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Constitución del Universo: Tamaño y Forma, Estructura, Materia y Radiación Cósmica

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Universo Avanzado

El conocimiento sobre nuestro Universo tiene muchos niveles. el "Universo básico", trataba aspectos elementales, en este vamos a profundizar algo más. Eso sí, sin pretensiones científicas o profesionales ya que, tal como indica el título del sitió, se trata de astronomía educativa.
Para abordar estos temas hay que tener unos conocimientos previos. Aunque procuramos mantener un lenguaje sencillo, alejado de tecnicismos (siempre que sea posible), algunas páginas de este capítulo necesitan un cierto nivel. Podríamos decir que el capítulo es, al menos, para estudiantes de secundaria. Mejor si, además, están interesados en la física y la astronomía.
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Tamaño del Universo

El Universo abarca todo lo conocido: la materia, la energía, el espacio y el tiempo. Las escalas en el universo son tan grandes que ni siquiera podemos imaginarlas.
Para hacernos una idea, por cada grano de arena que hay en la Tierra, existen un millón de estrellas, o más. Nuestra galaxia es sólo una entre cientos de miles de millones de galaxias.
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Aún así, toda la materia del Cosmos es sólo una pequeñísima parte del universo. El Universo es, sobre todo, un inmenso espacio casi vacío.
Es imposible conocer el tamaño exacto del Universo. Podría incluso ser infinito, aunque no parece probable. Al no saber qué forma tiene, tampoco podemos calcular su tamaño. Además, sigue expandiéndose. Sólo conocemos el tamaño del Universo visible desde la Tierra.
Objeto Diámetro
Tierra 12.760 kms
Sol 1.400.000 kms
Sistema Solar 1 mes luz
Vía Láctea 100.000 años luz
Grupo Local de galaxias  10 millones de años luz
Supercúmulo de Virgo 100 millones de años luz
Universo visible 93.000 millones de años luz 

Tamaño del Universo visible

El límite del Universo visible desde la Tierra está a 46.500 millones de años luz, en todas las direcciones. Es decir, un diámetro de 93.000 millones de años luz. Un año luz son 9'46 billones de kilómetros.
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El cálculo es enorme, y aún así, es sólo la parte del Universo que podemos ver. Tras el Big Bang, el Universo se expandió tan rápidamente que parte de su luz aún no ha llegado hasta nosotros y, por eso, no podemos verlo.
Pero si el Universo sólo tiene unos 13.800 millones de años, ¿cómo puede haber objetos más alejados? No es posible que se hayan alejado más rápidamente que la velocidad de la luz. La respuesta es la inflación del Universo.
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La inflación es el origen de todo: del propio espacio, del tiempo, y de todas las leyes físicas, incluido el límite de la velocidad de la luz. Todo se crea en la propia inflación. Así que la inflación del Universo no está sometida al límite de la velocidad de la luz. La inflación crea nuevo espacio entre los objetos y los aleja.
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Estructuras del Universo

La materia del Universo está ordenada. La fuerza de gravedad hace que la materia se agrupe formando estructuras. Desde las más simples, como las estrellas o los sistemas solares, hasta las gigantescas murallas de galaxias.
Aún así, la expansión del Universo hace que las distintas estructuras se alejen unas de otras a gran velocidad.
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Las estructuras más distantes son las más grandes y antiguas. Se formaron cuando el Universo aún era muy joven, y ayudan a conocer su evolución.

Jerarquía de estructuras

Estructuras menores: son los cuerpos celestes, como los planetas y las estrellas, y las pequeñas agrupaciones, como nuestro Sistema Solar.
Galaxias: son estructuras intermedias. Agrupan familias de estrellas, gas, polvo y materia oscura. Sólo en el universo visible hay más de 100.000 millones, y pueden agrupar billones de estrellas. Muchas tienen un agujero negro en su centro. Nuestra galaxia es la Vía Láctea.
Cúmulos de galaxias: son conjuntos de galaxias envueltos en gas caliente. Su diámetro alcanza varios millones de años luz.
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Las galaxias giran unas en torno a otras, unidas por la gravedad. A veces chocan o se absorben unas a otras. La Vía Láctea pertenece a un cúmulo llamado Grupo Local, formado por 25 galaxias.
Supercúmulos de galaxias: Son conjuntos de cúmulos de galaxias. Miden cientos de millones de años luz. Forman grandes capas por todo el Universo visible. El Grupo Local forma parte del Supercúmulo de Virgo.
Murallas: estas son las últimas estructuras descubiertas, las más antiguas y grandes del Universo. Forman enormes franjas de supercúmulos de galaxias.
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La gran muralla de Sloan mide 1.370 millones de años luz y es la mayor estructura que se conoce.

El Gran Atractor

El Supercúmulo de Virgo y el resto de estructuras del Universo visible avanzan hacia un misterioso punto llamado el Gran Atractor. Su centro está a 150 millones de años luz. Se descubrió a finales de los 80 y aún no se sabe qué es, aunque podría tratarse de una estructura aún mayor que los astrónomos llaman Laniakea ("cielo inmenso", en hawaiano).
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El Universo observable

Incluso con la tecnología más avanzada, sólo alcanzamos a ver una pequeña parte del Universo. Se llama Universo observable, y es la parte del Cosmos cuya luz ha tenido tiempo de llegar hasta nosotros.
El Universo observable tiene forma de esfera, con la Tierra en su centro. Así que podemos ver la misma distancia en todas las direcciones.
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El límite del Universo observable se llama horizonte de luz cósmica. Los objetos situados en ese horizonte son los más lejanos que podemos ver. Su luz partió hacia nosotros casi desde el origen del Universo, hace 13.700 millones de años. Así que los vemos tal y como eran hace más de 13.000 millones de años. Por eso son tan importantes para conocer la evolución del Universo.
Pero, como el Universo se expande, en realidad esos objetos se hallan mucho más lejos. Actualmente, están ya a 46.500 millones de años luz.
Telescopio Tipo de luz
Hubble Luz visible, ultravioleta e infrarroja cercana 
Chandra Rayos X
Compton Rayos Gamma
Spitzer Infrarroja lejana

Grandes observatorios de la NASA

Para explorar todo el Universo observable, la NASA puso en órbita cuatro telescopios espaciales: Hubble, Chandra, Compton y Spitzer. Cada uno capta un tipo distinto de luz. Actualmente, el Compton ya no está operativo.

El Universo observable a simple vista

La parte del Universo que vemos a simple vista se llama esfera celeste. Es una esfera imaginaria, con la Tierra en el centro, donde se sitúan las constelaciones. Alcanza hasta los 2'5 millones de años luz.
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Lo más lejano que puede verse es la vecina galaxia de Andrómeda, y las dos galaxias satélite de la Vía Láctea: la Pequeña y la Gran Nube de Magallanes. Todo lo demás, pertenece a nuestra galaxia, la Vía Láctea.
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Tipos de partículas en el Universo

Toda la materia que existe en el Universo se compone de partículas. Cada tipo de partícula cumple una función distinta.
La interacción entre los distintos tipos de partículas hace posible el Universo tal como lo conocemos.
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Hay dos clases de partículas: fermiones y bosones. Los fermiones forman la masa de la materia. Los bosones se encargan de aplicar a esa masa las cuatro fuerzas fundamentales: electromagnetismo, fuerza nuclear fuerte, fuerza nuclear débil y fuerza de la gravedad.

Partículas elementales

Las partículas elementales son las partes o porciones más pequeñas en que puede dividirse la materia.
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Los fermiones elementales son los quarks y los leptones:
- Quarks: se unen en grupos de tres para formar partículas más grandes, como protones y neutrones.
- Leptones: son partículas muy ligeras, como los electrones, los muones y los neutrinos.
Los bosones elementales son los fotones, los gluones y otros:
- Fotones: responsables del electromagnetismo.
- Gluones: se ocupan de la fuerza nuclear fuerte.
- Bosones W y Z: encargados de la fuerza nuclear débil.
- Gravitón: encargado de la gravedad, aunque aún no se ha visto nunca.
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- Bosón de Higgs: responsable de que las partículas tengan masa. Explica toda la materia que vemos, y por eso se le llama "la partícula divina".

¿Qué son los hadrones?

Cuando varias partículas elementales se unen, foman partículas compuestas que llamamos hadrones.
Los fermiones compuestos son los bariones. Los más conocidos son los protones y los neutrones. Los bosones compuestos son los mesones. El más conocido es el pión. El colisionador de hadrones del CERN es un experimento de Física de partículas muy importante.
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En él participan científicos de todo el mundo. Acelera las partículas (hadrones) hasta casi la velocidad de la luz y las hace chocar entre sí para ver cómo se comportan. Mediante estos experimentos, el CERN busca información sobre tipos de partículas no descubiertos, la composición del Universo, su origen, y cómo actúan las fuerzas entre sí.
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La materia del Universo

Materia es todo lo que tiene masa. Toda la materia se compone de partículas. Son como pequeñísimas piezas que se unen para formar todo lo que vemos.
Aunque también forman otro tipo de materia que no podemos ver, la materia oscura. De hecho, la mayor parte de la materia que compone el Universo es materia oscura.
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Todo lo que tiene masa, por pequeña que sea, emite gravedad. Incluso nosotros mismos. En el Cosmos, la materia se atrae por esa gravedad. Se agrupa y forma desde las pequeñas moléculas hasta los planetas, las estrellas y los grandes cúmulos galácticos. La gravedad mantiene unida la materia. Aún así, la mayor parte de la materia no se concentra en las galaxias, sino en los inmensos espacios intergalácticos.

La materia visible

La parte de la materia que podemos ver es sólo el 5% de la composición del Universo. La materia visible se llama materia ordinaria o materia bariónica.
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La materia ordinaria está formada por átomos. Puede estar en cuatro estados: sólido, líquido, gasesoso y plasma. Pasa de un estado a otro al ganar o perder calor. La mayor parte de la materia visible del Universo está en estado de plasma, ya que es el que forma las estrellas.

La materia oscura

En el Universo hay otro tipo de materia, que no podemos ver. Es la materia oscura o invisible. La cuarta parte del Universo conocido es materia oscura, aunque algunas fuentes calculan que lo es hasta un 80%. Esto significa que hay mucha más cantidad de materia oscura que de materia visible.
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La materia oscura no emite ni refleja ningún tipo de luz. No desprende ningún tipo de radiación, ni visible ni invisible. Por eso no podemos verla. Pero sabemos que existe porque sí emite gravedad, y nuestra tecnología la detecta. Su gravedad es tan grande que mueve los grandes cúmulos galácticos.
La composición de la materia oscura sigue siendo un misterio. Aunque se cree que podría estar formada por neutrinos y otras partículas aún desconocidas.
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La radiación cósmica

Todos los objetos visibles del Cosmos, desde los planetas hasta los supercúmulos de galaxias, emiten algún tipo de radiación. Esta radiación es energía que viaja por el espacio. La luz que vemos es una pequeña parte de esa radicación, la que nuestros ojos pueden percibir.
Existen (es decir, conocemos) dos tipos de radiación cósmica: la radiación electromagnética y los rayos cósmicos.

La radiación electromagnética

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Es la energía que emiten los cuerpos celestes y viaja por el espacio en forma de ondas. Se desplaza a la velocidad de la luz. La radiación electromagnética es, junto con la materia, el otro gran componente del Cosmos. Comprende las ondas de radio, las microondas, las ondas infrarrojas (calor), la luz visible, los rayos ultravioletas, los rayos X y los rayos gamma.
Nuestra atmósfera nos protege de la radiación electromagnética de más alta energía: los rayos gamma, los rayos X y parte de los rayos ultravioleta. De no ser así, la vida en la Tierra no sería posible.

Los rayos cósmicos

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Los rayos cósmicos o radiación corpuscular no son ondas, sino partículas cargadas de energía, como los neutrinos. Las estrellas emiten lluvias de partículas que atraviesan el espacio a gran velocidad. Los rayos cósmicos trasportan la carga de energía más alta que se conoce en el Universo.
Nuestro Sol emite rayos cósmicos que llegan hasta la Tierra. El campo magnético de la Tierra desvía la mayoría. Pero son tan potentes que una pequeña parte consigue entrar en la atmósfera y atravesarla. A veces, las partículas cargadas pasan a las capas altas de la atmósfera por los Polos, y forman las auroras.
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Forma del Universo

La forma del Universo es una cuestión muy importante para la Cosmología, ya que el destino final del propio Universo depende de la forma que tenga. Sin embargo, aún hoy en día es imposible de averiguar.
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La forma del Universo depende de su densidad, es decir, de la cantidad de masa y energía que posee. El problema es que no sabemos qué tamaño tiene el Universo ni cuánta energía y materia hay en total. Así que tampoco podemos calcular su densidad.
Las teorías de Einstein plantean tres posibles formas: cerrado, abierto, o plano. Aunque la forma del Universo continúa siendo un enigma, la mayoría de científicos opina que es casi plano.
Tipo de Universo  Densidad  Forma Destino final
Universo cerrado Alta Esférica Colapso y Big Crunch
Universo abierto Baja Silla de montar  Enfriamiento y Big Chill 
Universo plano Crítica Plana Expansión decelerada

La forma y el destino del Universo

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El Universo puede tener tres posibles formas:
Universo cerrado: si hay demasiada materia y energía, la densidad será muy alta. El Universo se curvará hacia dentro y tendrá forma de esfera. Será un Universo finito. La gravedad será más fuerte que la expansión, toda la materia acabará agrupándose y el Universo colapsará. Este final se denomina Big Crunch.
Universo abierto: si la densidad de materia y energía es muy baja, el Universo se curvará hacia afuera. Tendrá la forma de una silla de montar. Será un Universo infinito, en infinita expansión. La gravedad será tan débil que no podrá haber estrellas, ni planetas, ni siquiera átomos. La materia se separará y se desintegrará hasta quedar reducida a partículas elementales. El Universo se enfriará y morirá. Este final se llama Big Chill.
Universo plano: si la cantidad de materia y energía es la adecuada, la densidad será equilibrada. Es lo que se llama densidad crítica. Entonces el Universo será plano. La gravedad y la expansión estarán en equilibrio. El Universo se expandirá, pero cada vez más despacio.
Hoy se cree que el Universo es casi plano, pero aún existen muchas dudas, ya que está demostrado que el Universo se expande cada vez más rápidamente, y esto parece una contradicción con la teoría.
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Modelos de Universo

Tradicionalmente, la cosmología imaginaba el Universo como un modelo lineal. Es decir, un Universo único con un principio y, probablemente, un final.
Para el modelo lineal, el Big Bang es el comienzo de todo: el espacio, el tiempo, las leyes físicas y toda la materia y energía. Hay un único Universo y abarca todo lo que exite. Pero el modelo lineal tiene contradicciones y no resuelve todas las cuestiones. Por eso, se plantearon otros modelos.
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Einstein planteó el modelo del Universo cíclico. Para el modelo cíclico, el Universo nace y muere infinitas veces. No hay un único Universo, sino infinitos. Cada Universo es el ciclo entre un Big Bang y el siguiente. El Universo se expande y contrae, de modo que empieza con un Big Bang y termina con un nuevo Big Bang. Cada vez que un Universo muere, otro nuevo comienza.

Universo de Branas o membranas

La teoría de cuerdas plantea un modelo cíclico llamado "Universo de Branas". Según este modelo, cada Universo es una brana o membrana. Hay infinitas branas. Las branas vibran y a veces chocan. Cuando dos branas chocan se produce un nuevo Big Bang y nace otro Universo.

Universos paralelos

Para el modelo de Universos paralelos, existen muchos Universos al mismo tiempo. Aunque existen a la vez, son independientes y es imposible pasar de uno a otro. Sus leyes físicas son distintas y sólo algunos podrían tener vida. Los modelos más conocidos de Universos paralelos son los Universos burbuja y el multiverso.
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Universos burbuja: nuevos Universos nacen de otros que ya existen. Un nuevo Universo puede nacer en cualquier momento y lugar del Cosmos. Se produce una inflación del espacio, como la que creó nuestro Universo, y un nuevo Universo comienza dentro de otro.
Multiverso: es consecuencia de las leyes de probabilidad de la mecánica cuántica. Plantea que, si el tiempo es infinito, todas las probabilidades acaban cumpliéndose. Cada probabilidad se cumple en un Universo paralelo. Así que habría Universos paralelos con otro "yo" exactamente idéntico, y Universos paralelos con otro "yo" totalmente distinto. Es una idea difícil de comprender.
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Agujeros de gusano

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Un agujero de gusano es un túnel que conecta dos puntos del espacio-tiempo, o dos Universos paralelos. Nunca se ha visto uno y no está demostrado que existan, aunque matemáticamente son posibles.
Se les llama así porque se asemejan a un gusano que atraviesa una manzana por dentro para llegar al otro extremo, en vez de recorrerla por fuera. Así, los agujeros de gusano son atajos en el tejido del espacio-tiempo. Permiten unir dos puntos muy distantes y llegar más rápidamente que si se atravesara el Universo a la velocidad de la luz.
Según la teoría de la relatividad general de Einstein, los agujeros de gusano pueden existir. Tienen una entrada y una salida en puntos distintos del espacio o del tiempo. El túnel que los conecta está en el hiperespacio, que es una dimensión producida por una distorsión del tiempo y la gravedad.
Einstein y Rosen plantearon esta teoría al estudiar lo que ocurría en el interior de un agujero negro. Por eso se llaman también Puente de Einstein-Rosen.
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Hay dos clases de agujeros de gusano:
- Intrauniverso: conectan dos puntos alejados del Cosmos.
- Interuniverso o agujeros de Schwarzschild: conectan dos Universos distintos.

¿Se puede viajar en el tiempo?

Una cosa es que existan los agujeros de gusano y otra muy distinta que puedan utilizarse para viajar en el espacio y el tiempo.
La novela "Contacto", de Carl Sagan proponía un viaje a través de un agujero de gusano. Esto hizo que mucho lo creyeran posible. Pero es sólo ciencia ficción. Los científicos creen que un agujero de gusano tiene una vida muy corta. Se abre y vuelve a cerrarse rápidamente. La materia quedaría atrapada en él o, aunque consiguiera salir por el otro extremo, no podría volver. Evidentemente, tampoco podríamos elegir adónde nos llevaría.
Según la relatividad general, es posible viajar al futuro, pero no al pasado. Si se pudiera viajar al pasado, podríamos alterar la Historia, por ejemplo, haciendo que nunca naciéramos. Sería algo imposible.
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Cosmología

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Desde siempre, el ser humano se ha interesado por conocer y comprender el Universo y las leyes que lo rigen. Desde distintos puntos de vista, la Filosofía, la Religión y la Ciencia han intentado responder a estas preguntas. La parte de la Ciencia que estudia el Universo en su totalidad se llama Cosmología.
La Cosmología se ocupa científicamente de aspectos como la composición del Universo, su estructura, forma, origen, evolución y destino final. Para ello, se sirve de la observación astronómica y el conocimiento científico. Otras ciencias como la Astronomía, la Física y las Matemáticas son de gran utilidad para la Cosmología. Los avances tecnológicos son fundamentales en el desarrollo de la Cosmología moderna.

La Cosmología moderna

La Cosmología moderna comienza hacia el año 1700. Entonces se plantea la idea de que todas las estrellas de la Vía Láctea forman una agrupación en medio de un Universo mucho mayor. Antes, se creía que nuestra galaxia era todo el Universo.
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En el s. XX la Cosmología está marcada por dos grandes avances: la teoría de la relatividad de Einstein, y la teoría inflacionaria. La relatividad unifica el espacio, el tiempo y la gravedad, y cambia la visión del tejido del Universo. La teoría inflacionaria plantea que el espacio se expandió rapidísimamente después del Big Bang.
Hoy, el estudio de la Cosmología se centra en la Física de Partículas. El principal instrumento de la Cosmología actual no son los telescopios, sino los grandes aceleradores de partículas. Buscan partículas que ayuden a resolver misterios como la composición de la materia oscura, qué pasó en los primeros momentos del Universo, o si existen otras dimensiones que no vemos.
Recuperado con propósito educativo autorizado por: Astronomía: Tierra, Sistema Solar y Universo

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