Grandes Hitos en la Comprensión del Universo
A lo largo de la historia, diversos pensadores y científicos han contribuido a nuestra comprensión del cosmos. A continuación, se presenta un resumen de sus modelos y descubrimientos clave:
- Ptolomeo (Siglo II)
- Se basó en la idea de Aristóteles, que postulaba que la Tierra estaba ubicada en el centro del universo (modelo geocéntrico), rodeada por ocho esferas. Estas esferas contenían la Luna, el Sol, Mercurio, Venus, Marte, Júpiter y Saturno, y en la esfera exterior se encontraban las llamadas estrellas fijas. Esta concepción se conocía como el Universo Estacionario.
- Nicolás Copérnico (Siglo XVI)
- Propuso que en el centro del universo se hallaba el Sol (modelo heliocéntrico), y que la Tierra y los demás planetas describían órbitas circulares a su alrededor.
- Galileo Galilei (1609)
- Inventó el telescopio y descubrió los satélites o lunas que acompañaban al planeta Júpiter, orbitando alrededor de él. Este hallazgo demostró que no todos los objetos debían girar alrededor de la Tierra. Impuso la observación y experimentación como método de investigación. (*Satélite: cualquier cuerpo que describe una órbita alrededor de un cuerpo mayor).
- Isaac Newton (Siglo XVII)
- Formuló la Teoría de la Gravitación Universal. Estableció que todos los objetos en la Tierra son atraídos hacia su centro con una fuerza de 9,8 m/s2. Además, postuló que todo cuerpo es atraído por los demás con una fuerza proporcional a la masa de cada uno. Dado que las estrellas tienen masa, Newton supuso que debían ser atraídas por otras estrellas. De esta forma, comenzó a cuestionarse la idea de un universo estacionario.
- Albert Einstein (1915)
- Formuló la Teoría de la Relatividad, incluyendo modificaciones para que sus ideas fueran compatibles con la del universo estático. Esta concepción cambió a principios del siglo XX con las observaciones de Edwin Hubble.
- Edwin Hubble (1929)
- Observó que las galaxias lejanas, en cualquier dirección que se mirase, se alejaban de nosotros a gran velocidad. (Explicación y conclusión: ver sección «Universo en Expansión»).
Unidades de Medida de Distancias en el Universo
La unidad de medida principal es el año luz. Un año luz es la distancia que recorre la luz en un año. Dado que la velocidad a la que viaja la luz es inmensamente grande (aproximadamente 300.000 km/s), un año luz representa una distancia enorme. Es importante destacar que el año luz es una unidad de longitud y no de tiempo. Se utiliza porque las distancias en el universo son tan vastas que las unidades terrestres, como metros o kilómetros, resultan imprácticas.
Las Galaxias
Formación de las Galaxias
Según el modelo de formación del universo más aceptado, a partir del momento en que se produjo la explosión del Big Bang, el universo comenzó a expandirse y enfriarse. También se formaron los elementos químicos más livianos, como el Hidrógeno y el Helio. Durante la expansión, la materia se fue aglutinando, debido a la atracción gravitatoria, en las regiones donde la densidad era mayor. Después de millones de años, el universo quedó formado por millones de «islas» de materia, principalmente de hidrógeno y helio, en medio del espacio prácticamente vacío. Dentro de cada una de estas nubes se formaron millones y millones de estrellas. Estos grupos de estrellas son los actualmente llamados GALAXIAS. A partir de una de estas enormes masas gaseosas se formó nuestra galaxia: la Vía Láctea.
Las galaxias, a su vez, están agrupadas en cúmulos de galaxias. Por ejemplo, el Cúmulo Local, al que pertenece la Vía Láctea, tiene alrededor de treinta galaxias. Solo en la nuestra hay cien mil millones de estrellas, una de las cuales es el Sol. La galaxia más grande del Cúmulo Local es Andrómeda, el objeto más lejano que puede verse a simple vista desde la Tierra, y se encuentra a 2,3 millones de años luz. El Cúmulo de Virgo, que se encuentra a 50 millones de años luz del Cúmulo Local, podría tener más de 10 mil galaxias. La galaxia M87 pertenece al Cúmulo de Virgo y es, entre las conocidas, la galaxia de mayor masa.
Tipos de Galaxias
El proceso de formación de galaxias dio como resultado cuatro tipos diferentes:
- Las espirales
- Las espirales barradas
- Las elípticas
- Las irregulares
La Vía Láctea
La Vía Láctea es una galaxia espiral que gira sobre sí misma muy lentamente.
Formación y Evolución de las Estrellas
Formación de las Estrellas
Una estrella se forma cuando una gran cantidad de gas, principalmente nubes de hidrógeno, es comprimida por la gravedad. El hidrógeno se calienta tanto que comienza a fusionarse, formando así otros elementos. Inicialmente, estas nubes gaseosas tienen una luz azulada tenue, y luego de millones de años, se «encienden» como el Sol.
No se puede construir el mundo solo con hidrógeno y helio. El mismo proceso que hace que las estrellas brillen, crea el carbono, oxígeno, neón y demás átomos. Las estrellas son fábricas nucleares gigantes de elementos.
Los átomos de hidrógeno se fusionan (reacción nuclear de fusión) formando helio, lo que produce energía y causa el brillo de las estrellas. Como el helio es más pesado que el hidrógeno, se deposita en el centro de la estrella. Posteriormente, el helio se fusiona y crea nuevos elementos como el carbono. Así se van formando capas, como una cebolla, donde en el centro quedan los elementos más pesados como el neón y el oxígeno, hasta que se forma el hierro. Este último elemento no produce energía al fusionarse, sino que la consume, lo que provoca que el «fuego» comience a apagar la estrella. El hierro se acumula en el centro, consume toda la energía, apagando la estrella. Entonces, la gravedad la aplasta. A medida que el núcleo se comprime, su temperatura aumenta hasta 100 veces más que la temperatura del Sol. Al final, la estrella colapsa y explota. Al morir la estrella, nace otra (supernova). La explosión genera una onda expansiva que atraviesa toda la estrella con tanta temperatura que funde y crea los elementos más pesados, como el oro, la plata, entre otros.
Las Estrellas se Siguen Formando
En el universo hay regiones donde se están formando estrellas. En esas zonas se encuentran acumulaciones de gas y polvo que se agrupan, debido a la atracción gravitatoria, formando nebulosas. Estas no brillan por sí mismas, sino que reflejan la luz proveniente de otros astros luminosos. A veces, tapan las estrellas que tienen detrás, como cuando las nubes nos ocultan el Sol. En la Nebulosa de Orión se pueden observar procesos de formación de estrellas.
El Final de las Estrellas
Las estrellas brillan durante millones de años, pero no lo hacen eternamente. Tienen una cantidad determinada de combustible que, en algún momento, se agota. El final de una estrella depende de la cantidad de masa de la misma: cuanto más masa tiene, más rápido se apaga, porque al tener más masa necesita consumir más combustible para equilibrar la atracción gravitatoria, que es mayor que en una estrella pequeña. Por ejemplo, el Sol es una estrella que no es ni muy vieja ni muy joven, no tiene mucha masa y ha estado brillando 5.000 millones de años; probablemente tenga combustible para brillar 5.000 millones de años más. Estrellas más grandes, con mayor masa, pueden durar tan solo cien mil años.
Etapas Finales Estelares
- Gigante Roja
- Cuando todo el hidrógeno de la parte central de una estrella se transforma en helio, el núcleo no puede equilibrar más la gravedad de las capas externas y se contrae. Al colapsar, la temperatura en el centro aumenta y la presión hace expandir las capas externas hasta que el diámetro se multiplica por cien. La temperatura en la superficie baja de 20.000 °C a 3.000 °C para una estrella de gran masa. Eso hace que su color cambie del blanco intenso al tono rojizo, convirtiéndose en una gigante roja. El colapso de su núcleo se detiene cuando la temperatura es suficiente para que la nucleosíntesis transforme el helio en carbono, oxígeno y elementos más pesados. Las capas externas pueden ser expulsadas durante el proceso de expansión. Si la masa de la estrella es como la del Sol, se vuelve a contraer, convirtiéndose en una estrella poco brillante pero muy densa: una Enana Blanca.
- Enana Blanca
- Tienen una centésima parte del radio solar, pero son muy densas y pesadas; su masa es aproximadamente igual a la del Sol.
- Agujero Negro
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Se describe al agujero negro como una singularidad. Se produce cuando una estrella, en lugar de frenar su compactación, continúa colapsando hasta convertirse en un agujero negro. Se llama así porque la luz no tiene forma de escapar de su inmensa gravedad. Es un lugar donde las leyes de la física que conocemos no pueden ser aplicadas del todo, y se proponen diversas interpretaciones sobre su naturaleza.
Características:
- Gravitación enorme: los objetos y cuerpos caen, y cuanto más caen, más lento pasa el tiempo, lo que hace que nunca dejen de caer (desde la perspectiva de un observador externo).
- Estrellas de Neutrones
- Son los remanentes de estrellas muy pequeñas y muy pesadas. Un solo trozo de materia de una estrella de neutrones con el tamaño de un terrón de azúcar pesaría cien millones de toneladas en la Tierra.
- Supernova
- Si la estrella gigante roja tiene mucha masa, mucha más que la del Sol, a través del proceso de nucleosíntesis (reacción nuclear) se producen cadenas de reacciones nucleares que llegan hasta la producción de hierro. Después de este punto, el aumento de la temperatura da lugar a una violenta explosión, denominada Supernova. Luego de la explosión, el núcleo de la estrella es tan denso que una pequeña muestra del tamaño de una cabeza de alfiler pesaría muchas toneladas en la Tierra. Esos núcleos pesados pueden transformarse luego en estrellas de neutrones o bien en agujeros negros.
El Sol
El caso del Sol, una estrella solitaria, no es común en el cosmos. Más de la mitad de las estrellas que se observan en el cielo son, en realidad, sistemas de dos estrellas que giran una alrededor de la otra. Por ejemplo, Sirio, la estrella más brillante que vemos a simple vista, tiene por compañera una enana blanca. Pero también hay sistemas de tres estrellas y hasta de seis. Alfa Centauri, la estrella más cercana al sistema solar, es en realidad un sistema compuesto por tres estrellas.
Constelaciones
Diferentes culturas imaginaron que en el cielo existían distintas figuras formadas por estrellas. Es decir, son conjuntos de estrellas que tienen alguna figura especial a la que el hombre, con su imaginación, les puso nombre. Ejemplos:
- Centauro (caballo con cabeza de hombre)
- Cruz del Sur
- Orión
- Las Tres Marías
- Y muchas más.
El Universo en Expansión
En 1929, Edwin Hubble, al analizar la luz de las estrellas, se dio cuenta de que ciertas líneas del espectro de la luz de las estrellas, en lugar de encontrarse en sus posiciones habituales, estaban desplazadas hacia el rojo en el espectro de luz. Este fenómeno se conoce como corrimiento al rojo.
El desplazamiento hacia el rojo se pudo medir en todas las galaxias y solo puede significar una cosa: los cuerpos celestes se alejan unos de otros, y esto se produce a una velocidad cercana a la de la luz. ¿De dónde sacan las galaxias energía para hacerlo de forma tan veloz? La clave es que las galaxias no se expanden, sino que se expande el espacio entre ellas. Cada segundo, el espacio se expande a una distancia equivalente a un año luz, creando así 15 mm de espacio (Nota: esta cifra de 15mm por segundo por año luz de distancia es una simplificación, la expansión es más compleja). Es la expansión del espacio la que separa las galaxias. Esto explica por qué las galaxias más lejanas parecen escapar a mayor velocidad.
(Ejemplo del globo: ver video)
Conclusión: Si las galaxias se están alejando, en algún momento estuvieron cerca, todas juntas, concentradas y fundidas en un punto. Esta es la idea de la singularidad inicial del Big Bang.
En el año 1929 se inventó un telescopio con el que se podía ver más lejos y más claro en el espacio. Y mientras más lejos vemos, más atrás en el tiempo estamos viendo, es decir, observamos el pasado de lo que estamos mirando.
El Efecto Doppler
Este fenómeno se explica con el efecto Doppler.
La ambulancia de la imagen se desplaza de izquierda a derecha. Cuando se acerca a la chica de la figura que lleva un maletín, en la derecha de la imagen, la onda «se comprime», es decir, la longitud de onda es corta, la frecuencia alta y, por tanto, el tono del sonido percibido será agudo. Por otro lado, cuando la ambulancia se aleja, a la izquierda de la imagen, la onda «se descomprime», es decir, la longitud de onda es larga, la frecuencia baja y, por tanto, el tono que percibe la chica que lleva el bolso será grave.
Finales Posibles del Universo
Existen varias teorías sobre el destino final del universo:
- Big Crunch (Gran Colapso): El universo podría expandirse hasta un punto y luego comenzar a compactarse, hasta que lo haga totalmente, sería como un Big Bang al revés. Se dice que luego se crearía otro Big Bang y se volvería a compactar, y así sucesivamente. Debemos recordar que la gravitación siempre está presente.
- Universo Plano o Abierto: El universo se expande justo lo necesario como para no compactarse, pero cada vez a menor velocidad, tendiendo a un límite.
- Expansión Acelerada: El universo se expande, pero acelerándose. Esto se cree que está sucediendo actualmente, y se está investigando el porqué de esta expansión con aceleración, ya que no hubo ninguna gran explosión que por sí sola explicara este fenómeno. Se postula la existencia de la energía oscura.
Estudio de las Estrellas y el Cosmos
Los científicos se dieron cuenta de que, desde las estrellas, no solo llegaba luz visible, sino también otro tipo de radiaciones electromagnéticas. Las galaxias, normalmente, emiten luz en todo el rango de radiaciones: desde ondas de radio y microondas, pasando por rayos infrarrojos (IR), luz visible y ultravioleta (UV), hasta rayos X y gamma de alta energía. Para estudiar estas radiaciones, que no son visibles, se necesitan detectores especiales para cada una de ellas. Luego, esa información se procesa y se construye una imagen.
En las últimas décadas del siglo XX, con la puesta en órbita, por parte de distintos países, de satélites que detectan esas radiaciones, se ha podido obtener información muy valiosa para estudiar y comprender los procesos que rigen en el universo. Por ejemplo, el Sol es la fuente de ondas de radio más luminosa del cielo; otra fuente de ondas de radio es Júpiter. El radiotelescopio de Arecibo en Puerto Rico es el más grande del mundo, con 305 m de diámetro, y está construido en una hondonada natural que funciona concentrando las ondas de radio en el receptor suspendido sobre ella. Luego, esa información debe procesarse para construir una imagen. Este radiotelescopio está fijo, por lo que no puede orientarse; pero hay otras antenas dirigibles que permiten cambiar su orientación y miden de 50 a 100 metros de diámetro.
La Teoría de la Relatividad
Albert Einstein fue el primero en afirmar que si usted viaja lo bastante rápido como para acercarse a la velocidad de la luz (300.000 km/s), podría retardar o dilatar el tiempo. Esto significa que si usted conserva esa velocidad, podría alcanzar la estrella más próxima en tres años, mientras que en la Tierra habrían transcurrido 21 años, ya que nadie se movió a la velocidad de la luz. Esto sería una realidad para las células de su cuerpo, que serían más jóvenes que las de la gente que no realizó el viaje, por lo que usted habría experimentado el envejecimiento como un fenómeno relativo.
La teoría del Big Bang es una de las más aceptadas científicamente. Sabemos, como católicos, que sea la teoría que sea, hay un único creador de todo lo que existe.