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Introducción a la Cosmología
La cosmología trata del estudio del Universo en su totalidad, como teorías
sobre su origen, su evolución, su estructura a gran escala, así como su futuro.
No se debe confundir con astronomía o astrofísica. La cosmología trata de la
historia del Universo, la astronomía sobre el movimiento de los cuerpos que
forman el Universo y la tercera da explicación a los fenómenos que se
observan en la astronomía.
Como sabemos, la Tierra no es el centro del Universo. Aun así, creer que si lo
es, era una conclusión lógica de nuestros antepasados que viene de la
observación diaria del cielo: ¡todo gira alrededor de nosotros!
De hecho, la astronomía y la astrología jugaban un papel importante en el
pasado. Los reinos solían tener grupos de astrólogos para indicarles, según el
movimiento de los astros, las mejores decisiones sobre su gobierno. Es por ello
que la astrología se consideraba más importante que la astronomía.
Es importante recordar que el desarrollo científico inició alrededor de Galileo
Galilei. Esto es porque las implicaciones sociopolíticas y religiosas impedían un
desarrollo abierto de la ciencia. Muestra de esto es que la teoría geocéntrica
fue rechazada hasta hace 400 años.
Actividad 1:
1. Busca los significados de cosmología, astronomía, astrofísica y astrología
y compara sus similitudes y sus diferencias.
2. Investiga quiénes fueron los siguientes pensadores, así como sus
aportaciones a la astronomía:
a. Nicolás Copérnico
b. Tycho Brahe
c. Giordano Bruno
d. Galileo Galilei
e. Johanes Kepler
f. Isaac Newton
Características del Universo
El Universo es la totalidad del espacio y del tiempo, de todas las formas de la
materia, la energía y el impulso, las leyes y constantes físicas que las
gobiernan.
En astronomía, el término cosmos se usa para designar al universo. Es por ello
que cosmología es el estudio del Universo.
Para su estudio, partimos de la base de la cosmología que es el principio
cosmológico que dice:
El Universo es isotrópico y homogéneo:
Isotrópico porque vemos las mismas características sin
importar la dirección de observación.
Homogéneo: tiene la misma composición en cualquier parte.
Observaciones astronómicas indican que el Universo tiene una edad de 13.73
mil millones de años y por lo menos 93 000 millones de años luz de extensión.
Además se considera que es plano y que está en constante expansión.
El evento que se cree que dio inicio al universo se denomina Big Bang. En
aquel instante, toda la materia y la energía del Universo observable estaba
concentrada en un punto de densidad infinita, o singularidad. Al ser altamente
inestable, ocurrió una gran explosión, involucrando mucha energía y altas
temperaturas.
Después del Big Bang, el Universo comenzó a enfriarse y a expandirse hasta su
condición actual, y continúa haciéndolo.
Pero, ¿cómo sabemos que el Universo está en expansión? Las evidencias sobre
esto son variadas y, hasta el día de hoy, es la teoría más aceptada. Algunas de
las evidencias son las siguientes:
Mediciones sobre la distribución espacial. Esto se refiere a que,
basándose en el principio cosmológico, se realizan cálculos sobre la
evolución temporal del Universo y se prueban mediante simulaciones.
Después se comparan con las observaciones astronómicas, resultando
estructuras y agrupaciones similares.
El desplazamiento hacia el rojo de galaxias distantes. Basándose en el
efecto Doppler, se observa que la luz de los objetos celestes presentan
un corrimiento hacia el rojo en sus líneas espectrales.
La radiación cósmica de fondo de microondas. Es el remanente que
quedó del Big Bang. Tiene características de cuerpo negro y su
temperatura es de 2.725K y su frecuencia es de microondas. El modelo
del Big Bang predice esta radiación (lo cual es evidencia misma del inicio
del Universo) y predice anisotropías las cuales han sido observadas por
el WMAP.
Los porcentajes relativos de los elementos químicos más ligeros. La
teoría dice que, al irse enfriando el Universo, se formaron los elementos
químicos, siendo los más ligeros los más fáciles de formar. Actualmente
el porcentaje de hidrógeno y helio es muchísimo más alto que el de los
demás elementos.
Por otra parte, la mayor parte de la materia y de la energía en el Universo es
fundamentalmente diferente de la observada en la Tierra. Se estima que la
materia observable (la constituida por átomos o la radiación) es solo el 5% de
la composición del Universo. El resto no es directamente observable, como la
materia oscura (23%) o la energía oscura (72%).
Por último, si bien el Universo está en constante expansión, no sabemos hasta
qué punto se expandirá o si dejará de hacerlo. La imprecisión de las
observaciones actuales ha limitado las predicciones sobre el destino final del
universo. Existen teorías como el Big Crunch o la Big Rip, pero ninguna es
totalmente aceptada.
Actividad 2:
1. Investiga el procedimiento para decir si un objeto se corre al rojo o al
azul.
2. Investiga qué es el WMAP y qué hace.
3. Compara las teorías sobre el fin del Universo y haz tu propia conclusión
al respecto.
Cuerpos Celestes
Existen una infinidad de cuerpos celestes en el cielo. Desde tiempos antiguos
se han hecho clasificaciones de ellos. Los cuerpos celestes se definen como
sigue:
Planeta: Cuerpo celeste que no tiene luz propia y gira alrededor de una
estrella. Ej. Mercurio, Venus, Tierra, Marte, Júpiter, Saturno, Urano, Neptuno.
Planeta enano: Cuerpo celeste que orbita alrededor del Sol que no es tan
grande como para ser un planeta ni tan pequeño como para ser asteroide.
Satélite: Cuerpo celeste opaco que gira alrededor de un planeta. Ej. Luna.
Estrella: Cuerpo celeste con luz propia. Ej. Sol.
Cometa: Cuerpo celeste formado por un núcleo poco denso y una cauda o
cola que refleja la luz del sol.
Asteroide: Es un cuerpo rocoso, carbonáceo o metálico más pequeño que un
planeta y que orbita alrededor del Sol.
Meteoroide: Partículas de polvo y hielo o rocas, producto de un cometa o
restos de la formación del sistema solar. Es más pequeño que un asteroide.
Meteorito: Roca cósmica que cae sobre la Tierra.
Meteoro: Fenómeno luminoso producido cuando un meteoroide atraviesa la
atmósfera y se desintegra. Es conocido como estrella fugaz.
Galaxia: Sistema formado por estrellas, sistemas,
gas, etc. de tal forma que giran alrededor de un
núcleo.
Cúmulos: Es un grupo de estrellas atraídas entre
sí por su gravedad mutua. La clasificación
tradicional incluye dos tipos de cúmulos
estelares: cúmulos globulares y cúmulos
abiertos.
Quásar: Objeto de apariencia estelar que emite
radiaciones electromagnéticas y se aleja de
nosotros a gran velocidad.
Nebulosa: Nube de materia cósmica que al
concentrarse da origen a una estrella o a un
enjambre de estas.
Pulsar: Estrella de neutrones muy compacta y
brillante que emite radiación intensa a intervalos
regulares.
Clústers: Son super-estructuras cósmicas
formadas por miles de galaxias. Pueden formar
superclústers.
Agujero Negro: es una región del espacio-tiempo
provocada por una gran concentración de masa
en su interior, con enorme aumento de la
densidad, lo que provoca un campo gravitatorio
tal que ninguna partícula ni la energía, por
ejemplo la luz, puede escapar de dicha región.
Actividad 3:
1. Investiga todos los elementos del sistema
solar y realiza un dibujo. Debe incluir:
a. Sol
b. Planetas
c. Planetas enanos
d. La Luna
e. Cinturón de asteroides
f. Algún cometa
g. Cinturón de Kuiper
Las Galaxias
Una galaxia es un conjunto masivo de estrellas, nubes de gas, planetas, polvo
cósmico, y quizá materia oscura, y energía oscura, unido gravitatoriamente.
La cantidad de estrellas que forman una galaxia es contable, desde las enanas,
con 107, hasta las gigantes, con 1012 estrellas (según datos de la NASA del
último trimestre del 2009). Formando parte de una galaxia existen
subestructuras como las nebulosas, los cúmulos estelares y los sistemas
estelares múltiples.
Se estima que existen más de cien mil millones (1011) de galaxias en el
universo observable.
En cuanto a dimensiones, la mayoría de las galaxias tienen un diámetro entre
cien y cien mil parsecs y están usualmente separadas por distancias del orden
de un millón de parsecs.
Usualmente, las galaxias están dispuestas en una jerarquía de agregados,
llamados clústers o agrupaciones estelares, que a su vez pueden formar
agregados más grandes, llamados superclústers.
Las galaxias tienen tres configuraciones distintas: elípticas, espirales e
irregulares. Una descripción más detallada, según su apariencia, es la provista
por la secuencia de Hubble.
Las galaxias elípticas tienen las siguientes características:
Pueden ser nombradas desde E0 hasta E7, donde el número significa
cuán ovalada es la elipse. Así, E0 sería una esfera y E7 de plato. Se
puede decir que el número indica 10 veces su excentricidad.
Aparece con poca estructura y baja materia interestelar. Por eso tienen
pocos cúmulos abiertos y la tasa de formación de estrellas es pequeña.
Estas galaxias están dominadas por estrellas viejas, de larga evolución,
que orbitan en torno al núcleo en direcciones aleatorias.
Las galaxias más grandes son gigantes elípticas. Éstas pueden alcanzar
tamaños enormes y con frecuencia se las encuentra en conglomerados
mayores de galaxias, cerca del núcleo.
Las galaxias espirales, que son como la nuestra, se presentan como siguiente:
Son discos rotantes de estrellas y materia interestelar, con una
protuberancia central compuesta principalmente por estrellas más
viejas. A partir de esta protuberancia se extienden unos brazos en forma
espiral, de brillo variable.
Además tienen una subclasificación:
o (Sa-c): Galaxia de forma espiral con brazos. Las letras minúsculas
indican cuán sueltos se encuentran los brazos, siendo "a" los
brazos más apretados y "c" los más dispersos.
o Galaxias lenticulares (SO): Forma de galaxia espiral sin brazos. E8
también se menciona como perteneciente a este tipo.
o Galaxias espirales barradas (SBa-c): Tienen una banda central de
estrellas.
o Galaxias Espirales Intermedias (SABa-c): Una galaxia que, de
acuerdo a su forma, se clasifica entre una galaxia espiral barrada
y una galaxia espiral sin barra.
Por último, las galaxias irregulares se caracterizan por lo siguiente:
Son galaxias que no encajan en ninguna clasificación de galaxias de la
secuencia de Hubble. Es decir, son galaxias sin forma espiral ni elíptica.
Hay dos tipos de galaxias irregulares:
o Una galaxia Irr-I es una galaxia irregular que muestra alguna
estructura pero no lo suficiente para encuadrarla claramente en la
clasificación de las secuencia de Hubble.
o Una galaxia Irr-II es una galaxia irregular que no muestra ninguna
estructura que pueda encuadrarla en la secuencia de Hubble.
Algunas galaxias irregulares son pequeñas galaxias espirales
distorsionadas por la gravedad de un vecino mucho mayor.
Apenas un 20% de las galaxias brillantes reciben el nombre de galaxia
irregular.
La Vía Láctea es la galaxia espiral en la que se encuentra el Sistema Solar y,
por ende, la Tierra. Según las observaciones, posee una masa de 1012 masas
solares y es una espiral barrada, con un diámetro medio de unos 100,000 años
luz. Se calcula que contiene entre 200 mil millones y 400 mil millones de
estrellas. La distancia desde el Sol hasta el centro de la galaxia es de alrededor
de 27,700 años luz.
La Vía Láctea forma parte de un conjunto de unas
cuarenta galaxias llamado Grupo Local, y es la
segunda más grande y brillante tras la Galaxia de
Andrómeda.
Tiene tres partes:
El Halo que es una estructura esferoidal que
envuelve la galaxia.
El disco que es donde se concentra la mayor
parte de la materia.
El bulbo o núcleo que se sitúa en el centro.
El Sistema Solar es un sistema planetario de la Vía Láctea que se encuentra en
uno de los brazos de esta, conocido como el Brazo de Orión.
Está formado por una única estrella, el Sol, que le da nombre; ocho planetas
que orbitan alrededor de él: Mercurio, Venus, Tierra, Marte, Júpiter, Saturno,
Urano y Neptuno; y otros cuerpos menores: planetas enanos (Plutón, Eris,
Makemake, Haumea y Ceres), asteroides, satélites naturales, cometas, así
como el espacio interplanetario comprendido entre ellos, en el que hay viento
solar, campo magnético interplanetario, rayos cósmicos y polvo.
La hipótesis actual sobre la formación del Sistema Solar es la hipótesis nebular.
La teoría nebular sostiene que el Sistema Solar se formó por un colapso
gravitacional de una nube molecular gigante. Esta nube inicial tenía
probablemente varios años luz de largo y fue la sede del nacimiento de varias
estrellas.
Los científicos estiman que el Sistema Solar tiene 4600 millones de años de
antigüedad. Para estimar la edad del Sistema Solar, los científicos deben usar
meteoritos, que se formaron durante la condensación temprana de la nebulosa
solar.
El tamaño del sistema solar nos lo puede dar el cinturón de Kuiper. El cinturón
de Kuiper es un conjunto de cuerpos de cometa que orbitan el Sol y otros
objetos, como asteroides, que andan pasando entre las estrellas con órbitas
irregulares y erráticas. Este cinturón a una distancia entre 30 y 100 ua. Por eso
podemos decir que el sistema solar tiene una extensión de 100 ua.
Dentro de las galaxias podemos encontrar formaciones de estrellas que
denominamos cúmulos estelares. Las estrellas son atraídas por gravedad.
Por otro lado, también existen cúmulos de galaxias. Los clústers son
agrupaciones galácticas, más aún, son super-estructuras cósmicas formadas
por miles de galaxias. Son las más recientes en la historia del universo.
Dichas estructuras se mantienen cohesionadas por la fuerza de la gravedad
pero la expansión acelerada del cosmos podría acabar imponiéndose, si no lo
ha hecho ya, y detener la acumulación de materia.
Las agrupaciones de galaxias que conforman el universo se llaman grupos,
clústers y superclústers según su tamaño y número de galaxias que contienen.
Los grupos de galaxias son los más chicos.
Contienen menos de 50 galaxias, tienen un diámetro de unos 2
megaparsec y una masa del orden de 1013 masas solares
El grupo que contiene nuestra galaxia, la Vía Láctea, está en el llamado
Grupo Local que consta de más de 40 galaxias.
Los clústers son más grandes que los grupos.
En un cúmulo típico solo el 5% de la masa total se encuentra en forma
de galaxias, un 10% en forma de gas caliente y el 85% restante es
materia oscura.
En los cúmulos predominan las galaxias elípticas e irregulares fruto de la
interacción de galaxias.
Contienen desde 50 a 1000 galaxias, gas caliente emisor de rayos X y
gran cantidad de materia oscura, la masa total va desde 1014 a 1015
veces la masa solar y tienen un diámetro de 8 Mpc.
Los superclústers son las estructuras más grandes.
Estas agrupaciones se comportan de forma parecida a los clústers solo
que ya no tienen galaxias individuales sino grupos y cúmulos galácticos
enteros que se mueven confinados en su colosal campo gravitatorio.
Nuestro grupo de galaxias, el Grupo Local, se halla dentro del
Supercúmulo de Virgo el cual también contiene al extenso Cúmulo de
Virgo el cual actúa como centro de gravedad del mismo. El Supercúmulo
de Virgo al ser el nuestro también recibe el nombre de Supercúmulo
Local.
Actividad 4:
Realiza un esquema gráfico donde plantees el lugar del sistema solar en el
Universo. Debe incluir superclústers y galaxias.
Estrellas
En un sentido general, una estrella es todo objeto astronómico que brilla con
luz propia. De un modo más técnico, se trata de una esfera de plasma que
mantiene su forma por a un equilibrio de fuerzas llamado equilibrio
hidrostático.
El equilibrio se produce entre la fuerza de gravedad, que empuja la materia
hacia el centro de la estrella, y la presión que hace el plasma hacia fuera. Tal
como sucede en un gas, tiende a expandirlo. La presión hacia fuera depende
de la temperatura que, en un caso típico como el Sol, se mantiene con la
energía producida en el interior. El equilibrio se mantendrá en las mismas
condiciones si se mantiene el ritmo de producción energética. Pero dicho ritmo
cambia a lo largo del tiempo, generando variaciones en las propiedades físicas
globales del astro, que se conocen como evolución de la estrella.
La energía que disipan en el espacio estas esferas de gas, son en forma de
radiación electromagnética, neutrinos y viento estelar; y nos permiten observar
la apariencia de las estrellas en el cielo nocturno como puntos luminosos y, en
la gran mayoría de los casos, titilantes.
Debido a la gran distancia que suelen recorrer las radiaciones estelares, estas
llegan débiles a nuestro planeta, siendo susceptibles, en la gran mayoría de los
casos, a las distorsiones ópticas producidas por la turbulencia y las diferencias
de densidad de la atmósfera terrestre.
El Sol, al estar tan cerca, se observa no como un punto sino como un disco
luminoso cuya presencia o ausencia en el cielo terrestre provoca el día o la
noche respectivamente.
En cuanto a su masa, las estrellas son objetos de masas enormes
comprendidas entre 0,08 y 120-200 masas solares. Los objetos de masa
inferior se llaman enanas marrones. Su luminosidad también tiene un rango
muy amplio, yendo desde una diezmilésima a tres millones de veces la
luminosidad del Sol.
Hay diferentes formas de clasificar a las estrellas. La clasificación espectral de
Harvard es por medio de los espectros luminoso y es la más utilizada en
astronomía. El Sol es de clase G.
La Masa está dada en múltiplos de masas solares, el Radio en múltiplos de
radios solares y la Luminosidad en términos de la luminosidad del Sol.
Por otro lado, una estrella tiene un inicia, que es su formación, y un final. Esto
es, una evolución estelar. Puede describirse como una batalla entre dos
fuerzas: la gravitatoria, que tiende a comprimir, y la nuclear, que tiende a
oponerse a esa contracción a través de la presión térmica resultante de las
reacciones nucleares.
La formación de la estrella depende de su masa inicial, de su metalicidad y su
velocidad de rotación, así como la presencia de las estrellas cercanas.
Finalmente, la estrella no tendrá más combustible nuclear que emplear, por lo
que la estrella tenderá a contraerse.
Las estrellas pasan por distintas fases:
Presecuencia principal
Secuencia principal
Subgigante
Gigante roja
Apelotonamiento rojo
Rama horizontal
Una estrella puede morir en forma de:
Nebulosa planetaria
Supernova
Brote de rayos gamma
Y, por último, dejar un remanente estelar:
Enana blanca
Estrella de neutrones
Agujero negro
El Sol está en la secuencia principal y se clasifica como de tipo G. Se formó
entre 4,567.90 y 4,570.10 millones de años y permanecerá en la secuencia
principal aproximadamente 5000 millones de años más. La energía que se
produce se debe a la fusión de núcleos de Hidrógeno en núcleos de Helio.
Actividad 5:
Realiza un esquema gráfico donde muestres la evolución estelar del Sol, desde
su nacimiento hasta su posible muerte. Indica en qué fase se encuentra.
Una supernova es una explosión estelar que puede manifestarse de forma muy
notable, incluso a simple vista, en lugares de la esfera celeste donde antes no
se había detectado nada en particular. Una nova es el nombre de una estrella
nueva, un cometa, un meteoro, lo que sea "nuevo" en el cielo.
La supernova son explosiones de estrellas muertas y sí, son más grandes y
brillantes. Se usan para medir distancias en el universo. Es lo que usó Hubble
para determinar las velocidades de las galaxias.
Una supernova aparece cuando una enana blanca traga materia y sube su
masa a 1.4 masas solares y explota con un brillo definido. Entonces, si
observas una supernova y le mides el brillo que tiene, por una relación de
distancia-luminosidad simple, puedes saber a qué distancia está. Con eso se
mide distancias a galaxias y otros cuerpos celestes.
Por otra parte, una estrella de neutrones es un remanente estelar dejado por
una estrella supergigante después de agotar el combustible nuclear en su
núcleo y explotar como una supernova.
Como su nombre lo indica, estas estrellas están compuestas principalmente de
neutrones, más otro tipo de partículas tanto en su corteza sólida de hierro,
como en su interior, que puede contener tanto protones y electrones, como
piones y kaones.
La masa original de la supernova debe ser mayor a 9 ó 10 masas solares. Las
estrellas con masas menores a 9-10 masas solares evolucionan en enanas
blancas envueltas, al menos por un tiempo, por nebulosas, mientras que las de
masas mayores evolucionan en agujeros negros.
Un agujero negro u hoyo negro es una región del espacio-tiempo provocada por
una gran concentración de masa en su interior, con enorme aumento de la
densidad, lo que genera un campo gravitatorio tal que ninguna partícula
material, ni siquiera los fotones de luz, pueden escapar de dicha región.
Se conjetura que en el centro de la mayoría de las galaxias, entre ellas la Vía
Láctea, hay agujeros negros supermasivos. La existencia de agujeros negros
está apoyada en observaciones astronómicas, en especial a través de la
emisión de rayos X por estrellas binarias y galaxias activas.
Cabe señalar que, en el contexto de
evolución estelar, son estrellas muertas.
Cuando una estrella muere, dependiendo de
la masa de la estrella original. Si es pequeña
entonces tenemos enanas blancas, es más
grandes entonces tendremos estrellas de
neutrones y, si la masa es muy grande,
entonces tenemos agujeros negros.
Por esto, los agujeros negros NO son
ventanas a otras dimensiones.
Otros elementos del espacio
Todo lo que vemos que conforma al Universo, galaxias, estrellas, planetas,
asteroides, etc., todo eso es apenas el 4.6% del contenido total del Universo. El
resto es una clase de materia y energía que no conocemos y que no podemos
ver ni detectar. Esto es la materia oscura y la energía oscura.
La única razón por la cual estamos muy seguros de su existencia es por los
efectos y evidencias indirectas sobre los demás cuerpos. Aún así, no
conocemos nada de estos componentes y representan un problema abierto en
la física.
Otro elemento importante de comentar es el agujero de gusano, también
conocido como un puente de Einstein-Rosen. Se trata de una hipotética
característica topológica del espacio-tiempo, descrita por las ecuaciones de la
relatividad general, la cual es esencialmente un "atajo" a través del espacio y
el tiempo.
Un agujero de gusano tiene por lo
menos dos extremos, conectados a una
única "garganta", pudiendo la materia
'desplazarse' de un extremo a otro
pasando a través de ésta.
Es importante señalar que un agujero
de gusano es un elemento teórico, es
decir, no ha sido probada su existencia.
Actividad 6:
Mucha gente desconoce los verdaderos conceptos de esta sección, desde
supernova hasta los agujeros de gusanos. Realiza un cartel informativo donde
expongas mediante información sencilla y gráfica lo que tú creas que es más
interesante para contar a estas personas.
Bibliografía
1. Wikipedia 2. Hewitt, Paul G. Física Conceptual, México, 9ª. Edición., Pearson
Educación, 2004 3. Pérez Montiel, Héctor. Física General, México, Grupo Editorial Patria.
4. Imágenes: Internet y autoría personal.