El lado oscuro del Universo

Introducción

Durante milenios, dicen los investigadores, los seres humanos han reflexionado acerca de dos preguntas fundamentales: «¿De dónde venimos?» y «¿Hacia dónde vamos?», preguntas que han estimulado el debate teológico y filosófico. «Gracias al rápido desarrollo de la cosmología moderna, en las últimas tres décadas los científicos han obtenido algunas pistas importantes para responder a estas preguntas»,

Durante el último cuarto del siglo XX se ha producido un enorme avance en nuestra comprensión del universo. De hecho, por primera vez en la historia, ha sido posible abordar algunas cuestiones cosmológicas. Descubrimos que nuestra posición en el universo no es única ni privilegiada. Fundamentalmente, la materia oscura y la energía oscuras son un misterio por resolver y para entenderlas será necesario abrir nuestra noción actual del mundo a nuevos hechos e ideas.

Sin embargo falta mucho camino por recorrer para establecer los misterios del universo, la teoría del Big Bang es hasta la fecha la más aceptada por la comunidad científica, sin embargo tiene algunas dificultades pendientes de resolución, pero es el mejor modelo actual, es la teoría con más poder explicativo que disponemos.

Este trabajo, busca exponer al lector mediante un análisis riguroso el origen y expansión del universo de tal forma que se comprendan una serie de hechos importantes que han permitido comprender una parte de la naturaleza que nos rodea.

 

“Nunca antes en la historia de la ciencia habíamos sido tan conscientes de nuestra ignorancia: sabemos que no sabemos nada sobre qué constituye el 95% del Universo”. – Profesor Roberto Battiston, Portavoz Adjunto del programa AMS-02.

 

Todos conocemos la materia que nos rodea, desde los átomos de los que estamos hechos, nuestro entorno, hasta las estrellas y galaxias. Pero todo eso que vemos, tu, yo, las estrellas, galaxias solo conforma el 4 o 5% del universo. Existe un 95-96 % restante que no sabemos que es, ese “lado oscuro” del universo, pero vemos sus efectos. Esto es lo que los científicos han llamado materia oscura y energía oscura.

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1.- Radiación de fondo

En 1965, dos físicos americanos, Arno Penzias y Robert W. Wilson, estaban experimentando con antenas para mejorar las comunicaciones entre las estaciones de tierra y los satélites artificiales en órbita, cuando descubrieron un ruido de fondo de origen ignoto. Se trataba de una emisión constante que provenía de todas las partes del cielo y que tenía una longitud media de onda de tres milímetros. Una emisión de este tipo se sitúa, en el espectro electromagnético, en la zona donde las ondas de radio limitan con los rayos infrarrojos y por lo tanto sólo son perceptibles a través de las antenas de los radiotelescopios.2

Wilson y Penzias con la antena de fondo3

La radiación de fondo es muy fría: tiene una temperatura de apenas 3 grados Kelvin, correspondientes a -270 grados Celsius. Estas medidas concuerdan bastante bien con lo previsto por la teoría, de modo que hoy se puede afirmar que el descubrimiento de la radiación de fondo ha contribuido a reforzar la hipótesis del Big Bang.

EL ESPECTRO DE LA RADIACIÓN CÓSMICA DE FONDO

La teoría del Big Bang predice una forma muy específica del espectro de la radiación cósmica de fondo: éste debe ser el espectro característico de un cuerpo en equilibrio termodinámico. El satélite COBE midió el espectro de la radiación cósmica de fondo y pudo determinar con una precisión sin precedentes, que ésta es exactamente como lo predice la teoría:

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Esta datación fué adaptada de Mather, J. C., et al., Astro. Jour. 354, L37 (1990).

La radiación no es homogénea. Algunas zonas poseen unas densidades de radiación mayores que otras. En las zonas más densas hay mayor cantidad de materia, es decir, hay galaxias. Gracias a la misión espacial COBE de la NASA, se detectaron en 1992 las irregularidades primigenias que debieron dar lugar a la formación de galaxias y de cúmulos de galaxias.

En la siguiente imagen tomada por el satélite COBE observamos las inhomogeneidades de la radiación de fondo. Los colores rojos representan las mayores densidades y los azules las menores:56Para saber más en este link:

12 Penzias y Wilson radiación cósmica de fondo

Los datos de COBE han sido tan precisos, que se ha descubierto fluctuaciones en esa radiación, que son importantes para los cálculos cosmológicos del big bang. COBE porta tres instrumentos principales, un Radiómetro de Microondas Diferencial, un Espectrofotómetro Absoluto de Infrarrojos Lejanos (enfriado a 1,6K por helio líquido), y el Experimentador de Fondo Infrarrojo Difuso, también a 1,6K. El instrumento infrarrojo medirá espectros infrarrojos de fondo, que se supone que son uniformes, pero cualquier variación inesperada, podría indicar la presencia de fuentes de energía que podría haber impulsado turbulencias para desencadenar la formación de galaxias. La sensibilidad de los instrumentos de infrarrojos es 100 veces mayor que el que se consigue desde la superficie de la Tierra.

2.- Materia oscura

La materia oscura no se parece a nada que hayamos visto en la tierra, la invisible presencia de la materia oscura está en todas partes miles de millones de estas extrañas partículas atraviesan cada segundo todo lo que se encuentra, forma el 27 % del universo y tiene una masa 10 veces superior a la materia ordinaria. No se ha demostrado que existan partículas de materia oscura ya que no absorbe ni emite luz como con la materia

comenzó la carrera para saber de que partícula está hecha la materia oscura. ¿Es una partícula ordinaria invisible o un nuevo tipo de partícula desconocida?

Así que, tras no ver coincidencias claras con partículas conocidas en el modelo estándar, muchos científicos creen que la materia oscura es una nueva partícula exótica, a la que se le llama WIMP (del inglés weakly interacting massive particles; en español “partículas masivas que interactúan débilmente”) todo que sabemos que la materia oscura es una sustancia pesada que no se mueve demasiado rápido y que no podemos verla.

Los científicos creen que la materia oscura se creó con el big bang. Siendo el soporte de la materia normal, acumulándose y dando estructura al universo junto con la energía oscura.

Encontrar materia oscura seria uno de los mayores descubrimientos de la historia de la humanidad; significaría responder grandes preguntas sobre el universo, su origen, su final etc.

Si quieres saber más aquí un link

¿Qué es la Materia Oscura?

 

 

3.- Energía oscura

Es la energía que domina el espacio la cual compone aproximadamente el 69% del universo. Esta energía de repulsión provoca la expansión del universo, oponiéndose a la gravedad

Ha habido distintos postulados acerca del movimiento del espacio. Desde siempre se ha dado por hecho que el universo es estático. El mismo Einstein estaba convencido de ello, creyendo después que fue su mayor error. Sin embargo el astrónomo Edwin Hubble llegó a la conclusión de que las galaxias se están separando unas de otras, y que cuánto más lejos está la galaxia más rápido se aleja.

 

Esto lo vio midiendo lo que se llama “el desplazamiento al rojo” causado por el efecto Doppler de la luz. (Debida a la materia oscura). El desplazamiento al rojo viene porque el rojo es la mayor longitud de onda del espectro visible. Si por ejemplo una estrella de otra galaxia debería emitir luz azul (la menor longitud de onda visible) y la vemos roja eso quiere decir que la estrella y por tanto la galaxia que la contiene, se aleja a gran velocidad.

07Efecto Doppler luz

Los físicos piensan que esta energía viene de las partículas y antipartículas que aparecen y desaparecen en el vacío cuántico. Esto se basa en el efecto Casimir. Cuanto más precisa es la medida de una de las dos magnitudes menor es la precisión de la otra. Y a lo largo de la historia la atracción y repulsión causadas por materia oscura y energía oscura respectivamente; han ido con el tiempo disminuyendo en el caso de la materia oscura, y aumentando exponencialmente en el de la energía oscura.

Si quieres saber más sobre energía oscura, aquí un link

Energía oscura

 

La ley de Hubble

La ley de Hubble establece que las galaxias se alejan unas de otras a una velocidad proporcional a su distancia. Esta ley conduce al modelo del universo en expansión y, retrocediendo en el tiempo, a la teoría del Big Bang. Fue formulada por primera vez en 1929.

En 1929 Hubble comparó las distancias que había calculado para diferentes galaxias con los desplazamientos hacia el rojo fijados por Slipher para las mismas galaxias. Descubrió que cuanto más lejos estaba la galaxia, más alta era su velocidad de recesión. A esta relación se la conoce como la ley de los desplazamientos hacia el rojo o ley de Hubble.

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Animación del modelo de expansión del universo

https://johantec.files.wordpress.com/2015/11/38917-expansionn1.gif

El astrónomo Edwin Hubble, utilizando datos de 46 galaxias, relacionó en cada caso el “corrimiento al rojo” de su espectro luminoso con la distancia de la galaxia, obteniendo una función lineal entre ambas variables.

La ESA (agencia espacial europea) está construyendo un telescopio llamado Euclides para cartografiar la estructura del universo con el fin de localizar materia oscura y la energía oscura y explicar porque se acelera la expansión del cosmos. El telescopio espacial será lanzado en 2020.09Telescopio Euclides

En La Palma (Canarias), el telescopio William Herschel estudia la energía oscura gracias al instrumento PAUcam Esta novedosa cámara de fibra de carbono mide el desplazamiento mencionado anteriormente gracias a un mayor número de filtros fotométricos (40 en vez de 12 que es lo normal), que miden con gran precisión el color del cuerpo luminoso, con un error relativo del 0,3 %.

10PAUcam

La distancia a una galaxia lejana se determina estudiando la luz proveniente de estrellas del tipo Cefeida Variable

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4.- El bosón de Higgs

Es un tipo de partícula elemental que se cree tiene un papel fundamental en el mecanismo por el que se origina la masa en el Universo. La confirmación o refutación de su existencia es uno de los objetivos del Gran Colisionador de Hadrones, un laboratorio bajo tierra donde hay una placas de germanio, que es un elemento bastante denso. De esta forma se espera que una partícula de materia oscura choque con un átomo de germanio, aumentando ligeramente su temperatura con el intercambio de energía del impacto.

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El LHC Acelerador de partículas del CERN (LHC)

Tras medio siglo de búsqueda, los experimentos ATLAS y CMS del LHC informaron el 4 de julio de 2012 del descubrimiento de esta nueva partícula.

Sin masa, el Universo sería un lugar muy diferente. Si el electrón no tuviera masa no habría átomos, con lo cual no existiría la materia como la conocemos, por lo que tampoco habría química, ni biología ni existiríamos nosotros mismos.

La masa de las partículas estaría causada por una «fricción» con el campo de Higgs, por lo que las partículas que tienen una fricción mayor con este campo tienen una masa mayor.

¿Qué es un bosón?

Las partículas subatómicas se dividen en dos tipos: fermiones y bosones. Los fermiones son partículas que componen la materia, y los bosones portan las fuerzas o interacciones. Los componentes del átomo (electrones, protones y neutrones) son fermiones, mientras que el fotón, el gluón y los bosones W y Z, responsables respectivamente de las fuerzas electromagnéticas, nuclear fuerte y nuclear débil, son bosones.

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Para saber más este link

El campo de higgs

 

5.- Explosiones estelares

El fenómeno de la explosión de una estrella, que como ya se ha dicho anteriormente se conoce como supernova, es muy poco frecuente en una galaxia. Se puede observar por algo más de un mes, cuando se hace unos diez mil millones de veces más brillante que el Sol. En términos absolutos, jamás una supernova observada en tiempos históricos ha superado en brillo aparente -esto es, tal como se la observa desde la Tierra

Se calcula en casi mil millones de años el tiempo de formación de una galaxia grande como la nuestra. En ese lapso hay tiempo suficiente para que nazcan, vivan y mueran varias generaciones de estrellas de gran masa, cuya vida media es muy corta, menor que diez millones de años.

El Sol es una estrella que nació mucho después que la galaxia. En su disco o superficie quedó una gran cantidad de gas remanente y en él, por la rotación de la galaxia, se formaron ondas espirales, como las que se forman en una taza de café cuando revolvemos el azúcar en ella.

Nadie lo sabe. Pero los neutrinos, esas misteriosas partículas sin carga que pasan a través de la materia ordinaria sin apenas perturbarla, pueden servir de mensajeros y detectores tempranos de las supernovas, espectaculares explosiones estelares.

Estas partículas subatómicas llegaron a nuestro planeta tres horas antes que la luz de la supernova, cuyo brillo puede superar al de una galaxia entera, fuera vista por los telescopios ópticos.

La última supernova visible en nuestra galaxia fue observada por Jonannes Kepler en 1604.

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Las estrellas más antiguas de la Vía Láctea contienen cantidades extremadamente bajas de metal. Además, murieron dejaron una firma química que sugiere que desaparecieron con una hipernova, una explosión con diez veces más energía que una supernova. Este hecho las convertiría en uno de los eventos con más energía del Universo y muy diferente a las explosiones estelares que pueden verse hoy.

Explicarían cómo desaparecieron las primeras estrellas de la galaxia, podrían ayudar a comprender el origen del universo, Sin embargo, tanto las primeras estrellas que se formaron como sus sucesoras, se encuentran ubicadas hoy en las regiones centrales de las galaxias, ya que se formaron cuando el efecto de la gravedad era mayor, en las grandes sobredensidades que crecieron gravitacionalmente con el tiempo.

El Big Rip

El Big Rip es una Teoría (No Hay nada 100% comprobado) cosmológica sobre el destino final del universo; también es llamada Big Rip o Gran Desgarramiento, en la que la energía oscura, la misteriosa fuerza opuesta a la gravedad y que se considera responsable de que el Universo se expanda cada vez más deprisa, juega un papel fundamental.

Una de las hipótesis más populares sobre el destino final del Universo es la denominada Big Crunch o Gran Implosión, por la que el cosmos en expansión se va frenando poco a poco hasta que todos los objetos (las galaxias, las estrellas, los planetas…) se acercan de nuevo y vuelven al punto original en el que comenzaron en el Big Bang.

aquí se propone exactamente lo contrario; el Universo no se contrae, sino que se expande tanto que llega a un punto en el que todo lo que existe se desgarra, como si fuera un pañuelo en manos de dos niños que tiran con fuerza cada uno hacia el lado contrario.

6.- La energía toroidal

 

Pese a que es bastante aceptada en la actualidad, la Teoría del Big Bang tiene sus problemas. Explica de forma satisfactoria el Universo tal y como se encuentra actualmente, y explica también lo que sucedió en los últimos 13 mil millones de años, pero el problema es que cuando se retrocede más allá en dirección al pasado nos encontramos con un callejón sin salida: la singularidad.06-1

El toroide, es un patrón primario, es una dinámica de energía que se parece a una rosquilla – es una superficie continua con un agujero en él. La energía fluye a través de un extremo, circula alrededor del centro y sale por el otro lado.

Se puede ver en todas partes – en los átomos, células, semillas, flores, árboles, animales, humanos, huracanes, planetas, soles, galaxias e incluso el cosmos como un todo.

El científico y filósofo Arthur Young, explicó que un toroide es el único patrón de energía o dinámica que puede sostenerse a sí mismo y está hecho de la misma sustancia que el entorno – como un tornado, un anillo de humo en el aire, o un remolino en el agua.

El toroide también se aplica en el nivel humano. Cada persona no sólo es un toroide – nuestros cuerpos son una superficie continua (piel) que están rodeados cada uno por nuestro propio campo electro-magnético toroidal.

El toroide de cada individuo es distinto, pero al mismo tiempo abierto y conectado a todos los demás en un mar continuo de energía infinita.

Según un modelo, parcialmente corroborado por medidas del fondo cósmico de radiación, el Universo podría ser con una topología como la de una rosquilla.

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Asignando bordes podemos reconstruir un toro-2D a partir de una “hoja de papel”. Las galaxias estarían embebidas en su superficie.

Un observador en ese universo empezaría a darse cuenta de la peculiaridad topológica de la realidad en donde vive cuando viera imágenes sucesivas de sí mismo en diferentes momentos de su pasado (dibujo inferior derecho). La luz, al igual que la nave del videojuego, recorrería sin fin el espacio toroidal finito e ilimitado. Sería como vivir en una habitación con sus paredes, techo y suelo cubiertos de “espejos” especiales en los que uno, al mirar, se viera su propia espalda en lugar de su cara. El número de veces que un sujeto se podría ver a sí mismo dependería del tiempo transcurrido desde la formación de este universo.
El Universo está en expansión, es muy grande y no muy antiguo. De tener una topología toroidal nos sería difícil reconocer la imagen de nuestra propia galaxia en una estadio primitivo al otro lado del Universo

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Las caras opuestas son la misma cara en una topología toro-3D (izquierda). Un observador interior puede ver imágenes múltiples de objetos (derecha), debido a que la luz se mueve una y otra vez por el mismo espacio finito ilimitado.

 

Link para saber más:

LA ENERGÍA TOROIDAL LA ENERGÍA DE LO ETERNO

 

 

7.- Forma del Universo

La forma del Universo que habitamos es una cuestión muy importante para la Cosmología.

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La forma del Universo depende de su densidad, es decir, de la cantidad de masa y energía que posee. El problema es que no sabemos qué tamaño tiene el Universo ni cuánta energía y materia hay en total. Así que tampoco podemos calcular su densidad.
Las teorías de Einstein plantean tres posibles formas: cerrado, abierto, o plano. Aunque la forma del Universo continúa siendo un enigma, la mayoría de científicos opina que es casi plano.

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El Universo puede tener tres posibles formas:

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Universo cerrado: si hay demasiada materia y energía, la densidad será muy alta. El Universo se curvará hacia dentro y tendrá forma de esfera. Será un Universo finito. La gravedad será más fuerte que la expansión, toda la materia acabará agrupándose y el Universo colapsará. Este final se denomina Big Crunch.

Universo abierto: si la densidad de materia y energía es muy baja, el Universo se curvará hacia afuera. Tendrá la forma de una silla de montar. Será un Universo infinito, en infinita expansión. La gravedad será tan débil que no podrá haber estrellas, ni planetas, ni siquiera átomos. La materia se separará y se desintegrará hasta quedar reducida a partículas elementales. El Universo se enfriará y morirá. Este final se llama Big Chill.

Universo plano: si la cantidad de materia y energía es la adecuada, la densidad será equilibrada. Es lo que se llama densidad crítica. Entonces el Universo será plano. La gravedad y la expansión estarán en equilibrio. El Universo se expandirá, pero cada vez más despacio.

Hoy se cree que el Universo es casi plano, pero aún existen muchas dudas, ya que está demostrado que el Universo se expande cada vez más rápidamente, y esto parece una contradicción con la teoría.

La diferencia entre plano y curvo es fácil de entender para un observador en tres dimensiones (nosotros) cuando se refiere a una superficie de dos dimensiones (la hoja de papel). Pero, esta diferencia, ¿estaría igual de clara para un observador que viviera en ese mundo de dos dimensiones? La respuesta es no. La curvatura de la superficie de dos dimensiones implica deformación en una dimensión extra (la tercera dimensión).

Lo primero que hay que tener en cuenta es que el concepto plano no tiene el mismo significado en ciencia que en nuestra vida cotidiana.

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8.- Teoría M (Cuerdas)

El concepto clásico de la teoría del Big Bang no dice nada acerca de qué estalló, ni lo que ocurrió antes, ni las consecuencias.

Algunos defensores de la Teoría de Cuerdas han sugerido que el Big Bang no fue el inicio de todo. Tomemos la Teoría M como cierta, entonces vivimos en una membrana dentro de un espacio multidimensional donde hay más membranas, y todas ellas se mueven. Algunos científicos aseguran que la respuesta al acertijo del Big Bang radica en los movimientos de las gigantescas membranas. No es muy difícil imaginar que dos de estas membranas chocan entre si. Según esta idea, en algún momento anterior al Big Bang dos membranas que albergaban universos paralelos se precipitaron la una contra la otra hasta que chocaron. Toda esa energía tenía que ir a alguna parte. Así desencadenó el Big Bang, creando la expansión que conocemos y calienta todas las partículas del universo formando una enorme masa ardiente. Por ello, se puede decir que el Big Bang no fue un acontecimiento especial, sino que las membranas pueden colisionar repetidamente, es decir, puede que ocurra en el futuro. Se trata de una idea intrigante, pero hay bastantes problemas en ella. La verdad es que no se sabe muy bien lo que sucede cuando dos membranas colisionan.

Para que la Teoría de Cuerdas sea la que revele la verdad acerca del universo, tendrá que solucionar las dudas del Big Bang. El problema es que no llegamos a comprender del todo a la Teoría de Cuerdas. ¿Cómo podemos estar seguros de que el universo es tal y como lo describe la Teoría de Cuerdas?, ¿es esto diversión matemática o describe el mundo real? Todos estos ejercicios matemáticos se resumen a una pregunta muy sencilla, ¿se puede ver en un laboratorio?, ¿se pueden encontrar las pruebas?

Se supone que las cuerdas son diminutas, mucho más pequeñas que un átomo, así que lo más seguro es que no lleguemos a verlas nunca directamente. Pero aunque no lleguemos a observarlas, quizás veamos sus huellas. Si estaban en el inicio del universo, lo más seguro es que dejaran huellas o rastro en su entorno. Luego, tras el Big Bang, cuando todo se expandió, aquellas huellas se habrían agrandado del mismo modo que todo lo demás.

De modo que si esto es cierto, quizás lleguemos a ver señales de las huellas en algún punto entre las estrellas. Incluso hay posibilidades de encontrar pruebas de la existencia de las cuerdas. En el laboratorio de FERMI, en Estados Unidos, se está trabajando en la búsqueda de las pruebas que sostengan a la Teoría de Cuerdas, incluyendo a las dimensiones adicionales. El FERMILAB dispone de un acelerador de partículas gigante.

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¿De qué está hecho el mundo? Somos privilegiados por vivir en una época en la cual nos hemos acercado bastante a algunas de las respuestas. La teoría de cuerdas es nuestro intento más reciente por responder la última de estas preguntas.

Link para saber más:

La teoría de las cuerdas, en 3 minutos

Michio Kaku Explica la Teoría de las Cuerdas

 

 

Conclusión

En nuestra evolución histórica y la mayor parte de los países del mundo han hecho aportaciones importantes, lo más aparente sin embargo ha sido el vertiginoso uso de las nuevas tecnologías, las que han permitido estudiar no sólo los cielos desde la Tierra sino que el hombre, ingenioso, ha lanzado sondas a través del espacio, satélites alrededor de la Tierra, sondas lunares y planetarias,

La majestuosidad del cielo nocturno nos ha atraído durante miles de años con la esperanza final de que se nos revele una razón para nuestra existencia en este lugar. En nuestra búsqueda hemos reunido incontables mitos y explicaciones, y en nuestras historias en común, relatadas en antiguas religiones, ritos paganos e incluso las extraordinarias civilizaciones antiguas y perdidas

Todas las grandes culturas cuentan con historias acerca de la creación. Tenemos una profunda necesidad de comprender nuestro pasado: de dónde provenimos y hacia dónde vamos.
Conforme pasó el tiempo las nuevas herramientas de observación presentaron nuevas configuraciones, nuevas explicaciones que dieron lugar a nuevas reflexiones. Y en tanto las nuevas teorías fueron reemplazando a las viejas, el basurero llamado “supersticiones” se atascó un poco más, con un mito desmentido sobre otro, y al pasar de los tiempos se nos van revelando los secretos del origen de las estrellas y las galaxias y, en última instancia, de nosotros mismos.

 

 

Reflexión

El texto que elegí fue el que encontré más interesante, además que tenía más conocimiento personal para poder ampliarlo, y pensé que el gusto por el mismo me ayudaría a adentrarme más y poder comprender el análisis de la idea general para poder explicarla.

Primero comencé a sacar los puntos importantes del texto que elegí para poder ordenarlos de forma más adecuada, busque más información que complementara lo ya expuesto en el texto original, incluir gráficas y algunas direcciones a videos donde explican de forma más detallada algunos aspectos relacionados, el buscar información más actualizada también me ayudo a corregir algunas afirmaciones en el texto original.

 

 

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