El 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 nuestro sistema 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 sistema cerrado 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 a exponer 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 Marqués LaPlace 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
Universidad de
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

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 ese proceso, 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 se
muestra en la
siguiente tabla.

Masivos agujeros negros
reportados

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 nuevos satélites
de comunicación Telstar. Al estar tratando de
equilibrar la ganancia de la antena y efectuar mediciones,
descubrieron una radiación de fondo o ruido
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 este método
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 de interacción 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.

BIBLIOGRAFIA

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SOCIEDAD ASTRONOMICA DE ESPAÑA.
SEDAYA. Internet
.
Agujeros Negros. 1998. pp. 10.

Autor:

Gran Bonsai

Por Contralmirante WILLIAM PORRAS
FERREIRA