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La interfaz entre la superficie de la Tierra y el espacio exterior. Se muestra la línea de Kármán a una altitud de 100 km (62 millas). Las capas de la atmósfera están dibujadas a escala, mientras que los objetos dentro de ellas, como la Estación Espacial Internacional , no.

El espacio exterior es la extensión que existe más allá de la Tierra y entre los cuerpos celestes . El espacio exterior no está completamente vacío, es un vacío duro que contiene una baja densidad de partículas, predominantemente un plasma de hidrógeno y helio , así como radiación electromagnética , campos magnéticos , neutrinos , polvo y rayos cósmicos . La temperatura de referencia del espacio exterior, establecida por la radiación de fondo del Big Bang , es de 2,7 kelvin (-270,45 ° C; -454,81 ° F). [1]El plasma entre galaxias representa aproximadamente la mitad de la materia bariónica (ordinaria) del universo; tiene una densidad numérica de menos de un átomo de hidrógeno por metro cúbico y una temperatura de millones de kelvin. [2] Las concentraciones locales de materia se han condensado en estrellas y galaxias . Los estudios indican que el 90% de la masa en la mayoría de las galaxias se encuentra en una forma desconocida, llamada materia oscura , que interactúa con otra materia a través de fuerzas gravitacionales pero no electromagnéticas . [3] [4]Las observaciones sugieren que la mayor parte de la masa-energía en el universo observable es energía oscura , un tipo de energía del vacío que no se comprende bien. [5] [6] El espacio intergaláctico ocupa la mayor parte del volumen del universo , pero incluso las galaxias y los sistemas estelares consisten casi en su totalidad en espacio vacío.

El espacio exterior no comienza a una altitud definida sobre la superficie de la Tierra. La línea Kármán , una altitud de 100 km (62 millas) sobre el nivel del mar, [7] [8] se usa convencionalmente como el inicio del espacio exterior en los tratados espaciales y para el mantenimiento de registros aeroespaciales. El marco para el derecho espacial internacional fue establecido por el Tratado del Espacio Ultraterrestre , que entró en vigor el 10 de octubre de 1967. Este tratado excluye cualquier reclamo de soberanía nacional y permite a todos los estados explorar libremente el espacio ultraterrestre . A pesar de la redacción de resoluciones de la ONU para el uso pacífico del espacio exterior, se han probado armas antisatélite en la órbita de la Tierra.

Los seres humanos comenzaron la exploración física del espacio durante el siglo XX con la llegada de los vuelos en globo a gran altitud . A esto le siguieron vuelos tripulados con cohetes y, luego, la órbita terrestre tripulada , lograda por primera vez por Yuri Gagarin de la Unión Soviética en 1961. Debido al alto costo de llegar al espacio, los vuelos espaciales tripulados se han limitado a la órbita terrestre baja y la Luna . Por otro lado, las naves espaciales sin tripulación han llegado a todos los planetas conocidos del Sistema Solar .

El espacio ultraterrestre representa un entorno desafiante para la exploración humana debido a los peligros del vacío y la radiación . La microgravedad también tiene un efecto negativo en la fisiología humana que causa tanto atrofia muscular como pérdida ósea . Además de estos problemas de salud y ambientales, el costo económico de colocar objetos, incluidos los humanos, en el espacio es muy alto.

Formación y estado

Este es el concepto de un artista de la expansión métrica del espacio , donde un volumen del Universo está representado en cada intervalo de tiempo por las secciones circulares. A la izquierda se muestra la rápida inflación desde el estado inicial, seguida de allí en adelante por una expansión más constante hasta el día de hoy, que se muestra a la derecha.

Se desconoce el tamaño de todo el universo, y su extensión podría ser infinita. [9] Según la teoría del Big Bang, el Universo muy temprano era un estado extremadamente caliente y denso hace unos 13,8 mil millones de años [10] que se expandió rápidamente . Aproximadamente 380.000 años después, el Universo se había enfriado lo suficiente para permitir que los protones y los electrones se combinaran y formaran hidrógeno, la llamada época de recombinación . Cuando esto sucedió, la materia y la energía se desacoplaron, permitiendo que los fotones viajen libremente a través del espacio en continua expansión. [11] La materia que permaneció después de la expansión inicial ha sufrido un colapso gravitacional para crear estrellas , galaxiasy otros objetos astronómicos , dejando un vacío profundo que forma lo que ahora se llama espacio exterior. [12] Como la luz tiene una velocidad finita, esta teoría también restringe el tamaño del universo directamente observable. [11]

La forma actual del universo se ha determinado a partir de mediciones del fondo cósmico de microondas utilizando satélites como la sonda de anisotropía de microondas Wilkinson . Estas observaciones indican que la geometría espacial del universo observable es " plana ", lo que significa que los fotones en trayectorias paralelas en un punto permanecen paralelos mientras viajan a través del espacio hasta el límite del universo observable, excepto por la gravedad local. [13] El Universo plano, combinado con la densidad de masa medida del Universo y la expansión acelerada del Universo , indica que el espacio tiene una energía de vacío distinta de cero , que se llamaenergía oscura . [14]

Las estimaciones sitúan la densidad de energía media del Universo actual en el equivalente a 5,9 protones por metro cúbico, incluida la energía oscura , la materia oscura y la materia bariónica (materia ordinaria compuesta de átomos). Los átomos representan solo el 4,6% de la densidad de energía total, o una densidad de un protón por cada cuatro metros cúbicos. [15] La densidad del Universo claramente no es uniforme; varía desde una densidad relativamente alta en las galaxias, incluida una densidad muy alta en estructuras dentro de las galaxias, como planetas, estrellas y agujeros negros, hasta condiciones en vastos vacíos que tienen una densidad mucho menor, al menos en términos de materia visible. [dieciséis]A diferencia de la materia y la materia oscura, la energía oscura parece no estar concentrada en las galaxias: aunque la energía oscura puede representar la mayor parte de la masa-energía en el Universo, la influencia de la energía oscura es 5 órdenes de magnitud menor que la influencia de la gravedad de la materia y materia oscura dentro de la Vía Láctea. [17]

Medio ambiente

Parte de la imagen del campo ultraprofundo del Hubble que muestra una sección típica del espacio que contiene galaxias intercaladas por un vacío profundo. Dada la velocidad finita de la luz , esta vista cubre los últimos 13 mil millones de años de la historia del espacio exterior.

El espacio exterior es la aproximación conocida más cercana a un vacío perfecto . Efectivamente, no tiene fricción , lo que permite que las estrellas, los planetas y las lunas se muevan libremente a lo largo de sus órbitas ideales , después de la etapa de formación inicial . El vacío profundo del espacio intergaláctico no está desprovisto de materia , ya que contiene unos pocos átomos de hidrógeno por metro cúbico. [18] En comparación, el aire que respiran los humanos contiene alrededor de 10 25 moléculas por metro cúbico. [19] [20] La baja densidad de materia en el espacio exterior significa que la radiación electromagnéticapuede viajar grandes distancias sin dispersarse: el camino libre medio de un fotón en el espacio intergaláctico es de unos 10 23  km, o 10 mil millones de años luz. [21] A pesar de esto, la extinción , que es la absorción y dispersión de fotones por el polvo y el gas, es un factor importante en la astronomía galáctica e intergaláctica . [22]

Las estrellas, planetas y lunas retienen sus atmósferas por atracción gravitacional. Las atmósferas no tienen un límite superior claramente delineado: la densidad del gas atmosférico disminuye gradualmente con la distancia al objeto hasta que se vuelve indistinguible del espacio exterior. [23] La presión atmosférica de la Tierra cae a aproximadamente 0.032 Pa a 100 kilómetros (62 millas) de altitud, [24] en comparación con 100,000 Pa para la definición de presión estándar de la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) . Por encima de esta altitud, la presión del gas isotrópico se vuelve rápidamente insignificante en comparación con la presión de radiación delSol y la presión dinámica del viento solar . La termosfera en este rango tiene grandes gradientes de presión, temperatura y composición, y varía mucho debido al clima espacial . [25]

La temperatura del espacio exterior se mide en términos de la actividad cinética del gas, como ocurre en la Tierra. La radiación del espacio exterior tiene una temperatura diferente a la temperatura cinética del gas, lo que significa que el gas y la radiación no están en equilibrio termodinámico . [26] [27] Todo el universo observable está lleno de fotones que se crearon durante el Big Bang , que se conoce como radiación cósmica de fondo de microondas (CMB). (Es muy probable que exista un número correspondientemente grande de neutrinos llamado fondo de neutrinos cósmicos . [28] ) El cuerpo negro actualLa temperatura de la radiación de fondo es de unos 3  K (-270  ° C ; -454  ° F ). [29] Las temperaturas de los gases en el espacio exterior pueden variar ampliamente. Por ejemplo, la temperatura en la Nebulosa Boomerang es de 1 K, [30] mientras que la corona solar alcanza temperaturas superiores a 1,2-2,6 millones de K. [31]

Se han detectado campos magnéticos en el espacio alrededor de casi todas las clases de objetos celestes. La formación de estrellas en las galaxias espirales puede generar pequeña escala dinamos , la creación de fuerzas de campo magnético turbulentos de alrededor de 5-10 mu G . El efecto Davis-Greenstein hace que los granos de polvo alargados se alineen con el campo magnético de una galaxia, lo que da como resultado una polarización óptica débil . Esto se ha utilizado para mostrar que existen campos magnéticos ordenados en varias galaxias cercanas. Los procesos magnetohidrodinámicos en las galaxias elípticas activas producen sus chorros y radio lóbulos característicos . No térmicaSe han detectado fuentes de radio incluso entre las fuentes de alta z más distantes, lo que indica la presencia de campos magnéticos. [32]

Fuera de una atmósfera protectora y un campo magnético, existen pocos obstáculos para el paso por el espacio de partículas energéticas subatómicas conocidas como rayos cósmicos. Estas partículas tienen energías que van desde aproximadamente 10 6  eV hasta un extremo de 10 20  eV de rayos cósmicos de energía ultra alta . [33] El pico de flujo de rayos cósmicos ocurre a energías de aproximadamente 10 9  eV, con aproximadamente 87% de protones, 12% de núcleos de helio y 1% de núcleos más pesados. En el rango de alta energía, el flujo de electrones es solo alrededor del 1% del de los protones. [34] Los rayos cósmicos pueden dañar los componentes electrónicos y representar una amenaza para la salud de los viajeros espaciales.[35] Según los astronautas, como Don Pettit , el espacio tiene un olor a quemado / metálico que se adhiere a sus trajes y equipos, similar al olor de unsoplete de soldadura por arco . [36] [37]

Efecto sobre la biología y los cuerpos humanos.

Debido a los peligros del vacío, los astronautas deben usar un traje espacial presurizado mientras están fuera de la Tierra y fuera de su nave espacial.

A pesar del entorno hostil, se han encontrado varias formas de vida que pueden soportar condiciones espaciales extremas durante períodos prolongados. Las especies de líquenes transportadas en la instalación de ESA BIOPAN sobrevivieron a la exposición durante diez días en 2007. [38] Las semillas de Arabidopsis thaliana y Nicotiana tabacum germinaron después de haber estado expuestas al espacio durante 1,5 años. [39] Una cepa de bacillus subtilis ha sobrevivido 559 días cuando se expone a la órbita terrestre baja o un entorno marciano simulado. [40] La litopanspermiaLa hipótesis sugiere que las rocas expulsadas al espacio exterior desde planetas que albergan vida pueden transportar con éxito formas de vida a otro mundo habitable. Una conjetura es que tal escenario ocurrió temprano en la historia del Sistema Solar, con el intercambio de rocas potencialmente portadoras de microorganismos entre Venus, la Tierra y Marte. [41]

Incluso a altitudes relativamente bajas en la atmósfera terrestre, las condiciones son hostiles para el cuerpo humano. La altitud donde la presión atmosférica coincide con la presión de vapor del agua a la temperatura del cuerpo humano se llama línea Armstrong , que lleva el nombre del médico estadounidense Harry G. Armstrong . Se encuentra a una altitud aproximada de 19,14 km (11,89 mi). En o por encima de la línea de Armstrong, los líquidos de la garganta y los pulmones hierven. Más específicamente, los líquidos corporales expuestos, como la saliva, las lágrimas y los líquidos de los pulmones, se evaporan. Por lo tanto, a esta altitud, la supervivencia humana requiere un traje de presión o una cápsula presurizada. [42]

En el espacio, la exposición repentina de un ser humano desprotegido a una presión muy baja , como durante una descompresión rápida, puede causar un barotrauma pulmonar, una ruptura de los pulmones debido a la gran diferencia de presión entre el interior y el exterior del tórax. [ cita requerida ] Incluso si las vías respiratorias del sujeto están completamente abiertas, el flujo de aire a través de la tráquea puede ser demasiado lento para evitar la ruptura. [43] La descompresión rápida puede romper los tímpanos y los senos nasales, pueden producirse hematomas y filtraciones de sangre en los tejidos blandos, y el shock puede provocar un aumento del consumo de oxígeno que conduce a la hipoxia . [ cita requerida ]

Como consecuencia de la descompresión rápida, el oxígeno disuelto en la sangre se vacía en los pulmones para intentar igualar el gradiente de presión parcial . Una vez que la sangre desoxigenada llega al cerebro, los humanos pierden el conocimiento después de unos segundos y mueren de hipoxia en minutos. [44] La sangre y otros fluidos corporales hierven cuando la presión cae por debajo de 6,3 kPa, y esta condición se llama ebullismo . [45] El vapor puede inflar el cuerpo al doble de su tamaño normal y hacer que la circulación sea más lenta, pero los tejidos son lo suficientemente elásticos y porosos como para evitar la ruptura. El ebullismo se ralentiza por la contención de la presión de los vasos sanguíneos, por lo que parte de la sangre permanece líquida. [46] [47]La hinchazón y el ebullismo se pueden reducir con un traje de presión . El Crew Altitude Protection Suit (CAPS), una prenda elástica ajustada diseñada en la década de 1960 para astronautas, previene el ebullismo a presiones tan bajas como 2 kPa. [48] Se necesita oxígeno suplementario a 8 km (5 millas) para proporcionar suficiente oxígeno para respirar y evitar la pérdida de agua, mientras que los trajes de presión por encima de 20 km (12 millas) son esenciales para prevenir el ebullismo. [49] La mayoría de los trajes espaciales utilizan entre 30 y 39 kPa de oxígeno puro, aproximadamente lo mismo que en la superficie de la Tierra. Esta presión es lo suficientemente alta como para prevenir el ebullismo, pero la evaporación del nitrógeno disuelto en la sangre aún podría causar enfermedad por descompresión y embolias gaseosas si no se controla. [50]

Los seres humanos evolucionaron para la vida en la gravedad terrestre , y se ha demostrado que la exposición a la ingravidez tiene efectos nocivos sobre la salud humana. Inicialmente, más del 50% de los astronautas experimentan mareos por movimiento espacial . Esto puede causar náuseas y vómitos , vértigo , dolores de cabeza, letargo y malestar general. La duración de la enfermedad del espacio varía, pero por lo general dura de 1 a 3 días, después de los cuales el cuerpo se adapta al nuevo entorno. La exposición prolongada a la ingravidez provoca atrofia muscular y deterioro del esqueleto u osteopenia en los vuelos espaciales.. Estos efectos se pueden minimizar mediante un régimen de ejercicio. [51] Otros efectos incluyen redistribución de líquidos, ralentización del sistema cardiovascular , disminución de la producción de glóbulos rojos , trastornos del equilibrio y debilitamiento del sistema inmunológico . Los síntomas menores incluyen pérdida de masa corporal, congestión nasal, alteraciones del sueño e hinchazón de la cara. [52]

Durante los viajes espaciales de larga duración, la radiación puede representar un grave peligro para la salud . La exposición a rayos cósmicos ionizantes de alta energía puede provocar fatiga, náuseas, vómitos, así como daños al sistema inmunológico y cambios en el recuento de glóbulos blancos . Durante períodos más prolongados, los síntomas incluyen un mayor riesgo de cáncer , además de daños en los ojos , el sistema nervioso , los pulmones y el tracto gastrointestinal . [53] En una misión de ida y vuelta a Marte que duró tres años, una gran fracción de las células del cuerpo de un astronauta serían atravesadas y potencialmente dañadas por núcleos de alta energía. [54]La energía de tales partículas se ve significativamente disminuida por el blindaje proporcionado por las paredes de una nave espacial y puede disminuir aún más con contenedores de agua y otras barreras. El impacto de los rayos cósmicos sobre el blindaje produce radiación adicional que puede afectar a la tripulación. Se necesitan más investigaciones para evaluar los peligros de la radiación y determinar las contramedidas adecuadas. [55]

Regiones

El espacio es un vacío parcial: sus diferentes regiones están definidas por las diversas atmósferas y "vientos" que dominan en su interior, y se extienden hasta el punto en que esos vientos dan paso a los del más allá. El geoespacio se extiende desde la atmósfera de la Tierra hasta los confines del campo magnético de la Tierra, después de lo cual da paso al viento solar del espacio interplanetario. [56] El espacio interplanetario se extiende hasta la heliopausa, después de lo cual el viento solar da paso a los vientos del medio interestelar . [57] El espacio interestelar luego continúa hasta los bordes de la galaxia, donde se desvanece en el vacío intergaláctico. [58]

Geoespacio

Aurora australis observada desde el transbordador espacial Discovery , en STS-39 , mayo de 1991 (altitud orbital: 260 km)

El geoespacio es la región del espacio exterior cerca de la Tierra, incluida la atmósfera superior y la magnetosfera . [56] Los cinturones de radiación de Van Allen se encuentran dentro del geoespacio. El límite exterior del geoespacio es la magnetopausa , que forma una interfaz entre la magnetosfera de la Tierra y el viento solar. El límite interior es la ionosfera . [59] Las condiciones variables del clima espacial del geoespacio se ven afectadas por el comportamiento del Sol y el viento solar; el tema del geoespacio está interrelacionado con la heliofísica , el estudio del Sol y su impacto en los planetas del Sistema Solar. [60]

La magnetopausa del lado del día se comprime por la presión del viento solar; la distancia subsolar desde el centro de la Tierra es típicamente de 10 radios terrestres. En el lado nocturno, el viento solar estira la magnetosfera para formar una cola magnética que a veces se extiende a más de 100-200 radios terrestres. [61] [62] Durante aproximadamente cuatro días de cada mes, la superficie lunar está protegida del viento solar cuando la Luna pasa a través de la cola magnética. [63]

El geoespacio está poblado por partículas cargadas eléctricamente a densidades muy bajas, cuyos movimientos están controlados por el campo magnético de la Tierra . Estos plasmas forman un medio a partir del cual las perturbaciones similares a tormentas impulsadas por el viento solar pueden impulsar corrientes eléctricas hacia la atmósfera superior de la Tierra. Las tormentas geomagnéticas pueden perturbar dos regiones del geoespacio, los cinturones de radiación y la ionosfera. Estas tormentas aumentan los flujos de electrones energéticos que pueden dañar permanentemente la electrónica del satélite, interfiriendo con la comunicación por radio de onda corta y la ubicación y sincronización del GPS . [64] Las tormentas magnéticas también pueden ser un peligro para los astronautas, incluso en la órbita terrestre baja. También crean aurorasvisto en latitudes altas en un óvalo que rodea los polos geomagnéticos . [sesenta y cinco]

Aunque cumple con la definición de espacio exterior, la densidad atmosférica dentro de los primeros cientos de kilómetros por encima de la línea de Kármán sigue siendo suficiente para producir una resistencia significativa en los satélites . [66] Esta región contiene material sobrante de lanzamientos anteriores con tripulación y sin tripulación que son un peligro potencial para las naves espaciales. Algunos de estos escombros vuelven a entrar en la atmósfera de la Tierra periódicamente. [67]

Espacio cislunar

Lunar Gateway , una de las estaciones espaciales planificadas para viajes cislunares tripulados en la década de 2020

La gravedad de la Tierra mantiene a la Luna en órbita a una distancia promedio de 384,403 km (238,857 mi). La región fuera de la atmósfera de la Tierra y que se extiende más allá de la órbita de la Luna , incluidos los puntos de Lagrange , a veces se denomina espacio cislunar . [68]

El espacio profundo es definido por el gobierno de los Estados Unidos y otros como cualquier región más allá del espacio cislunar. [69] [70] [71] [72] La Unión Internacional de Telecomunicaciones responsable de las comunicaciones por radio (incluidos los satélites) define el comienzo del espacio profundo a aproximadamente 5 veces esa distancia (2 × 10 6  km ). [73]

La región donde la gravedad de la Tierra sigue siendo dominante contra las perturbaciones gravitacionales del Sol se llama esfera de Hill . [74] Esto se extiende al espacio translunar a una distancia de aproximadamente el 1% de la distancia media de la Tierra al Sol, [75] o 1,5 millones de kilómetros (0,93 millones de millas).

Espacio interplanetario

El escaso plasma (azul) y el polvo (blanco) en la cola del cometa Hale-Bopp están siendo moldeados por la presión de la radiación solar y el viento solar, respectivamente.

El espacio interplanetario está definido por el viento solar, una corriente continua de partículas cargadas que emanan del Sol y que crea una atmósfera muy tenue (la heliosfera ) durante miles de millones de kilómetros en el espacio. Este viento tiene una densidad de partículas de 5 a 10 protones / cm 3 y se mueve a una velocidad de 350 a 400 km / s (780 000 a 890 000 mph). [76] El espacio interplanetario se extiende hasta la heliopausa donde la influencia del entorno galáctico comienza a dominar el campo magnético y el flujo de partículas del Sol. [57] La distancia y la fuerza de la heliopausa varían según el nivel de actividad del viento solar. [77]La heliopausa a su vez desvía los rayos cósmicos galácticos de baja energía, con este efecto de modulación alcanzando su punto máximo durante el máximo solar. [78]

El volumen del espacio interplanetario es un vacío casi total, con una trayectoria libre media de aproximadamente una unidad astronómica a la distancia orbital de la Tierra. Este espacio no está completamente vacío y está escasamente lleno de rayos cósmicos, que incluyen núcleos atómicos ionizados y varias partículas subatómicas. También hay gas, plasma y polvo, [79] pequeños meteoros y varias docenas de tipos de moléculas orgánicas descubiertas hasta la fecha mediante espectroscopía de microondas . [80] Una nube de polvo interplanetario es visible por la noche como una banda tenue llamada luz zodiacal . [81]

El espacio interplanetario contiene el campo magnético generado por el Sol. [76] También hay magnetosferas generadas por planetas como Júpiter, Saturno, Mercurio y la Tierra que tienen sus propios campos magnéticos. Estos están moldeados por la influencia del viento solar en la aproximación de una forma de lágrima, con la larga cola extendiéndose hacia afuera detrás del planeta. Estos campos magnéticos pueden atrapar partículas del viento solar y otras fuentes, creando cinturones de partículas cargadas como los cinturones de radiación de Van Allen. Los planetas sin campos magnéticos, como Marte, tienen sus atmósferas gradualmente erosionadas por el viento solar. [82]

Espacio interestelar

Arco de choque formado por la magnetosfera de la joven estrella LL Orionis (centro) cuando choca con el flujo de la Nebulosa de Orión

El espacio interestelar es el espacio físico dentro de una galaxia más allá de la influencia que cada estrella tiene sobre el plasma circundante. [58] El contenido del espacio interestelar se denomina medio interestelar. Aproximadamente el 70% de la masa del medio interestelar consiste en átomos de hidrógeno solitarios; la mayor parte del resto se compone de átomos de helio. Esto está enriquecido con trazas de átomos más pesados ​​formados a través de la nucleosíntesis estelar . Estos átomos son expulsados ​​al medio interestelar por los vientos estelares o cuando las estrellas evolucionadas comienzan a desprenderse de sus envolturas externas, como durante la formación de una nebulosa planetaria . [83] La explosión cataclísmica de una supernova genera una expansiónonda de choque que consiste en materiales expulsados ​​que enriquecen aún más el medio. [84] La densidad de la materia en el medio interestelar puede variar considerablemente: el promedio es de alrededor de 10 6 partículas por m 3 , [85] pero las nubes moleculares frías pueden contener 10 8 –10 12 por m 3 . [26] [83]

Existen varias moléculas en el espacio interestelar, al igual que pequeñas partículas de polvo de 0,1  μm . [86] El recuento de moléculas descubiertas a través de la radioastronomía aumenta constantemente a un ritmo de unas cuatro nuevas especies por año. Grandes regiones de materia de mayor densidad conocidas como nubes moleculares permiten que se produzcan reacciones químicas, incluida la formación de especies poliatómicas orgánicas. Gran parte de esta química es impulsada por colisiones. Los rayos cósmicos energéticos penetran en las frías y densas nubes e ionizan el hidrógeno y el helio, dando como resultado, por ejemplo, el catión trihidrógeno . Un átomo de helio ionizado puede dividir monóxido de carbono relativamente abundantepara producir carbono ionizado, que a su vez puede provocar reacciones químicas orgánicas. [87]

El medio interestelar local es una región del espacio dentro de los 100  parsecs (pc) del Sol, que es de interés tanto por su proximidad como por su interacción con el Sistema Solar. Este volumen casi coincide con una región del espacio conocida como Burbuja Local , que se caracteriza por la falta de nubes frías y densas. Forma una cavidad en el Brazo de Orión de la galaxia Vía Láctea, con densas nubes moleculares a lo largo de las fronteras, como las de las constelaciones de Ofiuco y Tauro . (La distancia real al borde de esta cavidad varía de 60 a 250 pc o más). Este volumen contiene aproximadamente 10 4 –10 5las estrellas y el gas interestelar local contrarrestan las astrosferas que rodean a estas estrellas, y el volumen de cada esfera varía según la densidad local del medio interestelar. La burbuja local contiene docenas de cálidas nubes interestelares con temperaturas de hasta 7.000 K y radios de 0,5 a 5 pc. [88]

Cuando las estrellas se mueven a velocidades peculiares suficientemente altas , sus astrosferas pueden generar choques de arco al chocar con el medio interestelar. Durante décadas se asumió que el Sol tenía un arco de choque. En 2012, los datos del Interstellar Boundary Explorer (IBEX) y las sondas Voyager de la NASA mostraron que el arco de choque del Sol no existe. En cambio, estos autores argumentan que una onda de arco subsónica define la transición del flujo del viento solar al medio interestelar. [89] [90] Un arco de choque es el tercer límite de una astrosfera después del choque de terminación y la astropausa (llamada heliopausa en el Sistema Solar). [90]

Espacio intergaláctico

Distribución de materia en una sección cúbica del universo. Las estructuras de fibras azules representan la materia y las regiones vacías intermedias representan los vacíos cósmicos del medio intergaláctico.
Una región de formación de estrellas en la Gran Nube de Magallanes , quizás la galaxia más cercana a la Vía Láctea de la Tierra

El espacio intergaláctico es el espacio físico entre galaxias. Los estudios de la distribución a gran escala de las galaxias muestran que el Universo tiene una estructura similar a una espuma, con grupos y cúmulos de galaxias que se encuentran a lo largo de filamentos que ocupan aproximadamente una décima parte del espacio total. El resto forma enormes vacíos que en su mayoría están vacíos de galaxias. Por lo general, un vacío abarca una distancia de (10–40) h −1 Mpc, donde h es la constante de Hubble en unidades de 100 km s −1 Mpc −1 , o la constante de Hubble adimensional . [91]

Rodeando y extendiéndose entre las galaxias, hay un plasma enrarecido [92] que está organizado en una estructura filamentosa galáctica . [93] Este material se denomina medio intergaláctico (IGM). La densidad del IGM es de 5 a 200 veces la densidad media del Universo. [94] Consiste principalmente en hidrógeno ionizado; es decir, un plasma que consta de igual número de electrones y protones. A medida que el gas cae en el medio intergaláctico desde los vacíos, se calienta a temperaturas de 10 5  K a 10 7  K, [2]que es lo suficientemente alto como para que las colisiones entre átomos tengan suficiente energía para hacer que los electrones unidos escapen de los núcleos de hidrógeno; por eso el IGM está ionizado. A estas temperaturas, se denomina medio intergaláctico cálido-caliente (WHIM). (Aunque el plasma es muy caliente según los estándares terrestres, 10 5 K a menudo se llama "cálido" en astrofísica). Las simulaciones y observaciones por computadora indican que hasta la mitad de la materia atómica en el Universo podría existir en este estado enrarecido cálido-caliente . [94] [95] [96] Cuando el gas cae de las estructuras filamentosas del WHIM a los cúmulos de galaxias en las intersecciones de los filamentos cósmicos, puede calentarse aún más, alcanzando temperaturas de 10 8  K y más en el mundo. llamadomedio intracluster (ICM). [97]

Órbita terrestre

Una nave espacial entra en órbita cuando su aceleración centrípeta debido a la gravedad es menor o igual que la aceleración centrífuga debido a la componente horizontal de su velocidad. Para una órbita terrestre baja , esta velocidad es de aproximadamente 7.800 m / s (28.100 km / h; 17.400 mph); [98] por el contrario, la velocidad de un avión pilotado más rápida jamás alcanzada (excluyendo las velocidades alcanzadas por una nave espacial que abandona la órbita) fue de 2200 m / s (7900 km / h; 4900 mph) en 1967 por el X-15 norteamericano . [99]

Para lograr una órbita, una nave espacial debe viajar más rápido que un vuelo espacial suborbital . La energía requerida para alcanzar la velocidad orbital de la Tierra a una altitud de 600 km (370 mi) es de aproximadamente 36  MJ / kg, que es seis veces la energía necesaria simplemente para ascender a la altitud correspondiente. [100] Las naves espaciales con un perigeo por debajo de unos 2000 km (1200 millas) están sujetas al arrastre de la atmósfera terrestre, [101]lo que disminuye la altitud orbital. La tasa de desintegración orbital depende del área y masa de la sección transversal del satélite, así como de las variaciones en la densidad del aire de la atmósfera superior. Por debajo de unos 300 km (190 millas), la descomposición se vuelve más rápida con la vida útil medida en días. Una vez que un satélite desciende a 180 km (110 millas), solo tiene horas antes de que se vaporice en la atmósfera. [66] La velocidad de escape requerida para liberarse del campo gravitacional de la Tierra y moverse hacia el espacio interplanetario es de aproximadamente 11.200 m / s (40.300 km / h; 25.100 mph). [102]

Perímetro

SpaceShipOne completó el primer vuelo espacial privado humano en 2004, alcanzando una altitud de 100,12 km (62,21 millas). [103]

No existe un límite claro entre la atmósfera y el espacio de la Tierra , ya que la densidad de la atmósfera disminuye gradualmente a medida que aumenta la altitud. Hay varias designaciones de límites estándar, a saber:

  • La Fédération Aéronautique Internationale ha establecido la línea Kármán a una altitud de 100 km (62 millas) como una definición de trabajo para el límite entre la aeronáutica y la astronáutica. Esto se usa porque a una altitud de aproximadamente 100 km (62 millas), como calculó Theodore von Kármán , un vehículo tendría que viajar más rápido que la velocidad orbital para obtener suficiente sustentación aerodinámica de la atmósfera para sostenerse. [7] [8]
  • Estados Unidos designa a las personas que viajan por encima de una altitud de 80 km (50 millas) como astronautas . [104]
  • La NASA 's transbordador espacial utiliza 400.000 pies (122 km, 76 mi) como su reingreso altitud (denominado la Interfaz de Entrada), que a grandes rasgos marca el límite donde la resistencia atmosférica se hace notable, comenzando así el proceso de cambiar de dirección con propulsores a maniobrar con superficies de control aerodinámicas. [105]

En 2009, los científicos informaron mediciones detalladas con un generador de imágenes de iones supra-térmico (un instrumento que mide la dirección y la velocidad de los iones), lo que les permitió establecer un límite a 118 km (73,3 millas) sobre la Tierra. El límite representa el punto medio de una transición gradual a lo largo de decenas de kilómetros desde los vientos relativamente suaves de la atmósfera terrestre hasta los flujos más violentos de partículas cargadas en el espacio, que pueden alcanzar velocidades de más de 268 m / s (600 mph). [106] [107]

Estatus legal

2008 lanzamiento del misil SM-3 utilizado para destruir el satélite de reconocimiento estadounidense USA-193

El Tratado del Espacio Ultraterrestre proporciona el marco básico para el derecho espacial internacional. Cubre el uso legal del espacio ultraterrestre por parte de los estados nacionales e incluye en su definición del espacio ultraterrestre la Luna y otros cuerpos celestes. El tratado establece que el espacio ultraterrestre es libre para que lo exploren todos los estados nacionales y no está sujeto a reclamos de soberanía nacional , llamando al espacio ultraterrestre la "provincia de toda la humanidad". Este estatus como patrimonio común de la humanidad se ha utilizado, aunque no sin oposición, para hacer cumplir el derecho de acceso y uso compartido del espacio ultraterrestre para todas las naciones por igual, en particular las naciones que no tienen viajes espaciales. [108] También prohíbe el desarrollo de armas nucleares.en el espacio exterior. El tratado fue aprobado por la Asamblea General de las Naciones Unidas en 1963 y firmado en 1967 por la URSS, los Estados Unidos de América y el Reino Unido. En 2017, 105 Estados partes han ratificado el tratado o se han adherido a él. Otros 25 estados firmaron el tratado, sin ratificarlo. [109] [110]

Desde 1958, el espacio ultraterrestre ha sido objeto de múltiples resoluciones de las Naciones Unidas. De estos, más de 50 se han referido a la cooperación internacional en el uso pacífico del espacio ultraterrestre y la prevención de una carrera de armamentos en el espacio. [111] El Comité de la ONU sobre la Utilización del Espacio Ultraterrestre con Fines Pacíficos ha negociado y redactado cuatro tratados adicionales de derecho espacial . Aún así, no existe una prohibición legal contra el despliegue de armas convencionales en el espacio, y las armas antisatélite han sido probadas con éxito por EE. UU., URSS, China [112] y en 2019, India. [113] El Tratado de la Luna de 1979entregó la jurisdicción de todos los cuerpos celestes (incluidas las órbitas alrededor de dichos cuerpos) a la comunidad internacional. El tratado no ha sido ratificado por ninguna nación que practique actualmente vuelos espaciales tripulados. [114]

En 1976, ocho estados ecuatoriales ( Ecuador , Colombia , Brasil , Congo , Zaire , Uganda , Kenia e Indonesia ) se reunieron en Bogotá , Colombia. Con su "Declaración del Primer Encuentro de Países Ecuatoriales", o "la Declaración de Bogotá", reclamaron el control del segmento de la trayectoria orbital geosincrónica correspondiente a cada país. [115] Estas alegaciones no se aceptan internacionalmente. [116]

Descubrimiento, exploración y aplicaciones

Descubrimiento

En 350 a. C., el filósofo griego Aristóteles sugirió que la naturaleza aborrece el vacío , un principio que se conoció como el horror vacui . Este concepto se basó en un argumento ontológico del siglo V a. C. del filósofo griego Parménides , quien negó la posible existencia de un vacío en el espacio. [117] Basado en esta idea de que un vacío no podía existir, en Occidente se sostuvo ampliamente durante muchos siglos que el espacio no podía estar vacío. [118] Todavía en el siglo XVII, el filósofo francés René Descartes argumentó que se debe llenar la totalidad del espacio. [119]

En la antigua China , el astrónomo del siglo II, Zhang Heng, se convenció de que el espacio debía ser infinito y extenderse mucho más allá del mecanismo que sostenía al Sol y las estrellas. Los libros supervivientes de la escuela Hsüan Yeh decían que los cielos eran ilimitados, "vacíos y desprovistos de sustancia". Asimismo, "el sol, la luna y la compañía de estrellas flotan en el espacio vacío, moviéndose o parados". [120]

El científico italiano Galileo Galilei sabía que el aire tenía masa y, por tanto, estaba sujeto a la gravedad. En 1640, demostró que una fuerza establecida resistía la formación de un vacío. Le quedaría a su alumno Evangelista Torricelli crear un aparato que produjera un vacío parcial en 1643. Este experimento resultó en el primer barómetro de mercurio y creó una sensación científica en Europa. El matemático francés Blaise Pascal razonó que si la columna de mercurio estaba sostenida por aire, entonces la columna debería ser más corta a mayor altitud donde la presión del aire es menor. [121] En 1648, su cuñado, Florin Périer, repitió el experimento en elPuy de Dôme en el centro de Francia y descubrió que la columna era más corta en tres pulgadas. Esta disminución de la presión se demostró aún más al llevar un globo medio lleno hasta una montaña y verlo expandirse gradualmente y luego contraerse al descender. [122]

Los hemisferios originales de Magdeburgo (abajo a la izquierda) utilizados para demostrar la bomba de vacío de Otto von Guericke (derecha)

En 1650, el científico alemán Otto von Guericke construyó la primera bomba de vacío: un dispositivo que refutaría aún más el principio del horror vacui . Observó correctamente que la atmósfera de la Tierra rodea al planeta como una cáscara, con la densidad disminuyendo gradualmente con la altitud. Concluyó que debe haber un vacío entre la Tierra y la Luna. [123]

En el siglo XV, el teólogo alemán Nicolaus Cusanus especuló que el Universo carecía de centro y circunferencia. Creía que el Universo, si bien no era infinito, no podía considerarse tan finito ya que carecía de límites dentro de los cuales pudiera estar contenido. [124] Estas ideas llevaron a especulaciones sobre la dimensión infinita del espacio por parte del filósofo italiano Giordano Bruno en el siglo XVI. Extendió la cosmología heliocéntrica copernicana al concepto de un Universo infinito lleno de una sustancia que llamó éter , que no resistía el movimiento de los cuerpos celestes. [125] Filósofo inglés William GilbertLlegué a una conclusión similar, argumentando que las estrellas son visibles para nosotros solo porque están rodeadas por un éter delgado o un vacío. [126] Este concepto de un éter se originó con los filósofos griegos antiguos , incluido Aristóteles, quien lo concibió como el medio a través del cual se mueven los cuerpos celestes. [127]

El concepto de un Universo lleno de un éter luminífero mantuvo el apoyo de algunos científicos hasta principios del siglo XX. Esta forma de éter se consideraba el medio a través del cual se podía propagar la luz. [128] En 1887, el experimento de Michelson-Morley intentó detectar el movimiento de la Tierra a través de este medio buscando cambios en la velocidad de la luz dependiendo de la dirección del movimiento del planeta. El resultado nulo indicó que algo andaba mal con el concepto. Entonces se abandonó la idea del éter luminífero. Fue reemplazada por la teoría de la relatividad especial de Albert Einstein ., que sostiene que la velocidad de la luz en el vacío es una constante fija, independiente del movimiento del observador o del marco de referencia . [129] [130]

El primer astrónomo profesional que apoyó el concepto de un Universo infinito fue el inglés Thomas Digges en 1576. [131] Pero la escala del Universo permaneció desconocida hasta la primera medición exitosa de la distancia a una estrella cercana en 1838 por el astrónomo alemán Friedrich. Bessel . Mostró que el sistema estelar 61 Cygni tenía un paralaje de solo 0,31  segundos de arco (en comparación con el valor moderno de 0,287 ″). Esto corresponde a una distancia de más de 10 años luz . [132] En 1917, Heber Curtis señaló que las novasen las nebulosas espirales eran, en promedio, 10 magnitudes más débiles que las novas galácticas, lo que sugiere que las primeras están 100 veces más lejos. [133] La distancia a la galaxia de Andrómeda fue determinada en 1923 por el astrónomo estadounidense Edwin Hubble midiendo el brillo de las variables cefeidas en esa galaxia, una nueva técnica descubierta por Henrietta Leavitt . [134] Esto estableció que la galaxia de Andrómeda y, por extensión, todas las galaxias, se encuentran fuera de la Vía Láctea . [135]

El concepto moderno de espacio exterior se basa en la cosmología del "Big Bang" , propuesta por primera vez en 1931 por el físico belga Georges Lemaître . [136] Esta teoría sostiene que el universo se originó a partir de una forma muy densa que desde entonces ha experimentado una expansión continua .

La primera estimación conocida de la temperatura del espacio exterior fue realizada por el físico suizo Charles É. Guillaume en 1896. Utilizando la radiación estimada de las estrellas de fondo, concluyó que el espacio debe calentarse a una temperatura de 5-6 K. El físico británico Arthur Eddington hizo un cálculo similar para derivar una temperatura de 3,18 K en 1926. El físico alemán Erich Regener usó la energía total medida de los rayos cósmicos para estimar una temperatura intergaláctica de 2.8 K en 1933. [137] Los físicos estadounidenses Ralph Alpher y Robert Herman predijeron 5 K para la temperatura del espacio en 1948, basándose en la disminución gradual de la energía de fondo después de el entonces nuevoTeoría del Big Bang . [137] La medida moderna del fondo cósmico de microondas es de aproximadamente 2,7K.

El término espacio exterior fue utilizado en 1842 por la poeta inglesa Lady Emmeline Stuart-Wortley en su poema "La doncella de Moscú". [138] La expresión espacio exterior fue utilizada como un término astronómico por Alexander von Humboldt en 1845. [139] Más tarde se popularizó en los escritos de HG Wells en 1901. [140] El término más corto espacio es más antiguo, primero utilizado para significar la región más allá del cielo de la Tierra en El paraíso perdido de John Milton en 1667. [141] [142]

Exploración y aplicación

La primera imagen tomada por un humano de toda la Tierra, probablemente fotografiada por William Anders del Apolo 8 . [143] Sur está arriba; América del Sur está en el medio.

Durante la mayor parte de la historia de la humanidad, el espacio se exploró mediante observaciones realizadas desde la superficie de la Tierra, inicialmente a simple vista y luego con el telescopio. Antes de la tecnología de cohetes confiable, lo más cerca que habían estado los humanos de llegar al espacio exterior era a través de vuelos en globo. En 1935, el vuelo en globo con tripulación estadounidense Explorer II alcanzó una altitud de 22 km (14 millas). [144] Esto se superó con creces en 1942 cuando el tercer lanzamiento del cohete alemán A-4 subió a una altitud de unos 80 km (50 millas). En 1957, el satélite sin tripulación Sputnik 1 fue lanzado por un cohete ruso R-7 , alcanzando la órbita terrestre a una altitud de 215 a 939 kilómetros (134 a 583 millas). [145]Esto fue seguido por el primer vuelo espacial humano en 1961, cuando Yuri Gagarin fue enviado a órbita en Vostok 1 . Los primeros humanos en escapar de la órbita terrestre baja fueron Frank Borman , Jim Lovell y William Anders en 1968 a bordo del Apolo 8 estadounidense , que alcanzó la órbita lunar [146] y alcanzó una distancia máxima de 377,349 km (234,474 millas) de la Tierra. [147]

La primera nave espacial en alcanzar la velocidad de escape fue la soviética Luna 1 , que realizó un sobrevuelo de la Luna en 1959. [148] En 1961, Venera 1 se convirtió en la primera sonda planetaria. Reveló la presencia del viento solar y realizó el primer sobrevuelo de Venus , aunque se perdió el contacto antes de llegar a Venus. La primera misión planetaria exitosa fue el sobrevuelo de Venus en 1962 por Mariner 2 . [149] El primer sobrevuelo de Marte fue por Mariner 4 en 1964. Desde entonces, las naves espaciales sin tripulación han examinado con éxito cada uno de los planetas del Sistema Solar, así como sus lunas y muchos planetas menores.y cometas. Siguen siendo una herramienta fundamental para la exploración del espacio ultraterrestre, así como para la observación de la Tierra. [150] En agosto de 2012, la Voyager 1 se convirtió en el primer objeto creado por el hombre en salir del Sistema Solar y entrar en el espacio interestelar . [151]

La ausencia de aire hace del espacio exterior un lugar ideal para la astronomía en todas las longitudes de onda del espectro electromagnético . Esto se evidencia en las espectaculares imágenes enviadas por el Telescopio Espacial Hubble , que permiten observar la luz de hace más de 13 mil millones de años, casi hasta la época del Big Bang. [152] No todas las ubicaciones en el espacio son ideales para un telescopio. El polvo zodiacal interplanetario emite una radiación difusa del infrarrojo cercano que puede enmascarar la emisión de fuentes débiles como los planetas extrasolares. Mover un telescopio infrarrojo más allá del polvo aumenta su efectividad. [153] Asimismo, un sitio como el cráter Daedalus en elEl otro lado de la Luna podría proteger un radiotelescopio de la interferencia de radiofrecuencia que obstaculiza las observaciones desde la Tierra. [154]

Las naves espaciales sin tripulación en órbita terrestre son una tecnología esencial de la civilización moderna. Permiten el seguimiento directo de las condiciones meteorológicas , retransmiten comunicaciones de largo alcance como la televisión, proporcionan un medio de navegación precisa y permiten la detección remota de la Tierra. La última función sirve para una amplia variedad de propósitos, incluido el seguimiento de la humedad del suelo para la agricultura, la predicción de la salida de agua de las capas de nieve estacionales, la detección de enfermedades en plantas y árboles y la vigilancia de las actividades militares. [155]

El profundo vacío del espacio podría convertirlo en un entorno atractivo para ciertos procesos industriales, como los que requieren superficies ultralimpias. [156] Al igual que la minería de asteroides , la fabricación espacial requeriría una gran inversión financiera con pocas perspectivas de retorno inmediato. [157] Un factor importante en el gasto total es el alto costo de colocar masa en la órbita de la Tierra: $ 8,000– $ 25,000 por kg, según una estimación de 2006 (teniendo en cuenta la inflación desde entonces). [158] El costo del acceso al espacio ha disminuido desde 2013. Cohetes parcialmente reutilizables como el Falcon 9Han bajado el acceso al espacio por debajo de los 3500 dólares el kilogramo. Con estos nuevos cohetes, el costo de enviar materiales al espacio sigue siendo prohibitivamente alto para muchas industrias. Conceptos propuestos para abordar esta cuestión incluyen, totalmente sistemas de lanzamiento reutilizable , spacelaunch no cohete , correas intercambio de momento , y los ascensores espaciales . [159]

El viaje interestelar para una tripulación humana sigue siendo en la actualidad solo una posibilidad teórica. Las distancias a las estrellas más cercanas significan que requeriría nuevos desarrollos tecnológicos y la capacidad de sostener tripulaciones de manera segura para viajes que duran varias décadas. Por ejemplo, el estudio del Proyecto Daedalus , que propuso una nave espacial propulsada por la fusión de deuterio y helio-3 , requeriría 36 años para llegar al sistema Alpha Centauri "cercano" . Otros sistemas de propulsión interestelar propuestos incluyen velas ligeras , ramjets y propulsión de haz . Los sistemas de propulsión más avanzados podrían usar antimateriacomo combustible, alcanzando potencialmente velocidades relativistas . [160]

Ver también

  • Ubicación de la Tierra en el Universo
  • Lista de agencias espaciales gubernamentales
  • Lista de temas en el espacio
  • Esquema de la ciencia espacial
  • Panspermia
  • Espacio y supervivencia
  • Entorno espacial
  • Carrera en el espacio
  • Estación Espacial
  • Tecnología espacial
  • Clima espacial
  • Meteorización espacial
  • Cronología del conocimiento sobre el medio interestelar e intergaláctico
  • Cronología de la exploración del Sistema Solar
  • Cronología del vuelo espacial

Referencias

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enlaces externos

  • Espacio Newscientist
  • Space.com