Tema 2 El Universo
1. 2. 3. 4.
Introducción El Universo y su composición El origen del Universo: la teoría del big bang La estructura del Universo 4.1. Las galaxias 4.2. Las estrellas 5. El Sistema Solar 6. La Tierra y la vida
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1. Introducción Desde el origen del ser humano, siempre se ha observado el cielo y se ha intentado explicar su significado: las estrellas, el Sol, los cometas… Al no poder entender todos los fenómenos que se observaban, se divulgaban leyendas, se inventaban dioses y se creaban religiones, pero poco a poco se empezaron a relacionar los acontecimientos del cielo con los cambios de estaciones, las horas de luz y muchos procesos más. El entendimiento del espacio ayudó al establecimiento de la agricultura, la ganadería y la caza, permitiendo predecir cuándo sembrar o cosechar, las épocas de caza de cada especie o incluso cuándo almacenar algún producto. Si un acontecimiento coincidía con la posición de los astros, se deducía que ese era el motivo del fenómeno, por lo que se empezaron a clasificar las estrellas y su posición, surgiendo así las constelaciones, el horóscopo y la astrología. Hoy sabemos que la expansión del Universo hace que la posición de las estrellas cambie (al igual que tendría que hacerlo el horóscopo) y que las constelaciones están formadas por estrellas que no guardan relación entre ellas, estando a millones de años luz de distancia o incluso algunas extintas. Hoy sabemos que la astrología es una pseudociencia que no tiene ningún valor predictivo, al contrario que la astronomía, que sí es una ciencia y puede hacer predicciones sobre el comportamiento del Universo.
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Busca información sobre las aportaciones que realizaron las siguientes personalidades
Claudio Ptolomeo
Nicolás Copérnico
Giordano Bruno
Johannes Kepler
Modelo geocéntrico
Modelo heliocéntrico
El Sol es una estrella y el Universo no tiene centro
Órbitas planetarias elípticas
Galileo Galilei
Isaac Newton
Albert Einstein
Edwin Hubble
Perfeccionamiento del telescopio y sus descubrimientos
Ley de la gravitación universal
Teoría de la relatividad
Ley de la expansión del Universo
Yuri Gagarin
Valentina Tereshkova CERN
Neil Armstrong
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2. El Universo y su composición El Universo se define como la totalidad del tiempo y del espacio, incluyendo todas las formas de materia y energía. Esto significa que antes de que surgiera el Universo, no existían ni el tiempo ni el espacio.
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Según los cosmólogos, el contenido del Universo puede dividirse en tres tipos de materia: ➯ Materia ordinaria o bariónica: Es toda la materia conocida, formada por partículas subatómicas que forman el núcleo de los átomos. Aquí se incluye toda la materia que forma las estrellas, los planetas o los agujeros negros, pero según las últimas estimaciones, constituye el 5% de toda la materia del Universo. ➯ Materia oscura: Al analizar el movimiento de las galaxias y las estrellas, se aprecia que su movimiento no se corresponde con la interacción gravitatoria de sus masas. Esto nos indica que debe existir otro tipo de materia. Se denominó materia oscura porque no emite ningún tipo de radiación electromagnética como la luz, por lo que no absorbe ni emite luz, ondas de radio, rayos gamma, etc. Constituye un 23% de toda la materia del Universo. ➯ Energía oscura: Es una forma de energía presente de forma homogénea en todo el espacio que ejerce una presión que tiende a acelerar la expansión del Universo. Constituye aproximadamente el 72% de la masa-energía de todo el Universo.
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3. El origen del Universo: la teoría del big bang La teoría del big bang es la más aceptada sobre el origen del Universo y se apoya en la teoría de la relatividad general de Einstein y en dos descubrimientos que cambiaron la comprensión del espacio: ➯ Edwin Hubble descubrió que algunas de las estrellas no eran estrellas, se trataba de otras galaxias con miles de millones de estrellas, por lo que nuestra galaxia, la Vía Láctea, no era todo el Universo, era un pequeña parte de él. Además, comprobó algo que parecía imposible: las galaxias se alejan unas de otras con una velocidad proporcional a la distancia que las separa, es decir, las galaxias no se desplazan a través del espacio, es la propia expansión del espacio la que las separa. ➯ Arno Penzias y Robert Wilson detectaron la radiación de fondo de microondas (CMB), que es un tipo de radiación electromagnética que llena por completo el Universo y constituye una imagen del mismo unos 379.000 años después del big bang.
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Radiación de fondo de microondas
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El big bang explica el principio del Universo, es decir, del tiempo, del espacio y de la materia hace 13.800 m.a. y lo que ocurrió posteriormente hasta que pudieron formarse estrellas y planetas, aunque es importante señalar que los primeros 10-43 segundos todavía no pueden ser explicados con las teorías actuales. Las etapas que ocurrieron fueron las siguientes:
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- Etapa inicial: Desde el inicio hasta los 10-43 segundos, toda la materia que forma el Universo estaba concentrada en un punto increíblemente denso y caliente y las cuatro fuerzas fundamentales (electromagnetismo, interacción nuclear débil, interacción nuclear fuerte y la gravedad) estaban unidas en una única fuerza fundamental. Entre los 10-43 y los 10-36 segundos, la expansión y enfriamiento del Universo provoca la separación de la fuerza gravitatoria de las otras tres. - Inflación cósmica: Entre los 10-36 y los 10-12 segundos, la fuerza nuclear débil y la fuerza nuclear fuerte se separan y el Universo experimenta una expansión acelerada que provoca un rápido enfriamiento y una disminución de la densidad. Pasó de ser del tamaño de la punta de un alfiler a una esfera del tamaño de varios soles como el nuestro. Entre los 10-12 y el primer segundo, se empieza a formar lo que conocemos como materia, apareciendo las partículas más elementales como los quarks, los fotones o el bosón de Higgs, otorgando masa a las partículas que las poseen. - Nucleosíntesis: Entre el primer segundo y los 3 minutos, el progresivo enfriamiento del Universo debido a su expansión permite la formación de protones y neutrones y, con ellos, los núcleos de los primeros elementos químicos, pero no se forman átomos, ya que los electrones se aniquilaban junto con los positrones para formar fotones, por lo que toda la materia formaba un plasma.
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- Recombinación: Durante los siguientes 380.000 años, la temperatura siguió descendiendo hasta los 2700 ⁰C, permitiendo que la agitación de los electrones bajara lo suficiente para ceder a la atracción eléctrica de los protones y se formaran los primeros átomos de hidrógeno y helio. Este hecho permitió la liberación de los fotones que componen la radiación de fondo de microondas y desde entonces el Universo se expande a la velocidad de la luz. A partir de este momento, unos 150 m.a. después del big bang, se forman las primeras estrellas y las galaxias gracias a las inmensas nebulosas de hidrógeno y helio, proceso que continúa hasta la actualidad, al igual que su expansión y enfriamiento. La gravedad hace que las masas se atraigan, dando lugar a los cúmulos y supercúmulos. Si la gravedad hace que las masas se atraigan, el Universo ya no debería seguir expandiéndose, pero lo hace, de hecho, la expansión empezó a acelerarse hace 5·109 años. La explicación a este hecho es la existencia de una energía de repulsión gravitatoria que es la energía oscura. De la misma forma, el movimiento de las galaxias y de los cúmulos tampoco se corresponde a su masa, por lo que debe existir más materia, la materia oscura, que no emite radiación y por eso no puede observarse.
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4. La estructura del Universo El Universo está compuesto por una red cósmica que consta de toda una serie de hebras o filamentos que reflejan las zonas más densas en el fondo cósmico de microondas. Todo el conjunto está sostenido por la gravedad que proporciona, en su mayor parte, la materia oscura, actuando como una especie de pegamento. Los filamentos están formados por supercúmulos y éstos por cúmulos, los cuales contienen las galaxias. La dirección de nuestro planeta es la siguiente: ➺ Supercúmulo: Supercúmulo de Virgo ➺ Cúmulo: Grupo local ➺ Galaxia: Vía Láctea ➺ Brazo: Brazo de Orión ➺ Sistema: Sistema Solar ➺ Planeta: Tierra
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Distancias en el Universo ¿A cuántos kilómetros equivale una unidad astronómica?
¿A cuántos kilómetros equivale un año luz?
¿Cuánto tarda en llegar la luz que emite el Sol a la Tierra?
El Universo conocido tiene un diámetro de unos 30.000 millones de años luz Un cúmulo tiene un diámetro de 100 millones de años luz La distancia entre galaxias es de unos 2 millones de años luz Una galaxia mide unos 100.000 años luz de diámetro La distancia entre estrellas es de entre 5 y 100 años luz El Sistema Solar tiene un diámetro de unos 15.000 millones de kilómetros (13,6 horas luz)
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4.1.- Las galaxias: Son agrupaciones de millones de estrellas, nebulosas, planetas, polvo cósmico, materia oscura y energía; todo ello se mantiene unido y girando debido a la fuerza de la gravedad. Las galaxias se clasifican según la configuración que adopta su contenido, existiendo cuatro tipos básicos: ➯ Galaxias espirales: Tienen forma de disco con una protuberancia central que está compuesta por estrellas más viejas. A partir de esta protuberancia se extienden una serie de brazos en forma de espiral. La Vía Láctea, nuestra galaxia, posee este tipo de configuración, con cuatro brazos partiendo del disco central llamados Escudo-Centauro, Perseo, Sagitario y Norma. El Sistema Solar se encuentra en el brazo de Orión, que forma parte del brazo de Sagitario. La Vía Láctea mide unos 100.000 años luz de diámetro y posee unos 200.000 millones de estrellas.
Galaxia de Andrómeda
Vía Láctea
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➯ Galaxias elípticas: Poseen forma de elipse con un núcleo que muestra una gran concentración de estrellas que se va difuminando a medida que nos alejamos de él. ➯ Galaxias lenticulares: Tienen una forma intermedia entre las galaxias elípticas y espirales, con una condensación de estrellas en el centro muy importante y un disco muy extenso alrededor que lo envuelve. ➯ Galaxias irregulares: Aquí se incluyen las galaxias que no encajan en los tres tipos anteriores. Tienen una forma deformada por la influencia gravitatoria de otras galaxias.
Galaxia elíptica
Galaxia irregular
Galaxia lenticular
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4.2.- Las estrellas: Las estrellas surgen a partir de una nebulosa, que es una región del espacio a modo de nube formada por gases (principalmente el hidrógeno y el helio) y polvo cósmico (contiene otros elementos químicos). Como la gravedad tiende a comprimir la materia, en las nebulosas se empieza a concentrar el hidrógeno y el helio, provocando que empiece a aumentar la temperatura. Las temperaturas empiezan a ser tan elevadas que los núcleos de hidrógeno vencen su repulsión eléctrica y chocan, iniciando la fusión nuclear. En estas reacciones nucleares, el hidrógeno se transforma en helio y se libera una enorme cantidad de energía que provoca que la masa que la forma se encienda, es decir, junto a la energía liberada también se emite luz.
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Las reacciones de fusión van convirtiendo el hidrógeno en helio, por lo que tienden a expandir la estrella, pero la fuerza de la gravedad contrarresta la expansión, se establece de esta manera un equilibrio entre las dos fuerzas que se mantendrá un tiempo hasta que empiece a agotarse el hidrógeno del núcleo, en este momento, se empieza a fusionar el hidrógeno de sus capas exteriores y se expanden. A partir de este momento, la masa de la estrella determinará su evolución:
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➯ Masa media: Cuando el hidrógeno se agota, la estrella crece hasta convertirse en una gigante roja, que empieza a fusionar el helio en carbono y oxígeno y se van acumulando en el centro. Cuando el helio se agota, la temperatura no es suficiente para fusionar el carbono y la estrella explota, formando una nebulosa planetaria. Al agotarse el combustible nuclear, la estrella se convierte en una enana blanca con un tamaño comparable al de los planetas y se irá enfriando hasta apagarse definitivamente.
Estrella como el Sol
Nebulosa planetaria
Gigante roja Nebulosa
Enana blanca
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➯ Masa grande: Las estrellas con masas mucho mayores que nuestro sol (más de 9 veces) pueden establecer en su núcleo una cadena de fusión que no se interrumpe con el carbono, por lo que la temperatura permite fusionar los átomos de carbono y formar elementos cada vez más pesados, hasta llegar al hierro. En estos casos primero se forman supergigantes azules y posteriormente supergigantes rojas. La formación del hierro no produce energía, la consume, por lo que la estrella consume sus recursos nucleares e implosiona, formando en el proceso todos los elementos de la tabla periódica; finalmente explota en una supernova, una estrella tan brillante como toda una galaxia. Estrella de neutrones Estrella masiva
Supernova
Supergigante roja Nebulosa
Agujero negro
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Las supernovas reparten los elementos químicos formados, como el hierro o el nitrógeno, en forma de nebulosa que podrá dar lugar a nuevas estrellas, planetas, asteroides o cometas. Tras la explosión, queda un núcleo; si su masa no es muy grande se forma una estrella de neutrones que emiten rayos X y gamma en pulsos cortos y regulares, por esta razón se llaman púlsares. Si la masa es mayor, la estrella se convierte en un agujero negro, una singularidad con una gravedad tan grande que ni los fotones de luz pueden escapar a su atracción.
Si los agujeros negro no se ven, ¿cómo los detectan los astrónomos?
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Por último, el color de las estrellas depende básicamente de la temperatura de su superficie donde las azules son las más calientes y las rojas las menos calientes. Además, el color nos da una idea de su edad ya que las estrellas más jóvenes generan más energía, alcanzando una temperatura mayor, aunque también hay que tener en cuenta su tamaño. El Sol es una estrella de tamaño medio y posee un color amarillento. La temperatura de su superficie es de unos 5.500 ⁰C mientras que en su núcleo puede llegar a 15 millones de ⁰C.
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5. El Sistema Solar Con la formación de elementos químicos en el interior de una estrella gigante y su posterior diseminación tras el estallido de una supernova, nacerán nuevas estrellas y ejercerán una atracción gravitatoria sobre los materiales que tengan alrededor, formándose planetas, cometas y asteroides, dando lugar a sistemas planetarios como el nuestro, el Sistema Solar. El Sistema Solar se originó hace unos 4600 millones de años, el 99,9% de la masa se concentra en el Sol y la mayor parte de la masa restante está en ocho planetas, aunque existen más componentes como los cinturones de asteroides, los satélites de los planetas, planetas enanos, cometas y polvo cósmico. La formación del Sistema Solar se explica a partir de la teoría de la acreción planetesimal o teoría nebular, y en ella se pueden diferenciar tres grandes etapas:
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➯ Formación del Sol: A partir de una nebulosa producida por la explosión de una supernova y como consecuencia de la fuerza de la gravedad, los gases (hidrógeno y helio) comenzaron a concentrarse y a girar, aplanando su forma a modo de disco. La concentración de los gases permitió el aumento de la temperatura y el choque entre las partículas, iniciando las reacciones nucleares de fusión que originaron nuestra estrella, el Sol. ➯ Formación de planetesimales: El resto de polvo y gas se fue concentrando en pequeños cuerpos de pocos kilómetros (planetesimales) y se fueron uniendo para formar cuerpos cada vez más grandes. Se formarían cientos de protoplanetas que terminarían fusionándose para dar lugar a los planetas y el resto de cuerpos. ➯ Formación de planetas: Como los metales tienen puntos de fusión más altos, podían existir en forma sólida cerca del Sol, dando lugar a los planetas rocosos, pero como su cantidad era pequeña, estos planetas no se hicieron muy grandes. Los planetas gaseosos se formaron a más distancia donde las temperaturas eran bajas y los gases podían estar en estado sólido. Como la abundancia de estos materiales era mayor, el tamaño de estos planetas es superior a los rocosos. Los residuos restantes no llegaron a convertirse en planetas y se agruparon en regiones como el cinturón de asteroides o la nube de Oort.
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Concentración y rotación que aplanó la nebulosa en un disco
Nebulosa
Sistema Solar Acreción planetesimal
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El Sistema Solar está formado por ocho planetas, los cuatro internos (Mercurio, Venus, Tierra y Marte) son rocosos y los cuatro externos (Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno) son gaseosos. A excepción de Mercurio y Venus, todos poseen satélites a su alrededor; la Tierra posee un único satélite, la Luna, pero Júpiter posee 67 lunas conocidas. Junto con los ocho planetas encontramos otros astros como son el cinturón de asteroides (situado entre Marte y Júpiter) o el cinturón de Kuiper, que está después de Neptuno y es mucho mayor que el cinturón de asteroides. También existen planetas enanos que, según los criterios de clasificación actuales, no se incluyen dentro de los ocho planetas. Hasta la fecha existen cinco que son Ceres, Plutón, Eris, Makemake y Haumea. Dentro de unos 5.000 millones de años, el Sol entrará en su fase de gigante roja y su expansión vaporizará a Mercurio y Venus, provocando que la Tierra deje de ser habitable. Posteriormente, las capas externas del Sol se perderán en el espacio en forma de nebulosa planetaria y, finalmente, se formará una enana blanca que tendrá un tamaño similar a la Tierra pero su masa será la mitad de la masa original del Sol, por lo que será muy densa.
Tema 2 - El Universo Distancia al Sol (millones de km)
Diámetro (km)
Tiempo de rotación
Tiempo de traslación
Color y aspecto
Temperatura media (ºC)
Sol
0
1390000
26,8 días
225 millones de años alrededor del centro de la galaxia
Amarillo o anaranjado con llamaradas
5500
Mercurio
58
4878
58,9 días
87,9 días
Plateado
-170/427
Venus
108
12100
243 días
224,70 días
Plateado
456
Tierra
150
12756
23 h 54 min
365,25 días
Azul
15
Marte
228
6796
24 h 37 min
687 días
Rojo
-87/-5
Júpiter
778
142800
9 h 56 min
11,86 años
Con bandas verdosas y rojizas
-121
Saturno
1427
120600
10 h 39 min
24,46 años
Con bandas anaranjadas amarillentas
-139
Urano
2870
51200
17 h 14 min
84 años
Verde azulado
-205
Neptuno
4497
49500
16 h 3 min
165 años
Azul verdoso
-220
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Saturno
Júpiter
Urano
Neptuno Tierra Marte
Mercurio Venus Tierra Marte
0 UA
Venus Mercurio
Cinturón de asteroides Júpiter
Saturno 10 UA
Urano 20 UA
Neptuno
30 UA
Plutón
40 UA
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6. La Tierra y la vida Pese a todos los estudios que se han realizado del universo conocido, nuestro planeta es el único en el que se ha encontrado vida. Es difícil saber cuáles son los factores que permiten su aparición y evolución puesto que no podemos comparar con otros planetas, pero sí se conocen los requisitos que han permitido que se desarrollara vida en nuestro planeta: ➯ Masa y gravedad de la Tierra: Gracias a estos factores se pudo formar una atmósfera y, además, el agua que se evapora no puede escapar del planeta. ➯ Presencia de agua. ➯ Distancia entre el Sol y la Tierra: La distancia es la adecuada para permitir que el agua se encuentre en estado líquido. ➯ Atmósfera: Los gases que forman la atmósfera nos protegen, junto con el campo magnético terrestre, de la radiación del Sol. Además, el efecto invernadero natural que causa permite que la temperatura media del planeta sea de 15 °C, sin ella sería de -18 °C.
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Aunque las condiciones que han permitido la vida en nuestro planeta se conocen, no existe ningún registro geológico o fósil que nos indique el proceso que dio lugar a su aparición. Todos los elementos químicos (carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo y azufre) necesarios para formar las moléculas orgánicas que constituyen a los seres vivos (glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos) estaban presentes en la Tierra primitiva, pero se desconocen los factores que permitieron su organización hasta formar macromoléculas como el ADN o las proteínas y, desde aquí, llegar a dar lugar a las células.
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Busca la estructura de las siguientes moléculas Glúcidos
Lípidos
Proteínas
Ácidos nucleicos
Glucosa en su forma lineal y cíclica
Ácido graso
Aminoácido (serina)
Guanina
Celulosa
Fosfolípido
Proteína (catalasa)
ADN
Pared celular
Membrana plasmática
Peroxisoma
Cromosoma
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Las moléculas que forman la vida se producen por reacciones químicas que requieren una fuente de energía. En la Tierra primitiva existían cuatro formas de energía: la luz del Sol, la energía de los meteoritos, descargas eléctricas de los fenómenos atmosféricos y el calor del interior de la Tierra. Por último, la organización de los átomos en las biomoléculas orgánicas y, posteriormente, en células, también requirió un entorno favorable que evitara la descomposición de las moléculas y permitiera la formación de nuevos enlaces para formar estructuras complejas. Existen tres hipótesis: ➯ Aguas no muy prof undas: Las arcillas podrían servir como andamio para ensamblar moléculas complejas. ➯ Fondo oceánico: Actualmente existen ecosistemas en los fondos oceánicos que obtienen materia orgánica a partir de un proceso llamado quimiosíntesis en el que no se requiere luz. Aquí se usarían como soporte para enlazar moléculas los minerales de los volcanes submarinos. ➯ Espacio exterior: Se han encontrado biomoléculas simples en algunos meteoritos, por lo que podrían ser la base a partir de la cual se formaran moléculas más complejas.
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¿Existe la vida extraterrestre? Proyecto SETI
Señal Wow!
Radiotelescopio de Arecibo
Telescopio ATA
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¿Cómo encontrarías vida en el universo? Zona de habitabilidad galáctica: Región aproximada donde la vida es más probable que aparezca. No puede estar cerca del centro por la radiación y la cantidad de estrellas que posee, tampoco en el exterior por la escasez de metales que pueden originar un planeta similar al nuestro Zona de habitabilidad estelar: Región alrededor de una estrella que permite la formación de planetas como el nuestro, radiaciones compatibles con la vida y una temperatura que haga posible la presencia de agua en estado líquido