¿Cuántos átomos hay en el universo observable?

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/ 19 julio 2021

Afortunadamente, no tenemos que contarlos uno por uno

Toda la materia del universo , sin importar cuán grande, pequeña, joven o vieja, está formada por átomos.

Cada uno de estos bloques de construcción consta de un núcleo cargado positivamente, formado por protones y neutrones, y electrones en órbita cargados negativamente.

La cantidad de protones, neutrones y electrones que tiene un átomo determina a qué elemento pertenece en la tabla periódica e influye en cómo reacciona con otros átomos a su alrededor.

Todo lo que ves a tu alrededor es solo una configuración de diferentes átomos que interactúan entre sí de formas únicas.

Entonces, si todo está hecho de átomos, ¿sabemos cuántos átomos hay en el universo?

Para empezar "pequeño", hay alrededor de 7 octillones, o 7x10 ^ 27 (7 seguido de 27 ceros), átomos en un cuerpo humano promedio, según The Guardian.

Dada esta vasta suma de átomos en una sola persona, podría pensar que sería imposible determinar cuántos átomos hay en todo el universo. Y tendrías razón: debido a que no tenemos idea de cuán grande es realmente todo el universo, no podemos averiguar cuántos átomos hay dentro de él.

Sin embargo, es posible calcular aproximadamente cuántos átomos hay en el universo observable ,la parte del universo que podemos ver y estudiar, utilizando algunas suposiciones cosmológicas y un poco de matemáticas.

El universo observable

El universo fue creado durante el Big Bang hace 13,8 mil millones de años. A medida que estalló en existencia, desde un único punto de masa y temperatura infinitas, el universo comenzó a expandirse hacia afuera y no se ha detenido desde entonces.

Debido a que el universo tiene 13.800 millones de años y el universo observable se extiende tan lejos de nosotros como la luz puede viajar en el tiempo desde que nació el universo, se podría suponer que el universo observable se extiende solo 13.800 millones de años luz en todas las direcciones. Pero debido a que el universo se expande constantemente, este no es el caso.

Cuando observamos una galaxia o estrella distante , lo que realmente estamos viendo es dónde estaba cuando emitió la luz por primera vez. Pero cuando la luz nos alcanza, la galaxia o estrella está mucho más lejos de lo que estaba cuando la vimos.

Usando radiación de fondo de microondas cósmico, podemos calcular qué tan rápido se está expandiendo el universo, y debido a que esa tasa es constante, que es la mejor suposición de los científicos actualmente (aunque algunos científicos piensan que puede estar disminuyendo), eso significa que el tamaño del universo observable para nosotros en realidad se extiende a 46 mil millones de años luz en todas las direcciones.

Pero saber qué tan grande es el universo observable no nos dice todo lo que sabemos sobre cuántos átomos hay en él. También necesitamos saber cuánta materia o cosas hay en él.

Supuestos cósmicos

Sin embargo, la materia no es lo único en el universo. De hecho, constituye solo alrededor del 5% del universo, según la NASA. El resto consiste en energía oscura y materia oscura , pero como no están formados por átomos, no tenemos que preocuparnos por ellos para este misterio.

Según la famosa ecuación E = mc ^ 2 de Einstein, la energía y la masa, o materia, son intercambiables, por lo que es posible que la materia se cree o se transforme en energía.

Pero en la escala cósmica del universo, podemos asumir que la cantidad de materia creada y no creada se cancela entre sí. Esto significa que la materia es finita, por lo que hay el mismo número de átomos en el universo observable que siempre ha habido, según Scientific American. Esto es importante porque nuestra imagen del universo observable no es una sola instantánea en el tiempo.

Según nuestras observaciones del universo conocido, las leyes físicas que lo gobiernan son las mismas en todas partes. Combinado con la suposición de que la expansión del universo es constante, esto significa que, a gran escala, la materia se distribuye uniformemente por todo el cosmos, un concepto conocido como principio cosmológico.

En otras palabras, no hay regiones del universo que tengan más materia que otras. Esta idea permite a los científicos estimar con precisión la cantidad de estrellas y galaxias en el universo observable, lo cual es útil porque la mayoría de los átomos se encuentran dentro de las estrellas.

Simplificando la ecuación

Conocer el tamaño del universo observable y que la materia está distribuida por igual y finitamente hace que sea mucho más fácil calcular el número de átomos. Sin embargo, hay algunas suposiciones más que debemos hacer antes de utilizar la calculadora.

Primero, debemos asumir que todos los átomos están contenidos dentro de las estrellas, aunque no lo estén. Desafortunadamente, tenemos una idea mucho menos precisa de cuántos planetas, lunas y rocas espaciales hay en el universo observable en comparación con las estrellas, lo que significa que es más difícil agregarlos a la ecuación.

Pero debido a que la gran mayoría de los átomos del universo están contenidos en estrellas, podemos obtener una buena aproximación del número de átomos en el universo calculando cuántos átomos hay en las estrellas e ignorando todo lo demás.

En segundo lugar, debemos asumir que todos los átomos del universo son átomos de hidrógeno , aunque no lo sean.

Los átomos de hidrógeno representan alrededor del 90% del total de átomos en el universo, según el Laboratorio Nacional de Los Alamos, y un porcentaje aún mayor de los átomos en las estrellas, en lo que nos estamos enfocando. Como verá en breve, también simplifica mucho los cálculos.

Haciendo las matemáticas

Ahora, finalmente es el momento de hacer los cálculos.

Para calcular el número de átomos en el universo observable, necesitamos conocer su masa, lo que significa que tenemos que averiguar cuántas estrellas hay. Hay alrededor de 10 ^ 11 a 10 ^ 12 galaxias en el universo observable, y cada galaxia contiene entre 10 ^ 11 y 10 ^ 12 estrellas, según la Agencia Espacial Europea.

Esto nos da entre 10 ^ 22 y 10 ^ 24 estrellas. A los efectos de este cálculo, podemos decir que hay 10 ^ 23 estrellas en el universo observable. Por supuesto, esta es solo una mejor suposición; las galaxias pueden variar en tamaño y número de estrellas, pero como no podemos contarlas individualmente, esto tendrá que ser suficiente por ahora.

En promedio, una estrella pesa alrededor de 10 ^ 32 kilogramos, según Science ABC , lo que significa que la masa del universo es de alrededor de 10 ^ 55 kilogramos.

Ahora que conocemos la masa o la cantidad de materia, necesitamos ver cuántos átomos caben en ella. En promedio, cada gramo de materia tiene alrededor de 10 ^ 24 protones, según Fermilab, un laboratorio nacional de física de partículas en Illinois.

Eso significa que es el mismo que el número de átomos de hidrógeno, porque cada átomo de hidrógeno tiene solo un protón (de ahí que hicimos la suposición anterior sobre los átomos de hidrógeno).

Esto nos da 10 ^ 82 átomos en el universo observable. Para poner eso en contexto, eso es 10,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000 de átomos.

Este número es solo una estimación aproximada, basada en una serie de aproximaciones y suposiciones. Pero dada nuestra comprensión actual del universo observable, es poco probable que esté demasiado lejos de la realidad.