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Evolución del Universo: Origen, Materiales y Radiación, Fuerzas y Movimientos, Expansión

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Evolución del Universo

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Los astrónomos están convencidos en su gran mayoría de que el Universo surgió a partir de una gran explosión (Big Bang), entre 13.700 y 13.900 millones de años antes del momento actual.
Los primeros indicios de este hecho fueron descubiertos por el astrónomo estadounidense Edwin Hubble, en la década de 1920, cuando expuso que el Universo se está expandiendo y los cúmulos de galaxias se alejan entre sí. La teoría de la relatividad general propuesta por Albert Einstein también predice esta expansión.
Si hacemos una "foto del Universo" en un momento dado, no vemos su estado actual, sinó su historia. La luz viaja a 300.000 km. por segundo. Incluso cuando miramos la Luna (el objeto celeste más cercano), la vemos como era hace algo más de un segundo.
En este capítulo veremos cómo se ha formado el Universo y cómo evoluciona. También daremos un repaso a los materiales que lo forman, las fuerzas que lo dirigen y los movimientos que originan.
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Origen del Universo

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Edwin Hubble descubrió que el Universo se expande. La teoría de la relatividad general de Albert Einstein ya lo había previsto.

Rebobinar

Se ha comprobado que las galaxias se alejan, todavía hoy, las unas de las otras. Si pasamos la película al revés, ¿dónde llegaremos?
Los científicos intentan explicar el origen del Universo con diversas teorías, apoyadas en observaciones y unos cálculos matemáticos coherentes. Las más aceptadas son la del Big Bang y la teoría Inflacionaria, que se complementan entre si.

Teoría del Big Bang

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La teoría del Big Bang o gran explosión, supone que, hace entre 13.700 y 13.900 millones de años, toda la materia del Universo estaba concentrada en una zona extraordinariamente pequeña del espacio, un único punto, y explotó. La materia salió impulsada con gran energía en todas direcciones.
Los choques que inevitablemente de sprodujeron 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 en constante movimiento y evolución.
Esta teoría sobre el origen del Universo se basa en observaciones rigurosas y es matemáticamente correcta desde un instante después de la explosión, pero no tiene una explicación para el momento cero del origen del Universo, llamado "singularidad".

Teoría inflacionaria

La teoría inflacionaria de Alan Guth intenta explicar el origen y los primeros instantes del Universo. Se basa en estudios sobre campos gravitatorios fortísimos, como los que hay cerca de un agujero negro.
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La teoría inflacionaria supone que una fuerza única se dividió en las cuatro que ahora conocemos, produciendo el origen al Universo.
El empuje inicial duró un tiempo prácticamente inapreciable, pero la explosión fue tan violenta que, a pesar de que la atracción de la gravedad frena las galaxias, el Universo todavía crece, se expande.
Momento Suceso
Big Bang Densidad infinita, volumen cero.
10 e-43 segs. Fuerzas no diferenciadas
10 e-34 segs. Sopa de partículas elementales
10 e-10 segs. Se forman protones y neutrones
1 seg. 10.000.000.000 º. Universo tamaño Sol 
3 minutos 1.000.000.000 º. Nucleos de átomos
30 minutos 300.000.000 º. Plasma
300.000 años Átomos. Universo transparente
1.000.000 años Gérmenes de galaxias
100 millones de años Primeras galaxias
1.000 millones de años Estrellas. El resto, se enfría
5.000 millones de años Formación de la Vía Láctea
10.000 millones de años  Sistema Solar y Tierra

No se puede imaginar el Big Bang como la explosión de un punto de materia en el vacío, porque en este punto se concentraban toda la materia, la energía, el espacio y el tiempo. No había ni "fuera" ni "antes". El espacio y el tiempo también se expanden con el Universo.
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Materiales y radiación

En el Universo hay materiales dispersos, dentro y fuera de las galaxias. Hablamos de la materia interestelar, la luz, la radiación de fondo y la materia oscura.

Materia interestelar

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Está formada los gases y partículas de polvo que hay entre las estrellas y las galaxias. La mayor parte no es visible, pero se puede detectar a través de sus efectos gravitatorios y de sus emisiones electromagnéticas.
Está formada, sobre todo, por hidrógeno, pero también hay pequeñas cantidades de helio, nitrógeno, oxígeno, carbono y moléculas simples de agua, alcoholes y amoníaco.

Astro-bio-química

Un átomo de hidrógeno y uno de oxígeno pueden combinarse para formar un grupo OH (hidroxílico), muy activo, capaz de unirse con casi cualquier material. Si se encuentra con un átomo de hidrógeno, forma una molécula de agua.
A partir de la década de 1970 se han localizado moléculas cada vez más complejas, formadas por decenas de átomos.
Algunas podrían, en condiciones favorables, formar materia orgánica, que es la base de los organismos vivos.

La luz, ¿ondas o partículas?

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Las ondas de luz, como las de los rayos X, no se pueden emitir de una en una, sino sólo en paquetes llamados "cuantos". La ciencia que lo estudia es la mecánica cuántica.
Estos tipos de radiación de alta frecuencia, según cómo se observan, se comportan como partículas y, al mismo tiempo, como ondas. Las partículas de la luz son los fotones. No tienen masa y viajan a cerca de 300.000 km/s.

La radiación cósmica de fondo

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En 1965 se encontró la prueba "tangible" del Big Bang. Comprobando un detector de microondas muy sensible, dos científicos descubrieron una radiación estraña que provenía por igual de todos los puntos del espacio.
Otros teóricos ya habían predicho que se habría de observar, procediendo de todo el universo, un "resplandor" testimonio del Big Bang, y que esta luz, debido a la expansión del Universo, se presentaría en forma de microondas.

Materia oscura

Se cree que la materia oscura es un material que no emite ninguna radiación electromagnética. Su existencia se basa en consideraciones teóricas y es, por ahora, uno de los principales problemas que tiene planteados la astrofísica.
Estudiando las fuerzas en el Universo, se calcula que la materia total es mucha más que la detectada por nuestros instrumentos. Como no sabemos nada de ella, la llamamos materia oscura.
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Fuerzas y movimientos

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La gravedad es la fuerza de atracción entre objectos.
En el Universo toda la materia se mueve a causa de ésta y otras fuerzas.
La gravedad depende de la masa de los objectos y de la distancia que los separa. Cuanto más masa tienen y más cerca están, mayor es la fuerza. Cuando se separan el doble, la fuerza se reduce a un cuarto.
La gravedad actúa como si toda la masa de un cuerpo se concentrase en un único punto, el centro de gravedad. La zona esférica alrededor de un cuerpo donde actúa su gravedad es el campo gravitacional.
La ley de la gravitación universal fue formulada por el físico británico Isaac Newton en el año 1684.
Si dejáramos dos cuerpos con masa y en reposo, sin que actuase ninguna otra fuerza salvo su atracción, inevitablemente, chocarían. Pero en el Universo hay muchas "gravedades", actúan otras fuerzas y los cuerpos están en movimiento.

Colapso

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Un colapso gravitacional es cuando un cuerpo se hace más pequeño como resultado de su propia gravedad, por ejemplo, una nube de gas para formar una estrella, o una estrella para formar un agujero negro. Se rompen los átomos y el edificio se desmorona.
Los átomos son cajas vacías donde una fuerza mantiene la estructura. Pero, si la gravedad supera esta fuerza, la estructura central no aguanta y la materia inicia una reacción en cadena.
La densidad aumenta (el cuerpo se hace pequeño sin perder masa), el campo gravitatorio se intensifica y se produce el colapso.

Fuerzas fundamentales del Universo

Hay cuatro fuerzas fundamentales, que determinan todas las formas de interacción de la materia:
- interacciones nucleares fuertes,
- interacciones nucleares débiles,
- electromagnetismo y
- gravitación.
La gravedad es la más débil de las cuatro y la única que sólo actúa en un sentido. Los científicos especulan sobre si existe la complementaria.

Movimientos

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Las estrellas, las galaxias y todo el Universo se mueven. Otra cosa es detectar el movimiento de algunos cuerpos, sobre todo, de los más lejanos.
Se ha medido el movimiento de muchos objetos del Universo. Así sabemos que, para desplazarse una distancia aparente igual al diámetro de la luna, la estrella más cercana Alpha Centauro, necesita 506 años. Arturo necesita 815; Sirio, 1.410; Altair, 2.830; Capella, 4270 y Fomalhaut, más de 5.000.
Se llama órbita la trayectoria de un objeto que gira alrededor de otro. El periodo orbital es el tiempo que el objeto tarda en completar una órbita. Parece que todos los objetos, en el espacio, orbitan alrededor de otros con más masa.
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La expansión del Universo

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El descubrimiento de la expansión del Universo empieza en 1912, con los trabajos del astrónomo norteamericano Vesto M. Slipher. Mientras estudiaba los espectros de las galaxias observó que, excepto en las más próximas, las líneas del espectro se desplazan hacia el rojo.
Esto significa que la mayoría de las galaxias se alejan de la Vía Láctea ya que, corrigiendo este efecto en los espectros de las galaxias, se demuestra que las estrellas que las integran están compuestas de elementos químicos conocidos. Este desplazamiento al rojo se debe al efecto Doppler.
Si medimos el corrimiento del espectro de una estrella, podemos saber si se acerca o se aleja de nosotros. En la mayoría este desplazamiento es hacia el rojo, lo que indica que el foco de la radiación se aleja. Esto es interpretado como una confirmación de la expansión del Universo.
En principio parece que las galaxias se alejan de la Vía Láctea en todas direcciones, dando la sensación de que nuestra galaxia es el centro del Universo. Este efecto es consecuencia de la forma en que se expande el Universo. Es como si la Vía Láctea y el resto de galaxias fuesen puntos situados sobre la superficie de un globo. Al inflar el globo, todos los puntos se alejan de nosotros. Si cambiásemos nuestra posición a cualquiera de los otros puntos y realizásemos la misma operación, observaríamos exactamente lo mismo.

La Ley de Hubble

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El astrónomo estadounidense Edwin Powell Hubble relacionó, en 1929, el desplazamiento hacia el rojo observado en los espectros de las galaxias con la expansión del Universo. Sugirió que este desplazamiento hacia el rojo, llamado desplazamiento hacia el rojo cosmológico, es provocado por el efecto Doppler y, como consecuencia, indica la velocidad de retroceso de las galaxias.
Hubble también observó que la velocidad de recesión de las galaxias era mayor cuanto más lejos se encontraban. Este descubrimiento le llevó a enunciar su ley de la velocidad de recesión de las galaxias, conocida como la "ley de Hubble", la cual establece que la velocidad de una galaxia es proporcional a su distancia.
La constante de Hubble o de proporcionalidad es el cociente entre la distancia de una galaxia a la Tierra y la velocidad con que se aleja de ella. Se calcula que esa constante está entre los 50 y 100 Km/s por megaparsec.
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Recuperado con propósito educativo autorizado por: Astronomía: Tierra, Sistema Solar y Universo

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