Claudio Ptolomeo (90 – 168) -La Tierra ocupa el centro del universo. -Todos los planetas giran alrededor de la Tierra. -La Tierra no tiene movimiento. Nicolás Copérnico (1473-1543) -La Tierra no ocupa el

El universo 2. El origen del universo La ciencia tiene una respuesta a la edad del Universo o Cosmos por la fortuna del hecho de que cada componente estelar se encuentra en una etapa evolutiva diferente, lo cual ha permitido determinar con gran exactitud la forma en cómo aparece, evoluciona y se extingue dicho objeto estelar. Así, la edad del Universo es 13.700 millones de años, cifra muy superior a los 3.500 millones de años de las especies vivas en la Tierra. El Big bang (gran explosión en inglés) visualiza la existencia de un Universo inicial en un punto en el que se concentra toda la masa y energía, que estalla y origina las galaxias, que se alejan entre sí, aunque lo cierto es que no se puede decir a ciencia cierta que ese diminuto punto haya explotado, más bien puede pensarse en el Big bang como un modelo científico que intenta explicar una singularidad que creó el espaciotiempo, momento a partir del cual el Universo comenzó a expandirse.

Universo en formación: El espacio se expande, como al hinchar un globo con distintas manchas pintadas en su superficie, de forma que a medida que el volumen va creciendo las manchas se van alejando unas de otras.

Big Bang • El fenómeno del desplazamiento hacia el rojo de la luz procedente de casi todas las galaxias implica que todas se están separando unas de otras a gran velocidad. (cuando un objeto se acerca hacia nosotros, su luz presenta una frecuencia mayor de lo normal (es más azul), mientras que cuando se aleja tiene menor frecuencia (es más roja). Efecto Doppler.

• El Universo se expande. • Cada minuto que pasa se hace más grande. • Hace una hora el Universo era más pequeño y hace un mes era mucho más pequeño. • Si llevamos el razonamiento al límite, extrapolando hacia atrás, hace miles de millones de años debió existir un momento en que todo el Universo estaba contenido en un único punto • Ese sería el origen del Universo. • El modelo del Big Bang induce que según el actual ritmo de expansión el t = 0 tuvo que ser hace 13700 millones de años.

Big Bang • En el instante t = 0 toda la materia del Universo, todas las fuerzas que actúan sobre ella, la energía, el espacio y el tiempo se encontraban bajo la forma de una singularidad • Una singularidad es un punto infinitamente denso y caliente, de radio nulo que se encuentra en unas condiciones que la física actual no puede describir • Esta singularidad es tan inestable que produjo una gran explosión a partir de la cual surgió el espacio y el tiempo • Así el Universo empezó a expandirse empujado por la energía oscura y enfriándose cada vez más • Durante el primer segundo de existencia del Universo sucedieron tantas cosas que los físicos han tenido que dividirlo en eras

Big Bang • Durante el primer segundo – – – – – –

Era Era Era Era Era Era

de Planck de la gran unificación de la inflación de los quarks hadrónica leptónica

• Entre 1 segundo y 300000 años – Era de la nucleosíntesis

• Entre 300000 años y 1 millón de años – Era de los átomos y de la radiación

• Entre 1 millón de años y el presente – Era de las galaxias

Big Bang • Era de Planck

– La temperatura y la densidad eran tan altas que las 4 fuerzas (gravedad, electromagnética, nuclear débil, nuclear fuerte) que rigen el comportamiento de la materia estaban unidas en una única superfuerza. – Toda la materia se encontraba en forma de energía.

• Era de la gran unificación

– Se separó la fuerza de la gravedad de las otras 3 restantes que permanecieron unidas bajo la forma de la gran fuerza unificada

• Era de la inflación

– La temperatura sería de 1012 ºC, pero lo suficientemente baja como para que se separara la fuerza nuclear fuerte de las otras 2 (fuerza nuclear débil y electromagnética) – Esta separación desprendió una gran cantidad de energía que provocó un brusco aumento de tamaño del Universo

Big Bang • • • •

Según la teoría de la inflación el crecimiento desmesurado e instantáneo del Universo fue la causa de que algunas regiones crecieran más rápidamente que otras Se produjeron así irregularidades debidas a diferencias de temperatura y densidad entre unas zonas y otras Estas irregularidades se llaman anisotropías y pudieron ser el germen de las galaxias Estas anisotropías fueron detectadas por la sonda WMAP

Big Bang • Era de los quarks

– Se produjo la separación de la fuerza nuclear débil y la electromagnética – Esta separación liberó grandes cantidades de energía en forma de radiación fotónica – Ahora bien, según la ecuación de Einstein

E = mc2

• E: energía • M: masa • C: velocidad de la luz

– … la materia y la energía son intercambiables – Así, a partir de los fotones se producía la materialización de pares de partículas quark-antiquark – El choque de los quarks y los antiquarks volvía a producir fotones (energía)

Big Bang – Existe una asimetría en las leyes físicas que es importante para explicar por qué en el Universo actual abunda mucho más la materia ordinaria que la antimateria – Por cada mil millones de antiquarks que surjan aparecerán mil millones de quarks más uno – Los quarks y antiquarks se iban aniquilando pero siempre sobraban quarks – Esto se ha comprobado en los aceleradores de partículas

Big Bang • Era hadrónica

– En esta era la temperatura del Universo ha descendido lo suficiente como para que la fuerza nuclear fuerte actuara sobre los quarks – La unión de 3 quarks producía protones y neutrones (llamados en general hadrones)

• Era leptónica

– Ahora la temperatura es tan “baja” que la radiación fotónica no puede materializarse en pares quarkantiquark pero si pueden aparecer otras partículas de menor masa: leptones-antileptones; estos son los electrones entre otras. – Sin embargo, la temperatura siguió descendiendo y llegó un momento en que los fotones ya no podían convertirse en materia – De aquí que sobrara una importante cantidad de energía fotónica sin convertir

Big Bang • Era de la nucleosíntesis

– Cuando el Universo tenía 1 segundo de edad, la temperatura alcanzó un valor suficientemente bajo como para permitir la unión entre protones y neutrones – Se fueron formado así núcleos de hidrógeno (H), helio (He) y algo de litio (Li)

• Era de los átomos y la radiación

– Entre 1 segundo y 300000 años toda la materia del Universo se encontraba en forma de plasma – El plasma es un estado físico en el que encontramos núcleos de átomos separados de los electrones y rodeado todo de fotones – Después de los 300000 años la temperatura llegó a 2700º C de forma que la fuerza electromagnética pudo actuar uniendo los electrones a los núcleos formándose los primeros átomos

Big Bang – Cuando los electrones del plasma se combinaron con los núcleos para formar átomos el Universo se aclaró, se volvió transparente y entonces los fotones pudieron escapar produciendo una radiación cósmica de fondo – Desde entonces estos fotones se han ido enfriando, disminuyendo la energía de su radiación y aumentando su longitud de onda hasta las frecuencias de microondas. – Aún hoy podemos observar la radiación cósmica de fondo si ponemos un canal de televisión analógica que no corresponda con ninguna emisora; la “nieve” que se ve son ondas captadas por la antena de los que una parte se corresponde con dicha radiación

Big Bang • Era de las galaxias

– Comenzó cuando el Universo tenía 1 millón de años y se extiende hasta ahora – Los átomos de H, He y Li formaron una inmensa nebulosa primordial – La fuerza de la gravedad actuaría sobre las anisotropías de densidad y temperatura producidas durante la era de la inflación de forma que la nebulosa primordial se desgajó en filamentos y grumos – Sobre estos últimos se formaron las galaxias, organizadas en cúmulos, supercúmuos y filamentos.

Big Bang