Questionnaire Design

hoyo negro. Cuerpo en el que la fuerza gravitatoria es tan inten- sa que no permite que nada, ni la luz, salga de él.

Ia.Tipo de supernova con una luminosidad conocida. Su perfil de luminosidad es muy característico.

inercia.Fenómeno que experimentan todos los cuerpos masivos y que se manifiesta como una oposición del cuerpo a cambiar su estado de movimiento.

inhomogeneidad. Desperfecto en una región homogénea. isotérmico.Proceso que se lleva a cabo a temperatura cons-

tante.

isotrópico. Cuerpo cuyas propiedades físicas son iguales en todas las direcciones.

kpc. Kilopársec, es una medida de distancia galáctica. Un pársec son 3.26 años luz o 3 ⫻ 1013km ⫽ 30 billones de kilómetros.

Un kilopársec son 1 000 pársecs, o sea, 3 260 años luz.

Lambda Cold Dark Matter.Modelo de Universo que propone a la materia oscura fría para formar la estructura a gran escala del Universo; es decir, las galaxias, los cúmulos de galaxias, etc., y a una constante cosmológica para que explique la expansión acelerada del Universo.

lente gravitacional.Efecto causado en una fuente luminosa de- bido a un objeto con un campo gravitacional que se interpone entre la fuente y el observador.

leyes dinámicas.Leyes físicas que determinan el movimiento de un cuerpo que está bajo la influencia de alguna fuerza. límite de Chandrasekhar. Es igual a 1.4 masas solares y es el

límite que determina la forma final de una estrella que ha agotado su combustible nuclear. Si el remanente final es ma- yor que 1.4 masas solares, la estrella terminará como una es- 119

trella de neutrones. Si es menor, el objeto final será una enana blanca.

litio.Tercer elemento de la tabla periódica.

masa gravitacional.Análoga a la carga eléctrica, la carga gravi- tacional se suele llamar masa gravitacional.

masa inicial.Intensidad de la inercia de un cuerpo; intensidad de la oposición que presenta un cuerpo a cambiar su estado de movimiento.

materia bariónica. Materia contenida fundamentalmente en los núcleos de los átomos. Es, de hecho, la materia que bási- camente determina el peso de un átomo.

materia oscura. Tipo de materia desconocida que determina la estructura a gran escala del Universo; es decir, la materia os- cura es el principal contribuyente para la formación de las galaxias, los cúmulos de galaxias, los supercúmulos de gala- xias, etc. En la actualidad, esta materia no interactúa con la materia bariónica.

materia oscura caliente. Materia oscura que, al desprenderse de su interacción con el resto de la materia, era tan caliente que se movía en esos momentos a velocidades cercanas a la de la luz.

materia oscura fría.Materia oscura que, al desprenderse de su interacción con el resto de la materia, era suficientemente fría para moverse en esos momentos a velocidades lejanas a la de la luz.

materia oscura tibia. Materia oscura intermedia entre materia oscura fría y materia oscura caliente.

mecánica cuántica.Teoría microscópica del cosmos.

microlenticulación.Efecto de lente gravitacional causado por un objeto pequeño.

modelo de formación de estructura.Modelo que trata de expli- car cómo se formaron las galaxias, los cúmulos de galaxias, los supercúmulos de galaxias, etcétera.

modelo del big bang caliente.Modelo que trata de explicar el des- arrollo del Universo, postulando la existencia de una gran explosión en su origen que causó una altísima temperatura en todo el Universo.

modelo estándar de la cosmología. Modelo del big bang calien- te, más el modelo de inflación, más el modelo de lcdm. modelo estándar supersimétrico.Modelo estándar de partículas

con supersimetría.

modelo mínimo supersimétrico. Modelo estándar de partícu- las más simple con supersimetría

naturaleza escalar.Partícula escalar, es decir, con espín cero. nebulosas.Galaxias.

neutrino. Partícula neutra del modelo estándar que ayudó a explicar la radiactividad. Hay tres tipos de neutrinos, se les suele denominar como neutrino del electrón, neutrino del muón y neutrino del tauón.

neutrón.Partícula nuclear sin carga, o sea, neutra.

núcleo.Parte central del átomo, en donde se encuentran los neu- trones y protones.

nucleosíntesis.Modelo de partículas que explica cómo se for- maron los núcleos de los átomos.

nucleosíntesis primordial.Proceso después del origen del Uni- verso por el cual se formaron los primeros elementos, funda- mentalmente hidrogeno y helio 4.

paquete cuántico.Paquete de energía cuantizado de partículas o energía.

paradigma. Palabra utilizada para designar a un conjunto de ideas y teorías a fin de interpretar la realidad.

periodo inflacionario. Periodo que se supone existió muy al inicio del origen del Universo, y que provocó que su tamaño crecie- ra miles de millones de millones de veces en tan sólo miles de millonésimas de millonésimas de segundo. Es la mejor forma que se tiene hasta ahora para aclarar una serie de pro- blemas de nuestro modelo cosmológico.

principio de incertidumbre.Principio físico que rige la natura- leza del microcosmos, a partir del ámbito atómico y molecular. El principio dice que no es posible que un observador pueda medir u observar la posición y el momento de una partícula con precisión arbitraria. Siempre habrá una incertidumbre en la medición.

problema del horizonte.Problema que se refiere al hecho que 121

predice la expansión del Universo sin inflación. Se refiere a que hay una inconsistencia entre la radiación de fondo del Universo observada y el modelo del big bang.

protón.Partícula nuclear con carga eléctrica positiva. pulsar. Estrella de neutrones.

quark.Partícula fundamental de la que están hechos los bario- nes, como las partículas que están en el núcleo atómico. quintaesencia.Tipo de materia hipotética que pretende resolver

el problema de la energía oscura, alternativo a la constante cosmológica.

radiación de cuerpo negro.Radiación electromagnética emitida por un cuerpo caliente, y que depende de la temperatura del cuerpo.

radiación de fondo del Universo.La radiación de fotones que quedó libre después de que éstos dejaron de interactuar con el resto de la materia.

radiación de microondas.Radiación electromagnética de lon- gitud de onda muy pequeña.

radiación electromagnética.Ondas electromagnéticas.

simetría Peccei-Quinn. Simetría postulada por R. D. Peccei y H. R. Quinn para resolver una anomalía de la teoría nuclear. Esta simetría trae como consecuencia la existencia de una nue- va partícula llamada axión.

sistema inercial.Sistema de referencia libre de fuerzas externas. snIa.Supernova del tipo Ia.

supermasivo.Que tienen un masa muy, muy grande.

supernova. Explosión que experimenta una estrella al terminár- sele su combustible nuclear. Estas explosiones son tan enormes que a veces llegan a equiparar la luminosidad de una galaxia. supersimetría.Simetría que postula la existencia de un bosón para cada fermión y un fermión para cada bosón del modelo estándar.

teoría cinética.Teoría que explica el comportamiento de los sis- temas de muchos cuerpos, como las moléculas de un gas o el comportamiento de las moléculas de un líquido.

teoría cuántica. Véase mecánica cuántica.

teoría de la gran explosión. Teoría que postula que el Universo 122

se originó en una explosión enorme que provocó que toda la materia del Universo se alejara entre sí, es decir, que el Universo se expandiera.

teoría de la inflación.Teoría que postula un periodo inflaciona- rio. Pretende aclarar algunas anomalías de la teoría de la gran explosión, postulando que el Universo se expandió muy ace- leradamente durante un instante de tiempo.

teoría del big bang.Teoría del Universo que afirma que éste se inicio en una gran explosión, provocando que la materia se ca- lentara a millones de millones de grados térmicos.

teoría electromagnética. Teoría que explica el comportamien- to de los cuerpos sujetos a interacciones electromagnéticas. Esta teoría fue formulada por James C. Maxwell en el siglo xix.

teoría especial de la relatividad.Teoría elaborada por Albert Einstein que unificó los conceptos de la teoría electromag- nética de Maxwell y la dinámica. Esta teoría se basa en dos principios: el primero dice que los observadores ven el mis- mo fenómeno desde todos los sistemas inerciales de referen- cia, y el segundo afirma que la velocidad de la luz es la misma medida desde cualquier sistema inercial.

teoría general de la relatividad. Teoría elaborada por Albert Einstein que unificó los conceptos de la teoría especial de la relatividad con la teoría de la gravitación. Esta teoría se basa en el principio de equivalencia que afirma que la masa inercial y la masa gravitacional de dos cuerpos miden lo mismo. teoría mecánica de Newton.Teoría elaborada por Isaac Newton

sobre el movimiento de los cuerpos, basada en las observacio- nes de Nicolás Copérnico y Johanes Kepler.

teoría supersimétrica. Teoría que postula la existencia de la su- persimetría en la naturaleza.

teorías de unificación.Teorías que pretenden unificar las dife- rentes interacciones de la naturaleza, así como formular una sola teoría que explique todo el Universo.

termonuclear. Fenómeno térmico provocado por una reacción nuclear, como la explosión de una bomba atómica.

Universo. Todo lo que existe.

Universo causal.El trozo de Universo al que tenemos acceso a través de nuestras observaciones, el que podemos sentir o ver. Universo homogéneo. Universo que tiene una distribución uni- forme de materia, que no tiene regiones con más materia que otras.

Universo isotrópico.Universo que se ve igual desde cualquier lugar dentro de él.

velocidad circular. Velocidad tangencial de las estrellas en una ga- laxia.

velocidad rotacional. Velocidad tangencial de las estrellas en una galaxia.

velocidad tangencial. Velocidad en la dirección de movimiento que experimenta un objeto al girar sobre un eje. Por ejem- plo, la velocidad que experimenta el observador en un carru- sel o en un volantín en la dirección que lleva al mirar de frente. wimp.Weak Interacting Particle. Partícula que interactúa débil- mente. Estas partículas han sido postuladas como candidatas a ser materia oscura.

wmap.Wilkinson Microwave Anisotropy Probe. Satélite artificial que obtuvo mediciones precisas de las fluctuaciones de la radiación de fondo del Universo.

BIBLIOGRAFÍA

(Existe una gran cantidad de libros que versan sobre los temas cosmológicos, pero muy pocos que tocan el tema de la materia y la energía oscura, sobre todo en español. Los libros en español que más recomiendo son los de la colección La Ciencia para Todos, del Fondo de Cultura Económica. Además de ser muy ilustradores y amenos, su precio es muy accesible.)

1. Los más relacionados con estos temas son:

Bravo, Silvia, Encuentro con una estrella (1987), fce (La Ciencia para Todos núm. 38), México, 2001, 141 pp.

Flores Valdés, Jorge, La gran ilusión III. Las ondas gravitacionales (1988), fce (La Ciencia para Todos núm. 41), México, 2003, 112 pp.

Hacyan, Shahen, Del mundo cuántico al Universo en expansión (1992) fce (La Ciencia para Todos núm. 129), México, 2003, 108 pp.

———, El Descubrimiento del Universo (1986) fce (La Ciencia para Todos núm. 6), México, 2003, 160 pp.

———, Los hoyos negros y la curvatura del espacio-tiempo (2003), fce (La Ciencia para Todos núm. 50), México, 2003, 130 pp. Moreno Corral, Marco Arturo, La morada cósmica del hombre (1997), fce (La Ciencia para Todos núm. 155), México, 2003, 278 pp.

Peimbert, Manuel (comp.), Fronteras del Universo (2000), fce (La Ciencia para Todos núm. 160), México, 2002, 179 pp.

Rodríguez, Luis Felipe, Un Universo en expansión (1986), fce (La Ciencia para Todos núm. 1), México, 2003, 110 pp.

2. Libros interesantes en español de otras editoriales: Poveda, Arcadio, y Herrera, Miguel Ángel, Materia Obscura en el

Universo, Conacyt (equipo Sirius), México, 1991.

Trefil, James S., El momento de la Creación, Salvat (Biblioteca cien- tífica), Barcelona, 1986.

3. Algunos libros en inglés muy recomendables son: Barrow, John D., The Book of Nothing, Pantheon, Nueva York, 2000. Rees, Martin, Our Cosmic Habitat, Princeton University Press, Prin-

ceton, 2001.

Hawking, Stephen, The Universe in a Nutshell, Bantam, Nueva York, 2001.

De éste ultimo existe una versión en español por

Hawking, Stephen, El Universo en una Cáscara de Nuez, Crítica/ Planeta, Barcelona, 2002.

Todos estos libros son para no especialistas y escritos en una forma amena y clara.

ÍNDICE

Dedicatoria 7

Introducción 9

I. El modelo del big bang caliente 13

II. Historia térmica del Universo 20

III. Teoría general de la relatividad 30

IV. Inflación 48

V. Formación de estructura 60

VI. Materia oscura 69

VII. Materia oscura fría, caliente, tibia… 81

VIII. Energía oscura 88

IX. ¿Qué es la materia oscura? 94

X. Preguntas abiertas 108

Glosario 115

Bibliografía 125

Lámina 17. Resultado de una simulación numérica elaborada en el Gadget Supercomputing Consortium usando computadoras del Computing Centre de la Max-Planck Gesellschaft, Garching, Alemania. Más imágenes se encuentran en la página http://www.mpa-garching.mpg.de/gadget/.

Lámina 18. Espectro Angular de Potencias obtenido por el satélite artificial wmap. Observen cómo se obtiene el máximo de la intensidad del espectro para un momento multipolar más o menos l ⫽ 200. El valor de l para el máximo de intensidad depende casi exclusivamente de la cantidad total de materia en el Universo. Éste es un indicio muy fuerte de que la densidad del Universo es casi la densidad crítica. La línea continua es la línea teórica y se obtuvo con el modelo Lambda cdm. (nasa/wmap Science Team.)

Lámina 19. Región del Universo donde pueden verse galaxias realmente muy lejanas. Las galaxias más rojas son las más lejanas, su color se debe básica- mente a su corrimiento al rojo. Actualmente se han visto galaxias que están a más de 10 000 millones de años luz de la Tierra. Es decir, vemos su imagen de cómo se veían estas galaxias hace más de 10 000 millones de años. (Página elec- trónica del Hubble Space Telescope.)

Lámina 20. Estrategia para identificar supernovas del tipo Ia. En una noche muy oscura, con un telescopio especial con apertura de 4 m, se observaba una región muy amplia del Universo con decenas de miles de galaxias, y se obtuvo una fotografía como la que aparece a la izquierda de la imagen. Al día siguien- te se tomó otra fotografía del mismo lugar (derecha) y, con una computadora con procesador digital de imágenes, se detectaron todos los cambios por

pequeños que fuesen respecto de la fotografía del día anterior hasta encontrar una snIa. Al encontrarla, se siguió el objeto durante varios días con el telesco- pio espacial Hubble para graficar su espectro de luminosidad diaria, obtenién- dose un diagrama como el de la imagen. (Imagen tomada del artículo de S. Perlmutter et al, publicado en Bull.Am.Astron.Soc. 29 (1997) 1351, o también

Lámina 21. Sistema binario de una estrella compacta (punto rojo) con una estrella no compacta (bola azul). La estrella com- pacta tiene un campo gravitatorio tan enorme que se traga materialmente a la estrella normal. Ésta es la representación del sistema binario Centauros X-3. (Cortesía del doctor Dany Page, del IA-unam.)

Lámina 22. Dos supernovas del tipo Ia muy lejanas, junto a la galaxia que las contiene. (Página electrónica del Hubble Space Telescope.)

Lámina 23. Contenido de materia del Universo, según las observaciones del satélite artificial wmap. Como se aprecia, el Universo está hecho fundamental- mente de materia y de energía oscuras: 73% de energía oscura, 23% de mate- ria oscura y tan sólo 4% de átomos (materia bariónica). (nasa/wmap Science Team.)

Lámina 2. El satélite artificial cobe (Cosmic Background Explorer), con el que se hizo por primera vez un mapa de la radia- ción de fondo del Universo en 1992. (Página electrónica de la nasa.)

Lámina 3. Satélite artificial wmap, que obtuvo un mapa de alta resolución de la radiación de fondo del Universo en 2003. (nasa/wmap Science Team.)

Lámina 4. Mapa de la radiación de fon- do del Universo (arriba), obtenido por el satélite artificial wmap en 2003. Las regiones más rojas son más calientes, y las más azules son más frías. Las dife- rencias de temperatura mostradas aquí son de cienmilésimo de grado Kelvin. El mismo mapa (abajo), pero tomando en cuenta sólo diferencias de temperatura de hasta diezmilésimos de grado Kelvin. Nótese la fuerte isotropía y homogenei- dad del Universo. (nasa/wmap Science Team.)

Lámina 6. Nacimiento de estrellas en alguna galaxia. Este proceso es muy común en galaxias. Las partes luminosas son estrellas que están naciendo. (Página electrónica del Hubble Space Telescope.)

Lámina 7. Dos regiones con cantidades enormes de gas que, a su vez, contienen gran cantidad de estrellas que están naciendo en ellas. (Página electrónica del Hubble Space Telescope.)

Lámina 8. Nacimiento de dos estrellas. Por lo regular las estrellas forman sis- temas binarios, cuya formación podemos observar aquí. (Página electrónica del Hubble Space Telescope.)

Lámina 9. Estrellas en formación. Antes de lograr el equilibrio, el gas de las estrellas entra en un proceso de formación que dura varios miles de años. En ese proceso, la estrella expulsa gas y recolapsa hasta lograr el equilibrio gravitotérmico. Las explosiones fueron descubiertas por el astrónomo mexicano Guillermo Haro y, en la actualidad, se conocen como “objetos Herbig-Haro”, también llamados objetos HH. (Página electrónica del Hubble Space Telescope.)

Lámina 10. Explosión de supernova captada en 1992. La explosión lanza al espacio gran cantidad de material de la estrella, man- dando así los elementos cocinados en su centro y convirtiéndolos en polvo interestelar, que después podrá ser captado por otra estrella en formación. (Página electrónica del Hubble Space Telescope.)

Lámina 11. Campo magnético de una estrella de neutrones y sus emisiones. La estrella de neutrones emite pulsos debido a su campo magnético y a su intensa rotación sobre su eje. En la actualidad ya se conocen cientos de estas estrellas. (Cortesía del doctor Dany Page, del IA-unam.)

Lámina 12. Rayos X captados en la constelación de Sagitario, en donde se encuentra el centro de nuestra galaxia: la Vía Láctea. Rayos X de gran intensi- dad, como los aquí observados, son indicios muy fuertes de la existencia de un hoyo negro. El hoyo negro es tan denso que traga todo lo que pasa cerca de él. La materia que está entrando, llamada disco de acreción, lo hace a velocida- des extraordinarias, causando una enorme fricción en el gas. El gas se calien- ta tanto que emite radiación en frecuencias muy altas en la región de rayos X. (Fotografía tomada de la página del Chandra X Ray Observatory, nasa/ cxc/sao.)

Lámina 13. Existen fuertes indicios de que los centros de muchas galaxias con- tienen hoyos negros supermasivos, cuya masa es proporcional al tamaño de la galaxia que los contiene. Aquí se comparan varias galaxias: en la columna del lado izquierdo se muestran algunas, cuyos nombres aparecen en la parte superior izquierda; en la columna de la derecha aparecen sus discos de acre- ción (de color rojo), en cuyo centro se encuentra el hoyo negro. A la de- recha, las esferas dibujadas representan el tamaño del horizonte del hoyo negro correspondiente, que con seguridad causa el disco de acreción. El tamaño de la masa de cada hoyo negro se indica arriba de cada esfera. El horizonte más grande abarca más que toda la fotografía. La distancia marcada abajo muestra, en forma comparativa, el diámetro de la órbita de la Tierra. (Página electróni- ca del Hubble Space Telescope.)

Lámina 14. Estrella en formación con nebulosa plane- taria. Las estrellas no logran captar todo el polvo circun- dante; parte de este polvo queda atrapado en el campo gravitatorio de la estrella. A su vez, el polvo se colapsa debido a su campo gravitacional, formando sistemas plane- tarios que giran alrededor de la estrella. (Página electróni- ca del Hubble Space Telescope.)

Lámina 15. Discos planetarios formándose alrededor de estrellas que, a su vez, están en formación. Estos discos

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