Contenido: Cosmología. Cosmología física. Ley de Hubble. La evidencia del Big Bang. Primeras teorías cosmológicas. La teoría del universo estacionario.Modelos estáticos y de expansión del Universo. La teoría del universo estacionario. La constante cosmológica.
Cosmología
Cosmología, es el estudio del Universo en su conjunto, en el que se incluyen teorías sobre su origen, su evolución, su estructura a gran escala y su futuro.
Cosmología física
La cosmología física, es la rama de la astrofísica, que estudia la estructura a gran escala y la dinámica del Universo. En particular, trata de responder las preguntas acerca del origen, la evolución y el destino del Universo.
La cosmología física, tal y como se comprende actualmente, comienza en el siglo XX con el desarrollo de la Teoría general de la relatividad de Albert Einstein y la mejora en las observaciones astronómicas de objetos extremadamente distantes.
Estos avances hicieron posible pasar de la especulación a la búsqueda científica de los orígenes del universo y permitió a los científicos establecer la Teoría del Big Bang que se ha convertido en el modelo estándar mayoritariamente aceptado por los cosmólogos debido a el amplio rango de fenómenos que abarca y a las evidencias observacionales que lo apoyan, aunque todavía existe una minoría de investigadores que presenten otros puntos de vista basados en alguno de los modelos cosmológicos alternativos.
La cosmología física trata de entender las grandes estructuras del universo en el presente (galaxias,agrupaciones galácticas y supercúmulos), utilizar los objetos más distantes y energéticos (quásares, supernovas y GRBs) para entender la evolución del universo y estudiar los fenómenos ocurridos en el universo primigenio cerca de la singularidad inicial (inflación cósmica, nucleosíntesis primordial y Radiación de fondo de microondas).
Ley de Hubble
La ley de Hubble establece que las galaxias se alejan unas de otras a una velocidad proporcional a su distancia.
Esta ley conduce al modelo del universo en expansión y, retrocediendo en el tiempo, a la teoría del Big Bang. Fue formulada por primera vez por Edwin Hubble en 1929.
Hubble comparó las distancias a las galaxias con sus respectivos corrimientos (o desplazamientos) al rojo debidos a la recesión (alejamiento) relativo entre ellas, encontrando entre ambas magnitudes una relación lineal y siendo el coeficiente de proporcionalidad la constante de Hubble.
Durante la mayor parte de la segunda mitad del siglo XX, el valor de la costante de Hubble se estimaba entre 50 y 90 km/sec/Mpc, produciéndose una disputa entre Gérard de Vaucouleurs que defendía un valor de 100 y Allan Sandage que le asignaba un valor de 50.
El Hubble Key Project mejoró significativamente el cálculo del valor de la constante, publicando en mayo de 2001 una estimación de 72+/-8. En 2003, el satélite WMAP obtuvo un resultado de 71+/-4, empleando un método independiente basado en la medición de las anisotropías de la radiación de microondas de fondo.
La constante de Hubble, lo es (constante), en el sentido de que es válida para todas las velocidades y distancias en un momento determinado.
Sin embargo, el valor de H, comúnmente denominado parámetro de Hubble para distinguirlo de su valor instantáneo (H0), decrece a lo largo del tiempo.
Asumiendo que las galaxias se alejan a velocidad constante (sin acelerar o frenar su velocidad), la distancia a la que se encuentran podrá expresarse por la relación D = vt, de lo que se deduce la relación H=1/t, siendo t el tiempo que llevan las galaxias alejándose (desde el Big Bang), es decir, la edad del universo, estimándose su valor entre 11 y 20 mil millones de años.
Observaciones realizadas a finales del siglo XX y principios del XXI, sustentan la creencia de que el universo está acelerando su expansión (las velocidad de recesión de las galaxias se está incrementando), lo que significaría que las estimaciones de la edad del universo son conservadoras (menores de la real).
La evidencia del Big Bang
Hasta muy entrado este siglo, los astrónomos no sabían que la Vía Láctea era una galaxia, y que los ‘universos-islas’ visibles a través de los más grandes telescopios eran galaxias, sistemas de muchas, muchas estrellas agrupadas como en la Vía Láctea.
Hubble hizo el descubrimiento fundamental que demostró esto. Él demostró, a partir del espectro de las galaxias, que la velocidad de recesión aumentaba con la distancia.
Lo que se deduce a partir de esto, es que el espacio se está expandiendo, y pronto se apreció que la Vía Láctea era sólo una, de una gran cantidad de galaxias, y que ella, como el Sol, no ocupaba un lugar especial en el sistema de galaxias.
A partir de la observación de galaxias en longitudes onda ópticas, no era posible encontrar efectos evolutivos, y así la hipótesis de que el universo estaba en un estado estacionario era plausible.
Con el advenimiento de los grandes radiotelescopios, se encontró que había muchas más tenues radio-galaxia de lo que cabría suponer en un universo en estado estacionario. De hecho, se demostró que era probable que todas las galaxias se hubieran originado en un volumen muy pequeño — el Big Bang.
Esta teoría recibió estímulo cuando una radiación a 3 grados Kelvin, la radiación de fondo de microondas, fue descubierta viniendo de todas las direcciones del espacio.
Esta radiación se predijo que era un remanente de tiempos muy primitivos en la edad del universo, antes de que se formara la materia, cuando el universo estaba todavía lleno con radiación caliente.
La radiación era isotrópica, y correspondía a la radiación corrida hacia el rojo del Big Bang.
Primeras teorías cosmológicas
Las teorías cosmológicas más antiguas datan del 4000 a.C., y son las de los pueblos mesopotámicos, que creían que la Tierra era el centro del Universo y que todos los demás cuerpos celestes giraban alrededor de ella.
En 1543, Copérnico proposo un sistema en el que los planetas giraban en órbitas circulares alrededor del Sol, el cual estaba situado en el centro del Universo.
Atribuía el nacimiento y la colocación de las estrellas a la rotación de la Tierra sobre su eje.
Modelos estáticos y de expansión del universo
En 1917 Albert Einstein propuso un modelo del Universo basado en su nueva teoría de la relatividad general. Su teoría indicaba que el Universo no era estático, sino que debía expandirse o contraerse.
Georges Lemaître es conocido por haber introducido la idea del ‘núcleo primordial’. Afirmaba que las galaxias son fragmentos despedidos por la explosión de este núcleo, dando como resultado la expansión del Universo.
Éste fue el comienzo de la teoría de la Gran Explosión sobre el origen del Universo.
El destino del universo está determinado por la densidad media de la materia en el Universo. Si hay relativamente poca materia, la atracción gravitatoria mutua entre las galaxias disminuirá las velocidades de recesión sólo un poco y el Universo se expandirá indefinidamente.
Sin embargo, si la densidad de la materia está por encima de un valor crítico la expansión descenderá hasta detenerse y llegar a la contracción, finalizando en el colapso gravitatorio total del Universo entero.
Éste sería un universo ‘cerrado’, finito en extensión. El destino de este universo colapsado es incierto, pero hay una teoría según la cual explotaría de nuevo, originando un nuevo universo en expansión, que se volvería a colapsar, y así hasta el infinito. A este modelo se le llama universo oscilante o pulsante.
La teoría del universo estacionario
En 1948, astrónomos británicos presentaron un modelo completamente distinto de universo, conocido como la teoría del universo estacionario. Consideraban insatisfactoria, desde el punto de vista filosófico, la idea de un repentino comienzo del Universo.
Su modelo se derivaba de una extensión del ‘principio cosmológico’. Plantean que la disminución de la densidad del Universo provocada por su expansión se compensa con la creación continua de materia, que se condensa en galaxias que ocupan el lugar de las galaxias que se han separado de la Vía Láctea y así se mantiene la apariencia actual del Universo.
La teoría del universo estacionario, al menos en esta forma, no la aceptan la mayoría de los cosmólogos.
La constante cosmológica
La constante cosmológica fue introducida inicialmente por Einstein en sus ecuaciones de campo de la Relatividad General para poder modelar un universo estático homogéneo con simetría esférica.
En aquella época (a finales de la segunda década del siglo) todavía no se conocía la expansión del universo, por lo que Einstein se vio obligado a introducir un efecto repulsivo (a veces denominado «antigravitatorio») que compensara la tendencia gravitatoria al colapso que se produciría en un universo estático.
Con el descubrimiento de la expansión del universo por Hubble, el término pareció superfluo a Einstein, que lo consideró como «la mayor pifia» de su obra científica.
Sin embargo, algunos teóricos siguieron acogiendo el resultado, porque era el único término consistente que se puede añadir a las ecuaciones de campo de la Relatividad General sin que éstas pierdan su coherencia.
El interés volvió a resurgir con las teorías cuánticas de campos, pues éstas predicen una densidad de energía de vacío que se puede comportar, a todos los efectos, como una constante cosmológica efectiva.
Además, durante los primeros años de la década de los 80 se empezó a poner de moda los escenarios inflacionarios de los primeros instantes del universo que proponen un valor bastante elevado de la densidad de energía de vacío.
Veamos a grosso modo cómo funciona esto:
El principio de incertidumbre de Heisenberg permite la formación de pares virtuales partícula-antipartícula de masa m durante intervalos de tiempo del orden de h/(mc2), siendo h la constante de Planck y c la velocidad de la luz.
Estos procesos implican que el vacío debe tener una densidad de energía diferente de cero que a veces se denomina «energía del punto cero». Existen evidencias experimentales indirectas de la existencia de esta densidad de energía de vacío a través de lo que se conoce como el efecto Casimir.
Fuentes: es.wikipedia.org / enciclopedia.us.es / oarval.org / rincondelvago.com