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