El universo

En el transcurso de la historia, todas las culturas se sorprendieron ante la apariencia del cielo, y el hombre ha quedado fascinado por las estrellas que lo poblaban. Irremisiblemente aparecieron cuestiones metafísicas, a las que continuaron respuestas místicas y supersticiosas. Los intentos iniciales de una explicación lógica desde un punto de vista científico tampoco tardaron en surgir.

Aristarco de Samos sugirió que la Tierra era redonda y que giraba alrededor del Sol. No obstante, la teoría de Aristóteles (apoyada también por Tolomeo), que declaraba que la Tierra era el centro del universo y que los objetos celestes giraban a su alrededor, fue la que se mantuvo como cierta durante dieciocho siglos.

universo cosmos

Alejandría, situada al norte de Egipto, se convirtió en una esplendorosa ciudad cuyo puerto lo comunicaba de manera excelente con toda Europa. Fue establecida por Alejandro Magno en el año 33 a. C., con la intención de transformarla en el centro mundial del conocimiento y la cultura. El cosmos (el orden del universo) era una de las materias de estudio de los sabios de Alejandría, entre los que se hallaban Aristarco de Samos y Eratóstenes, quien calculó con gran precisión el radio y circunferencia de la Tierra.

En el ámbito de las Matemáticas y la Física destacaron con luz propia Euclides, padre de la Geometría, y Arquímedes de Siracusa, el gran genio de las máquinas. Otros eminentes astrónomos de Alejandría fueron Hiparco de Nicea y Claudio Tolomeo. Este último era un astrónomo y matemático griego que describió en su obra mas relevante, «Almagesto«, un universo en el que la Tierra permanecía estática en el centro; el Sol, la Luna y los planetas giraban a su alrededor describiendo pequeñas órbitas circulares, y las estrellas estaban en el fondo inmóviles. El sistema tolemaico (teoría geocéntrica) no fue totalmente rebatido hasta el siglo XVI.

En 1543, Nicolás Copérnico sugirió en su publicación «De Revolutionibus Orbium Coelestium«, un nuevo arquetipo de universo, emplazando al Sol en el centro, y la Tierra, la Luna y los otros planetas a su alrededor girando y efectuando su recorrido en órbitas circulares. El padre de la Astronomía moderna recabó los planteamientos de Aristarco de Samos para exponer su teoría heliocéntrica. Terminó sus trabajos en 1532, pero no se arriesgó a difundirlos por miedo a la reacción de la Iglesia, y fue su discípulo Georg Joachim Rheticus quien los divulgó tras su fallecimiento.

heliocentrismo copernico universo sol centro

Johannes Kepler mejoró el sistema copernicano al detallar de manera correcta el movimiento de los planetas mediante órbitas elípticas, tal y como enunció en su obra de 1609, «Astronomia Nova«, en la que describía sus famosas tres leyes. Kepler enunció las tres leyes que definen el movimiento de los planetas. Primera: los planetas describen órbitas elípticas alrededor del Sol, con éste en uno de sus focos. Segunda: en su órbita alrededor del Sol, un planeta barre áreas iguales en tiempos iguales. Tercera: los cuadrados de los periodos (tiempos que tardan en girar alrededor del Sol) son proporcionales a los cubos de los semiejes de sus órbitas.

Contemporáneo de Kepler, Galileo fomentó la utilización del telescopio, con el que descubrió las manchas solares, las cuatro lunas mayores de Júpiter y las fases de Venus. Este trayecto hacia una concepción lógica del universo se consumó con Isaac Newton, cuya teoría de la gravitación universal demostró matemáticamente el modelo de Kepler.

El tamaño y la edad del universo sobrepasan la percepción humana. Sabemos que nuestro planeta Tierra y todo el Sistema Solar no son más que una mota de polvo en una galaxia, a la que denominamos Vía Láctea, que a su vez habita un lugar ínfimo en la infinidad del cosmos. En 1977, la NASA mandó al espacio las sondas interestelares Voyager 1 y Voyager 2, que se acercaron a los planetas exteriores del Sistema Solar y nos enviaron una valiosa información acerca de ellos.

sonda interestelar voyager 1 2

En 1989 llegaron a Neptuno y nos enviaron las primeras fotografías del planeta, descubriendo seis nuevos satélites y su tenue sistema de anillos. Actualmente se alejan recorriendo en un año una distancia tres veces más grande que la que separa la Tierra del Sol, siendo el Voyager I el objeto creado por el hombre más alejado de nosotros. Continuarán operando y mandando valiosa información al menos hasta 2020, que será cuando sus fuentes de energía nuclear no podrán aportar la energía necesaria para mantener en marcha los equipos de comunicaciones.

El estadounidense Edwin Powell Hubble fue uno de los astrónomos más destacados del siglo XX, ya que reveló la existencia de galaxias fuera de la Vía Láctea. En 1929 dedujo que las galaxias se alejan de nosotros a una velocidad directamente proporcional a su distancia: es decir, cuanto más lejos está de una galaxia, mayor es su velocidad. Es lo que se denomina como ley de Hubble (o del desplazamiento al rojo).

edwin hubble galaxias
Edwin Hubble 1889-1953

Esta ley nos dice que las galaxias más distantes se alejan a la velocidad de la luz y, por tanto, su luz no alcanzará nunca a la Vía Láctea. Esta teoría sólo se interpreta suponiendo que el universo se expande. Para un espectador que está en la Vía Láctea, las galaxias se alejan en todas las direcciones, por lo que podría llegar a pensar que nuestra galaxia es el centro del universo. Pero no es así, ya que debemos imaginar el espacio como un globo lleno de puntos que al inflarse (expandirse) se separan entre sí. La distancia conocida como radio de Hubble es de 13.000 millones de años luz. Podemos imaginar el espacio observable como una esfera de 26.000 millones de años luz de diámetro.

Para constatar el movimiento de las galaxias, Edwin Hubble se basó en el estudio de sus espectros. El espectroscopio fue inventado en 1819 por Joseph von Fraunhofer. En 1859, el físico prusiano Gustav Robert Kirchhoff y el químico alemán Robert Wilhelm Bunsen crearon un espectroscopio que permitió el descubrimiento del cesio y el rubidio. Estos científicos trabajaron conjuntamente y descubrieron que al calentar un cuerpo, se genera una radiación que puede ser registrada en una placa fotográfica: es su espectro de emisión. A través de este último es posible averiguar la composición de cualquier cuerpo, ya que cada elemento químico posee su propio espectro de emisión particular.

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Al hacer pasar el espectro de emisión de un cuerpo caliente a través de un gas más frío, en el primero se manifiestan unas líneas oscuras que se corresponden con la radiación absorbida por los gases: esto es lo que se denomina espectro de absorción. A partir de la espectrografía estelar se puede precisar la temperatura de las estrellas.

Si el universo se expande, es lógico suponer que, retrocediendo en el tiempo, las galaxias estaban cada vez más cerca unas de otras. De este modo, en un tiempo «cero» toda la materia debía de estar concentrada en un punto, en una especie de superátomo rodeado de la nada. En 1948, George Gamow formuló la teoría del Big Bang (la Gran Explosión), que explica cómo el universo surgió tras la violenta explosión de este superátomo.

Big Bang universo

Al principio, el universo era una gigantesca bola de fuego de gas denso y caliente que se enfriaba conforme se expandía. Durante un largo proceso de miles de millones de años, el gas se fue condensando en grandes grupos, llamados protogalaxias, que con el tiempo dieron lugar a las galaxias y a las estrellas.

Él había supuesto que, en los primeros instantes que siguieron al Big Bang, el universo era demasiado denso para que la radiación electromagnética se pudiera separar de la materia. Asimismo, pensaba que la primera radiación que se liberó había permanecido como un eco en el universo y que podía ser detectada.

En 1964, los astrofísicos estadounidenses Arno Penzias y Robert Woodrow Wilson descubrieron una radiación débil cuyo espectro correspondía al de un cuerpo oscuro. Esta radiación era de baja temperatura y emanaba de todas las direcciones del espacio, incluso de aquellas en las que no había ningún objeto. Los científicos identificaron este fenómeno como la radiación de fondo cósmica predicha por Gamow: una especie de eco del Big Bang que confirmaba la teoría de que el universo tuvo un principio.

Para algunos científicos el universo continuará en expansión y se irá enfriando hasta que las estrellas mueran. En cambio, otros sostienen que se producirá un movimiento contrario al de su creación, es decir, una contracción y volverá al punto único que le dio origen: Big Crunch (gran contracción).

wmap radiacion de fondo big bang

En 1989, la NASA envió al espacio el COBE (Cosmic Background Explorer) para medir la radiación de fondo originada tras la gran explosión que dio lugar al universo. Gracias a este satélite, en la primavera de 1992 se detectaron pequeñas variaciones en la radiación de fondo que permitieron explicar la formación de galaxias. Posteriormente, en junio de 2011, se lanzó el satélite MAP (Microwave Anisotropy Probe), cuyos datos sirvieron a los técnicos de la NASA para afirmar que el universo tiene una edad de 13.700 millones de años. Otros cálculos hablan de unos 15.000 años.

Además de materia nuclear y radiación, recientes estudios llegaron a la conclusión de que el universo está compuesto en un 96% por materia y energía oscura, dos misterios no desentrañados. La materia oscura se encuentra distribuida por todo el universo y es un material no luminoso, por lo que no puede detectarse. Se trata de un concepto teórico surgido de la necesidad de explicar la estructura del universo.

La presencia de materia oscura explicaría la velocidad de rotación de las galaxias y la distribución de los cúmulos galácticos. Por su parte, la energía oscura es una misteriosa y teórica fuerza de repulsión que estaría acelerando la expansión del cosmos. A principios del siglo XX, Albert Einstein ya apuntó este concepto de energía oscura, que provocaría el alejamiento entre galaxias. No obstante, el científico acabó descartando la idea.

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Albert Einstein (1879-1955)

Al observar la superficie de la Tierra desde cualquier punto de su superficie se tiene la sensación de que es plana e ilimitada. Esto es debido a que la vemos a pequeña escala, pero sabemos a ciencia que tiene forma esférica y que además, su superficie es finita. La superficie esférica es la única finita: cuando trazamos una recta sobre una esfera, describe el círculo máximo, es decir, el punto de partida coincide con el punto final, por lo que la superficie de la esfera es finita, pero ilimitada.

Del mismo modo, el universo que observamos desde la superficie terrestre puede parecernos plano, pues lo vemos a pequeña escala. Pero si el universo no fuera plano: ¿cuál sería la trayectoria de un rayo de luz que se desplazara por su superficie? Einstein, el científico más revolucionario del siglo XX, resolvió esta incógnita con la teoría de la relatividad.

La teoría de la relatividad de Albert Einstein se basó en un universo de forma esférica o universo cerrado de Riemann. El científico predijo que la luz perdería energía al desplazarse cerca de un campo gravitatorio, y que un rayo de luz se curvaría al pasar junto a un cuerpo de gran masa como es el Sol. Estas apreciaciones de Einstein fueron comprobadas por la comunidad científica durante un eclipse solar que tuvo lugar en 1919. Su objetivo, a pesar del uso del término «relatividad», fue excluir de las leyes de la Física todo lo que fuera puramente relativo y lograr una sistematización de las leyes físicas, absolutamente independiente de las condiciones del observador.

universo riemann

En 1929, Edwin Hubble demostró que el universo se expande. A raíz de ello, se comprobó que las ecuaciones matemáticas de la teoría de la relatividad de Albert Einstein eran compatibles, no sólo con un universo curvo y finito, tal como él había imaginado, sino también con un universo curvo de extensión infinita e, incluso, plano e igualmente infinito.

Observaciones de la radiación cósmica de fondo hechas recientemente por científicos franceses mediante un globo estratosférico, llevaron a afirmar que el universo es plano. De todos modos, conviene decir que en Física y Matemáticas el concepto de plano no significa lo mismo que en la vida cotidiana, sino que la geometría de Euclides es válida tanto en pequeña escala como para distancias cosmológicas; en otras palabras, por ejemplo, que dos rayos de luz paralelos lo seguirán siendo indefinidamente.

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2 comentarios en “El universo”

  1. Excelente entrada, Cuantos pensamientos e hipotesis se generaban y se generan todavía ¿Verdad? Lo cierto es que no sabemos el tiempo que vamos a estar o lo que va a pasar fuera de nuestro planeta. ¿Y si realmente no sabemos exactamente lo que hay a nuestro alrededor? Yo no me fio de nadie, posiblemente los astronomos y personas que estudian comportomanientos que ocurren fuera de nuestra órbita terrestre nos estén engañando. XD

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  2. Cuantas leyes y teorias tan interesantes.
    No creo que nos estén engañando como comenta TCDM, más bien es que el universo resulta un campo muy dificil de estudiar.

    Felicidades por la entrada.

    Responder

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