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Cosmologia (del griego κοσμολογία, κόσμος="cosmos"/"orden"/"mundo" + -λογία="discurso"/"estudio") es el ramo de la astronomía que estudia el origen, estructura y evolución del Universo a partir de la aplicación de métodos científicos.
La Cosmologia muchas veces es confundida con la Astrofísica que es el ramo de la Astronomía que estudia la estructura y las propiedades de los objetos celestes y el universo como uno todo a través de la Física teórica. La confusión ocurre porque ambas ciencias bajo algunos aspectos siguen caminos paralelos, y muchas veces considerados redundantes, aunque no lo sean.
Antiguidade
En la antiguidade la observación de los astros y la interpretación religiosa mantuvieron una conexión prácticamente una. Los pueblos primitivos ya utilizaban símbolos representando los cuerpos celestes en las manifestaciones de arte rupestre. En el antiguo Egipto y otras civilizaciones se creía que la Tierra fuera plana, y los astros lâmpadas fijas en una bóveda móvil; en muchas civilizaciones existían creencias donde se creía que el Sol nacía cada amanecer para morir al anoitecer, y que acabaron por hacerse la base de muchas religiones antiguas. Los griegos, sobre todo los seguidores de Pitágoras , creían que los cuerpos celestes tenían sus movimientos regidos rigurosamente por las leyes naturales, en la esfericidade de la Tierra y en la armonía de los mundos; ya los seguidores de Aristóteles consideraban la teoría geocêntrica, donde la Tierra era el centro del universo.
Eratóstenes
En la ciudad egipcia de Alexandria el siglo III a.C., Eratóstenes, leyendo un papiro, observó que había una descripción de que al sur de Siena , por la mitad día, en 21 de junio, colocadas dos varillas perfectamente en prumo, estas no producían sombra. La luz del Sol en el solstício de verano penetraba directamente en el fondo de un pozo profundo, y las columnas de los templos no producían sombra también.
El descubrimiento del perímetro de la Tierra
El sabio hizo una experiencia en la biblioteca de Alexandria, donde posicionó varillas perfectamente verticales. Observando su sombra por la mitad día del día 21 de junio, descubrió que, mientras en Siena no había sombra, en Alexandria esta era de forma hasta bastante pronunciada, en torno a siete grados. De esta manera Eratóstenes imaginó que se la Tierra fuera plana las varillas no habrían de proyectar sombra en ninguna de las dos localidades, y se en una de ellas había esta proyección y en otra no, es porque la Tierra no era plana y sí curva; aún en un ejercicio de pura lógica matemática, después de deducir la defasagem de siete grados entre Siena y Alexandria pagó para uno de sus auxiliares medir la distancia en pasos entre las dos localidades, llegando a la conclusión que esta sería en torno a 800 kilómetros. Como la defasagem angular es en torno a 7 grados y la circunferência es 360 grados, dividiendo 360 por 7 encontró aproximadamente cinqüenta, que multiplicado por ochocientos resultó en una circunferência de cuarenta mil kilómetros; esto hay dos mil y doscientos años.
Alexandrino Estrabão
En torno al siglo I de la era cristiana, el geógrafo Alexandrino Estrabão, en un de sus ensayos escribió: “...(sic)Aquellos que retornan de una tentativa de circunavegação no relatan impedimentos por tierras opuestas, pues los mares permanecen siempre abiertos; probablemente el impedimento es la escasez de alimentos o agua ... nos dice Eratóstenes que se la extensión del Atlântico no es un obstáculo, el pasaje del mar de la Ibérica para la India debe ser hecha fácilmente... Siendo bien probable que en la zona revenida haya una o dos tierras habitadas... Y realmente si esta u otra parte del mundo es habitada, no lo es por hombres como los de aquí, y deberemos considerarla como un otro mundo habitado”...
Cláudio Ptolomeu
Cláudio Ptolomeu de Alexandria cien años más tarde, en torno al siglo II de la era cristiana, formuló en el Almagesto su teoría de que “...(sic) Tierra se presentaba inmóvil y rodeada de esferas transparentes de cristal que giraban su vuelta y a que se subordinavam el Sol y los planetas...” Ptolomeu relacionó las estrellas, registró sus brilhos, estableció normas de previsión de eclipses , intentó describir el movimiento de los planetas contra el fondo prácticamente inmóvil de las constelaciones, creyó que la Tierra fuera el centro del universo y que todos los cuerpos celestes a rodeaban. Esta teoría fue adoptada por santo Tomás de Aquino el siglo XIII, y esta concepción del cosmo fue seguida hasta el siglo XVI.
Nicolau Copérnico
Los filósofos del siglo XV aceptaban el geocentrismo como hube sido estructurado por Aristóteles y Ptolomeu . Ese sistema cosmológico afirmaba que la Tierra era esférica, pero también afirmaba que la Tierra estaría parada en el centro del Universo mientras los cuerpos celestes orbitaban en círculos concéntricos a su redor. Esa visión geocêntrica tradicional fue sacudida por Nicolau Copérnico en 1514, cuando este comenzó a divulgar una plantilla cosmológico en que los cuerpos celestes giraban alrededor del Sol, y no de la Tierra. Esa era una teoría de tal forma revolucionaria que Copérnico escribió en su de revolutionibus: "cuando dediqué algún tiempo a la idea, mi receio de ser despreciado por su novedad y el aparente contra-senso, casi me hizo largar la obra hecha".
Ptolomeu ya había considerado la posibilidad de una plantilla heliocêntrico, sin embargo lo rechazó debido a la teorías de Aristóteles, según las cuales la Tierra no podría tener una rotación violenta.
Al contrario del que se podría imaginar, durante la vida de Copérnico no son encontradas críticas sistemáticas a la plantilla heliocêntrico por parte del clero católico. De hecho, miembros importantes de la cúpula de la Iglesia quedaron positivamente impresionados por la nueva propuesta e insistieron que esas ideas fueran más bien desarrolladas. Sólo con Galileu Galilei, (casi un siglo tras el inicio de la divulgación del heliocentrismo), la defensa del nuevo sistema cosmológico se hizo problemática.
En 1616 el principal trabajo de Copérnico llegó a entrar para la lista de los libros prohibidos de la Iglesia Católica, pero sólo por un corto periodo, siendo nuevamente liberado tras pequeñas adaptaciones hechas por los censores eclesiásticos.
Galileu Galilei
Galileu Galilei, en la primera mitad del siglo XVII, reforzó la teoría heliocêntrica con el uso del recién-inventado telescopio, pues vio que la Vía Láctea es formada por una infinidade de estrellas. En vez de nubes, observó las manchas solares, mapeou las crateras y montañas en la Luna, descubrió la existencia de satélites alrededor de Júpiter , además de observar Saturno y sus anillos.
Cuando pasó a defender el heliocentrismo como una verdad literal, eso le rindió muchos problemas con la Iglesia Católica, que, por razones principalmente teológicas, pero también por no haber habido aún comprovação cabal de la nueva plantilla, insistía que Galileu tratara el heliocentrismo sólo como una hipótesis.
En 1615, Galileu escribió una carta para la grã-duquesa Cristina de Holanda diciendo: "(sic)...algunos años atrás, como sabe su Alteza, vi en el cielo muchas cosas que nunca nadie vio hasta entonces. La novedad y las consecuencias se siguieron en contradicción con las nociones físicas comúnmente sostenidas entre académicos y filósofos que se volvieron contra mí un número grande de profesores y eclesiásticos como si yo hubiera colocado las cosas en el firmamento con mis propias manos para alterar la naturaleza y destruir la ciencia y el conocimiento. Se olvidan pues, que las verdades a crecer estimulan los descubrimientos y las investigaciones estableciendo así el crecimiento de los artes..."
En 1633, Galileu fue a juicio y terminó oficialmente condenado por "grave sospecha de crimen de heresia", quedando ocho años en prisión domiciliaria próximo la Florença , donde vino a morir. En 1979 Papa João Paulo II, 346 años tras la condena, ilibou-lo del juicio ejecutado por la Inquisição .
Fe y Ciencia
Con la teoría del heliocentrismo, Galileu se hizo la única persona ya condenada por la Inquisição por haber defendido tesis estrictamente científicas y, por eso, es un ejemplo muy citado en debates que hablen de "fe versus ciencia". Sin embargo, este evento envuelve elementos muy más complejos del que simplemente una controversia entre estos dos modos de ver el mundo. Hay historiadores que dedican toda su carrera a analizar sólo este punto de la historia para intentar entenderlo en todas sus dimensiones.
Johannes Kepler
Johannes Kepler descubrió que las órbitas de los astros del sistema solar son elípticas. En un de sus ensayos escribió: “...(sic) ES por lo tanto, imposible que la razón no previamente instruida pudiera imaginar cualquier cosa sino que la Tierra sería un tipo de casa inmensa con la cúpula del cielo en el tope; no tendría movimiento y , dentro de ella, el Sol tan pequeño pasaría de una región para otra, como un pájaro esvoaçando por el aire.”...
Kepler se basó en la geometría euclidiana para poner en práctica sus teorías. Cierta vez escribió en uno de sus ensayos “(sic)...La Geometría existió y existe desde antes de la Creación. ES co-eterna con la mente de Dios...La Geometría suministró a Dios una plantilla para la Creación... La Geometría es el propio Dios...”
En 1589, Kepler fue estudiar en la Universidad de Tübingen , en la Alemania , donde comenzó a confrontar las corrientes intelectuales de la época; fue cuando se inició en la llamada hipótesis copernicana, vislumbrando un universo heliocêntrico.
En Graz, en la Austria , fue enseñar matemática, desarrolló almanaques meteorológicos y astronômicos. En aquella época se conocían seis planetas, Mercúrio, Vênus, Tierra, Marte, Júpiter y Saturno , además de los sólidos platônicos, o sólidos regulares.
Kepler intentó hallar una relación entre los sólidos y las distancias entre las órbitas de los planetas. Pensó que estos sólidos, estando inscritos uno al otro, mostrarían las distancias de estos al Sol, llamando a esto de Mysterium Cosmographicum.
La importancia de Tycho Brahe
Kepler conoció Tycho Brahe, que era el Matemático Imperial del Emperador Romano Rudolf II. Con el matemático, trabajó por algún tiempo.
Tycho reunió informaciones y datos de las órbitas planetárias por toda su vida. Cuando murió, dejó para Kepler todas sus anotaciones.
Las anotaciones de Tycho comenzaron a ser compiladas antes de la invención del telescopio.
Todos los astrónomos anteriores la Kepler acotaron órbitas circules a los planetas conocidos. Creían ser el círculo la forma geométrica perfecta. Los círculos colocados en el cielo por Dios deberían ser perfectos.
Después de tres años de cálculos e investigaciones infrutíferas, Kepler abandonó su teoría del Mysterium Cosmographicum. Algunos meses tras abandonar la antigua teoría, aún siguieron investigaciones infrutíferas. Kepler finalmente abandonó definitivamente la órbita circular y pasó a buscar las respuestas por otros caminos.
Tras buscar incansablemente una respuesta que explicara satisfactoriamente los orbitales, Kepler inició el uso de la elipse como forma de las órbitas planetárias.
Comenzó su estudio utilizando la fórmula de la elipse codificada por Apolônio de Perga de la Biblioteca de Alexandria, descubriendo que finalmente esta se ajustaba con perfeição a la observaciones de Tycho.
Isaac Newton
Con Isaac Newton, descobridor y formulador de la ley de la gravitação universal el siglo XVII, fue creada una sólida base científica para la cosmologia, que pasó del campo puramente filosófico para el experimental.
La cosmologia experimental
A partir del inicio del siglo XX, con la creación de la teoría de la relatividade surgió también la cosmologia moderna, cuyo artículo inicial fue escrito por el físico alemán Albert Einstein, en 1917, con el título "Kosmologische Betrachtungen Zur Allgemeinen Relativitätstheorie" (Consideraciones cosmológicas sobre la teoría de la relatividade general). En ese trabajo, Einstein analizaba, bajo la luz de la relatividade, el universo como uno todo, introduciendo el concepto de constante cosmólogica. Esa constante cosmológica haría el papel de una 'fuerza antigravidade', que impediría el universo de colapsar bajo la acción de la gravedad, permitiendo así la existencia de soluciones - o plantillas - cosmológicos estáticos.
Sin embargo, lo que Einstein no percibió (o no quise percibir) de inmediato es que, aún con la presencia de la constante cosmológica era posible obtener soluciones matemáticas que preveían un universo dinámico, en contracción o expansión. Tales familias de soluciones son hoy conocidas genéricamente como soluciones de Friedmann, en homenaje al matemático ruso Alexander Friedmann, que las obtuvo en 1922.
Con el desarrollo de nuevos telescopios, aún en el inicio del siglo XX, fue posible estudiar el universo en escalas entonces inexploradas. Un pionero en el estudio sistemático de las galáxias además de nuestra Vía Láctea fue el americano Edwin Hubble, que notó que la mayoría de las galáxias parecía estar alejándose de nuestra, y que la velocidad de alejamiento aumentaba con la distancia de la galáxia en relación a nuestra. Tal observación, confirmada posteriormente, se hizo una ley empírica, conocida hoy como ley de Hubble, y era una 'prueba' experimental de la expansión del universo: las galáxias se alejan unas de las otras debido a la expansión del espacio entre ellas.
El Universo en expansión
En 1917 el astrónomo Holandés Willem de Sitter desarrolló una plantilla no estática del Universo. La teoría según la cual el universo está en expansión, formulada en la década de 1920, acabó por constituir la moderna base de la cosmologia. En 1922 la plantilla del universo en expansión fue adoptado por el matemático ruso Alexander Friedmann.
En 1927 el físico y sacerdote belga Georges Lemaître introdujo la idea del núcleo primordial. La teoría afirmaba que las galáxias son fragmentos de la explosión de ese núcleo, resultando en la consecuente expansión del Universo. Ese fue el comienzo de la teoría de la gran Explosión que intenta explicar el origen del Cosmos. En la época, sin embargo, la comunidad científica no llevó esa propuesta a serio por ser considerada sin fundamento físico y basada en una concepción regiliosa (cristiana) de universo.
En 1929, el astrónomo estadunidense Edwin Hubble publicó un trabajo científico en el cual mostraba que las demás galáxias del universo (en la época llamadas de nebulosas ) estaban, en media, distanciándose de nodos, y con una velocidad proporcional a la distancia de nodos hasta ellas. Esa velocidad radial, igual en todas las direcciones, indicaba que el universo estaba, de hecho, en expansión. En 1948, el físico ruso George Gamow mostró que la teoría de universo en expansión podría explicar las elevadas abundancias de los elementos químicos hidrogênio y hélio en el universo (cerca de 75% de la materia visible en el universo es constituida de hidrogênio y 25% de hélio . Los demás elementos contribuyen con menos del 1% en el total): en el inicio del universo, el alta densidad y temperatura propiciaban la fusión nuclear. Sin embargo, la expansión del universo llevó a su esfriamento y consecuente término de esas reacciones, de forma que sólo los elementos químicos leves (de bajo número atómico) fueron formados. Gamow previó también, basado en esa plantilla, la existencia de una radiação isotrópica y de espectro bien definido que tendría se originado hay bilhões de años atrás, en una época próxima al inicio del universo.
En 1965, esa radiação cósmica de fondo fue observada, por accidente, por Arno Penzias y Robert Woodrow Wilson. Diversas observaciones científicas fueron entonces realizadas para certificarse de su existencia y de las características que comprobarían su origen hay bilhões de años atrás. Una de las observaciones más famosas fue realizada por el satélite COBE, lanzado en 1989. Él confirmó la isotropia de la radiação cósmica de fondo, su baja temperatura (de 2,725K) y su espectro de cuerpo negro, características básicas de la radiação prevista por Gamow y fruto del universo en expansión. Esas observaciones, aliadas a la sobre la velocidad radial de las galáxias y la composición del universo dieron soporte para la teoría del universo en expansión, actualmente ampliamente acepta por la comunidad científica.
Nuevos constituyentes del universo
Además de la cuestión de la expansión del universo, comenzaron a surgir, a partir de 1933, observaciones astronômicas que indicaban que la cantidad de materia visible en galáxias era bien más pequeña que la cantidad de materia necesaria para generar los efectos gravitacionais observados. En 1978, por ejemplo, Sandra Faber publicó un trabajo en el cual muestra que la velocidad de rotación de galáxias espirais corresponde a una concentración de masa mayor del que la inferida por observaciones de la luz emitida por la galáxia. Ese problema quedó conocido como problema de la masa faltante. El acúmulo de observaciones de naturalezas variadas que indicaban la existencia de esa materia invisible alejó la posibilidad de las teorías de gravitação estén erradas y reforzó la posibilidad de existencia de un tipo de materia desconocido que no participa de las interacciones fuertes ni de las eletromagnéticas. La esa materia fue dada el nombre de materia oscura. Observaciones actuales indican que, de toda la materia existente en el universo, cerca de 90% debe ser materia oscura. La materia actualmente conocida por la física componen cerca de 10% de la materia del universo.
En 1998, observaciones de la magnitud aparente y del desvío para el rojo de supernovas comenzaron a indicar que el universo no sólo está en expansión como está en expansión acelerada, o sea: su expansión está siendo cada vez más rápida. Como forma de explicar esa aceleración, los científicos tiene como hipótesis la existencia de un otro tipo de materia desconocida llamada energía oscura, que podría tutear como una "fuerza antigravidade". El efecto de aceleración de la expansión del universo también puede ser explicado con la introducción de la constante cosmológica propuesta por Albert Einstein muchos años antes. Observaciones actuales de las anisotropias de la radiação cósmica de fondo (realizadas por el satélite WMAP, por ejemplo), indican que aproximadamente 74% de la densidad actual del universo es compuesta por la energía oscura, 22% por materia oscura y sólo 4% por la materia conocida, compuesta por bárions y léptons .
La plantilla cosmológico normalizada
Actualmente, se cree que el universo posea una edad de aproximadamente 14 bilhões de años, que esté en expansión acelerada y que sea aproximadamente homogêneo (ninguna posición en el espacio es diferente de las demás) e isotrópico (sus características son las mismas en cualquier dirección) en grandes escalas. Eso significa que, aunque existan grandes aglomerações de materia en estrellas, galáxias y grupos de galáxias (objetos pequeños cuando comparados con el tamaño del universo), si calculáramos la densidad media en volúmenes bien mayores que los ocupados por uno de esos objetos, ella no debe variar mucho de una región del espacio a la otra. Se cree que, en el pasado, el universo haya sido aún más homogêneo que hoy, y que las grandes inomogeneidades observadas hoy (galáxias, por ejemplo) surgieron de pequeñas diferencias que crecieron, al largo del tiempo, por colapso gravitacional.
También se cree, basado principalmente en las observaciones de la radiação cósmica de fondo hechas por el satélite WMAP, que el universo posea una geometría plana, en contraposición a la geometría en espacios curvos propuesta por Bernhard Riemann, con base en la geometría diferencial. De manera simple, eso significa que dos rayos de luz paralelos deben continuar para siempre paralelos. En espacios curvos del tipo cerrado, por ejemplo, esos rayos irán convergir, mientras que en espacios curvos abiertos, ellos irán divergir.
En cuanto a su composición, datos provenientes de la observación de la radiação cósmica de fondo, de supernovas , de la abundancia de elementos químicos y de la cantidad de estructuras en grandes escalas, principalmente, indican que 74% del universo es compuesto por un tipo exótico de materia llamado de energía oscura, 22% por otro tipo de materia desconocida llamada materia oscura y 4% por materia ordinaria, en la forma de gas , poeira, estrellas y otros cuerpos celestes y sus agrupaciones (como las galáxias).
El futuro de la cosmologia
La cosmologia asociada a otros ramos de investigación, como la informática y electrónica , está cada vez más aumentando su nivel de complejidad.
Con el advento del avance de las ciencias de computación y la unión de ingenierías de las más diversas, existen estudios para la construcción de un supercomputador interligado a otros esparcidos por el planeta donde se pueda construir un universo virtual y observarse su dinámica.
Muchas Universidades en el mundo están empeñadas en el proyecto del Universo virtual que podrá ser el gran paso para la investigación cosmológica del siglo XXI.
Ver también
- Astronomía
- Astrofísica
- Cosmogênese
- Albert Einstein
- Edwin Powell Hubble
- Georges Lemaître
- George Gamov
- Alan Guth
- Andrei Linde
- Fred Hoyle
- Stephen Hawking
- Big Bang
