Cosmología física

La cosmología como tal, es el estudio del universo o “cosmos”, tanto su nacimiento (cosmogonía) como su evolución, composición y posible final.

Es una rama teórica de la astrofísica, que cuenta con varios físicos de renombre tales como Stephen Hawking, Albert Einstein o Edwin Hubble. En esta disciplina se hacen avances continuamente, y es una de las más dinámicas dentro de la física, debido también al tamaño de la empresa a la que se dedica.

Podríamos decir que la cosmología física moderna nace a partir de las formulaciones de A. Einstein, que por primera vez describe nuestro universo como un universo plano, homogéneo e isótropo. Esto sucede antes de que se conozca la existencia de otras galaxias, ya que se creía que todos los objetos que podíamos ver y existían en el universo, formaban parte de una sola estructura (una Vía Láctea enorme, en cierto modo). Años más tarde, E. Hubble formuló su famosa Ley de Hubble, sobre el corrimiento al rojo de galaxias lejanas.

 

2xcluster

 

Antes que nada, definamos nuestro universo, como lo hizo Einstein hace un siglo, y entendamos qué significa. Un universo plano no significa otra cosa que la curvatura es nula, al menos localmente. Lo que nos viene a decir esto es que se cumple la geometría euclídea, que podríamos definir de forma poco apropiada pero más entendible, que una recta se alejará siempre de su “inicio”, no acabará dando la vuelta al universo y volviendo al punto inicial (como pasa con una esfera, pero no en una hoja de papel, por ejemplo). Einstein demostró que el espacio puede curvarse (y de hecho lo hace), pero esto en condiciones puntuales y localizadas.

Tenemos por otro lado la homogeneidad y la isotropía. Estas palabras solamente indican que el universo es más o menos regular y en todas las direcciones, a escala global. A comentar sobre la isotropía fueron los resultados del satélite WMAP sobre la CMB (cosmic microwave background, o radiación cósmica de fondo) presentaban anisotropías, esto es, irregularidades en función de la dirección de la medida. Estas anisotropías, serían dadas por pequeñas fluctuaciones debidas al estallido primordial o Big Bang, y reafirmarían esta teoría sobre la formación de nuestro universo. Finalmente estos datos resultaron ser interferencia de polvo y gases interestelares presentes en nuestra galaxia, aún así el Big Bang es la teoría más sólida hoy día.

Posteriormente al trabajo de A. Einstein, De Sitter formuló la métrica de un universo homogéneo e isótropo, pero vacío (sin materia). Esta métrica es de interés teórico. Posteriormente se desarrolló la métrica usada hoy día en muchos casos, la métrica FLRW (Friedman-Lemaitre-Robinson-Walker), que describe un universo en expansión, también homogéneo e isótropo, como sería nuestro universo actual. En esta métrica destacan varios términos, como uno para la curvatura del espacio y uno llamado el factor de escala. El factor de escala es dependiente del tiempo, y varía la métrica en función de este. El factor de escala cambia su valor tan lentamente que el valor actual es considerado una constante, aunque si quisiésemos ser extremadamente precisos, deberíamos tener en cuenta que no lo es. Esta métrica es también una solución a las ecuaciones de Einstein en el marco de la relatividad general.

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Kapteyn

Breve resumen del inicio del universo

En la presente entrada, intentaré resumir el que debe ser el mayor acontecimiento de todos, puesto que es el del comienzo de todas las cosas conocidas (y quizá todas las que quedan por conocer). Comentaré, intentando que la explicación resulte amena, describir el Big Bang, que es la teoría que se considera más verosímil con los datos que poseemos hasta la actualidad.

Todo empezó con una singularidad. Tal palabra solo significa que las condiciones en ese punto y momento son, lógicamente, singulares. Podríamos decir que lo que conocemos hoy día del universo, no sería aplicable entonces, y de ahí que sea singular (y no “normal”). Toda la energía del universo estaba concentrada en un punto. Aquí surge la parte más complicada de entender, por lo que le dedicaré unas líneas extra.

Es complicado no imaginar un punto luminoso rodeado de una oscuridad infinita, pero esto no sería exacto. El universo entero era ese punto. Ni las estrellas ni los planetas solo, sino también el propio espacio (que ahora en gran parte es vacío, ya que dicho espacio va aumentando). No había nada, fuera de ese punto, y con nada me refiero a nada, ni espacio ni tiempo. Entonces este punto “explotó”. Pongo la palabra entre comillas, ya que no se expandió más fuera de si mismo (eso sería imposible, ya que eso era todo lo que existía), pero sí que hubo una expansión del espacio, de ahí lo de Big Bang (gran explosión).

Aclarado esto, vamos a proseguir a partir de la singularidad inicial. Cuando experimentó dicha expansión el espacio, la singularidad se enfrió debido a que, hablando coloquialmente, había “más espacio que calentar”. Esto es lo que llamamos la inflación, y hasta donde podemos comprobar, sigue dándose hoy en día y de forma acelerada (la ley de Hubble es una evidencia de dicha expansión). La energía primordial quedó en forma de partículas elementales. Dichas partículas, aún a gran temperatura, estaban en forma de plasma que empezó a combinarse, creando los bariones (por ejemplo, los protones y los neutrones). Fue entonces cuando la materia predominó sobre la antimateria. El motivo por el cual sucedió esto, aún es controvertido.

Ya había pues, protones y neutrones, además de otras partículas elementales (como el electrón). Entonces sucedió lo que recibe el nombre de nucleosíntesis primordial, que analizando ambas palabras llegamos a la conclusión que significa: primera creación de núcleos. Así sucedió, que se crearon los primeros átomos, en su enorme mayoría de Hidrógeno, y una casi despreciable cantidad de otros elementos como el Helio, el Berilio…

Una vez el universo tuvo su hidrógeno, lentamente se fue agrupando por interacción gravitatoria en enormes esferas que al adquirir suficiente masa, se daban las condiciones idóneas de temperatura y presión en sus interiores. Así nacieron las primeras estrellas, o de población III, que empezaron a transformar el Hidrógeno en Helio, y éste en elementos cada vez más pesados. Estas estrellas murieron hace mucho tiempo, esparciendo estos elementos más pesados al espacio, y de ellos surgieron la siguiente generación de estrellas, las de población II. Estas estrellas aún presentan una metalicidad muy baja, eso significa que se crearon a partir de elementos muy ligeros (Hidrógeno y Helio en su mayoría), y de esa nube de la cual se crearon no pueden existir planetas ya que se requiere de elementos más pesados.

Finalmente a partir de las de población II, surgieron las de población I, ahora ya sí con una metalicidad suficiente como para albergar sistemas planetarios. El Sol es una de esas estrellas.

Lo que a galaxias se refiere, se desconoce cuando se formaron las primeras. Se han observado galaxias que ya existían cuando el universo tenía apenas 500 millones de años de edad. El universo actual tiene 13.700 millones de años, aproximadamente.

Esta es, muy resumida, la historia del universo hasta nuestros días. Por supuesto he omitido gran cantidad de detalles, y muchos otros son directamente desconocidos hoy día, pero da una idea de en qué consistió el Big Bang.

Saludos y hasta la próxima

Kapteyn

Galaxias: qué son y como se clasifican

Una galaxia es una agrupación de cuerpos celestes tales como estrellas, planetas, gas y polvo, agujeros negros… Como ya sabemos, la materia se agrupa debido a la interacción gravitatoria, por lo que tenemos un universo con zonas puntuales con masa, aunque a gran escala sea homogéneo.

Es una estructura bastante grande y compleja, donde aún hay incógnitas hoy día. Puede contener cientos de miles de millones de estrellas. Es complicado asignar un valor preciso del número de estrellas que una galaxia contiene, pero aproximadamente nuestra galaxia contiene de 400.000 a 800.000 millones de estrellas. Es una cantidad enorme, difícilmente imaginable por no decir imposible.

Hay distintos tipos de galaxias, que E. Hubble describió con lo que llamamos la secuencia de Hubble, que no es más que una forma de clasificar los tipos de galaxia que existen. Dichos tipos son:

  • Elípticas (de E0 a E7), tienen una distribución uniforme y elíptica, como su nombre indica.
  • Lenticulares (S0), tienen una forma circular y con poca diferenciación.
  • Espirales (de Sa a Sd), tienen unos brazos que salen del centro de la galaxia. La letra indica si los brazos están muy “contorneados” o por el contrario parecen muy planos.
  • Espirales barradas (de SBa a SBd), son similares a las anteriores pero los brazos salen de la zona central que tiene una forma elíptica más o menos. Se pueden incluir dentro de las espirales, como un subgrupo de las mismas.
  • Irregulares (Ir), no tienen una forma concreta ni siguen un patrón claro. Se usa como comodín para las que no encajan en los otros grupos.

Secuencia Hubble

La Vía Láctea es una galaxia espiral barrada SBb. Las galaxias espirales son las más abundantes del universo, representando sobre el 70% del total de galaxias observadas, mientras que las irregulares representan un 20% y las elípticas el 10% restante.

Además hay, galaxias peculiares, que suelen ser dos galaxias interactuando entre ellas. Dos ejemplos curiosos serían:

  • Galaxias Antennae (o de la antena). Dos galaxias interactuando, empezando hace millones de años. Actualmente uniéndose en una sola. En la imagen puede observarse los centros de ambas galaxias, las zonas más brillantes y amarillas. En la colisión de dos galaxias, apenas hay choques entre estrellas ni planetas, la densidad es tan baja que la enorme mayoría pasan sin acercarse unas a otras.

  • Arp 147. Forma parte del “Atlas de Galaxias Peculiares“, introducido por el astrónomo Halton Arp (de ahí el nombre de las galaxias). Es el resultado del choque entre una galaxia espiral y una elíptica, que ocurrió unos 40 millones de años atrás.

Para más información sobre Arp 147 puede consultarse el siguiente enlace a la Wikipedia, que un servidor redactó: Arp 147

Saludos y hasta la próxima

Kapteyn