Introducción

En esta lección, se aborda el concepto de astronomía y las teorías existentes de cómo es que se creó el universo. Inicia con un abordaje introductorio de la historia de la astronomía y astronáutica, hasta el análisis de la trascendencia de nuestra atmósfera terrestre.

Desarrollo del tema

Astronomía y astronáutica

La astronomía es la ciencia que estudia los cuerpos celestes del Universo, incluyendo planetas y satélites, cometas y meteoroides, estrellas y materia interestelar, los sistemas de estrellas llamados galaxias y los cúmulos de galaxias, es decir, estudia el origen, el desarrollo y la composición de los astros y las leyes de su movimiento en el Universo.

Las inquietudes de los pueblos a lo largo de la historia con respecto al día y la noche, al Sol, la Luna y las estrellas llevó a la conclusión de que los cuerpos celestes parecen moverse de una forma consistente (regular), lo que resulta útil para establecer el tiempo y orientarse. La astronomía ha solucionado los diferentes problemas que inquietaron a las primeras civilizaciones, es decir, la necesidad de establecer con precisión las épocas adecuadas para sembrar y recoger las cosechas y para las celebraciones, así como de orientarse en las largas travesías comerciales o en los viajes.

Uno de los pioneros que se preocupó en el estudio de estos extraños fenómenos fue Aristarco, quien en su época (250 años antes de Cristo) se atrevió a decir que la Tierra, nuestro planeta, giraba alrededor del Sol y no el Sol alrededor de la Tierra, como se creía hasta ese momento.

En el año 1543, se destaco un sacerdote polaco que se convertiría en uno de los precursores de la historia del Universo: Nicolás Copérnico, quien retomo las ideas de Aristarco y comenzó a desarrollarlas.

Formuló la teoría heliocéntrica; es decir, planteó que el Sol, un astro inmóvil, estaba en el centro del Universo, y que la Tierra y los otros planetas conocidos giraban alrededor de él. Además postuló que nuestro planeta giraba sobre su propio eje, en lo que se le llama como movimiento de rotación.

No se prestó mucha atención al sistema de Copérnico, o sistema heliocéntrico, hasta que Galileo descubrió pruebas para sostener dichas hipótesis. Gran admirador secreto de la obra de Copérnico, Galileo vio su oportunidad de probar la teoría copernicana sobre el movimiento de la Tierra cuando se inventó el telescopio en Holanda. En 1609 construyó un pequeño telescopio de refracción, lo dirigió hacia el cielo y descubrió las diferentes fases de Venus, lo que indicaba que este planeta gira alrededor del Sol. También descubrió 4 lunas girando alrededor de Júpiter. Convencido de que al menos algunos cuerpos no giraban alrededor de la Tierra, comenzó a hablar y a escribir a favor del sistema de Copérnico. Sus intentos de difundir este sistema le llevaron ante un tribunal de la iglesia. Aunque se le obligó a renegar de sus creencias y de sus escritos, esta teoría no pudo ser suprimida.

Un siglo más tarde apareció otro astrónomo, llamado Johannes Kepler, que estableció las tres leyes del movimiento de los planetas:

• La órbita de cada planeta es plana, encontrándose el Sol en el plano de la órbita. La trayectoria que realiza es el de una elipse, de la cual el Sol ocupa uno de los focos.
• Los radios vectores que unen al Sol con los planetas barren áreas iguales en tiempos iguales, planteando que un planeta tenga una velocidad mayor en su perihelio que en su afelio; mientras más diferente sea la distancia perihélica y afélica, mayor será la diferencia de velocidad en los extremos de la órbita.
• Los cuadrados de los tiempos de revolución, son proporcionales a los cubos de sus distancias medias al Sol. Es decir, la influencia que el Sol ejerce sobre los planetas disminuye con la distancia.

Estas mismas leyes fueron comprobadas 50 años más tarde cuando el físico británico Isaac Newton enunció la ley de la Gravitación Universal, sobre la fuerza de atracción entre el Sol y los planetas. Esta teoría, surgió como consecuencia de la tercera ley de Kepler, señalaba que dos cuerpos se atraen con una fuerza directamente proporcional a sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa. Newton se convirtió en el primer hombre que comprendió que la gravedad es la fuerza fundamental del Universo.

¿Cómo se formó el Universo?

La formación del Universo ha sido desde siempre una de los grandes incógnitas que ha preocupado a gran parte de los astrónomos a lo largo de la historia. La teoría con mayor popularidad ha sido la del Big Bang, que formula que todo inició con una gran explosión inicial. Sin embargo muchas veces nos preguntamos ¿qué había antes de esto? o ¿qué causó esa gran explosión? La respuesta es nada, ya que antes de la expansión del Universo no había materia, espacio ni tiempo.

La historia del Big Bang se inicia a mediados del siglo XIX, cuando el científico holandés Christian Doppler, descubre el fenómeno físico que le hizo famoso: el efecto Doppler. Este se genera cuando una fuente de ondas o energía se desplaza en forma radial (esto es, alejándose o acercándose) a un espectador o receptor. Lo que es posible considerar como una idea factible es que en ese momento el Universo debe haber estado muy caliente, ya que un gas al expandirse se enfría, lo que en definitiva ha hecho el Universo desde la explosión hasta hoy.

En un comienzo lo único que se podía percibir era una gran bola de fuego, época que se conoció como la era de los leptones.

Aún no podemos hablar de la existencia de átomos, ya que sus tres constituyentes principales -neutrones, electrones y protones- tenían la capacidad de convivir en equilibrio junto a otras partículas. Más tarde la temperatura de esta enorme bola bajó de forma considerable, y solo se centraría la atención en los protones, electrones y neutrones, despareciendo el resto de las partículas.

Comienza la llamada era del plasma, donde la temperatura bajó lo suficiente como para que neutrones y protones se combinaran, dando origen a los átomos de helio, que contenían dos protones y dos neutrones.

700.000 años después, recién pudieron formarse átomos eléctricamente neutros gracias a la combinación de protones y electrones, llegando al fin la era del plasma. A partir de este momento, la radiación en el Universo deja de interactuar con la materia aún en nuestros días, en un lento enfriamiento.

Podemos especular que ciertas fluctuaciones en el Universo primitivo deben haber crecido lo suficiente para llegar a un punto donde la fuerza de gravedad dentro de la fluctuación iniciara a superar la expansión, adquiriendo una identidad propia. Una vez que esta fluctuación empezó a contraerse no se mantuvo homogénea, lo que finalmente dio origen a los cúmulos de galaxias y galaxias individuales.

Creación del Universo

Una de las teorías con mayor aceptación por la comunidad cientifica internacional acerca de la creación del universo es la del BIN BANG, una gran explosión a partir de la cual habrían surgido todo lo que conocemos:

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El universo nace en circunstancias no determinadas. Según los conocimientos científicos del Big Bang, surgió de una “singularidad”, un punto de densidad infinita en el que explotan todas las leyes del espacio y del tiempo. Pero las especulaciones siguen tales como: fluctuación en un campo de “espuma” cuántica (adeptos del Big Bang), crecimiento en el interior de un agujero negro o eyección de un universo generador y autodestructor.

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El espacio y el tiempo tal como los definen las leyes físicas fundamentales de Einstein, no existen.

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Las teorías apuntan a una era de “inflación” rápida; una expansión tan acelerada que superó la velocidad de la luz.

Es posible que el universo, en principio del tamaño de una bola diminuta de menos de un milímetro, se haya expandido más allá de las distancias que en la actualidad pueden observar nuestros telescopios más potentes. Se desconoce qué fuerza hizo posible esa expansión.

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La “inflación” se ha detenido. La fuerza primitiva que la mueve deja tras de sí una serie de partículas elementales –electrones, quarks, gluones y neutrinos– que sobreviven en un entorno con temperaturas muy elevadas (1027 °C). Agotada, la fuerza primitiva del universo se disuelve en gravedad y otras fuerzas que actúan a nivel nuclear. Se aplican ya las leyes de Einstein. El universo sigue expandiéndose y enfriándose.

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La temperatura desciende hasta mil billones de grados centígrados. Aparecen las cuatro fuerzas elementales de la física: gravedad, fuerza nuclear fuerte, fuerza nuclear débil y el electromagnetismo. Ha llegado la hora de la creación de partículas consideras como complejas.

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Los quarks empiezan a formar grupos de tres, dando lugar a los primeros protones y neutrones, la estructura básica de los átomos. La materia y la antimateria chocan e inician su destrucción mutua, dejando por alguna razón desconocida un resto de materia pura. La temperatura del universo ha descendido hasta mil millones de grados centígrados.

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Neutrones y protones se combinan para formar los núcleos más básicos del átomo: los de hidrógeno, helio y litio. El universo se enfría a una velocidad extraordinaria que no queda calor suficiente para formar elementos más pesados.

300 000 años

La luz no ha logrado llegar al universo primitivo a causa de su espesa mezcla de electrones y protones (portadores de luz y otras ondas energéticas). Al llegar a 3.000 °C, los electrones consiguen conectarse a la estructura básica del átomo, liberando fotones y creando la primera señal electromagnética del universo (todavía hoy seguimos oyendo su rastro). El espacio es ahora transparente.

2.000 a 3.000 millones de años

La era cósmica oscura concluye con la formación de las primeras estrellas del universo en medio de densas nubes de gas. Compactado por la gravedad, el hidrógeno que contienen esas estrellas se funde en helio, derramando luz y calor en el espacio. Violentas y calurosas reacciones nucleares van generando nuevos elementos. Se forman el carbono, el oxígeno y el magnesio. Estrellas gigantes, llamadas supernovas, expiran con grandes explosiones y liberan materia pesada a través de las galaxias ahora en evolución.

Entre 5.500 y 10.500 millones de años

Se forma nuestro sol a la vez que los planetas del sistema solar, posiblemente a raíz de la explosión provocada por una supernova, que fue produciendo acumulaciones graduales de polvo, piedra y gas hasta convertirse en cuerpos esféricos. En los planetas más cercanos al Sol (Mercurio, Venus, la Tierra y Marte), la mayoría del gas ligero se ha quemado, dejando en la Tierra una mezcla compuesta de hierro, níquel, carbono, oxígeno y magnesio. Los planetas más distantes, como Júpiter y Saturno, siguen siendo gigantescos globos de gas ligero.

6,200 a 11.200 millones de años

Aparición de la vida. Las primeras células empiezan a poblar la Tierra. Según las antiguas teorías, los componentes fundamentales de la vida, como los aminoácidos, procedían de la acción de relámpagos sobre una mezcla primitiva de agua, metano e hidrógeno. Las teorías contemporáneas sostienen que los asteroides que cayeron en la Tierra pudieron traer consigo simientes de la vida orgánica.

Entre 10.000 y 15.000 millones de años

Los organismos multicelulares se propagan, ayudados por el inicio de la reproducción sexual. Los primeros vertebrados aparecen, seguidos por dinosaurios, reptiles, mamíferos y vegetales. Hace unos cinco millones de años, varias especies de homínidos empiezan a vivir en África. El Homo Sapiens aparece hace más de 100.000 años, y con él surgen la lengua, lo que se conoce como la cultura y la sociedad humana.

¿Por qué es azul el cielo?

La explicación no tiene que ver con un capricho de cada día, sino más bien es el resultado de la interacción de la luz del sol con la atmósfera. Sabemos que la luz solar está compuesta por los siete colores del arco iris y que cada color posee su propia longitud de onda , dentro de esos colores existe una diferenciación en estas longitudes.

El rojo y el amarillo son los colores que tienen las ondas más largas, y los azules y violetas más cortas. Por lo tanto, el cielo es azul porque las moléculas de gases dispersan las longitudes de onda corta mejor que las largas, esparciéndose al azar y cambiando de dirección muchas veces al atravesar la atmósfera, chocando con otras partículas de aire y variando su trayectoria.

Entonces, esta variación zigzageante que realizan las ondas cortas antes de llegar al suelo terrestre, dan la sensación de que no parecen venir directamente del sol , sino de todas las regiones del cielo; no así las cortas -amarillas y rojas-, que llegan hasta nosotros en línea recta y en menos tiempo (aproximadamente ocho minuto), dando la sensación de que el sol es amarillo.

Los distintos colores del cielo

Cuando miramos hacia el cielo y lo vemos más bien azul claro o casi blanco, es porque al haber abundancia en la atmósfera de moléculas de gases , la difusión de las ondas largas (rojos y amarillos) hace que disminuya la intensidad del azul que acostumbramos a ver.

Y en el caso de los días nublados, el fenómeno se produce ya que al estar las nubes muy gruesas y por lo tanto existiendo una gran cantidad de gotas incoloras acumuladas que esparcen la luz en todas direcciones, agregándole el hecho de que las partículas difusoras no son coloreadas, el resultado es la atenuación de la luz blanca hacia grises cada vez más oscuros.

Cuando el día está acabando, y los colores rojizos comienzan a aparecer en el horizonte, se produce otro fenómeno. Sucede que el camino que la luz solar recorre dentro de la atmósfera es más largo, los rebotes sucesivos en unas partículas y otras hacen crecer la probabilidad de que las ondas azules y violetas acaben chocando con una partícula absorbente y desparezcan, e incluso la parte amarilla es afectada y difundida, y sólo los rayos rojos, los más direccionales, siguen un camino casi rectilíneo.

Y por último, cuando es de noche y el cielo se ve negro, es a causa de que a la atmósfera apenas le llega luz, y por tanto no puede producir el efecto de difusión.

La importancia de la atmósfera

La atmósfera tiene gran importancia para nuestro diario vivir, pues si no la tuviéramos, el cielo se vería negro aunque el sol nos iluminara permanentemente. Esto ocurre en Mercurio y en la Luna, por ejemplo. Los planetas que sí tienen atmósfera, pero cuyos componentes son distintos a los de la Tierra, provocan otro tipo de colores en el cielo. Es el caso de Venus y Marte, los que tienen su cielo de color rojo, por estar compuesta su atmósfera en más de 90% por bióxido de Carbono; y en Neptuno, debido a que es de metano, su cielo es de color verde.

En el caso de la Tierra, la atmósfera está compuesta fundamentalmente por Nitrógeno molecular en tres cuartas partes y por Oxígeno molecular en una quinta parte, lo que provoca que el color azul que vemos, sea producido porque el Nitrógeno y el Oxígeno esparcen con mayor eficiencia los colores de ondas cortas.

Si la Tierra no tuviera atmósfera, la luz solar alcanzaría nuestros ojos directamente desde el disco solar y no recibiríamos luz difundida. Además, el cielo aparecería tan negro como por la noche, tal como los astronautas pueden observar de día las estrellas, la luna y los planetas, debido a que están fuera de la atmósfera.