Año Internacional de la Astronomía. En España (AIA-IYA2009)

HABLANDO DEL UNIVERSO

Todos sabemos de las inmensas distancias existente entre estrellas y entre galaxias, y, las unidades de medidas especiales que hemos inventado para poder expresarlas.

Ahí tenemos la imposibilidad física de viajar a otros mundos y no digamos a otras Galaxias.  Las velocidades que pueden alcanzar en la actualidad nuestros ingenios espaciales no llega ni a 70.000 km/h ¿Cuánto tardarían en recorrer los 2,3 millones de a.l. ( 21.759.840.000.000.000.000 km) que nos separa de Andrómeda?

Incluso el desplazarnos hasta la estrella más cercana, Alfa Centauri, resulta una tarea impensable si tenemos encuentra que la distancia que nos separa es de 4’3 años-luz y un año-luz=9.460.800.000.000 km.

Hasta que no se busque la manera de esquivar la barrera de la velocidad de la luz, los viajes a otros mundos están algo complicados para nosotros. Pero hablemos de la cuestión central:

———-  EL UNIVERSO . LA HUMANIDAD ———

La humanidad, es en realidad, algo muy complejo y difícil de entender.  Sabemos que en el Universo existen cientos de miles de millones y trillones de protones y electrones o 10^-5 átomos por c/cm³ de espacio, todos, absolutamente todos los protones, son exactamente iguales.  Con los electrones pasa igual y lo mismo con los átomos, son exactos, copias los unos de los otros, la misma masa, la misma carga y las mismas propiedades, no podríamos encontrar un electrón distinto a otro.  Sin embargo, referido a nosotros, los individuos que componemos toda la Humanidad (unos 7.000 millones), resulta que, ni siquiera uno es exactamente igual a otro.  Cada uno es diferente a los demás y tiene sus propias características particulares que lo hace distinto.

Ahí precisamente reside la grandeza y también la dificultad.  La grandeza que da la variedad y el enorme abanico que posibilidades de mentes distintas empeñados en resolver un problema que se estudia bajo miles de millones de puntos de vista, con lo cuál, es más difícil que, finalmente, no aparezca la solución.  La dificultad que esa misma variedad genera entre seres que al ser diferentes, también tienen criterios distintos y distintas maneras de ver las cosas.

Como este trabajo el único destino que tiene el es de colaborar con el año Internacional de la Astronomía, y su destino divulgar dicha disciplina científica, pasemos al tema que nos ocupa.

¿Qué entendemos por Big Bang?

Hablaremos ahora del Big Bang, esa teoría aceptada por todos y que nos dice como se formó nuestro Universo y comenzó su evolución hasta ser como ahora lo conocemos.

De acuerdo a esta teoría, el Universo se originó a partir de un estado inicial de alta temperatura y densidad, y desde entonces ha estado siempre expandiéndose. La teoría de la relatividad General predice la existencia de una singularidad en el comienzo, cuando la temperatura y la densidad eran infinitas.

La mayoría de los cosmólogos interpretan esta singularidad como una indicación de que la relatividad general de Einstein deja de ser válida en el Universo muy primitivo (no existía materia), y el comienzo mismo debe ser estudiado utilizando una teoría de cosmología cuántica.

Con nuestro conocimiento actual de física de partículas de altas energías, podemos hacer avanzar el reloj hacia atrás a través de la teoría leptónica y la era hadrónica hasta una millonésima de segundo después del Big Bang, cuando la temperatura era de 10¹³K. Utilizando una teoría más especulativa, los cosmólogos han intentado llevar el modelo hasta 10³⁵ s  después de la singularidad, cuando la temperatura era de 10²⁸K.  Esa infinitesimal escala de longitud es conocida como límite de Planck: =10^–35m que en la Ley de radiación de Planck, es distribuida la energía radiada por un cuerpo negro mediante pequeños paquetes discretos llamados cuanto, en vez de una emisión continua.  A éstas distancias, la Gravedad está ausente para dejar actuar a la mecánica cuántica.

La teoría del Big Bang es capaz de explicar la expansión del Universo; la existencia de una radiación de fondo cósmica, y la abundancia de núcleos ligeros como el helio, el helio^-3, el deuterio y el litio-7, cuya formación se predice que ocurrió alrededor de un segundo después del Big Bang, cuando la temperatura reinante era de 10¹⁰ K.

La radiación de fondo cósmica proporciona la evidencia más directa de que el Universo atravesó por una fase caliente y densa.  En la teoría del Big Bang, la radiación de fondo es explicada por el hecho de que, durante el primer millón de años más o menos (es decir, antes del desacoplo de la materia y la radiación y, por tanto, en equilibrio término con ella.  Esta fase es habitualmente denominada “bola de fuego primordial”.)

Cuando el Universo se expandió y se enfrió a 3000 K se volvió transparente a la radiación, que es la que observamos en la actualidad, mucho más fría y diluida, como radiación térmica de microondas.  El descubrimiento del fondo de microondas en 1.956 puso fin a una larga batalla entre el Big Bang y su rival la teoría del Universo estacionario de P. Hoyle y otros, que no podía explicar la forma de cuerpo negro del fondo de microondas.  Es irónico que, el termino Big Bang, tuvo inicialmente un sentido burlesco y fue acuñado por Hoyle, contrario a la teoría del Universo inflacionario y defensor del estacionario.

CRONOLOGÍA DEL BIG BANG

Para fijar más claramente los hechos se debe extender la explicación evolutiva del Universo en las fases principales que son:

Era: de la materia, hadrónica y leptónica.

ERAS EN EL PROCESO DEL BIG BANG

De la radiación

Período entre 10^-43 s (la era de Planck) y 300.000 años después del Big Bang.  Durante este periodo, la expansión del Universo estaba dominada por los efectos de la radiación o de las partículas rápidas (a altas energías todas las partículas se comportan como la radiación).  De hecho, la era leptónica y la era hadrónica son ambas subdivisiones de la era de radiación.

La era de radiación fue seguida por la era de la materia que antes se reseña, durante la cual los partículas lentas dominaron la expansión del Universo.

Era Hadrónica

Corto periodo de tiempo entre 10^-6 s y 10^-5 s después del Big Bang en el que se formaron las partículas atómicas pesadas, como protones, neutrones, piones y kaones entre otras.  Antes del comienzo de la era hadrónica, los quarks se comportaban como partículas libres.  El proceso por el que se formaron los quarks se denomina transición de fase quark-hadrón.  Al final de la era hadrónica, todas las demás especies hadrónicas habían decaído o se habían desintegrado, dejando sólo protones o neutrones.  Inmediatamente después de esto el Universo entró en la era leptónica.

Era Leptónica

Intervalo, que comenzó unos 10^-5 s después del Big Bang, en el que diversos tipos de leptones eran la principal contribución a la densidad del Universo.  Se crearon pares de leptones y antileptones en gran número en el Universo primitivo, pero, a medida que el Universo se enfrió, la mayor parte de las especies leptónicas fueron aniquiladas.  La era leptónica se entremezcla con la hadrónica y ambas, como ya dije antes, son subdivisiones de la era de la radiación.  El final de la era leptónica se considera normalmente que ocurrió cuando se aniquilaron la mayor parte de los pares electrón-positrón, a una temperatura de 5×10⁹ k, más o menos un segundo después del Big Bang.  Después, los leptones se unieron a los hadrónes para formar átomos.

Así se formó nuestro Universo, a partir de una singularidad que explotó expandiendo toda la densidad y energía a unas temperaturas terroríficas y, a partir de ese mismo instante y el espacio junto con la materia que, finalmente desembocó en lo que ahora conocemos como Universo.

El Universo es el conjunto de todo lo que existe, incluyendo (como he dicho) el espacio, el tiempo y la materia.  El estudio del Universo se conoce como cosmología.  Los cosmólogos distinguen al Universo con “U” mayúscula, significando el cosmos y su contenido, y el universo con “u” minúscula, que es normalmente un modelo matemático deducido de alguna teoría física como por ejemplo, el universo de Friedman o el Universo de Einstein-de Sitter.  El Universo real está constituido en su mayoría de espacios que aparentemente están vacíos, existiendo materia concentrada en galaxias formadas por estrellas, planetas, gases y otros objetos cosmológicos.

El Universo se está expandiendo, de manera que el espacio entre las galaxias está aumentando gradualmente, provocando un desplazamiento al rojo cosmológico en la luz procedente de los objetos distantes.

Existe evidencia creciente de que el espacio puede estar lleno de una materia oscura invisible que puede constituir muchas veces la masa total de las Galaxias visible. Ya hablamos de ello en comentarios anteriores.

Como ya quedó claro antes, el concepto más favorecido de origen del Universo es la teoría del Big Bang, de acuerdo con la cual el Universo se creó a partir de una densa y caliente concentración enorme de materia (una singularidad) en una bola de fuego que explotó y se expandió para crear el espacio, el tiempo y toda la materia que lo conforma. Y, al principio, se dice que sólo había una sola fuerza fundamental que, al enfriarse el Universo primitivo, se dividió en las cuatro que ahora conocemos. Todo ello, ocurrió, según los datos de que se disponen, hace ahora aproximadamente 15.000 millones de años o 15 eones (10⁹⁾.

El Universo se formó y apareció el tiempo, el espacio (espaciotiempo), y, la Materia.  Es lo que dice la teoría que antes hemos descrito.  Sin embargo, hay muchas cuestiones que, por lo menos a mí, no han quedado claras y me llevan a preguntas tales como:

¿Cuántas partículas hay en el Universo?

¿De donde vino la sustancia del Universo?

¿Qué hay más allá del borde del Universo?

En realidad, no existen respuestas concretas para estas preguntas, porque para empezar no sabemos como es de grande el Universo.  Sin embargo, si podemos hacer algunas hipótesis.

Podemos calcular que hay unas 100.000.000.000 de Galaxias en el Universo.  Cada una de estas Galaxias tiene una media de masa igual a 100.000.000.000 la masa del Sol.

Quiere decir que la cantidad total de materia en el Universo sería igual a 10¹¹x10¹¹ ó 10²² veces la masa del Sol.

Dicho de otra manera, en el Universo hay materia suficiente para hacer 10.000.000.000.000.000.000.000 (diez mil trillones) de soles como el nuestro.

La masa del Sol es de 2×10²³ gramos.  Esto significa que la cantidad total de materia en el Universo tiene una masa de:  10²²x2x10³³ ó  2×10⁵⁵ gramos.  Lo que podemos reseñar

20.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.  Que es igual a veinte nonillones.

Miremos ahora al revés.  La masa del Universo está concentrada casi por entero en los nucleones que contiene.  Los nucleones son partículas diminutas y hacen falta 6×10²³ de ellas para formar una masa equivalente a un gramo.

Pues bien, si 6×20²³ nucleones hacen 1gr. y si hay 2×10⁵⁵gr. En el Universo, entonces el número total de nucleones en el Universo podría ser de 6×10²³x2x10⁵⁵ ó 12×10⁷⁸, que de manera más convencional se escribiría 1,2×10⁷⁹.

Los astrónomos opinan que el 90 por 100 de los átomos de Universo son hidrógeno, el 9 por 100 helio y el 1 por 100 elementos más complejos.  Una muestra de 100 gramos, o mejor 100 átomos consistiría entonces en 90 átomos de hidrógeno, 9 de helio y 1 de oxígeno (por ejemplo).  Los núcleos de los átomos de hidrógeno contendrían 1 nucleón cada uno: 1 protón.  Los núcleos de los átomos de helio contendrían 4 nucleones cada uno: 2 protones y 2 neutrones.

El núcleo del átomo de oxígeno contendría 16 nucleones: 8 protones y 8 neutrones.

Los 100 átomos juntos contendrían, por tanto, 145 nucleones: 116 protones y 26 neutrones.

Existe una diferencia entre estos dos tipos de nucleones. El neutrón no tiene carga eléctrica y no es preciso considerar ninguna partícula que lo acompañe.  Pero el protón tiene una carga eléctrica positiva, y como el Universo es, según creemos, eléctricamente neutro en su conjunto, tiene que existir un electrón (con carga eléctrica negativa) por cada protón, creando así el equilibrio existente.

De esta manera, por cada 142 nucleones hay 116 electrones (para compensar los 116 protones).  Para mantener la proporción, los 1’2×10⁷⁹ nucleones del Universo tienen que ir acompañados de 1×10⁷⁸ electrones.  Sumando los nucleones y electrones, tenemos un número total de 2,2×10⁷⁹ partículas de materia en el Universo.  Lo cual se puede escribir como:

22.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.

.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000. (ó 22 tredecillones).

De las demás partículas, las únicas que existen en cantidades importantes en el Universo son los fotones, los neutrinos y posiblemente los gravitones.  Pero son partículas sin masa.  Veintidós tredecillones es después de todo un número apreciable para un Universo de importancia.

Nadie sabe de donde vino la sustancia del Universo, no siempre la ciencia puede dar respuesta a todo, es la manera de regular los sistemas para obtener respuestas tras el duro trabajo del estudio, la investigación y el experimento.  Hasta el momento nos falta información para contestar la pregunta.

Claro que, siempre podemos especular.  Isaac Asimov, decía que por su parte, la respuesta podía estar en la existencia de “energía negativa” que igualara a la “energía positiva” ordinaria, pero con la particularidad de que cantidades iguales de ambos se unirían para dar nada como resultado (igual que +1 y -1 sumados dan 0).

Y al revés: lo que antes era nada podría cambiar de pronto y convertirse en una pompa de “energía positiva” y otra pompa igual de “energía negativa”.  De ser así, la pompa de energía positiva se convirtió en el Universo que conocemos, mientras que en alguna otra parte, existiría el Universo contrario, paralelo negativo”.

Por mi parte, soy menos complicado y como rige el principio de la física conocida como Navaja de Occan, creo en un camino más simple y sencillo: El Universo, en sus comienzos, produjo enormes cantidades de partículas de materia y de antimateria, y el número de una y otra no era igual sino que, no se sabe por qué varón, las partículas positivas eran más que las negativas.

Todos sabemos que un protón cuándo se encuentra con un antiprotón (materia con antimateria) ambos se destruyen.

Una vez destruidos todos los pones materia antimateria, quedó el sobrante de partículas positivas que es la materia de nuestro Universo.

De esa manera se formaron, con esas partículas positivas y los electrones (hadrones y leptones), se originaron grandes conglomerados de gas y polvo que giraban lentamente, fragmentándose en vórtices turbulentos que se condensaban finalmente en estrellas.

Estos conglomerados de gas y polvo podían tener extensiones de años-luz de diámetro y, en algunas regiones donde la formación de estrellas fue muy activa, casi todo el polvo y el gas fue a parar a una estrella u otra.  Poco o nada fue lo que quedo en los espacios intermedios.  Esto es cierto para los cúmulos globulares, las galaxias elípticas y el núcleo central de las galaxias espirales.

Dicho proceso fue mucho menos eficaz en las afueras de las galaxias espirales.  Las estrellas se formaron en números muchos menores y sobró mucho polvo y mucho gas.

Nosotros, los habitantes del planeta Tierra, nos encontramos en los brazos espirales de nuestra galaxia, estamos situados en la periferia a unos 30.000 años luz del centro galáctico y vemos las manchas oscuras que proyectan las nubes de polvo contra el resplandor de la Vía Láctea. El centro de nuestra propia galaxia queda oscurecido por tales nubes.

Estas nubes enormes de polvo cósmico es el material primario del que hacen las estrellas.  Este material del que está formado el Universo consiste en su mayor parte, como se ha dicho anteriormente, de hidrógeno y helio.  Los átomos de helio no tienen ninguna tendencia a juntarse unos con otros.  Los de hidrógeno sí, pero solo en parejas, formando moléculas de Hidrógeno (H₂).  Quiere decirse que la mayor parte del material que flota entre las estrellas consiste en pequeños átomos de helio o en pequeños átomos y moléculas de hidrógeno.  Todo ello constituye el gas interestelar, que forma la mayor parte de la materia que circula en el Universo entre las estrellas.

El polvo interestelar o polvo cósmico, que se halla presente en cantidades mucho más pequeñas, se compone de partículas diminutas, pero mucho más grandes que átomos o moléculas, y por tanto deben contener átomos que no son ni de hidrógeno ni de helio, son átomos de materiales más complejos.

El tipo de átomo más común en el Universo, después del hidrógeno y el helio, es el de oxígeno.  El oxígeno puede combinarse con hidrógeno para formar grupos oxidrilo (HO) y moléculas de agua (H₂O), que tienen una marcada tendencia a unirse a otros grupos y moléculas del mismo tipo que encuentren en el camino, de forma que poco a poco se van constituyendo pequeñísimas partículas compuestas por millones y millones de tales moléculas.  Los grupos oxidrilo y las moléculas de agua pueden llegar a constituir cuya parte importante del polvo cósmico.

En 1.965, se detectó por primera vez grupos oxhidrilo en el espacio  y se comenzó a estudiar su distribución.  Desde entonces se ha informado también de la existencia de moléculas más complejas que contienen átomos de carbono, así como de hidrógeno y oxígeno.

El polvo cósmico contiene también agrupaciones atómicas formadas por átomos menos comunes y más complejos que los ya mencionados.  Los materiales más pesados y complejos se fabrican en los hornos termonucleares, los núcleos de las estrellas, y cuando, al final de su existencia como tales estrellas, explotan en súper novas, estos materiales son lanzados al espacio a velocidades increíbles y siembra, el vacío estelar de materiales complejos que más tarde, sirven de material para formar nuevas estrellas de II generación.

En el espacio estelar se han detectado también átomos de calcio, sodio, potasio y hierro, observado la luz que esos átomos absorben.

Dentro de nuestro sistema solar hay un material parecido, aportado quizás por los cometas.  Es posible que fuera de los límites visibles del sistema solar exista una conglomeración grande de cometas, y que algunos de ellos se precipiten hacia el Sol (atraídos por la gravedad).  Los cometas son formaciones de fragmentos sólidos de metal y roca, unidos por una mezcla de hielo, metano y amoníaco congelados y otros materiales parecidos.  Cada vez que un cometa se aproxima al Sol, se evapora parte de su materia, liberando diminutas partículas sólidas que se esparcen por el espacio en forma de larga cola.  En última instancia, el cometa se desintegra por completo.

A lo largo de la historia del sistema solar se han desintegrado innumerables cometas y han llenado de polvo el espacio interior del sistema solar.  La Tierra recoge cada día miles de millones de partículas de polvo (“micrometeoroides”).  Los científicos espaciales se interesan por ellas por diversas razones; una de ellas es que los micrometeoroides de mayor tamaño podrían suponer un peligro para los futuros astronautas y colonizadores de la Luna y Marte.

Cuándo me sumerjo en los misterios y maravillas que encierra el Universo, no puedo dejar de sorprenderme por sus complejas y bellas formaciones, la inmensidad, la diversidad, las fuerzas que están presentes, los objetos que lo pueblan, sean agujeros negros, radiogalaxias, cuásares o Nebulosas ¿Hay algo más bonito?. ¡Es la Naturaleza en todo su esplendor!

Emilio Silvera.

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