Viaje a las estrellas

Reportaje divulgativo

Por Jesu Marín

Nos encontramos flotando en el espacio y resulta sorprendente conocer cómo nuestra existencia es el resultado de una serie de concatenación de sucesos caóticos y armónicos que han posibilitado que la estructura de la materia haya podido evolucionar hasta niveles de complejidad y variedad biológica como los que conocemos. Para que la vida se haya podido desarrollar hasta los niveles actuales de organización han sido preciso que se dieran unas condiciones iniciales y un conjunto de procesos fortuitos determinados como p.ej. que la Luna colisionase contra la tierra o la existencia y situación exacta del planeta Júpiter en un lugar que impide que los asteroides y cometas de la nube de Oort colisionen con nuestro mundo en su órbita hacia el Sol. Júpiter forma una gran pantalla protectora que protege nuestro planeta de continuas sacudidas por meteoros y nuestro satélite tuvo una importancia fundamental para estabilizar la órbita de la Tierra, ya que antes los días duraban cinco horas y cuando este objeto colisionó contra la tierra ralentizó su movimiento hasta las 24 horas actuales.

  Cuando contemplamos el cielo por la noche no nos damos cuenta de que estamos navegando por el espacio a miles de kilómetros por hora y orbitando alrededor de puntitos que orbitan otras muchas motas de luz y así sucesivamente. Nos encontramos en una galaxia que gira, a su vez, en torno a un grupo local de astros, que lo hacen en torno a un cúmulo de un supercúmulo mientras se expanden por el espacio separándose del hipotético centro del Big Bang. Como curiosidad la palabra «cosmos» viene de kosmos, que significa belleza además de orden e inmensidad, aunque su origen es bastante caótico y desconocido. Pero resulta muy hermoso que de un enorme caos pueda surgir el cosmos que tenemos el gusto de conocer.

Nuestra situación

Esta es una foto de un jardín que representa nuestra posición en la galaxia. Representa la galaxia Vía Láctea con un agujero negro supermasivo en el centro representado por la fuente y diferentes plantas que representan algunos cúmulos, nebulosas y galaxias, y con hojas que simulan las estrellas más brillantes. Nosotros estaríamos en el punto que representa el sistema solar en el brazo de Orión (uno de los 2 ó 4 brazos que los astrónomos piensan que tiene nuestra galaxia). Estaríamos en el Grupo Local (lo llamamos así por ser nuestro punto de referencia), en el cúmulo de Virgo. El agujero negro del centro de la galaxia no engulle las galaxias circundantes porque toda la materia estelar orbita en torno a él. Se intenta programar actualmente un supertelescopio, alineando los más potentes que existen para que su objetivo sea el más grande posible aprovechando el diámetro de la tierra con el fin de poder observar lo más cerca posible el agujero negro supermavo del centro de nuestra galaxia. En la foto, la primera imagen (arriba, izquierda) es la Nebulosa Trífica; la imagen de al lado son dos flores de hibisco que simulan la Nebulosa Trífida. La foto de la parte inferior izquierda retrata plantas en flor que, en contraste con la imagen de su derecha, simbolizan cúmulos, galaxias, nebulosas y estrellas (jardín galáctico)

A toda pastilla

Nuestra pequeña mota de polvo se encuentra en el Sistema Solar, que pertenece a uno de los brazos (el de Orión) de la galaxia Vía Láctea, que forma parte del Grupo Local (por ser el nuestro de referencia) y que orbita hacia el Cúmulo de Virgo. Estas son las velocidades: nuestro planeta gira a unos 30 km/segundo alrededor del Sol, que orbita a unos 270 km/s (unos 970.000 km/h) alrededor del centro de la galaxia, que gira, a su vez, a 40 km/s alrededor del Grupo Local, que se dirige hacia el cúmulo de Virgo a unos 560 km/s. En el futuro nuestra galaxia colisionará con la de Andrómeda, a 2,1 millones de años-luz y será «engullida» por esta en el fenómeno que se conoce como «canibalismo galáctico».

Un origen oscuro

Durante los tres primeros minutos del universo se fue formando una sopa cósmica de partículas: gluones, quarks, protones, positrones y neutrinos, pero hasta que no aparecen los fotones (partículas de luz) el universo no se «enciende» y se hace «transparente». Por eso no sabemos acerca de lo que sucedió antes de que todas las estrellas se encendiesen.  La estructura de lo más ínfimo está íntimamente relacionada con la del universo a gran escala, por eso con el gran colisionador LHC  se intenta encontrar la parte más indivisible de la materia: el hipotético bosón de Higgs, ya que si se comprueba su existencia entonces habría que volver a revisar las ecuaciones sobre el universo. Y aquí lo más intrigante de todo es que las matemáticas sean capaces de explicar el 95% de lo desconocido, aunque comprobar estos datos sigue siendo fundamental para el avance de la ciencia. Lo que no puede explicar esta se atribuye a una región mítica donde  desde tiempos muy primitivos habita el misterio: la religión.

Caos que posibilita el cosmos

Curiosamente son el caos y las irregularidades o fluctuaciones las que permiten que el universo pueda existir y evolucionar y en esencia la tensión constante entre dos fuerzas primitivas: la que regula la velocidad de expansión del universo o ley de Hubble y la de la gravedad. La evolución de la materia desde sus orígenes se basa en la capacidad de la materia y la energía para interrelacionarse y esto no puede ser así si no se dan unas condiciones de desequilibrio donde estos elementos puedan combinarse y relacionarse entre sí generando elementos tan complejos como la vida. Si la sopa cósmica de partículas originaria se hubiera expandido de manera uniforme de manera que estos elementos no colisionaran entre sí, entonces el universo no habría cambiado desde este primer momento salvo en su expansión uniforme, de manera que si todo hubiese sido orden nada existiría y ni la materia habría surgido y menos la vida.

La teoría del neodarwinismo explica cómo el incremento de la complejidad, de la entropía, hace posible que el universo pueda recombinarse y autoorganizar sus sistemas en un mayor nivel. Por ejemplo, las supernovas o la muerte violenta de algunas estrellas dan lugar a elementos de la tabla periódica más complejos y diversos y gracias al incremento de esta variedad se pueden generar más estructuras que posibiliten una organización más diversa. Otro ejemplo es cómo el polvo cósmico que se dispersa tras la muerte de una estrella (y que forma una nebulosa -nube de polvo y gas-) se va aglutinando mediante la fuerza de la gravedad y va transformándose en estrellas y galaxias que rotan en torno a un centro común: un agujero negro. Actualmente se buscan en los grandes colisionadores de partículas la parte de materia más primitiva del universo, porque conocer este dato sobre el microcosmos daría muchas pistas para saber más sobre el universo en su escala más vasta y sobre su posible o posibles finales o principios.

Actualmente la teoría cosmológica más aceptada es la de la gravedad, que data la edad del cosmos en 13.700 millones de años, pero esta teoría, con las ecuaciones de Einstein no explica cómo hay tanto carbono en el universo, ya que en el interior de todas las estrellas hay un núcleo de diamante formado por carbono. También sabemos que actualmente el universo se expande de manera uniformemente acelerada y que las primeras leyes y ciencia que rigieron estos momentos son radicalmente diferentes de las que conocemos ahora. Las mismas matemáticas y leyes físicas que rigieran esos momentos podrían ser también muy diferentes a lo que conocemos, como lo son las leyes de la física cuántica, del interior de un agujero negro o del Big Bang (por eso también se llaman  singularidades).

Dos fuerzas opuestas

Desde el hipotético Big Bang no conocemos nada sobre el espacio ni el tiempo durante los primeros instantes de la creación del universo. Sólo sabemos que a partir de cierto momento se produce una inestabilidad entre las dos fuerzas fundamentales que conformarán el universo: la ley de Hubble (que hace que el universo se expanda) contra la fuerza de la gravedad (que lo contrae) y que existe también un componente desconocido en el cosmos necesario para que la materia de galaxias y cúmulos no se disperse en sus movimientos de rotación y que denomina materia y energía oscura, que se cree forma aproximadamente el 96% del universo desconocido. El resto es universo visible. Se cree que existe esta parte del universo porque esto explica que las galaxias o los cúmulos no colisionen entre sí por la atracción gravitacional. Esta parte de la materia y energía es la que permite que estos elementos estén lo suficientemente separados como para que puedan darse unas condiciones dinámicas y un espacio en el que puedan evolucionar los elementos y partículas físicas y químicas de la tabla periódica hasta ahora conocidas. Se deduce su existencia por este motivo y para que las ecuaciones de Einstein-Penrose funcionen según la teoría del Big Bang y de la relatividad.

La arquitectura del espacio

Resulta sobrecogedora la historia de cómo hemos llegado a evolucionar como especie en un planeta como el nuestro desde el principio de los tiempos. Todo lo que sabemos sobre el cosmos se basa en ecuaciones matemáticas a las que confiamos la existencia de realidades como la materia y energía oscuras. Según estas teorías científicas más aceptadas y consolidadas todo comenzó con una batalla entre la materia y la antimateria, combate donde la primera venció por muy poco. Cuando estos dos principios entran en contacto se aniquilan y si hubiera habido más antimateria el universo no habría podido existir. A partir del nacimiento de la materia se especula con la posibilidad de que este fuera el inicio de lo que conocemos como espacio-tiempo, de donde surgirían uno o más big bangs o singularidades. El principio de todo lo conocido y desconocido.

A partir de este gran estallido inicial se configurarían nuestras coordinadas del espacio-tiempo concibiéndose al mismo tiempo -al igual que en Filosofía- el espacio como contenido y el tiempo como forma o como la impresión que tenemos ante el cambio. Es como si en la partitura del universo las notas en sí fueran el espacio y la relación entre ellas de diferencia, sucesión o simultaneidad constituyeran el tiempo. Lo que ha favorecido que el universo sea como es a partir del estallido inicial y hace que ésta no se disponga de manera homogénea desde el interior hacia la periferia ha sido el hecho de que la expansión no haya sido uniforme, sino que partiera de unas condiciones iniciales caóticas, de manera que en la primera sopa cósmica de partículas elementales éstas comenzaron a chocar desordenadamente. Antes de que se crearan las partículas de luz o fotones el universo no era visible y por eso las leyes físicas de los primeros momentos son imposibles de conocer.

El Universo conocido 

Lo máximo en el tiempo que podemos conocer -con la tecnología apropiada- sería este límite. Es lo que se trata de encontrar con aceleradores de partículas como el LHC: las partículas más ínfimas o indivisibles de la materia como el bosón de Higgs, la partícula más antigua del universo, al menos según la teoría. A partir del surgimiento de las primeras partículas, desde el momento de expansión que conocemos se comienzan a formar las primeras superestructuras cósmicas gracias a cuya configuración irregular posibilitan que las partículas se interrelacionan unas con otras y no que se expandan unas de otras sin interrelacionarse. Para comprobar cómo se forman en el vacío un astrónomo mezcló azúcar y sal en una bolsa en gravedad cero, observando cómo estos diminutos corpúsculos se agrupaban como algo parecido al tejido neuronal o un mapa de carreteras iluminado en la noche desde el espacio.

 

Estas superestructuras son muy similares en todo el cosmos y están formadas por grupos de estrellas que se agrupan entre sí y convergen en ciertos puntos en lo que se parece a redes espaciales de autopistas interestelares. Dentro de cada una de estas estrellas se comienzan a formar los elementos de la tabla periódica más básicos desde sus primeros momentos de existencia. Primero se forma el Hidrógeno, de dos protones, después la fuerza de la gravedad es tan fuerte que fusiona este elemento consigo mismo, consiguiendo superar la fuerza de repulsión y generándose el Helio y poco a poco y los elementos hasta llegar al hierro y otros más pesados. Pero cuando la estrella llega a fusionar hierro termina su ciclo vital y en función de sus masas solares o densidad se produce una supernova, hipernova o gran estallido, o un agujero negro.

El universo a partir de estos primeros instantes se va conformando según esta tensión de fuerzas opuestas y si lo observáramos desde su estructura más general veríamos supercúmulos (que tienen una forma de esponja, red neural o un mapa de contaminación lumínica con una forma irregular -debido a que el proceso de formación inicial del universo fue inestable, lo que se conoce como período inflacionario-), cúmulos de galaxias, galaxias, nebulosas (resultado de la explosión de novas y supernovas), estrellas, planetas, lunas, otros objetos estelares, polvo y gas. Todos estos elementos son importantes para la autorregulación del propio sistema. Por ejemplo, a partir del polvo interestelar de las nebulosas que forman las supernovas se forman las estrellas y a partir de la muerte violenta del tipo de estrellas novas o supernovas se generan los elementos de la tabla periódica más pesados y complejos y se cree que sin la existencia de la Luna no habría sido posible crear las condiciones necesarias de estabilidad para que pudiera germinar y mantenerse la vida.

Pero nada de esto funcionaría adecuadamente si no fuera por los agujeros negros, tras los cuales, según las ecuaciones matemáticas se cree que debe haber su correspondiente Big Bang. Así, según algunas teorías, más que un único universo con un Big Bang, lo más probable es que hubiera varios y fuera un multiverso, con mundos paralelos y donde el universo se interconectara y replegara sobre sí (como una cinta de Moebius)

 Cúmulos, galaxias, nebulosas y estrellas

En las zonas donde se agrupa más materia se acumulan las formaciones de cúmulos dentro de los que se generan, a su vez, las galaxias en el centro de las cuales se cree que hay un agujero negro (con un agujero blanco hipotético en su lado opuesto por el que saldría la materia) y en sus proximidades es donde se generan las estrellas jóvenes mediante procesos de formación y evolución de estrellas azules, blancas, amarillas o rojas, según su mayor o menor temperatura hasta que mueren de forma pacífica enfriándose y reduciendo su tamaño hasta llegar a ser enanas marrones o blancas o explotando en forma de supernova o de agujero negro, que es cuando la fuerza de gravedad supera a su opuesta e implotan (explotan para dentro). Las estrellas se forman en las zonas más próximas al centro de rotación de la galaxia (en la zona de formación de estrellas jóvenes – que son azules -con más temperatura-), mientras que las viejas se distribuyen más hacia el exterior (son más rojas -con menos temperatura-). Las estrellas se forman a partir del polvo interestelar que se genera cuando explota una estrella. Nuestro sol, p.ej., terminará siendo una supergigante roja que llegue a crecer por lo menos hasta Marte y engullir a nuestro planeta.

En el interior de las estrellas se producen las reacciones en cadena de fusión que van transformando los elementos más sencillos en otros más complejos desde el Hidrógeno (H), Helio, Litio o Carbono hasta elementos más complejos. Si llega a fusionar hasta el nivel del hierro, entonces la estrella interrumpe su proceso de combustión e implota (explota para dentro) en lo que se conoce como novas o supernovas que culminan en espectaculares nebulosas como la de cabeza de caballo en Orión o la M42 (la M indica que es del catálogo de Messier, también hay otra clasificación, la NGC (New General Catalogue) que podemos ver en las fotografías. En estas mastodónticas explosiones se esparcen por el universo los elementos que conocemos y se forman imágenes sorprendentes como la nebulosa del anillo, la del huevo, la del cangrejo o la del águila. La vida surge de este gran laboratorio espacial.

Para que se produzca una supernova que esparza sus restos en forma de nebulosa se necesita que la fuerza de la gravedad sea lo suficientemente grande como para superar a la fuerza de fusión y conseguir llegar al hierro. P.ej. para fusionar el Hidrógeno, que tiene una carga positiva se ha logrado superar la repulsión inicial para que se transforme en Helio y así sucesivamente en una reacción en cadena. En la energía nuclear el proceso de obtención de la misma se realiza de manera inversa, por reacciones de fisión, no de fusión. Para conseguir energía de fusión se necesita tanta potencia como para poder generar un sol, mientras que para la fisión no, pero el problema es que se produce radiactividad en el proceso de desintegración del núcleo. La energía nuclear a partir del Plutonio (Pt) o del Uranio (U) se generan cuando sus electrones pierden energía y cambian de órbita o nivel emitiendo una partícula radioactiva.

Los cúmulos, galaxias y estrellas se clasifican de 0 en adelante en función de su menor o mayor irregularidad. Las galaxias más comunes son las espirales. El Sol influye en el cambio climático de la tierra mediante los conocidos mínimos y máximos de Maunder. Cuando la actividad del sol es mayor las erupciones que se producen en su superficie expulsan partículas cargadas que llegan mediante el viento solar hasta el campo magnético de la tierra, que las redirige hacia los polos, dando lugar, así, a las auroras boreales. Los mayas pensaban que el fin del mundo llegaría con uno de estos ciclos, pero según los astrónomos lo único que puede pasar durante una gran actividad solar es que se nos estropeen los satélites de telecomunicaciones, aunque eso no es poco.

La oscuridad del universo

También hay que contar con materia y energía oscura (cerca del 95% de los componentes del espacio), cuya cantidad es decisiva para que las galaxias ni estrellas colisionen entre sí y para que no hubiera tanto como para que el universo no pudiera agruparse y formar estructura alguna. La materia oscura impide que se disgregue y disperse la materia en sus movimientos de rotación, p.ej. en el giro de rotación de las galaxias o cúmulos. La energía oscura es la que equilibra la ecuación de la Ley de Hubble y la fuerza de la gravedad.

La existencia de materia oscura es hipotética y se cree que debe existir para explicar por qué no se disgregan las galaxias al rotar o el sistema solar. La energía oscura operaría en dirección opuesta a la de la fuerza de la gravedad y esto generaría una tensión entre estas dos fuerzas cuyo resultado definitivo podría ser el apagón final de todas las estrellas, o bien, que la materia se retroalimentara a sí misma mediante una serie de posibles big bangs que podrían estar al otro lado de los agujeros negros, en teoría. La entropía (o segunda ley de la termodinámica, que viene a decir que todos los sistemas tienden a desintegrarse o perder energía en forma de calor que no se puede transformar en orden o trabajo, uno de los motivos por el cual no se puede viajar al pasado, además de que el pasado no existe, ya que la energía se disipa con el paso del tiempo y se desintegra tanto que no se puede revertir en materia -de este principio es de donde unos ingenieros inventaron la ley de Murphy-) es lo que genera mayor complejidad en los sistemas y se contrapone al orden de las galaxias y su autoorganización.

Las supermatemáticas

Las matemáticas se inventaron para superar el límite de los sentidos y la imaginación. Es así, por ejemplo, cómo la denominación de universo cambia a multiverso por la inclusión de nuevas teorías explicativas, cada cual con unas normas diferentes. De la misma manera, de la antimateria y el antiuniverso se sabe poco, al igual que sobre la teoría M o Mátrix (de matriz) o teoría de superunificación de fuerzas fundamentales (nuclear fuerte, nuclear débil, electromagnética y gravitatoria -la más difícil de unificar en esta teoría-), la de las supercuerdas o branas (que vibran como unidades fundamentales en lugar de la partícula, que tiene la propiedad dual de ser onda-corpúsculo simultáneamente)- o la propiedad de la supersimetría. Son construcciones muy especulativas, teóricas y matemáticas y aunque puedan encontrar explicaciones muy completas a la estructura e historia del universo la falta de datos y de comprobación empírica hace que queden un poco en el aire. Sin embargo durante períodos de tiempo se habla de algunas de estas elucubraciones y esto sucede porque a veces ciertas investigaciones se ponen de moda. Por ejemplo, ahora se lleva teorizar sobre  supercuerdas y por tanto esto es lo que más termina divulgándose, pero esto no significa que estas teorías sean más válidas por ello.

Posibles finales del cosmos

Si el universo tendrá final o no y sobre cuál será este depende básicamente de las fuerzas que hemos visto antes: la de gravedad (de contracción) y la Ley de Hubble (o de expansión). La tensión entre ambas determinará  si el universo o multiverso tendrá un fin o no y si continuará expandiéndose hasta que todas sus estrellas se apaguen a la vez, como si alguien soplase las velas; contrayéndose en un Big Crunch; o seguir un ciclo indeterminado de big bangs y big crunchs. No viviremos lo suficiente para saberlo, nuestro tiempo de vida es insignificante comparado con el del cosmos del que venimos, pero resulta interesante conocer cómo de las cenizas renace constantemente la materia y de la materia la vida, que continua siendo un historia tan intrigante como la de nuestros orígenes. Para nosotros nuestra vida es inmensa, aunque breve, pero desde el punto de vista de la edad del universo somos menos que un pequeño instante en su historia que terminará formando parte de su esencia, del polvo de estrellas, de donde venimos. Un fugaz latido en la vida del universo, pero capaz de imaginar todos los mundos posibles.

Fuentes

-Fotografías de socios de ASAAF (Asociación de Astrónomos Aficionados): Carmen Ovejero, Raúl Cacho, Gustavo Rodríguez-Coira.

NASA, ESO

Para saber más

Documentales, astrofotografía y asociación de astrónomos:

-Documentales de Discovery Channel: «La historia del universo» Big bang, agujeros negros, nebulosas, galaxias, estrellas, lunas, sistemas solares, sol…

-13 documentales de Cosmos Carl Sagan

http://www.gigagalaxyzoom.com/

ESO: http://www.eso.org/public/images/eso0421a/

NASA: Imagen astronómica del día

ASAAF (Asociación de Astrónomos Aficionados) -Madrid-:

Planetarios y viajes virtuales

Planetario de Méndez Álvaro

Planetario de Alcobendas– Museo de la ciencia – Cosmocaixa-

Tour por el jardín galáctico de Hawai

Stellarium (para ver el cielo nocturno)

Modelos interactivos del Sistema Solar (geodésico, solar y del universo)

Libros

Cosmos, Carl Sagan

El universo en una cáscara de nuez, Stephen Hawking

Historia del tiempo, Stephen Hawking

El camino a la realidad, Roger Penrose

Los cinco primeros minutos del universo, Stephen Weinberg

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Jesu Marín es estudiante del Máster
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