Misterios del universo


Los miles de millones de fragmentos que formaron la Vía Láctea aun guardan muchos secretos. Indagamos aquí algunos de ellos que han apasionado a los científicos a lo largo de los siglos.

1 – La materia oscura.

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Por que no se nos viene la Luna encima, o por que no sale expulsada. Lo mismo los planetas, incluida la Tierra, por que no caen en el Sol, pero tampoco se escapan de el.

Isaac Newton, en 1685, fue el primero que ofreció una explicación razonada y confiable de este fenómeno. La fuerza que mantiene a los planetas en rotación es de la misma naturaleza que hace que los objetos caigan a la Tierra, postulando una expresión matemática para ella, conocida cómo Ley de la gravitación universal. La fuerza que ejerce un objeto con masa sobre otro es directamente proporcional al resultado de multiplicar sus masas, e inversamente proporcional (dividido entre) el cuadrado de la distancia que los separa.

Con todo, en 1933 el astrofísico suizo Fritz Zwicky observo que cúmulos de galaxias rotaban alrededor de un centro a gran velocidad y, no obstante, se mantenían agrupadas. Y las estrellas en las galaxias espirales giraban a velocidades muy grandes sin salir expulsadas.

Según las leyes de Newton la velocidad de una estrella a lo largo de su órbita depende de la masa de la galaxia contenida dentro de la órbita de la estrella. Ademas, cuanto mas alejada se halle del centro mas lenta debería ser su velocidad de rotación. Sin embargo, la masa detectable es mucho menor de lo esperado. Debe tratarse de algo desconocido que no emite o refleja suficiente radiación electromagnética para detectarse directamente con los medios técnicos actuales, debe ser materia “extraviada” pensaba Zwicky, materia oscura. Haciendo los cálculos de la materia detectable, y de la necesaria pero nunca vista, constituye aproximadamente 23% de la masa del universo observable.

Existen algunos sospechosos pero pocas evidencias, que pueden ser extrañas partículas como los axiones, los neutrinos estériles, o partículas masivas de interacción débil, incluidos los neutralinos (WIMPs, por sus siglas en ingles), o bien, objetos nada exóticos como estrellas enanas café, viejas enanas blancas, estrellas de neutrones, hoyos negros, todo ellos conocidos colectivamente como MACHOs.

2 – Formación de las galaxias.

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Hasta antes de 1920, de las galaxias no sabíamos mas allá de que fueran nubosidades lechosas. Fue Galileo quien hasta 1610 pudo distinguir con su telescopio que, en efecto, “la Galaxia no es otra cosa que un conglomerado de innumerables estrellas reunidas en montón“. Galileo observo, ademas, que la nuestra no era la única blanca nube de aspecto lechoso que en realidad era un conglomerado de estrellas, sino que por diversas regiones del cielo “se advierten congregaciones similares“, llamadas hasta entonces nebulosas.

Según el astrónomo Guillermo Tenorio Tagle, del Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica, medio millón de años después del Big Bang se inicia la historia de las galaxias. Pequeñas nubes de hidrógeno y helio se enfriaron y agruparon para formar nubes de dimensiones de una a cien millones de masas solares. Mil millones de años mas tarde, la gravedad produjo la condensación de estas masas de materia, provocando violentos brotes de formación de estrellas en cada nube. Otros mil millones después, las estrellas generadas se aglutinaron formando estructuras que no llegaban a ser galaxias. La gravedad mantuvo irregularmente apiñadas estas estructuras, y en su interior, las estrellas envejecieron agotando su combustible de hidrogeno, las mas masivas explotaron espectacularmente como supernovas, esparciendo material cada vez mas pesado. En algún momento la masa de estas protogalaxias llego a tener la suficiente densidad y colapsaron, fragmentándose. Las estrellas arracimadas empezaron a aglomerarse en su centro, formando un núcleo muy brillante, rodeado de cúmulos globulares y nubes de polvo y gas.

Durante el colapso el movimiento de polvo, gas y estrellas tiende a organizarse cual remolino. Las galaxias elípticas quedan formadas cuando el colapso final del halo de gases y cúmulos globulares hacia su centro coincide con una veloz formación de estrellas. Las galaxias espirales, como la nuestra, evolucionaron de manera similar a las elípticas, solo que al principio contenían una mayor cantidad de gases difusos, formándose sus estrellas más lentamente. El disco gaseoso se desarrollo de adentro hacia fuera, mientras fue adquiriendo su característica forma espiral.

3 – Energía oscura.

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Mientras que la materia oscura tiene un papel importante en el nacimiento y evolución de las galaxias, hay otra fuerza desconocida que es, en parte, responsable de su crecimiento. En 1924, Edwin Hubble observo que la “nebulosa” de Andromeda era en realidad un conglomerado de estrellas, otra galaxia. En los años siguientes, Hubble continuo observando nebulosa tras nebulosa, y no dudo que cada una de ellas era otra galaxia. Observo algo mas, todas ellas se estaban alejando. Cuanto mas lejana la galaxia, mayor su velocidad de alejamiento. El universo se esta expandiendo, concluyo. Con base en la idea de gravedad, la masa de las galaxias debería estar ejerciendo una fuerza de atracción entre ellas, pero según observo Hubble, existe entonces una fuerza repulsiva, una energía misteriosa, oscura, indetectable. La existencia de esta energía oscura es la teoría mas aceptada en astrofísica para explicar la expansión del universo y su tasa de expansión. Esta energía representa 74% del universo.

4 – Lentes gravitacionales.

Misterios del universo (4)

En su Teoría de la relatividad general, Albert Einstein hizo un análisis diferente de la gravedad de Newton. Esta puede entenderse como un efecto geométrico de la materia sobre el espacio tiempo. Cuando una masa ocupa una región del espacio tiempo, esta provoca que aquel se deforme.

La luz también es desviada por objetos masivos. Una de las predicciones de la teoría de la gravitación de Einstein fue que los rayos de luz al pasar cerca de un objeto masivo, se desviaran siguiendo la curvatura del espacio-tiempo asociada al campo gravitacional del objeto. Para probar su teoría propuso que las posiciones de las estrellas visibles en las cercanías del disco solar durante un eclipse total de Sol se verían desviadas en un pequeño angulo respecto a sus posiciones conocidas en ausencia del Sol. Durante un eclipse total de Sol en 1919, la predicción de Einstein fue comprobada.

Actualmente, con tecnología mas avanzada como la incorporada al Telescopio Espacial Hubble, se han tornado abundantes fotografías de regiones muy lejanas del universo, hasta 10 mil millones de anos luz de distancia, en las que se pueden observar extraños y sorprendentes anillos luminosos, o bien sucesiones de arcos de luz, fenómenos que Fritz Zwicky bautizo como lentes gravitacionales, causados por materia muy masiva e invisible, pero capaz de desviar la luz emitida por galaxias o cúmulos de galaxias, observables en forma de anillos o arcos.

Las lentes gravitacionales son analizadas para detectar y cuantificar objetos muy masivos no observables por los detectores de luz.

5 – ¿Expansión indefinida o contracción?

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Con lo que sabemos hoy del universo existen dos futuros posibles: un final con un gran colapso, o un destino eterno y sin final.

Si existe suficiente materia en el universo, las fuerzas gravitacionales detendrían su expansión. Si esto sucediera, la película que hasta ahora hemos visto comenzara a verse en reversa hacia el comienzo, hasta su colapso. Algunas teorías postulan que el universo podría caer al mismo estado que en sus inicios, dando lugar a otro Big Bang. Desde esta perspectiva tendría lugar un bucle de continuas fases de expansión y contracción: Gran Colapso y Gran Estallido, y así por billones y trillones de años.

La otra alternativa es que si no existe suficiente materia para frenar su expansión, se continuara expandiendo eternamente. Podríamos pronosticar como seria el universo en muy distintas eras. La actual seria conocida como la Estrellósfera. En esta era el universo estaría formado por estrellas, galaxias y planetas tal como es ahora. Al finalizar esta era todas las estrellas estarían exhaustas y morirían, dejando atrás tan solo residuos de una era gloriosa.

La siguiente era sería la Degenerada: el universo estaría hecho de planetas muertos, estrellas enanas cafés, estrellas enanas blancas, estrellas de neutrones, hoyos negros y alguna forma de materia oscura. Al finalizar esta era, todos los protones se desintegrarían.

Luego la era del Hoyo Negro, donde estos serian los únicos objetos gravitacionalmente importantes dejados en el universo. No obstante, los hoyos negros no existirían por siempre, se evaporarían en un proceso de radiación. Después, el universo estará compuesto solo por radiación y partículas que tendrían vida infinita.

6 – Hoyos negros.

Un hoyo negro es una región del espacio donde nada, ni la luz, puede escapar. Si nosotros quisiéramos escapar de la fuerza gravitacional de la Tierra necesitaríamos alcanzar una velocidad de aproximadamente 11 kilómetros por segundo. Así que resulta difícil imaginar un objeto en el universo que impida que algo que tiene una velocidad de 300 mil kilómetros por segundo, como la luz, pueda escapar de su fuerza gravitational.

La Teoría general de la relatividad de Einstein predice que una masa suficientemente compacta deformará el espacio-tiempo para formar un hoyo negro.

Objetos cuya poderosa gravedad impide que la luz escape fueron considerados por vez primera en el siglo XVIII por John Michell y Pierre-Simon Laplace. Por mucho tiempo los hoyos negros no pasaron de ser una curiosidad matemática. El descubrimiento de estrellas de neutrones disparó el interés en el colapso gravitational de objetos compactos como una posibilidad astrofísica. Una estrella de neutrones es el remanente del colapso de una estrella muy masiva, y esta compuesta puesta enteramente por neutrones, partículas subatómicas sin carga eléctrica. Son estrellas muy calientes cuya masa típica no excede del doble de la masa del Sol, pero cuyo radio no va mas allá de 12 kilómetros.

7 – Formación de las primeras estrellas.

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Los científicos han hecho simulaciones de los primeros momentos de la evolución del universo, oleadas de gas y materia oscura arremolinándose en una suerte de sopa calientísima y densa. Al enfriarse, la gravedad comenzó a juntar materia. Poco después del Big Bang, hace 13 mil 700 millones de años, la composición del universo era muy simple, contenía esencialmente solo hidrógeno y helio. El enriquecimiento químico tuvo que esperar alrededor de 300 millones de añoos, cuando comenzaron los “fuegos artificiales” de la espectacular muerte de la primera generación de estrellas masivas, poblando el espacio con nuevos elementos químicos cada vez mas pesados, los cuales se integraron mas tarde a una nueva generación de estrellas.

Estos elementos mas pesados ayudan a que las estrellas se enfríen cuando agotan su combustible nuclear colapsándose; las mas masivas estallan espectacularmente lanzando al espacio los elementos procesados en su horno, que se integraran en la formación de otra generación de estrellas.

El gran misterio de esta historia es: ¿que causo el enfriamiento de esa sopa primordial calientísima y densa? De no enfriarse no hubiera entrado en acción la gravedad, la materia no se habría agrupado, ni hubiera logrado la densidad necesaria para que la materia se fundiera y diera inicio el encendido de las estrellas.

8 – El primer campo magnético.

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En septiembre de 2010, el japones Shinichiro Ando y el ruso Alexander Kusenko publicaron un articulo; en el afirman haber obtenido evidencia de la primera medición de campos magnéticos intergalacticos, a partir de halos de rayos gamma rodeando un núcleo activo de galaxia. Ellos estudiaron imágenes de 170 hoyos negros supermasivos obtenidas con el Telescopio Espacial Fermi de Rayos Gamma, de la NASA. Anunciaron haber encontrado signos de un campo magnético primordial en el espacio intergaláctico. La imagen compuesta de los 170 hoyos negros gigantes era difusa. Esta imagen borrosa se explica porque como el espacio esta lleno de la radiación de fondo originada en el Big Bang, así como la emitida desde las galaxias, los protones de alta energía irradiados por fuentes distantes pueden interactuar con los protones de la radiación de fondo y convertirse en pares de electrón-positrón. Los investigadores, asimismo, encontraron que el promedio de la fuerza del campo magnético es de un femto-Gauss, una cuadrillonésima parte del campo magnético terrestre.

9 – La vida.

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La Tierra es única en el universo… porque es el único planeta que conocemos que tiene vida. Los primeros signos de vida en ella fueron algas azules y bacterias evolucionadas en los océanos que aparecieron hace 3 mil 500 millones de años (la Tierra se formo hace 4 mil 500 millones de años y el Sol hace 5 mil 1 millones).

¿Qué es la vida? ¿Por que solo hay vida en nuestro planeta dentro del Sistema Solar (hasta donde sabemos)? La vida en la Tierra se da en un abigarrado arreglo de formas: plantas, animales, hongos, bacterias, todos ellos componen la biosfera del planeta. La vida extraterrestre es estadísticamente posible, y se dedican cuantiosos recursos para investigarlo. Ya hemos rebasado el medio miliar de planetas orbitando otras estrellas; las sondas y robots espaciales indagan en el vecindario solar… Mas no basta “creer” que haya vida más allá del planeta, aun no tenemos evidencias, pruebas de ello.

Quo 165 – Julio 2011


Por Hery Emmanuel  hace 3 años

6 comentarios

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  • PECAS Y PELOS ago 22, 2011

    excelente! De lo mejor de marcianos!

  • bto_fk ago 22, 2011

    Muy buen post.

  • Hudson ago 23, 2011

    Chido el post! Conocimiento básico puro.

  • Alejandro ago 25, 2011

    Excelente post.
    alto contenido de ciencia, muy ilustrativo y de facil digestion para los cerebros no tan cientificos.

  • Pablo sep 21, 2013

    En el principio creó Dios los cielos y la tierra.

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