La Estructura del Universo

       Una de las preguntas fundamentales de la historia ha sido siempre la de cual es el lugar que ocupamos en el Universo. La idea de conocer donde estamos ha sido un punto de interés para prácticamente la todas las religiones. La mayoría, sitúan a la Tierra como el centro del Universo, si no todo él (y hoy en día algunas personas del mundo Occidental aun lo creen), otorgando a nuestro hogar el titulo de "Lugar más importante de la Creación". Como veremos, nada más lejos de la realidad. 

Aun así, hay que otorgarle cierto sentido a este pensamiento. La Tierra en promedio, nos parece un buen lugar para vivir. Nuestra existencia es prueba de ello. El Sol aparece y se oculta y nosotros no notamos que nos movamos. Los otros planetas parecen lugares áridos y desiertos congelados como Marte, o auténticos infiernos como Venus. Es "comprensible" pensar que es un lugar especial. Sin embargo no se debe confundir el que la Tierra viva en un delicado equilibrio difícil de conseguir, con el que realmente ocupemos un lugar especial en el Cosmos. 

Si lo que queremos saber es si nuestra posición es especial frente al resto, debemos saber donde estamos, y mas importante, como es el Universo a nuestro alrededor, como un todo, es decir, el Universo a Gran Escala.

Bien, la Tierra.  Algunos aun no se creen es que es esférica, pero aunque te parezca raro mientras cortas tu césped plano, ¡lo es! (Mis condolencias para la Flat Earth Society) Hasta aquí espero que nadie se haya perdido. Vamos un poco mas lejos.

El Sistema Solar. Aquí ya nos damos cuenta de algo importante. Y es que la Tierra no es ni mucho menos el elemento mas importante. Los planetas (en primera aproximación) trazan órbitas alrededor del Sol, que es el cuerpo que tiene; con diferencia, más masa de todos. (Nota: realmente, todos los cuerpos son importantes a la hora de trazar las órbitas, ya que la fuerza de la gravedad influye desde y hasta todos los cuerpos, pero acabaría hablando de sistemas de N-cuerpos, caos y no es plan).

La religión (especialmente la Iglesia Cristiana y su oscurantismo) promovió la construcción de complicadísimos modelos geocéntricos, en los que los planetas trazaban órbitas circulares alrededor de la Tierra, para tratar de explicar las observaciones sin asumir que, ni la Tierra es el centro de nada, ni los cuerpos se mueven en perfectos círculos.

Punto importante: El Sol es una estrella más. Ni siquiera nuestra estrella parece ser especial. Es una estrella amarilla del tipo G2 (no muy caliente, tampoco masiva) que nació hace unos 4500 millones de años, a partir de los restos de anteriores generaciones de estrellas y que le quedan otros 5000 millones de vida. 

Esto es mas interesante. Las estrellas mas cercanas que nos rodean no siguen ninguna estructura en especial, pero sabemos que todas ellas se encuentran junto con nosotros dentro de una gran galaxia de tipo espiral, la Vía Láctea. No nos encontramos en el centro de la Vía Láctea, pero lo que si supuso una gran controversia era la pregunta de si nuestra galaxia (la Galaxia) era la única en el Universo.

Harlow Shapley, que opinaba que nuestra Galaxia era prácticamente la totalidad del Universo y Herber Curtis que apostaba por la idea de que el Universo estaba lleno de Galaxias se enfrentaron un un debate en 1920. El problema principal era saber, que eran los objetos difusos que se detectaban mas allá de las estrellas que formaban la Vía Láctea. 

Pronto acabamos midiendo las distancias a las mismas, y se vio que las "Nebulosas espirales" debían estar muy lejos, más aun que el tamaño aproximado de nuestra galaxia, y por lo tanto, debían ser otros Universos-Isla (otras galaxias). La galaxia mas cercana a nosotros, Andrómeda, y un montón de pequeñas galaxias forman lo que hoy llamamos el Grupo Local. 

Las galaxias, forman grupos y los grupos, estructuras más grandes llamadas cúmulos (y a veces las agrupaciones de estos acaban siendo denominadas supercúmulos). Los cúmulos contienen miles de galaxias, dentro de los cuales algunas se condensan en los grupos que hemos comentado antes. El nuestros es el Cúmulo de Virgo ¿Estos cúmulos se agrupan en otra estructura más grande? ¿Podemos seguir denominando cúmulos en supercúmulos, dentro de hipercúmulos y así hasta el infinito?

  Pues no. Como podemos ver, los supercúmulos acaban formando una estructura distinta. No es una agrupación puntual propiamente dicha, si no como una intrincada estructura de filamentos y vacíos (voids en ingles). Si imaginamos el Universo a esta escala como una esponja, las galaxias se aguparian con mas densidad en las paredes de cada una de las "pompitas" que forman una esponja por dentro, dejando zonas menos densas (con menos galaxias) entre ellas. Pero... cuando miramos una esponja desde lejos, parece un objeto uniforme, ¿sucede lo mismo con el Universo a Gran Escala? 

Bingo. El Universo a Gran Escala (con tamaños de más de aproximadamente 200 Mpc o unos 6.16·10^22 (un 6 seguido de 24 ceros) metros) es uniforme. Es estadísticamente igual en todas partes y en todas direcciones (homogéneo e isótropo). No contiene las mismas galaxias un pedazo que otro, pero somos incapaces de decidir un punto singular en él. Esto quiere decir, que no encontramos "objetos" y estructuras que midan más de 200 Mpc. Y sin embargo el Universo debe ser mucho mas grande. Este hecho, se llama el Principio Cosmológico y establece que mientras que la Tierra no es un lugar preferente en el Universo, ningún otro lugar lo es, es decir, el Universo como un todo, debe tener las mismas propiedades sin depender de en que posición nos encontremos dentro de él. 

Esto, es un resultado muy importante. Hemos encontrado entonces, que el Universo como un todo (como si lo miráramos desde lejos) no contiene ninguna parte especial, no es mas denso en alguna parte, o tiene las galaxias dispuestas de alguna forma (colocadas como una flecha apuntando a la Tierra, como les gustaría a algunos). No somos un planeta especial, pues aunque en nuestro sistema solar somos (hasta el momento) el único lugar con vida, hay mas de 100.000 millones de estrellas solo en nuestra Vía Láctea, y algunas estimaciones aseguran que hay unas 170.000 millones de galaxias en el Universo visible. Sería muy absurdo pensar que estamos solos con tantas probabilidades. 

Somos una mota insignificante en una posición irrelevante en el Cosmos. Pero una mota autoconsciente de si misma y que quiere saber más.

"Hemos averiguado que vivimos en un insignificante planeta de una triste estrella perdida en una galaxia metida en una esquina olvidada de un universo en el que hay muchísimas mas galaxias que personas". 

Carl Sagan - Cosmos

¿Que son las estrellas?

         En promedio, el Universo es un lugar tremendamente frío, vacío y oscuro. Es tan vacío hoy en dia, que si la materia estuviera repartida de forma uniforme, tendríamos un solo átomo de hidrógeno por cada 10 metros cúbicos. Decimos hoy en día porque como el Universo se encuentra en expansión, antes debía ser mas pequeño, y por lo tanto más denso.

Pero sabemos que el Universo no es una sopa difusa de átomos de hidrógeno. Como en el colacao, existen "grumitos". Por ejemplo, nosotros mismos lo somos (somos una sobredensidad en el Universo) de la misma forma que la Tierra también es una sobredensidad en la cantidad de materia promedio que hay. Las galaxias y los cúmulos de galaxias también son sobredensidades. El Universo contiene mucho espacio vacío entre las galaxias. Ya trataremos un poco la estructura a gran escala del Universo.

El primer escalón para entender esto, es pararse al elemento mas obvio que tenemos cerca, el Sol.
El Sol es una estrella (no demasiado grande y no demasiado caliente para lo que hay por ahí) que mantiene la Tierra a una temperatura relativamente elevada por encima de la del frío espacio. Como ella, el resto de estrellas son puntos singulares en el Universo. Muy calientes, considerablemente densas, y muy brillantes.  ¿Pero que son las estrellas? Pumba lo explica bastante bien.



Bolas de gas quemándose a millones de kilómetros de distancia. Bueno, lo de kilómetros lo podríamos sustituir por años-luz y lo de quemarse lo vamos a matizar ahora, pero para ser un jabalí verrugoso esta muy bien.

Las estrellas son enormes nubes de gas (principalmente hidrógeno) que emiten masivas cantidades de energía al espacio. Esta energía proviene de las reacciones nucleares que tienen lugar en su interior. ¿Que reacciones nucleares? Fusión. En estas reacciones se unen átomos ligeros para formar átomos mas pesados y esto libera energía, es decir calor. (Hay asignaturas enteras sobre el tema, pero hay que resumir). La idea es que cuando hay reacciones, se van agotando en su interior los elementos ligeros que necesitamos para formar los pesados y la estrella acaba por morir.

Las estrellas mas masivas, son más calientes y queman sus elementos mas rápido y las mas ligeras, son mas frías y se consumen mas despacio. Como le dijo Tyrell a Roy en la película Blade Runner: la luz que brilla con el doble de intensidad dura la mitad de tiempo. Ademas, debido a que son más energéticas, las estrellas mas masivas y calientes emiten su máximo de luz en azul, mientras que si vamos bajando la masa, la temperatura decrece y vamos hacia colores mas rojos (un pelín anti-intuitivo desde el pensamiento que teníamos de niños, el azul es frío y el rojo caliente).

¿Que pasa con las estrellas cuando se agotan los elementos que quemar? Entonces la estrella se vuelve inestable; y dependiendo de su masa, acaba por morir siguiendo distintos procesos. Aunque esto requeriría un estudio algo mas exhaustivo, podríamos hablar de que las estrellas mas pequeñas acaban por enfriarse lentamente, y apagarse convirtiéndose en enanas blancas. Las estrellas algo mas masivas  acabarían sus días explotando en forma de supernova. Estas podrían dejar en el centro de la explosión una estrella de neutrones o un agujero negro.

La diferencia esta en lo que pesa la estrella. Dependiendo de la masa que tenga la estrella al final de sus días, las fuerzas en su interior permiten la existencia o no de tipos distintos de materia (el gas de una enana blanca, la masa superdensa que es una estrella de neutrones o algo completamente distinto, un agujero negro).

La formación, evolución, y muerte estelar son temas básicos que debemos dominar para adentrarnos más profundamente en el estudio del Universo a gran escala, ya que literalmente son los únicos cuerpos que actualmente aportan algo de luz al Cosmos.

El Universo como una maquina del tiempo

        Prácticamente todo el mundo ha oído alguna vez esa frase de "las estrellas que vemos en el cielo es posible que ya no estén allí". Realmente esta frase es muy cierta, pero pocas veces te cuentan el porqué. 

Cuando empece a pensar en hacer este blog, uno de mis primeros objetivos era explicar algunos conceptos científicos que a la gente le encanta escuchar cuando se sale con sus amigos, o esta de charla tranquilamente y salta el tema de en que trabajamos los astrofísicos. Este es uno de los mas básicos e importantes. ¿Porque hablamos de años-luz? ¿Las estrellas están realmente donde las vemos por la noche?. 

La respuesta es que no, no están ahí. Cuando miramos a las estrellas, algunas han "muerto" ya y el resto se han desplazado de su posición en el cielo. (Con muerte nos referimos a que se han "apagado" o que han explotado como supernovas, ya trataremos este tema). Esto quiere decir, que el cielo, como todas las cosas,  es una película que vemos muchos años después de cuando realmente actuaron sus protagonistas, y estos se han movido de su posición por efecto de la gravedad o incluso haber desaparecido. 

¿Porque vemos las cosas con retraso? (de incluso miles de millones de años). La luz viaja a una velocidad altísima (casi 300000 kilómetros cada segundo) pero sin embargo, las distancias en el universo son ENORMES. Para que nos hagamos una idea, la Luna esta a la vuelta de la esquina, y la luz tarda como 1 segundo en llegar de su superficie a la Tierra. (Escuchamos a Neil Armstrong decir lo de "That's one small step for a man... como un segundo más tarde). La luz que te achicharra en verano en la playa, lleva 8 minutos viajando por el espacio, desde la fotosfera del Sol hasta Benidorm. Y la sonda espacial Voyager 1 (el aparato hecho por el hombre mas lejano) tarda en mandarnos la información más 15 horas (¡Esto son mas de 16400 millones de kilómetros y aun no hemos salido del sistema solar!). 

En esta imagen podemos ver la Galaxia de Andromeda. Es la galaxia mas cercana a la Vía Láctea (nuestra propia Galaxia). 

Se encuentra a mas de 2,5 millones de años-luz. Esto quiere decir, que la vemos como y donde estaba hace 2,5 millones de años, cuando los humanos no eramos mas que Australopithecus sobre la corteza terrestre. Y así podemos seguir adelante.

Cuanto mas lejos miramos, mas atrás en el tiempo estamos observando. Y podemos mirar muuuuy atrás. 

De hecho, al mirar atrás en el tiempo, podemos observar como era el Universo hace miles de millones de años. Podemos mirar tan atrás, que el Universo se hace más pequeño, joven, algo mas violento y caliente, para acabar detectando la misma huella del Big Bang (realmente 300000 años después del Big Bang), el Fondo Cósmico de Microondas (formado por los primeros fotones que se lograron liberar tras la Gran Explosión), que es lo mas parecido al "y se hizo la luz" que tenemos en ciencia. 

En este primer articulo, solo quería explicar un poco lo ligados que están los conceptos de distancia y tiempo en astrofísica y como este "retardo" de la luz nos sirve como maquina del tiempo en el estudio del Universo, que al fin y al cabo, lo es todo. Poco a poco ire subiendo mas artículos sobre temas mas concretos, pero tampoco iba a empezar el blog hablando de la nucleosíntesis estelar o del Efecto Gunn Peterson. Ya hay bastante con un Sheldon en el mundo.