Apuntes de Astronomía

Las fuerzas del Universo

Fuerza de gravedad, fuerza electromagnética, fuerza fuerte, fuerza débil

Como resultado de muchos experimentos, se ha construido lo que se llama el "modelo estándar", una teoría notablemente acertada sobre los constituyentes fundamentales de la materia, las partículas, y las fuerzas que las mantienen unidas. Y esa teoría, que fue elaborada durante largos años, ha sido corroborada con muchos de los resultados obtenidos en los aceleradores de partículas. Por ahora, este modelo estándar funciona bastante bien.

La física mejora cuando se observa la naturaleza a escalas cada vez más pequeñas, lo que se realiza con lo que llamamos "aceleradores de partículas". Estas inmensas máquinas necesitan una enorme cantidad de energía. Esta es la razón por la que se llama "física de altas energías" a la física de partículas. Estos aceleradores permiten sondear con mayor profundidad la estructura de la materia. Con ellos se ha aprendido mucho acerca de lo que constituye el Universo y acerca de las fuerzas que actúan entre los constituyentes de la materia.

Acelerador de partículas

Tenemos muchas indicaciones de que el Universo inicialmente tenía un estado muy compacto, denso y caliente, en el que las energías eran enormemente grandes. La física que gobernaba el comportamiento del Universo en su nacimiento, o justo después de éste, era la física de altas energías que todavía no comprendemos muy bien.

Isaac Newton fue tal vez el primero en investigar la fuerza que hacía que los cuerpos cayeran a tierra, la famosa anécdota de la manzana. Desde entonces, se ha avanzado mucho en el conocimiento de las fuerzas que actúan en el mundo material.

Esto de las fuerzas es un invento de la mente humana para intentar explicar poco a poco cómo funcionan las cosas. En realidad, no sabemos lo que es la materia ni cómo actúa. El hombre ha ido observando los hechos, intentando inventar fórmulas matemáticas que describan el comportamiento de la materia. Pero, lo que llamamos "leyes" han estado siempre ahí desde el comienzo y no sabemos cuáles son ni por qué son como son.

Los grandes logros cientificos consisten en aproximarse paulatina y parcialmente a un modelo que se parezca a la realidad.

Suponiendo, como por ahora creemos saber, que nuestro Universo empezó con el Big Bang, en los primeros instantes la temperatura tuvo que ser inmensamente elevada, millones de millones de grados, lo cual hacía que en el magma inicial solamente podía haber electrones, neutrinos y otras partículas elementales; pero no había ni protones, ni neutrones, ni átomos, ni moléculas.

Ese mundo primordial, caótico e informe, estuvo sometido desde el comienzo a ciertas fuerzas físicas, regidas por leyes precisas. Bajo la acción de estas fuerzas, el universo fue evolucionando y estructurándose de forma aleatoria, al azar. Nunca será demasiado repetir que todo lo que los científicos hacen, es observar el espacio infinito desde la Tierra, que es una partícula microscópica en el Universo. Por lo tanto, siempre habrá que decir: "parece que... ", "es como si...". En los últimos 500 años, nuestra concepción del mundo ha evolucionado de manera impresionante. ¿Cómo lo hará en los próximos 500 años? Hay que tener esto en cuenta, para no afirmar categóricamente lo que ahora creemos saber.

La evolución de algunas de esas partículas elementales llegó a producir el cerebro humano, dotado de una complejísima red de neuronas que ha realizado el milagro de generar pensamientos y sentimientos.

Gracias al trabajo conjunto de físicos, astrónomos y matemáticos, se ha ido descubriendo la estructura y funcionamiento de la materia. Los matemáticos encontraron modelos matemáticos que servían para describir la realidad física observada por físicos y astrónomos.

Una vez adoptada una estructura matemática que sirva para describir determinados fenómenos físicos, los físicos pueden predecir otras consecuencias de los distintos valores que se puedan dar a estas fórmulas. Si las predicciones se cumplen, eso reafirma el valor de las fórmulas empleadas. Si los hechos reales no se ajustan a las predicciones, significa que la fórmula no es totalmente válida. Por tal motivo, se convierte en un gran hallazgo la confirmación de que una predicción no se cumple.

Hasta ahora se han encontrado 4 fuerzas, o interacciones, denominadas fundamentales. De estas 4 fuerzas, solamente la gravedad actúa a escala cósmica y es una fuerza de atracción, no de repulsión. Por este motivo, para muchas personas resulta muy difícil aceptar que la explosión del Big Bang de potencia inimaginable inició el proceso de esparcir el cosmos en todas direcciones en un proceso de expansión que todavía prosigue hasta el día de hoy.

FUERZA DE GRAVEDAD	Estudiada inicialmente por Newton y luego por Einstein, quien le dio un nuevo enfoque.
FUERZA DÉBIL	La fuerza débil o fuerza nuclear débil o interacción nuclear débil actúa entre partículas elementales, en todos los procesos de interacción entre los neutrinos y la materia. La fuerza débil o intereacción débil es responsable de algunas reacciones nucleares.
FUERZA NUCLEAR FUERTE	La fuerza nuclear fuerte o interacción fuerte es un centenar de veces más intensa que la fuerza electromagnética y es la que mantiene unidos en el núcleo atómico a protones y neutrones. Ambas partículas, denominadas nucleones, permanecen así unidas.
FUERZA ELECTROMAGNÉTICA	Dos partículas con cargas eléctricas iguales se repelen. Dos partículas con cargas eléctricas diferentes se atraen. En ambos casos, con una fuerza que es directamente proporcional a las cargas eléctricas y que disminuye con el cuadrado de la distancia que las separa. Es la interacción electromagnética.

Las cuatro fuerzas llamadas fundamentales se reducirían a dos, si resultara correcta la unificación de la Teoría Cuántica de Campo y la Cromodinámica Cuántica.

De estas cuatro fuerzas, aún no hemos podido saber si son la misma interacción, pero que tienen características diferentes. De ellas, la más complicada de introducir es la gravedad. El campo gravitatorio no se basa en el intercambio de partículas sino en la deformación del espacio-tiempo. Existen teorías cuánticas que pretenden unificar la gravedad postulando la partícula de intercambio que, aunque no está descubierta todavía, se denominaría " gravitón".

En 1921, el matemático alemán Theodor Kaluza propuso un nuevo método para unificar estas 4 fuerzas en una sola. Demostró que, considerando 5 dimensiones, se puede agrupar el electromagnetismo y la gravitación en una sola teoría. Al introducir las otras dos fuerzas fundamentales, la teoría de Kaluza no funciona correctamente.

Existen otros estudios que, trabajando con más de 5 dimensiones, buscan la ansiada unificación.

Estas teorías no son teorías cuánticas, pues no trabajan con la idea de la interacción como un intercambio de partículas. En estas teorías las fuerzas se explican como una propiedad del espacio (tal y como sucede con la gravedad). Se denominan las teorías de las supercuerdas, que pretenden explicar toda la física mediante la introducción de unas diminutas cuerdas de materia muy densa; estas cuerdas son muy pequeñas, pues no tienen más de 10-35 m de largo.

Todas las cuerdas son lazos donde los fermiones y los bosones, que son las partículas elementales asociadas a la materia, y a las interacciones respectivamente, corresponden a ondas que viajan en la dirección de las manecillas del reloj para el caso de los fermiones y en dirección contraria, en el caso de los bosones. La teoría supone que las cuerdas son como minúsculos hilillos de energía que, según como vibren, generarían las distintas partículas y las diversas fuerzas existentes. Es la llamada Teoría de Cuerdas.

En las teorías de supercuerdas cada uno de los infinitos modos posibles de vibración, (armónicos y modos fundamentales de vibración), correspondería a una partícula diferente. Esto implica la existencia de un número infinito de partículas elementales. Todo esto es relativamente fácil de asimilar, pero se supone que estas cuerdas vibran en un espacio que tiene de 10 a 26 dimensiones.

En 1968, se demostró que existe una conexión entre la fuerza electromagnética y la fuerza nuclear débil. Es lo que se llama fuerza electrodébil.

Este enfoque se consiguió con la llamada Teoría Cuántica de Campos, que aplicada a las fuerzas electromagnética y débil se denomina electrodinámica cuántica. En esta teoría se considera que una fuerza que actúa entre dos partículas lo hace como  intercambio de unas partículas especiales llamadas partículas de fuerza o portadores de fuerza.

Estas partículas de fuerza son los bosones. Se puede decir que la fuerza electromagnética depende del intercambio de fotones, mientras que en la fuerza nuclear débil interviene el intercambio de dos tipos de bosones muy masivos llamados W y Z. Para la fuerza nuclear fuerte se postuló la existencia de una portadora que actúa a un nivel más profundo, son losgluones, bosones que no tienen masa.

Las matemáticas desarrolladas por matemáticos profesionales, está desprovista de referencias a la realidad física. Trata con abstracciones donde las conclusiones se deducen de axiomas supuestos, sin ninguna conexión con el mundo físico que conocemos. Cuando los físicos elaboran nuevas teorías, se encuentran a menudo con que hay estructuras matemáticas que se ajustan a ellas y las amplían.. Así, por ejemplo, cuando Einstein desarrolló su teoría de la gravitación, conocida como la teoría general de la relatividad, necesitó una teoría del espacio-tiempo curvado. Y encontró que esa teoría ya se había desarrollado en el siglo XIX por matemáticos como Riemann, Gauss y Lobatchewski, que no habían previsto que eso tendría relación con la gravitación.

Las fuerzas o interacciones fundamentales conocidas hasta ahora son cuatro: gravitatoria, electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil.

La gravitatoria es la fuerza de atracción que un trozo de materia ejerce sobre otro, y afecta a todos los cuerpos. La gravedad es una fuerza muy débil y de un sólo sentido, pero de alcance infinito.

La fuerza electromagnética afecta a los cuerpos eléctricamente cargados, y es la fuerza involucrada en las transformaciones físicas y químicas de átomos y moléculas. Es mucho más intensa que la fuerza gravitatoria, tiene dos sentidos (positivo y negativo) y su alcance es infinito.

La fuerza o interacción nuclear fuerte es la que mantiene unidos los componentes de los núcleos atómicos, y actúa indistintamente entre dos nucleones cualesquiera, protones o neutrones. Su alcance es del orden de las dimensiones nucleares, pero es más intensa que la fuerza electromagnética.

La fuerza o interacción nuclear débil es la responsable de la desintegración beta de los neutrones; los neutrinos son sensibles únicamente a este tipo de interacción. Su intensidad es menor que la de la fuerza electromagnética y su alcance es aún menor que el de la interacción nuclear fuerte.

Todo lo que sucede en el Universo es debido a la actuación de una o varias de estas fuerzas que se diferencian unas de otras porque cada una implica el intercambio de un tipo diferente de partícula, denominada partícula de intercambio o intermediaria. Todas las partículas de intercambio son bosones, mientras que las partículas origen de la interacción son fermiones.

En la actualidad, los científicos intentan demostrar que todas estas fuerzas fundamentales, aparentemente diferentes, son manifestaciones, en circunstancias distintas, de un modo único de interacción. El término "teoría del campo unificado" engloba a las nuevas teorías en las que dos o más de las cuatro fuerzas fundamentales aparecen como si fueran básicamente idénticas.

La teoría de la gran unificación intenta unir en un único marco teórico las interacciones nuclear fuerte y nuclear débil, y la fuerza electromagnética. Esta teoría de campo unificado se halla todavía en proceso de ser comprobada. La teoría del todo es otra teoría de campo unificado que pretende proporcionar una descripción unificada de las cuatro fuerzas fundamentales.

Hoy, la mejor candidata a convertirse en una teoría del todo es la teoría de supercuerdas. Esta teoría física considera los componentes fundamentales de la materia no como puntos matemáticos, sino como entidades unidimensionales llamadas "cuerdas". Incorpora la teoría matemática de supersimetría, que sugiere que todos los tipos de partícula conocidos deben tener una "compañera supersimétrica", la mayoría todavía no descubiertas.

Esto no significa que exista una compañera para cada partícula individual (por ejemplo, para cada electrón), sino un tipo de partícula asociado a cada tipo conocido de partícula. La partícula hipotética correspondiente al electrón sería el selectrón, por ejemplo, y la correspondiente al fotón sería el fotino.

Vía Láctea

Una de los miles de millones de galaxias es la Vía Láctea

El genial creador de las novelas de ciencia ficción "Fundación" y "Robots e Inperio", Isaac Asimov (1920-1992) sitúa todas las acciones de sus protagonistas dentro de "la" galaxia. Todos los saltos al hiper espacio terminan siempre en algún planeta que orbita alrededor de una estrella de "la" galaxia. Todos los reinos del Imperio Galáctico se encuentran en "la"galaxia y todas las posibles invasiones de conquista provienen de alguno de sus planetas. Esto es así porque hasta hace muy pocos años se consideraba que todo el universo estaba formado por esta galaxia, la Vía Láctea; la cual aunque realmente inmensa, es solamente una de las más de 100.000 millones de galaxias descubiertas en el universo observable gracias a la investigación de los astrofísicos que, ayudados por maravillosos medios técnicos que se han ido perfeccionando de forma exponencial en los últimos 50 años, han llegado a descubrir la inmensidad del universo.

La Vía Láctea es la galaxia en la que se encuentra el Sistema Solar. Forma parte de un conjunto de unas 40 galaxias llamado Grupo Local. Una de las galaxia más brillantes de las cercanas a nuestra Vía Láctea, es la galaxia de Andrómeda. En España, la Vía Láctea recibe el nombre popular de “Camino de Santiago”, pues era usada como guía por los peregrinos. En las alegorías chinas y japonesas, es llamada “río de plata celestial”. Diámetro medio de unos 100.000 años luz. (La velocidad de la luz es de 300.000 km/seg. Un año tiene 31.390.000 segundos). Se calcula que contiene más de 200.000 millones de estrellas.  La distancia desde el Sol hasta el centro de la galaxia es de alrededor de 27.700 años luz

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Un estudio reciente muestra que nuestra galaxia es un 50% más masiva de lo que se creía anteriormente y que se desplaza por el espacio a la velocidad vertiginosa de 965.000 km por hora (y nosotros tan tranquilos, sin enterarnos).

El nombre Vía Láctea proviene de la mitología griega. Se sabe que Demócrito sugirió que aquel haz blanco en el cielo era en realidad un conglomerado de muchísimas estrellas, las cuales eran demasiado individualmente y no podían ser reconocidas individualmente a simple vista.
En el año 1609, Galileo Galilei haciendo uso del telescopio que construyó siguiendo las pautas de un reciente invento hecho en Holanda, pudo constatar que Demócrito estaba en lo cierto. Y que dondequiera que mirara, el cielo estaba lleno de estrellas. Nunca pudo imaginar que esta Vía Láctea era mil veces más maravillosa todavía.

La Vía Láctea alberga actualmente más de 200.000 millones de estrellas. Científicos y expertos no paran de realizar avances en el campo de la exploración del espacio exterior y han conseguido información que permite realizar simulaciones de la posición y naturaleza de las estrellas más cercanas al sol. Pulse aquí para ver esta maravilla. 
Google ha querido ofrecer a los usuarios una representación de los avances conseguidos en este campo. Para ello la compañía ha desarrollado un experimento para Chrome que permite navegar por la Vía Láctea y conocer más detalles sobre las estrellas más importantes. Bautizada como "100.000 estrellas", la iniciativa permite "visualizar el vecindario estelar".
Para desarrollar este proyecto, la compañía ha utilizado información de la NASA y de la Agencia Espacial Europea. Los usuarios pueden navegar por este mapa estelar interactivo, que permite acercarse a las estrellas más importantes de la Vía Láctea y ver su nombre, posición y relación con otros astros. Además se puede hacer clic en cada estrella para conocer más datos técnicos sobre su naturaleza, composición y disposición en la galaxia.
Google también ofrece la posibilidad de realizar un 'tour' guiado por la Vía Láctea. En la parte superior de 100.000 estrellas los usuarios pueden activar una opción mediante la que el sistema presenta algunas de las estrellas más especiales de la Vía Láctea, de forma que el usuario no tenga que buscarlas por su cuenta.
Como curiosidad, Google ha explicado que el proyecto cuenta con la música de Sam Hulick, responsable de la banda sonora de Mass Effect. La compañía ha destacado que el compositor ha donado su música para la creación de este trabajo.

Las galaxias se dividen en tres partes bien diferenciadas: halo, disco y bulbo. El halo es una estructura esferoidal que envuelve la galaxia. En él hay poca concentración de estrellas y apenas tiene nubes de gas, por lo que carece de regiones con formación estelar. Se detecta en él la presencia de gran cantidad de materia oscura, cuya existencia se dedujo a partir de anomalías en la rotación galáctica.

En el halo se encuentra la mayor parte de los cúmulos globulares, que son agrupaciones de estrellas. Es probable que estos cúmulos se formaran cuando la galaxia era una gran nube de gas que colapsaba y que se iba aplanando cada vez más. La Gran Nube de Magallanes es una galaxia enana y la tercera más cercana a nuestra Vía Láctea. En ella se puede observar la impresionante Nebulosa de Magallanes.
	Cúmulo globular NGC6397

El disco es la parte de la galaxia que contiene más gas y en donde todavía hay procesos de formación de nuevas estrellas. Lo más característico del disco son los 4 brazos espirales. Nuestro Sistema Solar se encuentra en el brazo llamado Orión. El brillo de los brazos es mayor que en el resto de las zonas de la galaxia y allí se encuentran las estrellas denominadas gigantes azules. Estas estrellas son de corta existencia, nacen y mueren en el brazo espiral. Las estrellas de vida más larga, como el Sol, tienen tiempo a lo largo de su existencia de entrar y salir repetidas veces en los diferentes brazos espirales de la galaxia. Estas estrellas pueden encontrarse también fuera de los brazos.

El disco está unido al bulbo galáctico por un anillo que concentra, además de una gran cantidad del hidrógeno molecular de la galaxia, una gran actividad de formación estelar. Dicho anillo es la estructura más notable de nuestra galaxia y desde él emergen los brazos espirales. El bulbo o núcleo galáctico,  situado en el centro de la galaxia, es la zona con mayor densidad de estrellas. El bulbo tiene una forma esferoidal achatada y gira como un sólido rígido. Al parecer, en nuestro centro galáctico, hay un gran agujero negro que tendría una masa equivalente a 2.600.000 veces la masa del Sol. Este agujero negro fue detectado  al observar un grupo de estrellas que giraban, a más de 1.00 km por segundo, en torno a un punto oscuro.

Noticia del 8 de enero de 2013. De acuerdo a recientes estimaciones de la NASA, la Vía Láctea alberga unos 17.000 millones de planetas de tamaño similar al de la Tierra. El trabajo de la misión Kepler, creado en 2009, consiste en localizar alrededor de las estrellas de la Vía Láctea planetas extrasolares con características similares al nuestro en "zonas habitables", es decir, con temperaturas ni muy frías ni muy calientes y con agua en su superficie. El hecho de que existan 17.000 millones de planetas de tamaño similar a la Tierra en nuestra galaxia no implica que todos ellos sean habitables, pero aumenta la probabilidad de que en el futuro puedan descubrirse, en la Vía Láctea, mundos con capacidad para albergar vida. Pulse aquí para leer toda la noticia.

Noticia del 8 de febrero de 2012. En un interesante artículo, el astrónomo Rafael Bachiller comenta que el premio Crafoord de Astronomía, impartido por la Academia Sueca de Ciencias y considerado el “Nobel de la astronomía”, ha sido otorgado en 2012 al astrónomo alemán Reinhard Genzel y a la estadounidense Andrea Ghez. Según la Academia Sueca, este galardón reconoce “las observaciones de las estrellas orbitando en torno al centro galáctico, lo que indica la presencia de un agujero negro supermasivo”.