La cosmología es una parte de la astronomía que estudia la estructura, el origen y el desarrollo de la totalidad del Universo. La astronomía es la ciencia que estudia los astros componentes del Universo a partir de la información que nos proporciona la radiación electromagnética que nos llega de ellos: luz visible, infrarrojos, ultravioleta, rayos X, etc. La astrofísica es una parte de la astronomía que aplica las leyes de la física para estudiar la naturaleza de los astros y su comportamiento.

Modelos del Universo

Modelo del universo estático e infinito

Einstein expuso su teoría de la relatividad general; sus ecuaciones predecían un modelo de universo en expansión, pero la idea que tenía era tan fuerte que introdujo en ellas un factor, la constante cosmológica, para obligar a su modelo a permanecer estático.

Modelo del universo dinámico y finito: el Big Bang

Hubble demostró experimentalmente que las galaxias se alejan unas de otras y que el universo está en expansión. Esto quiere decir que hubo un momento inicial en el que todas las galaxias estaban juntas y que el universo tuvo un origen. El modelo cosmológico del Big Bang o gran explosión propone que el universo es dinámico y finito y se creó en una explosión a partir de un punto inmaterial infinitamente denso y caliente, hace unos 13,700 millones de años, y desde entonces no ha cesado de expandirse, impulsado por una energía enigmática e invisible, conocida como energía oscura.

La energía oscura

Es una forma de materia o energía que estaría presente en todo el espacio, produciendo una presión que tiende a acelerar la expansión del universo.

El Big Bang

En medio de la nada más absoluta se produjo una explosión, el Big Bang, que generó una minúscula mota de luz radiante infinitamente caliente y, en ese mismo instante, en su interior nació el espacio y con él sonó el tic tac del primer amanecer del tiempo. De este momento se formó el universo, que no ha cesado de expandirse, empujado por una enigmática energía oscura, enfriándose cada vez más. La energía de la radiación era tan intensa en los primeros instantes del universo que espontáneamente se convertía en partículas minúsculas de materia llamadas quarks y leptones. Conforme el espacio y el tiempo se expandieron, esta especie de sopa caliente de materia primordial se enfrió gradualmente y generó inmensas nubes de hidrógeno y helio a partir de las cuales se formaron las galaxias. Hizo su aparición un tipo de materia llamada materia oscura.

Materia oscura

Es la materia hipotética de composición desconocida que no emite o refleja suficiente radiación electromagnética para ser observada directamente con los medios técnicos actuales.

Las Eras del Universo

Era de Planck

Hasta los 10^-41 segundos después del Big Bang, se le ha llamado la frontera física, porque hasta el momento no existe ninguna teoría que le permita describir con exactitud las características y las propiedades de este instante fugaz. Se supone que en la era de Planck la temperatura y la densidad eran tan altas que las cuatro fuerzas que rigen el comportamiento de todas las partículas elementales estaban agrupadas en una única superfuerza, la electronuclear gravitatoria, y toda la materia se hallaba bajo la forma de energía.

Era de la gran unificación

Entre los 10^-43 y 10^-36 segundos se separó la fuerza de la gravedad de las tres fuerzas restantes, que permanecían unidas bajo la forma de la gran fuerza unificada.

Era de la inflación

La expansión del espacio-tiempo y el enfriamiento permitieron la separación de la fuerza nuclear fuerte. Esta separación desprendió una inmensa cantidad de energía que provocó una etapa de inflación en la que el universo incrementó su tamaño en octillones de veces.

Era electrodébil

Cuando apenas había transcurrido 10^-32 segundos y el universo tenía una temperatura de 10²⁷ K, los fotones se materializaban y daban lugar a pares de partículas de materia y antimateria. Así se formaron los quarks y los antiquarks. Los quarks y los antiquarks colisionaban para volver a convertirse en fotones. La temperatura fue disminuyendo de tal forma que la energía de la radiación ya no era suficiente para permitir su materialización en pares de quark-antiquark.

Era hadrónica

Para que la fuerza nuclear actuase sobre los quarks y permitiera la aparición de asociaciones estables de los mismos, que dieron lugar a la formación de partículas hadrónicas que formaron los núcleos de los primeros elementos químicos.

Era leptónica

A los 10^-3 segundos, la temperatura de este horno gigantesco ya no permitía formar más quarks, pero todavía tenía la temperatura suficiente para que la energía de la radiación fotónica se materializase en pares de partículas de menor masa: leptones-antileptones.

Era de la nucleosíntesis

Cuando el universo tenía 1 segundo de edad, la temperatura alcanzó un valor suficientemente bajo como para permitir la unión entre protones y neutrones y, en apenas 3 minutos, se formaron núcleos de hidrógeno, helio y pequeñas cantidades de litio.

Era de los átomos y de la radiación

Unos 300,000 años después del Big Bang, la temperatura había alcanzado los relativamente frescos 2700 ºC, lo que había disminuido lo bastante como para permitir que la fuerza electromagnética actuase e hiciese posible la asociación estable entre los núcleos.

Las Galaxias

Las galaxias son enormes acumulaciones de materia en forma de polvo cósmico, nebulosas y estrellas, algunas de las cuales poseen sistemas planetarios. La Vía Láctea es una galaxia espiral que contiene nebulosas, polvo cósmico y entre 100,000 y 300,000 millones de estrellas, en uno de cuyos brazos se encuentran el sol, la tierra y los demás planetas del sistema solar.

Estructura de la Vía Láctea

• Bulbo o núcleo (1): formado por viejas estrellas y con un agujero negro en su centro.
• Disco (2): de forma achatada, contiene polvo cósmico, estrellas más jóvenes y nebulosas distribuidas en cinco brazos principales en espiral: el de Perseo, el de Orión (donde estamos), el de Sagitario, el de Centauro y el del Cisne.
• Halo (3): tiene forma esférica y contiene viejas estrellas agrupadas en cúmulos globulares y algunas estrellas aisladas.

Las Estrellas

Las estrellas son enormes esferas de hidrógeno y helio. Estos gases están calientes y alcanzan temperaturas tan elevadas que convierten el interior de las estrellas en una gigantesca bomba de fusión termonuclear. Esa bomba permite que la estrella se encienda y emita cantidad de energía radiante.

Etapas de Evolución Estelar

• Protoestrella: es el periodo de evolución de una estrella desde que es una nube molecular formada de hidrógeno, helio y partículas de polvo que empiezan a contraerse hasta que la estrella alcanza la secuencia principal.
• Gigante roja: es una estrella de masa intermedia que, tras haber consumido el hidrógeno en su núcleo durante la etapa de secuencia principal, convirtiéndose en helio por fusión nuclear, comienza a quemar hidrógeno en una cáscara alrededor del núcleo de helio inerte.
• Nebulosa planetaria: es una nebulosa de emisión consistente en una envoltura brillante de expansión de plasma y gas ionizado, expulsada durante la fase de rama asintótica gigante que atraviesan las estrellas gigantes rojas en los últimos momentos de sus vidas.
• Enana blanca: es un remanente estelar que se genera cuando una estrella de masas menores de 9-10 masas solares ha agotado su combustible nuclear.
• Enana negra: es un astro hipotético resultante del consumo completo de la energía térmica de una enana blanca.
• Estrella gigante: es una estrella con un radio y una luminosidad sustancialmente mayores que una estrella de la secuencia principal con la misma temperatura superficial.
• Agujeros negros: es una región del espacio cuya enorme densidad, provocada por una gran concentración de masa en su interior, genera un campo gravitatorio tal que ninguna partícula material, ni siquiera la luz, puede escapar de ella.
• Supernova: es la fase de explosión de la estrella en un final y terrible estallido.

Formación del Sistema Solar

Teoría de la acreción

Hace 5,000 millones de años, la supernova que marcó la muerte de una estrella gigante situada en el extremo de uno de los brazos de la Vía Láctea pudo representar el nacimiento del sistema solar. La onda expansiva generada por esta gigantesca explosión originó la compactación de una inmensa nebulosa de gas enriquecida con el polvo cósmico generado por la supernova, que comenzó a girar y se transformó en un gigantesco disco. El centro del disco se contrajo hasta formar una bola de gas hidrógeno y helio que se fue compactando y calentando cada vez más hasta alcanzar temperaturas elevadas.

Planetas

Son astros que orbitan alrededor del sol, poseen una masa suficiente para que su propia gravedad les permita tener una forma casi redonda y son los cuerpos dominantes de su entorno. La mayoría poseen uno o varios satélites o lunas que orbitan a su alrededor. Existen dos grupos:

• Planetas interiores: están más cerca del sol y son rocosos y densos, semejantes a la Tierra. Están los planetas Mercurio, Venus, la Tierra y Marte.
• Planetas exteriores: son planetas gigantes, ya que todos ellos poseen grandes envolturas gaseosas y en su interior aparece un núcleo interno rocoso. Están los planetas Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno.