COSMOS: Una breve introducción al Universo. Aniceto Porcel Rosales SOCIEDAD ASTRONÓMICA GRANADINA

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1 Aniceto Porcel Rosales SOCIEDAD ASTRONÓMICA GRANADINA 1

2 COSMOS: Una breve introducción al Universo Aniceto Porcel Rosales Sociedad Astronómica Granadina Todos sabemos lo que es el Universo, o al menos tenemos una idea de lo que este término significa, así y todo, si hacemos una encuesta pública seguro que obtendremos definiciones formalmente diferentes. Esto se debe a que la idea popular de Universo está ligada a esquemas culturales, filosóficos e incluso religiosos. Cada tiempo, cultura y civilización ha generado su particular cosmología con la que definir y explicar el Universo, pero si nos sustraemos a la idea básica, veremos que para la gran mayoría el Universo es el todo. Filosóficamente el Universo es el equivalente del mundo, entendiendo a éste como el conjunto de todo lo que sucede. De una manera formal podemos decir que el Universo es la totalidad del espacio y el tiempo, toda la materia y la energía, así como las leyes y constantes, conocidas o no, que las rigen. Un sistema cerrado que se rige principalmente por principios causales. Una parte de la comunidad científica asume que el Universo observable es solo una pequeña porción del realmente existente. Nuestro modelo cosmológico afirma que el Universo no es infinito ni temporal ni espacialmente, y su origen se inició con el denominado Big Bang, hace aproximadamente 13,73 ± 0,12 mil millones de años (error de 120 millones de años, algo menos de 1%), y en la actualidad tiene un tamaño de al menos 93 mil millones de años-luz. Puede parecer una paradoja el tamaño del Universo respecto de su edad, ya que según el límite impuesto por la velocidad de la luz, no ha habido tiempo suficiente para que dos objetos puedan estar separados 93 mil millones de años luz, sin embargo, esta separación es una consecuencia de la teoría de la relatividad general que no limita la expansión del espacio al valor de la velocidad de la luz. La teoría del Big Bang propone que el espacio en si se creó a partir de la nada. En el inicio la materia y energía del Universo observable estaba concentrada en un punto de densidad infinita, una singularidad espaciotemporal, tras la cual experimentó un periodo de inflación que arrasó las singularidades iniciales, estabilizándose y expandiéndose. En consecuencia, comenzó a enfriarse y disminuir su densidad. Las irregularidades menores en la distribución de la masa dieron como resultado una segregación que percibimos en la actualidad como cúmulos de galaxias. Todo sugiere que el Universo se ha regido siempre por las mismas leyes y constantes a lo largo de su historia, y que la fuerza dominante a escala cosmológica es la gravedad que provoca una cierta curvatura en el espacio, pero como media ésta es de un valor 2

3 pequeño, con lo que la geometría euclidiana, en general, es exacta en todo el Universo. El Universo tiene por lo menos tres dimensiones espaciales y una temporal, pero experimentalmente se pueden incorporar pequeñas dimensiones adicionales. El espacio y el tiempo parecen estar conectados de forma sencilla. Composición del Universo En su ordenes más grandes de distancias, el Universo es muy homogéneo (isótropo), sin embargo, a nivel local, su estructura es muy fractalizada, es decir, ordenada en una jerarquía de racimo. 3

4 Actualmente los constituyentes primarios son el 73% de energía oscura y el 23% de materia oscura fría y un 4% de átomos. Antes de las primeras fases de formación de estrellas la composición química del Universo era hidrógeno en un 75%, helio-4 en un 25% y una pequeña porción de elementos de isótopos de deuterio, helio-3 y litio. Como consecuencia la materia interestelar de las galaxias ha sido posteriormente enriquecida por elementos más pesados por medio de explosiones de supernovas, vientos estelares y la expulsión de las cubiertas exteriores de las estrellas más desarrolladas. Evolución del Universo Mediante la ley de Hubble, sabemos que el Universo se está expandiendo. Se observa que existe una relación directa entre la distancia de un objeto remoto y la velocidad con que se aleja, y que esto se manifiesta como un desplazamiento hacia el rojo en el espectro electromagnético. Si la expansión ha sido continua, en el pasado los objetos hoy distantes estuvieron juntos en algún momento, en la era más temprana del Big Bang, en la que el Universo sólo era una sopa de plasma caliente e infinitamente densa. Según avanzó la expansión, la temperatura decayó a un ritmo constante hasta un punto en el que se pudieron formar los átomos, y la energía de fondo se desacopló de la materia. Todo el remanente de energía sobrante continuó enfriándose y hoy es detectable como el fondo de radiación cósmica de microondas, una especie de ruido uniforme en todas las direcciones, con una temperatura que ha decrecido sin cesar con la expansión, y que actualmente tiene un valor de 2,725 K. Aunque a nivel global, el balance de la distribución espacial de la materia era uniforme, a las escalas mas locales se formaron condensaciones o grumos que dieron origen a las protogalaxias. Estas galaxias primitivas emitían tanta radiación que deshacían los átomos de sus electrones. En esta situación el gas calentado y en expansión adquirió la masa necesaria para formar las masivas galaxias que observamos hoy día. 4

5 Destino del Universo Cabe especular si la expansión del Universo será continua y para siempre o en algún momento cesará y comenzará una era de contracción. Los dos modelos fundamentales que describen el futuro se basan en diversos parámetros observacionales entre los que tiene especial relevancia la masa real de Universo. Modelo de la Gran Implosión (Big Crunch): Desde hace tiempo los datos observacionales muestran que hay inconsistencia entre la masa observada en los cúmulos de galaxias y el comportamiento gravitacional de estos. Todo parece indicar la existencia de más masa no observable de naturaleza aun desconocida e invisible desde la Tierra. Esta masa, conocida por "materia oscura", tal vez sea el 99% de todo la que hay, y esté distribuida en el halo que rodea a las galaxias. De ser así, la fuerza gravitatoria de toda esa materia quizás pueda frenar e invertir la expansión. Las galaxias retrocederían hasta chocar unas con otras. La temperatura aumentaría y todo el Universo volvería a quedar reducido a un único punto, a partir del que volvería a formarse un nuevo Universo. Según los datos observacionales, esta hipótesis no parece correcta, pues todo indica que la expansión del Universo se está acelerando. Modelo del Gran Desgarramiento (Big Rip): Según él es posible que el destino del Universo dependa de lo que se conoce como "energía oscura", que dependiendo de su valor puede acabar desgarrando toda la materia. La energía oscura es una forma hipotética de materia presente en todo el espacio, que produce una presión negativa y que tiende a incrementar la expansión del Universo, algo así como una fuerza gravitacional repulsiva. En los modelos actuales la energía oscura aporta las tres cuartas partes de la masa-energía total del Universo. Poco se conoce sobre la naturaleza de la energía oscura, es muy homogénea y poco densa, y solo produce interacción con la gravedad. La materia oscura y la energía oscura forman la mayor parte de la masa del Universo, sin embargo no deben confundirse, la materia oscura es una forma más de materia, mientras que la energía oscura es un campo que llena todo el espacio. De ser cierto el modelo del Gran Desgarramiento, la fuerza de la gravedad sería demasiado débil para mantener integrados los grupos de galaxias, posteriormente estas mismas se desmembrarían, los sistemas planetarios perderían su cohesión gravitatoria, las estrellas y planetas se desbaratarían y finalmente los átomos serian destruidos. 5

6 Esta teoría es actualmente la más aceptada, y sus autores calculan que el final del tiempo ocurrirá 3, años después del Big Bang. Estructuras del Universo Galaxias Son el constituyente principal del Universo y han sido definidas como Universos-Isla. Están constituidas por estrellas y materia interestelar, y son de muy diferentes tipos que responden a clasificaciones como la edad, tamaño, brillo y morfología. Una galaxia pequeña puede contener unos millones de estrellas y de las de mayor tamaño puede contener más de un billón de astros, con tamaños que pueden ir de a años luz. Se agrupan en cúmulos y supercúmulos de galaxias. Nuestro sistema solar se halla en una galaxia conocida como Vía Láctea, que tiene un diámetro medio de años luz y contiene unos millones de estrellas. La distancia del Sol al centro de la galaxia es de unos años luz (8,5 Kpc). Se sabe, que el centro de la Vía Láctea, al igual que otras galaxias, alberga un agujero negro. Está integrada en un grupo local de de galaxias con una treintena de componentes. Estrellas Son soles, es decir, esferas de gas muy caliente que brillan por sus reacciones nucleares internas. Nacen del colapso de nubes moleculares causado por inestabilidades gravitacionales, provocadas por supernovas o colisiones galácticas. Estas nubes de hidrogeno molecular empiezan a derrumbarse sobre sí mismas, alimentando cada vez más la atracción gravitatoria. Su densidad y temperatura aumenta sobre todo en la parte central de la nube colapsada dando lugar a una protoestrella. Cuando comienzan las reacciones nucleares que elevan la presión y la temperatura, la fusión del hidrogeno se estabiliza y la estrella entra en la secuencia principal, etapa en la que invertirá el 90% de su vida. Una vez agotado su combustible, el hidrógeno, y derivados más pesados, la estrella termina su vida de formas diferentes dependiendo de su masa. Las de masa baja o intermedia (hasta 9 masas solares) como enanas blancas. Las de masa elevada (de 9 a 30 masas solares) como supernova y su remanente será en la mayoría de los casos una estrella de neutrones. Las masas muy elevadas (más de 30 masas solares) en la mayoría de los casos, dejan como remanente estelar un agujero negro. 6

7 El Sol, nuestra estrella, es un astro de mediano tamaño bastante común, que nació hace unos millones de años, encontrándose actualmente en la fase media de su vida. Sistemas planetarios Un sistema planetario lo componen una o varias estrellas centrales en cuyo alrededor orbitan diversos objetos como planetas y multitud de cuerpos menores. Se cree que en sistemas con estrellas tipo solar su formación es parte del proceso habitual de formación estelar. Nuestro sistema planetario, conocido como sistema solar, está formado por una única estrella, el Sol, ocho planetas, y un vasto conjunto de satélites, planetas enanos, asteroides, cometas y los objetos del cinturón de Kuiper. 7

8 Planetas Según la definición de la Unión Astronómica Internacional, un planeta es un cuerpo celeste que: Órbita alrededor del Sol. Tiene suficiente masa para asumir forma esférica. Ha limpiado la vecindad de su órbita de planetesimales. Nuestro sistema planetario consta de ocho planetas: Mercurio, Venus, Tierra, Marte, Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno. Los cuerpos, de naturaleza planetaria, que giran en torno a otras estrellas diferentes al Sol, se denominan exoplanetas. 8