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Apuntes de Física: Los orígenes del Universo (5ª parte)

Tras la aparición de los quásars y las estrellas de población III, y debido a la reionización acontecida entre los primeros 150 y 1.000 millones de años después del Big Bang, surgieron las galaxias. Se estima que existen unas 100.000 millones de galaxias en el Universo observable y que cada una de ellas puede contener desde decenas de millones hasta billones de estrellas en su interior. Además de estos astros, las galaxias contienen nubes de gas y polvo, en algunos casos formando nebulosas, cúmulos abiertos, cúmulos globulares , estrellas binarias y sistemas estelares múltiples (las nebulosas y los cúmulos abiertos pueden ser encontrandos en el disco de la galaxia, mientras que los cúmulos globulares forman un gran halo esférico alrededor de su núcleo); además de estos elementos, las galaxias contienen materia oscura y, presumiblemente, energía oscura, dos tipos de materia y energía que definiremos en otra entrada del blog. Es posible que contengan en su interior también múltiples sistemas planetarios como nuestro Sistema Solar. Ciertos estudios sugieren que muchas galaxias poseen en su núcleo un agujero negro supermasivo, y que uno de esos casos es nuestra propia Vía Láctea.

Existen elementalmente tres tipos de galaxias: galaxias espirales (S), galaxias elípticas (E) y galaxias irregulares (Irr). Cuando una galaxia de alguno de estos tipo presenta alguna peculiaridad notable que la haga destacar dentro de estas tipologías, es catalogada también como galaxia pec. Ejemplo: NGC 5128 es S0pec (muy bella, por cierto).

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Se consideran galaxias espirales aquellas en las que, a partir de un nucleo central, se extienden varios brazos con mayor o menor envergadura; estos astros poseen bulbo, disco y halo. Dependiendo de lo desplegados que se encuentren estos brazos, la galaxia espiral puede ser catalogada entre los subgrupos a, b y c; así una galaxia espiral con los brazos recogidos se cataloga como galaxia Sa, una con los brazos algo más abiertos como la Vía Láctea o la galaxia de Andrómeda, galaxia Sb, y una con los brazos abiertos y sueltos, Sc. Existen casos en que una galaxia espiral posee una especie de “barra” o linea de materia que atraviesa su centro para unir sus brazos; a este tipo de galaxia se le conoce como galaxia espiral barrada, y está clasificada como galaxia SB (que puede ser SBa, SBb o SBc, según el caso…); un ejemplo de este tipo de galaxia es la NGC 1300 (La Vía Láctea es también una espiral barrada). Las estrellas más jóvenes, caracterizadas por su emisión en azul, así como la mayor parte del gas y el polvo se encuentran en los brazos de la galaxia espiral, mientras que sus centros se encuentran dominadas por estrellas más viejas y frías, de emisión naranja.

La mayoría de las galaxias, sin embargo, no poseen brazos espirales y su forma es elíptica. De acuerdo con el grado de excentricidad que posea una galaxia elíptica, ésta se encontrará catalogada en uno de los subgrupos que van del 0 al 7; las galaxias E0 son aquellas que poseen una forma esféricas, mientras que las E7 son las que tienen el mayor grado de excentricidad. Estas galaxias se caracterizan por ser muy viejas, carecer de gas y polvo y estar compuestas de estrellas de población II. Se cree que la mayoría de galaxias elípticas son el resultado de colisiones y fusiones entre galaxias. Pueden alcanzar tamaños enormes y es frecuente su aparición en conglomerados galácticos mayores.

Existe un tipo de galaxia de transición entre las elípticas y las espirales, denominada S0, y que se caracteriza por poseer el bulbo central de una galaxia espiral y a la vez carecer de brazos. Recibe también el nombre de galaxia lenticular. Puede observarse un caso de este tipo en la galaxia NGC 5866.

Por último, las galaxias irregulares son aquellas que, o bien pueden llegar a tener trazas de galaxia espiral con los brazos verdaderamente abiertos, o, simplemente, no tienen ninguna forma definida. Existen dos ejemplos claros de galaxias irregulares cercanas a la nuestra, la Gran Nube de Magallanes y la Pequeña Nube de Magallanes, que constituyen además dos casos de galaxia irregular con trazas espirales y galaxia completamente irregular, respectivamente.

Nota: El billón anglosajón equivale a un millardo, es decir, a mil millones.

A lo largo del espacio, las galaxias se organizan dentro de un juego jerárquico de estructuras que contienen a otras, de la misma forma en que, a su vez cada galaxia es una estructura unitaria compuesta por millones de estrellas. Un grupo de galaxias forman lo que se conoce como cúmulo o simplemente “grupo” (elementalmente, si posee más de 50 galaxias es un cúmulo, si no, se trata de un grupo; de hecho, un cúmulo se caracteriza por albergar entre 50 y 1.000 galaxias en su interior); a su vez, un conjunto de cúmulos conforman un supercúmulo. El Universo estaría compuesto por estos supercúmulos de galaxias, separados entre sí por enormes distancias, así como por energía y materia oscura. En nuestro caso, la Vía Láctea se haya ubicada en el Supercúmulo de Virgo, un compuesto de unos 100 grupos y cúmulos de galaxias dominado por el cúmulo de Virgo, que actúa como centro de gravedad, cerca de su centro físico. De acuerdo con la Wikipedia, el tamaño estimable de nuestro supercúmulo local es de 200 millones de años-luz de diámetro (y su forma, la de un disco plano), sin embargo otras fuentes determinan el tamaño de esta estrucuctura entre 75 y 100 millones de años-luz; se trata de un punto todavía por aclarar en estos apuntes. Dentro del centenar de grupos y cúmulos galácticos que componen el Supercúmulo de Virgo se encuentra nuestro Grupo Local. El Grupo Local se haya dominado por dos galaxias espirales Sb gigantes; Andrómeda y la Vía Láctea, además de poseer otras 43 más; muchas de estas galaxias giran en torno a alguna de las espirales gigantes a modo de satélite. De entre estas galaxias, también destaca por su importancia la Galaxia del Triángulo (M33), que formando su propio sistema, gira en torno a Andrómeda. El centro de masas de este grupo se encuentra en un punto intermedio entre la Vía Láctea y Andrómeda; aquellas galaxias que no actúan como satélites de las dos anteriores giran en torno a este punto; de esta forma, dentro de nuestro propio grupo, podemos distinguir tres sistemas dominados por grandes galaxias (Sistema de Andrómeda, Sistema de la Vía Láctea y Sistema del Triángulo) alrededor de los cuales giran algunas galaxias satélites. En el Sistema de Andrómeda se encuentran el grupo de galaxias denominadas también Andrómeda, y que van numeradas del I al VII, además de otras cuatro galaxias. En nuestro Sistema, orbitan un conjunto de 13 galaxias entre las que destacan las ya mencionadas Gran Nube de Magallanes y Pequeña Nube de Magallanes. En torno a la galaxia del Triángulo se encuentra la galaxia enana de Piscis. Andrómeda se encuentra a 2.000.000 de años-luz de nosotros, y la galaxia del Triángulo a 2.800.000 años-luz; se estima que el tamaño total del Grupo Local sea de unos 10.000.000 de años-luz.

Ver también: AstroNotas _ El Grupo Local
Wikipedia _ Atlas de Galaxias Peculiares

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Apuntes de Física: Los orígenes del Universo (6ª parte)
Apuntes de Física: Los orígenes del Universo (7ª parte)
Apuntes de Física: Los orígenes del Universo (8ª parte)

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Apuntes de Física: Teorías y leyes (1ª parte)

Apuntes de Física: Los orígenes del Universo (4ª parte)

En los inicios del Universo, una vez que las condiciones físicas permitieron el surgimiento de elementos atómicos, aparecieron las primeras estructuras complejas en forma de quásars y estrellas de población III. Los quásar, según el consenso científico, son probablemente núcleos de galaxias jóvenes, o, dicho de otra forma, una estructura característica del periodo de formación de una galaxia. De acuerdo con esto, estarían formados por un agujero negro supermasivo en su centro que consumiría grandes cantidades de polvo y gas circundante, lo que produciría una radiación billones o incluso trillones de veces la del Sol; además, estos objetos emiten chorros de energía y materia a gran velocidad desde sus centros y en dirección perpendicular a sus discos. Los quásars, como objetos astronómicos, se caracterizan por su lejanía (del orden de miles de millones de años-luz), lo cual queda plasmado en el gran corrimiento al rojo de su radiación, su luminosidad (la mayor en un objeto astronómico conocido hasta ahora), y la variación súbita e irregular de esta (un quásar puede cambiar la intesidad de su luminosidad incluso en cuestión de horas) lo que hace suponer que se trata de objetos relativamente “pequeños”, de un año-luz, o, en algunos casos, de algunas pocas semanas-luz de diámetro. Se cree además que los quásar, como objetos físicos emisores de energía, tienen una vida corta; una vez su agujero negro supermasivo ha dejado de consumir la materia que le circunda, cesa de emitir también radiación para pasar a formar una galaxia alrededor suyo. Su nombre deriva de la expresión quasi-stellar radio source (“fuentes de radio cuasi-estelares”), pues se tratan de fuentes de radio en apariencia muy semejantes a las estrellas, lo que hizo que en un principio se los confundiera con algún objeto de naturaleza similar. La mayoría de ellos son indetectables para los medios de observación de un astrónomo aficionado; sin embargo, existen excepciones como las del quásar 3C273, situado a unos 2.200 millones de años-luz de la Tierra en dirección a la constelación de Virgo. Como objetos emisores de radiación, los quásars son detectables en la regiones de radiofrecuencia, infrarojos, luz visible, ultravioleta, rayos X y rayos gamma. Además, existen un tipo particular de quásar denominado blazar, que se caracterizan por poseer un jet o chorro de energía direccionado hacia la Tierra.

Las estrellas de población III constituyen la primera generación de estrellas surgidas tras el Big Bang. Se caracterizan por su nula metalicidad; esto quiere decir que no poseen elementos más pesados y complejos que el helio, (para estos casos, los astrónomos denominan metal a cualquier elemento superior en número atómico al segundo de la tabla periódica). La existencia de estas estrellas es puramente teórica, pues hasta ahora no ha sido posible observar ninguna de ellas. Se suponen extremadamente grandes, calientes y de corta vida, con una masa cientos de veces superior a la del Sol. Tanto los quásars como las estrellas de población III impulsaron el proceso de reionización entre los primeros 150 y 1.500 millones de años, lo que supuso la conversión de la materia en plasma y la evolución de esta en estructuras aún más complejas.

En las últimas décadas, la avanzada tecnología del telescopio espacial Hubble ha logrado captar imágenes de esta primera edad del Universo, en las que se conocen como imágenes del Campo Profundo, Campo Profundo Sur y Campo Ultra Profundo del Hubble. Cada uno de estos campos está formado por la composición de imágenes tomadas con tiempos de exposición largos, en 1995, 1998 y 2003-2004, respectivamente. La luz captada por el Hubble en su Campo Ultra Profundo se remonta a hace 13.000 millones de años.

Ver también, UNA VENTANA ABIERTA: Las primeras estrellas

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Una visión sobre la paradoja de Fermi

Dejé este comentario en el foro de la web Astroseti. Pensé que valía la pena publicarlo también aquí:

Según la paradoja de Fermi, dada la cantidad de indicios y de datos que apuntan a la existencia de otras civilizaciones en nuestra galaxia, resulta incomprensible que hasta ahora no hayamos encontrado una sola señal al respecto. A mi ver, existe un problema desde el principio con el planteamiento de la paradoja; ¿Esa vida que encontraremos en la galaxia estará igual o más desarrollada que la nuestra? Parece difícil de creer que si existe vida inteligente a nuestro alrededor, ésta se haya desarrollado en todos sus casos al mismo tiempo que nosotros, hasta el punto de que nos encontremos todos en el mismo nivel evolutivo. Parece lógico pensar que en algunos casos, por ejemplo, la vida se desarrolló hace tiempo en planetas más antiguos que el nuestro y que, por tanto, ya pasaron por su etapa `homo sapiens´ (aunque no se traten en su caso de homos, ni de mamíferos, tal vez ni siquiera de, propiamente, animales… ); en ese caso, tendríamos que preguntarnos: ¿Qué relación tendría esa especie superior con su entorno, incluido nosotros? Resulta difícil responder a esto, lo que conlleva a que sea difícl desentrañar la paradoja.

En cualquier caso, es lícito preguntarse cómo es que no hemos dado con rastros de vida inteligente con nuestro mismo nivel evolutivo. Yo, personalmente, soy un firme creyente del principio de mediocridad, según el cual, nada de lo que rodea al hombre, ni siquiera el hombre mismo, es un caso particular de entre los fenómenos del Universo. Lo que ocurre aquí, es lo mismo que lo que puede ocurrir en otra estrella, de otra galaxia, de otro grupo local, de otro supercúmulo, solo que con variantes… Tal como lo veo, al igual que ocurre en nuestro planeta, a medida que abrimos la perspectiva alrededor de un elemento geográfico determinado, este elemento se encuentra en esos alrededores reproducido (no solo una provincia sino muchas provincias; no solo una isla sino muchas islas; no solo un continente sino muchos continentes…). Lo mismo ocurre (debería ocurrir) con nuestro Sistema Solar; a nuestro alrededor las estrellas son la norma común, las estrellas con sistemas planetarios algo menos común pero también habituales, los sistemas con regiones de habitabilidad y planetas rocosos menos habituales que los anteriores, y los planetas habitados con vida inteligente la excepción. Las probabilidades de encontrarnos con algunos de estos elementos aumenta con el espacio: 10 años-luz a la redonda, es probable que encontremos tantas estrellas, tantos Sistemas planetaros y tantos planetas rocosos; en 20 años-luz, tantas más estrellas, sistemas planetarios, y, además, planetas rocosos en regiones de habitabilidad; en 50 años-luz, tantos estrellas, sistemas, y planetas deshabitados y también habitados; en 200 años- luz en redondo, tantos de estos elementos junto con planetas con vida desarrollada, tal vez inteligente… ¿Por qué no hemos dado con ellos? Pensemos en porqué ellos no habrían podido dar con nosotros; ¿Qué probabilidades hay de encontrar vida inteligente con un nivel intelectual y técnico similar al nuestro en 400 años-luz en redondo? Supongamos que pocas. Supongamos que hay una nada más. Esa civilización se encuentra dentro de un radio de 400 años-luz, lo que significa que que podría estar a 300 años-luz de distancia de nosotros. Si tiene nuestra capacidad óptica, a esa distancia no puede observar nuestro planeta y divisar la señales que deja la luz eléctrica de nuestras ciudades. Tendría la capacidad de detectar nuestras emisiones de radio, pero ¿Cuánto tiempo lleva nuestra especie emitiendo ondas de radio artificiales? Parece lógico pensar que si el hombre solo ha emitido señales de radio en los últimos cien años aproximadamente, esas señales se encuentran ahora a cien años-luz de nosotros y que por tanto quedarían todavía 200 años-luz hasta que les llegaran las primera retransmisiones. En cuanto a la posibilidad de que se encontrasen con algunos de nuestros artefactos espaciales, ninguno de ellos se encuentran a 300 años-luz de distancia de manera que les sería imposible divisarlos. Se me ocurre que podrían detectarnos a partir de las posibles señales que pueda dejar nuestras emisiones químicas por espectrometría, pero para esto tendrían que haber detectado previamente al planeta y saber reconocer una emisión como propia de una civilización desarrollada e inteligente, (bueno, o no tanto; CO2, CFC´s…]); además, sigue quedando el problema de la distancia y la velocidad de la emisión.

Si, por todo esto, la civilización que hipotéticamente se encuentra más proximamente a nosotros no ha sido capaz de encontrarnos, ¿Por qué íbamos a hacerlo nosotros? Opino que las probabilidades de que dos civilizaciones de un mismo espacio de la galaxia se encuentren depende de la distancia que los separa y del tiempo que tengan de desarrollo. Encontrar una civilización cercana y que lleve mucho tiempo desarrollada es muy improbable, por eso no hemos dado con ellos. Es mucho más probable encontrarlas en todo el espacio de la galaxia, por ejemplo, pero en ese caso tal vez se encuentren a decenas de miles de años-luz, y sus señales se encuentren ahora de camino, muy lejos. A más espacio más probabilidad de que se hallen, pero también más dificultad de que contacten, tal vez por eso no los hemos encontrado.

Mama Tierra – Macaco

Apuntes de Física: Los orígenes del Universo (3ª parte)

Tras el surgimiento del Universo muy primigenio, y el Universo primigenio, es el momento de la formación de estructuras. El periodo de tiempo comprendido entre el final del Universo primigenio y la generación de las primeras estrellas y galaxias se caracteriza por la ausencia de luz y se conoce como Edad Oscura. En un principio, durante la primera fase de la formación de estructuras, surgieron los quásar y las estrellas de población III o estrellas de primera generación (estrellas de metalicidad nula); ambos tipos de estructuras provocarían lo que se conoce como reionización, un periodo datado entre los 150 y los 1.000 millones de años en el que la materia se vería de nuevo convertida en plasma debido a la radiación de estos cuerpos primitivos. Tras la reionización, se forman las estrellas de población II, y tras estas, las de población I, las galaxias, los cúmulos y los supercúmulos. Hace 4.500 millones de años aproximadamente surge nuestro Sistema Solar.

En la 2ª parte de estos apuntes hice referencia a una duda que me había surgido en relación a las diferencias existentes entre la Bariogénesis durante la Era de la Gran Unificación, y la Era Hadrónica. Según distintas fuentes, fue en ambos periodos cuando la materia surgió en el Universo, más concretamente, la materia bariónica. Creo haber aclarado algunas cuestiones sobre este punto. Al parecer durante la Bariogénesis se produjo el surgimiento de partículas y antipartículas a partes casi iguales, con una ligera descompensación cuantitativa a favor de las primeras, las partículas. El contacto entre partículas y antipartículas daría como resultado su aniquilamiento mutuo, produciéndose así la consolidación de la materia en el Universo por mayoría numérica. Sin embargo, existen otras teorías que explican el dominio de la materia frente a la antimateria sin necesidad de recurrir a estas diferencias de cantidades, como veremos después. Fuera como fuese, el resultado final de la bariogénesis es la formación del ya mencionado plasma de quarks-gluones, conformado por partículas. Durante la Era electrodébil, esta materia adquiriría masa gracias a la acción de los bosones de Higgs, de lo que se deduce que durante la bariogénesis no la poseía; finalmente, será durante la Era Hadrónica, debido al enfriamiento de un Cosmos en crecimiento, cuando este plasma de partículas con masa reaccionará hasta formar hadrones estables.

Todo esto parece aclarar, al menos en parte, las diferencias entre los acontecimientos relacionados con la Bariogénesis y la Era Hadrónica gracias al concepto de la antimateria, pero, ¿Qué es exactamente la antimateria? En 1928, Paul Dirac predijo en su formulación de la ecuación sobre el comportamiento de las partículas con espín 1/2 la existencia de un tipo de partículas similares a las partículas ordinarias pero con propiedades inversas y a las que se denominaron antipartículas. Desde entonces, las antipartículas se han ido revelando de forma empírica en sucesivos experimentos; el positrón en 1932, el antineutrón y el antiprotón en 1955; en 1965 fue posible la composición de un átomo formado por antipartículas, es decir, de antimateria, cuando dos equipos obtuvieron de forma independiente un antideuterón en el Acelerador Protón Sincrotrón del CERN y en el AGS del Laboratorio Nacional de Brookhaven, en Nueva York. Décadas más tarde, en 1995, científicos del CERN lograron formar nueve átomos de antihidrógeno en sus instalaciones.

Podriamos definir la antimateria como la materia formada por antipartículas. A cada partícula elemental de la naturaleza le corresponde una antipartícula, semejante a la original, con la misma masa, el mismo spin pero carga eléctrica contraria. Algunas antipartículas son idénticas a sus partículas, por ejemplo al carecer de carga eléctrica; con todo, no por poseer carga neutra una partícula es necesariamente idéntica a su antipartícula. En cuanto a la cuestión de dónde se encuentra la antimateria si esta ha sido postulada como una realidad más de nuestro Universo, podemos leer lo siguiente en la Wikipedia:

Las teorías científicas más aceptadas afirman que en el origen del universo existían materia y antimateria en iguales proporciones. Pero la materia y la antimateria se aniquilan mutuamente, dando como resultado energía pura, y sin embargo, el universo que observamos está compuesto únicamente por materia. Se desconocen los motivos por los que no se ha encontrado antimateria en el universo. En física, el proceso por el que la cantidad de materia superó a la de antimateria se denomina Bariogénesis, y baraja tres posibilidades:

1. Pequeño exceso de materia tras el Big Bang: Especula con que la materia que forma actualmente el universo podría ser el resultado de una ligera asimetría en las proporciones iniciales de ambas. Se ha calculado que la diferencia inicial entre materia y antimateria debió ser tan insignificante como de una partícula más de materia por cada diez mil millones de parejas partícula-antipartícula.

2. Asimetría CP: En 1967, Andréi Sájarov postuló por primera vez que las partículas y las antipartículas no tenían propiedades exactamente iguales o simétricas; una discusión denominada la Violación CP. Un reciente experimento en el acelerador KEK de Japón sugiere que esto quizás sea cierto, y que por tanto no es necesario un exceso de materia en el Big Bang: simplemente las leyes físicas que rigen el universo favorecen la supervivencia de la materia frente a la antimateria. En este mismo sentido, también se ha sugerido que quizás la materia oscura sea la causante de la bariogénesis al interactuar de distinta forma con la materia que con la antimateria.

3. Existencia de galaxias de antimateria ligada por antigravedad: Muy pocos científicos confían en esta posibilidad, pero todavía no ha podido ser completamente descartada. Esta tercera opción plantea la hipótesis de que pueda haber regiones del universo compuestas de antimateria. Hasta la fecha no existe forma de distinguir entre materia y antimateria a largas distancias, pues su comportamiento y propiedades son indistinguibles. Existen argumentos para creer que esta tercera opción es muy improbable: la antimateria en forma de antipartículas se crea constantemente en el universo en las colisiones de partículas de alta energía, como por ejemplo con los rayos cósmicos. Sin embargo, éstos son sucesos demasiado aislados como para que estas antipartículas puedan llegar a encontrarse y combinarse. La NASA ha enviado la sonda AMS (Alpha Magnetic Spectrometer) para buscar rastros de antimateria más compleja, que pudiesen indicar que todavía existe antimateria en el universo. Sin embargo los experimentos no han detectado nada hasta la fecha.

Materia y Antimateria ¿Qué secretos esconde la antimateria y la energía oscura?

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