tema 5 cosmología

COSMOLOGÍA

1. EL UNIVERSO OBSERVABLE.2. MODELOS ASTRONÓMICOS PRIMITIVOS.3. LOS MODELOS CIENTÍFICOS.4. LA SÍNTESIS GRAVITATORIA DE NEWTON.5. CONSECUENCIAS DE LA TEORÍA GRAVITATORIA.6. UNA NUEVA CONCEPCIÓN DEL UNIVERSO: EINSTEIN.7. EL MODELO COSMOLÓGICO ACTUAL.

1. EL UNIVERSO OBSERVABLE

VENUS

LUNA 384 000 Km (aprox. 1 segundo-luz)

SISTEMA SOLAR6 000 000 000 Km (6 horas-luz)

VIA LACTEA 300 000 000 000 000 000 Km (30 000 años-luz)

SUPERCUMULO DE VIRGO 650 000 000 000 000 000 000 Km (65 millones de años-luz)

FRONTERAS DEL UNIVERSO150 000 000 000 000 000 000 000 Km (15 000 millones de años-luz)

2. MODELOS ASTRONÓMICOS PRIMITIVOS

ANAXÁGORASs. IV adC

•El Sol está formado por metal incandescente.

•La Tierra es una esfera.

•Explicaba los eclipses y las fases de la Luna.

“El Sol no es un dios sino una piedra incandescente”

TALES DE MILETO

(639 ó 624 a. C.- 547/6 a. C.)

Fue capaz de predecir un eclipse de Sol.

CICLO SAROS

Es un período caldeo de 223 lunas, lo que equivale a

6.585,32 días (algo más de 18 años y 10 u 11 días) tras

el cual la Luna y la Tierra regresan aproximadamente a

la misma posición en sus órbitas, y se pueden repetir

los eclipses. Por definición un saros son 223 meses

sinódicos(S) (periodo de una Luna nueva a la siguiente). Conocido desde hace miles de años, es una manera de predecir futuros eclipses.

ARISTÓTELES

•La Tierra ocupa el centro de una esfera celeste donde se encuentran las estrellas fijas.

•La Tierra se encuentra fija e inmóvil.

•El Sol, la Luna y los cinco planetas visibles desde la Tierra describen movimientos circulares en sus propias esferas.

•Cada esfera se encuentra dentro de otra y todas dentro de la esfera celeste de las estrellas fijas.

No explica porque la Luna, el Sol, Marte y Júpiter aparecían unas veces más brillantes y más próximos a la Tierra, y otras, más alejados de ésta.

384 adC - 322 adC

CLAUDIO PTOLOMEO

•El cielo tiene forma esférica y tiene un movimiento giratorio.

•La Tierra tiene forma esférica y está en el centro del cielo.

•La Tierra no participa de ningún movimiento.•Los planetas realizan dos movimientos:

-EPICICLO: Trayectoria circular menor alrededor de otra trayectoria mayor.

-DEFERENTE: Trayectoria circular mayor alrededor de la Tierra.

100-170

TEORÍAS HELIOCÉNTRICASAristarco de Samos

Arquímedes: “Aristarco publicó un libro que contiene ciertas hipótesis. Según él, las estrellas

fijas y el Sol se encuentran inmóviles. La Tierra gira alrededor del Sol describiendo una orbita circular,

cuyo centro es ocupado por este último.310 adC - 230 adC

3. LOS MODELOS CIENTÍFICOS

SISTEMA PLANETARIO DE

COPÉRNICO

•Los movimientos celestes son uniformes, eternos, y circulares o compuestos de diversos ciclos (epiciclos).

•La Tierra no ocupa el centro del Universo, lo ocupa el Sol. •El único cuerpo que gira alrededor de la Tierra es la Luna.

•Los planetas giran alrededor del Sol.

•Las estrellas son objetos distantes que permanecen fijas y por lo tanto no orbitan alrededor del Sol.

•La Tierra no está en reposo, sino que gira sobre sí misma.

1473-1543

GALILEO GALILEI

(1564 - 1642)

Galileo Galilei descubrió las fases de Venus, lo que

indicaba que este planeta giraba alrededor del Sol.

También descubrió cuatro satélites que giran

alrededor de Júpiter, lo que demostraba que no todos

los cuerpos celestes orbitaban alrededor de la

Tierra.

Ío , Europa, Gamínedes y Calisto

AÑO 1632“Diálogo sobre los grandes

sistemas del mundo”

Libro donde Galileo analizaba las hipótesis de Ptolomeo y Copérnico y aportaba

pruebas a favor de esta última.

AÑO 1633Galileo abjura ante el tribunal del Santo

Oficio (Inquisición) de sus ideas y los ejemplares de su libro Diálogo quemados

públicamente

El 31 de octubre de 1992, el Papa Juan Pablo II reconoce solemnemente que Galileo fue condenado injustamente.

TYCHO BRAHE

Ser el más grande astrónomo a simple vista

El sistema del Universo que presenta Tycho es una transición entre la teoría geocéntrica de Ptolomeo y la teoría heliocéntrica de Copérnico. En la teoría de Tycho, el Sol y la Luna giran alrededor de la Tierra inmóvil, mientras que Marte, Venus, Júpiter y Saturno girarían alrededor del Sol.

Tycho pensaba que el progreso en astronomía no podía conseguirse por la observación ocasional e investigaciones puntuales sino que se necesitaban medidas sistemáticas, noche tras noche, utilizando los instrumentos más precisos posibles.

1546-1601

JOHANNES KEPLER

1571-1630

Leyes sobre el movimiento de los planetas sobre su orbita alrededor del sol.

Los planetas se mueven en una trayectoria elíptica, en uno de cuyos focos se encuentra el Sol.

La primera ley dice cuál es la forma geométrica del camino que recorre un planeta en su movimiento de traslación alrededor del Sol.

PRIMERA LEY

Una línea recta trazada desde el Sol hasta un planeta barre áreas iguales en tiempos iguales.

La segunda ley da información acerca de la velocidad con la que los planetas recorren sus órbitas.

SEGUNDA LEY

El cuadrado de la duración del año de cada planeta (periodo) es proporcional al cubo del radio de su órbita:

( r 3 / T 2 ) = constante

La tercera ley es una relación entre dos números importantes para caracterizar el movimiento de cada planeta: su período, T, y la distancia media del planeta al Sol, a.

TERCERA LEY

TERCERA LEY

Una supernova (latín: nova, 'nueva' ) es una explosión estelar que produce objetos muy brillantes en la esfera celeste, de ahí que se les llamase inicialmente Estella nova o simplemente Nova, ya que muchas veces aparecían donde antes no se observaba nada. Posteriormente se les agregó el prefijo "super—" para distinguirlas de otro fenómeno de características similares pero menos luminoso, las

novas.

Supernova SN 1604, observada por

Johannes Kepler en 1604; es la última

supernova vista en la Vía Láctea.

Supernova SN 1572, observada por Tycho

Brahe en 1572.

4. LA SÍNTESIS GRAVITATORIA DE NEWTON

Kepler explicó matemáticamente

como se mueven los planetas, basándose en el estudio de sus

posiciones, de su trayectoria, pero

nunca logró explicar la causa de dicho

movimiento

Newton comprendió que para explicar el comportamiento de las fuerzas que gobiernan la naturaleza había que hacerlo a partir del estudio del movimiento

de los cuerpos gobernados por ellas.

LEY DE LA GRAVITACIÓN UNIVERSAL

(1642 - 1727)

Isaac Newton

Todos los cuerpos del Universo se atraen mutuamente con una fuerza que es

directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado

de la distancia que los separa

m ∙ m´ F = G ∙ -------------- r 2

m y m : Masas cuerpos que se atraen (kg)

r : distancia que los separa (m)

G : Constante de gravitación universal

(G= 6,67 ∙ 10 -11 N m2 / kg2)

5. CONSECUENCIAS DE LA TEORIA GRAVITATORIA

LA CAÍDA Y PESOS DE LOS CUERPOS

g = 9,8 m/s2

Aceleración de la gravedad

Intensidad del campo gravitatorio

MOVIMIENTO DE LOS SATÉLITES

Velocidad de giro de un satélite en una órbita circular

mTIERRA

v= G∙---------- r

LAS MAREAS

LA TRAYECTORIA DE LOS COMETAS

1656-1742

Trayectorias elípticas alargadas

HALLEY

6. UNA NUEVA CONCEPCIÓN DEL UNIVERSO: EINSTEIN

La luz ha sido siempre

uno de los mayores misterios

para la ciencia

A mediados del s. XIX demostró que la electricidad, el magnetismo y hasta la luz, son manifestaciones del mismo

fenómeno: el campo electromagnético.

La luz sería una onda electromagnética. Como parecía

difícilmente concebible que una onda se propagase en el vacío sin ningún medio material que hiciera de soporte postuló que la luz podría estar propagándose

realmente sobre una hipotética sustancia material, el éter (hipotética

sustancia extremadamente ligera que se creía que ocupaba todos los espacios

vacíos como un fluido).

James Clerk Maxwell(1831-1879)

En un intento de probar la existencia del éter y la velocidad de la traslación de la Tierra con respecto a éste Albert Abraham Michelson y

Edward Morley diseñaron un experimento capaz de medir la velocidad de la luz en dos direcciones perpendiculares entre sí y con diferente velocidad

lineal relativa al éter. Fue el famoso experimento de Michelson y Morley (1887) cuyos resultados negativos en sucesivos intentos acabaron por

disipar el concepto de éter y sirvieron de base a la formulación de la teoría de la relatividad especial de Einstein.

Albert Abraham Michelson (1852-1931)

Edward Morley (1838-1923)

Albert Einstein (1879-1955)

La Teoría de la Relatividad Especial, también llamada Teoría de la Relatividad Restringida, es una teoría física publicada en 1905 por Albert Einstein

• El éter no existe.

• La luz es una onda electromagnética.

•La luz se propaga en el vacío.

•La velocidad de la luz en el vacío es constante.

•El valor de esa constante (c) es 299792km/s.

•Dicho valor no varía aunque el foco emisor, o el observador que la mide, se muevan uno con respecto a otro.

Para Newton el espacio y el tiempo son absolutos e

inmutables

Para Einstein, al admitir que la velocidad de la luz es un valor invariable, el espacio y el tiempo son relativos

¿QUÉ NOS DICE ALBERT EINSTEIN?¿QUÉ NOS DICE ALBERT EINSTEIN?

Si se viaja a velocidades próximas a la velocidad de la luz, el espacio se

contrae, en la dirección del movimiento

El tiempo se dilata (ralentiza) a medida que nos movemos a una velocidad

mayor

La inercia de los objetos aumenta si se incrementa la velocidad con que se

mueven

En 1915, Einstein publicó la TEORÍA GENERAL DE LA RELATIVIDAD

Esta teoría estudia los movimientos acelerados

y la gravitación.

Esta teoría mejora la teoría gravitatoria de

Newton.

1. La gravedad y la aceleración producen los mismos efectos (principio de equivalencia)

TEORÍA GENERAL DE LA RELATIVIDAD

2. Los cuerpos deforman el espacio tiempo que los rodea, tanto más cuanto mayor es su masa.

TEORÍA GENERAL DE LA RELATIVIDAD

1.Todos los sistemas de referencia inerciales son equivalentes.

No hay manera posible de saber, con ningún experimento físico, si te estás moviendo a velocidad constante o bien estás quieto (eso es lo que es un

“sistema de referencia inercial”).

Lo que dice el primer postulado, es lo siguiente: Si dos personas notan que se mueven el uno respecto al otro, es absolutamente imposible que sepan si uno está parado y el otro no, o los dos se mueven. No sólo eso, la pregunta de si “uno está parado o se mueve con velocidad constante”

no tiene ningún sentido, porque no hay un punto fijo y en reposo que está “parado” de manera absoluta.

De manera que todas las leyes físicas y los experimentos que dos personas puedan realizar deben ser consistentes con esto: no puede haber ningún experimento que una persona realice, por ejemplo, y le haga decir, “¡Anda! Si pasa esto, quiere decir que no estoy parado.”

Lo que sí puede observar es que se mueve respecto a la otra persona, pero no puede ir más allá en su razonamiento.

2.La velocidad de la luz en el vacío es siempre la misma, independientemente de quién la emita y quién la mida.

El segundo postulado dice que si dos personas miden la velocidad de la luz, independientemente de su origen y de cómo se mueve cada uno, el resultado

en el vacío va a ser siempre, segurísimo, 300000 km/s.

Si una persona se mueve por el espacio hacia otra persona a 200.000 km/s y apunta una linterna hacia ella,

la primera persona ve la luz alejarse de ella a 300.000 km/s. Y la segunda

persona ve la luz acercarse a ella a 300.000 km/s. ¿Te das cuenta de lo raro que es, y de cómo extraeremos conclusiones muy anti-intuitivas de

esta simple premisa? Imaginarse esa situación ya contradice nuestra

intuición y nuestro cerebro ya suelta una alarma, “¡Paradoja! ¡Eso no tiene

sentido!”.

Por cierto, si has entendido el primer postulado y te pregunto: ¿Cuál de los dos tiene razón?, seguramente contestarás de manera

correcta - los dos tienen “razón”, y la pregunta no tiene sentido.

Ésta es una de las “revoluciones” de la teoría einsteniana respecto a las anteriores. De Einstein en adelante, la pregunta “¿Qué está

pasando realmente?” carece de sentido. “¿Qué observa la primera persona?” tiene sentido, como lo tiene “¿Qué observa la segunda persona?” pero deja de ser posible hacer preguntas absolutas: la realidad se convierte en la observación por parte de alguien, y sin

ese alguien no podemos hablar de realidad: la realidad es local para cada observador.

¿Por qué en nuestra vida cotidiana parece que hay una sola realidad y todos vemos las cosas igual? Porque la diferencia entre lo que

percibimos unos y otros es tan pequeña (porque nuestra velocidad relativa de unos respecto a otros es tan minúscula) que vemos “casi

lo mismo”, y a ese “casi lo mismo” que observamos lo llamamos “realidad”….pero no hay tal cosa. Raro, ¿verdad?

7. EL MODELO COSMOLÓGICO ACTUAL

Los descubrimientos realizados en el siglo XX pusieron de manifiesto que ni el Sol, ni la Tierra, ni la propia Vía Láctea, se

encuentran en el centro del Universo.

Los estudios de Harlow Shapley

(1885-1972) y Walter Baade (1893-1960) demostraron que el Sol era una estrella más de la galaxia

conocida como Vía Láctea. Y, además, se supo entonces que se

encontraba desplazado hacia la periferia de nuestra

galaxia... muy lejos del centro del Universo.

Harlow Shapley (1885-1972) Walter Baade (1893-1960)

También se sabía que las estrellas no estaban fijas, que se movían unas con respecto a otras, y que en conjunto giraban en

torno al centro de una gran galaxia, la Vía Láctea.

EDWIN HUBBLE

1889-1953

Existen otras galaxias además de la Vía Láctea.

Las galaxias se alejan unas de otras a una velocidad proporcional a la distancia que las separa.

El Universo se encuentra en expansión

BIG BANG (LA GRAN EXPLOSIÓN)

La teoría del Big Bang o gran explosión, supone que, hace entre 12.000 y 15.000 millones de

años, toda la materia del Universo estaba concentrada en una zona extraordinariamente

pequeña del espacio, y explotó. La materia salió impulsada con gran energía en todas

direcciones.

Los choques y un cierto desorden hicieron que la materia se agrupara y se concentrase más en algunos lugares del espacio, y se formaron las

primeras estrellas y las primeras galaxias. Desde entonces, el Universo continúa en constante

movimiento y evolución.

Esta teoría se basa en observaciones rigurosas y es matemáticamente correcta desde un

instante después de la explosión, pero no tiene una explicación para el momento cero del

origen del Universo, llamado "singularidad".

No se puede imaginar el Big Bang como la explosión de un punto de materia en el vacío, porque en este

punto se concentraban toda la materia, la energía, el espacio y el tiempo. No había ni "fuera" ni "antes". El

espacio y el tiempo también se expanden con el Universo

Momento Suceso Big Bang Densidad infinita, volumen cero.

10 e-43 segs. Fuerzas no diferenciadas 10 e-34 segs. Sopa de partículas elementales 10 e-10 segs. Se forman protones y neutrones

1 seg. 10.000.000.000 º. Universo tamaño Sol 3 minutos 1.000.000.000 º. Núcleos de átomos

30 minutos 300.000.000 º. Plasma 300.000 años Átomos. Universo transparente

1.000.000 años Gérmenes de galaxias 100 millones de años Primeras galaxias

1.000 millones de años Estrellas. El resto, se enfría 5.000 millones de años Formación de la Vía Láctea

10.000 millones de años Sistema Solar y Tierra

Georges Henri Lemaître

En 1933 Albert Einstein dio una serie de clases en la Fundación Universitaria de Bruselas. Cuando un colega le preguntó si le habían comprendido bien todos los oyentes, respondió: "El profesor De Donder

quizás, el canónigo Lemaître sin duda, los demás creo que no".

1894-1966

Propuso la idea que el universo se originó en la explosión de un «átomo primigenio» o

«huevo cósmico». Dicha explosión ahora se llama el Big Bang.

GEORGE GAMOW

Gamow desempeñó un importante papel en el desarrollo de la teoría del Big Bang, según el cual el universo se originó tras una explosión

de una potencia inconmensurable.Predijo que la radiación que acompañó al Big Bang habría ido

perdiendo energía a medida que el Universo se expansionaba y que actualmente quedaría una radiación procedente de todas las partes

del Universo denominada radiación de fondo.

1904-1968Gamow era un hombre imponente, de 1.90 m. de altura y 102 kg. pero era conocido por su particular sentido del humor. Una vez

fue descrito como "el único científico de Estados Unidos con verdadero sentido del humor" por un reportero.

Arno A. Penzias

1933

Robert W. Wilson

En 1965, descubrieron una radiación de fondo de

características parecidas a la predicha por Gamow.

1936

¿Qué sucedió antes del Big Bang?

¿Se expandirá el universo definitivamente?

¿Existen otros Universos?

¿De qué está hecho el Universo?

¿Qué edad tiene el Universo?