27 de noviembre de 2008

La Historia del Universo 3ª Parte

La Historia del Universo - parte 3




La era de los Quarks

A la edad de 10^-33 el universo se ha enfriado a 10^25 [K], los últimos de los bosones X e Y de desintegran, y no pueden ser formados nuevamente a partir de los fotones. De la radiación ahora pueden condensarse los quarks, los ladrillos más básicos de la materia, como también sus antipartículas los antiquarqs. Junto a ellos existen los ya conocidos leptones, como por ejemplo, los electrones y los neutrinos. Pero el cosmos aún está tan caliente, que estas partículas colisionan después de un tiempo brevísimo y que no0 pueden formar los neutrones y protones provenientes de los quarks. Luego la materia común conocida, para nosotros, aún no puede existir. Pero si un plasma de quarks - gluones. Los gluones son las partículas “pegamentos” (glue, en inglés = pegamento), que normalmente aglutinan a los quarks formando protones y neutrones. En este plasma, sin embargo, todas estas partículas aún se encuentran en estado libre y movible. Ya en el año 2000 en el CERN de Suiza so logró demostrar la presencia de este tipo de plasma de quarks – gluones, en forma indirecta.

Cuando el universo alcanzó una edad de 10^-12 segundos, la temperatura había bajado a 10^16 [K]. Ahora también se fragmenta la fuerza eléctrica débil sobrante conforme a GUT, en la interacción débil como en la fuerza electromagnética. Con esto quedaron diferenciadas las 4 fuerzas naturales, y separadas desde ahora, y para siempre. Nuestro cosmos ya dejó atrás varios sucesos determinantes y entra en una nueva era.

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La era de los hadrones

Con una edad de 10^-6 segundos la temperatura es de sólo 10^13 [K]. Los quarks yo no pueden se pueden mover lobremente como partículas independientes, si no, se juntan como Hadrones , y el plasma quark-gluones desaparece. Mientras más se enfría ahora el cosmos con la expansión, tanto mayor es la extinción de los hadrones pesados formados al principio y sólo pueden sobrevivir protones y neutrones y sus antipartículas.






Los fotones en el universo prístino tenían tanta energía, que de ellos se podían formar pares de partículas. Aquí se muestra como ejemplo, la formación de un para de protón/antiprotón, que se aniquilan liberando nuevamente protones. Hay que tener presente, que los protones no son otra cosa que quantas de energía pequeñísimas o paquetes de energía. Según Einstein E = mc^2, bajo condiciones adecuadas, se puede originar materia de energía y viceversa.










En los actuales aceleradores de partículas también pueden ser creadas estas energías, donde aparecen en forma espontánea. O sea, es posible recrear, con bastante exactitud los estados de cosmos hasta esta época.
Los pares de partículas formados se destruyen entre si constantemente en la misma razón como son formados, ya que son pares de materia-antimateria.

En base a la arriba mencionada asimetría, según la cual la materia estás representada con una mayoría por el factor 1,000 000 001 que la antimateria, los hadrones mayoritariamente se aniquilan. Pero este leve resto de materia bastaba para formar el universo actual con todo lo que contiene, incluso nosotros los seres humanos.

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La era de los leptones y de las radiaciones

Mientras tanto el universo ya tiene una edad de 10^-4 [s], y se ha enfriado hasta una temperatura de de 10^12 [K] y la densidad ha bajado, pero aún unos considerables 10
^13 [g/cm^3]. Los protones se transforman constantemente en neutrones y viceversa, de donde se originan una inconmensurable cantidad de neutrinos. Ya que, bajo de las condiciones reinantes, casi no interactúan con otra materia, se desacoplan totalmente del resto del universo. Aún siguen colisionando partículas con antipartículas aniquilándose. La energía de los protones sólo alcanza para formar pares de leptones, o sea, por ejemplo, electrones y positrones. Con esto ahora comienzan a dominar los, y nosotros llamamos a esta fase la leptogénesis. El sobrante de protones y neutrones, forman la materia de nuestro actual mundo. Aquí predominan los protones a los neutrones por el factor de 6, lo que después tiene importancia para la parte del helio que se ha formado.

La expansión cósmica avanza. El universo ahora tienen una edad de 1 [s] y se ha enfriado a 10^10 [K], los neutrinos ya no tienen ninguna relación con la materia. La aniquilación de pares de partículas de protones y neutrones con sus antipartículas ha terminado definitivamente. Pero ahora también se aniquilan los pares de electrones/positrones, nuevamente hasta un excedente de un mil millonésima a favor de la materia. Ahora están presentes todos los “ladrillos”, para formar nuestro universo.

Pero aún el dominio absoluto lo tiene la radiación en el universo. Con esto nosotros nos encontramos en la era de las radiaciones, que va a durar algunos años. El universo ahora contiene protones, neutrones, neutrinos, electrones, positrones y naturalmente fotones, que tienen una preponderancia de un factor de 10^10.

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Núcleo síntesis

Nuestro universo ya tiene una edad de 10 segundos y su temperatura aún es de 1 mil millones [K]. Y bajo estas condiciones, los protones (p) y neutrones (n) pueden realizar fusiones nucleares y con esto producir los primeros núcleos atómicos primordiales. Primero se forman núcleos de Deuterio (D) el tal llamado Hidrógeno pesado (H2 = D) que junto al protón contienen otro neutrón:

p + n <---> D + γ

γ significa una gammna-quanta que se libera. Sin embargo los protones, que predominan, aún tienen mucha energía y de pronto destruyen esto núcleos, pero los protones, neutrones y deuterio que nuevamente se forma, durante algún tiempo están en equilibrio. A la edad de 1 minuto se crea el Deuterio, que ya no se desintegra. Los neutrones son inestables, se desintegran en un tiempo promedio de aproximadamente 15 [min.] en un protón, un electrón y un antineutrino (representado aquí con η):

n < --- > p + e- + η

Por consiguiente la parte de los neutrones, que al comienzo correspondía al de los protones, mientras tanto ha disminuido considerablemente y ya conforma sólo una séptima parte. Ahora, ya que la temperatura ha descendido más aún, casi todos los neutrones restantes son unidos al gas noble 4He. El Helio ya no es degradado, sin embargo una reducida cantidad puede reaccionar con Tritio (H3 o T) a Litio y con el isótopo Helio3 a Berilio



He4 + H3 --- > Li7 + γ

He4 + He3 --->Be7 + γ


Este último por su parte, por la captación de un electrón se degrada a Litio:

Be7 + e- à Li7 + γ

Ahora se podría pensar, que los núcleos de Helio formados pudiesen fusionarse a Carbono

3He4 -> C12

Esto de todos modos ya no es posible, ya que la densidad de las partículas ya no es lo suficientemente grande. Este proceso le queda reservado a las posteriores estrellas. Después de aproximadamente 30 [min] toda esta magia ha terminado, ya no se pueden formar nuevos elementos. A este final de la núcleosíntesis, el 75% DE todas las partículas nucleares remanecen como protones, los núcleos de los posteriores átomos de Hidrógeno. Casi el 25% de la materia se ha acoplado en Helio. Una milésima parte compone del Deuterio, y trazas de Litio completan el cuadro.

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Ahora el asunto en el universo se pone bastante aburrido. Éste se sigue expandiendo y con esto se sigue enfriando cada vez más. La expansión va acompañada de una disminución de la densidad de la energía. Aquí no sólo se refiere a la cantidad de protones por unidad de volumen, si no, también la densidad de las partículas. La materia, según E = mc^2, equivalente a una cantidad determinada de energía. Puesto que las partículas en contraposición a los fotones acusan una masa en reposo, la densidad decrece más lenta, de modo que, después de un cierto tiempo ya no sigue dominado la radiación, si no la masa. Estoes el caso del cosmos a una edad de aprox. 10 000 años, la radiación ha llegado a su fin.




Con distintos instrumentos investigamos la historia del universo. Mientras que el telescopio Hubble nos proporciona una mirada al joven universo, el nuevo James Webb Space Telescope (JWST), a partir del año 2011 nos va a facilitar miradas aún más hacia el pasado. Las primeras radiaciones ya nos lo muestra el WMAP








alte Galaxien = Galaxias antiguas, viejas
älteste Galaxien = Las galaxias más antiguas
Zünden der esten Sterne = Se encienden las primeras estrellas
ältetse Licht = La luz más antigua
Jahre = Años
Hier und heute = Aquí y ahora
Dunkles Zeitalter = Era oscura
Cuadro: Con la gentil autorización del NASA/WMAP Science Team


A la edad de 379 000 años la temperatura es de sólo unos 3000 [K]. Hasta este punto los fotones se dispersaban en las partículas cargadas, en primera línea en los todavía electrones libres. En una colisión un fotón era absorbido por un electrón, el cual con esto aumentaba su energía. Esta luego la libera nuevamente como un fotón y así sucesivamente. Esto al final significaba que los fotones no se podían mover libremente y el universo estaba como nublado y turbio como una sopa de leche. Ahora se facilitaron las condiciones, que le permitían a los núcleos atómicos capturar electrones, y formar “verdaderos” átomos neutrales. A este proceso lo llamamos recombinación. Para la alegría de los fotones habían sido sacados del camino los electrones libres y ahora podían moverse libremente y sin impedimentos – el universo se hizo transparente.

La recombinación causan dos procesos determinantes:
· Los ahora libres fotones, debido a la expansión pierden cada vez más energía, quiere decir, que el largo de las ondas de energía se hacen cada vez más grandes. Hoy podemos ver esta radiación como radiación de fondo de 3 [K] y aprender de ella, lo que sucedió en el cosmos prístino
· Las constante colisiones de los fotones con las partículas fueron considerablemente debilitados – los fotones interaccionan notoriamente menos con los átomos neutrales como, también con partículas cargadas. Debido a esto se pueden formar sin mayores problemas, fluctuaciones, oscilaciones de densidad y temperatura. De cierto modo estructuras se cuajan y comienzan a forma al universo.

Última revisión: 1 de Febrero de 2007


Traducida al castellano por AAGB, Stgo. Chile, Noviembre 2008. Con la gentil autorización de Werner Kasper, Mittelweg 1, D- 35117 Münchhausen, Abenteuer-Universum (Aventura Universo)





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