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COSMOLOGÍA
Cosmología, del griego: κοσμολογία (cosmologia, κόσμος (cosmos) orden + λογια (logia) discurso) es el estudio a gran escala de la estructura y la historia del Universo en su totalidad y, por extensión, del lugar de la humanidad en él. Aunque la palabra «cosmología» (utilizada por primera vez en 1730 en el Cosmologia Generalis de Christian Wolff), el estudio del Universo tiene una larga historia involucrando a la física, la astronomía, la filosofía, el esoterismo y a la religión. El nacimiento de la cosmología moderna puede situarse en 1700 con la hipótesis que las estrellas de la Vía Láctea (la franja de luz blanca visible en las noches serenas de un extremo a otro de la bóveda celeste), pertenecen a un sistema estelar de forma discoidal, del cual el propio Sol forma parte; y que otros cuerpos nebulosos visibles con el telescopio son sistemas estelares similares a la Vía Láctea, pero muy lejanos.
Cosmología Física
La Cosmología física, es la rama de la astrofísica, que estudia la estructura a gran escala y la dinámica del Universo. En particular, trata de responder las preguntas acerca del origen, la evolución y el destino del Universo. La cosmología física, tal y como se comprende actualmente, comienza en el siglo XX con el desarrollo de la Teoría general de la relatividad de Albert Einstein y la mejora en las observaciones astronómicas de objetos extremadamente distantes. Estos avances hicieron posible pasar de la especulación a la búsqueda científica de los orígenes del universo y permitió a los científicos establecer la Teoría del Big Bang que se ha convertido en el modelo estándar mayoritariamente aceptado por los cosmólogos debido a el amplio rango de fenómenos que abarca y a las evidencias observacionales que lo apoyan, aunque todavía existe una minoría de investigadores que presenten otros puntos de vista basados en alguno de los modelos cosmológicos alternativos.
La cosmología física trata de entender las grandes estructuras del universo en el presente (galaxias, agrupaciones galácticas y supercúmulos), utilizar los objetos más distantes y energéticos (quásares, supernovas y GRBs) para entender la evolución del universo y estudiar los fenómenos ocurridos en el universo primigenio cerca de la singularidad inicial (inflación cósmica, nucleosíntesis primordial y Radiación de fondo de microondas).
Historia de la Cosmología
Antes de 1900
1900-1949
1950 a 1999
Desde 2000
Áreas de estudio El Universo primigenio
Mientras al principio, el universo caliente parece estar bien explicado por en Big Bang desde unos 10-43 segundos en adelante, hay varios problemas. Lo primero es que no hay ninguna razón de peso, usando la física de partículas actual, para esperar que el Universo sea plano, homogéneo e isótropo (ver el principio cosmológico). Además, la Teoría de la gran unificación de la física de partículas sugiere que debería haber monopolos magnéticos en el Universo, que no han sido encontrados. Estos problemas son resueltos durante un breve periodo de inflación cósmica, que conduce el universo a ser plano, resolviendo las anisotropías y las inhomogeneidades al nivel observado y exponencialmente adulterados los monopolos. El modelo físico detrás de la inflación cósmica es extremadamente simple, sin embargo no se ha confirmado todavía por la física de partículas y hay difíciles problemas para reconciliar la inflación y la Teoría cuántica de campos. Algunos cosmólogos piensan que la teoría de cuerdas y la cosmología de branas proporcionarán una alternativa a la inflación. Otro gran problema en cosmología es que saber qué ha causado que el Universo contenga más partículas que antipartículas. Los cosmólogos pueden utilizar observaciones de Rayos X para deducir que el Universo no está dividido en regiones de materia y antimateria, sino que predominantemente está hecho de materia. Este problema es llamado la asimetría bariónica y la teoría para describir la resolución es llamada bariogénesis. La teoría de la bariogénesis fue formulada por Andrei Sakharov en 1967 y requiere la violación de la simetría de la física de partículas, llamada simetría CP, entre la materia y la antimateria. Los aceleradores de partículas, sin embargo, miden son poco sensibles a las violaciones de Simetría CP para notar la asimetría bariónica. Los cosmólogos y los físicos de partículas están intentando encontrar más violaciones de la Simetría CP en el Universo primigenio que pueden tener importancia para la asimetría bariónica. Los problemas de la bariogénesis y la inflación cósmica están íntimamente relacionados con la física de partículas y su resolución puede venir de la teoría de alta energía y experimentos en el acelerador de partículas, más que a través de la observación del Universo. Nucleosíntesis del Big Bang
Supernova Kepler
La Nucleosíntesis del Big Bang es la teoría de la formación de los elementos en el Universo primigenio. Acaba cuando el Universo tiene tres minutos de edad y su temperatura cae lo suficiente como para que cese la fusión nuclear. Este tiempo en el que ocurrió la nucleosíntesis del big bang fue tan corto, se sólo se produjeron los elementos más ligeros, a diferencia de la nucleosíntesis estelar. Empezando desde los iones de hidrógeno (protones), se produjo principalmente deuterio, helio y litio. Los otros elementos se produjeron en sólo pequeñas cantidades. Mientras que la teoría básica de la nucleosíntesis ha sido aceptada durante décadas (fue desarrollada por George Gamow, Ralph Asher Alpher y Robert Herman). Es una prueba física extremadamente delicada del big bang en la actualidad, ya que la teoría de la nucleosíntesis conecta la abundancia de los elementos ligeros primordiales con las características del Universo primigenio. Específicamente, se puede utilizar para comprobar el principio de equivalencia, la materia oscura y la física del neutrino. Algunos cosmólogos han propuesto que la nucleosíntesis del big bang sugiere la existencia de cuatro especies "estériles" de neutrino. Radiación de fondo de microondas Radiación de fondo de microondas Explorador de fondo cósmico COBE
El fondo cósmico de microondas es la radiación sobrante del desacople, cuando los átomos se formaron por primera vez, y la radiación producida en el Big Bang parada por la difusión de Thomson de iones cargados. La radiación observada por primera vez en 1965 por Arno Penzias y Robert Woodrow Wilson, tenía un espectro de cuerpo negro térmico perfecto. Tiene una temperatura de 2.7 kelvins y es anisótropo en una parte de 105. La Teoría perturbacional cosmológica, que describe la evolución de ligeras inhomogeneidades en el universo primigenio, ha permitido a los cosmólogos calcular de manera precisa la densidad espectral angular de la radiación y ha sido medida por los recientes satélites de experimentación (COBE y WMAP) y muchos asuntos y experimentos basados en globos (como el DASI, el CBI y el Experimento BOOMERanG). Uno de los objetivos de estos esfuezos es medir los parámetros del Modelo Lambda-CDM con un incremento de precisión, así como comprobar las predicciones del modelo del Big Bang y las búsquedas de los nuevos físicos. Las recientes medidas hechas por WMAP, por ejemplo, han acotado la masa del neutrino. Los nuevos experimentos, como los del Telescopio Cosmológico de Atacama están intentando medir la polarización del fondo cósmico de microondas, que proporcionará más confirmaciones de la teoría así como información sobre la inflación cósimca y las conocidas como anisotropías secundarias, como el efecto Sunyaev-Zel'dovich y el efecto Sachs-Wolfe, que son causados por la interacción entre galaxias y agrupaciones galácticas con el fondo cósmico de microondas. Formación y evolución de estructuras a gran escala
Comprendiendo la formación y evolución de las estructuras más grandes y primigenias (p.ej. cuásares, galaxias, agrupaciones galácticas y supercúmulos) es uno de los mayores esfuerzos en cosmología. Los cosmólogos estudian un modelo de formación jerárquica estructural en el que las estructuras se forman desde el fondo, con pequeños objetos primero, después con grandes objetos, como los supercúmulos se siguen formando. El camino más sencillo para estudiar la estructura del Universo es observar las galaxias visibles, para construir un dibujo tri-dimensional de las galaxias en el Universo y medir la densidad espectral de materia. Esta es la aproximación del Sloan Digital Sky Survey y del 2dF Galaxy Redshift Survey. Una herramienta importane para comprenden la formación estructural son las simulaciones, que los cosmólogos utilizan para estudiar las sumas gravitacionales de materia en el Universo, como se agrupan en filamentos, supercúmulos y vacíos. Muchas simulaciones contienen sólo materia oscura fría no bariónica, que debería ser suficiente para comprender el Universo en las escalas más grandes, ya que hay mucha más materia oscura en el Universo que materia visible bariónica. Muchas simulaciones avanzadas están empezando a incluir bariones y estudiar la formación de galaxias individuales. Los cosmólogos estudian estas simulaciones para ver si concuerdan con sus investigaciones y comprenden cualquier discrepancia. Otras técnicas complementarias permitirán a los cosmólogos medir la distribución de materia en el Universo distante y probar la reionización. Estas técnicas son:
Esto ayudará a los cosmólogos a decidir la pregunta de cuando se formó el primer cuásar. Materia oscura
Las pruebas de la nucleosíntesis Big Bang, la radiación de fondo de microondas y las formaciones estructurales sugieren que el 23% de la masa del Universo consiste en materia oscura no bariónica, donde sólo el 4% es materia bariónica visible. Los efectos gravitacionales de la materia oscura están bien comprendidos, ya que se comporta como el polvo frío no radiactivo que se forma alrededor de halos alrededor de galaxias. La materia oscura nunca ha sido detectada en laboratorio: la naturaleza de la física de partículas de la materia oscura es completamente desconocida. Sin embargo, hay varios candidatos, como una partícula supersimétrica, una WIMP, un axión, un MACHO o incluso una modificación de la gravedad con pequeñas aceleraciones (MOND) o un efecto de la cosmología de branas. La física en el centro de las galaxias (ver Galaxia activa y Agujero negro supermasivo) puede dar algunas pistas sobre la naturaleza de la materia oscura. Energía oscura
Big rip
Si el Universo fuera plano, tiene que haber un componente adicional formando el 73% (además del 23% de materia oscura y el 4% de bariónica) de la densidad del universo. Esto es llamado energía oscura. Para no interferir con la nucleosíntesis del Big Bang y la radiación de fondo de microondas, no puede agruparse en halos como los bariones y la materia oscura. Hay fuertes pruebas observacionales para la energía oscura, como la masa total del Universo es conocida y se mide que es plano, pero la suma de materia agrupada es medida ajustadamente y es mucho menor que esta. El caso de la energía oscura fue reforzado en 1999, cuando las medidas demostraron que la expansión del Universo estaba acelerando, más rápido que durante la inflación cósmica. Sin embargo, aparte de su densidad y sus propiedades de agrupación, nada se conoce sobre la energía oscura. La teoría cuántica de campos predice una constante cosmológica junto con la energía oscura, pero 120 órdenes de magnitud más grande. Steven Weinberg y varios teóricos de cuerdas (ver paisaje de cuerdas) han usado esta prueba para el principio antrópico, que sugiere que la constante cosmológica es tan pequeña porque la vida (y de esta manera los físicas que hacen observaciones) no pueden existir en un Universo con una gran constante cosmológica, pero mucha gente encuentra que esta es una explicación insatisfactoria. Otras posibles explicaciones para la energía oscura son la quintaesencia o una modificación de la gravedad en escalas grandes. El efecto en cosmología de la energía oscura que estos modelos describen es dada por la ecuación de estado de la energía oscura, que varía dependiendo de la teoría. La naturaleza de la energía oscura es uno de los problemas más desafiantes en cosmología. Una mejor comprensión de la energía oscura es como resolver el problema del destino último del Universo. En la época cosmológica actual, la expansión acelerada debida a la energía oscura previene la formación de estructuras más grandes que los supercúmulos. No es conocido si la aceleración continuará indefinidamente, tal vez incluso incrementándose y causando un Big Rip o si eventualmente se revertirá. Otras áreas de investigación Los cosmólogos también estudian:
Cosmologías alternativas Se entiende por cosmología alternativa todas aquellas teorías, modelos o ideas cosmológicas que contradicen el modelo estándar de cosmología. Se puede clasificar en tres grandes grupos: Cosmologías físicas alternativas Ambiplasma
El ambiplasma es una teoría cosmológica no convencional, generalmente atribuida a Hannes Alfvén en los años 1960. Esta teoría intenta explicar el desarrollo del universo visible a través de la interacción de fuerzas electromagnéticas en plasma astrofísico. Alfvén desarrolló sus ideas cosmológicas basadas en el escalado de observaciones desde laboratorios terrestres y experimentos espaciales a escalas cosmológicas con órdenes de magnitud mayores. Su propuesta cosmológica más famosa fue que el Universo era una mezcla equitativa de materia y antimateria en la forma llamada ambiplasma que se habría separado de manera natural cuando ocurrieron las reacciones de aniquilación acompañadas por una tremenda liberación de energía. En este concepto, el Universo siempre ha existido (preexiste) y no posee un punto común de origen. El ambiplasma contradice el actual consenso de la astrofísica que dice que la Relatividad general de Einstein explica el origen y evolución del Universo en sus mayores escalas, confiando en vez de ello en los desarrollos posteriores de la mecánica clásica y la electrodinámica clásica como aplicaciones a plasmas astrofísicos. Mientras que a finales de los 80 y principios de los 90 la discusión se limitaba a las ventajas de la cosmología del plasma, hoy los defensores de estas ideas son generalmente ignorados por los cosmólogos profesionales de la comunidad científica Teoría del estado estacionario La Teoría del Estado Estacionario es un modelo cosmológico desarrollado en 1949 por Hermann Bondi, Thomas Gold y Fred Hoyle como una alternativa a la Teoría del Big Bang. Aunque el modelo tuvo un gran número de seguidores en la década de los 50, y 60, su popularidad disminuyó notablemente a finales de los 60, con el descubrimiento de la radiación de fondo de microondas, y se considera desde entonces como cosmología alternativa. De acuerdo con la teoría del estado estacionario, la disminución de la densidad que produce el Universo al expandirse se compensa con una creación continua de materia. Debido a que se necesita poca materia para igualar la densidad del Universo (2 átomos de hidrógeno por cada m³ por cada 1.000 millones de años), esta Teoría no se ha podido demostrar directamente. La teoría del estado estacionario surge de la aplicación del llamado principio cosmológico perfecto, el cual sostiene que para cualquier observador el universo debe parecer el mismo en cualquier lugar del espacio. La versión perfecta de este principio incluye el tiempo como variable por lo cual el universo no solamente presenta el mismo aspecto desde cualquier punto sino también en cualquier instante de tiempo siendo sus propiedades generales constantes tanto en el espacio como en el tiempo. Los problemas con esta teoría comenzaron a surgir a finales de los años 60, cuando las evidencias observacionales empezaron a mostrar que, de hecho, el Universo estaba cambiando: se encontraron quásares sólo a grandes distancias, no en las galaxias más cercanas. La prueba definitiva vino con el descubrimiento de la radiación de fondo de microondas en 1965, pues en un modelo estacionario, el universo ha sido siempre igual y no hay razón para que se produzca una radiación de fondo con características térmicas. Buscar una explicación requiere la existencia de partículas de longitud milimétrica en el medio intergaláctico que absorba la radiación producida por fuentes galácticas extremadamente luminosas, una hipótesis demasiado forzada. Teoría de la expansión cósmica en escala La teoría de la expansión cósmica en escala (en inglés: SEC, o Scale Expanding Cosmos), es un modelo cosmológico desarrollado a finales de los años noventa por Johan Masreliez como una alternativa a la teoría del Big Bang. Es un acercamiento conformal del tiempo a la relatividad general que requiere la extensión discreta exponencial de la coordenada del tiempo para que sea conforme con la continuidad de la variedad, dando por resultado una FLRW-solución modificada. Esto significa que la teoría SEC es un modelo del universo, que asume que las cuatro dimensiones del espacio y del tiempo se amplían en escala. Mientras que las dimensiones espaciales del universo se amplían, el paso del tiempo disminuye imperceptiblemente en pasos minúsculos para preservar una escala constante de distancias medidas. El cosmos del SEC es eterno sin comenzar o el extremo, a este respecto es similar a la teoría del estado estacionario. El proponente afirma que su modelo cosmológico ha superado todas las pruebas estándares. Esta teoría proporciona explicaciones más simples que la del modelo estándar de la cosmología. Aunque la teoría de Masreliez sobre un universo que se está ampliando a la escala se ha dado a conocer en varias publicaciones, mas reciente (2007), debe todavía ser considerada como protociencia que todavía no ha sido suficientemente estudiada y valorada por la comunidad astrofísica. Dinámica newtoniana modificada (MOND) En física, la dinámica newtoniana modificada o MOND (Modified Newtonian dynamics) se refiere a una teoría que propone una modificación de la segunda ley de Newton para explicar el problema de la velocidad de rotación de las galaxias de manera alternativa a la materia oscura. Cuando se observó por primera vez que la velocidad de rotación de las galaxias era uniforme e independiente de la distancia al centro de giro, esto constituyó un hecho no esperado ya que tanto la teoría newtoniana como la relatividad general sugería que la velocidad de giro de rotación debía decrecer con la distancia. Así por ejemplo, en el sistema solar los planetas que orbitan a menor distancia tienen velocidades de giro mayor que los más lejanos. La teoría MOND explica satisfactoriamente las curvas de rotación observadas, introduciendo una hipótesis ad hoc: que la fuerza sobre una partícula no es proporcional a la aceleración para valores muy pequeños de la aceleración. La escasa motivación independiente de esta teoría, hace que no tenga un amplio apoyo dentro de la comunidad científica, que prefiere algún tipo de explicación alternativa basada en la materia oscura. La teoría MOND fue propuesta por Mordehai Milgrom en 1981 para modelar la velocidad uniforme observada en el giro de las galaxias.
Cosmologías filosóficas Principio antrópico El principio antrópico (de anthropos, hombre en griego), es un principio que se suele enunciar como sigue: El mundo es necesariamente como es porque hay seres humanos que se preguntan por qué es así
Stephen W. Hawking, en su libro Historia del tiempo, habla del principio antrópico aplicado al tema del origen y formación del universo. Hawking dice: "vemos el universo en la forma que es porque nosotros existimos". Expone que hay dos versiones del principio antrópico: la débil y la fuerte. Sobre el tema de la formación del universo, concluye diciendo que si no fuese como es (o que si no hubiese evolucionado como evolucionó) nosotros no existiríamos y que, por lo tanto, preguntarse cómo es que existimos (o por qué no "no existimos") no tiene sentido. El Principio antrópico cosmológico también es el título de un controvertido libro de John D. Barrow y Frank J. Tipler publicado en el año 1986 en el que se expone la versión más fuerte del principio antrópico la cual implicaría la aparición forzosa de vida inteligente como consecuencia cosmológica de la evolución del Universo. El razonamiento de Barrow y Tipler es para muchos científicos sin embargo un razonamiento puramente tautológico. En efecto, el principio antrópico en su forma más básica se puede considerar casi un truismo ya que indica que cualquier teoría sobre la naturaleza del universo debe permitir nuestra existencia como seres humanos y entes biológicos basados en el carbono en este momento y lugar concretos del universo.
Cosmologías religiosas Cosmogonías Cosmogonía (del idioma griego κοσμογονία o κοσμογενία, siendo κοσμος “el mundo” y la raíz γί(γ)νομαι / γέγονα, “nacimiento, nacer”) ciencia que estudia el origen del universo o conjunto de narraciones e historias ideadas que pretenden dar respuesta al origen del Universo y del hombre mismo, que nos retrotraen al momento originario, en el cual el mundo no estaba formado, en donde los elementos constitutivos se hallan en desorden y el relato mítico proporciona el reagrupamiento necesario para la percepción global. La cosmogonía pretende la subitación entre la percepción entre el universo (espacio) y la creación (humana) de forma mítica por medio de las narraciones o relatos para entender la concepción del universo como un todo en relación a la creación de la vida humana. Mitos del Sol en diversas culturas
Mitos de la Tierra en diversas culturas
Mitos de la luna en diversas culturas
El Sistema Solar en la mitología grecorromana
Cielo, estrellas y constelaciones en diversas culturas
Creacionismo Se denomina creacionismo al conjunto de creencias, inspirada en doctrinas religiosas, según la cual la Tierra y cada ser vivo que existe actualmente proviene de un acto de creación por uno o varios seres divinos, cuyo acto de creación fue llevado a cabo de acuerdo con un propósito divino.
Por extensión a esa definición, el adjetivo «creacionista» se ha aplicado a cualquier opinión o doctrina filosófica o religiosa que defienda una explicación del origen del mundo basada en uno o más actos de creación por un Dios personal, como lo hacen, por ejemplo, las religiones del Libro. Por ello, igualmente se denomina creacionismo a los movimientos pseudo-científicos y religiosos que militan en contra del hecho evolutivo. El creacionismo se destaca principalmente por los "movimientos anti-evolucionistas", tales como el diseño inteligente, cuyos partidarios buscan obstaculizar o impedir la enseñanza de la evolución biológica en las escuelas y universidades. Según estos movimientos creacionistas, los contenidos educativos sobre biología evolutiva han de sustituirse, o al menos contrarrestarse, con sus creencias y mitos religiosos o con la creación de los seres vivos por parte de un ser inteligente. En contraste con esta posición, la comunidad científica sostiene la conveniencia de diferenciar entre lo natural y lo sobrenatural, de forma que no se obstaculice el desarrollo de aquellos elementos que hacen al bienestar de los seres humanos. Las cosmogonías y mitos de carácter creacionista han estado y permanecen presentes en muy distintos sistemas de creencias, tanto monoteístas, como politeístas o animistas. El movimiento creacionista políticamente más activo y conocido es de origen cristiano protestante y está implantado, principalmente, en los Estados Unidos.
Diseño inteligente
Diseño inteligente es el nombre utilizado para describir a la corriente que sostiene que el origen o evolución del Universo, la vida y el hombre, son el resultado de acciones racionales emprendidas de forma deliberada por uno o más agentes inteligentes. Es considerada una pseudociencia con características dogmáticas por la comunidad científica, y por las asociaciones escépticas. Si bien sus partidarios proclaman que se trataría de una propuesta científica legítima, capaz de sustentar un programa de investigación metodológicamente riguroso, el diseño inteligente es considerado por la comunidad científica de las ciencias naturales afines al tema sólo como una justificación a posteriori de la creencia en un creador determinado (el Dios de las religiones monoteístas), presentada como una versión de creacionismo contemporáneo anti-evolución que trata de buscar la respetabilidad intelectual que el creacionismo clásico no ha sido capaz de obtener.
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