El origen del Universo I
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EL ORIGEN DEL UNIVERSONombres: Elena Ramírez Blanco, Amalia Martín Márquez Curso: 1ºB
COSMOLOGÍA
La cosmología se ocupa del estudio de la estructura del universo a gran
escala e intenta dar respuesta a los interrogantes relacionados con el
origen, la evolución y el comportamiento futuro del universo. Aunque en el
pasado las teorías cosmológicas obedecían más a criterios religiosos e
ideológicos, en la actualidad esta rama de la astronomía forma parte por
derecho propio de la disciplina científica, estando relacionada con disciplinas
como la física nuclear y de las partículas elementales. Su formación en el
marco de la física moderna se produjo como consecuencia de dos líneas de
investigación, una de carácter observacional (partió de los trabajos de:
Edwin P. Hubble, M., Humason, J.H. Oort y H. Shapley) y otra de tipo teórico
(Albert Einstein, A.Friedmann y W. de Sitter.) desarrolladas ambas entre los
años 1915 y 1930.
EL ORIGEN DEL UNIVERSO
Acerca de la primera de las cuestiones que se plantean al tratar de estudiar
el universo, la de su origen, hoy en día la mayor parte de los cosmólogos
consideran que éste tuvo su origen en una gigantesca explosión inicial,
llamada big bang, y que desde s nacimiento ha evolucionado hasta
alcanzar la forma que presenta en la actualidad. El big bang es quizás el
ejemplo más claro en la actividad violenta que rige los fenómenos
astronómicos. Las observaciones astronómicas que dieron lugar a la
formulación de estos modelos se llevaron a cabo de finales de la década de
1920. En el modelo generalmente aceptado en la actualidad (llamado
modelo estándar) todo el espacio, en el que estén situadas entre otras las
galaxias, se expande de tal forma que desde cada una de ellas parece que
las demás se alejan. Si se retrocede en el tiempo se llega a la conclusión de
que en el pasado el universo era más denso de lo que estén de lo que es en
el presente, llegando a alcanzarse una época en la que todo el universo
estaba concentrado en un punto y que, según las estimaciones actuales, se
remonta a hace aproximadamente diez mil millones. En dicha época es
cuando se cree que se originó el universo mediante la explosión,
denominada big bang, que no sólo marca el comienzo del universo sino
también la aparición de todas las leyes físicas que conocemos.
Imagen: Galaxia de remolino (M51). Está situada en la constelación de los Perros de Caza y su posición es especialmente adecuada para observar con toda claridad su estructura en forma de espiral
TEORÍAS DEL ORIGEN DEL
UNIVERSO
Edwin Hubble descubrió que el Universo se expande. La teoría de la
relatividad general de Albert Einstein ya lo había previsto.
Se ha comprobado que las galaxias se alejan, todavía hoy, las unas de las
otras. Si pasamos la película al revés, ¿dónde llegaremos?
Los científicos intentan explicar el origen del Universo con diversas teorías.
Las más aceptadas son la del Big Bang y la teoría Inflacionaria, que se
complementan.
Momento Suceso Big Bang Densidad infinita, volumen
cero. 10 e-43 segs. Fuerzas no diferenciadas 10 e-34 segs. Sopa de partículas
elementales 10 e-10 segs. Se forman protones y
neutrones 1 seg. 10.000.000.000 º. Universo
tamaño Sol 3 minutos 1.000.000.000 º. Nucleos de
átomos 30 minutos 300.000.000 º. Plasma 300.000 años Átomos. Universo
transparente 1.000.000 años Gérmenes de galaxias 100 millones de años
Primeras galaxias
1.000 millones de años
Estrellas. El resto, se enfría
5.000 millones de años
Formación de la Vía Láctea
10.000 millones de años
Sistema Solar y Tierra
Teoría del Big Band
La teoría del Big Bang o gran explosión, supone que, hace entre 12.000 y
15.000 millones de años, toda la materia del Universo estaba concentrada
en una zona extraordinariamente pequeña del espacio, y explotó. La
materia salió impulsada con gran energía en todas direcciones.
Los choques y un cierto desorden hicieron que la materia se agrupara y se
concentrase más en algunos lugares del espacio, y se formaron las primeras
estrellas y las primeras galaxias. Desde entonces, el Universo continúa en
constante movimiento y evolución.
Esta teoría sobre el origen del Universo se basa en observaciones rigurosas
y es matemáticamente correcta desde un instante después de la explosión,
pero no tiene una explicación para el momento cero del origen del Universo,
llamado "singularidad".
Teoría inflacionaria
La teoría inflacionaria de Alan Guth intenta explicar el origen y los primeros
instantes del Universo. Se basa en estudios sobre campos gravitatorios
fortísimos, como los que hay cerca de un agujero negro.
Supone que una fuerza única se dividió en las cuatro que ahora conocemos,
produciendo el origen al Universo.
El empuje inicial duró un tiempo prácticamente inapreciable, pero fue tan
violenta que, a pesar de que la atracción de la gravedad frena las galaxias,
el Universo todavía crece.
No se puede imaginar el Big Bang como la explosión de un punto de materia
en el vacío, porque en este punto se concentraban toda la materia, la
energía, el espacio y el tiempo. No había ni "fuera" ni "antes". El espacio y el
tiempo también se expanden con el Universo.
LA EVOLUCIÓN DEL UNIVERSO
1 La evolución del UniversoPara entender la posible evolución del Universo según la teoría del Big Bang,
consideremos la figura partiendo del primer círculo situado arriba a la
izquierda. El círculo representa una esfera sobre cuya superficie se han
dibujado dos puntos grandes. La superficie de la esfera representa el
Universo, mientras que los puntos representan, por ejemplo, dos galaxias.
Las galaxias son sometidas a dos fuerzas que se contraponen: su fuerza de
atracción gravitatoria que las atrae recíprocamente, y por tanto tiende a
hacer colapsar al Universo sobre sí mismo, y el empuje que, desde el
momento del Big Bang, mantiene la expansión. Es difícil decir cuál de las
dos vencerá. Los tres círculos situados arriba, procediendo de izquierda a
derecha, describen un caso en el que vencerá el empuje de la expansión y
el Universo continuará expandiéndose para siempre. En consecuencia, las
galaxias se alejarán cada vez más.
Los tres círculos situados abajo, siempre procediendo de izquierda a
derecha, representan, en cambio, el caso en el que la fuerza gravitatoria
vencerá: un día la expansión se frenará hasta detenerse, y poco a poco el
Universo comenzará a contraerse bajo la acción de la propia fuerza
gravitatoria.
Esto que hemos descrito de una manera extremadamente simplificada es el
fascinante campo de investigación de la Cosmología, la disciplina que
estudia la constitución y evolución del Universo. Los progresos son
continuos y tenemos cada vez una visión más completa y precisa, aunque
siempre aparecen nuevos interrogantes. La materia que emite radiación,
entre ella la luz, sería solo una fracción irrisoria de la materia del Universo,
que es llamada materia oscura, ya que pensamos que debe de existir
aunque no podemos verla. Una componente dominante en la evolución del
Universo sería, pues, según los estudios más recientes, la llamada energía
oscura, una fuerza de cuya naturaleza sabemos poco pero que mantendría
la expansión acelerada del Universo. Referente al origen del universo hay un
punto inicial en el cual todos los contribuyentes del universo se encontraban
concentrados en un volumen cero (estado inicial), a partir del cual se
supone que se produjo la gran explosión inicial( big bang). Dicha época
inicial se denomina origen del universo, y al intervalo que media entre dicho
instante y el presente se le da el nombre de edad del universo, que en la
actualidad se estima que es inferior a 13.000 millones de años.
Imagen: Para un universo que está en expansión existe diferencia en cuanto
al pasado y al futuro .La densidad local del universo se va reduciendo.
Imagen: El destino futuro del universo pasa por, o bien
la expansión indefinida (secuencia de A a E) o bien la contracción que
daría lugar a una nueva gran explosión(secuencia de F a K)
ESTRUCTURA DEL UNIVERSO
Veamos cómo es la estructura del Universo, hasta donde podemos
llegar con el alcance de los instrumentos de medición disponibles en
la actualidad. Empezaremos con el Sol, nuestra estrella madre, hasta
llegar a las más grandes estructuras conocidas.
El Sol, la estrella de nuestro sistema solar, tiene un diámetro de
1.392.000 Km. Allí se producen reacciones nucleares de fusión, del
tipo de una bomba de hidrógeno controlada, que generan la energía
que mantienen la vida en la Tierra. La distancia del Sol a la Tierra es
de 149.500.000 Km (1,6x10-5 años-luz). La distancia entre el Sol y
Plutón, el planeta más alejado perteneciente al sistema solar, es de
5.913.520.000 Km (6,3x10-4 años-luz). La estrella más cercana al Sol,
Alfa Centauri, está a una distancia de éste de 30.318.000.000.000
Km, (3,26 años luz). O sea unas 5.000 veces la distancia Sol-Plutón
(radio del sistema solar).
Esta distribución de la materia, donde la distancia entre los
agrupamientos de orden superior (entre soles, por ejemplo) es mucho
mayor que la que separa a sistemas inferiores (distancia entre soles y
planetas asociados) va a ser una característica general de la
asociación de la materia a gran escala.
Tanto el Sol como Alfa Centauri forman parte de un mismo
conglomerado de estrellas, la Vía Láctea. La Vía Láctea es una más de
las miles de millones de galaxias distribuidas por el firmamento. Es
una galaxia espiral, tiene la forma de un disco chato con cuatro
brazos espirales de 98.000 años-luz de diámetro y de 980 años-luz de
espesor con un bulbo esferoide aplanado en su centro de 3.300 por
20.000 años-luz. Hay aproximadamente 200.000 millones de estrellas
en ella y nuestro sistema solar orbita a dos tercios de su centro
tardando unos 200 millones de años en dar una vuelta en torno al
mismo.
Si miramos el cielo una noche despejada la Vía Láctea se ve como una
franja irregular de luz que lo atraviesa ya que a simple vista no
podemos ver la mayoría de estas estrellas en forma individual sino
colectivamente, como un resplandor.
En el disco predominan estrellas azules relativamente jóvenes y de
mediana edad y hay gas. En el bulbo predominan las estrellas rojas
que son viejas (10.000 millones de años de edad o más). Otra región
es el halo, zona esférica difusa que rodea todo el disco, de baja
densidad y donde son mayoritarias las estrellas viejas. En el centro
del bulbo hay evidencias de un agujero negro.
Hay otros tres tipos, esencialmente, de galaxias aparte de las
espirales: elípticas, lenticulares e irregulares. La presencia de gas en
el disco de la Vía Láctea es una característica general de las galaxias
espirales e indica que la formación de estrellas se mantiene activa en
ellas y tienen por lo tanto la población de estrellas más jóvenes. Estas
galaxias se hallan en zonas poco densas donde su estructura no se ve
muy afectada por la atracción de galaxias vecinas. Las galaxias
elípticas poseen luminosidad uniforme y son similares a la zona del
bulbo de una galaxia espiral. No hay gas presente, por lo tanto las
estrellas son viejas. Estas galaxias se suelen hallar en regiones de alta
densidad, en el centro de cúmulos galácticos (ver más adelante). Las
galaxias lenticulares poseen tanto bulbo como disco pero no los
brazos espirales. Tienen poco o nada de gas así que sus estrellas son
viejas. Parecen ser un caso intermedio entre las espirales y elípticas.
El último tipo de galaxias, las irregulares, son pequeñas, sin bulbo y
forma no definida.
Las galaxias se encuentran a su vez agrupadas en grupos y cúmulos
de galaxias. Los grupos de galaxias son estructuras del orden de las
decenas de galaxias mientras que un cúmulo de galaxias está
compuesto por cientos de galaxias. La Vía Láctea forma parte del
Grupo Local junto con la galaxia de Andrómeda y otras 34 galaxias
más pequeñas, distribuidas en unos pocos millones de años luz.
Andrómeda, la galaxia más cercana a nuestra Vía Láctea se halla a
dos millones de años luz. Un ejemplo de un cúmulo de galaxias es el
Cúmulo de Virgo, que se halla cercano al Grupo Local. Virgo está
compuesto por unos cuantos cientos de galaxias y se halla a unos 50
millones de años luz. La característica común de los grupos y cúmulos
de galaxias es que las galaxias en ellos forman estructuras en
equilibrio gravitatorio (como los planetas en nuestro sistema solar, las
galaxias componentes de los grupos y cúmulos están ligados).
Los cúmulos de galaxias pueden ser regulares o irregulares. Los
cúmulos regulares tienen un núcleo central concentrado y una
estructura esférica bien definida. Tienen un tamaño entre 3 y 10
millones de años luz y una masa de alrededor de 1015 masas solares.
Un cúmulo de galaxias muy rico es el de Coma, que posee miles de
galaxias elípticas. Los cúmulos de galaxias irregulares no tienen un
núcleo bien definido, poseen un rango de tamaños similar a las
regulares pero son más pobres en masa, entre 1012 y 1014 masas
solares. El citado cúmulo de Virgo es de este tipo.
A su vez, conjuntos de cúmulos de galaxias forman supercúmulos.
Estos consisten usualmente en una cadena de unos doce cúmulos de
galaxias, tienen una masa del orden de 1016 masas solares. Nuestro
propio supercúmulo local está centrado en el cúmulo de Virgo y tiene
una masa relativamente pobre, y un tamaño de 48,9 millones de años
luz. Un supercúmulo mayor como el asociado con el cúmulo de Coma
tiene un tamaño de 326 millones de años luz y unas 1.300 galaxias en
su zona central.
Los sondeos de galaxias lejanas muestran de conjunto una estructura
"burbujeante" con las galaxias fundamentalmente ubicadas en forma
de hojas y filamentos (estructuras alargadas). Las "burbujas" son
espacios vacíos (regiones sin galaxias brillantes) con un diámetro
típico de unos pocos cientos de millones de años luz y ocupan cerca
del 90% del espacio. La mayor "burbuja" observada, el vacío de
Bootes, tiene un diámetro de unos 400 millones de años luz.
Otra estructura observada es la que conocemos como Gran Muralla,
una "hoja" de galaxias de un largo de unos 500 millones de años luz y
una altura de 300 millones de años luz ubicada a unos 300 millones
de años luz de nosotros. Los sondeos indican que hay muchas
estructuras como la Gran Muralla pero no hay evidencia de
estructuras significantemente mayores que ella.
Otra estructura estelar es el Gran Atractor. Mediciones de velocidades
(peculiares) efectuadas en nuestro Universo más cercano, muestran
un movimiento de conjunto, en escalas que exceden los 200 millones
de años luz. Consistentemente con este flujo, nuestra galaxia se
mueve a alrededor de 600 m/seg hacia un objeto distante
denominado Gran Atractor, que, como se halla en dirección del núcleo
central de nuestra galaxia, es difícil de observar. Este objeto yace a
una distancia de 75 millones de años luz y posee una masa que se
aproxima a los 5x1016 masas solares, masa similar a la del cúmulo de
Coma.
Para finalizar este punto veamos un problema que se presenta con
relación a la fuerza gravitatoria que mantiene unidas las estructuras.
A mediados de los años 30 del siglo XX, F. Zwicky y S. Smith midieron
las velocidades de galaxias del cúmulo de Virgo y de Coma. Así como
los planetas giran alrededor del centro de masas del sistema solar, las
galaxias lo hacen alrededor del centro de masas de su cúmulo. Pero
Zwicky y Smith vieron que éstas giraban a tal velocidad, que su masa
global no proporcionaba la gravedad suficiente para mantenerlas
juntas. La masa de los cúmulos debía poco menos que centuplicar la
de las galaxias visibles; si no, las galaxias se hubieran desprendido de
los cúmulos hacía ya mucho. La solución, inevitable, fue proponer que
los cúmulos están formados en su mayor parte por materia "oscura",
invisible. Algo más se ha progresado en el conocimiento de las
características de la materia oscura desde las observaciones de
Zwicky, pero se sigue ignorando qué compone esta "materia oscura".
CONCLUSIONES:Este trabajo nos ha servido para aprender curiosidades y hechos
importantes sobre nuestro sistema solar, y sobre el resto del universo;
y para aprender cómo se originó y como se estudió el mismo.
Nos han sorprendido algunos hechos que ni siquiera nos habríamos
imaginado, y ha despertado curiosidades que antes no teníamos.
Hemos aprendido el nombre de algunos astrónomos importantes. Este
trabajo nos lleva a preguntarnos hechos de la vida que son normales
para nosotros, pero si nos paramos a pensarlos, son algo muy extraño
y desconocido.
A nosotros nos parece que el mundo es enorme, infinito podríamos
decir; pero en realidad, existe otro mundo desconocido mucho más
grande y misterioso: El Universo.
PÁGINAS WEB:
http://www.google.es/imghp?hl=es&tab=ii&biw=1362&bih=584
Libro: Maravillas de la Ciencia
http://www.astromia.com/universo/origen.htm