas emiten lluvias de partículas que atraviesan el espacio a gran velocidad. Los rayos cósmicos trasportan la carga de energía más alta que se conoce en el Universo.
Nuestro Sol emite rayos cósmicos que llegan hasta la Tierra. El campo magnético de la Tierra desvía la mayoría. Pero son tan potentes que una pequeña parte consigue entrar en la atmósfera y atravesarla. A veces, las partículas cargadas pasan a las capas altas de la atmósfera por los Polos, y forman las auroras.
Forma del Universo
La forma del Universo es una cuestión muy importante para la Cosmología, ya que el destino final del propio Universo depende de la forma que tenga. Sin embargo, aún hoy en día es imposible de averiguar.
La forma del Universo depende de su densidad, es decir, de la cantidad de masa y energía que posee. El problema es que no sabemos qué tamaño tiene el Universo ni cuánta energía y materia hay en total. Así que tampoco podemos calcular su densidad.
Las teorías de Einstein plantean tres posibles formas: cerrado, abierto, o plano. Aunque la forma del Universo continúa siendo un enigma, la mayoría de científicos opina que es casi plano.
La forma y el destino del Universo
Universo cerrado: si hay demasiada materia y energía, la densidad será muy alta. El Universo se curvará hacia dentro y tendrá forma de esfera. Será un Universo finito. La gravedad será más fuerte que la expansión, toda la materia acabará agrupándose y el Universo colapsará. Este final se denomina Big Crunch.
Universo abierto: si la densidad de materia y energía es muy baja, el Universo se curvará hacia afuera. Tendrá la forma de una silla de montar. Será un Universo infinito, en infinita expansión. La gravedad será tan débil que no podrá haber estrellas, ni planetas, ni siquiera átomos. La materia se separará y se desintegrará hasta quedar reducida a partículas elementales. El Universo se enfriará y morirá. Este final se llama Big Chill.
Universo plano: si la cantidad de materia y energía es la adecuada, la densidad será equilibrada. Es lo que se llama densidad crítica. Entonces el Universo será plano. La gravedad y la expansión estarán en equilibrio. El Universo se expandirá, pero cada vez más despacio.
Hoy se cree que el Universo es casi plano, pero aún existen muchas dudas, ya que está demostrado que el Universo se expande cada vez más rápidamente, y esto parece una contradicción con la teoría.
Modelos de Universo
Tradicionalmente, la cosmología imaginaba el Universo como un modelo lineal. Es decir, un Universo único con un principio y, probablemente, un final.
Para el modelo lineal, el Big Bang es el comienzo de todo: el espacio, el tiempo, las leyes físicas y toda la materia y energía. Hay un único Universo y abarca todo lo que exite. Pero el modelo lineal tiene contradicciones y no resuelve todas las cuestiones. Por eso, se plantearon otros modelos.
Einstein planteó el modelo del Universo cíclico. Para el modelo cíclico, el Universo nace y muere infinitas veces. No hay un único Universo, sino infinitos. Cada Universo es el ciclo entre un Big Bang y el siguiente. El Universo se expande y contrae, de modo que empieza con un Big Bang y termina con un nuevo Big Bang. Cada vez que un Universo muere, otro nuevo comienza.
Universo de Branas o membranas
La teoría de cuerdas plantea un modelo cíclico llamado "Universo de Branas". Según este modelo, cada Universo es una brana o membrana. Hay infinitas branas. Las branas vibran y a veces chocan. Cuando dos branas chocan se produce un nuevo Big Bang y nace otro Universo.
Universos paralelos
Para el modelo de Universos paralelos, existen muchos Universos al mismo tiempo. Aunque existen a la vez, son independientes y es imposible pasar de uno a otro. Sus leyes físicas son distintas y sólo algunos podrían tener vida. Los modelos más conocidos de Universos paralelos son los Universos burbuja y el multiverso.
Universos burbuja: nuevos Universos nacen de otros que ya existen. Un nuevo Universo puede nacer en cualquier momento y lugar del Cosmos. Se produce una inflación del espacio, como la que creó nuestro Universo, y un nuevo Universo comienza dentro de otro.
Multiverso: es consecuencia de las leyes de probabilidad de la mecánica cuántica. Plantea que, si el tiempo es infinito, todas las probabilidades acaban cumpliéndose. Cada probabilidad se cumple en un Universo paralelo. Así que habría Universos paralelos con otro "yo" exactamente idéntico, y Universos paralelos con otro "yo" totalmente distinto. Es una idea difícil de comprender.
Agujeros de gusano
Un agujero de gusano es un túnel que conecta dos puntos del espacio-tiempo, o dos Universos paralelos. Nunca se ha visto uno y no está demostrado que existan, aunque matemáticamente son posibles.
Se les llama así porque se asemejan a un gusano que atraviesa una manzana por dentro para llegar al otro extremo, en vez de recorrerla por fuera. Así, los agujeros de gusano son atajos en el tejido del espacio-tiempo. Permiten unir dos puntos muy distantes y llegar más rápidamente que si se atravesara el Universo a la velocidad de la luz.
Según la teoría de la relatividad general de Einstein, los agujeros de gusano pueden existir. Tienen una entrada y una salida en puntos distintos del espacio o del tiempo. El túnel que los conecta está en el hiperespacio, que es una dimensión producida por una distorsión del tiempo y la gravedad.
Einstein y Rosen plantearon esta teoría al estudiar lo que ocurría en el interior de un agujero negro. Por eso se llaman también Puente de Einstein-Rosen
Hay dos clases de agujeros de gusano:
- Intrauniverso: conectan dos puntos alejados del Cosmos.
- Interuniverso o agujeros de Schwarzschild: conectan dos Universos distintos.
¿Se puede viajar en el tiempo?
Una cosa es que existan los agujeros de gusano y otra muy distinta que puedan utilizarse para viajar en el espacio y el tiempo.
La novela "Contacto", de Carl Sagan proponía un viaje a través de un agujero de gusano. Esto hizo que mucho lo creyeran posible. Pero es sólo ciencia ficción. Los científicos creen que un agujero de gusano tiene una vida muy corta. Se abre y vuelve a cerrarse rápidamente. La materia quedaría atrapada en él o, aunque consiguiera salir por el otro extremo, no podría volver. Evidentemente, tampoco podríamos elegir adónde nos llevaría.
Según la relatividad general, es posible viajar al futuro, pero no al pasado. Si se pudiera viajar al pasado, podríamos alterar la Historia, por ejemplo, haciendo que nunca naciéramos. Sería algo imposible.
Cosmología
Desde siempre, el ser humano se ha interesado por conocer y comprender el Universo y las leyes que lo rigen. Desde distintos puntos de vista, la Filosofía, la Religión y la Ciencia han intentado responder a estas preguntas. La parte de la Ciencia que estudia el Universo en su totalidad se llama Cosmología.
La Cosmología se ocupa científicamente de aspectos como la composición del Universo, su estructura, forma, origen, evolución y destino final. Para ello, se sirve de la observación astronómica y el conocimiento científico. Otras ciencias como la Astronomía, la Física y las Matemáticas son de gran utilidad para la Cosmología. Los avances tecnológicos son fundamentales en el desarrollo de la Cosmología moderna.
La Cosmología moderna
La Cosmología moderna comienza hacia el año 1700. Entonces se plantea la idea de que todas las estrellas de la Vía Láctea forman una agrupación en medio de un Universo mucho mayor. Antes, se creía que nuestra galaxia era todo el Universo.
En el s. XX la Cosmología está marcada por dos grandes avances: la teoría de la relatividad de Einstein, y la teoría inflacionaria. La relatividad unifica el espacio, el tiempo y la gravedad, y cambia la visión del tejido del Universo. La teoría inflacionaria plantea que el espacio se expandió rapidísimamente después del Big Bang.
Hoy, el estudio de la Cosmología se centra en la Física de Partículas. El principal instrumento de la Cosmología actual no son los telescopios, sino los grandes aceleradores de partículas. Buscan partículas que ayuden a resolver misterios como la composición de la materia oscura, qué pasó en los primeros momentos del Universo, o si existen otras dimensiones que no vemos.
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