Cosmología física para niños

La cosmología física es una parte de la astrofísica que estudia el universo en su conjunto. Se enfoca en entender cómo es el universo a gran escala, cómo se mueve y cambia. Los científicos que estudian cosmología física buscan responder preguntas importantes como: ¿Cómo empezó el universo? ¿Cómo ha cambiado a lo largo del tiempo? ¿Y qué le pasará en el futuro?

Esta ciencia, tal como la conocemos hoy, empezó en el siglo XX. Fue gracias a la teoría general de la relatividad de Albert Einstein y a las nuevas formas de observar objetos muy lejanos en el espacio. Estos avances permitieron a los científicos dejar de solo imaginar cómo era el universo y empezar a investigarlo de forma científica. Así, se desarrolló la teoría del Big Bang, que es el modelo más aceptado por los cosmólogos. Este modelo explica muchos fenómenos del universo y tiene muchas pruebas que lo apoyan.

La cosmología física intenta comprender las grandes estructuras que vemos hoy en el universo, como las galaxias, los grupos de galaxias y los supercúmulos. También usa objetos muy lejanos y energéticos, como los cuásares, las supernovas y los brotes de rayos gamma, para entender cómo ha evolucionado el universo. Además, estudia lo que ocurrió en los primeros momentos del universo después del Big Bang, como la inflación cósmica, la nucleosíntesis primordial (formación de los primeros elementos) y la radiación de fondo de microondas.

Historia de la cosmología física

La cosmología física se convirtió en una ciencia importante durante la primera mitad del siglo XX gracias a varios descubrimientos clave:

• 1915-1916: Albert Einstein presenta su Teoría General de la Relatividad. Esta teoría es la base para los modelos matemáticos que describen el universo. Al mismo tiempo, Einstein propuso un primer modelo del universo, llamado universo estático. En este modelo, introdujo la constante cosmológica y la idea de que el universo es homogéneo e isótropo a gran escala. Esto significa que el universo se ve igual desde cualquier lugar y en cualquier dirección.
• 1916-1917: El astrónomo Willem de Sitter creó un modelo de universo vacío que también era estático. En este modelo, los objetos lejanos debían mostrar un corrimientos al rojo en su luz.
• 1920-1921: Ocurrió el Gran Debate entre los astrónomos Heber Curtis y Harlow Shapley. Este debate ayudó a entender que las nebulosas espirales (que ahora sabemos que son galaxias) estaban fuera de nuestra Vía Láctea. Antes se pensaba que la Vía Láctea era todo el universo.
• 1922-1924: El físico ruso Alexander Friedmann publicó las primeras soluciones matemáticas a las ecuaciones de Einstein que mostraban un universo en expansión.
• 1929: Edwin Hubble descubrió una relación entre la distancia de las galaxias y su corrimientos al rojo. Cuanto más lejos estaba una galaxia, más rápido parecía alejarse. Esto se conoce como la Ley de Hubble.
• 1930: El sacerdote y astrónomo belga Georges Édouard Lemaître sugirió que el universo había comenzado de un punto muy pequeño y denso, al que llamó "átomo primitivo".
• 1933: El astrónomo suizo Fritz Zwicky notó que las galaxias en los cúmulos se movían tan rápido que debía haber más masa de la que se veía. Así surgió la idea de la materia oscura.
• 1948: George Gamow y Ralph A. Alpher estudiaron cómo se formaron los elementos ligeros en el universo temprano, un proceso llamado nucleosíntesis primordial. También predijeron la existencia de la Radiación de fondo de microondas.
• 1965: Arno Penzias y Bob Wilson descubrieron por accidente la Radiación de fondo de microondas. Esta observación fue una prueba muy importante que apoyó el modelo del Big Bang y descartó otras teorías.
• 1981: Alan Guth propuso la idea de la inflación cósmica, un período de expansión extremadamente rápida en los primeros instantes del universo.
• 1990: El satélite COBE confirmó que la Radiación de fondo de microondas tiene las características de un "cuerpo negro" a 2.7 kelvin, lo que era una predicción clave del Big Bang.
• 1998: Astrónomos liderados por Adam Riess y Saul Perlmutter descubrieron que la expansión del universo se está acelerando. Esto sugirió la existencia de la energía oscura.
• 2003: La sonda WMAP obtuvo medidas aún más precisas de la Radiación de fondo de microondas. Confirmó que el universo está compuesto principalmente por materia oscura fría y energía oscura, y estimó su edad en unos 13.700 millones de años.
• 2013: La misión Planck publicó resultados aún más exactos, estimando que el universo tiene un 68.3% de energía oscura, un 26.8% de materia oscura y un 4.9% de materia ordinaria. Su edad se calculó en unos 13.810 millones de años.
• 2018: La misión Planck publicó sus resultados finales, que, combinados con otras mediciones, afinaron aún más los porcentajes de energía oscura y materia, y la edad del universo en 13.787 millones de años.

Áreas de estudio en cosmología

Aquí te explicamos algunas de las áreas más activas de investigación en cosmología:

Nucleosíntesis del Big Bang

La Nucleosíntesis del Big Bang es la teoría que explica cómo se formaron los primeros elementos químicos en el universo muy joven. Esto ocurrió cuando el universo tenía solo unos tres minutos de edad y su temperatura bajó lo suficiente como para que la fusión nuclear se detuviera. Debido a este corto tiempo, solo se produjeron los elementos más ligeros, como el hidrógeno, el helio y el litio. Esta teoría es una prueba muy importante del Big Bang, ya que relaciona la cantidad de estos elementos ligeros que vemos hoy con las características del universo primitivo.

Radiación de fondo de microondas

La radiación de fondo de microondas es como un eco o un resplandor que quedó del Big Bang. Es la luz que se liberó cuando el universo se enfrió lo suficiente para que se formaran los primeros átomos. Antes de eso, el universo era tan caliente que la luz no podía viajar libremente. Esta radiación fue descubierta en 1965 por Arno Penzias y Robert Woodrow Wilson. Tiene una temperatura de 2.7 kelvins y pequeñas variaciones de temperatura. Estudiar estas variaciones con satélites como COBE y WMAP ayuda a los científicos a entender mejor cómo era el universo temprano y a medir sus propiedades con mucha precisión.

Formación y evolución de estructuras a gran escala

Entender cómo se formaron y evolucionaron las estructuras más grandes del universo, como los cuásares, las galaxias, los agrupaciones galácticas y los supercúmulos, es un gran desafío en cosmología. Los científicos estudian un modelo llamado formación jerárquica estructural. Este modelo sugiere que las estructuras se forman de abajo hacia arriba: primero se crean objetos pequeños, y luego estos se unen para formar estructuras más grandes.

Una herramienta importante para esto son las simulaciones por computadora. Los cosmólogos usan estas simulaciones para ver cómo la gravedad hace que la materia se agrupe en filamentos, supercúmulos y vacíos. Muchas de estas simulaciones se centran en la materia oscura, ya que se cree que hay mucha más materia oscura que materia visible en el universo.

Materia oscura

Las pruebas de la nucleosíntesis del Big Bang, la radiación de fondo de microondas y la formación de estructuras sugieren que alrededor del 23% de la masa del universo está hecha de materia oscura. Solo un 4% es la materia visible que conocemos. La materia oscura no emite ni refleja luz, por lo que no podemos verla directamente. Sin embargo, sabemos que existe por sus efectos gravitacionales. Se cree que forma "halos" alrededor de las galaxias. La naturaleza exacta de la materia oscura es uno de los mayores misterios de la física actual. Los científicos están buscando partículas que puedan ser esta materia oscura en laboratorios.

Energía oscura

Si el universo es plano, como sugieren las observaciones, debe haber un componente adicional que constituye aproximadamente el 73% de su densidad total. Este componente se llama energía oscura. A diferencia de la materia, la energía oscura no se agrupa. Hay muchas pruebas que sugieren su existencia, especialmente el descubrimiento en 1998 de que la expansión del universo se está acelerando.

Aparte de su cantidad y de cómo se distribuye, no se sabe mucho sobre la energía oscura. Es uno de los problemas más grandes y desafiantes en la cosmología. Entender la energía oscura nos ayudaría a saber cuál será el destino último del universo. Si la energía oscura es como la constante cosmológica de Einstein, la expansión acelerada continuará para siempre.

Otras áreas de investigación

Los cosmólogos también investigan:

• Si los agujeros negros primordiales se formaron en el universo temprano.
• Si las leyes de la física son las mismas en todas partes del universo.

Cosmología física alternativa

Existen otras teorías y modelos cosmológicos que no concuerdan con el modelo estándar del Big Bang. Algunas de ellas son:

• Ambiplasma, una cosmología de plasma.
• Expansión cósmica en escala de C. Johan Masreliez.
• MOND de Mordehai Milgrom.
• Cosmología de branas.
• Modelo cíclico.

Enlaces externos

Grupos

En Español:

En inglés:

• Dictionario de la Historia de las Ideas:

Páginas personales

En inglés:

• Carroll, Sean. "Cosmology Primer". Instituto de Tecnología de California.
• Gale, George, "Cosmología: Debates Metodológicos en los años 1930 y 1940", The Stanford Encyclopedia of Philosophy, Edward N. Zalta (ed.)
• Hoiland, Paul, "Examen de la Cosmología Moderna"Meditando sobre la evolución del cosmos Gouldsboro, Maine.
• Jordan, Thomas F., "Cálculos cosmológicos casi sin relatividad general". (arXiv.org)
• Madore, Barry F., "Level 5 : Una base de conocimiento para Astronomía Extragaláctica y Cosmología". Caltech y Carnegie. Pasadena, California, USA.
• Smith, Tony, "Cosmología Archivado el 31 de agosto de 2006 en Wayback Machine. -- En el Millennium, las observaciones Experimentales nos dicen mucho sobre Cosmología".
• Tyler, Pat y Phil Newman "Más allá de Einstein". Laboratorio para Astrofísica de Alta Energía (LHEA) NASA Goddard Space Flight Center.
• Wright, Ned. "Tutorial de Cosmología y FAQ". División de Astronomía y Astrofísica de UCLA.

no:Kosmologi#Fysisk kosmologi

Véase también

En inglés: Physical cosmology Facts for Kids