Godzilla Nebula / Nebulosa Godzilla
First things first. We come from the universe, this universe, our universe.
The universe is old. It began about 13,800 million years ago containing all the matter and energy of the universe we know today. Before the beginning, and for a fraction of a second afterwards, neither matter nor the laws of physics that we know had existed. Initially the universe consisted only of energy. The evolution of matter started, and the four basic forces of nature—gravity, electromagnetic force, and strong and weak nuclear forces—appeared. Consequently, the universe began to look more like what we know now.
About the first 380,000 years were dark (1,2). Photons—about 1 billion per each electron and proton (2b)— would not escape the enormous interactions with particles and the gravitational pull concentrated in the limited space in which the universe had expanded. Matter existed in the form of elementary particles, a "quark soup," including electrons, photons, gluons, quarks, neutrinos, and Higgs bosons (3). From then on, when the temperature of the Universe fell below 3,000 Kelvin (2b), that "quark soup" began to generate the atomic elements (1).
The universe grew in size very quickly. The first galaxies appeared about 13,400 million years ago, according to information derived from the recently deployed James Webb Space Telescope (4). Atoms located in places neither too close nor too far from the stars, where the right energy conditions existed, initiated the formation of the first molecules, and with them chains of chemical reactions toward more complex molecular forms. The end result was the formation of many different molecules, whose variability was due in part to chance but always within the limits of the laws of physics, i.e., the environment. These molecules would eventually develop the ability to self-replicate, transmit information, and harness energy. They were the origin of life in the universe (5).
Percentage distribution of the known mass of the universe.
Element | (%) |
Hydrogen | 75 |
Helium | 23 |
Oxygen | 1 |
Carbon | 0.25 |
Others | 0.75 |
It is remarkable the relatively large amount of carbon, possibly the most reactive atom because it has only four electrons in its valence shell. Carbon can give or take four electrons to share a complete electronic outer orbital with a multitude of other elements, including carbon itself (6). This element gave rise to the first crystal in the universe, diamond, and also to the probable second, graphite. Carbon is the only chemical element on Earth (and possibly in the universe) that can serve as the skeleton of the diversity of complex molecules necessary for life, due to its chemical flexibility and abundance. This versatility is the basis of the enormous variability of organic molecules, which were the first step in the origin of life.
The periodic table of the elements shows us that hydrogen, carbon, nitrogen, and oxygen are found in the first two rows, composed of elements with lighter nuclei and simpler orbitals. Carbon, hydrogen, oxygen, and nitrogen account for 95% of the matter present in living things (7). Life appeared using the most common, reactive, and simplest elements in the universe.
Although space appears empty, infrared light sensors show that it contains clouds of gas. Giant molecular clouds are up to 150 light-years long. They are incubators of stars, where nuclear fusion—two smaller nuclei giving rise to one bigger nucleus—can occur. Their density is on the order of one trillion (10^12) ions or molecules per cubic meter—while the air we breathe has on the order of 2.5 x 10^25. They contain formic acid (HCHO) and other more complex molecules composed of carbon, along with oxygen, hydrogen, nitrogen, and sulfur. Among the substances detected in molecular clouds is, for example, ethanolamine (NH2CH2CH2OH), a component of the phospholipids that are part of cell membranes (8). Other formations are called carbon stars, where astronomers have detected, so far, up to 60 types of linear and cyclic carbon molecules, as well as carbon monoxide and hydrogen cyanide (HCN). It seems evident that carbon, with its versatility in binding to other elements, generates molecules throughout the universe in a similar way. Carbon chemistry, the precursor to the chemistry needed for life, is universal (6).
Our universe will likely continue to expand until it disappears, according to Roger Penrose, Nobel laureate in physics in 2020 for his work on black holes. At the Nobel Prize reception ceremony, Penrose advanced a very controversial theory, according to which our universe is not the only one and there were others before in the same place, as well as there will be others after.
Current estimations of the radius of the universe we can see reach about 50 billion light-years (2b). There are about 2 trillion galaxies in the universe and about 1.1 billion stars just in our galaxy, the Milky Way. One of them is the center of our solar system.
Versión en español:
Lo primero es lo primero.
Venimos del universo, de este universo, de nuestro universo.
El universo es viejo. Comenzó hace unos 13.800 millones de años como un punto más pequeño que un átomo pero que contenía toda la materia y energía del universo que conocemos hoy. Antes del principio, y durante una fracción de segundo después, no existían ni la materia ni las leyes de la física que conocemos. Inicialmente, el universo consistía solo en energía. La evolución de la materia comenzó, y aparecieron las cuatro fuerzas básicas de la naturaleza: la gravedad, la fuerza electromagnética y las fuerzas nucleares fuertes y débiles. En consecuencia, el universo comenzó a parecerse más a lo que conocemos ahora.
En torno a los primeros 380.000 años pudieron ser oscuros (1,2). Los fotones—en torno a 1.000 millones por cada electrón y protón (2b)— no escaparían a las interacciones con partículas y a la enorme atracción gravitacional concentrada en el limitado espacio en el que el universo se había expandido. La materia existía en forma de partículas elementales, una "sopa de quarks", incluyendo electrones, fotones, gluones, quarks, neutrinos y bosones de Higgs (3). A partir de entonces, cuando la temperatura del Universo cayó por debajo de los 3.000 grados Kelvin (2b), esa "sopa de quarks" comenzó a generar los elementos atómicos (1).
El universo creció en tamaño muy rápidamente. Las primeras galaxias aparecieron hace unos 13.400 millones de años, de acuerdo con información del telescopio espacial James Webb, que ha entrado recientemente en funcionamiento (4). Los átomos ubicados en lugares ni demasiado cerca ni demasiado lejos de las estrellas, donde existían las condiciones energéticas adecuadas, iniciaron la formación de las primeras moléculas, y con ellas cadenas de reacciones químicas hacia formas moleculares más complejas. El resultado final fue la formación de muchas moléculas diferentes, cuya variabilidad se debió en parte al azar, pero siempre dentro de los límites de las leyes de la física, es decir, del medio ambiente. Estas moléculas eventualmente desarrollarían la capacidad de autorreplicarse, transmitir información y aprovechar la energía. Fueron el origen de la vida en el universo (5).
Distribución porcentual de la masa conocida del universo.
Elemento | % |
Hidrógeno | 75 |
Helio | 23 |
Oxígeno | 1 |
Carbono | 0,25 |
Otros | 0,75 |
Es notable la cantidad relativamente grande de carbono, posiblemente el átomo más reactivo porque tiene sólo cuatro electrones en su capa de valencia. El carbono puede dar o tomar cuatro electrones para compartir un orbital exterior electrónico completo con una multitud de otros elementos, incluido el propio carbono (6). Este elemento dio lugar al primer cristal del universo, el diamante, y también al probable segundo, el grafito. El carbono es el único elemento químico en la Tierra (y posiblemente en el universo) que puede servir como esqueleto de la diversidad de moléculas complejas necesarias para la vida, debido a su flexibilidad química y abundancia. Esta versatilidad es la base de la enorme variabilidad de las moléculas orgánicas, que fueron el primer paso en el origen de la vida.
La tabla periódica de los elementos nos muestra que el hidrógeno, el carbono, el nitrógeno y el oxígeno se encuentran en las dos primeras filas, compuestas por elementos con núcleos más ligeros y orbitales más simples. El carbono, el hidrógeno, el oxígeno y el nitrógeno representan el 95% de la materia presente en los seres vivos (7). La vida apareció utilizando los elementos más comunes, reactivos y simples del universo.
Aunque el espacio parece vacío, los sensores de luz infrarroja muestran que contiene nubes de gas. Las nubes moleculares gigantes tienen hasta 150 años luz de extensión. Son incubadoras de estrellas, donde puede ocurrir la fusión nuclear—dos núcleos se unen en núcleo de mayor tamaño. Su densidad es del orden de un billón (10^12) de iones o moléculas por metro cúbico, mientras que el aire que respiramos tiene del orden de 2.5 x 10^25. Contienen ácido fórmico (HCHO) y otras moléculas más complejas compuestas de carbono, junto con oxígeno, hidrógeno, nitrógeno y azufre. Entre las sustancias detectadas en las nubes moleculares se encuentra, por ejemplo, la etanolamina (NH2CH2CH2OH), un componente de los fosfolípidos que forman parte de las membranas celulares (8). Otras formaciones se llaman estrellas de carbono, donde los astrónomos han detectado, hasta ahora, hasta 60 tipos de moléculas de carbono lineales y cíclicas, así como monóxido de carbono y cianuro de hidrógeno (HCN). Parece evidente que el carbono, con su versatilidad para unirse a otros elementos, genera moléculas en todo el universo de manera similar. La química del carbono, el precursor de la química necesaria para la vida, es universal (6).
Es probable que nuestro universo continúe expandiéndose hasta que desaparezca, según Roger Penrose, premio Nobel de física en 2020 por su trabajo sobre los agujeros negros. En la ceremonia de recepción del Premio Nobel, Penrose avanzó una teoría muy controvertida, según la cual nuestro universo no es el único y hubo otros antes en el mismo lugar, así como habrá otros después.
Estimaciones actuales del radio del universo visible alcanzan los 50.000 millones de años luz (2b). Hay alrededor de 2 billones de galaxias en el universo y alrededor de 1.100 millones de estrellas solo en nuestra galaxia, la Vía Láctea. Uno de ellos es el centro de nuestro sistema solar.
Image / Imagen:
Godzilla Nebula / Nebulosa GodzillaNASA/JPL-Caltech. Spizer Space Telescope / Telescopio espacial Spitzer. https://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA24579.
References / Referencias:
1. David Christian. Origin Story: A big history of everything. Allen Lane, Penguin Random House UK, London, 2018.
2. Neil de Grasse Tyson. Astrophysics for People in A Hurry: Essays on the Universe and Our Place Within It. W.W. Norton & Company, 2017.
2b. Carlos Briones, José Mª Bermúdez de Castro and Alberto Fernández Soto. Orígenes. El universo, la vida, los humanos. Editorial Planeta, Barcelona, España, 2015.
3. Carlo Rovelli. Seven brief lessons on Physics. Allen Lane, Penguin Random House UK, London, 2016.
4. Yuichi Harikane et al. SILVERRUSH. VIII. Spectroscopic Identifications of Early Large-scale Structures with Protoclusters over 200 Mpc at z ∼ 6–7: Strong Associations of Dusty Star-forming Galaxies. 2019 ApJ 883 142 ; Alexandra Witze. JWST spots some of the most distant galaxies ever seen. Nature. https://www.nature.com/articles/d41586-022-03751-z. doi: 10.1038/d41586-022-03751-z.
5. Brian Greene. Until the end of time: mind, matter and our search for meaning in an evolving universe. Alfred A. Knopf, New York, 2020.
6. Charles Cockell. The Equations of Life. How Physics Shapes Evolution. Atlantic Books, London, 2018.
7. Robert M. Hazen. Symphony in C. Carbon and the evolution of almost everything. W. W. Norton & Company, New York, 2019.
8. Víctor M. Rivilla et al. Discovery in space of ethanolamine, the simplest phospholipid head group. PNAS 118 (22), 2021. e2101314118; https://doi.org/10.1073/pnas.2101314118.
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