Edad del universo

¿Es posible saber con certeza la edad de todo lo que existe a nuestro alrededor? ¿Cómo se calcula la edad del universo?

En 1924, el astrónomo norteamericano Edwin Hubble se percató que ciertos objetos lejanos se alejaban de la tierra. ¿Cómo descubrió esto? Al analizar la luz de una estrella los astrónomos obtienen un espectro (descomposición de la luz en los colores del arco iris) en el cual aparecen líneas negras según la composición química de la estrella o galaxia. Comparando este espectro con patrones conocidos, se puede identificar un desplazamiento hacia el rojo o el azul. En la siguiente figura se muestra un desplazamiento al rojo.

Estos desplazamientos ocurren debido al efecto doppler e indican el movimiento del objeto (Explicación en este video). Si el desplazamiento es hacia el azul, el objeto se acerca al observador y al contrario, si es hacia el rojo, el objeto que emite la luz se está alejando, en este caso, de la tierra.
Mediante esta técnica Hubble descubrió a principio de los años 30, que las galaxias del cielo (excepto las de nuestro grupo local) se están alejando de nosotros. Incluso se percató que la velocidad de alejamiento era proporcional a la distancia, es decir, mientras más lejos está una galaxia, más rápido se aleja de nosotros. Con esto concluyó que el universo se estaba expandiendo en todas direcciones. Para describir esto instauró la constante de Hubble H en la siguiente ecuación:

Velocidad de alejamiento del objeto = H(constante de Hubble) x Distancia del objeto

Luego surgió la idea que en algún momento en del pasado debe haber comenzado esta expansión y surgió la teoría del big bang. Esta teoría marcaba la posibilidad de medir la edad del universo ya que por ejemplo, si un auto sale de una ciudad a una velocidad constante y conocemos su posición en un momento dado, es posible determinar en qué momento salió de la ciudad. Realizando algo similar se puede estimar una aproximación de la edad del universo.

Todos sabemos que

por lo que


Además, según las observaciones de Hubble;

Por lo que reemplazando en la ecuación anterior tenemos;


Simplificando nos queda;


Por lo tanto, para estimar la edad del universo se requiere estimar la constante de Hubble.
¿Cómo se mide la constante de Hubble?
Sabemos lo siguiente:


Entonces para obtener la constante de Hubble se requiere conocer la velocidad de alejamiento de objetos lejanos y su distancia. Como expliqué, la velocidad de alejamiento de objetos se puede obtener analizando el espectro de luz de los objetos y determinando su grado de desplazamiento al rojo.
Por lo tanto solo falta medir distancias, lo cual desgraciadamente no es tan fácil en el espacio. Una estrella puede verse pequeña en el cielo porque es pequeña y está cerca o porque es muy grande y está muy lejos. Por lo tanto para medir distancias es necesario encontrar estrellas u objetos de los cuales se conozca su luminosidad propia (brillo intrínseco), algo así como saber que se tiene una ampolleta de 100 Watts. Se requiere conocer esto porque se sabe que el brillo aparente de las estrellas (el que vemos aquí en la tierra) es el brillo intrínseco (el propio de la estrella) dividido por el cuadrado de la distancia. Es decir,



Por lo tanto:


El brillo aparente de un objeto (el recibido aquí en la tierra) se puede medir a través de la luz que llega a los telescopios. Por lo tanto para conocer la edad del universo faltaría conocer el brillo intrínseco de objetos celestes. Para esto, en 1912 se descubrieron estrellas llamadas Cefeidas las cuales tienen la propiedad de cambiar su luminosidad intrínseca en forma periódica (Más información en este video) Además su luminosidad está dada por el periodo de su variabilidad. Estas estrellas se pueden utilizar para medir distancias a objetos medianamente "cerca" de la tierra. Para medir distancias más grandes se utilizan supernovas tipo 1a (explosiones de estrellas gigantes) que tienen una propiedad que permite determinar su luminosidad intrínseca (video aquí)

Con todos estos datos es posible calcular la Constante de Hubble y así estimar la edad del universo. Pero desgraciadamente la cosa no es tan simple, volviendo al ejemplo del auto, conociendo su velocidad y su posición, podemos identificar la hora a la que salió solamente si su velocidad ha sido constante. En el universo la velocidad de expansión no ha sido constante, en sus inicios la expansión fue más rápida por lo que se debe corregir la constante de Hubble parámetros de densidad:

Esto permite modelar la rápida expansión en los inicios del universo según se muestra en el siguiente gráfico:


Con este modelo se obtiene un valor de 4.35×1017 segundos para el tiempo, lo que equivale a unos 13.78 millones de años.

Además del método descrito existen dos otros métodos que establecen una edad similar del universo. En primer lugar se tiene el estudio de la edad de los glóbulos estelares que establecen que el universo debe tener entre 11 mil y 18 mil millones de años, ya que obviamente el universo no puede ser más joven que los objetos que contiene. En segundo lugar, en el 2001 se lanzó un satélite con el fin de medir la temperatura de la radiación cósmica con lo cual se estableció una edad del universo de unos 13.720 millones de años. Por lo tanto todo indica que el universo tiene aproximadamente unos 13,7 miles de millones de años (Ojo que en EEUU le dicen billones a los miles de millones, pero técnicamente un billón es un millón de millones).

Fuentes:
http://en.wikipedia.org/wiki/Hubble%27s_law
http://www.universeadventure.org/big_bang/conseq-ageofuniv.htm
http://map.gsfc.nasa.gov/universe/uni_age.html

Know your universe

¿De dónde vienen los elementos que foman nuestros cuerpos y nuestro planeta?

¿De dónde viene la materia? ¿Dónde se forman los elementos que componen nuestros cuerpos, nuestro planeta y todo lo que conocemos?

Como expliqué en un post anterior (aquí) en el big bang se crearon los elementos más sencillos, el hidrógeno y el helio. En este post quiero explicar, más en detalle, como a partir de estos dos elementos se formaron todos los otros elementos que conocemos en la tabla periódica. Se ha observado que el hidrógeno y helio existentes en el universo forman nubes las cuales, con el paso del tiempo, y algunos eventos cósmicos, se concentran en una esfera gaseosa. (Algo similar al planeta Júpiter pero de mayor tamaño.) Para convertirse en estrella, esta esfera gaseosa tiene que seguir creciendo hasta alcanzar un tamaño de por lo menos unas 80 veces la masa de Júpiter. A medida que esta proto estrella va creciendo, la temperatura interior va aumentando hasta que en su centro llega a los 10 millones de grados Kelvin. Con esta temperatura comienza en su núcleo la fusión que enciende la estrella y que crea nuevos elementos.

La creación de los elementos es un que proceso consume lentamente una cierta cantidad de masa de la estrella y la transforma en energía. En la siguiente figura se muestra la fusión de hidrógeno en helio que ocurre durante gran parte de la vida de la estrella. En este caso, al existir temperaturas sobre los 10 millones de grados Kelvin los átomos de hidrógeno pueden superar las fuerzas de repulsión que existe entre ellos y fusionarse. En este proceso dos protones se fusionan para formar un deuterium, el cual se fusiona con otro protón formando Helio (3) el cual choca con otra partícula de Helio(3) para formar el Helio. En nuestro sol, esta cadena de reacciones consume 5 millones de toneladas de hidrógeno cada segundo transformando esto en energía (photones). Todo esto sucede en el centro de las estrellas, por lo que en el caso de nuestro sol, un photon demora miles (o incluso millones) de años en salir del sol, y luego demora 8 minutos en llegar hasta la tierra.Una vez que todo el hidrógeno del núcleo de la estrella es transformado en Helio, la temperatura aumenta a unos 100 millones de grados lo que permite la fusión de Helio en Carbón, pasando por el Berilio.
Si la temperatura sigue aumentado nuevos elementos pueden fusionarse según las siguientes ecuaciones:
En este proceso la presión de radiación se incrementa por lo que la estrella crece de tamaño pasando a ser una gigante roja. (Se estima que nuestro sol podría crecer hasta el tamaño de la órbita de la tierra en este proceso.)
En nuestro sol el proceso terminaría ahí, ya que no tendría suficiente fuerza gravitacional para lograr las temperaturas requeridas para fusionar el carbón. Pero en estrellas más masivas la temperatura seguiría aumentando hasta unos 600 millones de grados con lo cual proceso continúa según las siguientes ecuaciones:
Así en el núcleo de las estrellas masivas se van creando elementos hasta llegar al hierro (Ecuaciones aquí).

Una vez que la parte interna del núcleo de la estrella contiene solo átomos de hierro la temperatura llega a ser de casi un billón de grados lo que provoca que los átomos de Hierro en la parte central del núcleo se desintegren liberando protones y neutrones. Pero como las partículas de hierro son muy estables requieren energía para fusionarse (a diferencias de las fusiones anteriores que liberaban energía) por lo que la estrella muera. Esto provoca que el núcleo de la estrella colapse y explote en lo que se llama una supernova.

Una explosión de este tipo libera una cantidad increíble de energía, esta explosión llega a ser tan luminosa como mil millones de estrellas. Durante esta explosión, se logra mezclar los elementos creados con los protones y neutrones liberados desde el fierro y en unos breves instantes, utilizando la energía disponible de la explosión, se crean el resto de los elementos de la tabla periódica. Algunos de los elementos conocidos que se crean en esta explosión son el oro, el plomo, el zinc y el cobre.
La explosión de las supernovas permite además que todos estos nuevos elementos creados sean liberados al espacio en una nebulosa que probablemente formará una nuevas estrellas y probablemente sus planetas. Es así como todos los elementos que forman la materia de nuestros cuerpos y nuestra tierra llegaron a crearse a partir del elemento más simple, el hidrógeno.

Los dejo con un interesante video al respecto:


Fuentes:
http://outreach.atnf.csiro.au/education/senior/cosmicengine/stars_types.html
http://en.wikipedia.org/wiki/Triple-alpha_process
http://en.wikipedia.org/wiki/Proton-proton_chain
http://aether.lbl.gov/www/tour/elements/stellar/stellar_a.html
http://www.astrophysicsspectator.com/topics/stars/Fusion.html
http://www.universetoday.com/guide-to-space/the-sun/the-suns-death/

Súper volcanes; el desafío de supervivencia que se avecina…

Según científicos se viene, tarde o temprano, un evento que amenazará la supervivencia humana en la tierra… la erupción de un súper volcán… y no hay nada que podamos hacer al respecto.

En el mundo se estima que existen unos 600 volcanes de los cuales en promedio unos 50 o 70 volcanes hacen erupción cada año. Sin embargo, existe una alta probabilidad que “pronto” en la escala geológica del tiempo un súper volcán entre en acción dejando en ridículo cualquier erupción conocida hasta ahora.

En 1917, un geólogo llamado Mike Voorhies descubrió un yacimiento de fósiles en Nebraska EEUU en el cual todos los animales habían muerto a causa de algún misterioso cataclismo hace unos 12 millones de años.
Lo raro es que en Nebraska no existen volcanes pero los fósiles se encontraban bajo una capa de cenizas de hasta 3 metros de profundidad y todo indicaba que los animales habían muerto por una cosa llamada osteodistrofia pulmonar hipertrófica que se debe a la respiración de ceniza abrasivas. Al investigar sobre el origen de las cenizas se descubrió que los animales habían muerto por una explosión volcánica de una envergadura inconcebible hasta ese entonces la cual había logrado dejar una capa de cenizas de 3 metros de profundidad a unos 1.600 km de distancia. Esta explosión volcánica correspondió a la erupción de un punto caliente volcánico que todavía existe en la actualidad y es conocido como el Parque Nacional Yellowstone.

Un súper volcán como el que se encuentra en Yellowstone puede tener consecuencias desastrosas para el mundo entero, llegando incluso a amenazar a la raza humana. Una erupción de este tipo puede llegar a cubrir un área del tamaño de Estados Unidos con cenizas, llegando a dejar hasta un metro de cenizas en la mitad de esta superficie. Esto obviamente sería un desastre de proporciones dejando todas las tierras inutilizables por años así como contaminando toda el agua potable de la región
Pero las consecuencias no terminan ahí, una erupción de estas proporciones puede enviar a la atmósfera miles de kilómetros cúbicos de cenizas (se estima que el volcán Chaiten dejó solamente unos 5 km3 de cenizas). Estas cenizas permanecerían por años en la atmósfera disminuyendo la luz solar que llega hasta la tierra produciendo un invierno que duraría años y que marcaría el fin de varias especies y plantas.

Según expertos, erupciones de este tipo en Yellowstone ocurren aproximadamente cada 600.000 años… y la última sucedió hace unos 620.000 años…

Además de Yellowstone, en la tierra existen otros 5 súper volcanes conocidos, y el último que hizo erupción fue uno llamado Toba el cual explotó hace unos 74.000 años y según los registros geológicos tuvo un impacto devastador. Se estima que dejó a los seres humanos de la época al borde de la extinción dejando solamente unos 10.000 o 1.000 seres humanos vivos. Además, produjo un invierno volcánico que duró entre 6 y 10 años y, según algunos expertos, influenció en que la temperatura global de a tierra disminuyera entre 3 a 5 grados lo que dejó a la tierra en una época glacial de unos 1.000 años.

Fuentes
"Una breve historia de casi todo" Bill Bryson
http://www.livescience.com/environment/050308_super_volcano.html
http://en.wikipedia.org/wiki/Supervolcano
http://en.wikipedia.org/wiki/Toba_catastrophe_theory
http://en.wikipedia.org/wiki/Yellowstone_hotspot
http://en.wikipedia.org/wiki/Bruneau-Jarbidge_caldera