jueves, 25 de febrero de 2010

Estructura del Universo

 Con este post he recuperado para la Edición del Carnaval de la Física de este mes parte de un artículo que escribí hace unos años.
En esta ocasión el evento lo organiza Rael García en su blog RTFM.


Estructura del Universo

Primeramente hay que señalar que definir la forma del espacio no es tarea sencilla, pues lo observamos desde su interior, luego debemos recurrir hacia ciertas idealizaciones que pueden llegar a ser erróneas.
Actualmente recurrimos a la gravitación para tratar de resolver el enigma, pues es dicha fuerza la que modela el espacio que nos rodea. En consecuencia nos apoyamos en las teorías del campo gravitatorio propuestas por la relatividad general. Esta teoría interpreta la gravitación como una deformación o una curvatura del Universo, creada por la materia que en él se encuentra. Así, un modelo de Universo se define como un espacio curvo en cuatro dimensiones, tres dimensiones de espacio y una de tiempo, llamado espacio-tiempo. Pero este espacio pertenece a una geometría no euclídea, es decir, no plana.


La geometría de un espacio con un número cualquiera de dimensiones, se caracteriza expresando la distancia que separa a dos puntos cualesquiera infinitamente próximos. En relatividad general, el Universo se describe como una superficie cuadridimensional provista de una métrica específica (espacio de Riedmann). En cambio, este espacio, ha de cumplir las ecuaciones que representan a los campos gravitatorios, y no siempre ocurre. Para hallar una solución, podemos hacer una hipótesis: las propiedades geométricas y físicas de nuestro Universo son las mismas en todos los puntos en cada instante, así como en todas las direcciones alrededor de todo punto. Dicho de otro modo, el Universo es homogéneo e isótropo. La validez de esta hipótesis viene refutada por la isotropía de la radiación cósmica, y la estructura a gran escala del Universo.
Las soluciones de las ecuaciones de Einstein obtenidas por Friedmann y Lemaitre llevan a unos modelos cosmológicos sencillos y, poseen en todo instante la misma curvatura en todos los puntos. Sin embargo, esta curvatura puede cambiar con el tiempo, lo que le confiere a estos modelos un carácter dinámico inesperado, corroborado por el descubrimiento del corrimiento al rojo.
En lo que respecta a las posibles geometrías del Universo, se presentan los tres siguientes casos:
-En un espacio de curvatura nula (plano o euclídeo), dos líneas paralelas nunca se encuentran, y los ángulos de un triángulo siempre suman 180º, siendo la longitud de una circunferencia π veces su diámetro.
-En espacios con curvatura no nula, las características de la geometría euclídea dejan de ser válidas. Si la curvatura es positiva (como en una esfera), las líneas paralelas acaban convergiendo, y la suma de los ángulos de cualquier triángulo excede los 180º. En este caso, la longitud de la circunferencia es inferior a π veces su diámetro.
-Si la curvatura es negativa (como en un hiperboloide), las líneas paralelas divergen, y la suma de los ángulos de un triángulo no superan nunca los 180º. En cuanto a la longitud de la circunferencia, ésta es mayor a π veces su diámetro.

Todos estos modelos tienen un carácter evolutivo, ya que se inician con el Big-Bang. Peo su evolución es diferente. En el modelo cerrado, se produciría una fase de expansión desacelerada lo que dará lugar al Big-Crunch. En cambio, en los modelos abiertos, la expansión no tiene fin, pero se desacelera progresivamente. Por lo tanto, en los universos Friedmann-Lemaitre, la geometría del Universo y su destino están unidos de manera unívoca.



Pero volvamos al principio cosmológico formulado por Einstein que afirma que el Universo es homogéneo e isótropo. De hecho, la misma existencia de estrellas y galaxias muestra el carácter altamente inhomogéneo, a pequeña escala, de la distribución de la materia. Sin embargo, estos objetos no representan más que unas pequeñas perturbaciones de la métrica, que es la magnitud fundamental en la relatividad general. Como estas inhomogeneidades generan en su entorno perturbaciones cuya velocidad es inferior a la de la luz, no invalidan la hipótesis del Universo homogéneo. De esta forma, Eddington y Lemaitre mostraron que el modelo del Universo estático era inestable, ya que la más mínima perturbación, tenía que crecer inexorable con el paso del tiempo.


El problema de la distribución de materia a grandes escalas ya preocupó a Einstein, porque dicha distribución debe manifestar la homogeneidad del modelo en expansión, y porque encierra los mecanismos de formación de las grandes estructuras. Se sabe que las galaxias tienden a agruparse en cúmulos y que observaciones ópticas han descubierto estructuras filamentosas de no fácil resolución. Para describir y caracterizar este tipo de distribución, medimos el número de galaxias en una circunferencia de radio R. Si las galaxias estuviesen distribuidas al azar, este número sería el producto de la densidad numérica media de galaxias en el Universo por el volumen de la esfera. Pero el número obtenido es mayor, lo que evidencia una clara tendencia al agrupamiento.
Los primeros estudios se hicieron a partir de catálogos en dos dimensiones que especificaban la posición y el brillo de cada galaxia, pero no su distancia. Se vio que a medida que se añadían galaxias más débiles, la distribución proyectada era cada vez más homogénea. Esto se traduce en una disminución del valor de la función de correlación. Si suponemos que más allá de una escala, la distribución se vuelve homogénea, el ángulo característico de las estructuras formadas por las galaxias irá disminuyendo a medida que las galaxias sean menos luminosas (más distantes). Esta disminución implica una verdadera ley de escala para el valor d la función de correlación, que no se verificaría si la distribución de las galaxias no se volviese homogénea a grandes escalas.


Cuando los astrofísicos distribuyeron las galaxias tridimensionalmente, descubrieron un hecho importante: se descubrió una riqueza de estructuras en las que las galaxias parecen distribuirse en unas estructuras bidimensionales, una especie de hojas que rodean grandes regiones vacías y que recuerdan a la geometría de una esponja. Para avanzar un paso más en el estudio de esta estructura, habría que analizar un volumen que comprendiera un millón de galaxias. Pero en estas investigaciones también ha de tenerse en cuenta a la materia oscura fría, por lo que todos los estudios de la estructura del Universo, aún están abiertos a grandes desarrollos futuros.

2 comentarios:

  1. muchas gracias por esta información esta muy interesante y me gustaria que si pudieran poner más información del unverso como se fue formando y si se pudiera que pongan unos videos cuando los astronomos van a investigar y tambien como es el nucleo. GRACIAS

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