La astronomía

Categoría: Geografía

La astronomía  “Las fuerzas que dan forma al Universo”

La fuerza que le da forma al Universo, la gravitación, comenzó a ser descrita en 1687 por el físico inglés Isaac Newton (1642-1727). En 1846 el francés Urbain Leverrier (1811-1877) aplicó la mecánica newtoniana a sus cálculos y dedujo acertadamente la existencia y posición del planeta Neptuno. En 1838 el astrónomo alemán Friedrich Bessel (1784-1846) calculó la distancia a una de las estrellas más próximas, Cisne 61, obteniendo el resultado de 103.000 millones de kilómetros, nueve mil veces el diámetro del sistema solar. En 1900 se habían determinado las distancias que separan la Tierra de unas 70 estrellas, y estaba claro que el sistema solar no es más que una mota perdida en la inmensidad del espacio.

En 1868, el astrónomo inglés William Huggins (1824-1910) descubrió que las estrellas se alejan de la Tierra (lo supo porque la frecuencia de su luz cambiaba debido al efecto Doppler, el mismo fenómeno que hace que el silbato de un tren cambie de frecuencia al pasar). A finales de los años veinte, el astrónomo estadounidense Edwin Hubble (1889-1953) estudió este cambio de frecuencia y descubrió que las galaxias más lejanas son las que se alejan de la Tierra a más velocidad. Hubble no sólo demostró que el Universo es mucho mayor de lo que se sospechaba, sino que además se expande constantemente: a medida que pasa el tiempo, las galaxias se van separando más unas de otras.

El descubrimiento de Hubble implicaba que el Universo debió de originarse en algún momento concreto del pasado, a partir de un único punto. La fecha se puede calcular aproximadamente a partir de la razón entre la velocidad de las galaxias y su distancia a la Tierra la llamada «constante de Hubble». Según los distintos valores calculados para la constante de Hubble, la edad del Universo puede oscilar entre 12 y 20.000 millones de años.

Telescopio espacial Hubble

El telescopio espacial Hubble bautizado en honor del astrónomo Edwin Hubble, fue puesto en órbita el 24 de abril de 1990 en la misión STS-31 como un proyecto conjunto de la NASA y de la Agencia Espacial Europea.

Uniformismo

Los estudiosos de la Biblia se basaron en el relato de la creación para calcular la edad de la Tierra, a veces con una exactitud sorprendente: en 1656, por ejemplo, el arzobispo anglicano James Usher declaró que la Creación había tenido lugar a las 8 de la mañana del 22 de octubre del año 4004 a.C. Estas creencias quedaron rebatidas por la teoría del uniformismo, expuesta en 1785 por el naturalista escocés James Hutton (1726-1797) y confirmada cincuenta años después por el geólogo inglés Charles Lyell (1797-1875).

Hutton opinaba que la compleja forma de la Tierra, con sus montañas, valles y mares, se podía atribuir a las mismas fuerzas que vemos actuar en la actualidad, como la orogenia, la erosión y la acumulación de sedimentos en el fondo del mar. Dado que todos estos procesos son extraordinariamente lentos, la Tierra tenía que ser mucho más vieja que lo que sugería el relato bíblico.

Las opiniones de Hutton, que parecían proclamar la eternidad de la Tierra e inducir al ateísmo, provocaron burlas. Medio siglo después, Lyell llegó por su propia cuenta a las mismas conclusiones, y las defendió tan convincentemente en sus “Principios de geología”, publicado entre 1830 y 1833, que esta vez fueron aceptadas. Había nacido la ciencia geológica moderna.

El 18 de noviembre de 1989 se lanzó el Cosmic Background Explorer para investigar los residuos de la radiación emitida durante el “big bang”.

Gravitación

La fuerza básica que da forma al Universo es la gravedad, una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. La ley de la gravitación universal, formulada por Newton en 1687, afirma que dos cuerpos se atraen uno a otro con una fuerza directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa.

Aunque se trata de una fuerza débil, comparada con las que mantienen unidos los átomos, la gravedad es el escultor responsable de la forma del Universo. La ley de Newton posee la belleza de la universalidad: se aplica con igual exactitud a la manzana que cae del árbol y a los movimientos de los planetas. La mecánica newtoniana tuvo tanto éxito durante tanto tiempo que indujo a creer que, disponiendo de los datos suficientes, se podría predecir el comportamiento futuro de cualquier partícula del Universo (el principio del determinismo).

Galaxia Vía Láctea

La enorme masa de materia que forma una galaxia se mantiene unida por la fuerza de la gravedad.

Catastrofismo

El registro geológico demuestra que la vida en la Tierra ha sufrido cinco grandes desastres, en los que se extinguieron numerosas especies. El mayor se produjo hace 250 millones de años, y en él desapareció el 70% de las especies entonces existentes; el más conocido ocurrió hace 65 millones de años, cuando se extinguieron los dinosaurios. La explicación más verosímil de estas extinciones es una catástrofe global provocada por el impacto de un enorme objeto procedente del espacio.

Las superficies de la Luna y de Marte demuestran haber sufrido un constante bombardeo, pero en la Tierra los cráteres son menos evidentes porque la actividad geológica ha tendido a disimularlos. La hipótesis del catastrofismo no niega el uniformismo de Lyell: simplemente significa que a los cambios paulatinos de la geología hay que añadirles ocasionales cambios violentos, provocados por un impacto.

Catastrofismo

A algunos satíricos del siglo XIX, la posibilidad de que los meteoritos que cruzaban el firmamento nocturno cayeran a la Tierra les parecía tan probable como el retorno de los dragones.

El “Big bang”

El descubrimiento del astrónomo estadounidense Edwin Hubble (1889-1953) -que el Universo se expande- suponía algo asombroso: que, si se pudiera retroceder en el tiempo, invirtiendo la historia del Universo, se llegaría a un momento -puede que hace 15.000 millones de años- en el que toda la materia estaba concentrada en un solo punto. La teoría del «big bang» sostiene que en este punto se produjo una explosión que creó a la vez la materia y el tiempo, poniendo en marcha el reloj e iniciando la expansión del Universo.

Esta teoría ha tenido muchos defensores, el primero fue el matemático belga Georges Lemaitre (1894-1966), en 1927. Pero empezó a ganar aceptación después de la segunda guerra mundial, gracias al físico de origen ruso George Gamow (1904-1968). En 1964 pareció confirmarse cuando el alemán Arno Penzias (1933- ) y el estadounidense Robert Wilson (1936- ) descubrieron que en todo el Universo existe un «mar de fondo» de radiaciones de microondas de bajo nivel. Según ellos, esta radiación es el eco moribundo del “big bang”, los restos del intenso calor generado por la colosal explosión inicial. Gamow ya había predicho su existencia.

Detallados exámenes realizados por el Cosmic Background Explorer (COBE), han determinado con gran exactitud la temperatura característica de esta radiación, demostrando que varía ligeramente de un sitio a otro. Las zonas más calientes corresponden a las partes más concentradas de la nube explosiva de gas, donde se formaron las estrellas y las galaxias: zonas de «grumos» primordiales que dieron lugar al Universo que vemos hoy.

La teoría del “big bang” incluía otra predicción que ha resultado ser acertada. La abundancia relativa de hidrógeno, helio, deuterio y litio observada en el Universo es exactamente la que sería de esperar si el “big bang” hubiera ocurrido. En la actualidad, la mayoría de los cosmólogos aceptan que el Universo nació en una única y enorme explosión.

Murray Gell-Mann

«Este empeño por entender el Universo, cómo funciona y de dónde surgió, es la mayor y más persistente aventura de la historia humana.» Murray Gell-Mann (1929-2019), físico teórico estadounidense.

Inflación

El físico norteamericano Allan Harvey Guth (1947- ) ha propuesto una pequeña pero importante modificación de la teoría del “Big bang”. Según Guth, después de la gran explosión, el Universo entró en una fase de expansión ultrarrápida, llamada inflación. Al concluir esta fase, que duró sólo una fracción de segundo, el Universo medía únicamente 10 cm de diámetro. A partir de ese momento, la expansión continuó a una velocidad igual la velocidad de la luz.

Esta expansión tan enormemente rápida «infló» una minúscula parte del Universo recién nacido, que se convertiría en todo lo que ahora vemos. La teoría de la inflación supone que pudieron crearse no uno, sino incontables universos, que ahora se encuentran separados en regiones entre las que no puede haber comunicación.

Alan Harvey Guth

Alan Harvey Guth elaboró la primera formulación de la teoría del Universo inflacionario en la década de 1970.

Agujeros negros

Las estrellas con mucha masa mueren estallando en forma de supernovas, y a veces quedan como restos unos núcleos increíblemente densos, llamados estrellas de neutrones y formados por un material tan compacto que un centímetro cúbico puede pesar cien millones de toneladas. Se llaman estrellas de neutrones porque sus átomos están aplastados y reducidos a neutrones.

Las estrellas más grandes tienen un final aún más extremado. Si la masa del núcleo de una estrella apagada es más del triple que la del Sol, su colapso produce un cuerpo llamado «agujero negro», expresión acuñada en 1967 por el físico norteamericano John Wheeler (1911-2008) para describir objetos tan densos que nada puede escapar de ellos, ni siquiera la luz. Si la Tierra se comprimiera hasta convertirse en un agujero negro, tendría aproximadamente el tamaño de una pelota de ping-pong.

El físico inglés Stephen Hawking (1942-2018) ha sugerido que durante el Big bang pudieron formarse muchos agujeros negros de pequeño tamaño. No resulta fácil detectar un agujero negro, ya que no se lo puede ver, pero se puede inferir su presencia por el comportamiento de otros objetos cercanos, sometidos a su atracción gravitatoria. El gas de las estrellas vecinas es atraído, y forma un disco que gira en torno al agujero negro. Este gas se calienta a medida que va cayendo al disco, desprendiendo una luz brillante y rayos X. Siguiendo la pista de estos rayos X, los astrónomos intentan localizar los agujeros negros.

Primera imagen real en la historia de un agujero negro supermasivo ubicado en el centro de la galaxia M87

Primera imagen real en la historia de un agujero negro supermasivo ubicado en el centro de la galaxia M87, presentado el 10 de abril de 2019 por el consorcio internacional Telescopio del horizonte de sucesos.

Universo abierto o cerrado

¿Continuará eternamente la expansión del Universo? Eso depende de la cantidad de materia que contenga. Si la densidad media de la materia del Universo es baja, la gravedad asociada con ella será pequeña, y nada impedirá que el Universo continúe dispersándose. En un futuro infinitamente lejano, las galaxias aún seguirán separándose. Este modelo es el llamado «Universo abierto»: terminará con el «gran frío» (big chill), cuando todo esté infinitamente separado e infinitamente frío. Pero si la densidad de la materia supera un nivel crítico, llegará un momento en el que la expansión se detenga y la tendencia se invierta: el Universo empezará a contraerse de nuevo, y todo terminará en el «gran apretón» (big crunch), cuando todas las galaxias se junten. A este modelo se le llama «Universo cerrado».

Entre estas dos condiciones existe otra posibilidad: que exista materia en las cantidades justas para permitir que las galaxias sigan separándose, pero muy poco. Por varias razones, entre ellas que no es preciso introducir cambios arbitrarios en las ecuaciones de Einstein, éste es el modelo más aceptado por los cosmólogos. Pero la densidad de materia necesaria para que se dé esta condición -unos tres átomos de hidrógeno por metro cúbico de espacio­ es muy superior a la densidad que se observa en la realidad.

Por esta razón, entre otras, los astrónomos creen probable que exista mucha materia invisible en el Universo, unas diez veces más que la materia visible en estrellas y galaxias. Esta «masa oculta» podría encontrarse en forma de estrellas muertas, demasiado oscuras para versen, o de partículas exóticas que no se pueden detectar. Hasta que se sepa, si existe o no, no se podrá decir si el Universo es abierto o cerrado, ni si acabará en un «gran frío» o en un «gran apretón».

Las galaxias que se conocen se han separado constantemente

Desde el Big bang, todas las galaxias que se conocen se han separado constantemente.

Evolución estelar

El combustible que se quema en el Sol y demás estrellas es el hidrógeno. El proceso es la fusión nuclear, la combinación de átomos de hidrógeno para formar helio. El físico británico Arthur Eddington (1882-1944) fue el primero en sugerir esta hipótesis, en 1930. Los detalles los desentrañó el físico norteamericano Hans Bethe (1906-2005) en 1939.

Cada segundo, el Sol convierte 4,2 millones de toneladas de materia en energía. Con el tiempo, acabará agotándosele el combustible y morirá, pero esto no ocurrirá hasta dentro de cinco mil millones de años, por lo menos. Cuando ocurra, el núcleo del Sol se contraerá, generando calor con su colapso gravitatorio, con lo que su temperatura ascenderá a 100 millones de grados centígrados, suficiente para hacer que los átomos de helio se fusionen, lo que generará más calor aún, haciendo que el Sol se expanda hasta formar una “gigante roja”, cien veces más grande que lo que es ahora. Por último, las capas exteriores se desprenderán, formando una nebulosa planetaria (una masa fragmentada de gas y polvo), mientras el centro se contraerá hasta formar una «enana blanca». Este ciclo vital dura unos diez mil millones de años, y es el que siguen todas las estrellas cuya masa está comprendida entre 0,06 y 1,4 veces la masa del Sol.

Las estrellas más pequeñas nunca llegan a calentarse lo suficiente para iniciar reacciones nucleares, y su evolución las lleva a convertirse en «enanas pardas». Las más grandes siguen un ciclo más corto y más violento: si su masa está entre 1,4 y 4,2 masas solares, arderán normalmente durante unos pocos millones de años antes de convertirse en gigantes rojas; entonces se calentarán tanto que los átomos de helio se fusionarán, produciendo una gama de elementos mucho más pesados. Estas estrellas son las fraguas donde se forman los elementos pesados, como el hierro. Por último, estallarán en forma de supernovas, lanzando sus fragmentos al espacio.

Grupo de estrellas con supergigante roja

Un grupo de estrellas en diversas fases de evolución ilumina un sector del espacio. La de la esquina superior izquierda es una supergigante roja.

Deriva continental

La idea de que los continentes se desplazan sobre la superficie de la Tierra la pensó el meteorólogo alemán Alfred Wegener (1880-1930) en 1912. Se fijó en que los bordes de los continentes encajaban como piezas de un rompecabezas y sugirió que en el pasado habían formado un gran continente, al que llamó Pangea. Su argumento estaba reforzado por las similitudes geológicas -fósiles y sedimentos glaciares­ que se apreciaban en continentes separados por miles de kilómetros. Pero la teoría consiguió poca aceptación en su época.

Esta actitud cambió radicalmente en los años sesenta. Los mapas del fondo oceánico, que se venían trazando desde los años cincuenta, habían demostrado que las formaciones rocosas se van extendiendo hacia fuera desde la cresta de largas cadenas montañosas que recorren el centro de los océanos Pacífico y Atlántico. A cada lado de esta cresta, la orientación magnética de la roca era igual a la de la roca situada en la posición equivalente al otro lado. Se llegó a la conclusión de que la roca se formaba a lo largo de las crestas oceánicas, a partir de roca líquida que surgía de abajo y que, al solidificarse, iba separando lentamente los continentes.

Pero si constantemente se está formando roca nueva, también debería estar desapareciendo constantemente. Según la teoría de tectónica de placas, esto ocurre en las zonas de subducción, donde la corteza es empujada hacia las profundidades de la Tierra. Casi todas estas zonas, aunque no todas, se encuentran a lo largo del borde del Pacífico. El proceso es lento -Europa se separa de América del Norte más o menos a la velocidad con que crecen las uñas-, pero en millones de años los continentes se deben haber desplazado miles de kilómetros. Además, esto significa que la corteza submarina se recicla cada 200 millones de años.

La falla de San Andrés

La falla de San Andrés, en California, se formó al encontrarse dos placas tectónicas.

Esta teoría ha demostrado ser una de las más revolucionarias de este siglo. Explica por qué se concentran tantos terremotos y volcanes en el llamado Cinturón de Fuego que rodea el Pacífico: porque se trata de zonas de subducción, donde una placa se desliza debajo de otra. Otras zonas con gran actividad sísmica, como las proximidades de la falla de San Andrés, en California, corresponden a lugares donde dos placas se rozan al deslizarse una junto a la otra. Cuando dos placas chocan de frente, como ocurre en el Himalaya, se levantan grandes cadenas montañosas. Se cree que, en la actualidad, la corteza terrestre está formada por unas 15 placas de diversos tamaños, que «flotan» en un lecho de roca semilíquida.

Inteligencia extraterrestre

Desde que se sabe que estamos rodeados por un número incalculable de estrellas, nos preguntamos si existe vida en otras partes del Universo. Sólo en la Vía Láctea hay 100.000 millones de estrellas, y la Vía Láctea no es más que una entre cientos de millones de galaxias. Los partidarios de la búsqueda de inteligencias extraterrestres opinan que es absolutamente impensable que, entre tantas estrellas, el Sol sea la única con un sistema que incluya un planeta habitable.

Pero hasta ahora no se ha encontrado ningún indicio. La única técnica viable consiste en mantener radiotelescopios a la escucha con la esperanza de captar alguna señal enviada por una especie inteligente de otro planeta. Los intentos comenzaron en 1960 y desde entonces se han llevado a cabo docenas de búsquedas, sin ningún resultado.

Escena de “E.T., el extraterrestre”

Escena de “E.T., el extraterrestre”, película estadounidense de ciencia ficción de 1982. La posibilidad de que existan otras formas de vida en el Universo ha disparado la imaginación de toda clase de artistas, desde novelistas serios hasta dibujantes cómicos y cineastas.

Referencia:
STEWART, R. (2002). Ideas que transformaron el mundo. Círculo de Lectores.