¡Aquellos primeros momentos!

“… Con el paso de los Eones, hasta la misma muerte tendrá que morir”

Dijo el Pensador.

 

         No siempre podemos ver con claridad

  ¡Son tantas las cosas que no sabemos!

¿Vida basada en el Silicio?

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Pequeñas variaciones en las condiciones iniciales se manifiestan como grandes desviaciones en las trayectorias resultantes.

 

El primer registro de este sistema de la estrella misteriosa se remonta a 1244 aC, escrito en un calendario (El Cairo Papiro 86637) realizado en el antiguo Egipto, en el que Algol tiene un papel protagonista en la medición del tiempo. Fue nombrado por los antiguos egipcios como la “estrella del demonio” y era un sistema muy importante en la antigüedad. Aunque en el pasado se creía que era un sistema binario, estudios posteriores confirmaron que Algol se compone de tres estrellas que orbitan entre sí.

¿Quién inventaría el número Cero?

Para determinar el origen del número cero hay que hacer referencia al ‘cero posicional’: 2019 no es lo mismo 219. Los primeros que idearon el cero ‘que cuenta’ fueron los babilonios y los mayas. A partir de ambas civilizaciones el sistema llegó a la India, donde tuvo una gran evolución.

Es verdaderamente encomiable la pertinaz insistencia del ser humano por saber, y, en el ámbito de la Astronomía, desde los más remotos “tiempos” que podamos recordar o de los que tenemos alguna razón, nuestra especie ha estado interesada en saber, el origen de los objetos celestes, los mecanismos que rigen sus movimientos y las fuerzas que están presentes.

Claro que, nosotros, los Humanos, llevamos aquí el tiempo de un parpadeo del ojo si lo comparamos con el Tiempo del Universo. Sin embargo, nos hemos valido de todos los medios posibles para llegar al entendimiento de las cosas, incluso sabemos del pasado a través del descubrimiento de la vida media de los elementos y mediante algo que denominamos datación, como la del Carbono 14, podemos saber de la edad de muchos objetos que, de otra manera, sería imposible averiguar. La vida de los elementos es muy útil y, al mismo tiempo, nos habla de que todo en el Universo tiene un Tiempo Marcado. Por ejemplo, la vida media del Uranio 238 sabemos que es de 4.000 millones de años, y, la del Rubidio tiene la matusalénica vida media de 47.000 millones de años, varias veces la edad que ahora tiene el Universo.

Lepidolita, una de las mayores fuentes del raro rubidio y del cesio. El rubidio también fue descubierto, como el cesio, por los físicos alemanes Robert Wilhem Bunsen y Gustav Robert Kirchhoff en 1861; en este caso por el método espectroscópico. Su nombre proviene del latín “rubidus” (rubio), debido al color de sus líneas en el espectro.

• Color blanco-plateado brillante
• Reacciona violentamente con el agua produciendo hidrógeno
• Arde espontáneamente en contacto con el aire, formando óxido de rubidio
• Muy blando

El rubidio es un elemento bastante abundante en la corteza terrestre y está presente hasta en 310 partes por millón (ppm). Por su abundancia ocupa un lugar justamente por debajo del carbono y el cloro y por encima del flúor y del estroncio. El agua de mar contiene 0,2 ppm de rubidio, concentración que (aunque baja) es el doble de la concentración de litio.

Pero, aunque abundante, el rubidio se encuentra distribuido en pequeñas cantidades, generalmente asociado con el cesio, con el cual tiene una gran semejanza, en cenizas del tabaco, el te y el café; y en los minerales lepidolita y carnalita.

Cesio

Litio el oro blanco

El Rubidio ha sido detectado en las estrellas y, siendo muy abundante en la corteza terrestre, es utilizado en en ciencia y tecnologías puntas, por lo que está presente en muchos laboratorios. El rubidio es semejante al cesio y al litio en que está integrado en minerales complejos; no se encuentra en la naturaleza como sales simples de halogenuros, como ocurre con el sodio y el potasio.

Es tan reactivo con oxígeno que puede arder espontáneamente con este elemento puro. El metal pierde el brillo muy rápidamente al aire, forma un recubrimiento de óxido y puede arder. Los óxidos que se producen son una mezcla de Rb₂O, Rb₂O₂ y RbO₂. El metal fundido se inflama espontáneamente al aire.

El rubidio reacciona violentamente con agua o hielo a temperaturas por debajo de –100º C (-148º F). Reacciona con hidrógeno para formar un hidruro, uno de los hidruros alcalinos menos estables.

No reacciona con nitrógeno. Con bromo o cloro, el rubidio reacciona vigorosamente con formación de flama. Se pueden preparar compuestos organorrubídicos con técnicas parecidas a las que se utilizan con el sodio y el potasio.

La mayor parte de los usos de rubidio metálico y de sus compuestos son los mismos que los del cesio y sus compuestos.

                  Átomo de Rubidio 85 diciendo ‘hola’ a la cámara

Pero, ¿qué estoy haciendo? El trabajo era sobre el primer momento de nuestro universo, y, me dejé llevar por el rubidio, volvamos a lo nuestro y comencemos el comentario de hoy, ahora sí, sobre el…

Big Bang

Hablaremos ahora del Big Bang, esa teoría aceptada por todos y que nos dice cómo 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 relatividadgeneral 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.

El tiempo de Planck es una unidad de tiempo considerada como el intervalo temporal más pequeño que puede ser medido. Se denota mediante el símbolo t_P. En cosmología, el tiempo de Planck representa el instante de tiempo más antiguo en el que las leyes de la física pueden ser utilizadas para estudiar la naturaleza y evolución del Universo. Se determina como combinación de otras constantes físicas en la forma siguiente:

 5.39124(27) × 10⁻⁴³ segundos

Llegados a este punto, me remito al párrafo primero del comentario de hoy, en él se deja claro que, nada sabemos de ese instante primero anterior al T_p. ¿Qué habría allí entonces, qué sustancias dieron lugar a la materia y, de dónde salieron las fuerzas fundamentales que rigen el universo?

       Esto llego miles de millones de años más tarde pero, ¿Qué había antes del comienzo del Tiempo?

Las respuestas están escondidas en ese primer intervalo infinitesimal que está antes del Comienzo del Tiempo que conocemos, es una fracción de tiempo que nos queda en la más absoluta oscuridad. Nadie ha podido ir más allá del Tiempo de Planck y, siendo un intervalo de tiempo tan pequeño… ¡nos diría tantas cosas!

Una buena vela encendida no es suficiente para alumbrar nuestra ignorancia de lo que pasó en los primeros momentos del “Big Bang”. Sin embargo…La esperanza es lo último que se pierde, y, aunque los físicos cuando tratan de exponer con sus matemáticas aquellos hechos primeros, las primeras fracciones del primer segundo del Big Bang, se ven imposibilitados…Esperamos que, más adelante, en el futuro lejano, podamos entrar en ese Tiempo de Planck ahora inalcanzable.

La imagen corresponde a una de las primeras colisiones entre iones de plomo a la máxima energía del LHC 

“El LHC no deja de ser noticia. El acelerador más poderoso del mundo, con sus 27 kilómetros de circunferencia y sus cientos de poderosos imanes, hizo colisionar ayer núcleos de plomo a la mayor energía jamás conseguida hasta el momento. El pasado verano, el gran colisionador de partículas ya logró un record energético en la colisión de protones , pero esto es muy diferente. De hecho, no es lo mismo acelerar una partícula individual que un núcleo atómico complejo, como lo es el de plomo, que está formado por 208 protones y neutrones.

El objetivo de estos experimentos es comprender un poco mejor las propiedades de la materia apenas unos instantes después del Big Bang , cuando en el Universo naciente las interacciones entre partículas se producían a unos enormes niveles de energía que, hasta ahora, habían sido imposibles de alcanzar en un laboratorio.

Justo al principio, es decir, a pocas milmillonésimas de segundo del instante del Big Bang, el Universo estaba hecho de una «sopa primordial» de partículas fundamentales (especialmente quarks y gluones) extraordinariamente densa y espesa.”

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 10¹³ K. Utilizando una teoría más especulativa, los cosmólogos han intentado llevar el modelo hasta 10³⁵ s después de la singularidad, cuando la temperatura era de 10²⁸ K. Esa infinitesimal escala de longitud es conocida como límite de Planck, = 10^-35 m, que en la Ley de radiación de Planck, es distribuida la energía radiada por un cuerpo negro mediante pequeños paquetes discretos llamados cuantos, en vez de una emisión continua. A estas 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), el universo estaba lleno de plasma que era opaco a la radiación y, por tanto, en equilibrio térmico con ella. Esta fase es habitualmente denominada “bola de fuego primordial“.

Como nadie estuvo allí para tomar una fotografía de la gran explosión, ponemos una que quiere figurar aquel momento que, desde luego, tuvo que ser mucho más grandioso.

Cuando el universo se expandió y se enfrió a unos 3000 ºK, 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 F. Hoyle y otros, que no podía explicar la forma de cuerpo negro del fondo de microondas. Es irónico que el término Big Bang tuvo inicialmente un sentido burlesco y fue acuñado por Hoyle, contrario a la teoría del universo inflacionario y defensor del estacionario.

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

Las que salieron de ese clima de enormes temperaturas ahora inimaginables, de ahí surgió lo que conocemos como materia, y, durante varias etapas o eras (de la radiación, de la materia, hadrónica y bariónica… llegamos al momento presente habiendo descubierto muchos de los secretos que, el Universo guardaba celosamente para que, nosotros, los pudiéramos desvelar.

La Era de Planck:

En cosmología, la época de Planck es el más temprano período de Tiempo en la historia del universo, entre cero y 10⁻⁴³ segundos (como antes decía, un tiempo de Planck), durante el cual las cuatro fuerzas (nucleares fuerte y débil, electromagnética y gravitatoria, estaban unificadas en una sola fuerza y aún, no existían las partículas elementales que más tarde surgirían para formar la materia.

Es la era que se inició con el surgir de la materia,  cuando el efecto gravitacional de la materia primera comenzó a dominar sobre el efecto de presión de radiación. Aunque la radiación es no masiva, tiene un efecto gravitacional que aumenta con la intensidad de la radiación. Es más, a altas energías, la propia materia se comporta como la radiación electromagnética, ya que se mueve a velocidades próximas a la de la luz. En las etapas muy antiguas del universo, el ritmo de expansión se encontraba dominado por el efecto gravitacional de la presión de radiación, pero a medida que el universo se enfrió, este efecto se hizo menos importante que el efecto gravitacional de la materia. Se piensa que la materia se volvió predominante a una temperatura de unos 10⁴ K, aproximadamente 30.000 años a partir del Big Bang. Este hecho marcó el comienzo de la era de la materia.

De la radiación

Periodo 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 conocido como Big Bang, nacieron, como hermanos gemelos, el tiempo y el espacio junto con la materia que finalmente desembocó en lo que ahora conocemos como universo.

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.

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 Friedmann 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 visibles.

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 conforme. Todo ello ocurrió, según los datos de que se disponen, hace ahora aproximadamente 15.000 millones de años, o 15 eones (10⁹).

    La NASA midiendo la curvatura en el espacio-tiempo alrededor del planeta

El universo se formó y apareció el tiempo y el espacio 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 dónde 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.

                                         El Universo está lleno de espacios “vacíos”

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 10¹¹×10¹¹ ó 10²² veces la masa del Sol.

Ilustración del universo observable con el Sistema Solar en el centro, los planetas interiores, el cinturón de Asteroides, los planetas exteriores, el cinturón de Kuiper, la nube de Oort, Alfa Centauri, el brazo de Perseo, la Via Láctea, Andrómeda y las galaxias cercanas, la telaraña cósmica de cúmulos galácticos, la radiación de fondo de microondas y el Big Bang en el borde. Sobre la masa total del universo, estos son los cálculos actuales que, deben ser confirmados:  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 2×10³³ gramos. Esto significa que la cantidad total de materia en el universo tiene una masa de: 10²²×2×10³³ 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.

Imagen: (las magnitudes en la imagen deben desplazar el punto decimal una posición a la izquierda) que explica la diferencia sobre el dato de la edad del universo (1.37×10¹⁰ años luz) en comparación a la estimación sobre el radio actual del universo observable (4.65×10¹⁰ años luz). La explicación de tal sería que al mirar la radiación de fondo y las galaxias más lejanas se observa el pasado con una mayor densidad de materia por centímetro cúbico del universo.

A pesar de su ínfima dimensión, los nucleones conformados por tripletes de quarks (protones y neutrones),  se unen a los electrones para formar los átomos y, estos a su vez, son los que forman la materia que conforman las Galaxias del Universo y todos los demos objetos que podemos observar.

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 1 g, y si hay 2×10⁵⁵ g en el universo, entonces el número total de nucleones en el universo podría ser de 6×10²³×2×10⁵⁵ ó 12×10⁷⁸, que de manera más convencional se escribiría 1,2×10⁷⁹.

                 Eddintong

En uno de mis trabajos que se titulaba los grandes números del Universo, se habló de como Arthur Stanley Eddington, un extraordinario científico que había sido el primero en descubrir cómo se alimentaban las estrellas a partir de reacciones nucleares. También  hizo importantes contribuciones a nuestra comprensión de las galaxias, escribió la primera exposición sistemática de la teoría de la relatividad general de Einstein y fue el responsable de la expedición que durante un eclipse de Sol, pudo confirmar con certeza la predicción de la relatividad general que debería desviar la luz estelar que venía hacia la Tierra en aproximadamente 1’75 segundos de arco cuando pasaba cerca de la superficie solar, cuyo espacio estaría curvado debido a la gravedad generada por la masa del Sol. En aquella expedición, el equipo de Eddington hizo una exitosa medición del fenómeno desde la isla Príncipe, que confirmó que Einstein tenía razón y que su teoría predecía de manera exacta la medida de curvatura del espacio en función de la masa del objeto estelar que genera la gravitación distorsionando el espacio-tiempo a su alrededor.

El gran número de Eddintong:

            En la imagen, tomada en Leiden en 1923, podemos ver de arriba abajo y de izquierda a derecha a Albert Einstein, Paul Ehrenfest, Willem de Sitter, Arthur Eddington y Hendrik Lorentz. Fuente:

Wikimedia Commons

Entre los números que Eddington consideraba de importancia primordial estaba al que ahora conocemos como número de Eddington, que es igual al número de protones en el universo visible. Eddington calculó (a mano) este número con enorme precisión en un crucero trasatlántico, sentado en cubierta, con libreta y lápiz en la mano, tras calcular concienzudamente, más arriba queda reseñado.

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 1×10⁷⁸electrones. Sumando los nucleones y electrones, tenemos un número total de 2’2×10⁷⁹ de partículas de materia en el universo visible y que podemos comprobar. 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).

 

El telescopio espacial James Webb captura el cúmulo de galaxias SMACS 0723. Cada vez más nítido y más lejos

La grandeza de nuestro Universo tiene su origen en las minúsculas partículas que conforman la materia, en las interacciones fundamentales que rigen las leyes y, en las constantes universales que indican cómo deben ser las cosas: la velocidad de la luz, la masa del electrón, la constante de estructura fina…

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.

              Si no se explican estas imágenes… ¿Quién podría decir lo que cada una de ellas es?

Una historia que circula por Internet desde hace muchos años cuenta que nuestro Sol forma parte de las Pléyades, que son un grupo de estrellas muy jóvenes que se encuentran a 450 años luz de la Tierra y que pertenecen a la constelación de Tauro. Este grupo de estrellas gira alrededor de Alcyon, la estrella más grande del grupo. El Sol tardaría 24.000 años en completar una órbita completa alrededor de Alcyon. Alrededor de esta estrella existiría un anillo de fotones que sería atravesado dos veces por el Sol en cada órbita, tardando cada vez 2000 años. Durante estos 2.000 años nuestro planeta estará continuamente bajo una iluminación omnidireccional permanente, que no producirá sombras. Los efectos de esta radiación fotónica serían entre otros el de la aparición de una nueva glaciación, disminución de la velocidad de rotación de la Tierra y cambio del eje de rotación.

Nadie sabe de dónde 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.

              El día que lleguemos a saber lo que encierran los forones…nos podemos llevar una gran sorpresa

“La respuesta podía estar en la existencia de “energía negativa” que igualara la “energía positiva” ordinaria, pero con la particularidad de que cantidades iguales de ambos se unirían para dar nada como resultado”

¿Qué sabemos del vacío? El vacío no existe, ya que… ¡Siempre hay! No, no es el vacío de la imagen

En realidad todo podría ser muy simple, tanto como + 1 – 1 = 0

Diversas fuentes y pesquisas han podido lograr que el presente trabajo vea la luz y sea publicado aquí.

Emilio Silvera Vázquez

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