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.
