origen del universo.pdf - Cosmofisica

Origen del UniversoLiceo Carmela CarvajalEl Universo: Nuestro universo es muy grande y las galaxias más distantes que podemosvisualizar se encuentran a una distancia de unos 15000 millones de años luz. Los objetos lejanosnos ayudan a configurar la historia del universo, que empezó con una gran explosión. EL futurodel universo es incierto: se podría expandir sin limite o colapsar bajo la acción de su propiagravedad.Para poder entender el universo como un todo, debemos considerar tres puntos importantes:primeramente hay que asumir que las leyes de la ciencia son iguales en todas las partes delmismo; en segundo lugar, aceptamos que el universo se extiende de una forma mas o menosuniforme por todo el espacio; por ultimo, se acepta que el espacio posee las mismaspropiedades en todas las direcciones.www.astronomos.cl 1

COSMOLOGÍAExisten muchas teorías sobre la naturaleza del universo. Los antiguos egipcios,griegos y romanos creían que los dioses controlaban el cosmos. Los sabios de la edad Mediacreían que el universo era bastante pequeño, con la tierra en el centro. Rodeándolo todo estabanlos cielos, el reino de Dios y los ángeles. Sin embargo, a partir de la época de Newton loscientíficos intentaron confeccionar modelos del universo en los que las matemáticas y la física, yno las creencias religiosas, mitos o tradiciones fueran la base de la explicación delfuncionamiento del universo físico. La rama de la ciencia que estudia y formula los modelos deluniverso como un todo se llama Cosmología.Los cosmólogos tienen la esperanza de describir el universo a la mayor escala posible, lascuales eran sus condiciones en el pasado y como cambian con el paso del tiempo.EL BIG BANGLa expansión del universo nos revela que en el pasado este debió de ser bastante más denso.¿Cuánto? Una posible explicación para este fenómeno, la teoría del BIG BANG, afirma que en elpasado toda la materia y la energía del universo estaba concentrada en una región muy pequeñadel espacio. Su temperatura era muy alta, así como su densidad. El universo que vemos emergióexplosivamente tras este BIG BANG. Desde la explosión inicial, se ha ido expandiendo yenfriando.La edad del universo no se puede calcular con exactitud porque depende de la curvatura delespacio y eso no ha sido medido todavía correctamente. Teniendo en cuenta su ritmo deexpansión, parece que ahora tiene entre 12000 y 20000 millones de años. Existe un grannúmero de dudas, pero el universo es definitivamente mucho más viejo que el sol y la tierra. Enel remoto pasado, el universo que emergió del BIG BANG era muy deferente al que vemos hoy.La cuenta atrásEn el principio no había nada. Era una nada tan profunda que nos resulta imposible decomprender. Podemos intentarlo pensando en las enormes y heladas regiones intergalácticas deluniverso actual, pero incluso en ellas se encuentran átomos dispersos y el espacio que ocupanes cruzado continuamente por la pálida radiación de la luz. Además, estas regiones casi vacíasestán sujetas por la invisible estructura del universo y responden al inaudible reloj del tiempo.Hace mucho, muchos años, no había materia ni radiación; ni siquiera existía el espacio, y eltiempo no discurría.Sin tiempo: El tiempo no es una corriente que fluya eternamente, desde siempre en el pasadohasta siempre en el futuro. Su transcurrir esta íntimamente ligado al espacio y, por tanto, a lamateria y a la gravedad. Por eso, no podemos hablar de que ocurrió antes del BIG BANG, ya queel propio tiempo no existía.Sin espacio: Antes de que hubiera espacio, nada podía existir porque no había ningún lugardonde pudiera estar. Nuestro universo probablemente se creó no solo desde la nada, sinotambién desde ningún sitio.¿Por qué? : La ciencia no puede responder a la pregunta de porque la “nada” original no sequedo como estaba. Tan solo filósofos y teólogos ofrecen posibles respuestas, aunqueprobablemente nunca puedan ser comprobadas ni desmentidas. Todo lo que sabemos es quealgo sucedió.www.astronomos.cl 2

Los primeros segundosEl universo más primitivo fue una bola de radiación. Consistía en una “sopa” de partículasexóticas que se enfriaban con rapidez a medida que el pequeño universo se expandía. Cuandoeste contaba con una edad de tan solo millonésima de segundo, mucha de su energía seconvirtió en protones (el núcleo de los átomos de hidrogeno). En el siguiente milisegundo seformaron los electrones y estos colisionaron con los protones creando los neutrones. Losneutrones sobreviven solamente unos mil segundos como partículas independientes, por lo quelos minutos siguientes fueron cruciales.Durante el primer cuarto de hora los protones reaccionaron con los neutrones, que sedeterioraban con mayor rapidez, para formar el núcleo de los átomos de hidrogeno. En unacarrera contra el tiempo, como el universo continuaba enfriándose y expandiéndose, consiguióconvertir un cuarto de su materia de hidrogeno en helio. El hidrogeno sobrante sirvió para laformación de las estrellas.Un millón de años despuésAl final de la primera hora del BIG BANG, el universo el universo estaba constituido por fotonesde radiación junto con electrones, núcleos de hidrógeno(protones) y núcleos de helio. Noexistían los átomos porque la temperatura no era lo suficientemente baja para que loselectrones se quedaran orbitando alrededor de los protones o del núcleo de helio. Cualquierelectrón que lo intentaba era apartado en colisiones con los fotones energéticos.Sin embargo, el tiempo estaba en contra de la radiación. La continua expansión enfrió eluniverso e hizo a los protones cada vez menos energéticos, a medida que tenían que llenar elespacio en expansión. Después de casi un millón de años la temperatura descendió en 4000°C,siendo la adecuada para que el núcleo conservase cualquier electrón que se pusiera en su órbita.Fue en ese momento de la vida del universo cuando se formaron los átomos. Se tardó miles deaños para que los electrones se unieran a los protones o al núcleo de helio. Hasta que esoocurrió, la luz no pudo viajar muy lejos en el universo.Una vez que se formaron los átomos estables, el universo se torno transparente y la luz pudoviajar sin obstáculos.www.astronomos.cl 3

El eco del BIG BANGDespués de sus primeros movidos tres minutos, cuando las partículas iban y venían y se forjaronlos primeros elementos, el universo entro en un periodo de mucha mayor tranquilidad, que duromás de 250000 años. Los ingredientes del cosmos siguieron siendo los mismos, pero sudensidad fue disminuyendo a medida que el universo se expandía. El principal componente erala radiación, que rebotaba continuamente en la materia y formaba una impenetrable nieblaluminosa. Pero un día, repentinamente, la niebla desapareció. El eco de ese memento todavíapuede detectarse en la forma de la radiación de fondo que llena todo el universo. Es la pruebamás poderosa de que el BIG BANG existió realmente.Radiación de fondoLa radiación de calor procedente del caliente BIG BANG todavía se encuentra en el universo. EN1964 dos científicos de los laboratorios Bell, en Nueva Jersey (EEUU), investigaban unasmolestas fuentes de ondas radioeléctricas que interferían las comunicaciones. Utilizaron unaantena muy sensible y encontraron que el ruido radio no variaba con el tiempo, el día o ladirección a la que apuntaban al cielo. Accidentalmente, Arno Penzias t Robert Wilsondescubrieron la radiación remanente del BIG BANG.En 1989, la NASA lanzo el COSMIC BACKGROUND EXPLORER (COBE) para estudiar esaradiación residual. El satélite transportaba helio líquido para enfriar sus detectores al mismonivel que la radiación de fondo. Uno de los mayores éxitos del COBE fue mostrar que la débilradiación es exactamente como la de un objeto cliente. Este fue un descubrimiento crucial,porque probó que las ondas radioeléctricas eran una forma de radiación de calor.La radiación de fondo, sorprendentemente, es la misma en cualquier parte del cielo. Estosignifica que el universo es el mismo en cualquier dirección, así el COBE confirmo uno de lossupuestos establecidos por los cosmólogos. La distribución uniforme de la radiación es unaclara evidencia de que vemos el calor que contiene el universo en si y no las contribucionesaisladas de un gran numero de objetos muy distantesEl nacimiento de una galaxiawww.astronomos.cl 4

Dos teorías por describir como los “grumos” de gas observados por el COBE llegaron a formarlas galaxias agrupadas en cúmulos y supercúmulos. Para ambas, los ingredientes básicos sonel hidrogeno y el helio del BIG BANG, condensados por la influencia gravitatoria de la materiaoscura. Si la mayor parte de ésta está formada por neutrinos, la formación de galaxias seguiríael camino de la teoría denominada “ de arriba abajo”; si los WIMPs predominaron, la versióncorrecta seria la de la teoría “de abajo arriba”.La teoría “de arriba abajo”: Según esta teoría, antes de que hubiera galaxias, la materiaformaba enormes filamentos de gas, los cuales se disgregaron en filamentos menores quevolvieron a dividirse, dando lugar con el tiempo a las galaxias individuales. Los filamentosdeterminaron el tamaño y la forma de los cúmulos y supercúmulos que se formaron muchoantes de que cada nube de gas se convirtiera en una galaxia independiente.La teoría “de abajo arriba”: Según esta teoría, poco después de la etapa contemplada por elCOBE, se formaron las galaxias de forma independiente y en gran numero. Al principio estasgalaxias se diseminaron al azar, pero la gravedad las fue atrayendo hasta formar los cúmulos ysupercúmulos de galaxias.Recreando el BIG BANGLas herramientas que emplean los científicos que investigan el origen del universo no son lostelescopios sino los aceleradores de partículas. Con ello recrean las condiciones infernales queregían el cosmos primitivo. Estos aparatos emplean poderosos campos electromagnéticos paraacelerar partículas, como los electrones, hasta velocidades cercanas a la de la luz. Cuandochocan, se convierten en energía pura, a partir de la cual se forma una cascada de partículassubatómicas exóticas que aparecen fugazmente, desapareciendo apenes unas fracciones desegundos después al convertirse en otras. Muchas de ellas son partículas como las que secrearon en los primeros instantes del universo, tras el BIG BANG.Bibliografía: Astronomía, colección Oxford joven. Historia del universo, Icarito.www.astronomos.cl 5