Espacio exterior

La interfaz entre la superficie de la Tierra y el espacio exterior. Se muestra la línea Kármán a una altitud de 100 km (62 mi). Las capas de la atmósfera se dibujan a escala, mientras que los objetos dentro de ellos, como la Estación Espacial Internacional, no lo son.

El espacio exterior, comúnmente denominado simplemente espacio, es la extensión que existe más allá de la Tierra y su atmósfera y entre los cuerpos celestes. El espacio exterior no está completamente vacío; es un vacío casi perfecto 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 kelvins (−270 °C; −455 °F).

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. 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 consisten casi en su totalidad en espacio vacío. La mayor parte de la masa-energía restante en el universo observable se compone de una forma desconocida, denominada materia oscura y energía oscura.

El espacio exterior no comienza a una altitud definida sobre la superficie de la Tierra. La línea Kármán, una altitud de 100 km (62 mi) sobre el nivel del mar, se usa convencionalmente como el comienzo del espacio exterior en los 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 del Espacio Exterior, 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 exterior. A pesar de la redacción de resoluciones de la ONU para los usos pacíficos del espacio ultraterrestre, se han probado armas antisatélite en la órbita terrestre.

Los seres humanos comenzaron la exploración física del espacio durante el siglo XX con la llegada de los vuelos en globo a gran altura. A esto le siguieron los vuelos tripulados de cohetes 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 los 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, las naves espaciales sin tripulación han llegado a todos los planetas conocidos del Sistema Solar. El espacio exterior 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 causa tanto atrofia muscular como pérdida ósea.

Formación y estado

Este es el concepto de 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 describe la rápida inflación del estado inicial, seguida después por una expansión más constante hasta el día actual, que se muestra a la derecha.

Parte de la imagen Hubble Ultra-Deep Field que muestra una sección típica del espacio que contiene galaxias intercaladas por vacío profundo. Dada la velocidad finita de la luz, esta vista cubre el pasado 13 mil millones de años de la historia del espacio exterior.

Se desconoce el tamaño de todo el universo y podría tener una extensión infinita. Según la teoría del Big Bang, el Universo primitivo era un estado extremadamente caliente y denso hace unos 13 800 millones de años 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, lo que permitió que los fotones viajaran libremente a través del espacio en continua expansión. 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 atrás un profundo vacío que forma lo que ahora se llama espacio exterior. Como la luz tiene una velocidad finita, esta teoría restringe el tamaño del universo directamente observable.

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 de Wilkinson. Estas observaciones indican que la geometría espacial del universo observable es 'plana', lo que significa que los fotones en caminos paralelos en un punto permanecen paralelos mientras viajan por el espacio hasta el límite del universo observable, excepto por la gravedad local. 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.

Las estimaciones sitúan la densidad de energía promedio 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. La densidad del Universo claramente no es uniforme; varía desde una densidad relativamente alta en las galaxias, incluida una densidad muy alta en las estructuras dentro de las galaxias, como planetas, estrellas y agujeros negros, hasta condiciones en vastos vacíos que tienen una densidad mucho más baja, al menos en términos de materia visible. 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 mayoría de la masa-energía del Universo, la influencia de la energía oscura es 5 órdenes de magnitud menor que la influencia de la energía oscura. la gravedad de la materia y la materia oscura dentro de la Vía Láctea.

Medio ambiente

La nube de polvo interplanetario iluminada y visible como luz zodiacal, con sus partes las falso amanecer, gegenschein y el resto de su banda, que se cruza visualmente por la Vía Láctea

El espacio exterior es la aproximación más cercana conocida 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, siguiendo la etapa de formación inicial. El profundo vacío del espacio intergaláctico no está desprovisto de materia, ya que contiene unos pocos átomos de hidrógeno por metro cúbico. En comparación, el aire que respiramos los humanos contiene alrededor de 10²⁵ moléculas por metro cúbico. 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 10²³ km, o 10 000 millones de años luz. 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.

Las estrellas, los planetas y las lunas retienen sus atmósferas por atracción gravitacional. Las atmósferas no tienen un límite superior claramente delimitado: la densidad del gas atmosférico disminuye gradualmente con la distancia desde el objeto hasta que se vuelve indistinguible del espacio exterior. La presión atmosférica de la Tierra cae a alrededor de 0,032 Pa a 100 kilómetros (62 millas) de altitud, en comparación con los 100 000 Pa de la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC).) definición de presión estándar. 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.

La temperatura del espacio exterior se mide en términos de la actividad cinética del gas, como lo es 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. 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 haya una cantidad correspondientemente grande de neutrinos llamada fondo de neutrinos cósmicos). La temperatura actual del cuerpo negro de la radiación de fondo es de aproximadamente 3 K (−270 °C; −454 °F). Las temperaturas de los gases en el espacio exterior pueden variar ampliamente. Por ejemplo, la temperatura en la Nebulosa Boomerang es de 1 K, mientras que la corona solar alcanza temperaturas de más de 1,2 a 2,6 millones de K.

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 dínamos a pequeña escala, creando campos magnéticos turbulentos de alrededor de 5 a 10 μG. 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 radiolóbulos característicos. Se han detectado fuentes de radio no térmicas incluso entre las fuentes de alta z más distantes, lo que indica la presencia de campos magnéticos.

Fuera de una atmósfera protectora y un campo magnético, hay pocos obstáculos para el paso a través del espacio de partículas subatómicas energéticas conocidas como rayos cósmicos. Estas partículas tienen energías que van desde aproximadamente 10⁶ eV hasta un extremo de 10²⁰ eV de rayos cósmicos de ultra alta energía. El flujo máximo de los rayos cósmicos se produce a energías de unos 10⁹ eV, con aproximadamente un 87 % de protones, un 12 % de núcleos de helio y un 1 % de núcleos más pesados. En el rango de alta energía, el flujo de electrones es solo alrededor del 1% del de protones. Los rayos cósmicos pueden dañar los componentes electrónicos y representar una amenaza para la salud de los viajeros espaciales. 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.

Efecto sobre la biología y el cuerpo humano

Debido a los peligros de un vacío, los astronautas deben usar un traje espacial presurizado mientras que 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 BIOPAN de la ESA sobrevivieron a la exposición durante diez días en 2007. Las semillas de Arabidopsis thaliana y Nicotiana tabacum germinaron después de estar expuestas al espacio durante 1,5 años. Una cepa de Bacillus subtilis ha sobrevivido 559 días expuesta a la órbita terrestre baja oa un entorno marciano simulado. La hipótesis de la litopanspermia sugiere que las rocas expulsadas al espacio exterior desde los 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.

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 la línea de Armstrong, llamada así por el médico estadounidense Harry G. Armstrong. Se encuentra a una altitud de alrededor de 19,14 km (11,89 mi). En o por encima de la línea de Armstrong, los fluidos en 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.

En el espacio exterior, la exposición repentina de un ser humano sin protección a una presión muy baja, como durante una descompresión rápida, puede provocar un barotrauma pulmonar, una ruptura de los pulmones, debido a la gran diferencia de presión entre el interior y el exterior del tórax. 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. 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 causar un aumento en el consumo de oxígeno que conduce a la hipoxia.

Como consecuencia de la rápida descompresión, 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 cuestión de minutos. La sangre y otros fluidos corporales hierven cuando la presión cae por debajo de 6,3 kPa, y esta condición se llama ebullición. 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 para evitar la ruptura. La ebullición se ralentiza por la contención de la presión de los vasos sanguíneos, por lo que parte de la sangre permanece líquida. La hinchazón y la efervescencia pueden reducirse mediante la contención en un traje presurizado. El traje de protección contra la altitud de la tripulación (CAPS), una prenda elástica ajustada diseñada en la década de 1960 para astronautas, previene el ebullicion a presiones tan bajas como 2 kPa. Se necesita oxígeno suplementario a 8 km (5 mi) para proporcionar suficiente oxígeno para respirar y evitar la pérdida de agua, mientras que por encima de los 20 km (12 mi) los trajes presurizados son esenciales para evitar el ebullismo. La mayoría de los trajes espaciales usan alrededor de 30 a 39 kPa de oxígeno puro, casi 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 embolia gaseosa si no se controla.

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 en el espacio. Esto puede causar náuseas y vómitos, vértigo, dolores de cabeza, letargo y malestar general. La duración de la enfermedad del espacio varía, pero generalmente dura de 1 a 3 días, luego de lo cual el cuerpo se adapta al nuevo entorno. La exposición a largo plazo a la ingravidez produce atrofia muscular y deterioro del esqueleto u osteopenia de los vuelos espaciales. Estos efectos se pueden minimizar a través de un régimen de ejercicio. 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, trastornos del sueño e hinchazón de la cara.

Durante los viajes espaciales de larga duración, la radiación puede representar un riesgo grave para la salud. La exposición a rayos cósmicos ionizantes de alta energía puede provocar fatiga, náuseas, vómitos, así como daños en el sistema inmunológico y cambios en el recuento de glóbulos blancos. Durante períodos más largos, los síntomas incluyen un mayor riesgo de cáncer, además de daños en los ojos, el sistema nervioso, los pulmones y el tracto gastrointestinal. En una misión de ida y vuelta a Marte que dure tres años, una gran parte de las células del cuerpo de un astronauta serían atravesadas y potencialmente dañadas por núcleos de alta energía. 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 por los 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 necesita más investigación para evaluar los peligros de la radiación y determinar las contramedidas adecuadas.

Límite

SpaceShipOne completó el primer vuelo espacial privado humano en 2004, alcanzando una altitud de 100.12 km (62.21 mi).

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

• La Fédération Aéronautique Internationale ha establecido la línea Kármán a una altitud de 100 km (62 mi) como una definición de trabajo para el límite entre aeronáutica y astronauta. Esto se utiliza porque a una altitud de unos 100 km (62 mi), como se calculó Theodore von Kármán, un vehículo tendría que viajar más rápido que la velocidad orbital para obtener suficiente elevación aerodinámica de la atmósfera para apoyarse.
• Hasta 2021, Estados Unidos designó a personas que viajan por encima de una altitud de 50 mi (80 km) como astronautas. Las alas de Astronaut ahora sólo se conceden a los tripulantes de naves espaciales que "demuestraron actividades durante el vuelo que eran esenciales para la seguridad pública, o contribuyeron a la seguridad del vuelo espacial humano".
• El transbordador espacial de la NASA utilizado 400.000 pies, o 75.76 millas (120 km), como su altitud de reentrada (terminó la Interfaz de Entrada), que marca aproximadamente el límite donde la arrastre atmosférica se hace notar, iniciando así el proceso de pasar de la dirección con propulsores a maniobrar con superficies de control aerodinámico.

En 2009, los científicos informaron de mediciones detalladas con un generador de imágenes de iones supratérmicos (un instrumento que mide la dirección y la velocidad de los iones), lo que les permitió establecer un límite a 118 km (73,3 mi) 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 por encima de los 268 m/s (880 pies). /s).

Estado legal

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

El Tratado del Espacio Exterior proporciona el marco básico para el derecho espacial internacional. Abarca el uso legal del espacio ultraterrestre 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 libre para que todos los estados nacionales lo exploren 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 valer el derecho de acceso y uso compartido del espacio ultraterrestre para todas las naciones por igual, en particular las naciones que no realizan actividades espaciales. 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. A partir de 2017, 105 estados partes han ratificado o se han adherido al tratado. Otros 25 estados firmaron el tratado, sin ratificarlo.

Desde 1958, el espacio ultraterrestre ha sido objeto de múltiples resoluciones de las Naciones Unidas. De estos, más de 50 han sido sobre la cooperación internacional en los usos pacíficos del espacio ultraterrestre y la prevención de una carrera armamentista en el espacio. El Comité sobre la Utilización del Espacio Ultraterrestre con Fines Pacíficos ha negociado y redactado cuatro tratados adicionales sobre 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., la URSS, China y, en 2019, India. El Tratado de 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.

En 1976, ocho estados ecuatoriales (Ecuador, Colombia, Brasil, 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", reclamaron el control del segmento de la trayectoria orbital geosíncrona correspondiente a cada país. Estas afirmaciones no son aceptadas internacionalmente.

Órbita terrestre

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 unos 7800 m/s (28 100 km/h; 17 400 mph); por el contrario, la velocidad de un avión pilotado más rápida jamás alcanzada (excluyendo las velocidades alcanzadas por la nave espacial fuera de órbita) fue de 2200 m/s (7900 km/h; 4900 mph) en 1967 por el North American X-15.

Para alcanzar 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. Las naves espaciales con un perigeo inferior a unos 2000 km (1200 mi) están sujetas al arrastre de la atmósfera terrestre, lo que reduce la altitud orbital. La tasa de descomposición 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 mi), la descomposición se vuelve más rápida y la vida útil se mide en días. Una vez que un satélite desciende a 180 km (110 mi), tiene solo unas horas antes de que se vaporice en la atmósfera. La velocidad de escape requerida para liberarse por completo del campo gravitatorio de la Tierra y moverse hacia el espacio interplanetario es de aproximadamente 11 200 m/s (40 300 km/h; 25 100 mph).

Regiones

El espacio es un vacío parcial: sus diferentes regiones están definidas por los diversos campos magnéticos y "vientos" que dominan dentro de ellos, 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, después de lo cual da paso al viento solar del espacio interplanetario. El espacio interplanetario se extiende hasta la heliopausa, momento en el que el viento solar da paso a los campos magnéticos del medio interestelar. El espacio interestelar luego continúa hacia los límites exteriores de la galaxia, donde se desvanece en el vacío intergaláctico.

Regiones cercanas a la Tierra

Una imagen generada por ordenador que mapea la prevalencia de satélites artificiales y desechos espaciales alrededor de la Tierra en órbita geosincrónica y baja de la Tierra

espacio cercano a la Tierra es la región del espacio exterior por encima de la línea de Kármán, desde las órbitas terrestres bajas hasta las órbitas geoestacionarias. Esta región incluye las principales órbitas de los satélites artificiales y es el sitio de la mayor parte de la actividad espacial de la humanidad. La región ha visto altos niveles de contaminación espacial, principalmente en forma de basura espacial, amenazando cualquier actividad espacial en esta región.

Geospace es una región del espacio exterior cerca de la Tierra que incluye la atmósfera superior y la magnetosfera. 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. Las condiciones climáticas espaciales variables 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.

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. 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.

Aurora australis observada desde la Estación Espacial Internacional

El geoespacio está poblado por partículas cargadas eléctricamente en 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 el tiempo del GPS. Las tormentas magnéticas también pueden ser un peligro para los astronautas, incluso en órbita terrestre baja. Crean auroras que se ven en latitudes altas en un óvalo que rodea los polos geomagnéticos.

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 un arrastre significativo en los satélites. Esta región contiene material sobrante de lanzamientos anteriores tripulados y no tripulados que son un peligro potencial para las naves espaciales. Algunos de estos desechos vuelven a entrar en la atmósfera de la Tierra periódicamente.

Tierra y la Luna como se ve desde el espacio cislunar

Espacio translunar es la región de las órbitas de transferencia lunar, entre la Luna y la Tierra. El espacio cislunar es una región fuera de la Tierra que incluye la órbita lunar, el espacio orbital de la Luna alrededor de la Tierra y los puntos de Lagrange. xGeo space es un concepto utilizado por los EE. UU. para referirse al espacio de las órbitas terrestres altas, que van desde más allá de la órbita geosincrónica (GEO) a aproximadamente 35 786 km (22 236 mi), hasta el L2 Earth-Moon Lagrange. punto en 448,900 km (278,934 mi). Este se encuentra más allá de la órbita de la Luna y por lo tanto incluye el espacio cislunar.

La región donde el pozo de gravedad de la Tierra sigue siendo dominante frente a las perturbaciones gravitatorias del Sol es la esfera de Hill del planeta. Esto incluye todo el espacio desde la Tierra hasta una distancia de aproximadamente el 1 % de la distancia media de la Tierra al Sol, o 1,5 millones de km (0,93 millones de millas). Más allá de la colina de la Tierra, la esfera se extiende a lo largo de la trayectoria orbital de la Tierra, su espacio orbital y coorbital. Este espacio está copoblado por grupos de objetos cercanos a la Tierra (NEO) coorbitales, como los libradores de herradura y los troyanos de la Tierra, y algunos NEO a veces se convierten en satélites temporales y cuasi-lunas de la Tierra.

El espacio profundo es definido por el gobierno de los Estados Unidos como una región del espacio más allá de la órbita terrestre baja, incluido el espacio cislunar. Otros varían el punto de partida desde más allá del espacio cislunar hasta más allá del sistema solar. La Unión Internacional de Telecomunicaciones responsable de la comunicación por radio, incluso con satélites, define el comienzo del espacio profundo en 2 millones de km (1,2 millones de millas), que es aproximadamente cinco veces la distancia orbital de la Luna.

Espacio interplanetario

El plasma escaso (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 crean 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/cm³ y se mueve a una velocidad de 350 a 400 km/s (780 000 a 890 000 mph). 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. La distancia y la fuerza de la heliopausa varía según el nivel de actividad del viento solar. 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.

El volumen del espacio interplanetario es un vacío casi total, con un camino 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, pequeños meteoros y varias docenas de tipos de moléculas orgánicas descubiertas hasta la fecha por espectroscopia de microondas. Una nube de polvo interplanetario es visible por la noche como una banda tenue llamada luz zodiacal.

El espacio interplanetario contiene el campo magnético generado por el Sol. Hay magnetosferas generadas por planetas como Júpiter, Saturno, Mercurio y la Tierra que tienen sus propios campos magnéticos. Estos están formados por la influencia del viento solar en la aproximación de una forma de lágrima, con la larga cola que se extiende 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.

Espacio interestelar

choque de arco formado por la magnetosfera de la joven estrella LL Orionis (centro) mientras que colisiona con el flujo de Orión Nebula

El espacio interestelar es el espacio físico dentro de una galaxia más allá de la influencia que cada estrella tiene sobre el plasma que la rodea. Los contenidos del espacio interestelar se denominan medio interestelar. Aproximadamente el 70% de la masa del medio interestelar consiste en átomos de hidrógeno solitarios; la mayor parte del resto consiste en átomos de helio. Esto se enriquece 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 exteriores, como durante la formación de una nebulosa planetaria. La explosión cataclísmica de una supernova genera una onda de choque en expansión que consiste en materiales expulsados que enriquecen aún más el medio. La densidad de la materia en el medio interestelar puede variar considerablemente: la media es de unas 10⁶ partículas por m³, pero las nubes moleculares frías pueden contener 10⁸. sup>–10¹² por m³.

Existen varias moléculas en el espacio interestelar, al igual que pequeñas partículas de polvo de 0,1 μm. 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 ocurran reacciones químicas, incluida la formación de especies orgánicas poliatómicas. Gran parte de esta química es impulsada por colisiones. Los rayos cósmicos energéticos penetran las nubes frías y densas 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 abundante para producir carbono ionizado, que a su vez puede conducir a reacciones químicas orgánicas.

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 densas y frías. Forma una cavidad en el brazo de Orión de la galaxia 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 al borde de esta cavidad varía de 60 a 250 pc o más). Este volumen contiene alrededor de 10⁴–10⁵ estrellas y los contrapesos de gas interestelar local 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 nubes interestelares cálidas con temperaturas de hasta 7000 K y radios de 0,5 a 5 pc.

Cuando las estrellas se mueven a velocidades peculiares lo suficientemente altas, sus astrosferas pueden generar arcos de choque cuando chocan 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 argumentan que una onda de proa subsónica define la transición del flujo de viento solar al medio interestelar. 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).

Espacio intergaláctico

Distribución de materia a gran escala en una sección cúbica del universo. Las estructuras de fibra azul representan la materia y las regiones vacías entre sí representan los vacíos cósmicos del medio intergaláctico.

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 la espuma, con grupos y cúmulos de galaxias dispuestos a lo largo de filamentos que ocupan alrededor de una décima parte del espacio total. El resto forma enormes vacíos que en su mayoría están vacíos de galaxias. Por lo general, un vacío se extiende por una distancia de 7 a 30 megaparsecs.

Rodeando y extendiéndose entre las galaxias, hay un plasma enrarecido que se organiza en una estructura filamentosa galáctica. Este material se denomina medio intergaláctico (IGM). La densidad del IGM es de 5 a 200 veces la densidad promedio del Universo. Se compone principalmente de 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 10⁵ K a 10⁷ K, que es lo suficientemente alta como para que las colisiones entre átomos tengan suficiente energía para hacer que los electrones enlazados 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 para los estándares terrestres, 10⁵ K a menudo se denomina "caliente" 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 cálido-caliente, enrarecido. 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 10⁸ K y más en el llamado intracúmulo. medio (MIC).

Historia del 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. Basado en esta idea de que no podía existir un vacío, en Occidente se sostuvo ampliamente durante muchos siglos que el espacio no podía estar vacío. Todavía en el siglo XVII, el filósofo francés René Descartes argumentó que se debe llenar la totalidad del espacio.

En la antigua China, el astrónomo del siglo II, Zhang Heng, se convenció de que el espacio debe ser infinito, extendiéndose mucho más allá del mecanismo que sustentaba al Sol y las estrellas. Los libros sobrevivientes de la escuela Hsüan Yeh decían que los cielos eran ilimitados, "vacíos y sin sustancia". Asimismo, el "sol, la luna y la compañía de estrellas flotan en el espacio vacío, moviéndose o inmóviles".

El científico italiano Galileo Galilei sabía que el aire tenía masa y, por lo 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 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. 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 la cima de una montaña y observar cómo se expandía gradualmente y luego se contraía al descender.

Los hemisferios originales de Magdeburg (a la izquierda) solían demostrar la bomba de vacío de Otto von Guericke (a la 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. Señaló correctamente que la atmósfera de la Tierra rodea al planeta como un caparazón, con una densidad que disminuye gradualmente con la altitud. Llegó a la conclusión de que debe haber un vacío entre la Tierra y la Luna.

En el siglo XV, el teólogo alemán Nicolaus Cusanus especuló que el Universo carecía de un centro y una circunferencia. Él creía que el Universo, si bien no era infinito, no podía considerarse finito ya que carecía de límites dentro de los cuales pudiera estar contenido. 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. El filósofo inglés William Gilbert llegó a una conclusión similar, argumentando que las estrellas son visibles para nosotros solo porque están rodeadas por un éter delgado o un vacío. Este concepto de éter se originó con los antiguos filósofos griegos, incluido Aristóteles, quien lo concibió como el medio a través del cual se mueven los cuerpos celestes.

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 fue vista como el medio a través del cual la luz podría propagarse. 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.

El primer astrónomo profesional que apoyó el concepto de un Universo infinito fue el inglés Thomas Digges en 1576. 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. 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. 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. Esto estableció que la galaxia de Andrómeda y, por extensión, todas las galaxias, se encuentran muy por fuera de la Vía Láctea.

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

La primera estimación conocida de la temperatura del espacio exterior fue realizada por el físico suizo Charles É. Guillaume en 1896. Usando la radiación estimada de las estrellas de fondo, concluyó que el espacio debe 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 usó la energía total medida de los rayos cósmicos para estimar una temperatura intergaláctica de 2,8 K en 1933. 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 la Nueva teoría del Big Bang. 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". La expresión espacio exterior fue utilizada como término astronómico por Alexander von Humboldt en 1845. Más tarde se popularizó en los escritos de H. G. Wells en 1901. El término más corto espacio es más antiguo, utilizado por primera vez para referirse a la región más allá del cielo de la Tierra en Paradise Lost de John Milton en 1667. "Spaceborne" denota que existe en el espacio ultraterrestre, especialmente si es transportado por una nave espacial; de manera similar, "basado en el espacio" medios basados en el espacio ultraterrestre o utilizando tecnología espacial.

Exploración

La primera imagen tomada por un humano de toda la Tierra, probablemente fotografiada por William Anders de Apolo 8. Sur está arriba; Sudamérica está en medio.

Durante la mayor parte de la historia humana, 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 confiable de cohetes, lo más cerca que habían estado los humanos de alcanzar el espacio exterior era a través de vuelos en globo. En 1935, el vuelo en globo tripulado del US Explorer II alcanzó una altitud de 22 km (14 mi). 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 mi). 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 mi). A esto le siguió el primer vuelo espacial humano en 1961, cuando Yuri Gagarin fue enviado a la 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 de EE. UU., que logró órbita lunar y alcanzó una distancia máxima de 377 349 km (234 474 mi) de la Tierra.

La primera nave espacial en alcanzar la velocidad de escape fue la Luna 1 soviética, que realizó un sobrevuelo de la Luna en 1959. En 1961, la 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. 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 exterior, así como para la observación de la Tierra. En agosto de 2012, la Voyager 1 se convirtió en el primer objeto hecho por el hombre en abandonar el Sistema Solar y entrar en el espacio interestelar.

Solicitud

Espacio exterior de la Estación Espacial Internacional a 400 km de altitud en órbita terrestre baja. En el fondo el espacio interestelar de la Vía Láctea es visible, así como en primer plano, sobre la Tierra, el flujo de aire de la ionosfera justo debajo y más allá del borde tan definido del espacio la línea Kármán en la termosfera.

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. Esto se evidencia en las espectaculares imágenes enviadas por el Telescopio Espacial Hubble, que permiten observar la luz de hace más de 13 000 millones de años, casi hasta la época del Big Bang. No todas las ubicaciones en el espacio son ideales para un telescopio. El polvo zodiacal interplanetario emite una radiación infrarroja cercana difusa que puede enmascarar la emisión de fuentes débiles como los planetas extrasolares. Mover un telescopio infrarrojo más allá del polvo aumenta su efectividad. Del mismo modo, un sitio como el cráter Daedalus en el lado oculto de la Luna podría proteger un radiotelescopio de la interferencia de radiofrecuencia que dificulta las observaciones desde la Tierra.

Las naves espaciales sin tripulación en órbita terrestre son una tecnología esencial de la civilización moderna. Permiten el monitoreo directo de las condiciones climáticas, transmiten comunicaciones de largo alcance como la televisión, proporcionan un medio de navegación preciso 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 actividades militares.

El profundo vacío del espacio podría convertirlo en un entorno atractivo para determinados procesos industriales, como los que requieren superficies ultralimpias. Al igual que la minería de asteroides, la fabricación espacial requeriría una gran inversión financiera con pocas perspectivas de retorno inmediato. Un factor importante en el gasto total es el alto costo de poner masa en órbita terrestre: $8,000–$27,000 por kg, según una estimación de 2006 (teniendo en cuenta la inflación desde entonces). El costo del acceso al espacio ha disminuido desde 2013. Los cohetes parcialmente reutilizables como el Falcon 9 han reducido el acceso al espacio por debajo de los 3500 dólares por kilogramo. Con estos nuevos cohetes, el costo de enviar materiales al espacio sigue siendo prohibitivo para muchas industrias. Los conceptos propuestos para abordar este problema incluyen sistemas de lanzamiento totalmente reutilizables, lanzamiento espacial sin cohetes, ataduras de intercambio de impulso y ascensores espaciales.

El viaje interestelar para una tripulación humana sigue siendo actualmente 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 proponía una nave espacial impulsada por la fusión de deuterio y helio-3, necesitaría 36 años para llegar al "cercano" Sistema Alfa Centauro. Otros sistemas de propulsión interestelar propuestos incluyen velas ligeras, estatorreactores y propulsión impulsada por haz. Los sistemas de propulsión más avanzados podrían usar antimateria como combustible, alcanzando potencialmente velocidades relativistas.