Capitulo 41 - fisicageneral3

CAPITULO 41
ORIGEN DEL UNIVERSO
41-1 EDAD DEL UNIVERSO.
Desde que la aurora de la razón iluminó a la humanidad, ha surgido la pregunta “¿Cuál
es el origen del universo?” La extensión del universo puede haber sido radicalmente
diferente para las distintas etapas del hombre, y la respuesta misma a menudo se
basaba en los mitos o en la mística. Sin embargo, siempre partía de la observación por
el hombre de la naturaleza; él miraba a su alrededor y trataba de explicar cómo se
había originado todo. Hoy en día, científicos o no, somos en este respecto como los
hombres de las épocas anteriores al considerar este cuestión. Sin embargo, podemos
utilizar la basta extensión de los conocimientos modernos, al formular nuestras ideas
diferentes al universo. Tomemos en cuenta lo que hemos discutido en este texto –los
hechos que hemos aprendido y las preguntas que hemos formulado- para especular
acerca del universo e intentar contestar la pregunta de su origen. Nuestra solución
será incompleta y probablemente incorrecta en algunos aspectos, pero discutamos
acerca de su origen y pasemos nuestros resultados a los futuros estudiantes de esta
pregunta.
En el ultimo capitulo consideramos el origen de los elementos químicos, y al hacerlo
así avanzamos mucho en la discusión sobre el origen del mismo universo, pues de los
elementos está construida toda la materia. Falta considerar al universo en su totalidad
y preguntar cómo ha evolucionado en función del tiempo, y preguntar cómo ha
evolucionado en función del tiempo, y cómo aparecía en las varias etapa. Empecemos
investigando la evidencia actual sobre la edad del universo.
Edad de los meteoritos. Al descubrir la existencia de los elementos radioactivos en la
naturaleza, surgió la pregunta sobre cómo y dónde se habían formado. Todos ellos
tienen una edad finita, en el sentido que si todos fueron formados al mismo tiempo,
todos están decayendo con sus varias vidas medias características y deben dejar de
ser detectados cuando hayan transcurrido un número suficiente de vidas medias.
Algunos de estos elementos, el torio y el uranio por ejemplo, son tan abundantes en la
naturaleza como los elementos pesados y radioactivos. El isótopo mas abundante del
uranio es el U-238 con una vida media de 4.5x109 años. Se encuentra en compañía
del isótopo mas raro U-235, sólo un 0.7% tan abundante como el U-238. El raro
isótopo U-235 tiene una vida media de 0.7x109 años, así que decae siete veces más
rápido que el U-238. sí estos isótopos fueron formados al mismo tiempo y en las
mismas cantidades suposición bastante razonable –entonces podemos usar los datos
anteriores para calcular cuánto tiempo han estado decayendo.
Se cree que los meteoritos son, junto con la Tierra, verdaderos miembros del sistema
solar, aunque los detalles d como llegaron a serlo siguen siendo materia de discusión.
El uranio 238 decae, en ultimo termino, el isótopo estable Pb-206, mientras que el U235 da el Pb-207, y el Th-232 produce el Pb-208. Se encuentra que los meteoritos
ricos en uranio también lo son en plomo. Las mediciones de las razones U-235 / U-238
y Pb-207 / Pb-206, combinadas con los tiempos de vida conocidos para el
decaimiento de estos isótopos, de edades de los meteoritos que van desde los 4.5
hasta los 5.0 billones de años*.
*En el sistema americano un billón equivale a mil millones N. del T.
Edad del la Tierra. El sistema anterior, que utiliza métodos radioactivos, puede ser
aplicado para determinar la edad de las rocas que conforman la corteza terrestre. Por
edad queremos decir cuánto tiempo a transcurrido desde que se encontraban en
estado de fusión junto con el resto de la tierra, así que buscamos el mineral que dé el
valor mas alto. El método, usado por vez primera por Lord Rutheford, investiga los
minerales de uranio y torio así como otras rocas que contienen estos elementos.
Siempre y cuando estas rocas hayan pasado por el estado de fusión, el plomo
formado por decaimiento radiactivo podría estar separado de los elementos padres;
pero cuando las rocas se solidifican, todos los componentes cristalizan en el lugar, y el
plomo producido desde ese instante en adelante se encuentra junto con sus padres el
torio o uranio, los que continúan decayendo para producirlo.
Las razones Pb-208 /Th-232, Pb-207 / U-235, y Pb-206 / U-238 encontradas en el mas
antiguo mineral, la monástica (encontrada en Rodesia), dan un valor de 2.7 billones de
años. Una teoría que e3mplea las razones isotópicas del uranio y del plomo descritas
para los meteoritos, da para la Tierra una edad de 3.35 billones de años. Estos valores
están de acuerdo con los obtenidos para los meteoritos, tomando en cuenta las
incertidumbres asociadas con las varias formas en que las rocas y los minerales
pueden perder elementos.
La edad de los océanos puede calcularse mediante un método propuesto por el
astrónomo Edmund Halley (en honor del cual fue bautizado el famoso cometa).
Emplea la salinidad actual del agua de los océanos, cerca del 3%, y una estimación de
la razón a la cual la sal ha sido transportada por los ríos a los acéanos. Los geólogos
concluyen que la edad de los acéanos es aproximadamente de tres billones de años,
de acuerdo con la edad obtenida para las rocas más antiguas.
Edad de la Luna. Un cálculo del tiempo transcurrido desde que la Luna se hallaba en
contacto efectivo con la Tierra fue realizado por George Darwin, hijo del biólogo
Charles Darwin. Se sabe que la Luna se aleja de la Tierra a la razón de 5 plg/año. Este
efecto, causado por la fricción de las mareas oceánicas provocadas en la Tierra por la
Luna, causa también un incremento gradual en las longitudes del día y del mes. El
valor del tiempo transcurrido desde que la Luna se separó de la Tierra es de 4 billones
de años.
Un método mas moderno para estimar la edad de la Luna depende del análisis de los
elementos radioactivos encontrados en las muestras de las rocas lunares traídas a la
Tierra por las misiones Apolo de la NASA. Al tiempo de escribirse este libro, no se
dispone todavía de tales mediciones, pero dejaremos este espacio en blanco donde
puedan escribirse cuando se encuentren:
Edad de la Luna determinada por el análisis de las rocas =_______________
Fecha = _______________________________________________________
Edad de las estrellas. En capítulo 40, vimos que la bola de fuego primordial distribuyó
gases de helio e hidrógeno en el espacio, de los cuales nacieron las primeras estrellas.
También hemos visto que las estrellas envejecen agotando sus contenidos de
hidrógeno y helio, transformándose en gigantes rocas, y finalmente explotando o
expulsando de alguna otra manera sus contenidos al espacio interestelar. A partir de
estos gases y de este polvo se forman entonces nuevas estrellas. ¿Existe algún medio
de calcular la edad de las estrellas mas antiguas en la galaxia, aquellas estrellas que
se aproximan a sus períodos de inestabilidad?
Se sabe a partir de los modelos teóricos de las estrellas que el brillo estelar aumenta
con el cubo de la masa de la estrella. Una estrella dos veces mas pesada que otra que
su combustible ocho veces mas rápido. Dividiendo este factor de ocho por el factor de
dos en la masa, el tiempo de vida de la estrella mas ligera será algo así como cuatro
veces el de la estrella mas pesada. Calculando las masas de las estrellas observadas
en la Galaxia y midiendo sus luminosidad se obtiene un valor de 5 billones de años
para las estrellas mas antiguas, valor que concuerda lógicamente con los resultados
obtenidos para las edades de la tierra, luna y meteoritos.
Edad de los cúmulos estelares. Se conocen unos cuantos centenares de grupos de
estrellas estrechamente aglomeradas que se mueven todas a casi la misma velocidad
y en casi la misma dirección a través de la Galaxia. Se presume que las estrellas en
tales enjambres se formaron todas mas o menos al mismo tiempo a pàrtir de una nube
común de gas y polvo. B.J. Bok ha calculado que la vida media de uno de tales
cúmulos contra la dispersión por interacciones gravitacionales con el resto de la
Galaxia se encuentra entre 1 y 10 billones de años. Así, el tiempo de vida de la
Galaxia no puede exceder a unos cuantos billones de años.
Edad de la Galaxia. Si vemos a las estrellas de la Vía Láctea como si fuesen las
moléculas de un gas, entonces suponemos que al ensamblarse en la Galaxia, algunas
estrellas tenían mucho mas energía cinética de movimiento que otras. Sin embargo, a
través de las interacciones gravitacionales, debería alcanzarse en la distribución de la
energía cinética entre las estrellas un equilibrio en el que la velocidad de cada estrella
a través de la Galaxia fuere inversamente proporcional a su masa.
El astrónomo F. Gondolatsch analizó la distribución de las velocidades de las estrellas
en la vecindad del sol y encontró que tal equipartición de la energía a alcanzado cerca
del 98% de su valor final. Basado en esta teoría, encuentra para la Galaxia una edad
entre los 2 y 5 billones de años.
Así, vemos que los esfuerzos realizados para determinar la edad del sistema solar y
de la galaxia (Vía Láctea) da por resultado una respuesta en el rango de varios
millones de años. Estos hallazgos parecen ser mas que una simple coincidencia, y
suministran una base para construir un modelo del universo que tuvo su principio hace
billones de años, ¿qué evidencia puede obtenerse al considerar la totalidad del
universo?
41-2 DIMENSIONES DEL UNIVERSO
Al discutir las dimensiones y masa de todo el universo, debemos usar modelos
teóricos definidos para su descripción. Estos modelos están basados sobre las
soluciones particulares (aproximada) de un conjunto de ecuaciones de campo
derivadas de una teoría de la relatividad general. Aún cuando hay varias teorías de
donde elegir, la mas común también es la primera de estas; la relatividad general de
ALBERT EINSTEIN.
Las ecuaciones de Einstein son un conjunto que asigna una geometría intrínseca al
espacio-tiempo y que entonces predice los efectos de la materia sobre esta geometría.
Tienen como meta final la descripción de toda la Física en términos de está geometría
intrínseca al espacio-tiempo. En su desarrollo, la teoría de Einstein hace uso del
álgebra de unos objetos matemáticos llamados tensores – construcciones que están
relacionadas a la idea generalizada de un vector- pero en el espacio tetradimencional.
Estas cuatro dimensiones tienen tres dimensiones “espaciales” y una “temporal”, así
que para abreviar el espacio es llamado espacio-tiempo. Está relacionado en algún
profundo sentido al “vacío físico” del que hablamos en el capítulo 1.
Al usar las ecuaciones de la relatividad general, empezamos considerando al universo
en lo que puede aparecer –a primera vista– una forma poco usual: como un gas ideal,
en el cual las moléculas individuales fuesen galaxias. Tratar a la Vía Láctea como una
sola molécula de algún gas gigantesco puede parecer incongruente, pero pensemos
que probablemente hay mas galaxias en el universo que granos de arena en todas las
playas del mundo. De hecho, podemos ir mas lejos y considerar a los enjambres de
galaxias que vemos como las moléculas. Nuestro universo se vuelve entonces un
fluido continuo de una especie altamente idealizada.
Como se hace con cualquier gas, el fluido puede ser descrito por una densidad media
ρ y por una presión interna media p, ambas funciones del tiempo pero no de la
posición dentro del universo. La energía interna del gas se compone de la masaenergía y de la presión, lo que es igual a una densidad de energía de p/c2.
Los valores relativos de de ρ y ρ/c2 se pueden calcular suponiendo que la presión es
debida al movimiento al azar de las moléculas (lo que es verdad para cualquier gas), o
sea, a las desviaciones locales del estado promedio. Un resultado bien conocido de la
teoría cinética de los gases nos dice que la presión y la densidad están relacionadas
por

1 2
  rms
 3
( 41-1)
donde νrms es la velocidad cuadrática media al azar de las moléculas del gas. Así, para las
moléculas de nuestro gas de cúmulos galácticos, tenemos
p / c2


1 2
3 c2
( 41-2 )
Ahora, los movimientos al azar de las galaxias observadas dan velocidades mucho
menores que c, de manera que esperamos que la presión contribuya con menos
energía que la densidad ρ.
Debemos referirnos ahora como guía a las ecuaciones de campo de Einstein, y el
primer paso en este proceso consiste en suponer alguna forma particular para el
“elemento lineal”. Este es simplemente el nombre para la ley particular generalizada al
espacio tetra dimensional que hace el papel de la familiar relación de Pitágoras para la
longitud de la hipotenusa de un triángulo recto en el espacio bidimensional. Sin
embargo en este caso, el elemento lineal fija la geometría particular de espacio. Sin
adentrarnos mas en el álgebra de esta situación, emplearemos el elemento usado por
los astrónomos al considerar globalmente al universo, el así llamado métrico de
Robertson- Walker. Para describirlo un poco mas, haremos una simple comparación:
Es fácil ver que una esfera ordinaria es una superficie bidimensional sumergida en un
espacio tridimensional. El espacio “ordinario” al que nos referimos es el espacio
“plano” Euclideano sin ninguna curvatura intrínseca. El métrico de Robertson-Walker
describe un universo que tiene la geometría de una “hiperesfera” tridimensional
sumergida en un espacio Euclideano tetradimensional.
El radio de la esfera está dado por
1
k
 2
2
R0 R (t )
(41-3)
donde R(t) es el “radio del universo”, R0 es la curvatura uniforme de la esfera
tridimensional, y k es una constante. Para k = 0, la curvatura es 0, y la hiperesfera
viene a ser un subespacio Euclideano ordinario del espacio tetradimensional. Para k =
1, R0 es igual a R(t), mientras que para k = -1, R0 se vuelve imaginario, correspondiendo
a una hiperesfera de radio imaginario, o a un “pseudo hiperesfera”.
Hemos mencionado al métrico de Robertson-Walker por que da un corrimiento de las
longitudes de onda de la luz emitida por los objetos distantes – el corrimiento hacia el
rojo que se observa en la práctica. También relaciona la magnitud del corrimiento con
la distancia, dando así una explicación teórica de la ley de Hubble, que veremos en la
sección.
La descripción geométrica de una hiperesfera tridimensional (representando al
universo) sumergida en nuestro espacio-tiempo tetradimensional es una construcción
que nos asiste al visualizar la idea generalizada de “espacio curvo”. En está
construcción el universo yace sobre la superficie de la hiperesfera. George Gamow ha
descrito esta pintura del universo en términos de un gran balón, con billones de
pequeños puntos, sobre su superficie, cada uno de los cuales representa una galaxia
o un cúmulo de galaxias. El balón se expande continuamente como si lo estuvieran
inflando, así que las distancias entre los puntos crecen constantemente. No hay
“borde” para el universo, aunque sea “cerrado” en el sentido de que un rayo de luz que
parta de un unto viajará a lo largo de su superficie hasta que eventualmente regrese a
su punto de partida. Desde luego, esto puede suceder solamente si la razón de
expansión es lenta comparada con la velocidad de la luz.
Un elemento de la superficie de una esfera tridimensional es proporcional a R2 , donde
R es el radio. De igual manera, un elemento de la superficie de nuestra esfera
tetradimensional es proporcional a R3. El resultado de resolver las ecuaciones de
Einstein con este métrico es


d
p dR3
R 3  2
0
dt
c dt
(41-4)
Entonces, si V(t) es el volumen actual del elemento superficial, entonces M = ρV , es
una medida de la masa contenida, y la ecuación (41-4) se puede escribir
dM 
1
dV  0
c2
(41-5)
Ahora, Mc2 mide el contenido de energía del elemento y ρdV el trabajo efectuado
contra la presión, así que el equilibrio de la energía contra la expansión cósmica se
preserva.
Si la ecuación de estado del fluido ideal es
p  p(  )
(41-6)
entonces a partir de la ecuación (41-4) podemos obtener la forma en que R depende de
ρ . La ecuación (41-4) puede tomar la forma alterna

dR 1 
d
 
0
2 
R 3    p   / c 


(41-7)
Una sencilla integración da la relación entre R y ρ. En caso de que la presión sea tan
pequeña que pueda considerarse efectivamente como cero, podemos escribir
R3   cte.
(41-8)
Para un gas ideal, p = αρ , donde α es una constante, así que
2
R31 / c   cte.
(41-9)
En particular si la presión se debe enteramente a la radiación, tenemos
 c3 
p    
3
(41-10)
como resultado de que R4ρ = constante.
Con referencia a la ecuación (41-3), vemos que se pueden obtener diferentes modelos
para el universo asignado distintos valores a k y varias formas especificas a la función
del tiempo R(t). Pero sucede que los valores de k están restringidos a 0 y ±1. Si k = +1,
entonces uno se obtiene, a partir de las ecuaciones de Einstein, un universo esférico
de radio
1/ 2
 3 

R  c
 8 G 
(41-11)
donde G es la constante gravitacional. Los resultados observacionales de la
astronomía, la densidad media del espacio entre 10-24 y 10-27 kg/m3, dando por
resultado un radio del universo que yace en el rango que va de los 109 a los 1011 años
luz. ( Un año luz es la distancia que recorre la luz en el vacío un año).
La masa total del universo esta dada por
M
4
R 3 
3
(41-12)
La masa total del universo se conserva durante su evolución cósmica.
41-3 EL UNIVERSO EN EXPANSION
Hay varias clases de soluciones sencillas a las ecuaciones que resultan de
asignaciones particulares a la forma R(t). Una de estas a por resultado un radio R(t)
que describe una cicloide. R pasa a través de 0 cuando t=0. entonces se expande,
pasa por un máximo, y se contrae de nuevo. El problema con este modelo es que
requiere que la materia esté mas condensada de lo que permite el modelo de la esfera,
y el término de la presión tendrá que ser mas grande para compensar la desventaja
anterior. Se considera que en estos aspectos es poco físico.
Si tomamos el valor k = 0, tenemos un modelo explosivo no estático del universo,
propuesto por Friedman. El radio está dado por
R  At 2 / 3
(41-13)
donde A es una constante. Describe un universo en continua expansión que empieza
abruptamente en el origen del tiempo, t=0 hasta el presente puede tomarse como T y
esta dado por
8 G 
3
T2
(41-14)
La ecuación (41-13) muestra que R(t) aumenta monotónicamente desde el tiempo cero
hasta el infinito. Esta expansión da por resultado un corrimiento, hacia el rojo, de los
espectros de las estrellas que aumentan con la distancia a cualquier punto dado. El
valor de este corrimiento hacia el rojo puede usarse para calcular la velocidad de un
punto distante con respecto a otro punto local como una función de la distancia. Esta
relación entre la distancia y la velocidad es llamada ley de Hubble. Basado en el valor
(del laboratorio) local de una línea espectral λ, el corrimiento hacia el rojo es ∆λ.
EDWIN HUBBLE (1936) que los corrimientos hacia el rojo de las estrellas pueden ser
descritos por



L
cT
(41-15)
donde L es la distancia astronómica a la estrella y T es la constante de Hubble.
La distancia L se mide para la localidad de las galaxias cercanas usando paralaje (el
cambio aparente de la posición de una estrella vista desde diferentes puntos de la
órbita de la tierra y sus distintas épocas del año) y el abrillantamiento periódico de
ciertas estrellas llamadas cefeidas variables. Tales estrellas poseen una luminosidad
absoluta. Que varía periódicamente con el tiempo; este periodo está directamente
relacionado con la luminosidad absoluta. Las estrellas cefeidas en las galaxias
distantes dan una relación en la distancia si su luminosidad aparente es o no
proporcional a L-2 .
El valor de la constante de Hubble obtenido por los astrónomos es
T  (4.1  2) 1017 seg.
(41-16)
o cerca de 13 billones de años. La ecuación (41-14) establece que está misma
constante es el tiempo transcurrido desde t=0 , o la edad del universo desde su
expansión inicial. La ecuación (41-14) da para la densidad actual del universo.
El radio R no sólo aumenta monotónicamente con el tiempo, sino que en los primeros
tiempos de la expansión el radio crece mas rápido que la velocidad de la luz. Este es
un resultado de la teoría general de la relatividad y estaría prohibido por la inaplicable
teoría especial de la relatividad. Para R grande, la velocidad se aproxima a la de la luz.
El nacimiento del universo es explosivo, ya que dR/dt es infinita en instante t=0.
El valor de 13 billones de años para la edad del universo concuerda con los resultados
citados anteriormente por las varias edades, ya que estos representan el desarrollo del
universo en tiempos anteriores, y sus edades por lo tanto deben ser algo menores.
Hemos alcanzado una visión del universo que nos presenta un sistema de galaxias en
constante expansión. La distancia media entre las galaxias está creciendo de modo
que las galaxias mas cercanas. Tenemos una descripción que podemos voltear y
extrapolar hacía atrás en el tiempo. Conocemos la edad bastante bien, así como la
lasa total del universo. Ahora construiremos una teoría del desarrollo del universo
desde el tiempo cero que sea consistente con esto.
41-4 NACIMIENTO DEL UNIVERSO
Para poder conocer construir un modelo lógico del universo, es necesario primero
tener un vacío físico donde se contenga la bola de fuego en desarrollo. Así el
prerrequisito para nuestro modelo explosivo es ese estado del triespacio llamado vacío
físico. Como ya lo hemos indicado, tal vacío – que no contiene partículas materiales ni
radiación- sí contiene todas las partículas de la naturaleza en estados virtuales. La
densidad de tal vacío es extremadamente alta, en términos de estos estados virtuales.
Aún mas, tal vacío contiene todas las leyes de la naturaleza. Junto con los estados
corpusculares virtuales, existen en el vacío todas las simetrías requeridas y números
cuánticos necesarios para describir estás partículas.
Para contener el vacío físico debemos, desde luego, tener el triespacio mismo. La
geometría intrínseca de este espacio debe ser tal que produzca las simetrías y leyes
de la naturaleza antes de que estas entren en juego influenciando las acciones de las
partículas materiales. Así, se ve que las condiciones iniciales necesarias para un
universo son un triespacio y el vacío físico contenido dentro de él.
Tiempo cero. Hemos estado hablando del modelo explosivo del universo en
expansión. En el tiempo t=0, fue producida toda la masa energía mas la expresión
energía en una singularidad y procedió a expanderse a partir de ese punto con la
velocidad de la luz. La temperatura de está bola de fuego era, desde luego,
extremadamente alta del orden de 1014 ºK en tiempos cercanos a 0.3 seg. La elección
de tal bola de fuego es radiación pura.
La producción de materia y antimateria. En los primeros momentos de la expansión
de la esfera de radiación, podemos esperar muchas colisiones fotón-fotón, con la
producción ocasional de partículas materiales tales como electrones, mesones, y
nucleones. Tan pronto como estás son producidas, las colisiones fotón-partícula
producen rápidamente muchas otras partículas. En todos los casos, tal producción se
hace en pares de partícula-antipartícula, de tal manera que se produce tanto la materia
como la antimateria. Pronto se alcanza un equilibrio entre la radiación que se expande
y la materia que contiene. Las aniquilaciones partícula-antipartícula consumen la
materia y la convierten en radiación a la par de las colisiones de los fotones que la
producen. Las reacciones entre las partículas producen todos los elementos posibles
pero la expansión es tan rápida y la temperatura tan alta que, efectivamente, sólo se
encuentra se crean el hidrógeno y el helio a fin de cuentas, como ya lo vimos.
Característica de la bola de fuego en sus primeras etapas es tener una capacidad
calorífica infinita. Así, si uno trata de elevar la temperatura añadiendo radiación,
solamente lograría producir mas partículas en lugar de elevar la temperatura. También
es característico de los sistemas con una gran capacidad calorífica el que sufran
fuertes fluctuaciones de la densidad. A medida que la bola de fuego se expande,
atraviesa rápidamente por fluctuaciones en la densidad extraordinariamente fuertes,
transitorias solo al principio y que aparecen y desaparecen con gran rapidez. Sin
embargo, a medida que la esfera se expande aún mas, las fluctuaciones se
“congelan”, es decir, las regiones de alta densidades viven mas y se entremezclan con
las regiones de baja densidad. Entonces ocurre una fragmentación que podemos
considerar como constitutiva de los primeros cúmulos galácticos (desde luego, mucho
antes de la formación de estrellas y galaxias). Para estas fechas la radiación ya se
enfrió, hasta un punto en que ya no es efectiva en la producción de pares de partículaantipartícula.
La formación de protogalaxias. La imagen que tenemos en esta etapa es la de una
bola de fuego que se ha expandido y enfriado, para producir una nube de expansión
de regiones densas en materia con regiones que están vacías de materia y antimateria.
Sin embargo, el proceso de las aniquilaciones prosigue, mucho después de que ha
cesado la producción de pares partícula-antipartícula. Si no intervinieran otros
procesos, uno esperaría que el proceso de aniquilación consumiera toda la materia,
dejando atrás solo radiación y un mar de neutrinos.
Sin embargo, las regiones condensadas, poseen sus propios campos gravitacionales.
Hannes Alfvén ha sugerido que este campo gravitacional atrae a las componentes
mas pesadas del plasma – y logra que se separen de los componentes mas ligeros –
los electrones. Alfvén describe al plasma de radiación de materia – antimateria como
un “ambiplasma”. Existen, en efecto, dos gases mezclados en el ambiplasma: uno
consiste de electrones y positrones y otro, algo así como 1840 veces mas pesado, el
gas de protones-antiprotones. Así hay una separación de estos dos gases en el campo
gravitacional.
Los campos magnéticos creados por la primera expansión y atrapados en el
ambiplasma se mueven ahora con el plasma y producen campos eléctricos. Los
campos eléctricos en la dirección del movimiento del plasma gravitante producen una
separación entre los electrones positivos y los electrones negativos y otra separación
similar entre los protones y antiprotones. Estas corrientes son de forma tal que
concentran a la antimateria en una capa en el centro de la columna gravitante del
ambiplasma, dejando que la materia se forme a ambos lados de ella. (Corrientes
opuestas concentrarían la materia el centro, dejando la antimateria atrás). De este
modo, tenemos regiones donde la materia predomina sobre la antimateria y otras
regiones en que lo opuesto es verdad. Las aniquilaciones continúan hasta que cada
región es pura materia o pura antimateria. Desde luego, las regiones están separadas
por un espacio en el que las aniquilaciones se han completado, de manera que el
espacio intergaláctico debería estar extremadamente vacío de materia. Se encuentra
que esto es así. Es claro que la expansión general del universo ha continuado durante
este proceso.
Estrellas y planetas. Con la separación de las regiones de materia y antimateria,
existen las condiciones para la contracción gravitacional de estas nubes y para la
condensación continuada de las mismas, hasta que se puedan formar galaxias de
estrellas como se describió en el capitulo 40. la formación de estrellas junto con su
manufactura de sus elementos y sus expulsiones explosivas de gases pesados y polvo
al medio interestelar, suministra las condiciones para la formación de anillos
planetarios de polvo y gas alrededor de estrellas como el sol. El agrupamiento
continuado de estas regiones, en especie de terrones bajo la acción gravitacional,
forma los planetas.
En está forma, según el modelo teórico, nació el universo.
PREGUNTAS
41-1 Haga una tabla con las varias edades de los componentes del universo, de
manera que puedan ser comparados entre sí?
41-2 ¿En que sentido puede considerarse al universo como un gas ideal?
41-3 Derive la ecuación (41-7) a partir de la ecuación (41-10)
41-4 Derive las ecuaciones (41-8), (41-9), y (41-10).
41-5 ¿ A cuántos kilómetros equivale un año luz?
41-6 Calcule la masa total del universo utilizando la ecuación (41-17)