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miércoles, 9 de marzo de 2011

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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 donde venimos, a dónde vamos; pasando por Aristóteles, Kepler, Lemaitre, quienes descubrieron las primeras leyes que rigen los movimientos de nuestrosistema 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 sistemacerrado 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 aexponer 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 superexplosiva, 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 LIMITES

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 MarquésLaPlace 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 Universidadde Princenton.

La Place encontró una fórmula muy simple para calcular la velocidad de escape V dada por:

donde:

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 abierto, es decir infinito, no así su materia, habrían 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 superagujero 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 nuevossatélites de comunicación Telstar. Al estar tratando de equilibrar la ganancia de la antena y efectuar mediciones, descubrieron una radiación de fondo oruido 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 descalibración 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 estabamos 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 que 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 estemétodo 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 donde 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 deinteracción 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.

Tema Fantástico, S.A.. Imágenes del tema: fpm. Con la tecnología de Blogger.

miércoles, 9 de marzo de 2011

La canción del universo (Beatles)

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Planetas y estrellas (Menor a Mayor)

El Universo Conocido