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Juan Leyva


"Equipado con sus cinco sentidos,

el hombre explora el universo que le

rodea y llama a la aventura de ciencia."


- Edwin Hubble. -

 

 

 

SIGLO XX

 


Los avances en Astronomía durante el siglo XX superan las de todos los siglos anteriores. Se construyeron telescopios de reflexión cada vez mayores. Los estudios realizados con estos instrumentos revelaron la estructura de enormes y distantes agrupamientos de estrellas, denominados Galaxias, como además de cúmulos de galaxias.


Se maneja una gran cantidad de información sobre lo que somos, en términos científicos, que contribuye a conocer y comprender las fases iniciales del Universo y su evolución.


Los progresos en Física proporcionan nuevos tipos de instrumentos útiles, sensibles a una importante variedad de mediciones, de longitudes de onda de radiación, incluidos los rayos gamma, los rayos X, los ultravioletas, los infrarrojos y las regiones de radio del espectro electromagnético. Algunos se han utilizado directamente en los satélites observatorio que se encuentran en la órbita de la Tierra.


Los astrónomos estudian planetas, estrellas y galaxias, campo que se amplía y ahora también es objeto de su estudio plasmas, regiones interestelares, polvo cósmico, agujeros negros o la radiación de fondo de microondas. Son todos ellos realidades que pueden aportar información y detalles sobre las fases iniciales de la Historia del Universo de las que se señalaba es el tiempo de consolidar.


Los astrónomos teóricos utilizan una gran variedad de herramientas, como modelos matemáticos analíticos y simulaciones numéricas informáticas. Los modelos matemáticos analíticos de un proceso por lo general, son mejores porque llegan al fondo y explican mejor lo que está sucediendo. Los modelos numéricos, pueden revelar la existencia de fenómenos y efectos que de otra manera no se verían.


Los teóricos de la Astronomía crean modelos abstractos, e imaginan las consecuencias observacionales de estos modelos, por ejemplo en temas como la dinámica estelar y evolución estelar, la formación de galaxias; origen de los rayos cósmicos, la relatividad general y cosmología física. Esto ayuda a los observadores a buscar datos que puedan refutar un modelo o permitan elegir entre varios modelos alternativos, incluso contradictorios.


También intentan generar o modificar modelos para conseguir nuevos datos. En el caso de una inconsistencia, la tendencia general es tratar de hacer modificaciones mínimas al modelo para que se corresponda con los datos. Una cantidad de datos inconsistentes a través del tiempo puede llevar al abandono total de un modelo.


La 'mecánica celeste' tiene por objeto interpretar los movimientos de la astronomía de posición, en el ámbito de la parte de la física conocida como 'mecánica', generalmente la newtoniana. Estudia el movimiento de los planetas alrededor del Sol, de sus satélites, el cálculo de las órbitas de cometas y asteroides.


El estudio del movimiento de la Luna alrededor de la Tierra fue por su complejidad muy importante para el desarrollo de la ciencia. Se ha visto cómo, del movimiento extraño de Urano, causado por las perturbaciones de un planeta hasta entonces desconocido, permitió a Le Verrier descubrir sobre el papel al planeta Neptuno en el siglo anterior.


El descubrimiento de una pequeña desviación en el avance del perihelio de Mercurio se atribuyó inicialmente a un planeta cercano al Sol hasta que Einstein la explicó con su 'Teoría de la Relatividad'.


Durante el siglo XX se construyeron telescopios de reflexión cada vez mayores, gracias a los cuales se revela la estructura de enormes y distantes galaxias.


La existencia de la Vía Láctea como grupo separado de estrellas no se demostró sino hasta el siglo XX, junto con la existencia de galaxias externas y, poco después, la expansión del Universo, observada en el efecto del corrimiento al rojo.


La Astronomía contemporánea también ha descubierto una variedad de objetos exóticos como los quásares, púlsares, radiogalaxias, agujeros negros, estrellas de neutrones, y ha utilizado estas observaciones para desarrollar teorías físicas que describen estos objetos. Durante el siglo XX, la espectrometría avanzó, en particular como resultado del nacimiento de la física cuántica, necesaria para comprender las observaciones astronómicas y experimentales.


El término o concepto de ‘Revolución Científica’, referido en la Edad Moderna, se le debe a los historiadores del período de la Ilustración, que son los que califican las transformaciones introducidas por Copérnico, Galileo, Newton destacadamente en la Astronomía y Física como rupturas revolucionarias con el pasado, rompen porque inician nuevas perspectivas en el pensamiento, al desarrollarse el pensamiento desarrolla la ciencia y la necesidad creativa lleva a investigaciones y descubrimientos.


Alexandre Koyre (Rusia, 1892–París, 1964) fue un filósofo e historiador de la ciencia, francés de origen ruso. Sus trabajos de epistemología y de historia de la ciencia se centran principalmente en Galileo, así como en la cosmología de los siglos XVI y XVII. Ve en el nacimiento de la Física moderna del siglo XVII una ‘revolución científica’, su trabajo culminó con su estudio sobre Isaac Newton. Dicha expresión, que utiliza por vez primera en 1939, es característica de la concepción discontinuista de la historia de las ciencias, que compartió por ejemplo con Gaston Bachelard.


Pasando del ‘mundo cerrado’ de la cosmología aristotélica a la teoría de un ‘Universo infinito’, lo cual supuso una transformación radical de las bases metafísicas, por tanto de la Física, sobre la cual descansa.


El sello de la 'revolución científica' está impreso en la investigación más reciente: Rupert Hall lo utilizó como título para su libro The Cientific Revolution, de 1954, y la idea se incorporó al acervo anglo-norteamericano a través de The Origins of the Modern Science 1300-1800 de Butterfield, en 1949. Otro ejemplo calificado como paradigmático es el de Thomas S. Khun con La Estructura de las Revoluciones Científicas de 1962.


La investigación en estos términos se ha visto enfrentada a numerosos problemas, como por ejemplo el de la cronología. La mayor parte de los historiadores afirman que la 'revolución científica' se extiende a lo largo de los siglos XVI y XVII, desde Copérnico hasta Newton. Otros lo consideran centrando la revolución en el siglo XVII, y hay quién incluso la ve en períodos más largos, remontando los pensadores "modernos" ya a partir del siglo XIII.


La cosmología entra en su gran momento durante el siglo XX, con el modelo del Big-Bang fuertemente apoyado por la evidencia proporcionada por la Astronomía y la Física, como la radiación de fondo de microondas, la Ley de Hubble y la abundancia cosmológica de los elementos químicos. La razón es la construcción de grandes telescopios como el de Monte Wilson, California, de 100 pulgadas.


En 1917 los astrónomos identifican estrellas individuales en galaxias cercanas. Se inicia la gran discusión entre Curtis, que defiende la existencia de Universos-islas, y Shapley, gran experto en estrellas cefeidas, que se resiste persistentemente a que nuestra galaxia perdiera su condición de privilegio. En el Smithsoniano, el 26 de abril de 1920 confrontan sus tesis.


El descubrimiento, el estudio de las estrellas variables , estrellas que varían en brillo periódicamente, que Shapley inicia, lleva a descubrir un tipo especial de ellas, cuya característica era que los cambios de brillo estaban relacionados con su luminosidad intrínseca.


Dado que la estrella prototipo se encontró en la constelación de cefeo se les denominó 'Cefeidas'. Al conocer la luminosidad de un objeto celeste basta aplicar la ley del cuadrado inverso, que dice que el brillo disminuye de acuerdo al cuadrado de la distancia, para calcular la distancia a la que se encuentra del observador.



Shapley encontró que los cúmulos globulares, grupos de millones de estrellas que forman un cúmulo compacto y redondo que giran alrededor de los centros galácticos, están mucho más alejados del Sol que del centro de la galaxia, por lo que el sistema solar debería estar localizado en la periferia, lejos del centro del Universo, alrededor del cual giran los cúmulos globulares y los demás astros.


Uno de los logros más importantes del siglo se debe al astrónomo Edwin Hubble (1889-1953). Es considerado el padre de la Cosmología observacional, aunque su influencia en Astronomía y Astrofísica toca muchos otros campos. Para 1924 Hubble había descubierto 36 cefeidas en 'nebulosas espirales', pasando a ser galaxias similares a la nuestra, que contenían miles de millones de otras estrellas.


Fue asociado a este descubrimiento cómo Hubble determinó que dichas galaxias se estaban alejando de nosotros, extendiéndose así y de manera definitiva, el tamaño del Universo más allá de la Vía Láctea, llegando a deducir la expansión del Universo, que dará pie a la teoría del Big-Bang.


En 1929, descubrió, al medir las distancias de 25 galaxias encontrando una correlación directa entre su distancia y el grado de corrimiento, o en otras palabras la velocidad en que se alejan, el ‘Desplazamiento hacia el rojo de las galaxias lejanas’, es decir el fenómeno por el cual las líneas espectrales de un cuerpo celeste hacen descender sus frecuencias más bajas (que implica hacerlo hacia el rojo) como consecuencia de su alejamiento con respecto al observador. Esto demuestra que la materia del Universo está aún en fase de expansión.


Hubble utiliza esos 'faros del Universo', constituidos por estrellas variables pulsantes de período regular. 


Da una noticia que sorprende por su simplicidad y trascendencia, en un trabajo que titula ‘Una relación entre la distancia y la velocidad radial de las nebulosas extragalácticas’, en el que advierte que mientras más lejos está una galaxia, con mayor velocidad se aleja de nosotros. En esta relación, a doble distancia doble velocidad de recesión, a triple distancia triple velocidad de recesión... Y la misma consecuencia: el Universo se expande.


Ese Universo homogéneo e isótropo, que se expande de forma relativista, que, según Lemaitre debió nacer de una explosión, tiene un límite constituido por su tejido de expansión, cuyos cuerpos viajan aproximándose a la velocidad de la luz.


Si se pudiera visionar hacia atrás la evolución del Universo, se vería que en un determinado momento la materia estaba concentrada en un punto. Este momento se remonta a quince o dieciocho mil millones de años y hay un acontecimiento que da origen a la expansión, al punto de inicio, definido por los astrónomos como Big Bang, 'gran explosión', que representa el nacimiento de nuestro Universo.


La materia, hasta ese momento, es un punto de densidad infinita, que en un determinado instante "explota", generando la expansión de la materia en todas las direcciones y creando lo que conocemos como nuestro Universo. Inmediatamente después del momento de la explosión cada partícula de materia comenzó a alejarse muy rápidamente una de otra, y, de la misma manera que al inflar un globo, va ocupando más espacio expandiendo su superficie.


La búsqueda de pruebas posteriores que afiancen esta concepción cosmológica alienta los estudios de la Astronomía contemporánea. Entre otras cosas, se han abierto temas de investigación totalmente nuevos temas de investigación como consecuencia del descubrimiento, de la importancia que tienen en la evolución cósmica, en  los ‘agujeros negros’ y los ‘quasar’, los objetos más luminosos del Universo, acontecimientos inesperados, además inquietantes, de violenta reflexión para cualquier concepción del mundo.


Se llega a este siglo con un resurgir de varias de las creencias precopernicanas al hablar de las galaxias, en las que se consideraba que el Sol se encontraba cerca del punto central de la Vía Láctea, constituyendo el Universo entero. Mas allá de los confines de la galaxia no existiría nada más que un vacío infinito.


El estudio bajo espectroscopia de las 'nebulosas elípticas' a principios de siglo, demuestra que no tenían características de ser nubes de gases, sino características más bien estelares, lo que implica que, al menos algunas nebulosas espirales, estaban constituidas por estrellas.


Al estudio de estrellas variables se entrega Hallow Shapley (1885-1972), Misouri, EEUU, en 1907, va a la Universidad de su ciudad natal, donde estudió Astronomía, obtuvo la licenciatura en 1910 y el máster en 1911. Posteriormente, fue a Princeton gracias a una beca para realizar los estudios de doctorado con Henry Norris Russell, director del departamento de Astronomía. A la llegada de Shapley, Russell se había embarcado en un nueva forma de análisis de las curvas de luz de las variables eclipsantes para tratar de obtener las propiedades de las estrellas que constituían el sistema binario.


En 1914 obtuvo su doctorado con una tesis sobre 90 estrellas binarias eclipsantes que crearía de golpe una nueva rama en la Astronomía de las 'estrellas dobles'.


Ese mismo año, entró a trabajar en el Observatorio del Monte Wilson en un puesto de investigador. Allí propuso la 'teoría de la pulsación' para las estrellas cefeidas como variaciones intrínsecas de su brillo, y no como sistemas eclipsantes como se había pensado hasta entonces.


Sin embargo, el interés de Shapley pasó de las estrellas variables a los cúmulos globulares. Observando estrellas variables Cefeidas en dichos cúmulos y haciendo uso de la relación periodo-luminosidad de las estrellas variables Cefeidas descubierta por Henrietta Swan Leavitt, pudo determinar las distancias a los cúmulos globulares.


Descubrió la relación estudiando Cefeidas en las Nubes de Magallanes, que son las galaxias más cercanas a la Vía Láctea y donde se conocen varios miles de estrellas variables. Como todas ellas están a la misma distancia de nosotros sus magnitudes aparentes son proporcionales a sus luminosidades. En 1912 Leavitt publica los períodos de 25 cefeidas de las Nubes de Magallanes y formaliza la relación período-luminosidad.


Esta propiedad de las Cefeidas permitió conocer su magnitud absoluta. Y descubrir que la Vía Láctea era mucho más grande de lo que se creía hasta entonces y que la posición del Sol en la misma no era en absoluto una posición especial.


Shapley defendía las ideas de que el Sol no se encontraba en el centro de la Vía Láctea y que los cúmulos globulares y las nebulosas espirales eran parte de la misma, en el primer caso llevaba la razón, estando equivocado en el segundo.


Encontró que los cúmulos globulares, grupos de millones de estrellas que forman un cúmulo compacto y redondo que giran alrededor de los centros galácticos están mucho más alejados del Sol que del centro de la galaxia. De tal manera que el sistema solar debería estar localizado en la periferia lejos del centro del Universo, alrededor del cual giran los cumulos globulares y astros.


Al conocer la luminosidad de un objeto celeste basta aplicar la ley del cuadrado inverso, que dice que el brillo disminuye de acuerdo al cuadrado de la distancia, para calcular la distancia a la que se encuentra del observador. Es el responsable de la adición de la letra "S", science, en Unesco.


En 1901, Jacobus Kapteyn (1851-1922) utilizó movimientos propios de estrellas, en términos estadísticos, para determinar distancias medias, para estrellas de distintas magnitudes. El resultado es un esferoide achatado de unos 30.000 años-luz. 


Son varios los astrónomos defendían la teoría de los 'Universos -islas' expuesta por Kant y seguida por Herschel, pero es un dato que no se tenían pruebas confirmatorias. Esta prueba proviene de las observaciones de Hubble, quien el 19 de Febrero de 1924 escribió a Shapley: "Seguramente le interesará saber que he hallado una variable cefeida en la nebulosa de Andrómeda".


De esta manera se rebate la idea de Shapley de una única galaxia, la nuestra, como constituyente del universo entero y revela, de un modo difícilmente rebatible, la presencia de otras galaxias en el espacio. Shapley termina con una solución que le pareció más convincente: los cúmulos globulares están asociados con la Vía Láctea y se distribuyen simétricamente con respecto a su centro. La distribución aparente asimétrica que nosotros vemos se debe a que el Sol está situado lejos del centro de la Vía Láctea, a unos 60.000 años-luz. 


El problema fundamental que presentaba ese modelo era explicar por qué Kapteyn obtenía un modelo tan pequeño para la Vía Láctea. A pesar de esa dificultad Shapley, en 1917, propuso que la galaxia es 10 veces más grande de lo que se había pensado hasta esa fecha, 300.000 años-luz, con el Sol ubicado del centro a 60.000 años-luz.


Actualmente se aceptan dimensiones para la Vía Láctea intermedias entre las de Kapteyn y Shapley. Para el diámetro unos 100.000 años-luz y para la distancia del Sol al centro unos 25.000 años-luz.


A principios del siglo XX, Albert Einstein (Alemania, 14 de marzo de 1879–Princeton, Estados Unidos, 18 de abril de 1955), físico alemán de origen judío, nacionalizado después suizo y estadounidense. Elimina el concepto newtoniano de espacio absoluto y demuestra que la luz es onda y partícula. Está considerado como el científico más importante del siglo XX.


Propone sus Teorías de la relatividad, dos teorías que se denominan, para distinguirlas, ‘Teoría Especial’, sobre la base de Galileo, con su expresión E=mC2, de 1905, los cuerpos pueden convertirse en luz y viceversa: materia y energía son entonces dos aspectos de la misma cosa, y ‘Teoría General’, siendo esta última la que sirve a la evolución del concepto astronómico del mundo.


En 1915, propone su ‘Teoría General de la Relatividad’, en la que reformuló por completo el concepto de gravedad.


La intuición básica de Einstein fue postular que, en un punto concreto no se puede distinguir experimentalmente entre un cuerpo acelerado uniformemente y un campo gravitatorio uniforme. Considera la aceleración de los cuerpos y con ella la gravedad se explica, no como una fuerza a distancia sino, como la deformación del espacio-tiempo causado por la masa de los astros: La masa le dice al espacio como se curva y el espacio le dice a la masa como se mueve.


En ella se deduce que el Universo no debe ser estático, sino que se encuentra en expansión, pero ello no coincidía con lo que se creía era realmente un universo estático, por lo que, como consecuencia, Einstein introduce en su fórmula una constante, que llamó ‘cosmológica’, para adecuarla a las teorías y conocimientos vigentes. Esta es en efecto una de las consecuencias, el surgimiento del estudio científico del origen y la evolución del Universo por la rama de la física denominada Cosmología.


En 1919, cuando las observaciones británicas de un eclipse solar confirmaron sus predicciones acerca de la curvatura de la luz pasó a tener una consideración de grandeza absoluta.


Vesto Slipher (11 de noviembre de 1875 – 8 de noviembre de 1969), fue un astrónomo estadounidense. Entre sus investigaciones destacan haber medido por primera la velocidad radial de una galaxia y haber descubierto la existencia de gas y polvo en el medio interestelar.


Miembro del observatorio Lowell, fue encargado de estudiar el movimiento circular de las nubes de gas durante la formación de estrellas, una teoría que era defendida por su promotor, encargado del observatorio, Percival Lowell.


Encontró no sólo la rotación de dichas nebulosas, sino un corrimiento al rojo, persistente en sus espectros, que Slipher no supo o pudo explicar. Este hallazgo se debió a que el 'efecto Doppler' , esto es el aparente cambio de frecuencia de una onda producido por el movimiento relativo de la fuente respecto a su observador, indica que las longitudes de onda emitidas por un objeto que se aleja del observador, se alargan corriéndose hacia el rojo en el espectro estudiado.


Quién une los hallazgos de Hubble, Einstein y Slipher, fue un sacerdote, matemático, Georges Lemaitre, que en 1927 publicó un artículo donde desarrollaba la relación del corrimiento al rojo con un Universo en expansión.


Si el Universo está en expansión, en el pasado, debería haber ocupado un espacio cada vez más pequeño, hasta que, en algún momento original, todo él se encontrase concentrado en una especie de 'átomo primitivo'. Algo que casi todos los científicos afirman hoy día, pero nadie había elaborado científicamente antes de que Lemaître lo hiciera.


Cuando su artículo se promulga entre la comunidad científica se comienza a pensar que si el Universo se encuentra en expansión alguna vez todo debió estar unido en un punto de luz al que se llamó ‘singularidad’ o ‘átomo primordial’, a su expansión ‘Gran Ruido’.


Con posterioridad, el astrónomo Fred Hoyle (24 de junio de 1915-20 de agosto de 2001). Eminente matemático, astrofísico y escritor británico, trabajó en casi todos los campos de la Astrofísica. Muy polémico y, a pesar de ello, ampliamente respetado. Hoyle es célebre principalmente por la propuesta de dos teorías.


Su modelo de Universo Estacionario, y la teoría de la Panspermia que afirma que la vida no surgió en la Tierra sino que llegó a nuestro planeta a bordo de cometas capaces de dispersar el mismo tipo de vida por diferentes mundos. Opuesto a la propuesta del origen del mundo, la llama despectivamente 'Big-Bang'.


En el plano de la Vía Láctea se encuentran cientos de cúmulos estelares, agrupaciones de estrellas que contienen unos pocos millares de ellas, mucho menos que las que pertenecen a los cúmulos globulares que había estudiado Shapley. 


Queda definitivamente establecido el modelo de Shapley pero con una corrección a la baja en sus dimensiones.


En la actualidad sabemos que habitamos un pequeño planeta de un sistema solar, alrededor de nuestro Sol, que avanza en tan sólo su primer tercio de vida y que está localizado en la periferia de la Vía Láctea, una galaxia espiral compuesta por miles de millones de soles.


Nuestra galaxia posee, como muchas otras galaxias, un agujero negro súper masivo en su centro y que forma parte de un conjunto galáctico llamado Grupo Local, el cual, a su vez, se encuentra dentro de un supercúmulo de galaxias distribuidas por el Universo.


Un Universo constituido por miles de millones de galaxias, al que se le ha calculado una edad entre 13,5 y 13,9 mil millones de años-luz, y en expansión constante. Dado que, se tiene que el Universo se expande hacia todos lados a partir de un momento inicial, se cree que esta expansión puede ser constante, o detenerse en algún momento.


Una u otra posibilidad dependerá de la cantidad de materia presente en él, y si la fuerza de gravedad entre esa materia será suficiente para contraerla o no, cantidad que no ha sido determinada. Pero sí se ha demostrado que el Universo se expande y que es una expansión que se acelera.


El inglés Stephen Hawking (Oxford, 8 de Enero de 1942), físico, cosmólogo y divulgador científico británico, quizá ell más famoso de los cosmólogos actuales, articula dos grandes Teorías: la Teoría General de la Relatividad y la Mecánica Cuántica. Con ellas ha entrado al horizonte de sucesos de los Agujeros Negros y al momento del Big-Bang. Puede resolver la singularidad del Big-Bang con la incorporación del tiempo complejo.


Señala la necesidad de unificar la Relatividad General con la Teoría Cuántica. Una consecuencia de tal unificación que él descubre es que los agujeros negros no serían totalmente negros, sino que podían emitir radiación, que irradian, tienen temperatura y entropía, y eventualmente evaporarse y desaparecer.


Otra conjetura es que el Universo no tiene bordes o límites en el tiempo imaginario. Esto implicaría que el modo en que el Universo empezó queda completamente determinado por las leyes de la ciencia, cambia el concepto del Universo determinístico, por el de Universo probable.


Las fluctuaciones cuánticas del Universo de Hawking, punto de partida para explicar el origen de las galaxias se han podido comprobar con los resultados en las medidas absolutas y diferenciales de la radiación de fondo, observadas por el proyecto COBE, Explorador del Fondo Cósmico, desde 1989 a 1992. 


El primer satélite construido especialmente para estudios de cosmología. Su objetivo fue investigar la radiación de fondo de microondas y obtener medidas que ayudaran a ampliar la comprensión del cosmos.


Hoy los modelos cosmológicos y la Astronomía observacional se muestran como poderosos soportes, más aún como la única vía para continuar el desarrollo que antes pudieron suponer los grandes aceleradores de partículas. Ahora es poco viable recurrir ya viejos métodos por el enorme costo para avanzar en el conocimiento del Universo y de las leyes que rigen el cosmos.

 




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