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.