El universo siempre ha fascinado a multitud de científicos de muy diversos campos. Hoy en Biocuriosidades quiero acercaros a compartir esta fascinación respondiendo a algunas de las preguntas que comenzamos a tener respuestas.

El origen del universo

Sin lugar a dudas, uno de los mayores enigmas científicos de la historia es el principio del todo. Cómo y cuándo se originó el universo, si es que existe un comienzo.

En 1929, Edwin Hubble afirmó que el universo se está expandiendo y este descubrimiento llevó a meditar acerca de la teoría de la gran explosión o Big Bang. Hasta este momento, el universo se supone que estaba hipercomprimido, lo que conocemos como inflacción cósmica. Pero, de repente, este estado cambió y el universo comenzó a expandirse. La mezcla de partículas que estaban compactadas -fotones, electrones, quarks- se unirían para formar los protones y neutrones. Varios cientos de miles de años después, estas partículas subatómicas se unirían para formar los átomos y estos átomos entre sí para formar los cuerpos celestes.

Los átomos más abundantes en el universo son los dos más sencillos: el hidrógeno y el helio.

El hidrógeno y helio que forman parte fundamental de las estrellas, son capaces de entrar en procesos de fusión y fisión nuclear que transforman el primero en el segundo y viceversa. Estas reacciones provocan la luz y calor propia de las estrellas.

La acumulación de estrellas y otros cuerpos planetarios dan lugar a la formación de galaxias.

Radiación cósmica de fondo

En 1965, se captó una imagen muy reveladora que confirma aún más que existió un Big Bang. Es la imagen del fondo de microondas o la radiación cósmica de fondo. Esta foto del universo revela que se encuentra ocupado completamente por una radiación electromagnética. Esta radiación pudo originarse tras una gran explosión como promueve la teoría del Big Bang.

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Imagen de fondo de microondas

¿De qué está hecho el universo?

Todo lo que abunda en nuestro planeta está formado por materia. La materia es todo aquello que presenta una determinada masa y ocupa un espacio, o dicho de otra manera, presenta volumen. Además, es susceptible a cambios físico-químicos y podemos medir sus parámetros. Toda esta materia, la podemos considerar como materia bariónica, es decir, la materia tangible. Sin embargo, en el universo no es ni de lejos, la materia más abundante. Abundan muchísimo más otras dos sustancias: la materia oscura y la energía oscura.

Materia bariónica Vs materia oscura

En el universo podemos encontrar dos tipos de materia. La materia que posemos considerar palpable y visible, como mencionaba antes, la conocemos como materia bariónica. Sin embargo, los datos de gravedad revelan un desfase numérico entre la cantidad de materia bariónica que podemos contabilizar y la enorme fuerza gravitatoria que poseen algunos cuerpos celestes como los agujeros negros.

Esto nos lleva a pensar que podría haber mucha más materia que no estamos contabilizando y por eso debe existir un tipo de materia diferente, la materia oscura.

«Solo un 5% de la materia total del universo es materia bariónica, el otro 95% restante lo constituyen la materia oscura y la energía oscura».

Algunos científicos sospechan que los intrigantes agujeros negros han podido tragar gran cantidad de materia. Al absorber esta materia, se vuelven más potentes ya que aumenta su gravedad, directamente proporcional a la masa consumida. Esta materia se vuelve invisible a nuestros ojos y dispositivos de estudio.

Energía oscura

Esta misteriosa energía es uno de los fenómenos que más intriga a los científicos. La energía oscura presenta un comportamiento opuesto al de la gravedad.

«La gravedad es un fenómeno natural que provoca la atracción entre objetos que presentan masa».

La gravedad es la responsable de que caigamos con una determinada aceleración hacia el suelo y nos mantengamos pegados a el. También, de que varíe nuestro peso por el espacio (solo peso, ya que nuestra masa es siempre constante). Te dejo otra entrada al respecto aquí.

Sin embarto, y aunque parece sacada de Star Wars, esta energía oscura es diferente y muy real. Nos está dejando, literalmente, a oscuras. La energía oscura, al contrario que la gravedad, provoca el alejamiento continuo de los cuerpos del espacio. Actualmente, le atribuimos la responsabilidad de que el universo se expanda. Seguro que ya habías oído que el universo está en continua expansión y esto hace que las nebulosas y galaxias se estén alejando unas de otras.

Se prevé que las galaxias que están próximas formando grupos locales, por acción de la gravedad, podrían fusionarse para formar una única megagalaxia.

«La Vía Láctea se unirá con la galaxia Andrómeda (nuestra galaxia vecina más cercana) en los próximos 6000 millones de años».

Sin embargo, entre diferentes grupos locales reina la energía oscura, separando cada grupo entre sí cada vez más.

Se cree que la energía oscura gobierna en el universo, habiendo en términos cuantitativos, mucha más energía oscura que la suma de materia oscura + materia bariónica. Un 70% de lo que hay en el universo es energía oscura.

Los agujeros negros

En 1915, Albert Einstein enunció la teoría de la relatividad general que permite comprender los sistemas gravitatorios que componen el cosmos. Incluso el propio Einstein, que estudió anomalías gravitatorias que ocurren en el universo, no quería creer que existiera un fenómeno como los agujeros negros.

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Curvatura espacio-tiempo propuesta por Albert Einstein

Albert Einstein ilustró como los cuerpos se mueven en el espacio con ecuaciones e ilustraciones parecidos a la imagen anterior. Un cuerpo masivo curva el espacio-tiempo hacia abajo y eso altera las trayectorias de los cuerpos circundantes. Imagina un desagüe, al tener esa forma de embudo la materia gira alrededor hasta poder llegar a caer. Algo así ocurriría en los sistemas solares, salvo que la estrella mantiene a los cuerpos orbitando alrededor sin absorberlos a su centro.

Un agujero agujero negro es un punto del espacio donde esta curvatura es tal que su potencial gravitatorio es enorme. Se produce un «auténtico desagüe». Es como si hubiera caído en su interior una gran cantidad de materia, aumentando enormemente su masa y con ello su gravedad y curvatura en el espacio.

Todo agujero negro tiene una frontera rodeándole, denominada el horizonte de eventos u horizonte de sucesos. Todo cuerpo que cruce su horizonte de eventos hacia su centro se verá abocado a caer en su interior sin retorno.

En 2019, un equipo internacional logró tomar la primera fotografía del agujero negro de la galaxia M87 que se encuentra a 55 millones de años luz y posee un diámetro de horizonte de eventos de 40000 millones de km. Presenta un tamaño de unas 3 millones de veces la de nuestro planeta Tierra. Katie Bouman lideró el equipo que desarrolló el algoritmo que hizo posible la toma de esta fotografía:

Primera fotografía del agujero negro en el centro de la galaxia M87
Primera fotografía del agujero negro en el centro de la galaxia M87

¿Cómo se origina un agujero negro?

Las estrellas masivas (estrellas gigantes con muchísima masa) son más inestables y tienden a evolucionar hacia supernovas (explosiones de estrellas). Estas supernovas, posteriormente, pueden pueden originar un agujero negro. Esto significa que posiblemente la mayoría de los agujeros negros más modernos se han formado a partir de antiguas estrellas masivas.

El ciclo de las estrellas
El ciclo de las estrellas

¿Nuestro Sol se convertirá en un agujero negro? No, a pesar de ser inmenso en nuestro Sistema Solar, no es ni de lejos una estrella masiva, si no una estrella de talla media. Tenderá a convertirse en una estrella gigante roja y luego a comprimirse en una blanca enana al final de su vida. Pero tranquilo/a, para eso aún faltan unos 5000 millones de años.

Otros agujeros negros se originaron tras el Big Bang y se conocen como los agujeros negros primordiales.

Los tamaños en el universo

Para que te hagas una idea te dejo algunas imágenes que comparan tamaños del Sistema Solar y algunos vídeo para intentar comprender la inmensidad del universo.

Comparativa entre el Sol (izquierda) y Júpiter (derecha), el planeta más grande de nuestro sistema solar.

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Comparativa entre Júpiter y la Tierra

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Si comparas el Sol y la Tierra, ni siquiera apreciamos nuestro planeta. ¡Es un minipixel en la imagen!

 Si quieres observar otras comparativas de tamaño te gustará jugar con esta web.

Y para finalizar este apartado, un vídeo comparando satélites, planetas, estrellas, agujeros negros, galaxias y nebulosas:

Y ¿de qué tamaño es el universo?

Difícil respuesta, a día de hoy no podemos atribuir un límite al universo. Pero para hacernos una idea te recomiendo un canal de Youtube maravilloso, QuantumFracture, dirigido por el gran físico y divulgador José Luis Crespo. 

Si eres profesor, no dejes de poner sus vídeos en tus clases, son muy didácticos. Para responder a esta pregunta te recomiendo este vídeo:

Límites de estudio del universo

El universo es increíble, sin lugar a dudas, pero altamente complejo. Además, es posible que nos encontremos ante un escenario cada vez más complicado de estudiar.

La mayor dificultad de estudio del universo son las enormes distancias. Nuestra corta vida humana y limitaciones tecnológicas hace imposible viajar a los millones de años luz a los que se encuentran los cuerpos celestes de distintos sistemas solares. Ya incluso entre nuestro Sistema Solar es complicado el estudio.

Si a esto le unimos que la energía oscura va separando cada vez más los cuerpos, complica aun más nuestra situación. Imagina que pudiéramos salir con una nave que viaja a la velocidad de la luz al espacio exterior (la luz viaja a unos 300000 km/s), algo muy lejos de nuestro alcance tecnológico aún. Es una velocidad extrema, pero aun así, la energía oscura expande muy rápido. Avanzas, pero a la vez tu destino también se está alejando. 

Nuestro horizonte de eventos

Desde nuestro punto podemos observar y estudiar galaxias que se encuentren a un determinado radio de distancia. Nuestro circulo de acción sería nuestro horizonte de eventos. Un concepto similar al horizonte de eventos del agujero negro pero en este caso, todo lo que sobrepasa este límite no cae hacia nosotros, si no que podemos recibir su señal. Todo lo que se aleja de este horizonte, es como si no existiera para nosotros, imposible observarlo o alcanzarlo.

Ya no solo esto supone una carrera a contrarreloj de mejora tecnológica, si no que en unos miles o millones de años, podría llegar a ser imposible observar otras galaxias que ahora se encuentran cercanas. Por ello, estamos en un momento único para estudiar los confines del universo.

Cierro esta disertación con otro vídeo del gran Crespo 🙂 Creo que os ayudará a visualizar claramente todo lo comentado en esta entrada.

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