El Universo: Origen, Evolución y Composición

Universo infinito y estático

Newton dedujo la ley de la gravitación universal. Según él, el movimiento de caída de una manzana atraída por la Tierra sigue la misma ley que gobierna la órbita de la Tierra alrededor del Sol, resultado del equilibrio entre la atracción gravitatoria existente entre ambos cuerpos y su velocidad de traslación. También dedujo que las estrellas deben atraerse unas a otras y que deberían dirigirse todas hacia un mismo punto, pero como esto no es así, postuló que el universo está formado por un número infinito de estrellas y que no habría ningún punto central, y las fuerzas gravitatorias las mantendrían en un estado estático de equilibrio.

• La Tierra y los planetas giran alrededor del Sol.
• El Sol es una estrella como otra cualquiera.
• El universo está formado por una cantidad infinita de estrellas que llenan un espacio también infinito.
• La atracción gravitatoria entre las infinitas estrellas las mantiene en un equilibrio de fuerzas.
• El universo ha existido desde su creación en un estado de equilibrio inmóvil.

Un universo en expansión

La teoría de la relatividad propuesta por el físico alemán Albert Einstein explicaría algunos errores observados en las predicciones basadas en las leyes de Newton y se impuso como la mejor teoría. Él consideraba que el universo seguía siendo estático, pero dos descubrimientos obligaron a plantear modelos alternativos:

• El desplazamiento al rojo: Hubble se propuso calcular la distancia entre la Tierra y las más lejanas galaxias que se podían observar. Al descomponer en sus distintas bandas de frecuencia la luz llegada de esas galaxias, observó que se distribuían de la misma manera que la del Sol, pero con distintos desplazamientos del conjunto hacia la banda del rojo. Observó que cuanto más lejana está una galaxia, mayor es el grado de su desplazamiento. Hubble interpretó esas diferencias de distribución como una consecuencia llamada efecto Doppler y calculó las velocidades de 18 galaxias a partir de sus respectivos desplazamientos. Observó que las galaxias se alejan de la Tierra a velocidades muy elevadas y aumentando cada vez más. Dedujo que todas las galaxias se alejan unas de otras y consideró que si se invierte el proceso, se llega a un momento en el que todas las galaxias se encontrarían en un mismo punto, del cual surgió el universo en expansión de hoy en día.
• La radiación de fondo: Es una débil radiación que impregna todo el universo. Esta radiación corresponde a un cuerpo negro a una temperatura de entre 2 y 4 K. En 1992, el matemático ruso Alexander Friedman demostró con las ecuaciones de Einstein que el universo se hubiera iniciado con una gran explosión a una temperatura muy elevada que habría descendido con la expansión del espacio. La radiación de fondo sería el resto de energía enfriada liberada en el Big Bang.

¿Cuál será la evolución del universo?

Las dos hipótesis más extendidas son:

• Big Crunch o gran implosión: Predice que el universo se seguirá expandiendo hasta que la fuerza gravitatoria de las galaxias haga que se invierta el proceso de expansión y estas empiecen a acercarse lentamente hasta llegar a concentrarse en una gran implosión final (inversión del proceso de Big Bang).
• Big Rip o gran desgarro: Predice que las galaxias se irán separando cada vez más rápido, de modo que el universo se expandirá eternamente.

Origen y evolución del universo

• 0 gran explosión inicial: Big Bang, leyes de la física exóticas y desconocidas.
• -10 elevado a -43 segundos: Era de la teoría de la gran unificación, el equilibrio entre materia y antimateria se decanta por la materia.
• -10 elevado a -35s: Era electrodébil dominada por quarks y antiquarks.
• -10 elevado a -10s: Era de los hadrones y neutrones. Los quarks se asocian formando protones, neutrones y otras partículas.
• -1s: Los protones y neutrones se combinan formando núcleos de hidrógeno, helio, litio y deuterio.
• -3 minutos: La materia y radiación se acoplan y se forman los primeros átomos estables.
• -1000 millones de años: Cúmulos de materia forman quásares, estrellas y protogalaxias. En el interior de las estrellas comienzan a sintetizarse núcleos más pesados.
• -15000 millones de años: Se forman nuevas galaxias con sistemas solares alrededor de las estrellas. Los átomos se enlazan entre ellos para formar moléculas.

Definición de planeta

• Su masa debe ser la suficiente como para adoptar una forma casi esférica; solo a partir de determinadas dimensiones la gravedad es capaz de vencer su rigidez y adoptar una forma esférica.
• Debe haber despejado su órbita. Los cuerpos celestes como Plutón cumplen la primera condición, pero no la segunda; se llaman planetas enanos.

Composición del sistema solar

• El Sol: Estrella de nuestro sistema planetario, tamaño medio, es una esfera de gases incandescentes (fundamentalmente hidrógeno y helio), debe su energía a las reacciones termonucleares que se producen en su núcleo, gira en torno a su eje.
• Planetas: Orbitan alrededor del Sol, sus masas son lo suficientemente grandes como para adoptar una forma casi esférica y haber despejado los alrededores de su órbita. De acuerdo con sus posiciones y características se diferencian entre:
  • Planetas internos o terrestres: Mercurio, Venus, Tierra, Marte; más cercanos al Sol, tamaño pequeño, rocosos y tienen atmósfera gaseosa poco extensa.
  • Planetas externos o gigantes: Júpiter, Saturno, Urano, Neptuno; más alejados del Sol, tienen un tamaño grande, y sus superficies se encuentran en estado gaseoso y líquido.
  • Planetas enanos: Orbitan alrededor del Sol y tienen masa lo suficientemente grande como para adoptar una forma casi esférica, pero no para haber despejado su órbita.
  • Satelites: Cuerpos celestes que giran alrededor de los planetas.
  • Cuerpos menores del sistema solar: Todos los cuerpos celestes que orbitan alrededor del Sol y que no son planetas, ni planetas enanos, ni satélites.
  • Asteroides: Cuerpos rocosos menores, con forma irregular; la mayoría se encuentran en el cinturón de asteroides entre Marte y Júpiter.
  • Cometas: Pequeños cuerpos celestes que orbitan más allá de Neptuno en el cinturón de Kuiper; están constituidos generalmente por hielo y polvo.

¿Qué debe explicar una teoría sobre el origen del sistema solar?

• El Sol y todos los planetas giran en el mismo sentido.
• Las órbitas de todos los planetas son elipses de muy poca excentricidad; su forma se aproxima a la circunferencia.
• Las órbitas de todos los planetas se sitúan aproximadamente en el mismo plano denominado eclíptica, que coincide con el plano ecuatorial del Sol.
• Los planetas interiores son pequeños e densos, mientras que los exteriores son grandes y ligeros.
• Todos los cuerpos celestes que son rocosos tienen numerosos cráteres de impacto.

Teoría planetesimal

1. Nebulosa inicial: Hace unos 4600 millones de años, una nebulosa giratoria de polvo y gas, cuyas dimensiones eran superiores a las del sistema solar, comenzó a contraerse.
2. Colapso gravitatorio: La contracción formó una gran masa central y un disco giratorio en torno a ella.
3. Formación del protosol: La colisión de las partículas en la masa central liberó gran cantidad de energía. Comenzó la fusión nuclear del hidrógeno, lo que marca el nacimiento de una estrella, el protosol, en el interior de la nebulosa.
4. Formación de planetesimales: Las partículas de polvo y gas que formaban el disco giratorio siguieron un proceso de agrupación; así se formaron inicialmente gránulos de algunos milímetros, de cuyas colisiones y fusiones se originaron cuerpos mayores, los planetesimales, con tamaños de algunos centenares de metros y kilómetros.
5. Formación de protoplanetas: Las colisiones de los planetesimales y su unión (acreción) originaron los planetas primitivos o protoplanetas. Después, cada protoplaneta fue barriendo su órbita de planetesimales.