Unidad 2 El Universo

Unidad 2
El Universo
Objetivos: El alumno
 Describirá los instrumentos y manejará los conceptos que se utilizan para el
estudio del Universo.
 Conocerá las teorías sobre el origen y expansión del Universo.
 Comprenderá que la Tierra forma parte de la estructura del Universo.
Temas:
 Tamaño del Universo
 Telescopios
 Unidades Astronómicas
 Origen del Universo
 Teorías sobre el Origen del Universo
 Expansión del Universo
 La Vía Láctea
 Estructura y Composición de la Vía Láctea
 Dimensiones de la Vía Láctea
2.1.- Introducción
El Universo contiene todo lo que existe, desde las partículas subatómicas más pequeñas a los
supercúmulos de galaxias, que son las estructuras más grandes que se conocen. Nadie sabe qué
tan grande es el Universo, pero los astrónomos consideran que contiene alrededor de 100,000
millones de galaxias, cada una de las cuales tiene un promedio de unos 100,000 millones de
estrellas.
Casi todos los que estudian el Universo coinciden en que debe tener entre 14 500 a 15 500
millones de años, dependiendo en qué se basen para estudiarlo; puede ser en las estrellas más
viejas o en la evolución y movimiento de las galaxias, pero todos le calculan una edad dentro de
este mismo rango.
El Universo contiene galaxias, cúmulos de galaxias y estructuras de mayor tamaño llamadas
supercúmulos, además de materia intergaláctica. Todavía no sabemos con exactitud la magnitud
del Universo, a pesar de la avanzada tecnología disponible en la actualidad.
En el Universo, la materia no se distribuye de manera uniforme, sino que se concentra en lugares
concretos: galaxias, estrellas, planetas, etc., sin embargo, el 90% del Universo es una masa oscura,
que no podemos observar.
Cuando hablamos del Universo parece más adecuado referirnos a él con la palabra griega
"Cosmos". Aunque en muchos diccionarios podemos encontrar exactamente las mismas
definiciones para ambos términos, hay una diferencia entre ellos: "Cosmos" parece limitado a la
materia y al espacio, mientras que el concepto de "Universo" incluye también la energía y el
tiempo.
Quedan muchísimas cosas por descubrir, pero es que el Universo es enorme, o nosotros
demasiado pequeños. En todo caso, vamos a tratar algunos aspectos, en lenguaje sencillo, por lo
más significativo que nos ofrece el conocimiento actual del Universo.
2.2.- Origen del Universo
La cosmología es la ciencia que estudia la historia y la estructura del Universo en su totalidad;
comprende una serie de hipótesis que intentan explicar las interrogantes que existen respecto al
origen, forma y edad del Universo y se conocen con el nombre de teorías cosmológicas
Entre las teorías cosmológicas que destacan por su verosimilitud se mencionan:
a) Teoría del Big Bang o gran explosión.
b) Teoría del Universo estacionario.
c) Teoría de la expansión del Universo.
d) Teoría de las pulsaciones.
La Teoría del Big Bang o la gran explosión: fue elaborada por George Gamow y George Lemaitre,
quienes sostienen que, hace 12 000 a 15 000 millones de años, toda la materia del Universo estaba
concentrada en una zona extraordinariamente pequeña del espacio, y explotó, la materia salió
expulsada con gran energía en todas direcciones.
Los choques y un cierto desorden hicieron que la materia se agrupara y se concentrase más en
algunos lugares del espacio, y se formaron las primeras estrellas y las primeras galaxias, desde
entonces, el Universo continúa expandiéndose, en constante movimiento y evolución; según la
teoría del Big Bang, la expansión del universo pierde velocidad.
Esta teoría se basa en observaciones rigurosas y es matemáticamente correcta desde un instante
después de la gran explosión, pero no tiene una explicación para el momento cero del origen del
universo, llamado "singularidad".
Teoría del Universo Estacionario: fue propuesta por Herman Bondi, Thomas Gold y Fred Hoyle en
1948. Sostiene que el Universo ha estado expandiéndose sin cesar y que la disminución de la
densidad del Universo provocada por su expansión, se compensa con la creación continua de
materia, que se condensa en galaxias que ocupan el lugar de las que se han separado de la Vía
Láctea, y manteniéndose de esta forma la apariencia actual del Universo.
De acuerdo a esta teoría nunca hubo un big bang. La propuesta de que se crea materia a partir de
la nada es una delas grandes fallas de esta teoría, sin embargo, se ha comprobado que las
distancias entre las galaxias han aumentado de manera considerable así como el volumen del
Universo; ambos hechos son un punto a favor de esta teoría.
Teoría de la Expansión del Universo: propuesta por Edwin Hubble considera que todas las galaxias
se alejan de la Vía Láctea, a velocidades directamente proporcionales a las distancias que nos
separan de ellas; por lo tanto el Universo aumenta constantemente su volumen.
El espectroscopio es un instrumento óptico que se construye con prismas de cristal por los cuales
se hacen pasar rayos de luz blanca, y esta es separada en un espectro de colores muy parecido al
arco iris. Si una fuente de luz (linterna, foco, estrella o galaxia) se acerca a un espectroscopio, los
rayos de luz se contraen y se desvían hacia el violeta y, si se aleja, éstas se extienden y se desvían
hacia el rojo.
Edwin Hubble, en 1935, localizó galaxias cuya luz se desviaba hacia el rojo por lo que sostuvo que
todas las galaxias observables se alejan de la nuestra y parece que lo hacen a grandes velocidades;
este es el principal argumento visual que confirma que el Universo está en expansión.
La Teoría del Universo Pulsante sostiene que el Universo comenzó con la gran explosión de una
masa supercondensada, afirma además, que se siguen formando partículas elementales y que con
el tiempo las galaxias disminuirán su velocidad de alejamiento y el Universo volverá a contraerse
por la fuerza de gravedad y se convertirá nuevamente en una masa supercondensada,
conociéndose este proceso como big crunch o gran implosión.
Por lo tanto, nuestro universo sería el último de muchos surgidos en el pasado, luego de sucesivas
explosiones (big bang) y contracciones (big crunch). El Big Crunch marcaría el fin de nuestro
universo y el nacimiento de otro nuevo, tras el subsiguiente Big Bang que lo forme.
2.3.- Telescopios
La exploración del espacio comenzó cuando los seres humanos vieron por primera vez el cielo, y
su inquietud por comprenderlo los llevó a idear y crear los instrumentos que le permitieron
observarlo y estudiarlo.
El primer instrumento natural del cual hizo uso el hombre fue la vista; Tycho Brahe sin otro
recurso que su simple vista, en el siglo XVI, con la ayuda de una simple tabla ranurada, una
plomada y un compás, observó las cambiantes posiciones de Venus, de Marte, de Júpiter y de
Saturno, hasta la invención del telescopio en el siglo XVII fue posible ver imágenes aumentadas de
los cuerpos celestes.
En la actualidad existen tres tipos principales de telescopios:
Refractores, Reflectores y Radiotelescopios.
El telescopio refractor fue diseñado por Galileo Galilei. Consta de un tubo largo que en uno de sus
extremos tiene una lente, llamada objetivo, encargada de recoger y enfocar la luz para obtener
una imagen que se ve a través de otra lente que la amplía, el ocular. Se denominan refractores
porque la formación de la imagen se basa en la desviación que sufren los rayos luminosos al
atravesar las lentes. La desventaja de este tipo de telescopios es que no se pueden construir en
grandes dimensiones por la razón de que las lentes grandes tienden a distorsionar las formas de
los objetos.
El telescopio reflector fue inventado por Isaac Newton. Utiliza un espejo curvo, que recibe el
nombre de espejo primario, para recoger la luz procedente de los objetos celestes y formar una
imagen delante o detrás del espejo principal.
El Telescopio reflector con espejo de 150 mm de diámetro, es el mejor instrumento para un
principiante que desea observar los planetas con suficiente definición, así como para ver
nebulosas y galaxias, en cielos oscuros, con relativa luminosidad y contraste. Los telescopios de
grandes dimensiones son todos reflectores, ya que es más sencillo montar espejos de gran tamaño
en lugar de lentes.
Los radiotelescopios, fueron inventados por Karl Jansky y Grote Reber, en la década de los años 30
del siglo pasado, y son enormes antenas parabólicas. A diferencia de los telescopios refractores y
reflectores, que recogen la luz visible emitida por los astros, los radiotelescopios, captan las
débiles señales de radio procedentes del espacio. En otras palabras, los telescopios ven, los
radiotelescopios, escuchan. Las señales que reciben los radiotelescopios las envían a un sistema
receptor que las amplifica, y luego a una computadora que la procesa y convierte en imágenes.
2.4.- Unidades Astronómicas
Las distancias entre los cuerpos celestes son tan enormes que no las podemos medir en unidades
de centímetros, metros o kilómetros, por lo que es necesario, si queremos comprender las
distancias entre los objetos que constituyen el Universo, adoptar unidades mucho más grandes.
Unidad Astronómica (U.A.) es igual a la distancia que separa a la Tierra del Sol. Una unidad
astronómica, equivale a 150,000,000 (150 millones) de kilómetros. Las Unidades Astronómicas
(U.A.) se utilizan para expresar distancias dentro del Sistema Solar.
El año luz equivale a la distancia que recorre la luz en el vacío durante un año a la velocidad de
300,000 km/seg., esto es 9.46x1012 km o 9.46 billones de kilómetros.
Parsec es otra unidad utilizada para medir distancias a estrellas muy lejanas. Cuando una estrella
observada desde lados opuestos de la órbita de la Tierra (paralaje) es de dos segundos de arco, se
dice que dicha estrella está situada a un parsec de distancia respecto a la Tierra.
Un parsec equivale a:
a) 30.86 billones de kilómetros.
b) 206.3 Unidades Astronómicas.
c) 3.26 Años luz
Múltiplos del parsec son:
a) kiloparsec, equivalente a mil parsec
b) megaparsec, equivalente a un millón de parsec.
La palabra parsec es una contracción de paralaje y segundo.
2.5 Universo
Aunque la mayor parte del espacio que podemos observar está vacío, es inevitable que nos
fijemos en esos puntitos que brillan. No es que el espacio vacío carezca de interés, simplemente,
las estrellas llaman la atención. Aunque le llamamos estrellas, no todos los puntitos brillantes que
observamos, en una noche oscura, son estrellas. El universo se compone de muchos tipos de
astros diferentes, cada uno con sus respectivas características, entre los que podemos mencionar,
estrellas, galaxias, nebulosas y una serie de formaciones descubiertas recientemente, entre los
que se destacan los cuásares, púlsares y agujeros negros.
Las estrellas son masas de gases, principalmente hidrógeno y helio, que emiten luz ya que se
encuentran a temperaturas muy elevadas y en su interior se llevan a cabo reacciones nucleares.
Vemos las estrellas, excepto el Sol (que es una estrella), como puntos luminosos muy pequeños, y
sólo de noche, porque están a enormes distancias de nosotros. Parecen estar fijas, manteniendo la
misma posición relativa en los cielos año tras año. En realidad, las estrellas están en rápido
movimiento, pero son tan grandes las distancias a las que se encuentran, que sus cambios de
posición se perciben sólo a través de los siglos.
A causa de la atracción gravitatoria, la materia de las estrellas tiende a concentrarse en su centro,
haciendo que aumente su temperatura y presión. A partir de ciertos límites, de temperatura y
presión, se desencadenan reacciones nucleares que liberan grandes cantidades de energía, entre
ellas, por supuesto, la luminosa.
Las galaxias son acumulaciones enormes de estrellas, gases y polvo. En el Universo hay
centenares de miles de millones. Cada galaxia puede estar formada por centenares de miles de
millones de estrellas y otros astros. En el centro de las galaxias es donde se concentran la mayor
cantidad de estrellas. Durante la mayor parte de nuestra historia, los seres humanos sólo pudimos
observar las galaxias como manchas difusas en el cielo nocturno. Sin embargo, hoy sabemos que
son enormes agrupaciones de estrellas y otros materiales. Las hay en forma de globo, de lente,
planas, elípticas, espirales o formas irregulares. Las galaxias se agrupan formando "cúmulos de
galaxias".
La galaxia grande más cercana es Andrómeda, se puede observar a simple vista y parece una
mancha luminosa de aspecto brumoso. Los astrónomos árabes ya la habían observado. Está a
unos 2 200 000 años luz de nosotros. Es el doble de grande que la Vía Láctea (nuestra galaxia).
Las primeras galaxias se empezaron a formar 1,000 millones de años después del Big-Bang. Las
estrellas que las forman tienen un nacimiento, una vida y una muerte. Los movimientos de las
galaxias provocan, a veces, choques violentos. Pero, en general, las galaxias se alejan las unas de
las otras, como puntos dibujados sobre la superficie de un globo que se infla. Cuando se utilizan
telescopios potentes, en la mayor parte de las galaxias sólo se detecta la luz mezclada de todas las
estrellas; sin embargo, las galaxias más cercanas muestran estrellas individuales.
Las galaxias presentan una gran variedad de formas; en 1930 Hubble clasificó las galaxias en
elípticas, espirales e irregulares, siendo las dos primeras las más frecuentes.
Galaxias elípticas: tienen un perfil globular completo con un núcleo brillante. Estas galaxias
contienen una gran población de estrellas viejas, normalmente poco gas y polvo, y algunas
estrellas de nueva formación. Las galaxias elípticas tienen gran variedad de tamaños, desde
gigantes a enanas. En las galaxias elípticas la concentración de estrellas va disminuyendo desde el
núcleo, hacia la periferia de la galaxia.
Galaxias espirales: son discos achatados que contienen no sólo algunas estrellas viejas sino
también una gran población de estrellas jóvenes, bastante gas, polvo, y nubes moleculares que
son el lugar de nacimiento de las estrellas. Generalmente, un halo de débiles estrellas viejas rodea
el disco, y suele existir una protuberancia nuclear más pequeña que emite dos chorros de materia
energética en direcciones opuestas.
Galaxias irregulares: se engloban en este grupo aquellas galaxias que no tienen estructura y
simetría bien definidas. Se clasifican en irregulares de tipo 1, que contienen gran cantidad de
estrellas jóvenes y materia interestelar, y galaxias irregulares de tipo 2, menos frecuentes y cuyo
contenido es difícil de identificar. Las galaxias irregulares se sitúan generalmente próximas a
galaxias más grandes, y suelen contener grandes cantidades de estrellas jóvenes, gas y polvo
cósmico.
Nebulosas: son estructuras de gas y polvo interestelar. Según sean más o menos densas, son
visibles, o no, desde la Tierra. Se pueden encontrar en cualquier lugar del espacio interestelar.
Antes de la invención del telescopio, el término nebulosa se aplicaba a todos los objetos celestes
de apariencia difusa. Como consecuencia de esto, a muchos objetos que ahora sabemos que son
cúmulos de estrellas o galaxias se les llamaba nebulosas. Uno de los aspectos más notables de las
nebulosas es su variedad de formas y estructuras. Gracias a los modernos telescopios y al uso de
ordenadores, se han podido elaborar fotos digitales detalladas que, mediante los programas
informáticos adecuados, se pueden colorear para obtener imágenes espectaculares.
Cuásares: son objetos lejanos que emiten grandes cantidades de energía. Son centenares de miles
de millones de veces más brillantes que las estrellas. Con el estudio de las ondas de radio, los
radioastrónomos empezaron a localizar fuentes muy potentes de radio que no siempre
correspondían a objeto visibles. La palabra Cuásar es un acrónimo de quasi stellar radio source
(fuentes de radio casi estelares).
El primer Cuásar estudiado está a 1,500 millones de años luz de la Tierra. A partir de 1980 se han
identificado miles de cuásares, algunos se alejan de nosotros a velocidades del 90% de la de la luz.
Se han descubierto cuásares a 12 000 millones años luz de la Tierra. Ésta es, aproximadamente, la
edad del Universo. A pesar de las enormes distancias, la energía que llega en algunos casos es muy
grande.
Lo más espectacular de los cuásares no es su lejanía, sino que puedan ser visibles. Un cuásar deber
ser tan brillante como 1000 galaxias juntas para que pueda aparecer como una débil estrella, si se
encuentra a varios miles de millones de años luz. Pero aún más sorprendente es el hecho de que
esa enorme energía proviene de una región cuyo tamaño es miles de veces más pequeño que el
tamaño de una galaxia normal. Hoy en día, se piensa que los cuásares son los núcleos de galaxias
muy jóvenes, y que la actividad en el núcleo de una galaxia disminuye con el tiempo, aunque no
desaparece del todo.
Púlsares: son fuentes de ondas de radio que vibran con periodos regulares. Se detectan mediante
radiotelescopios. Los estudios indican que un púlsar es una estrella pequeña que gira a gran
velocidad.
Hoyos Negros: son cuerpos con un campo gravitatorio extraordinariamente grande.De ellos, no
puede escapar ninguna radiación electromagnética, ni luminosa, por eso son negros. Están
rodeados de una "frontera" esférica que permite que la luz entre pero no salga. Hay dos tipos de
agujeros negros: cuerpos de alta densidad y poca masa concentrada en un espacio muy pequeño,
y cuerpos de densidad baja pero masa muy grande, como pasa en los centros de las galaxias.
Si la masa de una estrella es más de dos veces la del Sol, llega un momento en su ciclo en que ni
tan solo los neutrones pueden soportar la gravedad. La estrella se colapsa y se convierte en
agujero negro.
El científico británico Stephen W. Hawking ha dedicado buena parte de su trabajo al estudio de los
agujeros negros. En su libro "Historia del Tiempo" explica cómo, en una estrella que se está
colapsando, los rayos luminosos que emite empiezan a curvarse en la superficie de la estrella.
Al hacerse pequeña, el campo gravitatorio crece y los rayos de luz se inclinan cada vez más, hasta
que ya no pueden escapar. La luz se apaga y se vuelve negro.
2.6 Estructura y Composición de la Vía láctea
Nadie sabe que tan grande es el Universo, pero los astrónomos consideran que contiene alrededor
de 100,000 millones de galaxias, de las cuales sólo una tiene suma importancia para nosotros, “la
Vía Láctea”, que es la galaxia donde está ubicado el Sistema Solar y, por ende, el planeta donde
vivimos. La Vía Láctea, también llamada “Camino de Santiago” o “Camino de Leche”, puede
observarse a simple vista como una borrosa banda de luz blanca alrededor de todo el firmamento
nocturno.
El fenómeno visual de la Vía Láctea se debe a la gran cantidad de estrellas y otros materiales que
se hallan sobre el plano de la galaxia. Demócrito, 400 a C., consideró que la Vía Láctea era un
conjunto innumerable de estrellas tan cercanas entre sí que resultan indistinguibles. En 1610
Galileo, usando por primera vez el telescopio, confirmó la observación de Demócrito. Las más
recientes estimaciones acerca del número de estrellas que componen la Vía Láctea indican que
habría unas 200 mil millones de estrellas distribuidas en un diámetro cercano a los 80 000 años
luz en un espesor de alrededor de 5000 años luz.
La Vía Láctea es una galaxia de forma espiral compuesta de un núcleo y varios brazos que parten
del mismo. Nuestro Sistema Planetario forma parte de la Vía Láctea, está ubicado en el brazo de
Orión, a unos 25 000 años luz del centro, por lo que, la banda luminosa que vemos en el cielo es,
por lo tanto, sólo una parte de dicha galaxia vista de canto. Para que nos hagamos una idea del
tamaño de la Vía Láctea, el Sistema Solar tendría el tamaño de una moneda pequeña apoyada en
un territorio tan amplio como Canadá, EEUU y México.
Todas las estrellas que componen la Vía Láctea están rotando alrededor del núcleo, que se cree
que puede contar en su interior con un agujero negro. Las observaciones astronómicas muestran
que la velocidad de rotación del Sol alrededor de la galaxia es de unos 250 km/s, empleando
aproximadamente 250 millones de años en realizar una revolución completa. En general, todo lo
que vemos en el cielo a simple vista forma parte de la Vía Láctea. Una excepción son las llamadas
Nubes de Magallanes que se observan como dos pequeñas manchas, son visibles en el cielo del
hemisferio sur.