GUÍA BREVE
50 CONCEPTOS Y TEORÍAS DEL UNIVERSO
DESCUBRIMIENTOS Y FENÓMENOS
GUÍA BREVE
50 CONCEPTOS Y TEORÍAS DEL UNIVERSO DESCUBRIMIENTOS Y FENÓMENOS Ilustraciones Steve Rawlings
Charles Liu Karen Masters Sevil Salur
Título original 30-Second Universe Edición Susan Kelly Dirección editorial Tom Kitch Dirección creativa y artística Michael Whitehead, James Lawrence Coordinación editorial Kate Shanahan Edición de proyecto Stephanie Evans Diseño Ginny Zeal Ilustración Steve Rawlings Traducción Antøn Antøn Revisión de la edición en lengua española David Galadí-Enríquez Astrónomo, Doctor en Física
Coordinación de la edición en lengua española Cristina Rodríguez Fischer Primera edición en lengua española 2019 © 2019 Naturart, S.A. Editado por BLUME Carrer de les Alberes, 52, 2.º, Vallvidrera 08017 Barcelona Tel. 93 205 40 00 e-mail info@blume.net © 2019 The Ivy Press Limited, The Quarto Group, Londres, Reino Unido I.S.B.N.: 978-84-17757-42-7 Impreso en China Todos los derechos reservados. Queda prohibida la reproducción total o parcial de esta obra, sea por medios mecánicos o electrónicos, sin la debida autorización por escrito del editor.
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C104723
CONTENIDO
42 44 46 48 50
La curvatura cósmica La constante cosmológica La gravedad La materia brillante y la oscura La energía brillante y la oscura
52 54 56 58 60 62 64
El universo cuántico GLOSARIO Perfil: Marie Curie La incertidumbre cuántica El modelo estándar El bosón de Higgs Bosones, los portadores de la fuerza 66 La masa faltante 68 Los neutrinos 6 Introducción 10 12 14 16 18 20 22 24 26
El origen del universo GLOSARIO Perfil: Henrietta Swan Leavitt El Big Bang Dónde comenzó todo Cuándo comenzó todo Cómo comenzó todo El despertar de las fuerzas Las oscilaciones acústicas bariónicas 28 La materia y la antimateria 30 El fondo cósmico de microondas 32 La iluminación cósmica 34 36 38 40
El universo observable GLOSARIO Perfil: Vera Rubin La relatividad general
70 72 74 76
80 82 84 86 88 90
El universo físico GLOSARIO Perfil: Hipatia de Alejandría Las leyes del movimiento orbital de Kepler Las leyes del movimiento de Newton Los agujeros negros Las galaxias Las estrellas Entre las estrellas Los planetas La vida tal y como la conocemos
92 94 96 98 100
El universo metafísico GLOSARIO Perfil: Immanuel Kant El universo en la Antigüedad El universo conjeturado
78
102 104 106 108
El universo observado Conocer lo incognoscible ¿Por qué estamos aquí? La conciencia cósmica
110 112 114 116 118 120 122 124 126 128
El destino del universo GLOSARIO Perfil: Stephen Hawking El final de la vida en la Tierra El destino de nuestro planeta La muerte del Sol Choque de galaxias Las cenizas de las estrellas La desintegración de la materia La evaporación de los agujeros negros 130 El frío y oscuro final
132 134 136 138 140 142 144 146 148 150
El multiverso GLOSARIO Perfil: Erwin Schrödinger El universo infinito Muchos mundos La teoría de cuerdas La supersimetría La teoría M Las multiconexiones cósmicas El universo desconocido
152 154 156 158 160
Apéndice Fuentes Notas sobre los autores Índice Agradecimientos
LA ILUMINACIÓN CÓSMICA el universo en 30 segundos Tras la separación de la materia
DESTELLO EN 3 SEGUNDOS La luz no viajó muy lejos por el universo hasta después de la época de la reionización, cuando la mayor parte de la materia se volvió a cargar eléctricamente.
EXPANSIÓN EN 3 MINUTOS Esta época de la historia cósmica se llama «reionización» porque toda la materia del universo estaba completamente ionizada antes de que se formara el fondo cósmico de microondas. La génesis del fondo se produjo cerca del momento en el que la materia se desionizó y se volvió eléctricamente neutra. Hoy en día, la mayor parte del gas neutro que queda se concentra en nubes frías de gas, que, aunque no brillan, pueden observarse gracias a la luz que absorben de objetos luminosos distantes tales como los cuásares.
32 g El origen del universo
y la energía y la formación del fondo cósmico de microondas, unos 380 000 años después del Big Bang, la luz pudo viajar con libertad, aunque no podía llegar muy lejos. Imaginemos que encendemos una linterna en una noche con niebla. Después de recorrer una corta distancia, el rayo de luz se habrá topado con tantas gotas de agua en su camino que se verá absorbido y dispersado en todas direcciones. Lo mismo pasó en los albores del universo, cuando había átomos de hidrógeno y de helio esparcidos por todo el espacio. Con el tiempo, la «niebla» se dispersó al formarse las primeras generaciones de estrellas, galaxias y agujeros negros. Comenzaron a emitir radiación de alta energía —luz ultravioleta, de rayos X y de rayos gamma— al espacio, chocando con los innumerables átomos gaseosos e ionizándolos (es decir, separando los electrones de los núcleos y creando partículas cargadas en todo el gas), lo que permitió que la luz de baja energía fluyera por el gas sin verse absorbida. Durante cientos de millones de años, la mayor parte del espacio se vio libre del gas neutro que dispersaba la luz, por lo que la luz de las estrellas pudo brillar a través de miles y millones de años luz e iluminar, por fin, el cosmos.
TEMAS RELACIONADOS
Véanse también EL BIG BANG página 16 EL FONDO CÓSMICO DE MICROONDAS página 30 LOS AGUJEROS NEGROS página 80 LAS GALAXIAS página 82 LAS ESTRELLAS página 84
MINIBIOGRAFÍAS C. ROGER LYNDS
1928WALLACE SARGENT
1935-2012 Astrónomos estadounidenses y pioneros en el descubrimiento y estudio del bosque Lyman-alfa (nubes intergalácticas de gas hidrógeno, que permanecieron tras la reionización del universo).
Las mediciones espectroscópicas del universo distante revelan un «bosque» intergaláctico de nubes frías de hidrógeno que sobrevivieron a la reionización cósmica.
LAS LEYES DEL MOVIMIENTO ORBITAL DE KEPLER el universo en 30 segundos En 1609, el astrónomo y matemático
DESTELLO EN 3 SEGUNDOS Johannes Kepler descubrió tres leyes que describen el movimiento de los objetos en el universo y que suponen la base de toda la dinámica orbital y de los viajes espaciales en la actualidad.
EXPANSIÓN EN 3 MINUTOS La tercera ley de Kepler —llamada a menudo «ley armónica»— es una relación matemática que surge de la interacción entre las dos primeras leyes. Es la herramienta matemática básica que se usa en astronomía hoy en día para medir la masa de cualquier objeto o sistema celestes —asteroides, planetas, estrellas, galaxias y demás— con diámetros que van desde unos cuantos metros hasta los millones de años luz.
76 g El universo físico
alemán Johannes Kepler publicó Astronomia nova, donde describió sus descubrimientos sobre el movimiento de los cuerpos celestes. Al analizar los datos de los planetas obtenidos tras años de meticulosa observación, el científico se percató de dos importantes hallazgos: en primer lugar, que los planetas giran alrededor del Sol en una trayectoria elíptica en la que el este se encuentra en un foco de la elipse en lugar de en el centro de aquella; y, en segundo lugar, que los planetas se mueven más rápido cuando están más cerca del Sol, de tal manera que sus trayectorias abarcan áreas iguales dentro de esa elipse durante períodos de tiempo equivalentes. Diez años más tarde, en su obra Harmonices mundi («La armonía de los mundos»), Kepler publicó una tercera relación matemática clave sobre el movimiento planetario según la cual el cuadrado del período orbital de cada planeta es proporcional al cubo de la distancia de dicho planeta al Sol. Estas tres leyes matemáticas, conocidas como «leyes del movimiento orbital de Kepler», reflejan la base fundamental de todo el movimiento en el universo provocado por la gravedad y la rotación. Su primera ley, por ejemplo, es cierta porque la aceleración de la gravedad se rige por una ley de la inversa al cuadrado; la segunda ley, por otro lado, es el resultado de la «conservación del momento angular», algo que ocurre en todos los sistemas que giran en todo el cosmos.
TEMAS RELACIONADOS
Véanse también LAS LEYES DEL MOVIMIENTO DE NEWTON página 78 LOS PLANETAS página 88
MINIBIOGRAFÍAS TYCHO BRAHE
1546-1601 Astrónomo danés que se convirtió en el matemático imperial de Bohemia y que recopiló las mediciones de los movimientos planetarios más detalladas de su época. JOHANNES KEPLER
1571-1630 Astrónomo alemán, y sucesor de su mentor Brahe, que se basó en el trabajo de este último y combinó las observaciones astronómicas con cálculos matemáticos para averiguar cómo orbitan los planetas alrededor del Sol.
Los movimientos orbitales de las estrellas, los satélites y las estaciones espaciales se rigen por las leyes matemáticas que llevan el nombre de Kepler.
El universo abarca absolutamente todo lo que fue, es y será, todo lo que supimos, sabemos y podremos saber. Cuando consideramos el universo como un todo salen a la luz nuevas verdades, e inesperadas perspectivas iluminan nuestra visión de la vida, incluso de la propia realidad.
el big bang
dónde comenzó todo LAS LEYES cuándo comenzó todo DEL MOVIMIENTO cómo comenzó todo el despertar de las fuerzas ORBITAL DE KEPLER las oscilaciones acústicas bariónicas
la materia y la antimateria el fondo cósmico de microondas En 50 conceptos y teorías del universo la iluminación cósmica se explican todas las asombrosas teorías y fenómenos la relatividad general que componen el cosmos: los agujeros negros, la curvatura cósmica 1609, el astrónomolay constante matemático los cuarks, el bosón de Higgs, elEn multiverso, cosmológica alemán Johannes Kepler publicó Astronomia nova, la gravedad cómo la propia certeza puede ser incierta y, la materia y la oscura dondemundo, describió sus descubrimientos sobrebrillante el por supuesto, de dónde vino nuestro la energía brillante y la oscura hacia dónde vamos y qué sucederá. Todas de los cuerpos celestes. Al analizar movimiento DESTELLO TEMAS RELACIONADOS la incertidumbre cuántica estas sedatos explican EN 3 respuestas SEGUNDOS cosmológicaslos Véanse también de con los planetas obtenidos tras años de el modelo estándar Johannes Kepler LAS LEYES DEL MOVIMIENTO brevedad. Paradescubrió leer cada apartado solo necesita meticulosa observación, el científico se percató el bosón de higgs tres leyes que describen DE NEWTON 30 segundos, tras los cuales sede indican recursos hallazgos: en primer lugar, dos importantes bosones, los portadorespágina de las78fuerzas el movimiento de los objetos para los perfiles en elseguir universoexplorando y que suponeny se danque faltante los planetas giran alrededorladelmasa Sol en una LOS PLANETAS delalos científicos relacionados. baseprincipales de toda la dinámica página 88 los neutrinos trayectoria elíptica en la que el este se encuentra orbital y de los viajes Este pequeño libroespaciales arroja luz sobre las ideas, las leyes del movimiento orbital la actualidad. en un foco en el centro losenconceptos y los descubrimientos más de la elipse en lugar de de kepler MINIBIOGRAFÍAS dedel aquella; los planetas se grandes de la vida, del universo, todo. y, en segundo lugar, que las leyes del movimiento de newton TYCHO BRAHE mueven más rápido cuando están más cerca del Sol, los agujeros negros EXPANSIÓN 1546-1601 Charles Liu es profesor de astrofísica en las abarcan galaxiasáreas Astrónomo danés que EN 3 MINUTOS de tal manera que sus trayectorias se convirtió en el matemático tercera ley de Kepler las estrellas laLaUniversidad de la Ciudad de Nueva York, iguales dentro de esa elipse durante períodos de imperial de Bohemia a menudo entre las estrellas en—llamada su facultad de Staten Island, y es miembro y que recopiló las mediciones tiempo equivalentes. Diez años más tarde, en su obra «ley armónica»— es una los planetas de los movimientos planetarios del Museo Estadounidense de Historia Natural. relación matemática que Harmonices mundi («La armoníalade lostal mundos»), más detalladas de su época. vida y como la conocemos surge de la interacción Kepler publicó una tercera relación matemática el universo en la antigüedad Karen Masters es profesora adjunta de física JOHANNES KEPLER entre las dos primeras 1571-1630 el universo conjeturado leyes. Es la herramienta clave sobre el movimiento planetario según la cual y astronomía en el Haverford College de Filadelfi a. Astrónomo alemán, y sucesor matemática básica que se el universo observado el cuadrado del período orbital de cada planeta es de su mentor Brahe, que se usa en astronomía hoy en día conocer lo incognosciblebasó en el trabajo de este último Sevil Salur es profesora adjuntaproporcional del Departamento al cubo de la distancia de dicho planeta para medir la masa de cualquier ¿por qué estamos aquí? y combinó las observaciones deobjeto Física y Astronomía Rutgers de o sistema celestes de la Universidad al Sol. Estas tres leyes matemáticas, conocidascósmica como astronómicas con cálculos la conciencia Nueva Jersey. —asteroides, planetas, matemáticos para averiguar «leyes del movimiento orbital de Kepler», reflejan el fi nal de la vida en la tierra estrellas, galaxias y demás— cómo orbitan los planetas el destino deennuestro planeta alrededor del Sol. con diámetros que van desde la base fundamental de todo el movimiento el unos cuantos metros hasta la muerte del sol universo provocado por la gravedad y la rotación. los millones de años luz. choque de galaxias Su primera ley, por ejemplo, es cierta porque la las cenizas de las estrellas aceleración de la gravedad se rige por una ley de de la materia Los movimientos la desintegración orbitales de las la inversa al cuadrado; la segunda por otro lado, laley, evaporación de los agujeros negros el frío oscuro final estrellas, los satélites es el resultado de la «conservación del ymomento Preservamos el medio ambiente y las estaciones el universo infinito angular», algo que ocurre en todos los sistemas • Reciclamos y reutilizamos. espaciales se rigen por muchos mundos • Usamos papel de bosques gestionados giran en todo el cosmos. la teoría de cuerdas deque manera responsable. las leyes matemáticas que llevan el nombre la supersimetría de Kepler. 76 g El universo físico la teoría m las multiconexiones cósmicas 9 788417 757427 el universo desconocido
el universo en 30 segundos
ISBN 978-84-17757-42-7