Nebulosa Ojo de Cerradura. Hubble Eritage

Guía Astronómica Gonzalo Duque-Escobar, P. As. Universidad Nacional de Colombia Manizales, 1992

GUIA Nº 12

TEORIAS COSMOGONICAS >

 

1. ALGUNOS CONCEPTOS <

 

1.1 Antimateria <

Por cada partícula elemental, existe una antipartícula (raras excepciones); por ejemplo del electrón el positrón; entre ellas sus propiedades son opuestas, en su reacción se aniquilan produciendo energía en rayos gamma, equivalentes a 100 veces la energía de fusión nuclear, del aniquilamiento del positronio (par e⁺ e^-) se demuestra que masa y energía son dos aspectos de la misma cosa. Como hipótesis, de existir cuerpos de antimateria, deberían estar separados de la materia. Una galaxia y una antigalaxia se deberían repeler por la interacción gravitatoria.

 

1.2. Cuásares

Los hay de dos tipos: los ópticamente observables  que pueden ser galaxias cuasiestelares y los radio-eléctricamente observables  que se presentan como fuentes cuasiestelares (radio-ondas). Ambos son fuentes radiantes casi puntuales, (a modo de estrellas), y de espectro insólito, por su gran desplazamiento al rojo, lo que significaría que se alejan casi a la velocidad de la luz y por lo tanto estarían en los confines del Universo. Así, sería la macro-estructura más antigua que se ha detectado y en tales circunstancias su luminosidad sería enormemente superior a la de una galaxia. Pero, paradójicamente, por la energía emitida su diámetro debería ser mucho mayor que el de las galaxias y su contorno observable, más sin embargo en las fotos, apenas presentan el tamaño de una estrella gigante. Tan pequeño diámetro y tan alta densidad (como estrellas masivas que chocan y producen reacciones en cadena) permiten la hipótesis de un núcleo galáctico en explosión a modo de galaxia supernova.

 

1.3. Nebulosas  

Pueden ser interestelares (entre estrellas) e intergalácticas (entre galaxias). Por la actual composición del Universo, ¹H = 90%,  ⁴He = 9%, otros = 1% así: ¹²C = 0.03%, ¹⁴N = 0.01%  ¹⁶O = 0.06%, su edad estaría entre 10 mil y 20 mil millones de años. Las nubes se orientan en el campo magnético de la galaxia o con el campo magnético del cúmulo galáctico.

 

Otra clasificación de las nebulosas es en Región H1 y Región H2. Las de la Región H1 se forman por Hidrógeno frío, t = 100°K, no emiten luz, el gas está menos denso y no es ionizado, mientras que en las de la Región H2 la temperatura es 10000°K y los gases están ionizados, por la luz ultravioleta procedente de las estrellas en el interior de la nube, ejemplos, las nebulosas Orión y Tarántula.

 

1.4. Agujeros negros & 

Es la fase última de una estrella de gran masa que ha colapsado por su  propio peso, comprimiéndose hasta formar un punto de densidad infinita y volumen cero. Los físicos llaman a este punto singularidad; una región en la que se vienen abajo las leyes normales de la física y en las que el concepto de tiempo pierde el sentido.  

 

Figura 62. El agujero negro.

 

Tal singularidad está rodeada de enormes fuerzas gravitatorias. La atracción gravitatoria impide que la luz salga de un cierto entorno, denominado horizonte de sucesos, manteniendo así invisible el agujero y dándole su nombre. Incluso, la materia que se aproxima demasiado es atraída y queda atrapada para siempre, incluso por fuera de este horizonte, en una región denominada ergósfera. Si de la ergósfera, puede salir la luz, no podrá hacerlo un planeta.

 

1.5. Agujeros blancos <

Entes hipotéticos, reversos de agujeros negros, por donde se generaría materia proveniente de otro Universo. El mejor candidato sería el Universo en su conjunto.

 

1.6. Radiación remanente <

Puede ser Radiación Cósmica Galáctica y Radiación de Fondo.

 

La primera, explicada por supernovas, consiste en rayos cósmicos  (alta frecuencia) que pueden incidir o escapar de la galaxia, según su campo magnético la oriente.

 

La radiación de Fondo, está constituida por ondas de radio omni-direccionales (en todas las direcciones), que podrían ser el remanente del Big Bang. Esta radiación, equivalente a una temperatura actual para el Universo de ~3° K, y que ha disminuido con su expansión, nos permite calcular su edad termodinámica.

 

 

2. LAS TEORIAS COSMOGONICAS

 

Cuatro teorías principales explican el origen del Universo. Las tres primeras (Explosiva 1ª y 2ª y la Estacionaria), aceptan el Universo en expansión; la 4ª lo considera de radio constante, y por lo tanto, no acepta la Ley de Hubble, según la cual, si retrocedemos en el tiempo, disminuiría el radio del Universo y la materia estaría comprimida.  

 

Explosiva 1ª o del Big Bang (Graan explosión): dice que hace 15000 millones de años, materia y energía se comprimían en un superátomo radiactivo al máximo, donde la concentración de neutrones llegaba a una densidad de 1000 millones de toneladas/cm³. Su explosión desintegra los neutrones para formar protones y electrones y luego los elementos.

 

Bajo el presupuesto de que nacen aquí el Espacio y el Tiempo, no cabe preguntar qué existía antes, como tampoco tiene sentido hablar de qué hay más allá de los confines del actual Universo. Igualmente el lugar, en que se registra la gran explosión, está hoy en todas partes.

 

Explosiva 2ª: sólo difiere de la anterior al suponer que en la gran explosión se formó el H. Elementos más allá del Hidrógeno se forman en las estrellas, y más pesados que el hierro, pasando la materia por la onda de choque de las supernovas.

 

La diferencia entre estrellas de la Población I y II advierte que hay generaciones de estrellas. Las primeras (jóvenes y blancas) tienen elementos más pesados, ya que se formaron con productos de nucleosíntesis anteriores (residuos de estrellas que explotaron). El Sol sería de 2ª o 3ª generación.

 

Para ambas teorías hay dos posibilidades: que la actual densidad media de la materia supere un valor crítico, de tal manera que la gravedad domine en el futuro la expansión del Universo, obligándole a su contracción. Así el Universo sería pulsante. O bien, que la densidad media de la materia no alcance el valor crítico, por lo que las fuerzas de expansión dominarían, cayendo a un Universo abierto.  Si en el primer caso, la curvatura del Espacio-Tiempo resulta positiva (Riemann), en el segundo resultará negativa (Lobachevsky).

 

Teoría Estacionaria: supone que el aspecto del Universo es el mismo en cada época (uniformidad en el tiempo); ello supondría el nacimiento de nuevas galaxias y por tanto de nueva materia (un átomo de H al año en cada 5 Km³ de volumen).

 

Conforme se expande el Universo y conforme retrocedemos en el tiempo, la densidad de galaxias resulta inmodificable. Ni habría principio ni habrá fin; sería un Universo eterno y uniforme, pero en continua expansión.

 

   

Figura 63. Curvas de expansión de un Universo finito.

 

Una contrapropuesta: nace enn el principio de Mach, según el cual las partículas elementales aumentan de masa con sus interacciones. A mayor tiempo mayor número de interacciones, mayor masa en las partículas elementales y por lo tanto mayor atracción gravitatoria en el interior de los átomos y en todas las macroestructuras atómicas. De lo anterior se desprende que el Universo no se expande, simplemente sus componentes materiales disminuyen en tamaño.  El desplazamiento al rojo que observa el astrónomo mide su empequeñecimiento y el de su telescopio. En tales circunstancias, el radio del Universo es infinito, y para serlo, debe ser eterno.

 

3. EDAD DEL UNIVERSO >

 

Aún los astrónomos no saben con exactitud la edad del Universo y menos si éste es cerrado o abierto. La mayor parte admite que tenga 15 mil millones de años, y prácticamente, todos admiten que se originó a partir de la gigante explosión.

 

Una de las pruebas del Big Bang es la expansión que se deduce al observar el corrimiento al rojo de las galaxias lejanas, hecho que nos lleva a un origen de materia comprimida si retrocedemos en el tiempo. En tales circunstancias deberíamos observar la luz de la gran explosión y deberían existir unos determinados desechos en la composición química del Universo, a causa de las reacciones nucleares ocurridas durante el paroxismo.

 

Ambas evidencias se tienen, de un lado la radiación de fondo de 3°K y de otro, las grandes cantidades de helio y las concentraciones de deuterio, isótopo del hidrógeno, que está presente en todo el Universo en una proporción de 20 a 30 partes por millón, confirmando que la temperatura, tres minutos después de la explosión, estaba en el justo punto para facilitar que los núcleos de deuterio se formaran, pues en las estrellas no pueden porque los enlaces de un neutrón con un protón (deuterio) no son muy fuertes.

 

En cuanto al origen del Universo caben tres posibilidades: 1) el Universo existía de alguna forma antes del Big Bang. 2) El Universo fue creado en un instante determinado. 3) Tanto el propio tiempo como el espacio fueron creados con el Big Bang.

 

Ninguna de estas posibilidades conduce a aclarar por qué la curvatura media del espacio tiempo es tan próxima a cero. Las observaciones actuales nos dan un error en la masa del Universo, entre diez veces y la décima parte de un valor crítico, que se correspondería con curvatura cero. De no ser así, la velocidad con la cual se ha expandido en los inicios (tiempo de Planck) no hubiese alcanzado un justo valor cercano al valor crítico, con una precisión de uno por 10⁶⁰, que permitiera el que la materia no se disipe tan velozmente, como para no permitir la formación  de galaxias, ni tan lentamente, como para que la gravedad hubiera interrumpido rápidamente la actual estructura que ofrece el Universo.

 

                 

 

                                  

Figura 64. OA tiempo de Hubble (1/H); OB tiempo cósmico, Universo abierto; OC tiempo cósmico Universo cerrado.

 

Conforme se han determinado, con mayor precisión las distancias a las galaxias más lejanas, se hizo necesario modificar la constante de Hubble. Como bien es sabido, ella está dada por el cociente de la velocidad de recesión de una galaxia y la distancia a la misma, en años luz.

 

Si la distancia que nos separa de la galaxia B es el doble de la que nos separa de la galaxia A, entonces la galaxia B se está alejando de nosotros con una velocidad que el doble de la velocidad de la galaxia A.  Esta relación, conocida como la Ley de Hubble, se puede expresar así:

 

velocidad de recesión = constante de Hubble x distancia

 

(Como v = ^d/_t , el inverso de la constante será tiempo).

En el numeral 4 del capítulo 11, se ilustró la Ley de Hubble, mostrando la expansión relativista del Universo. Se desprende de la Figura 61 que existe un límite para el Universo observable, constituido por los cuerpos que viajan a la velocidad de la luz.

 

Trabajando en el tejido de expansión del Universo, para conocer su distancia, con el valor H = 65 Km/s x Mpc, donde la velocidad alcanza el límite c, tenemos:

 

300000 Km/s = 65 Km/s x Mpc x radio del Universo visible

 

Teniendo en cuenta que 1 parsec equivale a una distancia de 3.26 años luz, a fin de obtener el valor del tiempo por la antigüedad de lo observado, calculamos la distancia a la cual se encuentran los objetos más antiguos y lejanos, así:

 

radio del Universo visible = 300000/65 x 10⁶ x 3.26 años luz

 

radio del Universo visible = 15000 millones años luz

 

De esta manera, la edad del Universo, correspondiente a la constante de Hubble de 65 Km/s x Mpc y dada por el inverso de la constante H de Hubble es:

 

Tiempo de Hubble = 15000 millones años

 

Rehaciendo los cálculos indicados, con los valores de las distancias aceptadas actualmente, el tiempo de Hubble es superior a la edad del Universo. En tal caso el Universo sería abierto.

 

Surge, ahora un nuevo problema, los datos confirmados por otras determinaciones astronómicas, como la presencia de halos galácticos con materia poco luminosa, sugieren que nuestro Universo sería el descrito por la Teoría de la Relatividad General, y que se corresponde con un espacio cerrado. En tal caso su densidad, necesariamente, debe superar un valor crítico, para que el espacio sea cerrado y limitado.

 

A partir de datos astrofísicos disponibles en la actualidad, aquella densidad supera en una o dos veces a la densidad media de la materia condensada en estrellas y galaxias. Ello conduce entonces a la posibilidad de que exista materia perdida en el espacio cósmico, en forma de agujeros negros, por una cuantía de entre 10 y 100 veces la materia observable.

 

Si en el futuro se pudiera llegar a afirmar que esa masa perdida no existe en realidad, habría que realizar una profunda revisión de las concepciones teóricas actuales a pesar de su magnífica cohesión lógica y múltiples comprobaciones de validez.