Descripción
¿De qué están hechas las cosas ?
Materia, esta es la sustancia de la que están hechas todas las cosas que conocemos. La Tierra , los mares, la brisa, el Sol, las estrellas, todo lo que el hombre contempla, toca o siente, es materia. También lo es el hombre mismo.
La palabra materia deriva del latín mater , madre. La materia puede ser tan dura como el acero, tan adaptable como el agua o tan informe como el oxígeno del aire. A diferentes temperaturas puede presentar diferentes fases, pero cualquiera que sea su forma, está constituida por las mismas entidades básicas, las partículas elementales.
¿Y qué son las partículas elementales?
Importante
as partículas se las describe como si realmente fuesen "entes físicos puntuales" (puntos en el espacio), lo cual SÓLO ES UNA ABSTRACCION MATEMÁTICA de la realidad. Se ha conservado tal descripción de la naturaleza debido a que hasta ahora ha servido para explicar exitosamente una cantidad enorme de fenómenos físicos y, por otro lado, tratar de describir a las partículas como entes-no-puntuales ha resultado ser un formidable problema matemático.
Podemos definir las partículas elementales como aquellas cuya estructura interna no podía ser descrita (en el estado actual del conocimiento) como una simple combinación de otras partículas. Las partículas elementales son de esta manera los objetos más simples que se pueden concebir.
Algunas partículas que se creían simples en realidad son compuestas, por ejemplo, el protón y el neutrón que son las partículas que conforman el núcleo de los átomos, están hechos de partículas más pequeñas llamadas quarks.
¿Cuáles son las partículas elementales?
Las partículas se clasifican en dos familias: los quarks y los leptones, estos dos grupos forman la materia visible del Universo.
Los miembros de cada familia son:
Nota: Cada una de las anteriores partículas tiene su antipartícula por lo cual en realidad son 12 miembros en cada familia.
Antes de continuar ¿Qué son las antipartículas o antimateria?
Se ha observado la existencia de partículas elementales hechas de antimateria. Estas partículas son idénticas a sus correspondientes partículas excepto que tienen carga eléctrica (y propiedades magnéticas) de signo opuesto. Cuando una partícula de materia se encuentra con su correspondiente partícula de antimateria, éstas se aniquilan y su masa en reposo se convierte en energía en forma de fotones (luz) .
La antipartícula del electrón es el positrón, y tiene, por tanto, carga eléctrica opuesta a la del electrón. Si electrones y positrones se colocan juntos se aniquilan.
Continuemos ¿En qué se diferencian los Leptones y Quarks?
Los leptones son partículas que siempre interactúan por medio de la fuerza nuclear débil y si tienen carga también sienten la interacción electromagnética, pero nunca sienten la interacción nuclear fuerte. Ejemplos de los leptones es el electrón.
Los quarks son partículas elementales que sienten la fuerza nuclear fuerte, pero no se encuentran libres en la naturaleza. Siempre están ligados con otros quarks ya sea en forma de barión (combinación de tres quarks) o de mesón (un quark unido a un anti-quark) anti-quark es la antipartícula del quark .
¿Qué es eso de las fuerzas?
Las fuerzas fundamentales del Universo
Todos los cuerpos materiales interactúan entre sí en el sentido de que unos ejercen fuerzas sobre los otros. La fuerza de interacción más familiar es la gravitación, el hecho de que los cuerpos caigan al suelo es ya parte íntegra de nuestra experiencia común. Pero la gravitación es sólo una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza.
En Física se llaman fuerzas fundamentales a cada una de las interacciones que puede sufrir la materia y que no pueden descomponerse en interacciones más básicas. En la física moderna se consideran cuatro campos de fuerzas como origen de todas las interacciones fundamentales:
La fuerza de gravedad
Todo cuerpo atrae gravitacionalmente a otro. La Tierra nos atrae y nosotros atraemos a la Tierra (aunque la fuerza que ejerce nuestro cuerpo es prácticamente imperceptible y, en la práctica, sólo se nota la fuerza de atracción de la Tierra).
Pero la Tierra no sólo atrae a los objetos que están en su superficie, sino también a la Luna y a cualquier cuerpo en su cercanía. Además, el Sol atrae a la Tierra y a todos los demás planetas, las estrellas se atraen entre sí, las galaxias también, y así toda la materia en el Universo. En resumen, la gravitación es el cemento del Universo.
Esta fuerza es la más débil de todas, extremadamente débil en los átomos, pero su rango de alcance es infinito. Actúa sobre todo lo que tenga masa, si no existiera esta fuerza, no existiría nuestro Universo.
La fuerza electromagnética
Otras fuerzas, bastante comunes en nuestra experiencia diaria —aunque no tanto como la gravedad—, son las fuerzas eléctricas y magnéticas. A diferencia de la gravitación que siempre es atractiva, la fuerza eléctrica puede ser tanto repulsiva como atractiva, según si las cargas son del mismo signo o de signo contrario.
Las moléculas y los átomos están amarrados entre sí por fuerzas eléctricas y magnéticas. Así como la fuerza de la gravitación es el cemento del Universo a escala cósmica, la fuerza electromagnética es el cemento de la naturaleza a escala atómica. Las interacciones electromagnéticas son tan intensas que los cuerpos sólidos no pueden ínter-penetrarse sin romperse.
Estamos acostumbrados al hecho de que la materia puede ser extremadamente dura e impenetrable, como el acero o la roca. Sin embargo, esta dureza parecería increíble si pudiéramos echar un vistazo al mundo microscópico de los átomos, pues veríamos vacío por todas partes, excepto por algunas escasas y diminutas partículas. Recordemos que el tamaño característico de un átomo es de una diez millonésima de milímetro, pero el núcleo es 100 000 veces más pequeño, y aún más diminuto es el electrón. Si un átomo pudiera magnificarse al tamaño de un estadio de fútbol, su núcleo sería, en comparación, del tamaño de una mosca. Pero semejante vacío no es realmente tal porque el espacio está ocupado por fuerzas eléctricas y magnéticas, es decir, por un campo electromagnético. Este campo no es una suposición; muy por lo contrario, a él debe la materia toda su solidez.
La interacción nuclear fuerte
a interacción nuclear débil es causa de la radioactividad natural y la desintegración del neutrón (un neutrón en el núcleo se transforma en un protón, un electrón y un neutrino). Tiene un rol capital en las reacciones de fusión del hidrógeno y otros elementos en el centro de las estrellas y del Sol. La intensidad es débil comparada con las fuerzas eléctricas y las interacciones fuertes. Su alcance es muy pequeño.
Acaba así la introducción a lo que se conoce de la Física de las Partículas Elementales actualmente, sin embargo los estudios en este campo son muy extensos y lo leído puede estar anticuado o incluso ser falso si otra teoría la ha sustituido.
¿Y qué de los átomos?
Los átomos están formados de la siguiente manera, un núcleo donde se concentra la mayoría de su masa formado por protones (con carga positiva) y neutrones (sin carga) , y varios electrones (de carga negativa) alrededor del núcleo.
El comportamiento de un átomo no puede ser explicado con las leyes físicas aplicadas a los objetos macroscópicos. Se requiere de la mecánica cuántica para poder entender qué pasa dentro de un átomo.
Por ejemplo, los electrones en un átomo no se encuentran circundando el núcleo en órbitas bien definidas como la de un planeta en torno al Sol, sino como un enjambre de abejas al rededor de su panal.
Los átomos son la mínima cantidad de materia de un elemento químico (hidrógeno, helio, oxígeno, carbono, hierro, etc). Y están formados por partículas.
La diferencia entre los elementos químicos que se encuentran en la naturaleza no es más que el número de protones y de neutrones en sus átomos.
¿Qué tan grande es el Universo?
El Universo es donde se encuentra todo lo que conocemos y no es infinito, pero sí muy grande, por lo que para medirlo los kilómetros no son suficientes. Por ejemplo, la distancia entre el Sol y la Tierra es de 149.597.870,66 Km, es por esta razón que se han tenido que inventar nuevas formas de medir las distancias en el espacio.
Unidades de distancia usadas en la astronomía
Unidad Astronómica
Es la distancia media Tierra-Sol, y equivalente a los 149.597.870,66 Km ., ya mencionados. Elegida como unidad de medida en el ámbito del Sistema Solar, es la unidad de distancia utilizada en la medición de órbitas y trayectorias dentro del Sistema Solar.
Expresadas en UA (forma abreviada), las distancias de los planetas del Sol son: Mercurio 0,387; Venus 0,723; Tierra 1,00; Marte 1,524; Júpiter 5,203; Saturno 9,539; Urano 13,182; Neptuno 30,058; Plutón 39,44.
El Año-luz
La velocidad de la luz es de 300.000 Kilómetros por segundo. A esta velocidad:
Se le da la vuelta entera a la Tierra en 20 milisegundos
Se viaja a la Luna en 1,3 segundos
Se llega al Sol en 8 minutos 19 segundos
Se llega a la estrella más cercana en 4,2 años
El Pársec (PC)
Un Pársec es igual a 3.26 años-luz que es igual a 31 billones de kilómetros y un Mega-Pársec es igual a un millón de pársec ó 3.26 millones de años luz
En Astrofísica, el pársec es actualmente la unidad preferida para grandes distancias.
Todavía no sabemos con exactitud la magnitud del Universo, a pesar de la avanzada tecnología disponible en la actualidad.
Pero basados en observaciones muy cuidadosas, los astrónomos han podido determinar que el Universo está compuesto de aproximadamente 100 mil millones de galaxias.
Las galaxias normalmente se encuentran agrupadas en cúmulos, pero tomado en conjunto el Universo parece ser uniforme. Las distancias entre galaxias son colosales (varios millones de años luz). El tamaño del Universo es inimaginable: a la velocidad de la luz tardaríamos 30.000 millones de años para ir de un extremo a otro.
¿De qué objetos está compuesto el Universo?
Galaxias
Una galaxia es un conglomerado de miles de millones de estrellas como el Sol. Por ejemplo la galaxia donde se encuentra nuestro sistema solar, se llama La Vía Láctea , y alberga 100 mil millones de estrellas. Algunas galaxias tienen forma de espiral con sus estrellas rotando a gran velocidad en torno a su centro donde puede residir un agujero negro.
Las distancias entre las galaxias son enormes. La galaxia Andrómeda es una de nuestras vecinas, se encuentra a 2,2 millones de años-luz y mide el doble que nuestra galaxia.
Nuestra Galaxia
Nuestro sistema solar se encuentra en el brazo de una galaxia en forma de espiral llamada LA VÍA LÁCTEA a una distancia de 30.000 años-luz de su centro. La Vía Láctea está formada principalmente por 100.000 millones de estrellas, agrupadas en un disco que da vueltas a una velocidad de 1 revolución cada 300 millones de años. Las distancias entre las estrellas son enormes. Por ejemplo la distancia a la estrella más cercana al Sol (Próxima Centauri) es de 4,3 años-luz. El espacio entre las estrellas no es totalmente vacío, existe una gran cantidad de polvo interestelar y gas de hidrógeno en nubes y nebulosas. Además existe evidencia sobre la existencia de materia oscura.
¿Materia oscura?
No todo lo que existe en el Universo es visible. Los astrónomos pueden ver directamente todos los objetos astronómicos (como las estrellas) que emiten luz o cualquier otro tipo de radiación electromagnética. Sin embargo, sabemos que existen objetos que no se pueden ver directamente. Por ejemplo:
Planetas en otras estrellas
Agujeros negros
Partículas elementales que interactúan débilmente (como el neutrino)
Polvo intergaláctico, etc.
Las estrellas
Una estrella es una inmensa esfera de gas que emite luz propia debido a reacciones termonucleares en su centro. La fuerza gravitacional tiende a compactar el gas hacia el centro, pero el trabajo realizado por la gravedad en este proceso sube la temperatura y aumenta la presión del gas hacia afuera. La gravedad y la presión tiran en sentido contrario y así mantienen un equilibrio.
La fuente de energía en una estrella es la fusión nuclear de hidrógeno para producir helio. En algunos casos también se forman elementos más pesados que el helio. Cuando se acaba el material necesario para mantener estas reacciones nucleares la estrella puede convertirse en una enana blanca o una gigante roja o una supernova o una estrella de neutrones e incluso en un agujero negro.
Nota: Dependiendo de su tamaño una estrella puede tener un fin diferente.
Agonía y muerte de una estrella: Gigantes Rojas
Cuando todo el hidrógeno que tiene en su núcleo se haya fusionado en helio, el Sol se hinchará y se convertirá en una estrella gigante roja, será tan grande que llegará a incluir las órbitas de Mercurio, Venus y la Tierra. Posteriormente cuando todo el combustible nuclear (incluyendo elementos más pesados que el helio) se hallan terminado, la estrella se enfriará y se compactará formando así una enana blanca aproximadamente del tamaño de la Tierra y formada por los despojos de lo que alguna vez fue nuestra estrella madre.
Supernovas
En estrellas con masa un poco mayor que la del Sol, la fusión nuclear produce elementos cada vez más pesados. Cuando se forma el hierro, el núcleo de la estrella no puede auto-soportarse y colapsa gravitacionalmente. Las capas exteriores son emitidas como en una súper explosión cósmica y el núcleo remanente se compacta formando una estrella de neutrones.
Estrella de neutrones
Una estrella de neutrones es una estrella formada por neutrones empacados con la misma densidad que en un núcleo atómico. Es decir una estrella de neutrones es como un núcleo atómico gigantesco. Una cucharadita de materia sacada de una estrella de neutrones tiene una masa de mil millones de toneladas.
Agujeros Negros
Si la masa inicial de una estrella es superior a 8 masas solares, al final de su vida cuando todo el combustible se ha gastado, la estrella se convierte en un agujero negro. Un agujero negro es una región del espacio con tanta masa concentrada en un punto, que ningún objeto, ni siquiera la luz, puede escapar de su atracción gravitacional.
El Sistema Solar
En uno de los brazos de la Vía Láctea se encuentra un sistema planetario compuesto de una estrella central, el Sol, ocho planetas incluyendo la Tierra y 61 satélites o lunas además de otros cuerpos.
Nuestro sistema solar se formó hace unos 5,000 millones de años.
Los planetas se mueven en torno al Sol en órbitas elípticas sobre un plano que coincide aproximadamente para todos los planetas (a este plano se le llama la eclíptica).
El Sol
La Tierra gira en órbita en torno al Sol a una velocidad de 30 kilómetros por segundo completando una vuelta cada 365 días.
Nuestra estrella madre es tan grande que en su volumen cabe la Tierra 1.200.000 veces. En su centro se consumen 700 millones de toneladas de hidrógeno cada segundo por la fusión nuclear produciendo la energía necesaria para mantener la vida sobre la Tierra.
Planetas Interiores
Los planetas más cercanos al Sol (Mercurio, Venus, Tierra y Marte) se caracterizan por estar constituidos de materia sólida, como las rocas en la Tierra.
Los tamaños y la composición química de estos planetas es similar, pero las atmósferas son muy distintas. Mercurio tiene una atmósfera muy tenue de hidrógeno y helio, mientras que en Venus se presenta una atmósfera muy rica y densa compuesta por CO 2 (96%) y nitrógeno (3%) principalmente. La existencia de nubes densas producen un efecto invernadero que mantiene la temperatura del planeta caliente y constante. En Marte la atmósfera es más tenue que en la Tierra y está compuesta de CO 2 (95%), oxígeno, nitrógeno y otros.
Planetas Exteriores
Saturno
Los planetas más grandes del sistema solar residen en las órbitas más alejadas del Sol. Sus tamaños gigantescos y su composición líquida y gaseosa los hace muy diferentes de los planetas interiores.
Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno son planetas que han sufrido menos evolución y por lo tanto se asemejan al sistema solar como era poco después de su formación.
Júpiter: es el planeta más grande del sistema solar. En su interior cabe la Tierra 1.400 veces. Tiene 16 lunas, una de ellas (Ganímedes) más grande que el planeta Mercurio.
Saturno: famoso por sus anillos es el segundo planeta más grande del sistema solar y su atmósfera de hidrógeno y helio es similar a la de Júpiter. Saturno tiene 17 lunas.
Urano: se encuentra a una distancia del Sol de 2.870 millones de kilómetros y por esta razón es un planeta frío (-215° C). Una fracción de los elementos que forman su atmósfera se encuentran congelados.
Neptuno: es un planeta de tamaño y constitución similares a Urano. Su existencia fue predicha con base en los cálculos de la órbita de Urano usando la Mecánica de Newton.
Plutón: actualmente ya no es considerado un planeta en el sentido clásico y ha recibido la denominación de “planeta enano” . Una de las diferencias más importantes entre un planeta y un planeta enano, es que estos últimos debido a su pequeño tamaño, no han limpiado su entorno de otros cuerpos más reducidos que ellos, ya sea mediante colisiones, capturas o interferencia en sus órbitas, como lo han hecho los planetas.
Plutón a diferencia de los planetas exteriores, está compuesto de un núcleo rocoso y una capa de hielo.
La Tierra
La Tierra
La Tierra es un planeta insignificante del sistema solar , donde surgió la vida hace 3.500 millones de años más o menos. Este punto pálido y azul ocupa un lugar poco importante en el Universo .
Se formó hace 4.600 millones de años a partir de pequeños trozos de roca y del mismo material primordial de donde se formó el Sol y se mueve alrededor de este a una velocidad de 30 kilómetros por segundo.
Visto desde el espacio nuestro planeta es un punto azul, el color característico del cielo, que es producido por la manera como la atmósfera (78% nitrógeno, 20% oxígeno) dispersa la luz solar. Además, el 70% de su superficie está cubierta por agua.
Origen y Evolución
¿Cómo se originó el Universo?
Origen del Universo
Hasta donde sabemos el Universo se originó hace unos 13,700 millones de años en una gran explosión del espacio.
En ese primer instante, toda la energía existente en el Universo estaba concentrada en un punto más pequeño que un átomo. La temperatura era muy alta y por esta razón no existía la materia como la conocemos hoy.
Después de la explosión, el espacio se expandió y se enfrió permitiendo la formación de átomos, estrellas, galaxias y planetas a partir de partículas elementales a esto se le conoce como la teoría de la Gran Explosión o Big Bang en inglés.
¿Teoría del Big Bang?
La teoría del Big Bang constituye el modelo estándar de la explicación moderna de cómo se origino el Universo, en ella se explica la evolución del Universo a partir del primer segundo, su expansión, la existencia de un pasado denso y caliente, el origen de los elementos químicos primordiales y la formación de los objetos astronómicos que se observan en la esfera celeste (estrellas, galaxias, cúmulos de galaxias, etc). La explicación que da el Big Bang sobre el origen y evolución del Universo es consistente con las observaciones que se han realizado.
Sin embargo esta teoría no explica cómo se generó el Universo ni qué ocurrió antes del primer segundo. Existen varias hipótesis sobre este evento, entre las cuales el modelo de inflación es de interés ya que resuelve algunas dificultades teóricas inherentes en la teoría del Big Bang. Mientras que el Big Bang goza de un sólido soporte en observaciones, el modelo de inflación requiere mayor evidencia observacional para ser aceptado definitivamente .
El modelo inflacionario básicamente dice que el Universo sufrió un período de crecimiento acelerado a los pocos instantes después del Big Bang Esta teoría predice que el Universo estaría dominado por materia oscura (no visible) según esto el 99% de la materia que forma el Universo no es visible. La cantidad total de masa predicha por este modelo es un parámetro que los astrofísicos llaman la masa crítica del Universo.
IMPORTANTE: El Universo NO se expande en un espacio preexistente. Es el espacio mismo el que está en expansión. Espacio y tiempo son conceptos que no tienen sentido antes de la aparición de la materia en el Universo. El espacio y el tiempo aparecen con la materia al momento del Big-Bang.
¿Qué había antes del Big Bang?
Durante las primeras fracciones de segundo el Universo era tan pequeño y denso que para estudiarlo es necesario desarrollar una teoría cuántica de la gravedad. La gravedad es la interacción dominante porque se trata de un objeto con mucha masa (toda la masa del Universo), sin embargo, toda esta masa y energía está encerrada en un punto no más grande que una partícula elemental por lo tanto es un sistema cuántico.
Aún no se ha desarrollado esa teoría pero se han logrado encontrar algunas aproximaciones. Según estos modelos, del vacío pueden aparecer estados de materia de forma espontánea.
La creación de un par (partícula – antipartícula), por ejemplo, es un evento que ocurre en la naturaleza y en el laboratorio.
Que el Universo entero haya aparecido del vacío (de la nada) va en contra de nuestra intuición y por eso es difícil entender. La lógica con la que nuestra mente se relaciona con el mundo exterior y construye modelos del mismo, está construida sobre la base de experiencias con el mundo macroscópico y no con el mundo subnuclear. Es por esa razón que queremos someter todos los procesos a modelos sencillos de “causa – efecto”, y lo que salga de ese modelo difícilmente lo podemos entender. Desafortunadamente el modelo “causa – efecto” se rompe con las teorías cuánticas que explican el comportamiento a nivel subnuclear.
En sistemas cuánticos es posible por ejemplo que un objeto esté simultáneamente en varios lugares, o que un objeto salte de un lugar a otro sin “pasar” por los puntos intermedios (efecto túnel cuántico). Este tipo de situaciones no se ajustan al modelo “causa-efecto” y no tienen equivalente alguno con procesos a escala humana.
La Historia de nuestro Universo
La primera fracción de segundo
La descripción de la historia del Universo, una centésima de segundo después de la gran explosión es la siguiente:
La densidad es inimaginable, la temperatura es de 100.000 millones de grados Kelvin y aun no existen los átomos. La materia que aparece en los primeros segundos del Universo es en forma de partículas elementales: electrones, neutrinos, fotones (luz) y algunos pocos neutrones y protones. El Universo es como una sopa densa de partículas elementales que se van creando en pares (partícula – antipartícula). Por ejemplo un par electrón – positrón se puede formar a partir de un fotón que tenga la energía suficiente.
1 grado Celsius = 273,15 grados Kelvin
1 segundo después del Big Bang
A medida que el Universo se expande baja la temperatura y se reduce la densidad, para el primer segundo la temperatura se ha reducido a 10.000 millones de grados Kelvin.
13.8 segundos después del Big Bang
El Universo continúa en expansión y la temperatura se ha reducido a 3.000 millones de grados Kelvin, los electrones (materia) y los positrones (antimateria) se aniquilan generando una gran cantidad de energía en forma de fotones.
El Universo está dominado por radiación. Lo único que queda además de neutrinos y fotones son unos pocos electrones, neutrones y protones (un protón por cada 1.000 millones de fotones). Con estas partículas más adelante se van a formar las estrellas, las galaxias, los planetas y todo lo que observamos en el Universo incluyendo los seres vivos.
3 minutos después del Big Bang
Los núcleos atómicos están hechos de neutrones y protones. Para este momento ya existen las condiciones para la formación de los primeros núcleos atómicos.
El núcleo más sencillo que se puede formar es el de Deuterio que se conforma de la fusión nuclear de 1 protón + 1 neutrón. Unos segundos antes no se podía formar porque la temperatura aún era muy alta y se destruían con facilidad. En seguida se puede formar el núcleo de Helio formado por 2 protones + 2 neutrones.
34 minutos después del Big Bang
Esta es la época en la cual se fija la composición química primordial del Universo.
Para que se pueda mantener la formación de núcleos atómicos se debe contar con una temperatura y densidad muy alta. Sin embargo, el Universo se enfría a medida que se expande.
A los 34 minutos se frena la producción de núcleos atómicos porque la temperatura (300 millones de grados Kelvin) no es lo suficientemente alta para lograr la fusión nuclear de elementos pesados. El resultado final es que el Universo queda con una composición química primordial así: 25% helio , 75% hidrógeno y unas pequeñas trazas de deuterio, helio-3 y litio.
Esta es la materia normal que aparecerá en las estrellas, planetas, y todos los objetos astronómicos que observamos. En el Universo también hay una gran componente de partículas elementales de naturaleza distinta. Este tipo de materia se llama materia oscura y aún no ha sido observada directamente.
380.000 años después del Big Bang (la formación de los Átomos)
El Universo sigue en expansión, la materia y la radiación interactúan fuertemente por medio de fuerzas electromagnéticas que hacen que la luz sea dispersada por los electrones. Eso quiere decir que la radiación (fotones) sufre muchas colisiones que no le permiten la libre propagación. Situados en un lado del Universo, en esta época, no podríamos ver que estaba sucediendo al otro lado porque la radiación no se propagaba libremente. Era como estar inmerso en la neblina.
Aún no existen los átomos, las altas temperaturas no permiten que los núcleos de hidrógeno y helio existentes atrapen electrones para formar átomos neutros.
Para formar átomos es necesario contar con electrones libres de baja energía que puedan ser atraídos por la fuerza electromagnética del núcleo. Al comienzo, la temperatura es muy alta y no se pueden formar átomos. En estas condiciones, si un átomo llegara a formarse inmediatamente se destruiría debido al excesivo número de colisiones energéticas entre partículas.
Un evento importante sucede a los 380.000 años de edad del Universo: la temperatura baja a 3.000 grados Kelvin, suficientemente baja para permitir la formación de átomos neutros. Antes de la formación de átomos neutros la luz no podía viajar libremente de un extremo a otro del Universo, por el contrario, los electrones libres formaban un medio difuso y opaco para la luz, como una nube densa.
Cuando los electrones libres son absorbidos por los átomos recién formados el medio cambia repentinamente de difuso a transparente, ahora la radiación y la luz se propaga libremente y se origina así un fondo cosmológico de radiación constante en el Universo.
¿Qué es eso de radiación cósmica de fondo?
La radiación cósmica de fondo es la energía remanente del Big Bang que dio origen al Universo.
Una vez generada la radiación cósmica de fondo, pasan muchos millones de años muy aburridos para la historia del Universo. No pasa nada excepto la continuación de la expansión y el enfriamiento.
Durante esta época el Universo es oscuro, como una bola de gas que alcanza el equilibrio termodinámico. No hay estrellas o galaxias que emitan rayos de luz. La única forma de radiación es la radiación cósmica de fondo proveniente del Big Bang, que se enfría en forma proporcional a la expansión del espacio.
Pero, IMPORTANTE: las pequeñas fluctuaciones en la distribución de la materia se amplifican por la acción de la gravedad. Éste es el principio de la formación de estrellas, galaxias y estructuras mayores.
Comenzando a los 200 millones de años de edad del Universo las nubes más densas colapsan por la acción de la gravedad y se convierten en las primeras estrellas. Las galaxias se forman por agregación de estrellas y nubes de gas a partir de los 700.000 años, y más adelante las galaxias se agrupan en sistemas mayores. El proceso de formación de estructura aun continua hoy con cúmulos galácticos y súper-cúmulos que encierran una masa total equivalente a 10.000.000 de millones de soles.
Las primeras estrellas
La época oscura del Universo termina cuando aparece la luz de las primeras estrellas a los 200 millones de años después del Big Bang. Dentro de las nubes que se forman por colapso gravitacional existen regiones con mayor concentración de masa. El colapso de estas nubes de materia primordial se produce con la ayuda de la gravedad proveniente de la materia oscura en el Universo. En estas nubes superdensas la energía gravitacional se convierte en calor, sube la temperatura y la presión y comienza el proceso de fusión nuclear haciendo que las primeras estrellas brillen.
La luz de las primeras estrellas alcanza a ionizar (perdida o ganancia de electrones) los átomos del medio interestelar. Por esta razón a esta época se le llama de re-ionización. Vuelven a aparecer electrones libres con los que se dispersa la radiación cósmica de fondo, dejando una huella característica en este fondo de radiación.
Las primeras estrellas solo tienen hidrógeno y helio, pero en sus núcleos se forman elementos químicos más pesados y cuando estas llegan al término de su vida, algunas se convierten en supernovas que explotan enriqueciendo el medio interestelar con los nuevos elementos químicos que aparecerán en estrellas formadas posteriormente.
IMPORTANTE: Dentro del núcleo de las estrellas, la fusión nuclear forma elementos más pesados que el helio. Por ejemplo se puede formar nitrógeno, carbono, hierro, etc.
Origen del Sistema Solar
Sistema Solar
El Sol y los planetas se formaron a partir de una nube de gas primordial (hidrógeno 75% y helio 25%) hace aproximadamente 5.000 millones de años.
El Sol y los planetas gigantes (Júpiter, Saturno, etc) se originaron de esas nubes por la acción de la gravedad que tiende a acumular grandes cantidades de masa en centros bien definidos. Uno de estos centros resultó ser el Sol, otro Júpiter, etc. con la diferencia de que la cantidad de masa que pudo acumular el Sol fue lo suficientemente grande para alcanzar la densidad y temperatura que comienzan el proceso de fusión nuclear.
Los planetas sólidos como la Tierra se formaron por la acumulación de planetesimales (grandes concentraciones de materia) que a su vez se formaron por agregación de pequeños fragmentos de materia.
Acumulación de planetesimales a causa de la gravedad
¿De qué están hechas las cosas ?
Materia, esta es la sustancia de la que están hechas todas las cosas que conocemos. La Tierra , los mares, la brisa, el Sol, las estrellas, todo lo que el hombre contempla, toca o siente, es materia. También lo es el hombre mismo.
La palabra materia deriva del latín mater , madre. La materia puede ser tan dura como el acero, tan adaptable como el agua o tan informe como el oxígeno del aire. A diferentes temperaturas puede presentar diferentes fases, pero cualquiera que sea su forma, está constituida por las mismas entidades básicas, las partículas elementales.
¿Y qué son las partículas elementales?
Importante
as partículas se las describe como si realmente fuesen "entes físicos puntuales" (puntos en el espacio), lo cual SÓLO ES UNA ABSTRACCION MATEMÁTICA de la realidad. Se ha conservado tal descripción de la naturaleza debido a que hasta ahora ha servido para explicar exitosamente una cantidad enorme de fenómenos físicos y, por otro lado, tratar de describir a las partículas como entes-no-puntuales ha resultado ser un formidable problema matemático.
Podemos definir las partículas elementales como aquellas cuya estructura interna no podía ser descrita (en el estado actual del conocimiento) como una simple combinación de otras partículas. Las partículas elementales son de esta manera los objetos más simples que se pueden concebir.
Algunas partículas que se creían simples en realidad son compuestas, por ejemplo, el protón y el neutrón que son las partículas que conforman el núcleo de los átomos, están hechos de partículas más pequeñas llamadas quarks.
¿Cuáles son las partículas elementales?
Las partículas se clasifican en dos familias: los quarks y los leptones, estos dos grupos forman la materia visible del Universo.
Los miembros de cada familia son:
Nota: Cada una de las anteriores partículas tiene su antipartícula por lo cual en realidad son 12 miembros en cada familia.
Antes de continuar ¿Qué son las antipartículas o antimateria?
Se ha observado la existencia de partículas elementales hechas de antimateria. Estas partículas son idénticas a sus correspondientes partículas excepto que tienen carga eléctrica (y propiedades magnéticas) de signo opuesto. Cuando una partícula de materia se encuentra con su correspondiente partícula de antimateria, éstas se aniquilan y su masa en reposo se convierte en energía en forma de fotones (luz) .
La antipartícula del electrón es el positrón, y tiene, por tanto, carga eléctrica opuesta a la del electrón. Si electrones y positrones se colocan juntos se aniquilan.
Continuemos ¿En qué se diferencian los Leptones y Quarks?
Los leptones son partículas que siempre interactúan por medio de la fuerza nuclear débil y si tienen carga también sienten la interacción electromagnética, pero nunca sienten la interacción nuclear fuerte. Ejemplos de los leptones es el electrón.
Los quarks son partículas elementales que sienten la fuerza nuclear fuerte, pero no se encuentran libres en la naturaleza. Siempre están ligados con otros quarks ya sea en forma de barión (combinación de tres quarks) o de mesón (un quark unido a un anti-quark) anti-quark es la antipartícula del quark .
¿Qué es eso de las fuerzas?
Las fuerzas fundamentales del Universo
Todos los cuerpos materiales interactúan entre sí en el sentido de que unos ejercen fuerzas sobre los otros. La fuerza de interacción más familiar es la gravitación, el hecho de que los cuerpos caigan al suelo es ya parte íntegra de nuestra experiencia común. Pero la gravitación es sólo una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza.
En Física se llaman fuerzas fundamentales a cada una de las interacciones que puede sufrir la materia y que no pueden descomponerse en interacciones más básicas. En la física moderna se consideran cuatro campos de fuerzas como origen de todas las interacciones fundamentales:
La fuerza de gravedad
Todo cuerpo atrae gravitacionalmente a otro. La Tierra nos atrae y nosotros atraemos a la Tierra (aunque la fuerza que ejerce nuestro cuerpo es prácticamente imperceptible y, en la práctica, sólo se nota la fuerza de atracción de la Tierra).
Pero la Tierra no sólo atrae a los objetos que están en su superficie, sino también a la Luna y a cualquier cuerpo en su cercanía. Además, el Sol atrae a la Tierra y a todos los demás planetas, las estrellas se atraen entre sí, las galaxias también, y así toda la materia en el Universo. En resumen, la gravitación es el cemento del Universo.
Esta fuerza es la más débil de todas, extremadamente débil en los átomos, pero su rango de alcance es infinito. Actúa sobre todo lo que tenga masa, si no existiera esta fuerza, no existiría nuestro Universo.
La fuerza electromagnética
Otras fuerzas, bastante comunes en nuestra experiencia diaria —aunque no tanto como la gravedad—, son las fuerzas eléctricas y magnéticas. A diferencia de la gravitación que siempre es atractiva, la fuerza eléctrica puede ser tanto repulsiva como atractiva, según si las cargas son del mismo signo o de signo contrario.
Las moléculas y los átomos están amarrados entre sí por fuerzas eléctricas y magnéticas. Así como la fuerza de la gravitación es el cemento del Universo a escala cósmica, la fuerza electromagnética es el cemento de la naturaleza a escala atómica. Las interacciones electromagnéticas son tan intensas que los cuerpos sólidos no pueden ínter-penetrarse sin romperse.
Estamos acostumbrados al hecho de que la materia puede ser extremadamente dura e impenetrable, como el acero o la roca. Sin embargo, esta dureza parecería increíble si pudiéramos echar un vistazo al mundo microscópico de los átomos, pues veríamos vacío por todas partes, excepto por algunas escasas y diminutas partículas. Recordemos que el tamaño característico de un átomo es de una diez millonésima de milímetro, pero el núcleo es 100 000 veces más pequeño, y aún más diminuto es el electrón. Si un átomo pudiera magnificarse al tamaño de un estadio de fútbol, su núcleo sería, en comparación, del tamaño de una mosca. Pero semejante vacío no es realmente tal porque el espacio está ocupado por fuerzas eléctricas y magnéticas, es decir, por un campo electromagnético. Este campo no es una suposición; muy por lo contrario, a él debe la materia toda su solidez.
La interacción nuclear fuerte
a interacción nuclear débil es causa de la radioactividad natural y la desintegración del neutrón (un neutrón en el núcleo se transforma en un protón, un electrón y un neutrino). Tiene un rol capital en las reacciones de fusión del hidrógeno y otros elementos en el centro de las estrellas y del Sol. La intensidad es débil comparada con las fuerzas eléctricas y las interacciones fuertes. Su alcance es muy pequeño.
Acaba así la introducción a lo que se conoce de la Física de las Partículas Elementales actualmente, sin embargo los estudios en este campo son muy extensos y lo leído puede estar anticuado o incluso ser falso si otra teoría la ha sustituido.
¿Y qué de los átomos?
Los átomos están formados de la siguiente manera, un núcleo donde se concentra la mayoría de su masa formado por protones (con carga positiva) y neutrones (sin carga) , y varios electrones (de carga negativa) alrededor del núcleo.
El comportamiento de un átomo no puede ser explicado con las leyes físicas aplicadas a los objetos macroscópicos. Se requiere de la mecánica cuántica para poder entender qué pasa dentro de un átomo.
Por ejemplo, los electrones en un átomo no se encuentran circundando el núcleo en órbitas bien definidas como la de un planeta en torno al Sol, sino como un enjambre de abejas al rededor de su panal.
Los átomos son la mínima cantidad de materia de un elemento químico (hidrógeno, helio, oxígeno, carbono, hierro, etc). Y están formados por partículas.
La diferencia entre los elementos químicos que se encuentran en la naturaleza no es más que el número de protones y de neutrones en sus átomos.
¿Qué tan grande es el Universo?
El Universo es donde se encuentra todo lo que conocemos y no es infinito, pero sí muy grande, por lo que para medirlo los kilómetros no son suficientes. Por ejemplo, la distancia entre el Sol y la Tierra es de 149.597.870,66 Km, es por esta razón que se han tenido que inventar nuevas formas de medir las distancias en el espacio.
Unidades de distancia usadas en la astronomía
Unidad Astronómica
Es la distancia media Tierra-Sol, y equivalente a los 149.597.870,66 Km ., ya mencionados. Elegida como unidad de medida en el ámbito del Sistema Solar, es la unidad de distancia utilizada en la medición de órbitas y trayectorias dentro del Sistema Solar.
Expresadas en UA (forma abreviada), las distancias de los planetas del Sol son: Mercurio 0,387; Venus 0,723; Tierra 1,00; Marte 1,524; Júpiter 5,203; Saturno 9,539; Urano 13,182; Neptuno 30,058; Plutón 39,44.
El Año-luz
La velocidad de la luz es de 300.000 Kilómetros por segundo. A esta velocidad:
Se le da la vuelta entera a la Tierra en 20 milisegundos
Se viaja a la Luna en 1,3 segundos
Se llega al Sol en 8 minutos 19 segundos
Se llega a la estrella más cercana en 4,2 años
El Pársec (PC)
Un Pársec es igual a 3.26 años-luz que es igual a 31 billones de kilómetros y un Mega-Pársec es igual a un millón de pársec ó 3.26 millones de años luz
En Astrofísica, el pársec es actualmente la unidad preferida para grandes distancias.
Todavía no sabemos con exactitud la magnitud del Universo, a pesar de la avanzada tecnología disponible en la actualidad.
Pero basados en observaciones muy cuidadosas, los astrónomos han podido determinar que el Universo está compuesto de aproximadamente 100 mil millones de galaxias.
Las galaxias normalmente se encuentran agrupadas en cúmulos, pero tomado en conjunto el Universo parece ser uniforme. Las distancias entre galaxias son colosales (varios millones de años luz). El tamaño del Universo es inimaginable: a la velocidad de la luz tardaríamos 30.000 millones de años para ir de un extremo a otro.
¿De qué objetos está compuesto el Universo?
Galaxias
Una galaxia es un conglomerado de miles de millones de estrellas como el Sol. Por ejemplo la galaxia donde se encuentra nuestro sistema solar, se llama La Vía Láctea , y alberga 100 mil millones de estrellas. Algunas galaxias tienen forma de espiral con sus estrellas rotando a gran velocidad en torno a su centro donde puede residir un agujero negro.
Las distancias entre las galaxias son enormes. La galaxia Andrómeda es una de nuestras vecinas, se encuentra a 2,2 millones de años-luz y mide el doble que nuestra galaxia.
Nuestra Galaxia
Nuestro sistema solar se encuentra en el brazo de una galaxia en forma de espiral llamada LA VÍA LÁCTEA a una distancia de 30.000 años-luz de su centro. La Vía Láctea está formada principalmente por 100.000 millones de estrellas, agrupadas en un disco que da vueltas a una velocidad de 1 revolución cada 300 millones de años. Las distancias entre las estrellas son enormes. Por ejemplo la distancia a la estrella más cercana al Sol (Próxima Centauri) es de 4,3 años-luz. El espacio entre las estrellas no es totalmente vacío, existe una gran cantidad de polvo interestelar y gas de hidrógeno en nubes y nebulosas. Además existe evidencia sobre la existencia de materia oscura.
¿Materia oscura?
No todo lo que existe en el Universo es visible. Los astrónomos pueden ver directamente todos los objetos astronómicos (como las estrellas) que emiten luz o cualquier otro tipo de radiación electromagnética. Sin embargo, sabemos que existen objetos que no se pueden ver directamente. Por ejemplo:
Planetas en otras estrellas
Agujeros negros
Partículas elementales que interactúan débilmente (como el neutrino)
Polvo intergaláctico, etc.
Las estrellas
Una estrella es una inmensa esfera de gas que emite luz propia debido a reacciones termonucleares en su centro. La fuerza gravitacional tiende a compactar el gas hacia el centro, pero el trabajo realizado por la gravedad en este proceso sube la temperatura y aumenta la presión del gas hacia afuera. La gravedad y la presión tiran en sentido contrario y así mantienen un equilibrio.
La fuente de energía en una estrella es la fusión nuclear de hidrógeno para producir helio. En algunos casos también se forman elementos más pesados que el helio. Cuando se acaba el material necesario para mantener estas reacciones nucleares la estrella puede convertirse en una enana blanca o una gigante roja o una supernova o una estrella de neutrones e incluso en un agujero negro.
Nota: Dependiendo de su tamaño una estrella puede tener un fin diferente.
Agonía y muerte de una estrella: Gigantes Rojas
Cuando todo el hidrógeno que tiene en su núcleo se haya fusionado en helio, el Sol se hinchará y se convertirá en una estrella gigante roja, será tan grande que llegará a incluir las órbitas de Mercurio, Venus y la Tierra. Posteriormente cuando todo el combustible nuclear (incluyendo elementos más pesados que el helio) se hallan terminado, la estrella se enfriará y se compactará formando así una enana blanca aproximadamente del tamaño de la Tierra y formada por los despojos de lo que alguna vez fue nuestra estrella madre.
Supernovas
En estrellas con masa un poco mayor que la del Sol, la fusión nuclear produce elementos cada vez más pesados. Cuando se forma el hierro, el núcleo de la estrella no puede auto-soportarse y colapsa gravitacionalmente. Las capas exteriores son emitidas como en una súper explosión cósmica y el núcleo remanente se compacta formando una estrella de neutrones.
Estrella de neutrones
Una estrella de neutrones es una estrella formada por neutrones empacados con la misma densidad que en un núcleo atómico. Es decir una estrella de neutrones es como un núcleo atómico gigantesco. Una cucharadita de materia sacada de una estrella de neutrones tiene una masa de mil millones de toneladas.
Agujeros Negros
Si la masa inicial de una estrella es superior a 8 masas solares, al final de su vida cuando todo el combustible se ha gastado, la estrella se convierte en un agujero negro. Un agujero negro es una región del espacio con tanta masa concentrada en un punto, que ningún objeto, ni siquiera la luz, puede escapar de su atracción gravitacional.
El Sistema Solar
En uno de los brazos de la Vía Láctea se encuentra un sistema planetario compuesto de una estrella central, el Sol, ocho planetas incluyendo la Tierra y 61 satélites o lunas además de otros cuerpos.
Nuestro sistema solar se formó hace unos 5,000 millones de años.
Los planetas se mueven en torno al Sol en órbitas elípticas sobre un plano que coincide aproximadamente para todos los planetas (a este plano se le llama la eclíptica).
El Sol
La Tierra gira en órbita en torno al Sol a una velocidad de 30 kilómetros por segundo completando una vuelta cada 365 días.
Nuestra estrella madre es tan grande que en su volumen cabe la Tierra 1.200.000 veces. En su centro se consumen 700 millones de toneladas de hidrógeno cada segundo por la fusión nuclear produciendo la energía necesaria para mantener la vida sobre la Tierra.
Planetas Interiores
Los planetas más cercanos al Sol (Mercurio, Venus, Tierra y Marte) se caracterizan por estar constituidos de materia sólida, como las rocas en la Tierra.
Los tamaños y la composición química de estos planetas es similar, pero las atmósferas son muy distintas. Mercurio tiene una atmósfera muy tenue de hidrógeno y helio, mientras que en Venus se presenta una atmósfera muy rica y densa compuesta por CO 2 (96%) y nitrógeno (3%) principalmente. La existencia de nubes densas producen un efecto invernadero que mantiene la temperatura del planeta caliente y constante. En Marte la atmósfera es más tenue que en la Tierra y está compuesta de CO 2 (95%), oxígeno, nitrógeno y otros.
Planetas Exteriores
Saturno
Los planetas más grandes del sistema solar residen en las órbitas más alejadas del Sol. Sus tamaños gigantescos y su composición líquida y gaseosa los hace muy diferentes de los planetas interiores.
Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno son planetas que han sufrido menos evolución y por lo tanto se asemejan al sistema solar como era poco después de su formación.
Júpiter: es el planeta más grande del sistema solar. En su interior cabe la Tierra 1.400 veces. Tiene 16 lunas, una de ellas (Ganímedes) más grande que el planeta Mercurio.
Saturno: famoso por sus anillos es el segundo planeta más grande del sistema solar y su atmósfera de hidrógeno y helio es similar a la de Júpiter. Saturno tiene 17 lunas.
Urano: se encuentra a una distancia del Sol de 2.870 millones de kilómetros y por esta razón es un planeta frío (-215° C). Una fracción de los elementos que forman su atmósfera se encuentran congelados.
Neptuno: es un planeta de tamaño y constitución similares a Urano. Su existencia fue predicha con base en los cálculos de la órbita de Urano usando la Mecánica de Newton.
Plutón: actualmente ya no es considerado un planeta en el sentido clásico y ha recibido la denominación de “planeta enano” . Una de las diferencias más importantes entre un planeta y un planeta enano, es que estos últimos debido a su pequeño tamaño, no han limpiado su entorno de otros cuerpos más reducidos que ellos, ya sea mediante colisiones, capturas o interferencia en sus órbitas, como lo han hecho los planetas.
Plutón a diferencia de los planetas exteriores, está compuesto de un núcleo rocoso y una capa de hielo.
La Tierra
La Tierra
La Tierra es un planeta insignificante del sistema solar , donde surgió la vida hace 3.500 millones de años más o menos. Este punto pálido y azul ocupa un lugar poco importante en el Universo .
Se formó hace 4.600 millones de años a partir de pequeños trozos de roca y del mismo material primordial de donde se formó el Sol y se mueve alrededor de este a una velocidad de 30 kilómetros por segundo.
Visto desde el espacio nuestro planeta es un punto azul, el color característico del cielo, que es producido por la manera como la atmósfera (78% nitrógeno, 20% oxígeno) dispersa la luz solar. Además, el 70% de su superficie está cubierta por agua.
Origen y Evolución
¿Cómo se originó el Universo?
Origen del Universo
Hasta donde sabemos el Universo se originó hace unos 13,700 millones de años en una gran explosión del espacio.
En ese primer instante, toda la energía existente en el Universo estaba concentrada en un punto más pequeño que un átomo. La temperatura era muy alta y por esta razón no existía la materia como la conocemos hoy.
Después de la explosión, el espacio se expandió y se enfrió permitiendo la formación de átomos, estrellas, galaxias y planetas a partir de partículas elementales a esto se le conoce como la teoría de la Gran Explosión o Big Bang en inglés.
¿Teoría del Big Bang?
La teoría del Big Bang constituye el modelo estándar de la explicación moderna de cómo se origino el Universo, en ella se explica la evolución del Universo a partir del primer segundo, su expansión, la existencia de un pasado denso y caliente, el origen de los elementos químicos primordiales y la formación de los objetos astronómicos que se observan en la esfera celeste (estrellas, galaxias, cúmulos de galaxias, etc). La explicación que da el Big Bang sobre el origen y evolución del Universo es consistente con las observaciones que se han realizado.
Sin embargo esta teoría no explica cómo se generó el Universo ni qué ocurrió antes del primer segundo. Existen varias hipótesis sobre este evento, entre las cuales el modelo de inflación es de interés ya que resuelve algunas dificultades teóricas inherentes en la teoría del Big Bang. Mientras que el Big Bang goza de un sólido soporte en observaciones, el modelo de inflación requiere mayor evidencia observacional para ser aceptado definitivamente .
El modelo inflacionario básicamente dice que el Universo sufrió un período de crecimiento acelerado a los pocos instantes después del Big Bang Esta teoría predice que el Universo estaría dominado por materia oscura (no visible) según esto el 99% de la materia que forma el Universo no es visible. La cantidad total de masa predicha por este modelo es un parámetro que los astrofísicos llaman la masa crítica del Universo.
IMPORTANTE: El Universo NO se expande en un espacio preexistente. Es el espacio mismo el que está en expansión. Espacio y tiempo son conceptos que no tienen sentido antes de la aparición de la materia en el Universo. El espacio y el tiempo aparecen con la materia al momento del Big-Bang.
¿Qué había antes del Big Bang?
Durante las primeras fracciones de segundo el Universo era tan pequeño y denso que para estudiarlo es necesario desarrollar una teoría cuántica de la gravedad. La gravedad es la interacción dominante porque se trata de un objeto con mucha masa (toda la masa del Universo), sin embargo, toda esta masa y energía está encerrada en un punto no más grande que una partícula elemental por lo tanto es un sistema cuántico.
Aún no se ha desarrollado esa teoría pero se han logrado encontrar algunas aproximaciones. Según estos modelos, del vacío pueden aparecer estados de materia de forma espontánea.
La creación de un par (partícula – antipartícula), por ejemplo, es un evento que ocurre en la naturaleza y en el laboratorio.
Que el Universo entero haya aparecido del vacío (de la nada) va en contra de nuestra intuición y por eso es difícil entender. La lógica con la que nuestra mente se relaciona con el mundo exterior y construye modelos del mismo, está construida sobre la base de experiencias con el mundo macroscópico y no con el mundo subnuclear. Es por esa razón que queremos someter todos los procesos a modelos sencillos de “causa – efecto”, y lo que salga de ese modelo difícilmente lo podemos entender. Desafortunadamente el modelo “causa – efecto” se rompe con las teorías cuánticas que explican el comportamiento a nivel subnuclear.
En sistemas cuánticos es posible por ejemplo que un objeto esté simultáneamente en varios lugares, o que un objeto salte de un lugar a otro sin “pasar” por los puntos intermedios (efecto túnel cuántico). Este tipo de situaciones no se ajustan al modelo “causa-efecto” y no tienen equivalente alguno con procesos a escala humana.
La Historia de nuestro Universo
La primera fracción de segundo
La descripción de la historia del Universo, una centésima de segundo después de la gran explosión es la siguiente:
La densidad es inimaginable, la temperatura es de 100.000 millones de grados Kelvin y aun no existen los átomos. La materia que aparece en los primeros segundos del Universo es en forma de partículas elementales: electrones, neutrinos, fotones (luz) y algunos pocos neutrones y protones. El Universo es como una sopa densa de partículas elementales que se van creando en pares (partícula – antipartícula). Por ejemplo un par electrón – positrón se puede formar a partir de un fotón que tenga la energía suficiente.
1 grado Celsius = 273,15 grados Kelvin
1 segundo después del Big Bang
A medida que el Universo se expande baja la temperatura y se reduce la densidad, para el primer segundo la temperatura se ha reducido a 10.000 millones de grados Kelvin.
13.8 segundos después del Big Bang
El Universo continúa en expansión y la temperatura se ha reducido a 3.000 millones de grados Kelvin, los electrones (materia) y los positrones (antimateria) se aniquilan generando una gran cantidad de energía en forma de fotones.
El Universo está dominado por radiación. Lo único que queda además de neutrinos y fotones son unos pocos electrones, neutrones y protones (un protón por cada 1.000 millones de fotones). Con estas partículas más adelante se van a formar las estrellas, las galaxias, los planetas y todo lo que observamos en el Universo incluyendo los seres vivos.
3 minutos después del Big Bang
Los núcleos atómicos están hechos de neutrones y protones. Para este momento ya existen las condiciones para la formación de los primeros núcleos atómicos.
El núcleo más sencillo que se puede formar es el de Deuterio que se conforma de la fusión nuclear de 1 protón + 1 neutrón. Unos segundos antes no se podía formar porque la temperatura aún era muy alta y se destruían con facilidad. En seguida se puede formar el núcleo de Helio formado por 2 protones + 2 neutrones.
34 minutos después del Big Bang
Esta es la época en la cual se fija la composición química primordial del Universo.
Para que se pueda mantener la formación de núcleos atómicos se debe contar con una temperatura y densidad muy alta. Sin embargo, el Universo se enfría a medida que se expande.
A los 34 minutos se frena la producción de núcleos atómicos porque la temperatura (300 millones de grados Kelvin) no es lo suficientemente alta para lograr la fusión nuclear de elementos pesados. El resultado final es que el Universo queda con una composición química primordial así: 25% helio , 75% hidrógeno y unas pequeñas trazas de deuterio, helio-3 y litio.
Esta es la materia normal que aparecerá en las estrellas, planetas, y todos los objetos astronómicos que observamos. En el Universo también hay una gran componente de partículas elementales de naturaleza distinta. Este tipo de materia se llama materia oscura y aún no ha sido observada directamente.
380.000 años después del Big Bang (la formación de los Átomos)
El Universo sigue en expansión, la materia y la radiación interactúan fuertemente por medio de fuerzas electromagnéticas que hacen que la luz sea dispersada por los electrones. Eso quiere decir que la radiación (fotones) sufre muchas colisiones que no le permiten la libre propagación. Situados en un lado del Universo, en esta época, no podríamos ver que estaba sucediendo al otro lado porque la radiación no se propagaba libremente. Era como estar inmerso en la neblina.
Aún no existen los átomos, las altas temperaturas no permiten que los núcleos de hidrógeno y helio existentes atrapen electrones para formar átomos neutros.
Para formar átomos es necesario contar con electrones libres de baja energía que puedan ser atraídos por la fuerza electromagnética del núcleo. Al comienzo, la temperatura es muy alta y no se pueden formar átomos. En estas condiciones, si un átomo llegara a formarse inmediatamente se destruiría debido al excesivo número de colisiones energéticas entre partículas.
Un evento importante sucede a los 380.000 años de edad del Universo: la temperatura baja a 3.000 grados Kelvin, suficientemente baja para permitir la formación de átomos neutros. Antes de la formación de átomos neutros la luz no podía viajar libremente de un extremo a otro del Universo, por el contrario, los electrones libres formaban un medio difuso y opaco para la luz, como una nube densa.
Cuando los electrones libres son absorbidos por los átomos recién formados el medio cambia repentinamente de difuso a transparente, ahora la radiación y la luz se propaga libremente y se origina así un fondo cosmológico de radiación constante en el Universo.
¿Qué es eso de radiación cósmica de fondo?
La radiación cósmica de fondo es la energía remanente del Big Bang que dio origen al Universo.
Una vez generada la radiación cósmica de fondo, pasan muchos millones de años muy aburridos para la historia del Universo. No pasa nada excepto la continuación de la expansión y el enfriamiento.
Durante esta época el Universo es oscuro, como una bola de gas que alcanza el equilibrio termodinámico. No hay estrellas o galaxias que emitan rayos de luz. La única forma de radiación es la radiación cósmica de fondo proveniente del Big Bang, que se enfría en forma proporcional a la expansión del espacio.
Pero, IMPORTANTE: las pequeñas fluctuaciones en la distribución de la materia se amplifican por la acción de la gravedad. Éste es el principio de la formación de estrellas, galaxias y estructuras mayores.
Comenzando a los 200 millones de años de edad del Universo las nubes más densas colapsan por la acción de la gravedad y se convierten en las primeras estrellas. Las galaxias se forman por agregación de estrellas y nubes de gas a partir de los 700.000 años, y más adelante las galaxias se agrupan en sistemas mayores. El proceso de formación de estructura aun continua hoy con cúmulos galácticos y súper-cúmulos que encierran una masa total equivalente a 10.000.000 de millones de soles.
Las primeras estrellas
La época oscura del Universo termina cuando aparece la luz de las primeras estrellas a los 200 millones de años después del Big Bang. Dentro de las nubes que se forman por colapso gravitacional existen regiones con mayor concentración de masa. El colapso de estas nubes de materia primordial se produce con la ayuda de la gravedad proveniente de la materia oscura en el Universo. En estas nubes superdensas la energía gravitacional se convierte en calor, sube la temperatura y la presión y comienza el proceso de fusión nuclear haciendo que las primeras estrellas brillen.
La luz de las primeras estrellas alcanza a ionizar (perdida o ganancia de electrones) los átomos del medio interestelar. Por esta razón a esta época se le llama de re-ionización. Vuelven a aparecer electrones libres con los que se dispersa la radiación cósmica de fondo, dejando una huella característica en este fondo de radiación.
Las primeras estrellas solo tienen hidrógeno y helio, pero en sus núcleos se forman elementos químicos más pesados y cuando estas llegan al término de su vida, algunas se convierten en supernovas que explotan enriqueciendo el medio interestelar con los nuevos elementos químicos que aparecerán en estrellas formadas posteriormente.
IMPORTANTE: Dentro del núcleo de las estrellas, la fusión nuclear forma elementos más pesados que el helio. Por ejemplo se puede formar nitrógeno, carbono, hierro, etc.
Origen del Sistema Solar
Sistema Solar
El Sol y los planetas se formaron a partir de una nube de gas primordial (hidrógeno 75% y helio 25%) hace aproximadamente 5.000 millones de años.
El Sol y los planetas gigantes (Júpiter, Saturno, etc) se originaron de esas nubes por la acción de la gravedad que tiende a acumular grandes cantidades de masa en centros bien definidos. Uno de estos centros resultó ser el Sol, otro Júpiter, etc. con la diferencia de que la cantidad de masa que pudo acumular el Sol fue lo suficientemente grande para alcanzar la densidad y temperatura que comienzan el proceso de fusión nuclear.
Los planetas sólidos como la Tierra se formaron por la acumulación de planetesimales (grandes concentraciones de materia) que a su vez se formaron por agregación de pequeños fragmentos de materia.
Acumulación de planetesimales a causa de la gravedad