El espacio exterior (o simplemente el espacio ) es la extensión más allá de los cuerpos celestes y sus atmósferas . El espacio exterior no está completamente vacío; es un vacío casi perfecto [1] 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 base del espacio exterior, determinada por la radiación de fondo del Big Bang , es de 2,7 kelvin (-270 °C; -455 °F). [2]
Se cree que el plasma entre galaxias representa aproximadamente la mitad de la materia bariónica (ordinaria) del universo, con una densidad numérica de menos de un átomo de hidrógeno por metro cúbico y una temperatura cinética de millones de kelvin . [3] Las concentraciones locales de materia se han condensado en estrellas y galaxias . El espacio intergaláctico ocupa la mayor parte del volumen del universo , pero incluso las galaxias y los sistemas estelares están formados casi en su totalidad por espacio vacío. La mayor parte de la masa-energía restante en el universo observable está formada por una forma desconocida, denominada materia oscura y energía oscura . [4] [5] [6] [7]
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 , [8] [9] se utiliza convencionalmente como inicio del espacio exterior en tratados espaciales y para el mantenimiento de registros aeroespaciales. Ciertas porciones de la estratosfera superior y la mesosfera a veces se denominan "espacio cercano". El marco para el derecho espacial internacional fue establecido por el Tratado sobre el 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 ultraterrestre, se han probado armas antisatélites en la órbita terrestre.
Los humanos iniciaron la exploración física del espacio durante el siglo XX con la llegada de los vuelos en globo a gran altitud . A esto le siguieron los vuelos con cohetes tripulados y, luego, la órbita terrestre tripulada , lograda por primera vez por Yuri Gagarin de la Unión Soviética en 1961. El costo económico de poner objetos, incluidos humanos, en el espacio es muy alto, lo que limita los vuelos espaciales tripulados a la órbita terrestre baja. y la Luna . Por otro lado, naves espaciales no tripuladas 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 tiene un efecto negativo en la fisiología humana que provoca tanto atrofia muscular como pérdida ósea .
Se desconoce el tamaño de todo el universo y su extensión podría ser infinita. [10] Según la teoría del Big Bang, el universo primitivo era un estado extremadamente caliente y denso hace unos 13.800 millones de años [11] que se expandió rápidamente . Unos 380.000 años después, el universo se había enfriado lo suficiente como 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 viajaran libremente a través del espacio en continua expansión. [12] La materia que quedó después de la expansión inicial ha sufrido desde entonces un colapso gravitacional para crear estrellas, galaxias y otros objetos astronómicos, dejando tras de sí un profundo vacío que forma lo que ahora se llama espacio exterior. [13] Como la luz tiene una velocidad finita, esta teoría limita el tamaño del universo directamente observable. [12]
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 que siguen trayectorias paralelas en un punto permanecen paralelos mientras viajan a través del espacio hasta el límite del universo observable, excepto por la gravedad local. [14] 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 llama energía oscura . [15]
Las estimaciones sitúan la densidad de energía promedio del universo actual en el equivalente de 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 sólo el 4,6% de la densidad energética total, o sea una densidad de un protón por cada cuatro metros cúbicos. [16] 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. [17] 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 del universo, la influencia de la energía oscura es 5 órdenes de magnitud menor que la influencia de la gravedad. de materia y materia oscura dentro de la Vía Láctea. [18]
El espacio exterior es la aproximación más cercana conocida a un vacío perfecto . Efectivamente no tiene fricción , lo que permite que las estrellas, planetas y lunas se muevan libremente a lo largo de sus órbitas ideales , siguiendo la etapa de formación inicial . El profundo vacío del espacio intergaláctico no está exento de materia , ya que contiene unos pocos átomos de hidrógeno por metro cúbico. [20] En comparación, el aire que respiran los humanos contiene alrededor de 10 25 moléculas por metro cúbico. [21] [22] La baja densidad de la materia en el espacio exterior significa que la radiación electromagnética puede 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. [23] 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 . [24]
Las estrellas, los planetas y las lunas conservan sus atmósferas por atracción gravitacional. Las atmósferas no tienen un límite superior claramente delineado: la densidad del gas atmosférico disminuye gradualmente con la distancia del objeto hasta que se vuelve indistinguible del espacio exterior. [25] La presión atmosférica de la Tierra cae a aproximadamente 0,032 Pa a 100 kilómetros (62 millas) de altitud, [26] 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 rápidamente se vuelve insignificante en comparación con la presión de radiación del Sol 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 . [27]
La temperatura del espacio exterior se mide en términos de la actividad cinética del gas, [28] 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 . [29] [30] 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 una cantidad correspondientemente grande de neutrinos llamado fondo de neutrinos cósmicos . [31] ) La temperatura actual del cuerpo negro de la radiación de fondo es de aproximadamente 2,7 K (-270 °C; -455 °F). [32] Las temperaturas de los gases en el espacio exterior pueden variar ampliamente. Por ejemplo, la temperatura en la Nebulosa Boomerang es de 1 K, [33] mientras que la corona solar alcanza temperaturas de más de 1,2 a 2,6 millones de K. [34]
Se han detectado campos magnéticos en el espacio que rodea a casi todas las clases de objetos celestes. La formación de estrellas en galaxias espirales puede generar dinamos a pequeña escala , creando campos magnéticos turbulentos con intensidades de alrededor de 5 a 10 μ 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 galaxias elípticas activas producen sus característicos chorros y radiolóbulos . Se han detectado fuentes de radio no térmicas incluso entre las fuentes más distantes de alta z , lo que indica la presencia de campos magnéticos. [35]
Fuera de una atmósfera protectora y un campo magnético, existen pocos obstáculos al paso a través del 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 . [36] El flujo máximo de rayos cósmicos se produce 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 sólo aproximadamente el 1% del de protones. [37] Los rayos cósmicos pueden dañar los componentes electrónicos y representar una amenaza para la salud de los viajeros espaciales. [38] 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 un soplete de soldadura por arco . [39] [40]
A pesar del duro entorno, se han encontrado varias formas de vida que pueden soportar condiciones espaciales extremas durante períodos prolongados. Las especies de líquenes transportadas en las instalaciones BIOPAN de la ESA sobrevivieron a la exposición durante diez días en 2007. [41] Las semillas de Arabidopsis thaliana y Nicotiana tabacum germinaron después de haber estado expuestas al espacio durante un año y medio. [42] Una cepa de Bacillus subtilis ha sobrevivido 559 días cuando se expuso a una órbita terrestre baja o a un entorno marciano simulado. [43] La hipótesis de la litopanspermia 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 rocas potencialmente portadoras de microorganismos intercambiadas entre Venus, la Tierra y Marte. [44]
Incluso en 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 de Armstrong , llamada así en honor al médico estadounidense Harry G. Armstrong . Se encuentra a una altitud de alrededor de 19,14 km (11,89 millas). En la línea de Armstrong o por encima de ella, los líquidos de la garganta y los pulmones se evaporan. 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 presurizado o una cápsula presurizada. [45]
En el espacio, la exposición repentina de un ser humano desprotegido a una presión muy baja , como durante una descompresión rápida, puede causar barotrauma pulmonar , una ruptura de los pulmones, debido a la gran diferencia de presión entre el interior y el exterior del tórax. [46] 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. [47] 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 en el consumo de oxígeno que conduce a la hipoxia . [48]
Como consecuencia de la rápida descompresión, el oxígeno disuelto en la sangre se vacía hacia 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 cuestión de minutos. [49] La sangre y otros fluidos corporales hierven cuando la presión cae por debajo de 6,3 kPa, y esta condición se llama ebullismo . [50] El vapor puede hinchar el cuerpo al doble de su tamaño normal y ralentizar la circulación, pero los tejidos son lo suficientemente elásticos y porosos como para evitar la ruptura. El ebullismo se ralentiza mediante la contención de la presión de los vasos sanguíneos, por lo que parte de la sangre permanece líquida. [51] [52] La hinchazón y el ebullismo se pueden reducir mediante la contención en un traje presurizado . El traje de protección de altitud para la tripulación (CAPS), una prenda elástica ajustada diseñada en la década de 1960 para astronautas, previene el ebullismo a presiones tan bajas como 2 kPa. [53] Se necesita oxígeno suplementario a 8 km (5 millas) para proporcionar suficiente oxígeno para respirar y evitar la pérdida de agua, mientras que por encima de 20 km (12 millas) los trajes presurizados son esenciales para prevenir el ebullismo. [54] La mayoría de los trajes espaciales utilizan entre 30 y 39 kPa de oxígeno puro, aproximadamente la misma presión parcial de oxígeno 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. [55]
Los humanos evolucionaron para vivir en la gravedad de la Tierra y se ha demostrado que la exposición a la ingravidez tiene efectos nocivos para la salud humana. Inicialmente, más del 50% de los astronautas experimentan mareos por movimiento espacial . Esto puede provocar náuseas y vómitos, vértigo , dolores de cabeza, letargo y malestar general. La duración del mareo espacial varía, pero normalmente dura de 1 a 3 días, después de lo cual el cuerpo se adapta al nuevo entorno. La exposición prolongada a la ingravidez produce atrofia muscular y deterioro del esqueleto u osteopenia de los vuelos espaciales . Estos efectos se pueden minimizar mediante un régimen de ejercicio. [56] Otros efectos incluyen la redistribución de líquidos, la desaceleración del sistema cardiovascular , la disminución de la producción de glóbulos rojos , los trastornos del equilibrio y el debilitamiento del sistema inmunológico . Los síntomas menores incluyen pérdida de masa corporal, congestión nasal, alteraciones del sueño e hinchazón de la cara. [57]
Durante los viajes espaciales de larga duración, la radiación puede suponer 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 a los ojos, el sistema nervioso , los pulmones y el tracto gastrointestinal . [58] En una misión de ida y vuelta a Marte que duraría tres años, una gran fracción de las células del cuerpo de un astronauta sería atravesada y potencialmente dañada por núcleos de alta energía. [59] La energía de tales partículas disminuye significativamente por el blindaje proporcionado por las paredes de una nave espacial y puede disminuir aún más por 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 contramedidas adecuadas. [60]
No existe un límite claro entre la atmósfera terrestre y el espacio, ya que la densidad de la atmósfera disminuye gradualmente a medida que aumenta la altitud. Hay varias designaciones de límites estándar, a saber:
En 2009, los científicos informaron mediciones detalladas con un generador de imágenes de iones supratérmico (un instrumento que mide la dirección y 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 muy superiores a 268 m/s (880 pies/s). [65] [66]
El Tratado sobre el Espacio Ultraterrestre proporciona el marco básico para el derecho espacial internacional. Cubre el uso legal del espacio exterior por parte de los estados nacionales e incluye en su definición de espacio exterior , la Luna y otros cuerpos celestes. El tratado establece que el espacio ultraterrestre es gratuito para que todos los estados nacionales lo exploren y no está sujeto a reclamos de soberanía nacional, y llama al espacio ultraterrestre la "provincia de toda la humanidad". Esta condición de 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 que no tienen capacidades espaciales. [67] Prohíbe el desarrollo de armas nucleares en el espacio ultraterrestre. 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. Hasta 2017, 105 Estados partes han ratificado o se han adherido al tratado. Otros 25 estados firmaron el tratado, sin ratificarlo. [68] [69]
Desde 1958, el espacio ultraterrestre ha sido objeto de múltiples resoluciones de las Naciones Unidas. De ellos, más de 50 se refieren a la cooperación internacional en el uso pacífico del espacio ultraterrestre y a la prevención de una carrera armamentista en el espacio. [70] El Comité de las Naciones Unidas sobre los Usos Pacíficos del Espacio Ultraterrestre ha negociado y redactado cuatro tratados adicionales sobre derecho espacial . Aún así, no existe ninguna prohibición legal contra el despliegue de armas convencionales en el espacio, y Estados Unidos, la URSS, China [71] y, en 2019, la India han probado con éxito armas antisatélite . [72] El Tratado sobre la Luna de 1979 entregó 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 actualmente practique vuelos espaciales tripulados. [73]
En 1976, ocho estados ecuatoriales ( Ecuador , Colombia , Brasil , República del Congo , Zaire , Uganda , Kenia e Indonesia ) se reunieron en Bogotá , Colombia: con su "Declaración de la Primera Reunión de Países Ecuatoriales", o la Declaración de Bogotá. Declaración , reivindicaron el control del segmento de la trayectoria orbital geosincrónica correspondiente a cada país. [74] Estas afirmaciones no son aceptadas internacionalmente. [75]
Una nave espacial entra en órbita cuando su aceleración centrípeta debida a la gravedad es menor o igual a la aceleración centrífuga debida 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); [76] por el contrario, la velocidad más rápida jamás alcanzada por un avión pilotado (excluyendo las velocidades alcanzadas por naves espaciales desorbitadas) fue de 2.200 m/s (7.900 km/h; 4.900 mph) en 1967 por el X-15 norteamericano . [77]
Para alcanzar una órbita, una nave espacial debe viajar más rápido que un vuelo espacial suborbital . La energía necesaria para alcanzar la velocidad orbital de la Tierra a una altitud de 600 km (370 millas) es de aproximadamente 36 MJ /kg, que es seis veces la energía necesaria simplemente para ascender a la altitud correspondiente. [78] Las naves espaciales con un perigeo por debajo de aproximadamente 2000 km (1200 millas) están sujetas al arrastre de la atmósfera terrestre, [79] lo que disminuye la altitud orbital. La tasa de desintegración orbital depende del área de la sección transversal y la masa 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 desintegración se vuelve más rápida y la vida útil se mide en días. Una vez que un satélite desciende a 180 km (110 millas), sólo le quedan unas horas antes de vaporizarse en la atmósfera. [80] La velocidad de escape requerida para liberarse completamente 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). [81]
El espacio es un vacío parcial: sus diferentes regiones están definidas por los diversos campos magnéticos y "vientos" que dominan en su interior, y se extienden hasta el punto en que esos campos dan paso a los que están más allá. El geoespacio se extiende desde la atmósfera de la Tierra hasta los confines del campo magnético de la Tierra, tras lo cual da paso al viento solar del espacio interplanetario. [82] El espacio interplanetario se extiende hasta la heliopausa , momento en el que el viento solar da paso a los campos magnéticos del medio interestelar . [83] El espacio interestelar luego continúa hacia los límites exteriores de la galaxia, donde se desvanece en el vacío intergaláctico. [84]
El espacio cercano a la Tierra es la región del espacio que se extiende desde las órbitas terrestres bajas hasta las órbitas geoestacionarias . [85] Esta región incluye las principales órbitas de satélites artificiales y es el lugar de la mayor parte de la actividad espacial de la humanidad. La región ha experimentado altos niveles de contaminación espacial , principalmente en forma de desechos espaciales, lo que amenaza cualquier actividad espacial en esta región. [85]
El geoespacio es una región del espacio exterior cercana a la Tierra que incluye la atmósfera superior y la magnetosfera . [82] 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 . [86] Las variables condiciones climáticas espaciales del geoespacio se ven afectadas por el comportamiento del Sol y el viento solar; El tema del geoespacio está interconectado con la heliofísica , el estudio del Sol y su impacto en los planetas del Sistema Solar. [87]
La magnetopausa del lado diurno está comprimida por la presión del viento solar; la distancia subsolar desde el centro de la Tierra suele ser 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 a 200 radios terrestres. [88] [89] 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. [90]
El geoespacio está poblado por partículas cargadas eléctricamente con densidades muy bajas, cuyos movimientos están controlados por el campo magnético de la Tierra . Estos plasmas forman un medio a partir del cual 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 de los satélites, interfiriendo con las comunicaciones por radio de onda corta y la ubicación y sincronización del GPS . [91] Las tormentas magnéticas también pueden ser un peligro para los astronautas, incluso en la órbita terrestre baja. Crean auroras que se ven en latitudes altas en un óvalo que rodea los polos geomagnéticos . [92]
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 a los satélites. [80] Esta región contiene material sobrante de lanzamientos anteriores con y sin tripulación que son un peligro potencial para las naves espaciales. Algunos de estos desechos vuelven a entrar periódicamente en la atmósfera de la Tierra. [93]
El espacio translunar es la región de las órbitas de transferencia lunar , entre la Luna y la Tierra. [94]El espacio cislunar es una región exterior a la Tierra que incluye la órbita lunar , el espacio orbital de la Luna alrededor de la Tierra y los puntos de Lagrange . [95] El espacio xGeo es un concepto utilizado por los EE. UU. para referirse al espacio de órbitas terrestres altas , que van desde más allá de la órbita geosincrónica (GEO) a aproximadamente 35 786 km (22 236 millas), [96] hasta el punto L2 Tierra-Luna de Lagrange. a 448.900 km (278.934 millas). Este se encuentra más allá de la órbita de la Luna y por tanto incluye el espacio cislunar. [97]
La región donde la gravedad de la Tierra sigue siendo dominante contra las perturbaciones gravitacionales del Sol es la esfera Hill del planeta . [98] Esto incluye todo el espacio desde la Tierra hasta una distancia de aproximadamente el 1% de la distancia media de la Tierra al Sol, [99] o 1,5 millones de kilómetros (0,93 millones de millas). Más allá de la esfera Hill de la Tierra se extiende a lo largo de la trayectoria orbital de la Tierra su espacio orbital y coorbital . Este espacio está poblado por grupos de objetos cercanos a la Tierra (NEO) coorbitales , como libradores de herradura y troyanos terrestres , y algunos OCT se convierten en ocasiones en satélites temporales y cuasilunas de la Tierra. [ cita necesaria ]
El gobierno de los Estados Unidos define el espacio profundo como una región del espacio más allá de la órbita terrestre baja, incluido el espacio cislunar. [100] Otros varían el punto de partida desde más allá del espacio cislunar hasta más allá del Sistema Solar . [101] [102] [103] La Unión Internacional de Telecomunicaciones responsable de las comunicaciones por radio , incluso con satélites, define el comienzo del espacio profundo a 2 millones de kilómetros (1,2 millones de millas), [104] que es aproximadamente cinco veces la distancia orbital de la Luna. . [105]
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 ) a lo largo de 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). [106] 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. [83] La distancia y la fuerza de la heliopausa varían según el nivel de actividad del viento solar. [107] La heliopausa, a su vez, desvía los rayos cósmicos galácticos de baja energía, y este efecto de modulación alcanza su punto máximo durante el máximo solar. [108]
El volumen del espacio interplanetario es un vacío casi total, con un recorrido libre medio 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, [109] pequeños meteoros y varias decenas de tipos de moléculas orgánicas descubiertas hasta la fecha mediante espectroscopia de microondas . [110] Una nube de polvo interplanetario es visible por la noche como una banda tenue llamada luz zodiacal . [111]
El espacio interplanetario contiene el campo magnético generado por el Sol. [106] Hay magnetosferas generadas por planetas como Júpiter, Saturno, Mercurio y la Tierra que tienen sus propios campos magnéticos. Estos tienen la forma de una lágrima gracias a la influencia del viento solar, 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, ven sus atmósferas erosionadas gradualmente por el viento solar. [112]
El espacio interestelar es el espacio físico fuera de las burbujas de plasma, conocidas como astrosferas , formadas por vientos estelares originados en estrellas individuales. [84] Es el espacio entre las estrellas o sistemas estelares dentro de una nebulosa o galaxia. [113] El espacio interestelar contiene el medio interestelar , y el límite entre una astrosfera y el espacio interestelar se conoce como astropausa . Para el Sol, la astrosfera y la astropausa se denominan heliosfera y heliopausa .
Aproximadamente el 70% de la masa del medio interestelar está formada por átomos de hidrógeno solitarios; la mayor parte del resto está formado por átomos de helio. Este está enriquecido con trazas de átomos más pesados formados mediante nucleosíntesis estelar . Estos átomos son expulsados al medio interestelar por los vientos estelares o cuando las estrellas evolucionadas comienzan a desprenderse de sus envolturas exteriores, como durante la formación de una nebulosa planetaria . [114] La explosión cataclísmica de una supernova propaga ondas de choque de eyección estelar hacia afuera, distribuyéndolas por todo el medio interestelar, incluidos los elementos pesados previamente formados dentro del núcleo de la estrella. [115] La densidad de la materia en el medio interestelar puede variar considerablemente: el promedio es de alrededor de 10 6 partículas por m 3 , [116] pero las nubes moleculares frías pueden contener 10 8 –10 12 por m 3 . [29] [114]
En el espacio interestelar existen varias moléculas, tan pequeñas como partículas de polvo de 0,1 μm . [117] El número de moléculas descubiertas a través de la radioastronomía está aumentando constantemente a un ritmo de aproximadamente 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 está impulsada por colisiones. Los rayos cósmicos energéticos penetran en las nubes frías y densas e ionizan el hidrógeno y el helio, dando lugar, por ejemplo, al catión trihidrógeno . Un átomo de helio ionizado puede luego dividir monóxido de carbono relativamente abundante para producir carbono ionizado, lo que a su vez puede conducir a reacciones químicas orgánicas. [118]
El medio interestelar local es una región del espacio a 100 pc del Sol, que resulta 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 densas y frías. Forma una cavidad en el brazo de Orión de la Vía Láctea, con densas nubes moleculares a lo largo de los bordes, como las de las constelaciones de Ofiuco y Tauro . (La distancia real hasta el borde de esta cavidad varía de 60 a 250 pc o más). Este volumen contiene alrededor de 10 4 –10 5 estrellas y el gas interestelar local contrarresta las astrosferas que rodean estas estrellas, variando el volumen de cada esfera. dependiendo de la densidad local del medio interestelar. La burbuja local contiene docenas de nubes interestelares cálidas con temperaturas de hasta 7.000 K y radios de 0,5 a 5 pc. [119]
Cuando las estrellas se mueven a velocidades peculiares suficientemente altas , sus astrosferas pueden generar arcos de choque al chocar con el medio interestelar. Durante décadas se supuso 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 sostienen que una onda de arco subsónica define la transición del flujo del viento solar al medio interestelar. [120] [121] Un arco de choque es una tercera característica límite de una astrosfera, que se encuentra fuera del choque de terminación y la astropausa. [121]
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 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. Normalmente, un vacío abarca una distancia de 7 a 30 megapársecs. [122]
Rodeando y extendiéndose entre las galaxias, hay un plasma enrarecido [123] que está organizado en una estructura filamentosa galáctica . [124] Este material se llama medio intergaláctico (IGM). La densidad del IGM es de 5 a 200 veces la densidad promedio del universo. [125] Se compone principalmente de hidrógeno ionizado; es decir, un plasma formado por un número igual de electrones y protones. A medida que el gas cae al medio intergaláctico desde los vacíos, se calienta hasta temperaturas de 10 5 K a 10 7 K, [3] que es lo suficientemente alta como para que las colisiones entre átomos tengan suficiente energía para hacer que los electrones unidos escapen del hidrógeno. núcleos; Por eso el IGM está ionizado. A estas temperaturas, se le llama medio intergaláctico cálido-caliente (WHIM). (Aunque el plasma está 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 del universo podría existir en este estado enrarecido, cálido y caliente. . [125] [126] [127] Cuando el gas cae desde las estructuras filamentosas del WHIM hacia los cúmulos de galaxias en las intersecciones de los filamentos cósmicos, puede calentarse aún más, alcanzando temperaturas de 10 8 K y superiores en el planeta. llamado medio intracluster (ICM). [128]
En el año 350 a. C., el filósofo griego Aristóteles sugirió que la naturaleza aborrece el vacío , un principio que llegó a conocerse como horror vacui . Este concepto se basó en un argumento ontológico del siglo V a. C. del filósofo griego Parménides , quien negaba la posible existencia de un vacío en el espacio. [129] Basado en esta idea de que el vacío no podía existir, en Occidente se sostuvo ampliamente durante muchos siglos que el espacio no podía estar vacío. [130] Todavía en el siglo XVII, el filósofo francés René Descartes argumentó que se debe llenar la totalidad del espacio. [131]
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 sustentaba 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 las estrellas flotan en el espacio vacío, moviéndose o inmóviles". [132]
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 produciría un vacío parcial en 1643. Este experimento dio como resultado el primer barómetro de mercurio y causó 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. [133] En 1648, su cuñado, Florin Périer, repitió el experimento en la montaña Puy de Dôme en el centro de Francia y descubrió que la columna era tres pulgadas más corta. Esta disminución de la presión se demostró aún más al llevar un globo medio lleno a una montaña y observar cómo se expandía gradualmente y luego se contraía durante el descenso. [134]
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 capa, y su densidad disminuye gradualmente con la altitud. Concluyó que debe haber un vacío entre la Tierra y la Luna. [135]
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 finito ya que carecía de límites dentro de los cuales pudiera contenerse. [136] 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. [137] El filósofo inglés William Gilbert llegó a una conclusión similar, argumentando que las estrellas son visibles para nosotros sólo porque están rodeadas por un fino éter o un vacío. [138] Este concepto de éter se originó con los filósofos griegos antiguos, incluido Aristóteles, quienes lo concibieron como el medio a través del cual se mueven los cuerpos celestes. [139]
El concepto de un universo lleno de éter luminífero conservó el apoyo de algunos científicos hasta principios del siglo XX. Esta forma de éter se consideraba el medio a través del cual podía propagarse la luz. [140] 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 o marco de referencia del observador . [141] [142]
El primer astrónomo profesional que apoyó el concepto de un universo infinito fue el inglés Thomas Digges en 1576. [143] 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 . Demostró que el sistema estelar 61 Cygni tenía un paralaje de sólo 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 . [144] En 1917, Heber Curtis observó que las novas en 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. [145] 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 . [146] Esto estableció que la galaxia de Andrómeda, y por extensión todas las galaxias, se encontraban muy fuera de la Vía Láctea. [147]
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 . [148] Esta teoría sostiene que el universo se originó a partir de una forma muy densa que desde entonces ha experimentado una expansión continua . [ cita necesaria ]
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 debía calentarse a una temperatura de 5 a 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 utilizó la energía total medida de los rayos cósmicos para estimar una temperatura intergaláctica de 2,8 K en 1933. [149] 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 que siguió a la entonces nueva teoría del Big Bang . [149]
El término espacio exterior fue utilizado en 1842 por la poeta inglesa Lady Emmeline Stuart-Wortley en su poema "La doncella de Moscú". [150] El espacio exterior fue utilizado por primera vez como término astronómico por Alexander von Humboldt en 1845. [151] Posteriormente se popularizó en los escritos de HG Wells en 1901. [152] Este uso del espacio más corto es más antiguo, con John Milton El poema épico Paradise Lost , publicado en 1667, tiene el uso más antiguo registrado del término como "la región más allá del cielo de la Tierra". [153] [154] "A bordo" denota existir en el espacio exterior, especialmente si lo transporta una nave espacial; [155] [156] de manera similar, "basado en el espacio" significa basado en el espacio exterior o que utiliza tecnología espacial .
Durante la mayor parte de la historia de la humanidad, el espacio fue explorado mediante observaciones realizadas desde la superficie de la Tierra, inicialmente a simple vista y luego con el telescopio. Antes de la tecnología confiable de cohetes, 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 tripulado American Explorer II alcanzó una altitud de 22 km (14 millas). [158] Esto se superó con creces en 1942, cuando el tercer lanzamiento del cohete alemán A-4 ascendió a una altitud de unos 80 km (50 millas). En 1957, el satélite no tripulado 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). [159] A esto le siguió el primer vuelo espacial tripulado en 1961, cuando Yuri Gagarin fue enviado a órbita en Vostok 1 . Los primeros humanos que escaparon 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 [160] y alcanzó una distancia máxima de 377.349 km (234.474 millas) de la Tierra. [161]
La primera nave espacial en alcanzar la velocidad de escape fue la soviética Luna 1 , que realizó un sobrevuelo de la Luna en 1959. [162] 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 por parte del Mariner 2 en 1962 . [163] El primer sobrevuelo de Marte fue realizado por el Mariner 4 en 1964. Desde entonces, naves espaciales no tripuladas han examinado con éxito cada uno de los planetas del Sistema Solar, así como sus lunas y muchos planetas y cometas menores . Siguen siendo una herramienta fundamental para la exploración del espacio exterior, así como para la observación de la Tierra. [164] En agosto de 2012, la Voyager 1 se convirtió en el primer objeto creado por el hombre en abandonar el Sistema Solar y entrar en el espacio interestelar . [165]
La ausencia de aire hace que el espacio exterior sea un lugar ideal para la astronomía en todas las longitudes de onda del espectro electromagnético . Así lo demuestran 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. [166] No todos los lugares del espacio son ideales para un telescopio. El polvo zodiacal interplanetario emite una radiación difusa en el infrarrojo cercano que puede enmascarar la emisión de fuentes débiles como los planetas extrasolares. Mover un telescopio infrarrojo más allá del polvo aumenta su eficacia. [167] Del mismo modo, un sitio como el cráter Daedalus en la cara oculta de la Luna podría proteger un radiotelescopio de la interferencia de radiofrecuencia que obstaculiza las observaciones desde la Tierra. [168]
Las naves espaciales no tripuladas 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. Esta 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 actividades militares. [169]
El profundo vacío del espacio podría convertirlo en un entorno atractivo para determinados procesos industriales, como los que requieren superficies ultralimpias. [170] Al igual que la minería de asteroides , la fabricación espacial requeriría una gran inversión financiera con pocas perspectivas de retorno inmediato. [171] Un factor importante en el gasto total es el alto costo de colocar masa en la órbita terrestre: entre 9.000 y 29.000 dólares por kg, según una estimación de 2006 (teniendo en cuenta la inflación desde entonces). [172] El coste del acceso al espacio ha disminuido desde 2013. Cohetes parcialmente reutilizables como el Falcon 9 han reducido el acceso al espacio por debajo de los 3.500 dólares el kilogramo. Con estos nuevos cohetes, el coste de enviar materiales al espacio sigue siendo prohibitivamente alto para muchas industrias. Los conceptos propuestos para abordar esta cuestión incluyen sistemas de lanzamiento totalmente reutilizables , lanzamientos espaciales sin cohetes , correas de intercambio de impulso y ascensores espaciales . [173]
Los viajes interestelares para una tripulación humana siguen siendo por el momento sólo una posibilidad teórica. Las distancias a las estrellas más cercanas significan que se requerirían nuevos desarrollos tecnológicos y la capacidad de sustentar de manera segura a las tripulaciones en viajes que durarán varias décadas. Por ejemplo, el estudio del Proyecto Daedalus , que proponía una nave espacial propulsada por la fusión de deuterio y helio-3 , necesitaría 36 años para llegar al "cercano" sistema Alpha Centauri . Otros sistemas de propulsión interestelar propuestos incluyen velas ligeras , estatorreactores y propulsión impulsada por haces . Los sistemas de propulsión más avanzados podrían utilizar antimateria como combustible, alcanzando potencialmente velocidades relativistas . [174]
Además de la astronomía y los viajes espaciales, la temperatura ultrafría del espacio exterior se puede utilizar como tecnología de enfriamiento renovable para diversas aplicaciones en la Tierra a través del enfriamiento radiativo pasivo durante el día , [175] [176] que mejora la transferencia de calor por radiación térmica infrarroja de onda larga (LWIR). en la superficie de la Tierra a través de la ventana infrarroja hacia el espacio exterior para reducir la temperatura ambiente. [177] [178] Con el descubrimiento se hizo posible suprimir el calentamiento solar con metamateriales fotónicos . [179]
Resulta que aproximadamente el 68% del Universo es energía oscura.
La materia oscura constituye alrededor del 27%.
{{citation}}: Mantenimiento CS1: falta el editor de la ubicación ( enlace )El enfriamiento radiativo no consume energía externa, sino que recoge la frialdad del espacio exterior como nueva fuente de energía renovable.
el enfriamiento radiativo diurno ha atraído considerable atención recientemente debido a su tremendo potencial para explotar pasivamente la frialdad del universo como energía limpia y renovable.
Un tercer enfoque de geoingeniería alternativo sería un enfriamiento mejorado mediante radiación térmica de la Tierra. superficie al espacio.
una posible alternativa Este enfoque es el enfriamiento radiativo pasivo: una superficie de la Tierra orientada hacia el cielo se enfría espontáneamente irradiando calor al espacio exterior ultrafrío a través de la ventana de transparencia del infrarrojo de onda larga (LWIR) de la atmósfera (λ ~ 8–13 μm).
Toda la Tierra se movió con locura,—derribada, / Al espacio exterior— ¡conducido, atormentado, deshecho!
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