Universidad Abierta y a
Distancia de México
UnADM
Curso Propedéutico para el Aprendizaje
Autogestivo en un Ambiente Virtual
EL LADO OSCURO DEL
UNIVERSO
Eje 4. Lectura y elaboración
de textos académicos
Juan Carlos Suárez
Olán.
Folio de registro : AS161746830
La curiosidad humana con respecto
al día y la noche, al Sol, la Luna y las estrellas, llevó a los hombres
primitivos a la conclusión de que los cuerpos celestes parecen moverse de forma
regular en el cielo. La primera utilidad de esta observación fue, por lo tanto,
la de definir el tiempo y orientarse.
La astronomía solucionó los
problemas inmediatos de las primeras civilizaciones: la necesidad de establecer
con precisión las épocas adecuadas para sembrar y recoger las cosechas y la de
orientarse en los desplazamientos y viajes.
Para los pueblos primitivos el
cielo mostraba una conducta muy regular. El Sol que separaba el día de la noche
salía todas las mañanas desde una dirección, el Este, se movía uniformemente
durante el día y se ponía en la dirección opuesta, el Oeste. Por la noche se
podían ver miles de estrellas que seguían una trayectoria similar.
En las zonas templadas,
comprobaron que el día y la noche no duraban lo mismo a lo largo del año. En
los días largos, el Sol salía más al Norte y ascendía más alto en el cielo al
mediodía. En los días con noches más largas el Sol salía más al Sur y no
ascendía tanto.
Pronto, el conocimiento de los
movimientos cíclicos del Sol, la Luna y las estrellas mostraron su utilidad
para la predicción de fenómenos como el ciclo de las estaciones, de cuyo
conocimiento dependía la supervivencia de cualquier grupo humano. Cuando la
actividad principal era la caza, era trascendental predecir el instante el que
se producía la migración estacional de los animales que les servían de alimento
y, posteriormente, cuando nacieron las primeras comunidades agrícolas, era
fundamental conocer el momento oportuno para sembrar y recoger las cosechas.
La alternancia del día y la noche debe haber sido un hecho
explicado de manera obvia desde un principio por la presencia o ausencia del
Sol en el cielo y el día fue seguramente la primera unidad de tiempo
universalmente utilizada.
Debió de ser importante también
desde un principio el hecho de que la calidad de la luz nocturna dependiera de
la fase de la Luna, y el ciclo de veintiocho a treinta días ofrece una manera
cómoda de medir el tiempo. De esta forma los calendarios primitivos casi
siempre se basaban en el ciclo de las fases de la Luna. En cuanto a las
estrellas, para cualquier observador debió de ser obvio que las estrellas son
puntos brillantes que conservan un esquema fijo noche tras noche.
Los primitivos, naturalmente, creían que las estrellas
estaban fijas en una especie de bóveda sobre la Tierra. Pero el Sol y la Luna
no deberían estar incluidos en ella.
Del Megalítico se conservan
grabados en piedra de las figuras de ciertas constelaciones: la Osa Mayor, la
Osa Menor y las Pléyades. En ellos cada estrella está representada por un
alvéolo circular excavado en la piedra.
Del final del Neolítico nos han
llegado menhires y alineamientos de piedras, la mayor parte de ellos orientados
hacia el sol naciente, aunque no de manera exacta sino siempre con una
desviación de algunos grados hacia la derecha. Este hecho hace suponer que
suponían fija la Estrella Polar e ignoraban la precesión de los equinoccios.
¿A qué distancia se encuentran las estrellas?
Evidentemente aún no es posible viajar
a las estrellas para medir las distancias a las que se encuentran, porque estas
distancias son muy grandes y no disponemos de naves como el Halcón Milenario o
Daedalus.
De hecho, la nave más veloz
construida por el hombre es el resultado de un programa espacial entre los
Estados Unidos y la República Federal Alemana, con la idea de acercar lo máximo
posible dos naves al Sol, la Helios A y la Helios B. La primera fue lanzada el
10 de diciembre de 1974, la segunda, el 15 de enero de 1976, desde Cabo
Cañaveral.
Ambas tenían órbitas muy
elípticas, que se introducían entre las órbitas de Mercurio y el Sol y llegaban
a alcanzar la órbita de la Tierra en su punto más lejano con respecto a nuestra
estrella. La gravedad del Sol es tan potente que impulsó a las sondas Helios a
velocidades de 252.900 km/h, o lo que es lo mismo, a 70,4 km/s, o 6,3 vueltas a
la Tierra en una hora. Así que con esas limitaciones, no podemos medir de forma
directa las distancias entre nuestro planeta y las estrellas.
La distancia a las estrellas
cercanas de la Vía Láctea, se mide con simple trigonometría, a medida que la
Tierra se mueve alrededor del Sol la posición de la estrella en el cielo parece
cambiar en relación con las estrellas más distantes, esto se llama paralaje. Esto
solo funciona con estrellas relativamente cercanas.
Para estrellas lejanas la visión
de paralaje es extremadamente pequeña, por lo que debemos que utilizar otras
propiedades de la luz. Las estrellas variables cambian de brillo en un periodo
de tiempo que va desde unas horas hasta unas semanas, debido a la expansión y
al enfriamiento del helio con el que están formadas. Existe relación entre el
brillo de la estrella y su período. Estas estrellas son las llamadas variables
cefeidas y su descubrimiento permitió a la cosmología avanzar hasta su punto
actual.
Las estrellas más lejanas parecen
más débiles debido a que su luz se extiende y luego se difunde. Por tanto si se
sabe lo brillante que debería ser la estrella y se compara con lo brillante que
realmente es, deberíamos ser capaces de saber a qué distancia está.
Para medir distancias a estrellas
fuera de la Vía Láctea, los astrónomos dependen de las supernovas, éstas
presentan varias formas y tamaños, pero una en especial, “la supernova de tipo
la”, es especialmente importante para medir el cosmos. Las explosiones se
producen en sistemas binarios, en los que una enana blanca comienza a absorber
a su compañera, una enana roja. A medida que la masa de la enana blanca
comienza a incrementarse se produce una reacción de fusión incontrolada
haciendo que explote en mil pedazos.
Existe un límite de tamaño muy
específico donde esto sucede, por lo que todas las supernovas de este tipo
tienen aproximadamente la misma masa, lo que significa que tienen el mismo
brillo. Si podemos comparar la masa con su brillo relativo podremos saber a qué
distancia está.
Las velocidades de los cuerpos celestes naturales
Nuestro Sistema Solar es mucho
más rápido que la nave más veloz creada por la humanidad. Localizado en uno de
los brazos espirales de nuestra galaxia y a unos 30,000 años luz del núcleo, es
arrastrado a una velocidad de 781,974 km/h; una vuelta completa alrededor de la
Vía Láctea dura 226 millones de años. A esta velocidad, llegaríamos en menos de
1 hora a la Luna.
Una de las estrellas más veloces
que navegan por nuestra galaxia es la conocida como HE 0437-5439. Según los
últimos estudios realizados sobre esta estrella azul, con una masa nueve veces
superior a la del Sol, en la primera etapa de su vida pasó muy cerca del
agujero negro supermasivo que contiene el núcleo de la Vía Láctea, y
seguramente esta estrella tenía una compañera que cayó al agujero negro, pero
HE 0437-5439 se salvó y, debido a la imponente fuerza de gravedad del agujero,
fue lanzada a una velocidad de 2,602,800 km/h. Ahora se encuentra a 200,000
años luz de la Vía Láctea (la Vía Láctea tiene 100,000 años luz de diámetro),
camino de nuestras galaxias vecinas: las Nubes de Magallanes. A esta velocidad
se tardaría un cuarto de hora en llegar de la Tierra a la Luna.
La estrella RX J0822-4300 lleva
una velocidad de 5,400,000 km/h. lo que la hace escapar de la fuerza de
gravedad de nuestra galaxia. Dentro de pocos millones de años, será una
estrella vagabunda en el espacio intergaláctico, no perteneciendo pues a
ninguna galaxia. Esta estrella pequeña y densa, de neutrones proviene de una
explosión supernova, la Puppis A. Según los investigadores Winkler y Petre la
explosión fue asimétrica y empujó a la estrella de neutrones hacia un lado y
los restos de la explosión hacia el otro. Se conocen al menos 30 estrellas
hiperveloces que están saliendo de nuestra galaxia.
Un púlsar en nuestra galaxia
batió dos récords hace poco tiempo. Los púlsares son estrellas muy pequeñas,
del tamaño de una ciudad de unos 10 a 20 kilómetros de diámetro, pero con una
densidad extrema y que emiten radiación periódica como si fueran faros del
Universo. Una cucharadita de esa estrella pesaría como una gran montaña. En
este caso estamos hablando del púlsar PSRJ13113430. El púlsar es binario, es
decir que está acompañado de otra estrella. Tiene el récord de girar alrededor
de la estrella en tan sólo 93 minutos (la tierra tarda un año en girar
alrededor del Sol), algo increíble.
Pero lo mejor de todo es la
velocidad de giro sobre su propio eje. Durante los 93 minutos que dura su
traslación, rota sobre su eje 2,800,000 veces, lo que equivale a dar una vuelta
cada 2.56 milisegundos sobre sí mismo, la Tierra emplea para ello 24 horas. La
estrella no se hace añicos por la fuerza centrífuga ni sus capas exteriores
salen despedidas al espacio por la tremenda gravedad que tiene el pequeño
púlsar y por imponente campo magnético. Así que se trata de uno de los objetos
más veloces del Cosmos. Podríamos estar hablando de velocidades de 260,000,000
km/h. A esta velocidad podríamos llegar en poco más de media hora al Sol.
Existe un enorme número de
galaxias activas, de cuyos núcleos, dominados por imponentes agujeros negros,
parten los llamados jets. Los jets son materia que expulsa la galaxia desde su
núcleo, midiendo en algunos casos miles de años luz de extensión. Estos jets
son producidos por la caída de estrellas, gas y polvo en los agujeros negros.
Parte de este material, antes de caer en ellos para no retornar nunca más, son
lanzados a velocidades de cerca de 1,000 millones de km/h, prácticamente a la
velocidad de la luz.
Es el caso de la gigantesca
galaxia M 87, con un billón de masas solares y un agujero negro de unas 6,600
millones masas solares, que emite un jet de 5,000 años luz de extensión y
absorbe el equivalente de dos estrellas como el Sol por año.
La luz es lo más rápido que
existe en el Universo, al menos así lo hemos aprendido y así lo dice la teoría
de la relatividad de Einstein. Ningún objeto material puede sobrepasar la velocidad
de la luz ni tan siquiera llegar a ella, que es de unos 300,000 km/s, unos 1,080
millones de km/h. Si se intentara alcanzar la velocidad de la luz, la masa se
haría cada vez mayor a medida que aumentamos la velocidad, hasta acercarse al
infinito, por lo que necesitaríamos una energía infinita para impulsarla, lo
cual es imposible. Los objetos más veloces se podrían acercar al 99.9% de la
velocidad de la luz.
Por curioso que parezca, no es un
objeto en sí el más rápido del Universo, sino algo no tangible, no visible pero
que lo contiene a todo: es el espacio. Si imaginamos el Universo como un globo
que se hincha y a las galaxias como puntos sobre este, notaremos que estos
puntos se alejan unos de otros a razón del doble de velocidad si está al doble
de distancia, que otro, al triple si está al triple de distancia y así
sucesivamente.
Pero el Universo es inmenso.
Nosotros no podemos ver todo ese globo, sólo el Universo visible, aquel que no
está tan lejos como para que las galaxias se alejen a mayor velocidad que la
luz. En realidad, las galaxias no se mueven, es el espacio el que se abre entre
ellas, y por ello parecen desplazarse.
Una buena parte del Universo
contiene galaxias tan distantes que parecen alejarse a mayor velocidad que la
luz, por lo tanto, esa luz jamás nos llegará, es el Universo invisible. Las
galaxias que están en las antípodas del Universo pueden alejarse al abrirse el
espacio entre ellas a velocidad superiores al triple de la velocidad de la luz,
a más de 3,000 millones de km/h. Es como si el espacio se abriera en una hora
el equivalente a la distancia que separa el Sol de Urano.
El Big Bang
En un pasado remoto las galaxias
estaban concentradas en una región muy pequeña y muy caliente —y no eran
galaxias, sino una mezcla increíblemente densa de materia y energía—. En algún
momento debió existir una singularidad creada por esa increíble mezcla de
materia y energía, ocasionando una gran explosión conocida como el Big Bang,
que dio origen al universo que hoy conocemos y cuya energía residual muestra,
que el universo se encuentra expandiéndose, y que las galaxias se alejan unas
de otras, constituyendo así el espacio como el cuerpo celeste más veloz nunca
conocido.
Desde que Georges Lemaître
observó por primera vez, en 1927, que un universo en permanente expansión
debería remontarse en el tiempo hasta un único punto de origen, los científicos
se han basado en su idea de la expansión cósmica. La comunidad científica
estuvo inicialmente dividida entre los partidarios de dos teorías diferentes
sobre el universo en expansión, el Big Bang y la teoría del estado estacionario,
pero en 1929, a partir del análisis de corrimiento al rojo de las galaxias,
Edwin Hubble concluyó que las galaxias se estaban distanciando, una prueba
observacional importante consistente con la hipótesis de un universo en
expansión.
Una de las predicciones de la
teoría del Big Bang es la existencia de la radiación cósmica de fondo. El
universo temprano, debido a su alta temperatura, se habría llenado de luz
emitida por sus otros componentes. Mientras el universo se enfriaba debido a la
expansión, su temperatura habría caído por debajo de 3,000 K. Por encima de
esta temperatura, los electrones y protones están separados, haciendo el
universo opaco a la luz. Por debajo de los 3,000 K se forman los átomos,
permitiendo el paso de la luz a través del gas del universo. Esto es lo que se
conoce como disociación de fotones.
La radiación en este momento
habría tenido el espectro del cuerpo negro y habría viajado libremente durante
el resto de vida del universo, sufriendo un corrimiento hacia el rojo como
consecuencia de la expansión de Hubble. Esto hace variar el espectro del cuerpo
negro de 3,345 K a un espectro del cuerpo negro con una temperatura mucho
menor. La radiación, vista desde cualquier punto del universo, parecerá
provenir de todas las direcciones en el espacio.
En 1965, Arno Penzias y Robert
Wilson, mientras desarrollaban una serie de observaciones de diagnóstico con un
receptor de microondas propiedad de los Laboratorios Bell, descubrieron la
radiación cósmica de fondo. Ello proporcionó una confirmación sustancial de las
predicciones generales e inclinó la balanza hacia la hipótesis del Big Bang. De
acuerdo con sus cálculos, el tiempo y el espacio tuvieron un inicio finito que
corresponde al origen de la materia y la energía: el Big Bang.
La cantidad de materia en el universo.
Todo lo que tiene masa, por
pequeña que sea, emite gravedad. Incluso nosotros mismos. En el Cosmos, la
materia se atrae por esa gravedad. Se agrupa y forma desde las pequeñas
moléculas hasta los planetas, las estrellas y los grandes cúmulos galácticos.
La gravedad mantiene unida la materia. Aún así, la mayor parte de la materia no
se concentra en las galaxias, sino en los inmensos espacios intergalácticos.
La parte de la materia que
podemos ver es sólo el 5% de la composición del Universo. La materia visible se
llama materia ordinaria o materia bariónica. La materia ordinaria está formada
por átomos. Puede estar en cuatro estados: sólido, líquido, gaseoso y plasma.
Pasa de un estado a otro al ganar o perder calor. La mayor parte de la materia
visible del Universo está en estado de plasma, ya que es el que forma las
estrellas.
El estudio de las radiaciones de
fondo que inicialmente sirvieron para fundamentar y servir como fundamento a la
teoría del Big Bang, también condujeron a un nuevo descubrimiento. En 1933 el
astrofísico suizo Fritz Zwicky, del Instituto Tecnológico de California, aplicó
el teorema de virial que relaciona la
energía cinética total promedio de un sistema con su energía potencial promedio,
al cúmulo de galaxias Coma y obtuvo pruebas de masa no visible. Zwicky estimó
la masa total del cúmulo basándose en los movimientos de las galaxias cercanas
a su borde. Cuando comparó esta masa con la estimada en el número de galaxias y
con el brillo total del cúmulo, encontró que había unas 400 veces más masa de
la esperada. La gravedad de las galaxias visibles en el cúmulo resultaba ser
muy poca para tal velocidad orbital, por lo que se necesita mucha más. Esto es
conocido como el "problema de la masa desaparecida". Basándose en
estas conclusiones, Zwicky dedujo que tendría que haber alguna forma de
"materia no visible" que proporcionaría suficiente masa y gravedad
constituyendo todo el cúmulo.
Muchas de las evidencias de la
existencia de materia oscura provienen del estudio de los movimientos de las
galaxias. Muchas de estas parecen ser bastante uniformes, con lo que el teorema
de virial de la energía cinética total debería ser la mitad del total de la
energía gravitacional de las galaxias. Sin embargo, se ha hallado
experimentalmente que la energía cinética total es mucho mayor: en particular,
asumiendo que la masa gravitacional es debida sólo a la materia visible de la
galaxia, las estrellas alejadas del centro de las galaxias tienen velocidades
mucho mayores que las predichas por el teorema de virial. La curva de rotación
galáctica que muestra la velocidad de rotación frente a la distancia del centro
de la galaxia, no se puede explicar sólo mediante la materia visible.
Suponiendo que la materia visible conforma sólo una pequeña parte del cúmulo,
es la manera más sencilla de tener en cuenta esto. Las galaxias muestran signos
de estar compuestas principalmente de un halo de materia oscura concentrado en
su centro, con simetría casi esférica, con la materia visible concentrada en un
disco central. Las galaxias de brillo débil superficial son fuentes importantes
de información para el estudio de la materia oscura, ya que tienen una baja
proporción de materia visible respecto de la materia oscura, y tienen varias
estrellas brillantes en el centro que facilita la observación de la curva de
rotación de estrellas periféricas.
De acuerdo con los resultados
publicados en agosto de 2006, la materia oscura se ha detectado por separado de
la materia ordinaria a través de medidas del Cúmulo Bala, realmente dos cúmulos
de galaxias cercanos que colisionaron hace unos 150 millones de años. Los
investigadores analizaron los efectos de las lentes gravitacionales para
determinar la masa total de la distribución ambas y la compararon con los mapas
de rayos X de gases calientes, que se pensaba que constituían la mayor parte de
la materia ordinaria en los cúmulos. Los gases calientes interactuaron durante
la colisión y permanecieron cerca del centro. Las galaxias individuales y la
materia oscura no interactuaron y están más alejadas del centro.
Estimaciones basadas en los
efectos gravitacionales de la cantidad de materia presente en el Universo
sugieren, consistentemente, que hay mucha más materia de la que es posible
observar directamente. Además, la existencia de materia oscura resolvería
varias inconsistencias en la teoría del Big Bang. Se cree que la mayoría de la
masa del Universo existe en esta forma. Determinar cuál es la naturaleza de la
materia oscura es el llamado "problema de la materia oscura" o
"problema de la masa desaparecida" y es uno de los más importantes de
la cosmología moderna.
La cuestión de la existencia de
la materia oscura puede parecer irrelevante para nuestra existencia en la
Tierra pero el hecho de que exista o no, afecta al destino último del Universo.
Se sabe que el Universo está expandiéndose, por el corrimiento al rojo que
muestra la luz de los cuerpos celestes distantes. Si no hubiera materia oscura,
esta expansión continuaría para siempre. Si la actual hipótesis de la materia
oscura es correcta, y dependiendo de la cantidad de materia oscura que haya, la
expansión del Universo podría ralentizarse, detenerse o incluso invertirse (lo
que produciría el fenómeno conocido como Big Crunch). Sin embargo, la
importancia de la materia oscura para el destino final del Universo se ha
relativizado en los últimos años, en que la existencia de una constante
cosmológica y de una energía oscura parece tener aún mayor importancia. Según
las mediciones realizadas en 2003 y 2006 por el satélite WMAP, la expansión del
Universo se está acelerando, y se seguirá acelerando debido a la existencia de
la energía oscura, aunque sin causar un Big Rip.
En la película Thor: The Dark
World, los elfos oscuros poseen un arma llamada "Éter", capaz de
convertir la materia en materia oscura, se le atribuye un poder enorme y
propiedades antigravitatorias.
La forma del universo
Una de las predicciones más
importantes del modelo del universo en expansión atañe a la geometría del espacio.
Caben tres posibilidades:
1. El
univ erso plano:
2. El
universo esférico
3. El
universo hiperbólico
Universo plano
En un universo plano, todas las
curvaturas locales y la geometría local son planas. En general, puede ser
descrita por el espacio euclídeo, sin embargo hay algunas geometrías espaciales
que son planas y limitadas en una o más direcciones. Esto incluye, en dos
dimensiones, el cilindro, el toro, y la banda de Möbius. Espacios similares en
tres dimensiones (como la botella de Klein) existen también.
Las últimas mediciones de la
curvatura del espacio, realizadas por la misión espacial europea Planck,
muestran que ΩK, el valor de ésta, es 0.000±0.005, lo cual es coincidente con
un Universo plano.
Universo esférico
Un universo posiblemente curvo
está descrito por la geometría esférica, y puede ser pensado como una
hiperesfera tridimensional. Asumiendo que la luz posee suficiente tiempo desde
su origen para viajar por un universo limitado, muchas imágenes pueden ser
observadas. Cuando los resultados y el análisis no corresponden a una topología
limitada, y si el universo es limitado, entonces la curvatura espacial es
pequeña, tal como la curvatura espacial de la Tierra es pequeña en un entorno de,
por ejemplo, un radio de cien metros, pero ha de ser tenida en cuenta con un
horizonte de mil kilómetros o más. Generalmente -aunque no absolutamente- la
idea de un universo de geometría esférica es asociada con la de un universo
finito (que tiene un punto de conclusión espacio temporal).
Universo hiperbólico
Un universo hiperbólico
(frecuente pero confusamente llamado "abierto") está descrito por la
geometría hiperbólica, y puede creerse como un equivalente tridimensional de
una forma de una montura infinitamente extendida. Para la geometría local
hiperbólica, varios de los posibles espacios tridimensionales son informalmente
llamados topologías de cuerno.
El destino último del universo
abierto es que se continuará expandiendo para siempre, terminando en una muerte
fría del universo, un Big Freeze o un Big Rip. Esta topología es consistente
con las medidas astrofísicas hechas en los últimos años. Aunque también puede
acabar en un Big Crunch.
El destino final del universo
Ésta es una de las cuestiones fundamentales
en cosmología física. Muchos destinos posibles son predichos por teorías
científicas rivales, incluyendo futuros de duración tanto finita como infinita.
Una vez que la noción de que el
universo empezó con una rápida inflación apodada el Big Bang, se hizo popular
entre la mayoría de los científicos la cuestión del posible destino final del
universo, convirtiéndose en una pregunta cosmológica válida, dependería de las
propiedades físicas de la masa/energía en el universo, su densidad promedio, y la
tasa de expansión.
El destino del universo está
determinado por la densidad del universo. La preponderancia de las pruebas
hasta la fecha, basadas en las medidas de la tasa de expansión y de la densidad
de masa, favorecen la teoría de que el universo continuará expandiéndose
indefinidamente, resultando en el escenario del "Big Freeze" descrito
a continuación. Sin embargo, nuevas interpretaciones sobre la naturaleza de la
materia oscura también sugieren que sus interacciones con la masa y la gravedad
avalan la posibilidad de un universo oscilador.
El Big Freeze
El Big Freeze ("Gran
congelación"), es una hipótesis cosmológica sobre el destino final del
Universo en la que se supone éste se seguirá expandiendo infinitamente —asume,
por tanto, un universo abierto— y está marcada por el triunfo de la segunda ley
de la termodinámica, con la consecución final de prácticamente todos los
procesos físicos que puedan darse y posiblemente acabando con la muerte térmica
del Universo.
Este escenario es generalmente considerado
como el más probable y ocurrirá si el universo continúa en expansión como hasta
ahora. Sobre la escala de tiempo en el orden de un billón de años, las
estrellas existentes se apagarán y la mayor parte del universo se volverá
oscuro. El universo se aproxima a un estado altamente entrópico. Sobre una
escala del tiempo mucho más larga en las eras siguientes, las galaxias
colapsarían en agujeros negros con la evaporación consecuente vía la radiación
de Hawking. En algunas teorías de la gran unificación, la descomposición de
protones convertirá el gas interestelar subyacente en positrones y electrones,
que se aniquilarán en fotones. En este caso, el universo indefinidamente
consistirá solamente en una sopa de radiación uniforme que estará ligeramente corrida
hacia el rojo con cada vez menos energía, enfriándose.
El Big Freeze es un escenario
bajo el que la expansión continúa indefinidamente en un universo que es
demasiado frío para tener vida. Podría ocurrir bajo una geometría plana o
hiperbólica, porque tales geometrías son una condición necesaria para un
universo que se expande por siempre. Un escenario relacionado es la muerte
térmica, que dice que el Universo irá hacia un estado de máxima entropía en el
que cada cosa se distribuye uniformemente y no hay gradientes, que son
necesarios para mantener el tratamiento de la información, una forma de vida.
El escenario de Muerte térmica es compatible con cualquiera de los tres modelos
espaciales, pero necesita que el universo llegue a una eventual temperatura
mínima.
El Big Rip
En un universo abierto, la
relatividad general predice que el universo tendrá una existencia indefinida,
pero con un estado donde la vida que se conoce no puede existir. Bajo este
escenario, la energía oscura causa que la tasa de expansión del universo se
acelere. Llevándolo al extremo, una aceleración de la expansión eterna
significa que toda la materia del universo, empezando por las galaxias y
eventualmente todas las formas de vida, no importa qué tan pequeñas sean, se
disgregarán en partículas elementales desligadas. El estado final del universo
es una singularidad, ya que la tasa de expansión es infinita.
El Gran Desgarramiento o Teoría
de la expansión eterna, llamado en inglés Big Rip, es una hipótesis cosmológica
sobre el destino final del Universo.
El cumplimiento de esta hipótesis
depende de 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 la razón entre la presión de la energía oscura y
su densidad energética (w). Si su valor es tal que w < -1 el Universo
acabaría por ser desgarrado. Primero, las galaxias se separarían entre sí, a
1000 millones de años del final. Luego la gravedad sería demasiado débil para
mantener integrada cada galaxia, y 60 millones de años antes del fin, sólo
habría estrellas aisladas. Aproximadamente tres meses antes del fin, los
sistemas solares perderían su cohesión gravitatoria. En los últimos minutos, se
desbaratarían estrellas y planetas. El Universo quedaría en átomos, pero no se
habría acabado todo. Los átomos serían destruidos en una fracción de segundo
antes del fin del tiempo y sólo quedaría radiación. El Universo sería como el
Big Bang pero casi infinitamente menos denso.
A diferencia del Big Crunch, en
el que todo se condensa en un solo punto, en el Big Rip el Universo se
convertiría en partículas subatómicas flotantes que permanecerían para siempre
separadas, sin cohesión gravitatoria ni energía alguna.
Los autores de esta hipótesis
calculan que el fin del Universo, tal como lo conocemos, ocurriría
aproximadamente 3,5 × 1010 años (35 000 millones de años) después del Big Bang,
o dentro de 2,0 × 1010 años (20 000 millones de años).
Debido a que la materia
(barionica y materia oscura) sólo representa el 27% del Universo y el 73%
restante está formado por la energía oscura, una energía que se opone a la
gravitatoria, el Big Rip parece ser una de las teorías más aceptadas en la
actualidad del fin del Universo.
El Big Crunch
La teoría de la Gran Implosión
(“Big Crunch”) propone un universo cerrado. Según esta teoría, si el universo
tiene una densidad crítica, la expansión del universo, producida por la Gran
Explosión (o Big Bang) irá frenándose poco a poco hasta que finalmente comiencen
nuevamente a acercarse todos los elementos que conforman el universo, volviendo
a comprimir la materia en una singularidad espacio-temporal.
El momento en el cual acabaría
por detenerse la expansión del universo e iniciaría la contracción depende de
la densidad crítica del Universo: a mayor densidad mayor rapidez de frenado y
contracción; y a menor densidad, más tiempo para que se desarrollaran eventos.
Si la densidad es lo suficientemente baja se prevé que tendría lugar un
universo en expansión perpetua.
La evidencia experimental
reciente (concretamente la observación de supernovas lejanas como candelas
estándares y el mapeo completo de la radiación de fondo de microondas) ha
llevado a especular que la expansión del universo no está frenándose debido a
la gravedad, sino que se está acelerando. Sin embargo, debido a la naturaleza
de la energía oscura –que es postulada como la fuente de la aceleración– es
desconocida, todavía es posible (aunque no respaldado por la observación a la
fecha) que el universo finalmente revierta la marcha y cause un colapso.
Esta fase de contracción seguiría
inexorablemente, y con ella el aumento de la temperatura de la radiación y la
materia. Llegaría un momento en que todas las galaxias se fundieran en una
–aunque los choques entre estrellas serían aún raros–. Mientras, la temperatura
del fondo de radiación iría subiendo y empezaría a poner en peligro la
supervivencia de las formas de vida que existieran por entonces, en un
principio las que vivieran en planetas de tipo terrestre. En un momento dado,
dicha temperatura sería de 300 Kelvin, impidiendo a los planetas antes
mencionados deshacerse del calor acumulado y acabando por hacerse inhabitables.
Más adelante, y con una contracción cada vez más acelerada –y junto a ella un
aumento desbocado de la temperatura de la radiación cósmica– el universo se
convertiría en un lugar infernal e inhabitable –al menos para seres como
nosotros y sin ayuda tecnológica– con temperaturas de miles de grados debido a
una radiación cósmica a ésa temperatura y a colisiones entre estrellas al
disponer éstas de cada vez menos espacio.
Al parecer, las estrellas serían
en su mayoría destruidas no por colisiones entre ellas sino por el aumento de
temperatura del universo. Éste llegaría a estar tan caliente que las estrellas
no podrían deshacerse del calor acumulado en su interior y pasarían a
absorberlo del exterior (cociéndose en cierto modo), hasta acabar por estallar.
Tras ello, sólo quedarían agujeros negros (el principal hecho que diferenciaría
la fase de contracción de la de expansión) y un plasma cada vez más caliente
(muy distinto al existente tras el nacimiento del universo debido a que
procedería de estructuras ya desaparecidas, por lo cual mostraría una gran
asimetría en la densidad que presentara en diferentes puntos) en el que el
aumento de temperatura destruiría primero los átomos y luego las propias
partículas elementales, sólo dejando quarks. a la vez que los agujeros negros
empezaban a fusionarse entre sí y a absorber materia hasta dar lugar a un único
"super" agujero negro; del mismo modo que no tiene sentido preguntarse
qué había "antes" de la Gran Explosión, tampoco puede preguntarse qué
habría "después" del Gran Crujido.
El Universo oscilante
Según esta teoría el universo
sería descrito como un Universo oscilante, en el cual, tras la Gran Implosión
podría tener lugar una nueva Gran Explosión; e incluso este universo podría
proceder de un universo anterior que también se comprimió en su Gran Implosión.
Si esto hubiera ocurrido repetidas veces, nos encontraríamos ante un universo
oscilatorio; donde cada universo termina con una Gran Implosión y da lugar a un
nuevo universo con una gran Explosión. Sin embargo, no sólo no se conoce qué
podría provocar tal rebote sino que la teoría de un universo oscilante entra en
contradicción con la segunda ley de la termodinámica; a menos que en cada ciclo
se produjera una destrucción y reinicio totales del universo, con la
desaparición de las leyes físicas existentes y la aparición de nuevas leyes
físicas, y/o la entropía se "rebobinara" durante la fase de
contracción (por ejemplo, se ha sugerido que el tiempo iría al revés durante
ésta fase), no sólo la cantidad de agujeros negros iría aumentando en cada
ciclo sino que la radiación existente en el universo aumentaría a costa de la
materia –debido a las reacciones de fusión nuclear producidas en el interior de
las estrellas, en las que parte de la materia que compone los átomos que se
fusionan se transforma en energía–, con el resultado de que los
"rebotes" serían cada vez más largos hasta llegar a un escenario no
demasiado diferente de la expansión indefinida; todo ello tendría como
consecuencia que debería haber habido un número finito de ciclos antes del
actual. Además, el reciente descubrimiento de la energía oscura ha provocado
que muchos cosmólogos abandonen la teoría de este universo oscilante y junto
con otros descubrimientos, también la de que el universo sea cerrado, aunque al
no conocerse bien la naturaleza de la energía oscura aún no puede descartarse
por completo un colapso futuro.
¿Por qué nos interesa estudiar el final del universo y la materia oscura?
Somos criaturas curiosas,
observamos y modificamos nuestro entorno en función de nuestros conocimientos.
Lo que nos distingue de los animales es que tenemos la capacidad de aprender,
de modificar nuestra conducta y podemos utilizar herramientas y conocimientos
previos para modificar nuestro entorno.
La Tierra ha sido nuestro hogar
por millones de años, pero no todos los recursos son renovables, la energía que
usamos diariamente en nuestras casas proviene principalmente de combustibles
fósiles. La fusión atómica, que es la forma en que las estrellas obtienen su
energía representa una esperanza. Esta forma de energía ha sido conocida
gracias al estudio de las estrellas, gracias a la comprensión de las leyes de
la Relatividad que por el momento son válidas para comprender la mecánica del
Universo conocido.
Por eso estudiamos el Universo,
para obtener conocimiento, para aplicarlo en beneficio de la humanidad. Si la
materia oscura tiene propiedades antigravitatorias, las posibilidades son
inmensas. Si las leyes de la Relatividad son ciertas, hay cantidades de energía
infinitas en cualquiera de los estados de la materia.
El futuro es el legado de los
hombres. Los conocimientos actuales se han basado en las teorías, aciertos y
errores de las investigaciones realizadas en el pasado. El conocimiento del
futuro indudablemente estará apoyado por la ciencia actual.
Bibliografía:
Wollack, Edward J. (10 de diciembre de 2010). «Cosmology:
The Study of the Universe». Universe 101: Big Bang Theory. NASA. Recuperado el
14 de Noviembre de 2015.
Lemaître, Georges (1931). «Expansion of the universe, A
homogeneous universe of constant mass and increasing radius accounting for the
radial velocity of extra-galactic nebulæ». Noticiero Mensual de la Real Sociedad
Astronómica. 1991.
Walter W. Bryant “La Historia de la Astronomía” Recuperado
de http://archive.org/stream/AHistoryOfAstronomy/Bryant-AHistoryOfAstronomy#page/
Caldwell, Robert R., Kamionkowski, Marc y Weinberg, Nevin N.
"Phantom Energy and Cosmic Doomsday" (Energía Fantasma y Cataclismo
Cósmico), Recuperado de http://www.arxiv.org/PS_cache/astro-ph/pdf/0302/0302506.pdf
Carletti, Eduardo J., La energía fantasma
Cf. Peter Schneider, «Cuestiones fundamentales de
cosmología», Investigación y Ciencia, 405, 2010.
REFLEXIONES
¿Por qué has elegido ese tema?
Siempre me ha despertado
curiosidad todo lo relacionado con el Universo; aunque las aplicaciones
prácticas no son inmediatas, el desarrollo del conocimiento proporciona las
bases para obtener nuevos conocimientos.
La investigación y la observación
astronómica han sido importantes en muchos aspectos de nuestra vida actual. La
llegada del hombre a la Luna, las sondas espaciales, los telescopios, y los
vehículos no tripulados que han viajado a Marte, aparentemente no han tenido
relevancia con nuestra vida diaria.
Pero los avances y las
investigaciones para desarrollar la tecnología que proporcione la energía de
impulso, las comunicaciones y todos los elementos relacionados con la
exploración del espacio han conducido al desarrollo de los teléfonos celulares,
los procesadores actuales de las computadoras y la comunicación tal y como la
conocemos no sería posible sin los satélites que se han colocado orbitando
alrededor de la tierra y que permiten incluso en este momento, publicar este
documento en Internet.
¿De dónde partiste para empezar a
escribir?
La lectura de referencia me hizo
revisar otras lecturas, investigar, reunir notas. Reflexionar y dar coherencia
a esas notas ha sido una tarea sencilla pero laboriosa. He iniciado a escribir desde la influencia de
la astronomía en la antigüedad y los beneficios que representó para las
primeras culturas.
