La Astronomía y la Astrofísica.-interesante- - AMISTADES HISPANAS

(1) La Astronomía y la Astrofísica

La astronomía es el estudio del Universo en su conjunto y de todos y cada uno de los objetos que lo componen. Estos incluyen, además del Sol y el resto del sistema solar, a las estrellas, el gas y el polvo interestelar, los sistemas estelares, las galaxias y los cúmulos de galaxias. Los objetivos de la investigación astronómica incluyen, además de conocer el estado actual de los objetos y de los sistemas, el conocer su origen y su evolución.

Esquema de la posible evolución del Universo

La astronomía es una ciencia básica cuyo avance ha sido fundamental en el desarrollo de todas las sociedades. En particular, la astronomía en el Siglo XX avanzó acelerádamente junto con la física y la tecnología, generándose un enriquecimiento mutuo muy importante. La astrofísica es la aplicación de la física a los problemas del cosmos. Las herramientas fundamentales de la astrofísica moderna son los telescopios, con su instrumentación para la detección de la información proveniente de los objetos celestes; y las computadoras, para el procesamiento de los datos, el modelaje teórico y la simulación de procesos físicos. Los telescopios que se emplean actualmente permiten la adquisición de datos en un rango amplio del espectro electromagnético, incluyendo los rayos gama, los rayos-X, las regiones ultravioleta, óptica e infrarroja, y las radiofrecuencias.

El telescopio espacial Hubble y el telescopio espacial Spitzer y su visión de rayos X de La Vía Láctea.

El desarrollo de la astrofísica a partir de 1960 se ha visto determinado por la disponibilidad de tecnología áltamente compleja y especializada. En particular, el desarrollo de computadoras más rápidas y poderosas, de nuevas técnicas para la construcción de telescopios, de detectores de estado sólido de bajo ruido, y de las redes de telecomunicación, han dado lugar a un avance espectacular en la comprensión de numerosos fenómenos astrofísicos. Al mismo tiempo, hay grandes interrogantes que se han abierto sobre aspectos fundamentales de la astrofísica, como por ejemplo, las que se refieren a los mecanismos para la formación de estrellas y planetas, la formación de galaxias, la distribución de cuásares y la presencia de materia oscura en el universo.

Los próximos años serán de descubrimientos importantes, que se lograrán con la nueva generación de telescopios ahora en construcción en el mundo. tendrán un impacto significativo sobre las teorías que existen hoy en dia, particularmente las teorías sobre objetos extragalácticos y la estructura del Universo. Asimismo, la exploración del Sistema Planetario y el descubrimiento de nuevos mundos alrededor de otras estrellas abrirán perspectivas inesperadas que tendrán efectos significativos sobre la visión que tenemos de nuestro propio planeta

Tesseo

Pagina original creada por Tesseo y retocada por El Creador y JMJLFC.

Última actualización 02/10/2008

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(2) EL Universo

El Universo es todo sin excepciones. Materia, energía, espacio y tiempo. Todo lo que existe forma parte del Universo. Es muy grande pero no infinito. Si lo fuera, habría infinita materia en infinitas estrellas y no es así. El Universo es sobre todo, espacio vacio. Los constituyentes primarios parecen consistir en 73% de energía oscura, 23% de materia oscura fría y un 4% de átomos. Antes de la formación de las primeras estrellas, la composición química del Universo consistía primariamente en hidrógeno (75% de la masa total), con una suma menor de helio-4 (24% de la masa total) y el resto de otros elementos.Una pequeña porción de estos elementos estaban en la forma del isótopo deuterio, helio-3 y litio.

Teoría sobre el origen y la formación del Universo (Big Bang)

El huevo cósmico. Imágen obtenida por el satélite Cobe.

El resultado más importante de la cosmología física (que el Universo está en expansión), se deriva de las observaciones del corrimiento al rojo y se cuantifican por la ley de Hubble. Es decir, los astrónomos observan que hay una relación directa entre la distancia a un objeto remoto (como una galaxia) y la velocidad con que está alejándose. En cambio, si esta expansión ha sido contínua en toda la edad del Universo, entonces en el pasado estos objetos distantes alejándose tuvieron que estar una vez juntos.

Extrapolando esta expansión hacia atrás en el tiempo, una alternativa es una singularidad espaciotemporal donde cada cosa en el Universo estaba comprimida en un punto infinitesimal, un concepto matemático abstracto que puede o no corresponderse con la realidad. Esta idea da pie a la teoría del Big Bang, el modelo dominante en la cosmología actual.

Durante la era más temprana del Big Bang, el Universo se cree que era un caliente y denso plasma. Según avanza la expansión, la temperatura cae a ritmo constante hasta el punto en que los átomos se pueden formar. Sobre este tiempo la energía de fondo (en forma de fotones) se desacopla de la materia y fue libre de viajar a través del espacio. La energía sobrante continuó enfriándose al expandirse el Universo y hoy forma el fondo cósmico de microondas. Esta radiación de fondo es remarcablemente uniforme en todas direcciones, que los cosmólogos han intentado explicar como un periodo temprano de inflación cósmica después del Big Bang.

La evolución del Universo

El examen de las pequeñas variaciones en el fondo de radiación de microondas proporciona información sobre la naturaleza del Universo, incluyendo la edad y composición. La edad del universo desde el Big Bang, de acuerdo a la información actual proporcionada por el WMAP de la NASA, se estima en unos 13.700 millones de años, con un margen de error de un 1% (± 200 millones de años). Otros métodos de estimación dan direrentes rangos de edad desde 11.000 millones a 20.000 millones. Muchas de las estimaciones establecen el rango entre 13.000-15.000 millones de años.

Sopa Primigenia

Hasta hace poco, la primera centésima de segundo era más bien un misterio, impidiendo a Wainberg y a otros describir exactamente cómo era el Universo. Los nuevos experimentos en el RHIC en el Brookhaven National Laboratory han proporcionado a los físicos una luz en esta cortina de alta energía, de tal manera que pueden observar directamente los tipos de comportamiento que pueden haber tomado lugar en este instante. En estas energías, los quarks que componen los protónes y los neutrónes no estaban juntos y una mezcla densa supercaliente de quarks y gluónes, con algunos electrones, era todo lo que podía existir en los microsegundos anteriores a que se enfriaran lo suficiente para formar el tipo de partículas de materia que observamos hoy en día.

Representación artística del Big Bang

Composición

Durante las primeras fases del Big Bang, se formaron las mismas cantidades de materia y antimateria. Sin embargo, aunque el proceso físico de una violación CP dé como resultado una asimetría en la suma de materia comparada con la antimateria. Esta asimetría explica la suma de materia residual encontrada en el Universo hoy, de otra forma casi toda la materia y antimateria se habría aniquilado la una a la otra cuando hubieran entrado en contacto.

Consecuentemente la materia interestelar de las galaxias ha sido enriquecida sin cesar por elementos más pesados. Éstos se han introducido como un resultado de las explosiones de supernovas, los vientos estelares y la expulsión de la cubierta exterior de estrellas desarrolladas.

El Big Bang dejó detrás un flujo de fondo de fotones y neutrinos. La temperatura de la radiación de fondo ha decrecido sin cesar con la expansión del Universo y ahora fundamentálmente consiste en la energía de microondas equivalente a una temperatura de 2.725 K. La densidad del fondo de neutrinos actual es sobre 150 por centímetro cúbico.

Tamaño

Muy poco se conoce sobre el tamaño del Universo. Puede tener una longitud de billones de años luz o incluso tener un tamaño infinito. Un artículo de 2003 dice establecer una cota inferior de 24 gigaparsecs (78.000 millones de años luz) del tamaño del Universo, pero no hay ninguna razón para creer que esta cota está de alguna manera muy ajustada.

El Universo observable (o visible), que consiste en todas las localizaciones que podían habernos afectado desde el Big Bang dada la velocidad de la luz finita, es ciertemante finito. La distancia comóvil al extremo del Universo visible es sobre 46.500 millones de años luz en todas las direcciones desde la Tierra, así el Universo visible se puede considerar como una esfera perfecta con la Tierra en el centro y un diámetro de unos 93.000 millones de años luz. Hay que notar que muchas fuentes han publicado una amplia variedad de cifras incorrectas para el tamaño del Universo visible, desde 13.700 hasta 180.000 millones de años luz.

Forma

Primero, si el Universo es espacialmente plano, p.ej. se desconoce si las reglas de la geometría Euclidiana son válidas a la mayor escala. Actualmente, muchos cosmólogos creen que el Universo observable está muy cerca de ser espacialmente plano, con arrugas locales donde los objetos masivos distorsionan el espacio-tiempo, de la misma forma que la superficie de un lago es casi plana. Esta opinión fue reforzada por los últimos datos del WMAP, mirando hacia las "oscilaciones acústicas" de las variaciones de temperatura en la radiación de fondo de microondas.

Segundo, se desconoce si el Universo es múltiplemente conexo. El Universo no tiene contas espaciales de acuerdo al modelo estándar del Big Bang, pero sin embargo debe ser espacialmente finito (compacto). Esto se puede comprender utilizando una analogía en dos dimensiones: la superficie de una esfera no tiene límite, pero no tiene un área finita. Es una superficie de dos dimensiones con curvatura constante en una tercera dimensión. La 3-esfera es un equivalente en tres dimensiones en el que las tres dimensiones están constantemente curvadas en una cuarta.

Si el Universo fuese compacto y sin cotas, sería posible después de viajar una distancia suficiente para volver donde uno empezó. Así, la luz de las estrellas y galaxias podría pasar a través del Universo observable más de una vez. Si el Universo fuese múltiplemente conexo y suficientemente pequeño (y de un tamaño apropiado, tal vez complejo) entonces posiblemente se podría ver una o varias veces alrededor de él en alguna (o todas) direcciones. Aunque esta posibilidad no ha sido descartada, los resultados de las últimas investigaciones de la radiación de fondo de microondas hacen que esto parezca improbable.

El Universo según el WMAP

Homogeneidad e isotropía

Mientras que la estructura está considerablemente fractalizada a nivel local (ordenada en una jerarquía de racimo), en los órdenes más altos de distancia el Universo es muy homogéneo. A estas escalas la densidad del Universo es muy uniforme y no hay una dirección preferida o significantemente asimétrica en el Universo. Esta homogeneidad es un requisito de la Métrica de Friedman-Lemaître-Robertson-Walker empleada en los modelos cosmológicos modernos.

La cuestión de la anisotropía en el Universo primigenio fue significantemente contestada por el WMAP, que buscó fluctuaciones en la intensidad del fondo de microondas. Las medidas de esta anisotropía han proporcionado información útil y restricciones sobre la evoulción del Universo.

Teoría

Multiversos

Representación artistica de Universos múltiples

Algunos teóricos amplían su modelo de "todo el espacio-tiempo" más allá de un único espacio-tiempo conectado, hacia un conjunto de espacio-tiempos desconectados entre sí o multiverso. Para clarificar la terminología, George Ellis, U. Kirchner y W.R. Stoeger recomendaron utilizar el término el Universo para los modelos teóricos de todos los espacio-tiempo conectados en que nosotros vivimos, dominio del Universo para el Universo observable o una parte similar del espacio-tiempo, Universo para un espacio-tiempo general (nuestro propio Universo u otro desconectado del nuestro), "multiverso" para un conjunto de espacio-tiempos desconectados y "Universo multi-dominio" para referirse a un modelo por completo de un único espacio-tiempo conectado en el sentido de los modelos de inflación caótica.

Por ejemplo, la materia que cae en un agujero negro en nuestro Universo podría emerger como un Big Bang, empezando otro Universo. Sin embargo, todas estas ideas son actualmente imposibles de probar y no pueden ser consideradas más que como especulaciones. El concepto de Universos paralelos se comprende sólo cuando se relaciona con la teoría de cuerdas. El teórico de cuerdas Michio Kaku ofreció varias explicaciones al fenómeno de posibles Universos paralelos.

El físico David Deutsch sugiere que el multiverso es una consecuencia de las interpretaciones de Universos paralelos, que considera como la mejor explicación alternativa a las de la Escuela de Copenhage de la teoría cuántica presentada por Niels Bohr, a medidados del siglo XX.

Destino Final

El Universo está actualmente en expansión. Sin embargo, las mediciones que Allan R. Sandage realizó en los años 1960 con su telescopio de 200 pulgadas muestran que el ritmo de expansión actual es menor que el de hace 1.000 millones de años. Este hecho puede implicar o no que la expansión se detenga, planteándose dos alternativas para el destino último del Universo.

Según las teorías cosmológicas actuales, la cantidad de materia que hay en el Universo es la que decidirá el futuro del mismo. Se tiene una idea bastante aproximada de la cantidad de materia visible que existe, pero no de la cantidad de materia oscura, dependiendo entonces de ésta el futuro del Universo.

Se ha podido calcular que si la densidad crítica del Universo es menor que 3 átomos por metro cúbico, será insuficiente para frenar la expansión, el Universo se expandirá indefinidamente (Big Rip) y será condenado a una muerte fría en medio de la oscuridad más absoluta. En este caso el tiempo se acabaría en unos 35000 millones de años. Pero si la masa es suficiente para detener la expansión, tendrá lugar el Big Crunch o, lo que es lo mismo, el Universo, forzado por la gran cantidad de masa, empezaría a comprimirse hasta que, dentro de unos 20.000 millones de años, acabe por colapsarse en una singularidad, algo parecido al Big Bang, pero al revés. En este caso tras el Big Crunch es posible que el Universo comience de nuevo con otro Big Bang.

El destino final de un Universo en expansión está determinado si O es mayor, menor o igual a 1.

Big Crunch o la Gran Implosión

Es muy posible que el inmenso aro que rodeaba a las galaxias sea una forma de materia que resulta invisible desde la Tierra. Esta materia oscura tal vez constituya el 99% de todo lo que hay en el Universo.

La fuerza gravitatoria de toda esa materia tal vez podría cesar e invertir con ella la expansión, así las galaxias empezarían a retroceder y con el tiempo chocarían unas contra otras, la temperatura se elevaría y el Universo se precipitaría hacia un destino catastrófico en el que quedaría reducido nuevamente a un punto.

Algunos físicos han especulado que después se formaría otro Universo, en cuyo caso se repetía el proceso.

Hoy en día, esta hipótesis parece incorrecta, pues a la luz de los últimos datos experimentales, el Universo se está expandiendo, cada vez más rápido.

Big Crunch

Big Rip o Gran Desgarramiento

El Gran Desgarramiento o Teoría de la Eterna Expansión, llamado en inglés Big Rip, es una hipótesis cosmológica sobre el destino último del universo.

La clave de esta hipótesis es la cantidad de energía oscura en el universo. Si el universo contiene suficiente energía oscura, podría acabar en un desgarramiento de toda la materia.

El valor clave es w, la razón entre la presión de la energía oscura y su densidad energética. A w < -1, el universo acabaría por ser desgarrado. Primero, las galaxias se separarían entre sí, luego la gravedad sería demasiado débil para mantener integrada cada galaxia. Aproximadamente tres meses antes del fin, los sistemas planetarios perderían su cohesión gravitatoria. En los últimos minutos, se desbaratarán estrellas y planetas, y los átomos serán destruidos en una fracción de segundo antes del fin del tiempo.

Los autores de esta hipótesis calculan que el fin del tiempo ocurriría aproximadamente 3,5×10¹⁰ años después del Big Bang, o dentro de 2,0×10¹⁰ años.

Una modificación de esta teoría, aunque poco aceptada, asegura que el universo continuaría su expansión sin provocar un Big Rip.

Big Rip

No Espacio, No Tiempo

Esta teoría consiste en la nula existencia de tiempo al iniciarse el espacio, lo cual originó que todos los eventos ocurridos en el universo no tuvieran (ni necesiten tener) momento definido en la historia. Esta teoría explica principalmente qué provocó la gran explosión (que en realidad no fue una explosión, ni fue provocada), así como también explica el destino del universo, que en términos simples, será cuando el tiempo deje de tener relevancia y por la separación de la materia en el espacio, deje de existir y todo se enfríe, transformando el tiempo en un concepto inexistente de letargo infinito....

Nota. Se inserta este estudio con el sólo y único fin, de crecer en conocimientos del Universo en el que estamos inmenrsos y ampliemos nuestra cultura en una ciencia tan interesante, que está ahí, esperándonos a que la conozcamos mas ampliamente y pensemos un poquito en quien la creo, para el disfrute de toda la Humanidad, eso sí, con la condición de que la conservemos, para que nuestras futuras descendencias, tengan una vida plena de esperanza de morar en un Mundo mejor. Casimiro.