El origen del Universo y las partículas elementales

     

      El Universo está compuesto esencialmente de vacío y estrellas, agrupadas en galaxias, una de ellas es nuestra Vía Láctea, que pertenece al Grupo Local, el cual contiene a su vez la galaxia espiral Andrómeda y unas 30 galaxias más. Las galaxias se agrupan en los llamados cúmulos. Cada galaxia contiene miles de millones de estrellas (agrupadas también en cúmulos). Entre las estrellas y las galaxias se encuentran el vacío y las nubes interestelares o nebulosas, que son mezclas de gases y de polvo.

Galaxia Andrómeda, situada a 2,5 millones de años-luz de la Tierra.

La imagen que vemos ahora, es por tanto, tal como era hace 2,5 millones de años. 

Pertenece al Grupo Local, en el que se halla también la Vía Láctea.

      Las galaxias son conjuntos de miles de millones de estrellas, gas y polvo, unidos por la gravitación, que se pueden mover casi a la velocidad de la luz (0,9 c). Todas parecen venir de un mismo punto. Las nebulosas son regiones del espacio interestelar a modo de inmensas nubes constituidas por gases (principalmente hidrógeno y helio) y elementos y compuestos químicos pesados en forma de polvo cósmico (hielo, carbono, silicio, etc.). Las nebulosas se encuentran en las galaxias, y muchas de ellas son los lugares donde nacen las estrellas pues los gases de hidrógeno y helio experimentan un proceso de contracción gravitatoria, y en otras ocasiones se trata de la materia expulsada por las estrellas ya extintas o en extinción. Se han detectado miles de nebulosas en la mayoría de las galaxias, incluida la nuestra, la Vía Láctea.

 

Nebulosa Trífida

Zona joven de formación de estrellas que

se encuentra en el plano de nuestra galaxia

 

      Respecto al origen del Universo, hace unos 17,3X10⁹ de años, existe la hipótesis de que la materia se hallaba comprimida a elevada temperatura y con densidad infinita, debido a la acción de grandes fuerzas gravitacionales (radio del Universo en su origen del orden de 1 μm).

      Al principio, a t = 0, E = ∞ y a este nivel de energía, la interacción gravitatoria era más importante que las otras tres: fuerte, electromagnética y débil.

      Cuando t = 10^-43 s, la energía se supone es de unos 10¹⁹ GeV y a este nivel hubo materialización de la misma, bajo la forma de mediadores comunes a la interacción unificada: fuerte, electromagnética, débil.

      A t = 10^-35 s y E 10¹⁵ GeV, se produjo una gran explosión de esta materia comprimida inestable, el Big Bang. Los mediadores comunes se desintegraron en pares de partículas y sus antipartículas, principalmente quarks-antiquarks (q + ^/q), que, a su vez, se desintegraron dando fotones, quedando la materia reducida y formada por electrones, neutrinos, antineutrinos, quarks u, d, s, c, b, t una nube de fotones y bosones W y Z. En estas condiciones, se formó un plasma de partículas elementales moviéndose cada una de ellas a la velocidad de la luz.

      A los 10^-10 s y E = 100 GeV, terminó el “caos”, la interacción fuerte predominaba y se produjeron sólo u, d, e y ϒ (fotones). La unión d de los quarks u y d dió lugar a protones. Los fotones siguieron la dilatación del Universo, siendo ellos los que actualmente originan este ruido de fondo radioeléctrico de 4 mm de longitud de onda que viene del espacio.

      A los 10^-6 s y E = 1 GeV, aparecen los primeros neutrones según la reacción

p + e → n + ν (neutrinos).

      A t = 1 s y E = 1 MeV se originan los primeros núcleos. Los electrones rodean a los núcleos y a los tres minutos del inicio (E = 100 keV) se forman los átomos de H (e + p) y He (2e + α), los constituyentes mayoritarios de nuestro universo.

      A los 10⁵ años y E =0,1 eV se originan las estrellas y las galaxias, con sus nebulosas. Y a unos mil millones de años (E = 0,02 eV) llegamos a la situación actual.

     Efectivamente, de acuerdo con la Teoría de la relatividad, aplicando las correspondientes ecuaciones de Einstein y tras la realización de diversos experimentos, se deduce que el Universo no es estático, está en expansión desde un estado de contracción inicial. Algunos científicos opinan que la expansión continuará hasta un momento en el que, por oposición de las fuerzas de atracción gravitatoria, el Universo se contraerá e implosionará (gran colapso o Big Crunch), después volverá un segundo Big-Bang y se repetirá el mismo escenario. De todas maneras, hay quien piensa que como los nucleones se desintegran a los 10³⁵ años, al cabo de este tiempo desaparecerá la materia y quedará solo la energía en forma de fotones. E incluso se cree que el enfriamiento del universo en su expansión tiene un límite, el cero absoluto, -273 ^oK.

      Actualmente, los científicos hacen colisionar protones, a velocidad cercana a la de la luz, en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN, creando unas condiciones similares al Big Bang. Se cree que los fermiones (electrones y quarks), que son las partículas “ladrillos” de los que está compuesto el Universo, pasaron por un campo de energía (el Campo de Higgs, que sigue presente llenando todo el Universo) cuyo cuanto o partícula asociada es el Bosón de Higgs, que los frenó hasta que adquirieron masa. Es decir, el bosón de Higgs, cuya existencia está probada, es una partícula con masa, causa de esos rozamientos que impedían el libre desplazamiento de la mayoría de las partículas elementales dotándolas de masa, cosa que de no ser así las hubiera permitido viajar sin rumbo  a la velocidad de la luz, tal como ocurre con algunas que no tienen masa, entre ellas el fotón de la propia luz, por no ser afectadas por los bosones de Higgs.

HLC, Gran colisionador de hadrones

 

      Los elementos químicos que componen toda la materia del Universo y que están constituidos de las mencionadas partículas elementales, se clasifican por su número atómico (número de protones del núcleo) distribuidos en 18 columnas (grupos o familias) y en 7 filas horizontales (periodos) de la tabla periódica.

Tabla periódica de los elementos químicos

     

      Situando las tierras raras (elementos de supertransición: lantánidos y actínidos) dentro de la tabla, las dos últimas filas tendrían 32 elementos. Los elementos naturales son los 92 primeros, los demás son artificiales, y muchos de ellos inestables.

      El número total de átomos del Universo se estima en 10⁷ de los que casi la totalidad son de los elementos químicos hidrógeno, H, y helio, He. Por ejemplo, la abundancia de átomos de H en el Universo es de 92,7%, de helio 7,18% y el resto de otros átomos como oxígeno (0,057%), neon (0,022%), nitrógeno (0,015%), carbono (0,008%), silicio (0,0023), magnesio (0,0020%), hierro (0,0014%), azufre (0,001%), etc.

      El Sol y demás estrellas contienen un porcentaje de número de átomos: 75% de H y 25% de helio. Y existen trazas de los otros elementos, entre ellos el carbono, como se comprueba al estudiar el espectro de la luz solar. El carbono no pudo obtenerse en el Big Bang, puesto que necesita del choque de núcleos de helio, no presentes entonces, pero sí posteriormente en las estrellas.

      Los planetas Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno contienen en estado sólido y gaseoso metano, vapor de agua, hielo, amoníaco, sulfuro de hidrógeno, dióxido de carbono, nitrógeno, carbono, etc., aunque su atmósfera está compuesta principalmente de hidrógeno y helio.

     La litosfera de la Tierra está formada principalmente por O, Si, Al, H, Na, Ca, Fe (núcleo), Mg, K. La hidrosfera por H y O principalmente y la atmósfera de N (76,1%), O (21,4%), H (1,95%), etc. Los demás planetas telúricos (Mercurio y Venus) tienen composición parecida a la de la Tierra. Los planetas exteriores tienen composiciones muy diferentes, contienen dihidrógeno, helio, metano, argón, nitrógeno, carbono, dióxido de carbono, hielo, etc.