6/7/09

Guía Básica de Astronomía: 4- ) El Universo se expande

En este capítulo desarrollaremos las características de nuestro universo.
Su origen, diferentes modelos, distintos finales y los caminos hasta estas conclusiones...

a. Efecto Doppler

Cuando miramos el cielo nocturno podemos millares de estrellas, de ellas la única información que nos llega es su luz. Recordemos que cada estrella es como nuestro Sol, emiten luz y calor.
Newton descubrió que al hacer pasar la luz por un prisma la misma se descompone en lo que se conoce como espectro; el espectro de luz de una estrella nos brinda muchísima información de ella, como ser entre otras cosas, su temperatura o su composición química.




Niels Bohr, en 1913, estableció que los átomos tienen niveles de energía discreta y producen un tipo de luz de longitud de onda específica. El número y el tipo de átomos de un elemento corresponden a un «color», es decir, a una determinada banda del espectro.



Los astrónomos comenzaron a investigar esta técnica y a aplicarla en las distintas estrellas de nuestra galaxia y de otras. Notaron que los espectros de luz de las estrellas de otras galaxias eran similares a la nuestra con la salvedad que los mismos estaban desplazados hacia el extremo del espectro correspondiente al color rojo.

La luz visible consiste en fluctuaciones u ondas del campo electromagnético. Las diferentes frecuencias de estas ondas son por medio de las cuales el ojo humano ve los diferentes colores, correspondiendo las más altas al color azul del espectro y las mas bajas al rojo.
Volvamos a las estrellas y supongamos que una de ellas emite ondas de luz constante y que la misma comienza a acercarse hacia nosotros, cada vez que esta esté mas cerca de nosotros el tiempo entre cresta y cresta de las ondas será menor ya que se habrá acercado con lo cual recibiremos mas ondas por segundo que antes, cuando la estrella estaba mas lejos, o sea, aumenta su frecuencia. En contrapartida si esta estrella en lugar de acercarse se alejara captaríamos esa luz con menor frecuencia de ondas.
Por lo tanto las estrellas que se están alejando de nosotros tendrán su espectro corrido hacia el extremo rojo y las que se acerquen hacia el azul.

Esta relación entre frecuencia y velocidad es lo que se conoce como Efecto Doppler.


b. Hubble y la expansión

En 1929, Hubble publicó un análisis sobre la velocidad de las nebulosas; se trataba de sus velocidades respecto a la tierra. Lo que estableció fue que la gran mayoría mostraba corrimientos hacia el rojo que solo podían explicarse asumiendo que se alejaban.
Más sorprendente fue su descubrimiento de que existía una relación directa entre la distancia de una nebulosa y su velocidad de retroceso.
Hubble concluyó que la única explicación consistente con los corrimientos hacia el rojo registrados, era que, todas las nebulosas extragalácticas se estaban alejando y que, cuanto más lejos se encontraban, más rápidamente se alejaban.

Estas afirmaciones revocaban la idea de un universo estático como se creía fuertemente en esa época, dando lugar al concepto de que el propio universo, incluido el espacio entre galaxias, se estaba expandiendo.

La idea de un universo estacionario era tan fuerte que Albert Einstein, a pesar de que sus ecuaciones originales no permitían un universo estático, incluyo lo que se conoce como <> para que así lo hicieran!!!
Al contrario que el resto de la relatividad general, esta nueva constante no se justificaba para nada, y fue introducida exclusivamente con el fin de obtener el resultado que en la época se pensaba era el apropiado. Cuando se presentó la evidencia de la expansión de universo, Einstein llegó a declarar que la introducción de dicha constante fue el «peor error de su carrera».

c. Modelos del Universo

Varios años antes del descubrimiento de Hubble, el físico y matemático ruso Alexander Friedmann habían ya hablado de que el universo no era estático. El planteo dos suposiciones muy simples; que el universo parece el mismo desde cualquier dirección que se lo mire y que ello también sería cierto si se lo observara desde cualquier otro lugar.
En 1965 dos físicos norteamericanos Arno Penzias y Robert Wilson pusieron en evidencia que la primera de las suposiciones de Firedmann era correcta, de forma casual probando un detector de microondas extremadamente sensible captaron mas ruido del que esperaban. El ruido no parecía provenir de ninguna dirección en particular y no cambiaba en ningún momento del año, con lo cual debería provenir más allá de nuestro sistema solar. Al mismo tiempo que este descubrimiento Bob Dicke y Jim Peebles estudiaban una sugerencia propuesta por George Gamow, de que el universo en sus primeros instantes debería haber sido muy caliente y denso y que hoy en día deberíamos poder captar los remanentes esa radiación.
Penzias y Wilson se dieron cuenta de que ellos ya habían captado esa radiación remanente de los orígenes del universo.

Con respecto a la segunda suposición de Friedmann, no existe evidencia a favor o en contra de ella; pero si el universo es idéntico mire donde se lo mire porque no debería ser así para otros puntos de el.

De estas dos asunciones de Friedmann (llamadas el principio cosmológico) y de las ecuaciones de Einstein, desarrolló el primer modelo de un Universo en movimiento.
El Universo de Friedmann comienza con una gran explosión y se continúa ampliando en la etapa actual. Pero después de un período de tiempo suficientemente largo, la atracción gravitacional mutua de toda la materia retardará la extensión hasta detenerse. El Universo entonces, comienza a caer adentro de sí mismo, jugando de nuevo la extensión, pero al revés. Toda la materia se derrumba eventualmente dentro de una singularidad, en la que los físicos llaman el Big Crash (Gran Contracción); a este modelo se lo conoce como modelo del Universo Cerrado.
Aunque Friedmann encontró solamente una solución, dos soluciones similares existen. El Universo Abierto, en el cual no hay bastante materia para detener la expansión. Las galaxias continúan apartándose una de otra, aunque más lentamente con el tiempo. Todas las estrellas eventualmente se apagarán, y el Universo se convertirá en frío y oscuridad.
El intermedio entre el Universo abierto y cerrado es el Universo Plano. En este caso, el Universo se amplía por siempre, pero a una velocidad justa para evitar colapsarse; esta velocidad se hace cada vez más pequeña, aunque nunca llega a ser nula.



Cual de estos es el nuestro?, las evidencias sugieren el modelo abierto, aunque no lo confirman con exactitud...


d. Singularidad

Todos los modelos de universo de Friedmann, se basan en la teoría de la relatividad de Einstein, por lo cual, cada uno de ellos, comparten que en su inicio el universo fué infinitamente denso. Cada uno de ellos comenzó con un Big Bang; en ese punto llamado singularidad, la teoría de la relatividad colapsa. Cualquier acontecimiento anterior a este no tendría relevancia ya que se puede decir que el "tiempo" comenzó en el Big Bang.
Hubo varios intentos para revocar esta teoría, como por ejemplo la teoría del estado estacionario, pero con el tiempo fueron descartadas por las propias observaciones.

En 1965, el físico y matemático Roger Penrose, demostró matemáticamente que una estrella que colapsa bajo su propia gravedad queda atrapada en una región cuya superficie se reduce con el tiempo a tamaño cero. Con lo cual su volumen también, y por lo tanto toda su materia queda comprimida en una región de volumen nulo, de tal forma que la densidad de la materia y la curvatura del espacio-tiempo se harán infinitas.
Esto no es ni más ni menos que un agujero negro, una singularidad.

Basándose en esta teoría Stephen Howking y Roger Penrose, en 1970, publicaron un artículo conjunto en el cual si se invirtiera la dirección del tiempo, el teorema de Penrose se seguiría verificando; con lo cual demostró que cualquier universo, del tipo Friedmann en expansión, debe haber comenzado también en una singularidad.

A pesar de lo descrito esta no es la última palabra..., los efectos cuánticos no son tenidos en cuenta, y ellos pueden modificar sustancialmente esta teoría de que todo universo en expansión haya tenido un comienzo en el Big Bang.


Fuente consultada: Historia del tiempo ilustrada de Stephen Hawking, Wikipedia.

Mail: grupo_gabie@yahoo.com.ar
Web: www.grupogabie.blogspot.com


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