TEMA 1EL ORIGEN DEL UNIVERSO

EL SISTEMA SOLAR

1. LOS PRIMEROS ASTRÓNOMOS• Primeros astrónomos: observación mensual y anual del

cielo como ritual religioso. Concluyen en que los fenómenos que observaban se repetían cíclicamente, lo que les ayudaba a establecer calendarios con las épocas favorables para siembra, caza y navegación. Ejemplo: para los antiguos egipcios la estrella Sirio representaba al dios Anubis e indicaba cuál era la época adecuada para la siembra.

• Hace más de 9000 años que los babilonios desarrollaron la astrología (pseudociencia o superstición) y sentaron las bases de la astronomía moderna:

- Describieron con precisión el movimiento de los astros.

- Inventaron el sistema sexagesimal.- Establecieron el zodíaco y los primeros

calendarios.

La cultura griega• Poco a poco los dioses son sustituidos por razonamientos

matemáticos.

• La cultura griega estableció las fundamentos físicos y matemáticos de la astronomía moderna.

- Aristóteles (384-322 AC) imaginó un universo geocéntrico.- Aristarco de Samos (310-230 AC) estableció por primera

vez el universo heliocéntrico.- Eratóstenes (276-194 AC) estableció la esfericidad de la

Tierra.- Hiparco de Nicea (190-120 AC) elaboró el primer mapa

estelar.

La aceptación social, una barrera para la ciencia

• PTOLOMEO (100-170 DC), consagra nuevamente el modelo geocéntrico de Aristóteles.

• En el incendio de la biblioteca de Alejandría se pierden la mayor parte de los escritos científicos griegos y se mantiene la creencia en el modelo geocéntrico hasta la Edad Media, apoyada por los poderes eclesiásticos ya que es coherente con la creación de la Tierra por parte de Dios.

• Muchas ideas brillantes fueron apartadas por no ser aceptadas por la Santa Inquisición.

• Copérnico (1473-1543) estableció el modelo heliocéntrico con sólidos cálculos matemáticos. Mantuvo su descubrimiento en secreto por miedo a las represalias y solo lo publicó al final de su vida.

• Kepler (1571-1630) descubrió que las órbitas planetarias no eran circulares sino elípticas. Su obra fue prohibida por la Iglesia.

• Galileo (1564-1642) construyó el primer telescopio y estableció las bases del método científico. Fue condenado por herejía a arresto domiciliario de por vida y a renegar de sus ideas públicamente.

• Newton (1667) propuso la ley de la gravitación universal, lo que hace que el modelo heliocéntrico sea aceptado universalmente.

2. LA COSMOLOGÍA MODERNA

• Definiciones:- Cosmología: Parte de la astronomía que estudia la

estructura, el origen y el desarrollo de la totalidad del universo (cosmos).

- Astronomía: Ciencia que estudia los astros que componen el universo a partir de la radiación electromagnética que nos llega de ellos (UV, rayos X, infrarrojos, visible).

- Astrofísica: Parte de la astronomía que aplica las leyes de la física para estudiar la naturaleza de los astros y su comportamiento.

- Modelos matemáticos: Son sistemas de ecuaciones que en el caso concreto de la cosmología permiten describir el universo y predecir su evolución.

Modelos matemáticos del universo

• M. del universo estático e infinito: Comienzos del S. XX, el universo se considera eterno e infinito, es decir, ha existido siempre y siempre existirá (sin principio ni fin). La teoría de la relatividad de Einstein ya predijo en su momento que este modelo era erróneo, en contra de su propia opinión.

• M. del universo dinámico y finito (Big Bang): Hubble en 1929 demuestra que el universo está en expansión porque las galaxias se alejan unas de otras. Habría un momento inicial en que todas estuvieron juntas, por lo que le universo tiene un origen, lo que llamamos Big Bang. Esa explosión a partir de un punto denso y caliente hace 13700 m.a. es el origen del universo que sigue expandiéndose. Es el modelo más aceptado actualmente.

• M. del universo dinámico e infinito: el estado estacionario.

- Propuesto en 1948 por Hoyle y otros colaboradores, admite que el universo se expande, pero sin un origen definido donde se crea materia continuamente mediante procesos desconocidos.

3. LA EXPANSIÓN DEL UNIVERSO• En 1929, Hubble descubre que las galaxias se

alejan unas de otras, es decir, que el universo se expande. Cuanto más alejadas están las galaxias entre sí, más rápidamente se separan (y al revés).Hubble se basó en lo que conocemos como desplazamiento hacia el rojo (longitud de onda mayor)

Efecto Doppler

http://youtu.be/A-agV-vsetI

4. EL BIG BANG

• Hace 13700 m.a. toda la materia del Universo, las fuerzas que actúan sobre ella (gravedad, fuerza electromagnética y fuerzas nucleares fuerte y débil), la energía, el espacio, el tiempo y el vacío se encontraban en un punto de radio nulo, infinitamente denso y caliente (singularidad), incapaz de explicar según las leyes de la física actual.

BIG BANG: ERAS

1. ERA DE PLANCK2. ERA DE LA GRAN UNIFICACIÓN3. ERA DE LA INFLACIÓN4. ERA ELECTRODÉBIL O DE LOS QUARKS5. ERA HADRÓNICA6. ERA LEPTÓNICA7. ERA DE LA NUCLEOSÍNTESIS8. ERA DE LOS ÁTOMOS Y DE LA RADIACIÓN9. ERA DE LAS GALAXIAS

ERAS DEL BIG BANG

1. ERA DE PLANCK: entre la explosión inicial y los 10-43 segundos. No explicable bajo las leyes actuales de la Física (Teoría de la relatividad), que tendrían que ser sustituidas por otras teorías aún sin elaborar (Teoría cuántica de la gravitación).

2. ERA DE LA GRAN UNIFICACIÓN: entre los 10-43 y los 10-35 segundos. Se separa la fuerza de la gravedad del resto (nuclear fuerte y débil, y electromagnética).

ERAS DEL BIG BANG

3. ERA DE LA INFLACIÓN: entre los 10-35 segundos y los 10-32 segundos. El Universo se expandió bruscamente, pasando en un instante a tener el tamaño actual.

4. ERA ELECTRODÉBIL O DE LOS QUARKS: entre los 10-32 segundos y los 10-12 segundos. Se separa la fuerza nuclear fuerte y se forma una sopa de partículas elementales (quarks) y antipartículas.

ERAS DEL BIG BANG

5. ERA HADRÓNICA: entre los 10-12 segundos y los 10-3 segundos. Se separan definitivamente la fuerza nuclear débil y la electromagnética. Se forman las partículas atómicas del núcleo (protones y neutrones), llamadas hadrones.

6. ERA LEPTÓNICA: entre los 10-3 segundos y 1 segundo. Se forman nuevas partículas llamadas leptones (electrones y neutrinos).

ERAS DEL BIG BANG

7. ERA DE LA NUCLEOSÍNTESIS: entre 1 segundo y 300000 años. Se forman los primeros núcleos atómicos de elementos sencillos como hidrógeno y helio, por asociación de protones y neutrones.

8. ERA DE LOS ÁTOMOS Y DE LA RADIACIÓN: entre 300000 y 1 m.a. Se forman los primeros átomos de hidrógeno, helio y litio. El Universo se hace transparente y los fotones escapan a través de la materia.

ERAS DEL BIG BANG9. ERA DE LAS GALAXIAS: entre 1 m.a. y la

actualidad. Se forman las galaxias a partir de las nebulosas formadas por los primeros elementos químicos y el Universo continua expandiéndose hasta la actualidad.

TELESCOPIOS Y ACELERADORES DE PARTÍCULAS• Son dos instrumentos fundamentales para el estudio

del Universo.• TELESCOPIOS: para observar a grandes distancias.

Algunas estrellas son tan remotas que su luz tarda millones de años en llegar a la Tierra (velocidad de la luz = 300000 km/s) por lo que es posible que algunas de ellas ya no existan aunque seguimos percibiendo la luz que emiten.

• ACELERADORES DE PARTÍCULAS:

- Son anillos gigantes en los que se provocan choques entre partículas subatómicas y se genera una energía tan alta que la materia se comporta como lo hacía en los instantes próximos al Big Bang.

TELESCOPIOS Y ACELERADORES DE PARTÍCULAS

ACELERADORES DE PARTÍCULAS

• LHC (Large Hadron Collider):- Es el más potente del mundo, con 27 km de

longitud y alojado en un túnel circular a 100 m bajo tierra.

- Acelera y colisiona protones (un tipo de hadrones) y la energía que se libera se emplea para calentar la materia hasta la temperatura que supuestamente tenía el Universo un microsegundo después del Big Bang

Para saber más…

• http://home.web.cern.ch/• http://www.nasa.gov/• http://www.esa.int/esl/ESA_in_your_country/Spain

Algunos conceptos no muy claros• ENERGÍA OSCURA: de naturaleza

desconocida, es la que estaría provocando la expansión del Universo (según datos recibidos por la sonda WMAP). Actúa en contra de la atracción gravitatoria.

• MATERIA OSCURA: de naturaleza desconocida, no emite ni absorbe radiación (por eso no la podemos estudiar). Es como una tela invisible que haría de esqueleto en el que se sostienen las galaxias.

FUTURO DEL UNIVERSO

• BIG CHILL: el gran enfriamiento.• BIG CRUNCH: la gran contracción.• BIG RIP: el gran desgarramiento

BIG CHILL

• El espacio se expande de forma indefinida, pero lentamente, frenado por la gravedad. El fin sería un enfriamiento y una oscuridad absoluta. Esto se produce porque en el Universo no habría materia-energía suficiente.

BIG CRUNCH• La cantidad de materia-

energía es suficiente para acelerar la atracción gravitatoria. La atracción gravitatoria frena la expansión y da comienzo al proceso contrario, la contracción. Volveríamos a tener un punto de singularidad como el que dio lugar al Big Bang.

BIG RIP

• Introduce el concepto de energía oscura, que supera a la fuerza de la gravedad. Eso haría que el Universo se expandiera de forma acelerada, volara en pedazos, se desgarraría y el tiempo se detendría

6. ESTRUCTURA DEL UNIVERSO: DISTANCIAS Y ESCALAS

• El universo tiene aspecto esponjoso y burbujeante donde las galaxias se agrupan en cúmulos, supercúmulos y filamentos, sostenidos por un esqueleto formado por materia oscura.

• En el caso de la Vía Láctea, se encuentra en el cúmulo llamado Grupo Local, formado por aproximadamente 40 galaxias, siendo las más conocidas Andrómeda, las Nubes de Magallanes y el Triángulo.

• Las galaxias son acumulaciones de materia en forma de polvo cósmico, nebulosas y estrellas. Algunas pueden contener sistemas planetarios, donde sus componentes se mantienen unidos por la atracción gravitatoria.

• La Vía Láctea es una galaxia espiral con una composición similar a la del resto de galaxias. En uno de sus brazos (Orión) se encuentra al Sistema solar. Está formada por:

- Núcleo, formado por estrellas viejas.- Disco, con estrellas jóvenes y nebulosas,

estructurado en cinco brazos principales.- Halo, con estrellas aisladas

LAS ESTRELLAS

• Las estrellas tienen su origen en las nebulosas (nubes de helio, hidrógeno y otros elementos pesados en forma de polvo cósmico)

• Las estrellas son grandes esferas de hidrógeno y helio, en cuyo interior tienen lugar reacciones de fusión nuclear que liberan grandes cantidades de energía que podemos detectar en forma de luz y calor.

Evolución de las estrellas según su tamaño

Estrellas medianas y pequeñas

• Como es el caso del Sol, donde poco a poco las reacciones nucleares van agotando el hidrógeno de su interior y posteriormente el helio, hasta que la estrella “se apaga”.

• Se transforma en primer lugar en una gigante roja, después en una nebulosa planetaria y por último en enana blanca y negra.

Estrellas gigantes• Acaban en un enorme estallido llamado

supernova. A partir de su onda expansiva, capaz de alterar otras nebulosas, pueden formarse nuevas protoestrellas.

• La implosión de las estrellas masivas pueden formar agujeros negros o estrellas de neutrones.

8. FORMACIÓN DEL SISTEMA SOLAR

• Hace unos 5000 m.a. la muerte de una estrella gigante (supernova) situada en uno de los brazos de la Vía Láctea habría generado una onda expansiva que compactaría una nebulosa cercana. La nebulosa comenzó a girar como resultado de la atracción gravitatoria y se transformó en un gigantesco disco.

• El centro del disco se contrajo formando una esfera de hidrógeno y helio en la que comenzaron a tener lugar reacciones nucleares que desprendían gran cantidad de energía (origen del Sol).

• En la periferia del disco se formaron remolinos de polvo, gas, hielo y rocas, que fueron chocando y formando estructuras de tamaño cada vez mayor (planetas y astros menores).

• Los planetas atrajeron los gases próximos que acabaron formando sus respectivas atmósferas (excepto Mercurio)

EL SISTEMA SOLAR

• Es un sistema planetario formado por una estrella (Sol) y distintos astros que giran a su alrededor debido a la acción de la atracción gravitatoria.

• Estos astros son: ocho planetas con sus respectivos satélites, planetas enanos y otros astros menores (fundamentalmente asteroides y cometas).

PLANETAS• Giran alrededor del Sol siendo una trayectoria

elíptica (órbita) en sentido antihorario describiendo el movimiento de traslación.

• Además, giran sobre su propio eje generando el movimiento de rotación.

• Son más o menos esféricos y en su órbita no hay cuerpos menores que ellos, es decir, son dominantes en su órbita.

• Excepto Mercurio y Venus, todos tienen uno o más satélites.

• Los planetas se pueden clasificar según su ubicación y composición en:

- Interiores o rocosos: más próximos al Sol, formados fundamentalmente por rocas. Son Mercurio, Venus, Tierra y Marte.

- Exteriores o gaseosos: más alejados del Sol, de gran tamaño, formados por gases y un pequeño núcleo rocoso. Son Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno.

• Los planetas enanos también tienen una forma prácticamente esférica, pero en su órbita hay otros cuerpos menores (que no son satélites), es decir, no son dominantes en su órbita.

CUERPOS PEQUEÑOS O ASTROS MENORES

• Satélites: orbitan alrededor de los planetas.• Asteroides: cuerpos rocosos de tamaño

variable que orbitan alrededor del Sol. Se localizan en el Cinturón principal de asteroides (entre las órbitas de Marte y Júpiter) y Cinturón de Kuiper (más allá de la órbita de Neptuno)

• Cometas: fragmentos de hielo y polvo cósmico, que se forman en la Nube de Oort. La cola del cometa se forma cuando pasa cerca de una estrella y se deshiela. Es el caso del cometa Halley que se aproxima al Sol cada 76 años (aproximadamente) y que fue visto por última vez desde la Tierra en 1986.

METEOROIDES Y METEORITOS• La mayoría de los meteoroides son fragmentos de cometas y

asteroides, aunque también pueden ser rocas de satélites o planetas que han sido lanzadas en grandes impactos o simplemente restos de la formación del Sistema Solar

• Cuando entra en la atmósfera de un planeta, el meteoroide se calienta y se vaporiza parcial o completamente. El gas que queda en la trayectoria seguida por el meteoroide se ioniza y brilla. El rastro de vapor brillante se llama técnicamente meteoro, aunque su nombre común es estrella fugaz.

• Pueden sobrevivir fragmentos que lleguen al suelo; estos fragmentos son denominados meteoritos.

LA EXPLORACIÓN DEL ESPACIO• Viajes espaciales, en

misiones no tripuladas o tripuladas, como el programa Apolo de la NASA. Requieren el uso de cohetes.

• Transbordadores o lanzaderas: tripulados, se mantienen en órbita alrededor de la Tierra durante unos días, mientras que finalizan su misión. Reparan satélites, transportan componentes a las estaciones espaciales, etc. Se pueden lanzar varias veces

• Sondas espaciales: robots exploradores no tripulados, con un objetivo concreto, dotados de cámaras fotográficas e instrumental científico.

• Estaciones espaciales: bases espaciales orbitando alrededor de la Tierra que permiten la vida en el espacio durante largos periodos de tiempo. En ellas se llevan a cabo diversas investigaciones.

• http://www.rtve.es/noticias/20130513/astronauta-chris-hadfield-se-despide-estacion-espacial-internacional-cantando-space-oddity/662560.shtml

• Satélites artificiales: no tripulados, orbitan alrededor de la Tierra para fines diversos.

- Hispasat, telefonía y televisión.

- Meteosat, meteorología y predicción del tiempo.

- Landsat, detección de incendios y recursos minerales.

- GPS (24 satélites), de origen militar, su emplea como sistema de navegación.