Origen y Evolución del Universo: Del Big Bang a la Exploración Espacial

La Antigüedad

Desde el principio de la humanidad, el hombre se ha interrogado acerca del origen del Universo, desarrollando toda suerte de mitos, leyendas y explicaciones al respecto:

• Civilización sumeria (4000 a.C.): Observan sistemáticamente los cielos y elaboran un calendario agrícola basado en la regulación de los movimientos celestes. También egipcios, mayas y chinos.
• Grecia clásica: Aristóteles plantea un modelo de universo en cuyo centro se localizaba la Tierra (universo geocéntrico).
• Ptolomeo (Sº II): En su obra Almagesto, describe un sistema geocéntrico como base para la mecánica celeste, muy coherente matemáticamente. Este modelo se mantiene durante 14 siglos.

El Renacimiento

• Nicolás Copérnico (Sº XVI): Explica que los movimientos planetarios se explican mejor atribuyendo una posición central al Sol y no a la Tierra (modelo heliocéntrico).
• Galileo Galilei (Sº XVII): Cambio de actitud y mentalidad de los científicos; su trabajo se basa en la experimentación.
• Johannes Kepler: Elaboró las tres leyes sobre el movimiento planetario, aún vigentes hoy, acabando definitivamente con el paradigma geocéntrico.
• Isaac Newton: En la Royal Society of London se intercambian información y se produce la cooperación entre científicos. Formula las tres leyes que fundamentan la mecánica. Deduce la ley de la Gravitación Universal.

Siglo XX

• Albert Einstein: Dio a conocer su teoría general de la relatividad, con la que sienta las bases de un nuevo marco teórico sobre la estructura del universo.
• Se propone un universo en expansión según los postulados de Einstein, y la causa de ello sería un fenómeno ocurrido en el origen: una gran explosión.
• George Gamow bautiza irónicamente este modelo como teoría del Big Bang.

La Teoría del Big Bang (La Gran Explosión)

• Toda la energía del Universo se encontraba en el origen concentrada en un punto de tamaño infinitesimal (huevo cósmico).
• La densidad y la temperatura de dicho punto debieron ser inimaginables.
• Al explotar, alejándose en todas direcciones, y a medida que se enfriaba paulatinamente, la energía se fue transformando en materia (según la ecuación de Einstein), dando lugar a las partículas elementales.
• La interacción de partículas produjo los primeros núcleos atómicos y cientos de miles de años después, cuando la temperatura había descendido a los 3000 grados Kelvin y la velocidad de expansión era cada vez menor, lograron dichos núcleos capturar los electrones necesarios para formar átomos.
• Primero se forman los átomos más sencillos, hidrógeno y helio (son los elementos químicos que más abundan en el Universo: 75% de H y 25% de He).
• Los átomos, atraídos por la fuerza gravitatoria, se fueron concentrando y originaron nubes de materia más densa, de las cuales surgirían las estrellas, galaxias, planetas y resto de cuerpos celestes.

Pruebas de la Explosión

1. El universo está en expansión: El astrónomo Vesto Slipher analizó el espectro luminoso de las galaxias más lejanas. Comprobó que las ondas luminosas presentaban un peculiar alargamiento (corrimiento al rojo). Efecto Doppler (sonido).
2. Edwin Hubble confirma los trabajos de Slipher y establece que la velocidad de alejamiento de las galaxias es directamente proporcional a la distancia en que se encuentran.
3. La existencia de la radiación cósmica de fondo: Al tiempo que se expandía el universo, también se iba enfriando. Puesto que cualquier cuerpo emite radiaciones electromagnéticas características de la temperatura a la que se halla, los científicos Alpert, Herman y Gamow calcularon en 1948 la temperatura a la que debía encontrarse el Universo en la actualidad, estableciéndose la cifra en 3 grados Kelvin.
4. Esto fue confirmado de forma casual por Arno Penzias y Robert Wilson cuando, con una antena, descubrieron la radiación cósmica de fondo, es decir, la radiación electromagnética correspondiente a un cuerpo que se encuentra a una temperatura de 3 grados Kelvin.
5. El propio universo aporta la prueba experimental definitiva para confirmar la hipótesis del Big Bang y elevarla a la categoría de teoría.
6. La existencia de parásitos en la recepción de la señal de la televisión tiene el mismo origen. En vez de decir "no se ve la televisión", podríamos decir "se ven los ecos del Big Bang".

¿De qué está hecho el Universo?

• El universo está básicamente compuesto de hidrógeno. Entre el 70 y el 75% de la materia conocida del universo se encuentra en forma de hidrógeno, el elemento más simple. El restante 30% de la materia conocida está compuesta por los 109 elementos del sistema periódico (reacciones de fusión nuclear en el seno de las estrellas; su explosión o supernova, dispersa la materia). (H-He-C-O-Ne-Mg-Si-Fe-Au-Pb-U-etc).
• Alrededor del 10% del peso de un ser humano corresponde a hidrógeno formado en el Big Bang. El resto lo constituyen elementos sintetizados en reacciones nucleares en el interior de alguna estrella, fundamentalmente oxígeno (65%), carbono (18%) y nitrógeno (3%).
• Sin embargo, todos los objetos celestes visibles conocidos hoy en día (estrellas, planetas y nubes de polvo) dan cuenta de sólo el 10% de la masa del universo. Es decir, del total de materia que forma el universo, sólo es materia conocida el 10% de ella; el resto es masa que falta y, dado que no la hemos podido detectar, los físicos la han llamado materia oscura (sea lo que sea).
• La materia oscura es presuntamente invisible porque no emite ni refleja luz visible, ni ondas de radio, infrarrojos, UV, rayos X o rayos gamma. Es posible también que su luz sea tan débil que no pueda ser detectada por los actuales instrumentos astronómicos. Sin embargo, la materia oscura puede ser detectada indirectamente debido a su influencia en otros objetos cercanos visibles.
• La Vía Láctea es la galaxia espiral en la que se encuentra el Sistema Solar y, por ende, la Tierra. Según las observaciones, posee una masa de 10¹² masas solares y es una espiral barrada; con un diámetro medio de unos 100.000 años luz, se calcula que contiene entre 200 mil millones y 400 mil millones de estrellas. La distancia desde el Sol hasta el centro de la galaxia es de alrededor de 27.700 años. La Vía Láctea forma parte de un conjunto de unas cuarenta galaxias llamado Grupo Local, y es la segunda más grande y brillante tras la Galaxia de Andrómeda.
• El nombre Vía Láctea proviene de la mitología griega y en latín significa camino de leche. Esa es, en efecto, la apariencia de la banda de luz que rodea el firmamento, y así lo afirma la mitología griega, explicando que se trata de leche derramada del pecho de la diosa Hera. Sin embargo, ya en la Antigua Grecia, un astrónomo sugirió que aquel haz blanco en el cielo era en realidad un conglomerado de muchísimas estrellas. Se trata de Demócrito (460 a. C. - 370 a. C.), quien sostuvo que dichas estrellas eran demasiado tenues individualmente para ser reconocidas a simple vista. Su idea, no obstante, no halló respaldo, y tan sólo hacia el año 1609 d. C., el astrónomo Galileo Galilei haría uso del telescopio para observar el cielo y constatar que Demócrito estaba en lo cierto, ya que adonde quiera que mirase, aquél se encontraba lleno de estrellas.
• El Sistema Solar es un sistema planetario de la Vía Láctea que se encuentra en uno de los brazos de ésta, conocido como el Brazo de Orión. Según las últimas estimaciones, el Sistema se encuentra a unos 28 mil años luz del centro de la Vía Láctea.
• Está formado por una única estrella llamada Sol, que da nombre a este Sistema, más ocho planetas que orbitan alrededor de la estrella: Mercurio, Venus, Tierra, Marte, Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno; más un conjunto de otros cuerpos menores: planetas enanos (Plutón, Eris, Ceres), asteroides, satélites naturales, cometas... así como el espacio interplanetario comprendido entre ellos.

Origen del Sistema Solar

• La evolución de las ideas sobre el origen del Sistema Solar y de la Tierra ha ido ligada a la propia evolución del pensamiento humano. La escasez de datos, debida a los limitados medios para la observación, propició que las primeras explicaciones se basaran en mitos o en doctrinas filosóficas con un carácter teológico.
• El desarrollo científico de épocas posteriores proporcionó más datos que hicieron que las teorías comenzaran a ser mucho más elaboradas. Surgen dos tipos de teorías para explicar el origen del Sistema Solar:
• Teorías catastrofistas: El Sistema Solar se origina como resultado de acontecimientos cósmicos extraordinarios y generalmente violentos. En 1945, Georges Louis de Leclerc de Buffon afirmó que el Sistema Solar era la consecuencia del choque entre el Sol y un cometa (entendiendo como tal un cuerpo de masa comparable al Sol, no a los pequeños cuerpos que reciben la misma denominación en la actualidad).
• Teorías evolutivas: Postulan un proceso continuo y ordenado hasta llegar a su forma actual. Hipótesis nebular, hipótesis planetesimal, modelo de Ter Haar.

Teorías Evolutivas

• Cualquier teoría sobre el origen del Sistema Solar debe explicar las características que éste posee:
• Todos los planetas (salvo Plutón) giran alrededor del Sol (movimiento de traslación) aproximadamente en el plano del ecuador (plano de la eclíptica).
• El movimiento de traslación es en sentido contrario a las agujas del reloj (sentido directo).
• Todos los planetas, y también el Sol, realizan un movimiento de rotación en el mismo sentido directo, salvo Venus y Urano.
• Los planetas describen órbitas elípticas con poca excentricidad (casi circulares).
• La composición de los planetas se correlaciona aproximadamente con la distancia al Sol, estando los más densos en el interior (planetas terrestres, son sólidos) y los menos densos hacia el exterior (planetas gigantes, son gaseosos y ricos en elementos ligeros).
• Primera teoría evolutiva en 1796, hipótesis nebular propuesta por Pierre Simon de Laplace: Afirma que en el origen existía una nube de gas y polvo en lenta rotación.
• Debido a la fuerza de atracción gravitatoria fue contrayéndose a la vez que aumentaba su velocidad.
• El núcleo central se condensó en un protosol, mientras que en las partes exteriores de la nube la velocidad era tan grande que la fuerza centrífuga superó a la gravitatoria, provocando la expulsión de un anillo de gas que continuó girando independientemente.
• Al proseguir la contracción gravitatoria del núcleo, el proceso se repitió varias veces, emitiéndose anillos de gas que con el tiempo se condensaron dando lugar a los planetas.
• El mismo proceso explica la formación de los satélites que giran alrededor de los planetas, justificando el hecho de que los planetas más pequeños no posean satélites, mientras que los más grandes poseen varios. De esta manera podemos comprender los anillos de Saturno como un posible satélite que no llegó a condensarse.
• A finales del Sº XIX, un análisis matemático realizado por James Maxwell demostró que un anillo de materia gaseosa lanzado por un cuerpo en rotación jamás podría llegar a formar un cuerpo sólido.
• En 1905 se propuso la hipótesis planetesimal o de cuasicolisión, según la cual el paso de una estrella cerca del Sol arrancó parte de la materia de nuestro astro rey, que quedó girando alrededor suyo, originando con el tiempo masas sólidas (planetesimales) y, posteriormente, planetas.
• Dicha teoría tampoco superó un posterior análisis matemático, según el cual los planetas deberían haber quedado situados miles de veces más lejos de lo que están en realidad, lo que hizo a la comunidad científica volver a poner sus ojos en la hipótesis nebular de Laplace, aunque con ciertas modificaciones.
• El modelo de Ter Haar parte de la hipótesis de la nube de gas y polvo en rotación, pero asume que las partículas giran según sus órbitas elípticas (capas) con diferente velocidad, más rápido cuanto más cerca del protosol. Esta diferencia de velocidad entre capas originaría remolinos y contrarremolinos que sí permitirían la condensación de las partículas para formar planetas.
• Actualmente, la teoría ha sido actualizada por Hoyle, con la introducción de fuerzas magnéticas en el modelo. Su teoría es la más aceptada hoy en día.

Definición de Planeta (UAI, 26 de agosto de 2006)

• Planetas: Un planeta es un cuerpo celeste que a) está orbitando alrededor del Sol, b) tiene suficiente masa producida por su propia gravedad como para ser homogéneo, en equilibrio hidrostático y tener una forma más o menos redonda, c) ha "limpiado" gravitatoriamente la vecindad de su órbita de objetos cercanos (en otras palabras, que sea el cuerpo dominante en su propia zona orbital). Los planetas del Sistema Solar, de acuerdo a esta definición, son, por tanto, Mercurio, Venus, Tierra, Marte, Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno.
• Planetas enanos: Se establece una nueva y diferente categoría de objetos, los planetas enanos, que son planetas que cumplen los dos primeros supuestos de la categoría anterior pero no el c) es decir, que en sus cercanías existen otros cuerpos "dominantes" gravitatorios. También se establece que para pertenecer a esta categoría no deben ser satélites de otro cuerpo. En esta nueva categoría se reconoce implícitamente la situación de Plutón, como planeta enano prototipo de esta nueva categoría de objetos situados más allá de la órbita de Neptuno, ó trans-Neptunianos (TNO en inglés).
• Cuerpos pequeños del Sistema Solar: Todos los demás objetos, exceptuando a los satélites, serán designados con este nombre común, pudiendo incluir a asteroides del cinturón principal, objetos trans-Neptunianos, cometas y otros cuerpos de menor tamaño.

Ventajas de la Exploración Espacial

• Los satélites artificiales en órbita permiten:
• Que los humanos disfrutemos de un servicio de cobertura telefónica en todo el planeta y situarnos con precisión en cualquier parte gracias a la red de satélites GPS.
• Elaborar predicciones meteorológicas.
• Prevención de riesgos, catástrofes y desastres naturales (ciclones, seísmos, erupciones volcánicas, etc.).
• Cartografía del suelo, lo que permite realizar una ordenación del territorio (usos del suelo).
• Aporte de valiosos conocimientos (tanto científicos como tecnológicos).

Geodinámica

• Geodinámica externa: Se debe a la acción de las masas fluidas que envuelven la Tierra (atmósfera e hidrosfera). Producen la erosión de la superficie terrestre.
• Geodinámica interna: Se debe a la energía geotérmica que tiene dos orígenes, uno profundo cuyo valor es uniforme en todo el planeta y que se debe al calor residual, y otro cortical, debido a la desintegración nuclear, que varía de unos lugares a otros, en función del mayor o menor contenido de elementos radiactivos en las rocas existentes. Su máxima expresión vendría dada por la presencia de grandes cordilleras en la superficie terrestre.

Teorías Orogénicas

• Intentan explicar el origen de los orógenos (cordilleras):
• Son grandes estructuras de la corteza terrestre.
• Su morfología es típicamente lineal.
• Elevada complejidad estructural (presencia de pliegues, fallas, fenómenos de vulcanismo, seísmos, metamorfismo, etc.).
• Se originan en distintos momentos de la Historia Geológica de la Tierra y en zonas geográficas amplias.

Dos grupos de Teorías Orogénicas

• Fijistas (o verticalistas): Siglos XIX y XX. Abogan por fuerzas verticales como generadoras del relieve. La teoría de mayor trascendencia es la del enfriamiento-contracción. Según esta teoría, la Tierra, al enfriarse, se contrae y esta contracción provoca que su superficie se agriete (fallas) y se pliegue (montañas), al igual que ocurre con una uva que se convierte en pasa.
• Movilistas: Explican la génesis de las cordilleras montañosas en función de grandes esfuerzos compresivos consecuencia del movimiento horizontal de bloques de la corteza terrestre. Siglo XX.
• Teoría de la Deriva Continental (1915, Alfred Wegener).
• Teoría de la expansión de los fondos oceánicos (1960, Hess; 1965, Vine y Mattews).
• Teoría de la Tectónica de Placas (1968. Aportaciones de diferentes científicos). Marco teórico (paradigma) en el cual actualmente tiene explicación todos los fenómenos geológicos.

Teoría de la Deriva Continental

• Alfred Wegener (meteorólogo alemán) publica en 1915 El origen de los continentes y océanos.
• Causa del origen de los orógenos: el empuje que provoca la deriva de los continentes.
• Concepto de Pangea: Todas las masas continentales reunidas en un supercontinente (última Pangea en el Carbonífero -280 millones de años; vamos hacia la 4ª Pangea).
• Argumentos o pruebas:
• Geográficas: Líneas de costa coincidentes.
• Geológicas: Estructuras, litología, yacimientos.
• Paleontológicos: Mesosaurus, Glossopteris, Lystrosaurus.
• Paleoclimáticas: Tillitas (sedimentos glaciares en África, Sudamérica, India, Australia; materiales carboníferos en Norteamérica y Europa).
• Fallo: Motor de la Deriva Continental: Propuso que los continentes flotan sobre una masa fluida, sería la fuerza centrífuga, generada por el movimiento de rotación de la Tierra, la fuerza que provocaría el desplazamiento horizontal de los continentes y la inercia de las masas continentales consecuencia de movimiento de traslación de la Tierra.
• Muere Wegener en 1930 y con él las teorías movilistas, que no verán la luz hasta 30 años más tarde.
• Holmes (1929), como gran defensor de la Teoría de la Deriva Continental, propuso como motor del movimiento de las masas continentales las corrientes de convección que existen en el manto. La comunidad científica no reparó en dichas hipótesis, pues publica su trabajo en revistas de poca difusión.
• Estéril debate acerca de la Deriva Continental desde 1930 hasta 1960.

Expansión de los Fondos Oceánicos

• En 1960, un geólogo norteamericano (Hess) formula la teoría de la expansión del fondo oceánico.
• Se basa en investigaciones oceanográficas que aportan datos como:
• Topografía de los fondos oceánicos: Se deduce que no son superficies planas sino que tienen relieves lineales, positivos (dorsales oceánicas) y negativos (fosas oceánicas).
• Datación de las rocas (edad) mediante métodos radiactivos (rocas recientes junto a las dorsales y rocas antiguas alejadas de la dorsal). Deduce que el suelo oceánico (corteza oceánica) está en continuo movimiento, con un desplazamiento en ambas direcciones a partir del eje de la dorsal. Nuevo material ígneo (procedente del manto) asciende por ella. Las fosas son las zonas por las que la corteza oceánica desaparece por hundimiento, reintegrándose en el manto (reciclado). La expansión de los fondos oceánicos explica la Deriva Continental propuesta por Wegener.
• Entre 1960 y 1965, Vine y Mattews aportaron pruebas que confirman la Teoría de la expansión de los fondos oceánicos, mediante estudios de paleomagnetismo (detectan anomalías magnéticas que reflejaban las rocas volcánicas con minerales magnéticos, que forman los fondos oceánicos).
• Los minerales magnéticos se orientan de acuerdo con la orientación del eje magnético en el momento de solidificación.
• Podemos hablar de periodos de polaridad normal (los polos magnéticos situados como lo están actualmente) y periodos de polaridad inversa (el polo Norte actúa como el polo Sur magnético y viceversa).
• Así se observan bandas paralelas y simétricas a ambos lados de la dorsal con polaridades magnéticas similares.

Teoría de la Tectónica de Placas (TTP)

• Como teoría orogénica tiene un carácter movilista y proporciona un marco teórico explicativo para los fenómenos derivados de la geodinámica interna (formación de orógenos, seísmos, vulcanismo, etc.).
• No se puede citar a un único científico como autor de la TTP, sino que son varios los que esbozan dicha teoría.
• La Geología como ciencia cambia tras el desarrollo de la TTP, su trascendencia es comparable a como lo fue la Teoría Evolutiva en Biología o la Teoría de la Relatividad en Física.
• Principios fundamentales de la TTP (enunciados resumidamente):
• La corteza terrestre se encuentra dividida en una serie de bloques denominados placas litosféricas, las cuales experimentan un continuo movimiento relativo entre ellas, deslizándose sobre la astenosfera plástica subyacente.
• Los límites o bordes de placa, zonas de contacto entre ellas, se concentra la mayor parte de la actividad geotérmica de origen interno del planeta. En contraste, las zonas del interior de las placas, denominadas zonas de intraplaca, son zonas de actividad geotérmica de origen interior muy reducida.

¿Cómo se originó la Luna?

1. Era un astro independiente que, al pasar cerca de la Tierra, quedó capturado en órbita.
2. La Tierra y la Luna nacieron de la misma masa de materia que giraba alrededor del Sol.
3. La Luna surgió de una especie de "hinchazón" de la Tierra que se desprendió por la fuerza centrífuga.

¿Por qué Plutón fue excluido de los planetas?

Plutón fue descalificado porque su órbita oblonga se superpone a la de Neptuno. Además, se mueve junto con numerosos otros cuerpos celestes en el Cinturón de Kuiper.