Acercaremos el cosmos a los ojos de millones de personas

Astrobloguers

Blog de los aficionados a la Astronomía
Astrobloguers » Un poco (mas) sobre el Universo.

Un poco (mas) sobre el Universo.

El Origen del Universo y la expansión.

 

La Cosmología nos habla del principio del Universo, de su evolución, así como de su final. El método científico nos permite actualmente acercarnos como nunca a comprender como se formó el Universo y como creemos, en base a nuestros observables, que finalizará.

 

¿Que datos tenemos para suponer que el Universo tuvo un origen y no suponer que vivimos en un universo eterno e inmutable como algunas cosmologías ancestrales pensaban?

 

La Paradoja de Olbers.

 

¿Por qué el cielo durante la noche es oscuro?

 

Esta pregunta, aparentemente tan simple, se la conoce como la paradoja de Olbers, formulada por el astrónomo vienes H. Olbers en 1826.

 

Supongamos que nos encontramos ante un universo infinito, eterno e inmutable, situación que nos recordará a ciertas Cosmologías antiguas. En este universo suponemos que esta lleno de estrellas, de infinitas estrellas independientemente de sus agrupamientos locales en cúmulos o galaxias. En cualquier dirección que miráramos en el cielo, nuestra línea de visión debería alcanzar la vista de una estrella, por lo que el cielo no debería ser oscuro, si no brillar todo el firmamento como un sol inmenso.

 

Pero de la experiencia de la observación de la noche estrellada y de la existencia de nosotros mismos, sabemos que ese escenario en el cual la vida a priori no sería posible, no existe. Podríamos argumentar la presencia de materia interestelar que absorbe la radiación de las estrellas, pero como el universo es eterno, la materia interestelar se habría ionizado a base de recibir calor de las estrellas y hubiera empezado a brillar también.

 

Según el planteamiento inicial, o bien el universo no es infinito, no es eterno o no es inmutable.

 

En realidad hoy sabemos que el universo esta en expansión, por tanto no es inmutable, y además tampoco es eterno, tuvo un origen.

 

Que las estrellas se alejen de nosotros a grandes velocidades (en grandes estructuras llamadas galaxias) implica que la luz se debilita al reducirse la longitud de onda de los fotones emitidos. La luz de las estrellas lejanas esta tan corrida al rojo que no podemos observarlas, de forma que esa energía apenas es capaz de aumentar la temperatura de un universo mayoritariamente frío.

 

Además de ello, saber que el universo tuvo un origen y admitir que tiene una edad, implica que cuando miramos muy lejos en el espacio y por tanto muy lejos en el tiempo, posiblemente miremos hacia lugares donde las estrellas aún no han empezado a formarse y brillar.

 

El universo, quizás infinito en extensión, es finito en edad, quizás unos entre 15 y 20 mil millones de años, de forma que la luz procedente de aquellas regiones aún no ha llegado a nosotros.

 

La Teoría del Big Bang

 

El hecho de descubrir que las galaxias se alejan unas de otras, y que cuanto más lejanas están, más se alejan, nos llevan a pensar en un universo en expansión.

 

No es difícil pensar, que si pasamos la película de la expansión del Universo en dirección contraria, en algún momento todas las galaxias estaban juntas, en el origen de lo que pudo ser el universo.

 

El modelo que explica el origen del universo en base a un instante inicial en el que se produjo un evento que inició la separación de la materia, se llama modelo de la gran explosión o Big Bang. Paradójicamente esta conocida denominación viene del destacado astrofísico ingles Fred Hoyle, detractor de la idea de expansión, que en 1949 utilizó el
término “Big Bang” en un programa de radio para ridiculizar la misma a favor de su teoría del estado estacionario.

 
 universe_expansion_es

La teoría de un origen implica algunas consecuencias que deben ser manifestables mediante observables y los observables deben de estar de acuerdo a la teoría de un origen. Así, un pasado en el que la materia estaba más densa y más caliente, indujo a pensar en 1948 a George Gamow, uno de los padres de la teoría de la gran explosión junto al belga Lemaitre (1929) que formuló la hipótesis del átomo primigenio, que debía existir un observable de ese pasado, que poco después sería bautizado como fondo de microondas. La hipótesis de Gamow también explica la formación de los elementos más ligeros y sus proporciones en los primeros instantes del universo, llamada núcleo síntesis primordial.

 

El hecho de que el Universo se encuentre en expansión o estático ha suscitado también grandes polémicas en el pasado entre grandes astrofísicos.

 

 Einstein, en el desarrollo de su relatividad General (1916), la física que nos explica el Universo, no contemplaba un universo estático, sin embargo Einstein era inicialmente un defensor del modelo estático  y ello le llevó a buscar una errónea constante cosmológica para añadirlas a las formulas de su relatividad, cuya solución explicara satisfactoriamente el universo estático.

 

 Einstein reconocería años después que el intento de introducir una constante cosmológica, atendiendo a la creencia de cómo debía ser el universo, fue uno de los peores errores de su carrera. A Einstein también le debemos, junto con la primera formulación matemática del universo, el enunciado del llamado Principio Cosmológico, según el cual el Universo es homogéneo e isótropo considerando las grandes estructuras, lo que implica que no existe un lugar privilegiado de observación en el mismo.

 

Friedman (1923) sería el primer físico que aplicaría los desarrollos relativistas de las ecuaciones de campo de Einstein correctamente a un modelo de universo, obteniendo una solución a la que muchas veces se refiere por Friedman-Lemaitre-Robertson-Walker (modelo FLRW), que implica un universo en expansión (o contracción), homogéneo e isótropo.

 

En 1933 el astrónomo suizo F. Zwicky estudió la distribución de las galaxias y fue el primero en llegar a la conclusión que era preciso recurrir a la existencia de una cantidad de materia que no podemos observar (llamada materia oscura) que explique sus movimientos relativos. La introducción de un nuevo concepto como la materia oscura, veremos más adelante que es muy importante para saber como evolucionara el universo.

 

En 1965 el descubrimiento del fondo de microondas (Penzias y Wilson) fue el espaldarazo definitivo a la Teoría del Big Bang.

 

Los últimos 15 años, mediante el análisis de los datos del satélite de microondas COBE, HST y WMAP, se han logrado grandes avances en Cosmología, que siempre tratan de ampliar o detallar aspectos dentro de la Teoría del Big Bang, aunque no siempre con resultados previsibles, como los más recientes referidos a la supuesta aceleración en la expansión del Universo, que vendría a explicarse mediante la presencia de una energía negativa del vacío.

 

El Origen de la materia

 

Los físicos emplean el término eufemístico “singularidad” allá donde las funciones matemáticas que describen la física del objeto o lugar, adquieren valores de infinito o está definida en un sentido extraño, como con valores exóticos.

 

 Lógicamente cuando describimos procesos donde las densidades adquieren valores elevadísimos, como agujeros negros, o bien acontecimientos donde no comprendemos aplicando nuestras ecuaciones sus soluciones, nos solemos encontrar con singularidades.

 

El Big Bang generó las dimensiones desde una singularidad y la idea que tenemos de explosión como con las que estamos familiarizados, no es un concepto correcto, pues no estalló una gran cantidad de masa expandiéndose en el espació, pues fue la misma materia u energía en combinación con el espacio la que sufrió la expansión repentina.

 

No es un concepto fácil ni de explicar ni de transmitir, la cosmología dista mucho de ser una ciencia intuitiva pues se mueve con conceptos como dimensiones o singularidades que se nos escapan de nuestra experiencia habitual, y sólo podemos recurrir a comparaciones o analogías, casi siempre odiosas.

 

Según las observaciones de las supernovas de tipo 1a en galaxias lejanas y la variación minima de temperaturas observadas en el fondo de microondas, eco de la gran explosión, los científicos aceptan un valor para la edad del universo de unos 14.000 millones de años.

 

El universo inicialmente se encontraba lleno de energía muy densa y una alta temperatura y presión, de forma homogénea (uniformidad) e isótropa (proporciones idénticas). Tras el instante de singularidad inicial, se vio sometido a un enfriamiento e inflación muy rápido que produjo algo análogo a los cambios de fase que se estudian en termodinámica.

 

 

 universo

A los 10-35 segundos, la expansión exponencial dieron como resultado la primera condensación e energía en materia, una sopa quántica relativista de quarks-gluones. A medida que se enfriaba el universo, la sopa cuántica se reestructuro en un proceso llamado bario génesis en la que surgieron los bariones que formarían el protón y neutrón. Fue en ese momento cuando se produjo una asimetría entre la materia y antimateria y aparecieron las cuatro fuerzas de la física, y las partículas quánticas que ahora conocemos.


 

En el proceso denominado núcleo síntesis primordial, los protones y neutrones se combinaron formando núcleos de hidrogeno (H1), deuterio (H2), isótopos del Helio He3 y He4 y el isótopo del Litio Li7. Este proceso duraría apenas unos 3 minutos y se iniciaría sólo cuando las temperaturas bajaron lo suficiente para permitir la fusión nuclear.

 

La Teoría del Big Bang predice las proporciones de estos elementos formadas en esos instantes (75% H1, 25% He4, 0,01% de deuterio y 10-10% de Litio), y de hecho esa predicción constituye uno de los pilares más fuertes en la refutación de la Teoría, pues coincide con los observables.

 

 Los átomos más sencillos –hidrogeno y helio-, tal y como hoy los conocemos, no se formarían probablemente hasta pasados unos 300.000 años.

 

Con el tiempo, las regiones con mayor presencia de materia, se agruparon por fuerza de la gravedad, formando nubes de gas, estrellas y galaxias. El porque de la distribución, vendrá en buena medida determinada cuando obtengamos más y mejores medidas sobre la materia oscura, que actualmente se acepta que debe de representar el 80% de toda la materia presente en el Universo y que apenas acabamos de empezar a detectar.

 

El destino del Universo

 

Nos apoyamos sobre una Teoría bastante bien fundamentada y refutada por tres evidencias empíricas principales; la expansión del universo de acuerdo a la ley de Hubble, las medidas del fondo cósmico de microondas y la proporción de los elementos ligeros.

 

La Teoría del Big Bang explica satisfactoriamente el origen del universo e incluso su actual estado, pero encuentra grandes problemas para explicar su evolución o su final.

 

Hace unas décadas los cosmólogos se preguntaban si el universo continuaría expandiéndose indefinidamente (modelo de universo abierto), o bien si existiría suficiente materia para frenar la expansión y provocar un colapso (universo cerrado).

 

A la cantidad de masa necesaria para provocar que nos encontremos en un escenario u otro se la denominó densidad critica.

 

Si el universo se expande indefinidamente, las estrellas se iran apagando y la mayor separación e inter actuación de los sistemas impedirá nuevas generaciones de estrellas, la temperatura media del universo continuará bajando así como su densidad, de forma que el universo alcanzará el cero absoluto y objetos exóticos como los agujeros negros se evaporarían por efecto de la llamada radiación de Hawking (1976) que postula la emisión de energía en el horizonte de sucesos del objeto por fluctuaciones quánticas de las partículas debido a la aparición de pares partícula-antipartícula.

 

Sin entrar en más detalles físico-quánticos, el universo moriría térmicamente.

 

Sin embargo determinar con exactitud la cantidad de materia oscura, y la energía oscura que podría provocar una aceleración en la actual medida de la expansión del universo, son claves para determinar el destino del Universo

 

 

Los huecos del Big Bang

 

El actual modelo, basado en el Big Bang, no explica los primeros instantes tras la gran explosión, que esta íntimamente ligado a la teoría de la gran unificación.

 

Tampoco explica de forma satisfactoria la formación de las grandes estructuras observadas actualmente.

 

El hecho de que se haya observado una aceleración en la expansión del universo implica que la Teoría debe explicar de alguna forma ese observable, que en parte puede estar vinculada a la materia y energías oscuras, de las que conocemos muy poco.

 

Ilustraciones: Wikipedia

Publicado bajo la categoría Cosmología, General

Un comentario a “Un poco (mas) sobre el Universo.”

  1. Muy bueno…¡me ha gustado mucho!.
    Saludos.

Deja un comentario

Arriba | Entradas (RSS) | Comentarios (RSS)