El Origen del Universo. El sistema Solar.

Ana Puerta Olivares

Ana Sánchez Honrubia

Alicia Torres Fernández

1. Los primeros astrónomos• 1.1 La cultura Griega: El nacimiento del pensamiento científico

– Aristóteles

– Aristarco de Samos

– Eratóstenes

– Hiparco de Nicea

• Después de Cristo:

– Ptolomeo

– Edad Media

– Copérnico

– Kepler

– Galileo

– Newton

2. La cosmología moderna• Cosmología: estudia la estructura, origen y

desarrollo del Universo.

• Astronomía: estudia los astros del Universo a

partir de la radiación electromagnética.

• Astrofísica: aplica las leyes de la física para

estudiar la naturaleza de los astros y su

comportamiento.

• Modelos matemáticos: son ecuaciones que

sirven para describir sistemas físicos.

• 2.1 Modelo del Universo estático e infinito

– En el S. XX el modelo cosmológico era el Universo estático

(eterno e infinito).

– Einstein con su teoría de la relatividad cuyas ecuaciones

predecían un modelo de Universo en expansión, pero creía en la

inmovilidad de este y añadió la constante cosmológica.

• 2.2 Modelo del Universo dinámico y finito

– El Big Bang: Hubble demostró que el Universo está en

expansión, por lo que en el pasado debió estar junto y tener un

origen.

– Propone que el Universo es dinámico y finito y se creó a partir

de una explosión desde un punto inmaterial infinitamente

denso y caliente.

– Otros cosmólogos como Friedmann, Lemaître y Gamow están de

acuerdo con la teoría de Hubble.

• 2.3 Modelo del Universo dinámico e infinito: el

estado estacionario

– Fred Hoyle propuso un modelo alternativo: el

estado estacionario.

– Admite la expansión de Universo, pero infinito

en el que se genera energía continuamente de

origen desconocido.

3. La expansión del Universo• Hubble descubrió que las nebulosas lejanas, eran galaxias

en verdad. Midió las distancias a la Tierra en varias

galaxias y comprobó que se alejan unas de otras: el

Universo se expande.

• La v de alejamiento de una galaxia es proporcional a su

distancia: v=H0·D

• 3.1 Medida de la v de alejamiento de las galaxias

– La luz que llega a la Tierra desde las estrellas contiene una

mezcla de colores de distinta longitudes de onda.

– Se pueden separar mediante un espectroscopio y dan lugar a un

espectro.

– Cada espectro está formado por 7 colores. Sobre ellos se

superponen bandas oscuras de absorción debido a la

presencia de algunos elementos químicos, que absorben

parte de la radiación.

– La longitud de onda es una constante característica de

cada elemento.

– Hubble descubrió que las bandas de absorción

experimentaban desplazamientos hacia longitudes de

onda mayores (hacia el rojo) y más acusados cuanto más

alejadas estaban las galaxias.

– El efecto Doppler es el desplazamiento hacia el rojo y

significa que las galaxias se alejan unas de otras.

EFECTO DOPPLER

• 3.2 Medida de las distancias a otras galaxias

– Se realiza por el método de las cefeidas (un tipo de estrella

muy brillante, cuyo brillo oscila rítmicamente describiendo

un ciclo regular.

– El tiempo que dura el ciclo es proporcional al brillo real de

la estrella.

Podemos

calcular la

distancia

comparando el

brillo real de las

estrellas con el

aparente.

4. El Big Bang: la gran explosión

• El Universo se expande.

• El modelo del Big Bang deduce (a partir del ritmo de

expansión) que en el instante t=0, hace unos 13.700

millones de años, toda la materia del Universo, las 4 F

primordiales, la energía, el espacio, el tiempo y el vacío,

eran una sola cosa en un punto inmaterial infinitamente

denso y caliente.

• 4.1 La cuenta atrás: El amanecer del tiempo

– En medio de la nada se produjo una explosión, el Big Bang, del

cual nació el espacio y amaneció el tiempo y se formó el Universo.

• https://www.youtube.com/watch?v=a9L9-ddwcrE

– El Universo no ha dejado de expandirse,

empujado por una materia oscura.

– La energía de la radiación era tan intensa

que se convirtió en partículas minúsculas de

materia (quarks y leptones).

– El espacio y el tiempo se expandieron, esta

materia primordial se enfrió primordialmente

y generó inmensas nubes de H y He a partir

de las cuales se formaron las galaxias.

Además, se formó un tipo de materia oscura.

5. Recreación del Universo primitivo

• El universo está formado por

– Partículas elementales:

• Quarks, leptones y fotones

– Cuatro fuerzas que rigen su comportamiento:

• Gravedad

• Fuerza electromagnética

• Nuclear fuerte

• Nuclear débil

• Esto es el resultado del enfriamiento progresivo del Universo,

como consecuencia de la expansión espacio-tiempo.

• 5.1 Era de Planck

– Ocurrió hasta los 10-43 seg. Las temperaturas y densidades

eran muy altas por lo que:

• Las 4 fuerzas elementales estaban unidas en una sola.

• No existía materia como tal, sino en forma de energía.

– Para explicar esta etapa se creó un modelo estándar que

describe las partículas elementales y 3 de las 4 fuerzas (la

gravitatoria no).

– La F. de la gravedad se intenta explicar con la teoría cuántica

de la gravitación (sin elaborar) + teorías mas complejas (T. de

cuerdas).

• 5.2 Era de la Gran Unificación

– Entre los 10-43 seg. y los 10-35 seg. desde el Big Bang.

– Se separó la fuerza de la gravedad de las 3 restantes que

permanecían unidas en la anterior etapa.

• 5.3 Era de la Inflación

– A partir de los 10-35 seg. desde el Big Bang.

– Se separo la F. Nuclear fuerte de las dos restantes

debido al enfriamiento y expansión del Universo.

– Dio lugar a su progresiva macroexpansión (1050

veces su tamaño).

– Debido a este desmesurado crecimiento se

provocaron irregularidades en el cosmos por las

diferentes densidades y temperaturas que se dieron

y esto dará lugar a las galaxias y a la estructura del

Universo.

• 5.4 Era electrodébil

– El Universo experimentó una cristalización que liberó fotones

(energía).

• Esto hizo que esta fuente de energía fuera capaz de materializar

energía.

– En un periodo de 10-32 seg. y con una temperatura de unos 1027

K, los fotones formaron quarks y antiquarks (materia).

– Los quarks colisionaron con los antiquarks para convertirse otra

vez en fotones.

– La continua expansión del universo y la constante disminución

de temperatura impidió la materialización de los quarks y

antiquarks en pares.

– Esto causó la aniquilación de partículas y generación de fotones.

– Sin embargo, por cada 1000 millones de antiquarks que surjan,

surgirán 1000 millones +1 de quarks. Por lo tanto quedaba un

quark sin desaparecer.

• 5.5 Era Hadrónica

– Fue a los 10-6 seg. del Big Bang

– Debido al enfriamiento provocó que la F. nuclear fuerte actuase

sobre los quarks.

– Se formaron los NÚCLEOS de los primeros elementos (con protones

y neutrones).

• 5.6 Era Leptónica

– Fue a los 10-3 seg. del Big Bang.

– No se formaron más quarks debido a la T.

– Los fotones se convirtieron en leptones y antileptones.

– O sea, que el descendimiento de la T no permitia la materializacion

de la energia.

– Toda la antimateria desaparece y produjo mucha energia rediante.

• 5.7 Era de la Nucleosíntesis

– Al segundo del B.B.

– La T disminuyó para permitir la union entre protones

y neutrones.

– Se formaron los nucleos del H, He y Li.

• 5.8 Era de los atomos y de la radiación

• Período comprendido entre un segundo y 300.000 años.

• Se formó un plasma, los núcleos de los átomos están

disociados en sus electrones.

• Se llegó a los frescos 2700ºC y permitió que la F.

electromagnética actuase.

• Se produjo la asociación estable entre los núcleos y

electrones, formando los primeros átomos.

• 5.9 Era de las galaxias

– Desde un millón de años a la actualidad.

– La materia se organizó en átomos y se emezaron a formar las

galaxias por un mecanismo de inestabilidad gravitatoria.

– La F de la gravedad atuó sobre las fluctuaciones, haciendo que la

materia de la nebulosa primordial se desgajara en forma de

filamentos y grumos.

– La D de materia-energía se distribuye en:

• Energía oscura: 74% de materia-energía

– Actúa como F repulsiva en contra de la gravedad.

• Materia oscura: 22% de materia-energía

– Actúa como una especie de esqueleto cósmico en el que se enganchan las galaxias.

• Futuro Universo:

– Big Chill (el gran enfriamiento).

– Big Crunch (la gran contracción)

– Big Rip (el gran desgarramiento)

6.Estructuras del Universo: distancias y escalas

• Las millones de galaxias de Universo tienden a

reunirse en cúmulos, estos se agrupan en

supercúmulos, que a su vez, se disponen en

filamentos.

• El Universo tiene aspecto esponjoso y burbujeante

donde los racimos de galaxias se disponen como

filamentos en las paredes de burbujas, enganchadas

en una especie de esqueleto formado por materia

oscura.

• 6.1 Las Galaxias

– Son enormes acumulaciones de materia en forma de polvo

cósmico, nebulosas y estrellas (sistemas planetarios).

– Se mantienen unidos entre sí por atracciones gravitatorias

que se generan entre sus grandes masas.

– En las galaxias, el espacio entre las estrellas no está vacío,

ya que contiene el medio interestelar formado por una

mezcla de gases y polvo cósmico.

– La Vía Láctea:

• Es una galaxia espiral que contiene nebulosas, polvo cósmico y

millones de estrellas, nos encontramos a unos 30.000 años luz de

su centro.

• Está formada por:

– Bulbo o núcleo

– Disco

– Halo

7. Las Estrellas• La naturaleza de los elementos químicos varía según el nº de

protones que tenga.

• Como los elementos primordiales fueron H, He y Li, se llegó a

cuestionar si los demás elementos se han formado a partir

de H y He (es posible si T es suficientemente elevada).

• Cuando en la protoestrella se alcanza la T de unos 10·106 ºC,

los núcleos de los isótopos de H colisionan y producen el

acercamiento de las partículas nucleares, actuando las F

nucleares de atracción, para dar lugar a núcleos de He.

• Los únicos puntos donde se alcanzan estas T, son las

estrellas. Debemos estudiar los procesos que tienen lugar

en el nacimiento, vida y muerte de las estrellas, para

conocer cómo y dónde aparecieron los elementos químicos.

• 7.1 Estrellas y nebulosas

– Las nebulosas son nubes gaseosas de H, He, elementos químicos

pesados en forma de polvo cósmico y cierta cantidad de

compuestos orgánicos.

– Las estrellas son enormes esferas gaseosas de H y He, estos

gases están tan calientes que convierten el interior de las estrellas

en una gigantesca bomba de fusión termonuclear. Esta bomba

permite que la estrella se encienda y emita energía radiante.

• 7.2 En una estrella como el Sol

– Cuando una nebulosa comienza a derrumbarse bajo el ‘’tirón hacia

adentro’’ de su propia G, se fragmenta en glóbulos más pequeños

formando protoestrellas.

– La Protoestrella inicial se hace más compacta y aumenta su D lo que

favorece las colisiones entre átomos de H.

– El incremento de estas colisiones aumenta la T del H hasta alcanzar

unos 10·106 ºC, suficiente para permitir la fusión termonuclear del H

para formar He, que se acumula en en núcleo y la emisión de una

gran cantidad de E: la estrella se ha encendido.

– Este E liberada haría explotar la estrella sino fuera porque se le opone

la F de la G, ambas F se equilibran y la estrella permanece estable

hasta que consume todo el H. Después pasa por diferentes etapas:

• Gigante roja

• Nebulosa planetaria

• Enana blanca

• Enana negra

• 7.3 Estrellas gigantes o azules

– En las estrellas de mayor masa que el Sol, la protoestrella se convierte

en estrella gigante de un modo similar al anterior, pero al consumir

más H, libera más cantidad de E y emite una luz intensa y azulada.

– Cuando estas estrellas consumen todo el H se hinchan y se convierten

en supergigantes rojas, cada una de las 6 capas concéntricas alberga

un proceso diferente de reacción de fusión termonuclear que forma un

elemento químico distinto hasta que se sintetiza el Fe. Todas estas

reacciones de nucleosínteis desprenden E; pero la síntesis del Fe no

libera E, sino que la consume.

– Con su fuente de E desconectada actúa la componente gravitatoria y

la supergigante roja se colapsa, de tal forma que las ondas generadas

por esta implosión rebotan primero en un núcleo denso y se propagan

a gran velocidad, produciendo una explosión que libera grandes

cantidades de E.

– Estrellas de neutrones y agujeros negros

• Estrellas de neutrones y agujeros negros

– Como consecuencia de la implosión, el nucleo d la supergigante roja

sufre una compactación que queda convertida en una estrella de

neutrones o, si la estrella era muy másica, en un agujero negro.

• Supernovas: polvo de estrellas

– Es la fase de explosión de una estrella. En ella se sintetizan los

elementos químicos más pesados que el hierro, que se dispersan

por el espacio y constituyen el polvo cósmico.

– Su dispersión contamina las nebulosas cercanas que formaran

nuevas protoestrellas de las que surgirán nuevas estrellas más ricas

en elementos pesados y tal vez, presenten sistemas planetarios.

– No solo nuestro planeta debe su existencia a primitivas supernovas,

sino que la materia orgánica que contiene también procede de ellos.

– Todos somos polvos de estrellas.

8. Formación del Sistema Solar

• El SS se encuentra inmerso en una gigantesca burbuja

local formada por las explosiones de varias supernovas.

• La supernova que marcó la muerte de una estrella

gigante puso representar el nacimiento del SS.

• La onda expansiva generada originó la compactación de

una nebulosa de gas que comenzó a girar y se

transformó en un disco:

– El centro del disco se contrajo hasta formar una bola de gas

H y He que fue compactado y calentado, hasta alcanzar T

elevadas que comenzaron las reacciones nucleares en su

interior: el Sol se encendió.

– La regiones periféricas del disco se desgajaron y formaron

remolinos que atraparon polvo cósmico, gases, hielo y

partículas rocosas, donde tuvieron lugar dos procesos:

• Coagulación

• Acreción de planetesimales

– En cada región del disco dominó un solo gran protoplaneta. La

aglomeración de estos cuerpos permitió la aparición de

cuerpos astrales que capturaron gases y formaron atmósferas.

• 8.1 El Sistema Solar

– Está constituido por el Sol y sus 8 planetas y demás cuerpos

astrales.

– 1. Planetas:

• Astros que orbitan alrededor del Sol

• Forma casi redonda debido a su masa.

• Son los cuerpos predominantes.

• Planetas interiores o rocosos:

– Mercurio, Venus, Tierra y Marte

• Planetas exteriores o gaseosos

– Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno.

– 2.Planetas enanos:

• Cuerpos con forma casi redonda, pero tienen otros cuerpos en

sus órbitas.

• Plutón, Ceres y Eris.

– 3. Cuerpos pequeños del SS.

• Son todos los demás cuerpos celestes: satélites, cometas y

asteroides.

– Se localizan en:

» Cinturón principal de Asteroides: entre las órbitas de Marte y Júpiter.

» Cinturón de Kuiper: Situado más allá delas órbitas de Neptuno y

Plutón.

» Nube de Oort: Situada en los confines del Sistema Solar. Está

formada por fragmentos de hielo, moléculas orgánicas y polvo

cósmico (de lo que estarán formados los cometas).

9. La exploración del espacio

• Los telescópios ópticos captan la luz que emiten o reflejan

los astros y agrandan la imagen de objetos muy lejanos.

• Las galaxias, estrellas y planetas no solo emiten luz

blanca, también emiten otro tipo de radiaciones (ondas

de radio) que se pueden captar por los radiotelescopios.

• El aire de la atmósfera difumina las imágenes y entorpece

la visión, por eso se colocan en cimas de montañas o se

mandan al espacio (telescopio espacial Hubble).

• 9.1 Los viajes espaciales

– El desarrollo de la aviación y el diseño de los primeros cohetes

han estado relacionados con las guerras.

– Para poder escapar de la enorme atracción gravitatoria que

ejerce la Tierra, es necesaria la potencia de un cohete que

permita la v de escape de 40.000 km/h.

– El primer lanzamiento al espacio por la antigua Unión Soviética

fue el Sputnik I (1957).

– 1961: Vostok I dio una vuelta a la Tierra con el primer hombre a

bordo.

– EEUU impulsó el programa Mercury y las misiones Géminis

consiguiendo poner el órbita a una tripulación de astronautas.

– Actualmentelos cohetes Ariane, Soyuz, Delta, Atlas entre otros

ponen en órbita lanzaderas, naves tripuladas, sondas, satélites y

componentes de las estaciones espaciales.

– La consquista de la Luna

• Tras varios intentos fallidos, la sonda soviéticas Luna 9 consiguió

posarse sobre la superficie lunar (1966).

• En 1969, el cohete americano Saturno V consiguió llevar la nave

tripulada Apolo 11 a la Luna (Armstrong).

• 9.2 Transbordadores o lanzaderas espaciales

– Son naves espaciales tripuladas dotadas de motores y

diseñadas para permanecer en órbita alrededor de la Tierra

varios días y volver.

– Se pueden reutilizar varias veces y llevan a cabo distintas

misiones: Colocar y reparar satélites, realizar experimentos

científicos, transportar componentes de las estaciones

espaciales…

– El transbordador es puesto en órbita con ayuda de dos

cohetes aceleradores y un gran depósito de combustible.

• 9.3 Sondas espaciales

– Son robots exploradores no tripulados. Son lanzadas mediante

cohetes hacia objetivos calculados y presentan cámaras

fotográficas e instrumental científico.

– Las sondas Pioneer 10 y 11 enviadas para visitar Júpiter,

Saturno y sus lunas hace años que salieron del Sistema Solar.

Lo mismo ocurre con las sondas Voyager 1 y 2 y Mars

Pathfinder…

• 9.4 Estaciones espaciales

– Son bases espaciales, situadas en órbita alrededor de la Tierra

que permiten la vida en el espacio durante largos períodos de

tiempo (Estación Espacial Internacional, que pesa 455 t).

• 9.5 Satélites artificiales

– Son objetos que se colocan en el espacio mediante un

cohete o una lanzadera con el fin de permanecer en órbita.

– Están dotados de paneles para captar la energía solar.

– Se utilizan para fines diversos: comunicaciones,

meteorología, vigilancia de cultivos…

– También pueden ser militares, para espionaje y vigilancia;

a utilizarse como sistema de navegación (GPS).

– La UE impulsó un sistema que consta de 30 satélites

(Proyecto Galileo) en 2008.

– Otros se usan en investigación científica y astronómica

(COBE, SOHO…).

FIN