ASTROFÍSICA Y COSMOLOGÍA
- ¿Cómo es el Universo?
De acuerdo con los conocimientos más recientes, el Universo es infinito, y por tanto ilimitado. Su densidad es muy cercana a la densidad crítica (la que hace que la geometría del Universo sea plana), que es de 1029 g / cm³. La geometría plana (o euclidiana) es la que utilizamos habitualmente en nuestro entorno. Las otras posibilidades (por ahora descartadas) serían que tuviera geometría esférica o hiperbólica. En el caso de la geometría esférica, el Universo sería finito, aunque continuaría siendo ilimitado. Además, puesto que la densidad sería superior a la densidad crítica, la atracción gravitatoria entre los astros pararía la expansión y sería la causa de que el Universo volviera a contraerse hasta colapsar sobre sí mismo de nuevo. En el caso de la geometría hiperbólica, el Universo sería también infinito e ilimitado. En este caso, la densidad sería inferior a la densidad crítica y la expansión se frenaría, pero sin detenerse nunca. Un universo con geometría plana representa el límite entre los dos casos, y la expansión acabaría por detenerse, pero al cabo de un tiempo infinito.
- ¿Cómo evoluciona el Universo?
Hoy se ha llegado a un acuerdo entre la teoría y la observación, cosa que nos permite afirmar que el Universo se inició hace unos 14.000 millones de años. El Universo nació a partir de lo que se llama una singularidad: un estado de temperatura y densidad infinitas en el que todavía no existía el espacio, ni el tiempo, ni las leyes de la física. Por causas todavía no conocidas, esta singularidad empezó a expandirse y aparecieron el espacio, el tiempo, la materia, la energía y todas las leyes de la naturaleza. Durante los primeros instantes, la aceleración fue inimaginablemente rápida (periodo inflacionario), cosa que aumentó sus dimensiones de forma extraordinaria, "planchando" el Universo y confiriéndole la geometría plana que ahora ostenta. Al principio, el Universo era una sopa caliente y luminosa compuesta por partículas elementales y energía. Al cabo de unos 100 segundos se había enfriado lo suficiente como para que se hubiesen formado las partículas que componen nuestro mundo: los protones y los neutrones, una parte de los cuales se habían unido y formado núcleos de helio (un 24 % del total de la material del Universo), y pequeñas cantidades de litio, berilio y boro. Durante 300.000 años el Universo se fue expandiendo y enfriando hasta alcanzar aproximadamente los 10.000 grados. En este momento, los protones y los electrones se recombinaron y dieron átomos de hidrógeno, cosa que ocasionó que, a partir de aquel momento, la materia y la energía dejaran de interaccionar entre sí y cada una inició su evolución por su lado. El Universo pasó a ser oscuro y transparente.
Durante unos mil millones de años el Universo no fue otra cosa que una nube de hidrógeno y helio que se iba expandiendo y enfriando. Después, pequeñas partes de esta nube de gas se comprimieron bajo su propio peso y dieron origen a las primeras estrellas: la luz volvió al Universo. Paralelamente, otras nubes de gas, de medida mediana, se iban uniendo y dando lugar a las primeras galaxias. Este proceso ha continuado hasta el actual Universo en el cual las galaxias tienen tendencia a fusionarse para dar paso, a su vez, a objetos cada vez mayores. La temperatura actual del Universo es de tan sólo 3K (-270 grados centígrados). El Universo continúa expandiéndose y, según el estado actual de los conocimientos, esta expansión continuará indefinidamente. Las galaxias seguirán fusionándose, de modo que sólo quedarán unas pocas de ellas, pero muy grandes; las estrellas evolucionarán y morirán, y la temperatura descenderá hasta los 0K: será la muerte térmica del Universo.
- ¿Cómo evolucionan las estrellas?
Las estrellas se forman cuando pequeñas partes de las nubes de gas y polvo existentes en el Universo (las nebulosas) se concentran bajo el efecto de su propio peso y se calientan. Cuando la temperatura central llega a los 15 millones de grados, el hidrógeno se fusiona termonuclearmente y da helio. Esto genera una fuente de energía capaz de detener la compresión de la protoestrella: en este momento se dice que ha nacido una estrella.
A partir de ese momento, el destino de la estrella depende de su masa. A las estrellas de masa similar al Sol, las partes centrales se volverán a comprimir y a calentar cuando se acabe el hidrógeno. Entonces, y a partir del helio (ceniza de las reacciones termonucleares de fusión del hidrógeno), se sintetizarán el carbono y el oxígeno. Esta fuente extra de energía hará que la estrella se expanda y se convierta en una estrella gigante roja. Finalmente, las capas más externas se escaparán de la estrella (fase de nebulosa planetaria) y el núcleo de helio, carbono y oxígeno desnudo (enana blanca) se irá enfriando hasta apagarse completamente (enana negra).
Las estrellas de masas superiores son capaces de continuar este proceso de compresión y recalentamiento utilizando, como combustible, las cenizas de las reacciones termonucleares anteriores y sintetizando nuevos elementos. Las de masas superiores a unas 20 veces la masa del Sol son capaces de llegar a sintetizar hasta un núcleo de hierro. Luego explotan como supernovas.
- ¿Qué es una estrella supernova?
Como hemos dicho en la respuesta anterior, las supernovas son la muerte de las estrellas de gran masa. Cuando se ha generado el núcleo de hierro, el proceso de síntesis de elementos cada vez más pesados no puede continuar, ya que a partir de ese momento las reacciones de fusión termonuclear absorben energía en vez de producirla. Entonces el núcleo de la estrella se enfría repentinamente y se comprime con gran violencia hasta adquirir la densidad del núcleo atómico. El resto de la estrella cae sobre ese núcleo extremadamente duro, rebota y sale despedido hacia el espacio. Al final, sólo queda el núcleo comprimido de la estrella (una estrella de neutrones de una medida de tan sólo 15 kilómetros de diámetro, o bien un agujero negro, según que la masa de la estrella inicial fuera mayor o menor). En las capas que quedaron en expansión se sintetizan los elementos superiores al hierro. Las explosiones de supernova constituyen uno de los fenómenos más energéticos del Universo. También son la causa de la evolución química del Universo, ya que introducen en el espacio elementos químicos producidos por la estrella. Todos los elementos químicos que componen el planeta Tierra (a excepción del hidrógeno y del helio) fueron sintetizados por generaciones de estrellas anteriores al Sol que explotaron como supernovas.
- ¿Qué es un agujero negro?
Un agujero negro se forma cuando por causa de una gran acumulación de materia, o bien en una explosión de supernova una masa se comprime de tal modo que su medida resulta más pequeña que el llamado "radio de Schwarchild" (para la masa del Sol semejante radio es de tan sólo 3 kilómetros). Llegando a este extremo, nada puede detener la compresión y la masa se acumula en un punto de densidad infinita. La intensidad de la fuerza de la gravedad alrededor de una masa tan comprimida es extraordinariamente intensa, de manera que nada de lo que cae dentro del "radio de Schwarchild" puede escapar, y termina por caer al centro. Ni siquiera la luz puede escapar, nada que esté cerca y tenga la desgracia de atravesar el radio, podrá volver a salir de él.
