El
Universo
INTRODUCCION
Desde los inicios de los primeros
cosmólogos Sócrates y Platón que contemplando el sol, la luna y las estrellas se
preguntaban: qué somos, de dónde venimos, a dónde vamos; pasando por Aristóteles, Kepler, Lemaitre, quienes
descubrieron las primeras leyes que rigen los movimientos de
nuestro sistema solar, hasta Newton, Einstein, Hubble, Sandage, Zeldovich,
Hawking, y otros que han contribuido con sus teorías y descubrimientos para determinar
que el universo está en expansión,
continuamente el hombre ha querido encontrar el origen del universo, si pertenecemos a un sistema cerrado o abierto y si este Universo algún día, dentro de miles de
millones de años, lanzará su último suspiro para dejar de existir.
Teorías, se han escrito muchas,
algunas ya han desaparecido, otras han resistido las críticas y análisis de la comunidad de científicos o aún cuentan
con adeptos y las teorías más audaces aún persisten, aunque el único seguidor
sea su expositor. Bueno al fin de cuentas todo el mundo tiene derecho a
exponer sus ideas. Cuando Einstein, con su pensamiento puro, expuso la Teoría de la Relatividad, nadie se lo
creyó y solo el tiempo y comprobaciones científicas le
dieron la razón.
EL UNIVERSO EN EXPANSION
La teoría que más adeptos tiene y
que en cierta forma se ha podido comprobar como lo veremos más adelante, es que
el Universo en su comienzo se formó de una Gran Explosión, la cual envió materia en todas las direcciones y a
medida que se enfriaba y se expandía se formaban las estrellas, galaxias,
cúmulos y supercúmulos. Esto en cierta forma se ha podido comprobar con las
observaciones hechas en el presente siglo desde Edwin Hubble, quien con sus
observaciones astronómicas publicadas en 1929, descubrió que las galaxias se
estaban alejando unas de otras con velocidades constantes y entre más alejadas
estuvieran, mayor velocidad tenían, llegando a determinar
que en un comienzo, toda la materia debía existir junta y debido a esa Gran
Explosión, actualmente las galaxias se alejan entre sí.
Alan Guth con su teoría de la
inflación en 1979, logró crear un modelo matemático que describía la
creación del Universo prácticamente de la nada. Según él, el Universo había
comenzado de una bola de fuego de energía perfecta con una temperatura casi infinita. En el
espacio-tiempo la temperatura bajó a menos de 1026°K, el punto en la cual
rompería la simetría de la gran unificación. Pero en lugar de esto, el campo de
Higgs se estancó y una pequeña partícula del tamaño de un protón sé
superenfrió; dentro de este espacio estaba el equivalente de 10 kilos de falso
frío (la energía latente de Higgs). Esta energía que se radiaba hacia afuera
con fuerza supe explosiva, empezó a
expandirse en forma exponencial. Cada 10-34 segundos la burbuja alcanzaba un
doble tamaño y la energía se multiplicaba por ocho. En el momento en que la
burbuja alcanzaba el tamaño de una bola de tenis (desde su original del
protón), se rompió la simetría en algún lugar de la burbuja en inflación, el
campo de Higgs se congeló y aparecieron pequeñas bolsas de vacío auténtico. Los
vacíos auténticos se precipitaron hacia fuera a través del universo inflado.
Dentro de ellos a medida que se rompía la simetría y que el falso vacío se
desintegraba dando el vacío real, la energía de Higgs se condensaba en materia
y radiación reales. Era la materia y
energía que algún día se convertiría en hidrógeno, helio, estrellas, galaxias,
cúmulos, supercúmulos y sistema solar con la raza humana en la Tierra.
La inflación -proclamó Guth-
ofrece quizá la primera explicación científica de la creación de casi toda la
materia y energía del Universo.
EL UNIVERSO SIN LÍMITES
Prácticamente para determinar si
el universo tiene límite, se debe comprobar si es abierto o cerrado, si el
espacio-tiempo que se imaginó Einstein es curvado, si existe la suficiente
fuerza de gravedad que vaya contrarrestando gradualmente la fuerza de expansión
del Universo hasta detenerla y si esta fuerza logra romper el equilibrio para hacerlo contraer hasta
sus orígenes.
Según la ecuaciones de Friedmann, sobre el
universo en expansión, existe una densidad crítica de masa y energía que equivale a
un átomo de hidrógeno por metro cúbico. Si
el universo es más denso dejará de expandirse, si es menos denso, continuará
eternamente en expansión. Esto se ha representado por la letra Omega (W , la
última del alfabeto griego), dándole un valor de uno. Si omega es mayor que uno
tendremos un Universo finito, si es menor que uno, sería infinito y si es igual
a uno, existiría un equilibrio en un tiempo prácticamente infinito. La
representación gráfica de este concepto puede verse en la figura 1.
Ante la perspectiva de encontrar
omega, los científicos se dieron a la tarea de calcular cuánto hidrógeno
existía por metro cúbico en el Universo, habiendo encontrado que solo existía
o.1 átomo por metro cúbico, es decir, solo el 10% de la masa necesaria para que
el universo dejara de expandirse eternamente.
Posteriores investigaciones sobre el movimiento de galaxias, con el avance de la ciencia, observando los desplazamientos
hacia el rojo de las velocidades de ellas, han permitido determinar que hay
ciertas irregularidades que solo pueden ser explicadas con la existencia de
grandes cantidades de materia inerte, fría y obscura alrededor de las galaxias
con masa muy superior a ellas y que podrían contener el 90% de la masa faltante
para cerrar el Universo.
Las últimas investigaciones, han
detectado la existencia de corrientes y desplazamiento hacia determinadas
direcciones. Por ejemplo toda la Vía Láctea es atraída por el cúmulo de Virgo y
todo el supercúmulo de Virgo es atraído en la dirección general Hidra-Centauro a unos
600 kilómetros por segundo. Según los científicos, esto es posible con la
existencia de grandes masas frías y obscuras, no visibles por otros medios, pero con el efecto de su inmensa
gravedad hacen posible la atracción de galaxias y cúmulos completos,
haciéndoles desplazar en una determinada dirección.
A estas grandes masas frías y
obscuras se les ha denominados Agujeros Negros. Su idea original se remonta a
1784, cuando el inglés John Mitchell expresó "Toda luz emitida por un cuerpo tal habría de
regresar a él, por su propia atracción gravitatoria", concepto que fue
retomado por el Marqués La Place en 1796, al elaborar los
cálculos matemáticos que podrían demostrar esta factibilidad concluyendo "...que
la fuerza de atracción de un cuerpo celeste podría ser tan grande que no
pudiera emanar de él la luz".
Posteriormente Karl Schwarzschild
en 1916, usando la nueva teoría de la relatividad de Einstein, comprobó dichos
cálculos, los cuales fueron ratificados por Roy Kerr y finalmente en la década
de los sesenta tomó su nombre actual de Agujero negro, dado por John A Wheeler,
de la Universidad de Princenton.
La Place encontró una fórmula muy
simple para calcular la velocidad de escape V dada por:
Dónde:
G = Gravedad
M = Masa
R = Radio, del cuerpo al cual se quiere escapar.
Esta simple fórmula produce el
mismo resultado que el obtenido por la teoría de la relatividad, y fue allí
donde Karl Schwarzchild demostró qué radio debe tener un objeto para que la
velocidad de escape desde su superficie sea la velocidad de la luz, encontrando:
donde:
C = Velocidad de la luz
Este radio R, se conoce como "radio
de Schwarzschild" en honor del astrónomo Alemán que primero lo
derivó a partir de la teoría de la relatividad de Einstein.
Radio de
Schwarzschild para algunos objetos astronómicos
Objeto
|
Masa Objeto
(Masas Solares)
|
Radio (Km)
|
Velocidad Escape
(Km/seg)
|
Radio de Schwarzschild
|
Tierra
|
0,00000304
|
6.357
|
11,3
|
9,0mm
|
Sol
|
1,0
|
696.000
|
617
|
2,95 Km
|
Enana Blanca
|
0,8
|
10.000
|
5.000
|
2,4 Km
|
Estrella
Neutrones
|
2
|
8
|
250.000
|
5,9 Km
|
Núcleo de Galaxia
|
50.000.000
|
?
|
?
|
147.500.000 Km
|
COMO SE CREA UN AGUJERO NEGRO
Los científicos creen que los
Agujeros Negros se crean de estrellas gigantes, (unas 30 veces el tamaño del
sol), las cuales consumen su combustible muy rápidamente. Se calcula que el sol
dura unos 10.000 millones de años, mientras que una estrella gigante dura
apenas un millón de años. Durante eseproceso, la estrella gigante se va expandiendo
hasta convertirse en una supergigante roja (figura 2), terminando en una
poderosa explosión de una supernova. Su núcleo posteriormente se colapsa,
convirtiéndose en una estrella neutrónica, para luego después de una
contracción aún mayor de su masa pasa a convertirse en un Agujero Negro, donde
los fotones de la luz no pueden escapar por la intensa gravedad generada por
él.
Los científicos han reportado evidencias que permiten casi,
prácticamente, asegurar la existencia de los agujeros negros en el universo,
tal como semuestra en la siguiente tabla.
Masivos agujeros
negros reportados
Galaxia
|
Comentario
|
Constelación
|
Tipo
|
Distancia
|
Luminosidad
|
Masa
|
Vía Láctea
|
|
|
Sbc
|
28,000
|
1.9
|
2 millones
|
NGC 224=M31
|
Nebulosa
Andrómeda
|
Andrómeda
|
Sb
|
2.3 millones
|
5.2
|
30 millones
|
NGC 221 = M32
|
Satélite de M31
|
Andrómeda
|
E2
|
2.3 millones
|
0.25
|
3 millones
|
NGC 3115
|
|
El sextante
|
S0
|
27 millones
|
14.2
|
2 millones
|
NGC 4258
|
Perros de Caza
|
Sbc
|
24 millones
|
1.3
|
40 millones
|
|
NGC 4261
|
La virgen
|
E2
|
90 millones
|
33
|
400 millones
|
|
NGC 4486 = M87
|
La virgen
|
E0
|
57 millones
|
56
|
3 billones
|
|
NGC 4594 = M104
|
El Sombrero
|
La virgen
|
Sa
|
30 millones
|
47
|
1 billón
|
NGC 3377
|
|
Leo
|
E5
|
32 millones
|
5.2
|
100 millones
|
NGC 3379=M105
|
Leo
|
E1
|
32 millones
|
13
|
50 millones
|
|
NGC 4486b
|
Satélite M87
|
La virgen
|
E0
|
50 millones
|
0.82
|
500 millones
|
NGC 4151
|
|
|
Sey
|
|
|
|
M 84
|
Nebulosa de Orión
|
Orión
|
|
50 millones
|
|
300 millones
|
NGC 6251
|
|
La virgen
|
|
300 millones
|
|
1.000
|
Agujeros negros detectados por emisiones de rayos
|
||||||
Cyg X-1
|
|
El cisne
|
|
|
|
7 ms
|
GRO J0422
|
|
El Cangrejo
|
|
|
|
8 ms
|
A0620-00
|
|
|
|
|
|
|
LMC X-3
|
|
Nube Magallanes
|
|
|
|
8 ms
|
Figura No.2
Nacimiento de un Agujero Negro
En relación al Universo Sandage,
predice que es abierta, es decir infinita, no así su materia, habría reinos vastos e increíbles pero vacíos
sin materia-energía que les diera vida. En este panorama apocalíptico, las
estrellas se agotarán y las galaxias desaparecerán. El sol se quedará sin
hidrógeno en sólo 5.000 millones de años, inflándose y convirtiéndose en una
gigantesca bola roja que transformará los planetas más cercanos (incluyendo la tierra), en cenizas. Dentro de 100.000
millones de años, la vía láctea será un cementerio lleno de cadáveres
estelares, agujeros negros, estrellas de neutrones y enanas blancas Dentro de
un trillón de años (1018), todo esto se aglomerará dentro de un solo y enorme agujero
negro en el centro de la galaxia, dentro de 1027 años, todas las galaxias de un
cúmulo, se habrán fundido en un supe agujero negro galáctico, el Universo
estará formado por estos agujeros negros que continuarán alejándose unos de
otros a grandes velocidades por el espacio muerto y frío, dentro de 10100 años,
estos agujeros negros, con masas equivalentes a miles de millones de soles se
habrá evaporado. No quedará nada aparte de charcos débiles y diluidos de
partículas y radiación separados por billones de años luz.
TESTIGIOS DE LA GRAN EXPLOSION
En cierta forma la razón por la
cual prácticamente se ha podido comprobar la existencia de la Gran Explosión,
ha sido por la posibilidad científica de seguirle el rastro.
En toda gran explosión se generan
tres cosas primordiales: energía calórica, materia y movimiento hacia fuera de
esa materia.
Los científicos calcularon
inicialmente, que la energía calórica remanente y existente actualmente después
de la Gran Explosión en el Universo, debería estar por debajo de 20°K. Fue
George Gamow y un grupo de colaboradores en 1949, quienes
publicaron que la temperatura actual del Universo debería estar por debajo de
5°K. Esto pasó desapercibido increíblemente y sólo en la década de 1960 revivió
por cosas del destino. Arno Penzías y Robert Wilson, ingenieros de los
laboratorios Bell, habían sido contratados para modificar una antena especial
que permitiera la comunicación con los nuevos satélites de comunicación Telstar. Al
estar tratando de equilibrar la ganancia de la antena y efectuar mediciones,
descubrieron una radiación de fondo o ruido independiente de la posición en que
colocaron la antena y efectuar mediciones, descubrieron una radiación de fondo
o ruido independiente de la posición en que colocaran la antena, así ella
apuntará al espacio vacío. La temperatura de esta señal anómala era de unos 3°K
y se producía en una frecuencia de 4080 MHz. Inicialmente pensaron que era des
calibración del equipo y en la primavera de 1965 se dieron por vencidos. Pero
fue aquí donde el destino vino nuevamente a intervenir. Penzías al leer el
artículo de Peebles sobre la posibilidad de medir la radiación remanente de la
Gran Explosión y que esta debería tener unos pocos grados Kelvin, llamó
inmediatamente a Robert Dicke un conocido suyo y colaborador de Peebles para
que juntos analizaran sus investigaciones. Al poco tiempo concluyeron que
Wilson y Penzías habían medido precisamente la temperatura remanente de la Gran
Explosión. En 1978 Robert Wilson y Arno Penzías recibieron el Premio Nobel por
este gran descubrimiento. Posteriores investigaciones y comprobaciones han
situado la temperatura remanente de la Gran Explosión en 2.7°K.
El segundo aspecto que comprueba
la existencia de la Gran Explosión, es la materia producida durante ella. Ya
Peebles había calculado que el 25% debería ser helio, elemento que se produce
por la combustión de hidrógeno. Los trabajos de
Peebles alrededor de la materia que debería haberse formado durante la Gran
Explosión dio origen a una ciencia denominada nucleosíntesis. Fue
así como los científicos ayudados por los avances de la ciencia, mediciones y
observaciones astronómicas en vuelos espaciales, descubrieron que cuando
ajustaban los parámetros de temperatura, presión y densidad de la Gran Explosión
para obtener cantidades correctas de helio, los mismos cálculos predecían la
abundancia correcta de otros elementos como el deuterio y litio, obtenidas en
las observaciones astronómicas, con lo que se llegaba a la conclusión que la
teoría de la Gran Explosión funcionaba.
El tercero y último aspecto de
comprobación de la Gran Explosión, es el relacionado con el movimiento o
velocidad de la materia observable en el Universo, lo cual como se dijo al
principio fue descubierto por Hubble durante las observaciones en el mayor de
los telescopios ubicados en el Monte Wilson Pasadena California y cuya primera
publicación en 1929 causó una gran revolución científica. Hubble determinó
que estábamos en un universo en expansión, donde las estrellas y galaxias se
estaban alejando entre si a velocidades que aumentaban con la distancia, a
mayor distancia que se encontrase una galaxia de nosotros, mayor sería su
velocidad relativa de separación, no importando en qué dirección se observara.
Lo anterior ha sido comprobado mediante mediciones del espectro
electromagnético de la frecuencia doppler y corregimiento hacia el rojo de la
luz recibida de las galaxias, habiendo sido Marc Davis el precursor de estas
mediciones en 1976, con la construcción de lo que llamó la máquina
Z, que no era otra cosa que un espectrógrafo. Aunque inicialmente, la máquina Z
no funcionó, fue desmontada y reconstruida por John Hunchara y David Latham,
quienes lograron en unión de John Tonry, ingeniero de sistemas y encargado de elaborar los programas de computador que controlaría la máquina Z,
hacerla trabajar y medir automáticamente fotón a fotón la luz recibida de los
espectros galácticos, detectándose su desplazamiento hacia el rojo. Con este método elaboraron una gran cartografía en tres dimensiones de todas
las galaxias visibles, comprobándose una vez más la expansión del Universo.
POSIBLE RESPUESTA A ALGUNOS
INTERROGANTES
Hasta aquí se han visto varias
teorías sobre el Universo, su formación y destino, algunas de ellas con bases
científicas por observaciones, mediciones y simulaciones hechas.
Partiendo como un hecho cierto la
existencia de la Gran Explosión aún existen varios interrogantes relacionados
con ella; dos de ellos son:
¿Dónde ocurrió la Gran Explosión?
¿Estamos en un Universo sin límites e infinito?
Con respecto a la primera pregunta
¿Dónde ocurrió la Gran Explosión?, no se ha obtenido aún una respuesta, pero
pienso que se puede obtener con base en el siguiente análisis:
Al ocurrir la Gran Explosión, la
materia de la bola de fuego fue despedida en todas las direcciones, pero no
simplemente en forma de neutrones, protones y electrones, sino en verdaderas y
gigantescas nubes, las más externas a mayor velocidad, las más internas,
lógicamente a menor velocidad, frenadas por las capas exteriores (figura 3); de
estas nubes se formarían las estrellas, galaxias, cúmulos y supercúmulos y nos
daría una explicación de por qué las galaxias más lejanas se observan con una
velocidad relativa de separación o alejamiento mayor. Al no existir nada
alrededor de esta gigantesca bola de fuego, las velocidades de estas nubes solo
podrían ser frenadas unas a otras por la acción de la gravedad de las mismas, pero
esta acción se iría debilitando con el tiempo, por la mayor distancia de
separación entre sí.
Donde ocurrió la Gran Explosión,
sólo quedaría un gran vacío, cada vez mayor y su localización podría ser
posible detectarlo. Por un lado las variaciones de temperatura remanente hacia
dónde esté ese gran vacío debe ser menor. Por otro lado, determinando la
dirección de los vectores de velocidad real (no relativo)
de las galaxias, donde se corten las colas de estos vectores, se encontrará el
centro de la Gran Explosión. Adicionalmente se puede comprobar con
observaciones astronómicas para verificar si existen grandes vacíos en el lugar
estimado anteriormente.
Figura No.3. La Gran
Explosión
En 1977, un equipo de astrónomos
de Berkely, a bordo de un U-2 descubrieron una diminuta variación en el fondo
de microondas. Descubrieron que el cielo era de
tres milésimas de grado más caliente en la dirección del extremo austral de la
constelación de Leo y más fría de modo equivalente en la dirección opuesta. Es
decir, más caliente hacia donde vamos y más fría de dónde venimos. Aquí tenemos
ya un gran vector. En igual forma con las últimas mediciones hechas del
corrimiento hacia el rojo, se ha determinado que toda la vía láctea se mueve en
la dirección de Virgo y ésta a su vez en la dirección general de Hidra-Centauro,
lo que nos permitiría determinar otro gran vector. Finalmente se han observado
grandes vacíos de millones años luz de diámetro, como el vacío del Boyero, que
aparentemente no tienen explicación posiblemente y en uno de esos grandes
vacíos podría estar el centro del Universo.
Para la segunda pregunta: ¿Estamos
en un Universo sin límites e infinito?, se considera lo siguiente:
1. Las ecuaciones de Friedman
requieren por lo menos de un átomo de hidrógeno por metro cúbico, para que el
Universo sea cerrado. Pero si el Universo está en expansión, esta condición
cada vez es más remota de cumplirse.
2. La acción de la gravedad es
también cada vez más débil con la separación de las galaxias al no haber la
suficiente masa para contrarrestar la velocidad de separación, las galaxias
continuarán separándose para siempre. Además las galaxias más lejanas poseen
mayor velocidad, lo que las hace más difíciles de ser atrapadas por la
gravedad.
Se puede concluir como bien lo
expresó Sandage, el Universo no tiene límite y pensando como él, aunque no en
la misma forma de su fin, el Universo cada vez será más frío, es decir, menos
energía, menos hidrógeno, menos combustión, que mantenga vivas las estrellas,
menos posibilidades de interacción de la materia al final se
tendrá materia inerte, sin luz, sin vida, sin capacidad de reacción, separada
entre sí por grandes vacíos de miles millones de años luz, donde lo único que
transcurrirá será el tiempo, pero sin que nadie esté presente para
presenciarlo.
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