Tema 2 L'univers
1. 2. 3. 4.
Introducció L'Univers i la seua composició L'origen de l'Univers: la teoria del big bang L'estructura de l'Univers 4.1. Les galàxies 4.2. Les estreles 5. El Sistema Solar 6. La Terra i la vida
Tema 2 - L'univers
1. Introducción Des de l'origen de l'ésser humà, sempre s'ha observat el cel i s'ha intentat explicar el seu significat: les estreles, el Sol, els cometes... Com que no podien entendre tots els fenòmens que s'observaven, es divulgaven llegendes, s'inventaven déus i es creaven religions, però a poc a poc es van començar a relacionar els esdeveniments del cel amb els canvis d'estacions, les hores de llum i molts processos més. L'enteniment de l'espai va ajudar a l'establiment de l'agricultura, la ramaderia i la caça, permetent predir quan sembrar o collir, les èpoques de caça de cada espècie o fins i tot quan emmagatzemar algun producte. Si un esdeveniment coincidia amb la posició dels astres, es deduïa que aqueix era el motiu del fenomen, per la qual cosa es van començar a classificar les estreles i la seua posició, sorgint així les constel·lacions, l'horòscop i l'astrologia. Hui sabem que l'expansió de l'Univers fa que la posició de les estreles canvie (igual que hauria de fer-ho l'horòscop) i que les constel·lacions estan formades per estreles que no guarden relació entre elles, estant a milions d'anys llum de distància o fins i tot algunes extintes. Actualment sabem que l'astrologia és una pseudociència que no té cap valor predictiu, al contrari que l'astronomia, que sí que és una ciència i pot fer prediccions sobre el comportament de l'Univers.
Tema 2 - L'univers
Busca informació sobre les aportacions que van realitzar les següents personalitats
Claudio Ptolomeo
Nicolás Copérnico
Giordano Bruno
Johannes Kepler
Model geocèntric
Model heliocèntric
El Sol és una estrela i l'Univers no té centre
Òrbites planetàries el·líptiques
Galileo Galilei
Isaac Newton
Albert Einstein
Edwin Hubble
Perfeccionament del telescopi i els seus descobriments
Llei de la gravitació universal
Teoria de la relativitat
Llei de l'expansió de l'Univers
Yuri Gagarin
Valentina Tereshkova CERN
Neil Armstrong
Tema 2 - L'univers
2. L'Univers i la seua composició L'Univers es defineix com la totalitat del temps i de l'espai, incloent-hi totes les formes de matèria i energia. Això significa que abans que sorgira l'Univers, no existien ni el temps ni l'espai.
Tema 2 - L'univers
Segons els cosmòlegs, el contingut de l'Univers pot dividir-se en tres tipus de matèria: ➯ Matèria ordinària o bariònica: És tota la matèria coneguda, formada per partícules subatòmiques que formen el nucli dels àtoms. Ací s'inclou tota la matèria que forma les estreles, els planetes o els forats negres, però segons les últimes estimacions, constitueix el 5% de tota la matèria de l'Univers. ➯ Matèria fosca: En analitzar el moviment de les galàxies i les estreles, s'aprecia que el seu moviment no es correspon amb la interacció gravitatòria de les seues masses. Això ens indica que ha d'existir un altre tipus de matèria. Es va denominar matèria fosca perquè no emet cap mena de radiació electromagnètica com la llum, per la qual cosa no absorbeix ni emet llum, ones de ràdio, raigs gamma, etc. Constitueix un 23% de tota la matèria de l'Univers. ➯ Energia fosca: És una forma d'energia present de manera homogènia en tot l'espai que exerceix una pressió que tendeix a accelerar l'expansió de l'Univers. Constitueix aproximadament el 72% de la massa-energia de tot l'Univers.
Tema 2 - L'univers
3. L'origen de l'Univers: la teoria del big bang La teoria del big bang és la més acceptada sobre l'origen de l'Univers i es recolza en la teoria de la relativitat general d'Einstein i en dos descobriments que van canviar la comprensió de l'espai: ➯ Edwin Hubble va descobrir que algunes de les estreles no eren estreles, es tractava d'altres galàxies amb milers de milions d'estreles, per la qual cosa la nostra galàxia, la Via Làctia, no era tot l'Univers, era una xicoteta part d'ell. A més, va comprovar una cosa que semblava impossible: les galàxies s'allunyen unes d'altres amb una velocitat proporcional a la distància que les separa, és a dir, les galàxies no es desplacen a través de l'espai, és la mateixa expansió de l'espai la que les separa. ➯ Arno Penzias i Robert Wilson van detectar la radiació de fons de microones (CMB), que és un tipus de radiació electromagnètica que plena per complet l'Univers i constitueix una imatge del mateix uns 379.000 anys després del big bang.
Tema 2 - L'univers
Radiació de fons de microones
Tema 2 - L'univers
El big bang explica el principi de l'Univers, és a dir, del temps, de l'espai i de la matèria fa 13.800 Ma i el que va ocórrer posteriorment fins que van poder formar-se estreles i planetes, encara que és important assenyalar que els primers 10-43 segons encara no poden ser explicats amb les teories actuals. Les etapes que van ocórrer van ser les següents:
Tema 2 - L'univers
- Etapa inicial: Des de l'inici fins als 10-43 segons, tota la matèria que forma l'Univers estava concentrada en un punt increïblement dens i calent i les quatre forces fonamentals (electromagnetisme, interacció nuclear feble, interacció nuclear forta i la gravetat) estaven unides en una única força fonamental. Entre els 10-43 i els 10-36 segons, l'expansió i refredament de l'Univers provoca la separació de la força gravitatòria de les altres tres. - Inflació còsmica: Entre els 10-36 i els 10-12 segons, la força nuclear feble i la força nuclear forta se separen i l'Univers experimenta una expansió accelerada que provoca un ràpid refredament i una disminució de la densitat. Va passar de ser de la grandària de la punta d'una agulla a una esfera de la grandària de diversos sols com el nostre. Entre els 10-12 i el primer segon, es comença a formar el que coneixem com a matèria, apareixent les partícules més elementals com els quarks, els fotons o el bosó de Higgs, atorgant massa a les partícules que les posseeixen. - Nucleosíntesis: Entre el primer segon i els 3 minuts, el progressiu refredament de l'Univers a causa de la seua expansió permet la formació de protons i neutrons i, amb ells, els nuclis dels primers elements químics, però no es formen àtoms, ja que els electrons s'aniquilaven juntament amb els positrons per a formar fotons, per la qual cosa tota la matèria formava un plasma.
Tema 2 - L'univers
- Recombinació: Durant els següents 380.000 anys, la temperatura va continuar descendint fins als 2700 ⁰C, permetent que l'agitació dels electrons baixara prou per a cedir a l'atracció elèctrica dels protons i es formaren els primers àtoms d'hidrogen i heli. Aquest fet va permetre l'alliberament dels fotons que componen la radiació de fons de microones i des d'aquest moment, l'Univers s'expandeix a la velocitat de la llum. A partir d'aquest moment, uns 150 Ma després del big bang, es formen les primeres estreles i les galàxies gràcies a les immenses nebuloses d'hidrogen i heli, procés que continua fins a l'actualitat, igual que la seua expansió i refredament. La gravetat fa que les masses s'atraguen, donant lloc als cúmuls i supercúmuls. Si la gravetat fa que les masses s'atraguen, l'Univers ja no hauria de continuar expandint-se, però el fa, de fet, l'expansió va començar a accelerar-se fa 5·109 anys. L'explicació a aquest fet és l'existència d'una energia de repulsió gravitatòria que és l'energia fosca. De la mateixa forma, el moviment de les galàxies i dels cúmuls tampoc es correspon a la seua massa, per la qual cosa ha d'existir més matèria, la matèria fosca, que no emet radiació i per això no pot observar-se.
Tema 2 - L'univers
Tema 2 - L'univers
4. L'estructura de l'Univers L'Univers està compost per una xarxa còsmica que consta de tota una sèrie de filaments que reflecteixen les zones més denses en el fons còsmic de microones. Tot el conjunt està sostingut per la gravetat que proporciona, en la seua major part, la matèria fosca, actuant com una espècie de pegament. Els filaments estan formats per supercúmuls i aquests per cúmuls, els quals contenen les galàxies. La direcció del planeta és la següent:
nostre
➺ Supercúmul: Supercúmul de Virgo ➺ Cúmul: Grup local ➺ Galàxia: Via Làctia ➺ Braç: Braç d'Orió ➺ Sistema: Sistema Solar ➺ Planeta: Terra
Tema 2 - L'univers
Distàncies en l'Univers A quants quilòmetres equival una unitat astronòmica?
A quants quilòmetres equival un any llum?
Quant tarda a arribar la llum que emet el Sol a la Terra?
L'Univers conegut té un diàmetre d'uns 30.000 milions d'anys llum Un cúmul té un diàmetre de 100 milions d'anys llum La distància entre galàxies és d'uns 2 milions d'anys llum Una galàxia mesura uns 100.000 anys llum de diàmetre La distància entre estreles és d'entre 5 i 100 anys llum El Sistema Solar té un diàmetre d'uns 15.000 milions de quilòmetres (13,6 hores llum)
Tema 2 - L'univers
4.1.- Les galàxies: Són agrupacions de milions d'estreles, nebuloses, planetes, pols còsmica, matèria fosca i energia; tot això es manté unit i girant a causa de la força de la gravetat. Les galàxies es classifiquen segons la configuració que adopta el seu contingut, existint quatre tipus bàsics: ➯ Galàxies espirals: Tenen forma de disc amb una protuberància central que està composta per estreles més velles. A partir d'aquesta protuberància s'estenen una sèrie de braços en forma d'espiral. La Via Làctia, la nostra galàxia, posseeix aquest tipus de configuració, amb quatre braços partint del disc central anomenats Centaure, Perseu, Sagitari i Norma. El Sistema Solar es troba al braç d'Orió, que forma part del braç de Sagitari. La Via Làctia mesura uns 100.000 anys llum de diàmetre i posseeix uns 200.000 milions d'estreles.
Galàxia d'Andròmeda
Via Làctia
Tema 2 - L'univers
Tema 2 - L'univers
➯ Galàxies el·líptiques: Posseeixen forma d'el·lipse amb un nucli que mostra una gran concentració d'estreles que es va difuminant a mesura que ens allunyem d'ell. ➯ Galàxies lenticulars: Tenen una forma intermèdia entre les galàxies el·líptiques i espirals, amb una condensació d'estreles en el centre molt important i un disc molt extens al voltant que l'envolta. ➯ Galàxies irregulars: Ací s'inclouen les galàxies que no encaixen en els tres tipus anteriors. Tenen una forma deformada per la influència gravitatòria d'altres galàxies.
Galàxia el·líptica
Galàxia irregular
Galàxia lenticular
Tema 2 - L'univers
4.2.- Les estreles: Les estreles sorgeixen a partir d'una nebulosa, que és una regió de l'espai a manera de núvol format per gasos (principalment l'hidrogen i l'heli) i pols còsmica (conté altres elements químics). Com la gravetat tendeix a comprimir la matèria, en les nebuloses es comença a concentrar l'hidrogen i l'heli, provocant que comence a augmentar la temperatura. Les temperatures comencen a ser tan elevades que els nuclis d'hidrogen vencen la seua repulsió elèctrica i xoquen, iniciant la fusió nuclear. En aquestes reaccions nuclears, l'hidrogen es transforma en heli i s'allibera una enorme quantitat d'energia que provoca que la massa que la forma s'encenga, és a dir, juntament amb l'energia alliberada també s'emet llum.
Tema 2 - L'univers
Les reaccions de fusió van convertint l'hidrogen en heli, per la qual cosa tendeixen a expandir l'estrela, però la força de la gravetat contraresta l'expansió, s'estableix d'aquesta manera un equilibri entre les dues forces que es mantindrà un temps fins que comence a esgotar-se l'hidrogen del nucli, en aquest moment, es comença a fusionar l'hidrogen de les seues capes exteriors i s'expandeixen. A partir d'aquest moment, la massa de l'estrela determinarà la seua evolució:
Tema 2 - L'univers
➯ Massa baixa i intermèdia: Quan l'hidrogen s'esgota, l'estrela creix fins a convertir-se en un gegant roig, que comença a fusionar l'heli en carboni i oxigen i es van acumulant en el centre. Quan l'heli s'esgota, la temperatura no és suficient per a fusionar el carboni i l'estrela explota, formant una nebulosa planetària. En esgotar-se el combustible nuclear, l'estrela es converteix en una nana blanca amb una grandària comparable a la dels planetes i s'anirà refredant fins a apagar-se definitivament.
Estrela com el Sol
Nebulosa planetària
Gegant roig Nebulosa
Nana blanca
Tema 2 - L'univers
➯ Massa elevada: Les estreles amb masses molt majors que el nostre sol (més de 9 vegades) poden establir en el seu nucli una cadena de fusió que no s'interromp amb el carboni, per la qual cosa la temperatura permet fusionar els àtoms de carboni i formar elements cada vegada més pesats, fins a arribar al ferro. En aquests casos primer es formen les supergegants blaves i posteriorment les supergegants vermelles. La formació del ferro no produeix energia, la consumeix, per la qual cosa l'estrela consumeix els seus recursos nuclears i implosiona, formant en el procés tots els elements de la taula periòdica; finalment explota en una supernova, una estrela tan brillant com tota una galàxia. Estrela de neutrons Estrela massiva
Supernova
Supergegant vermella Nebulosa
Forat negre
Tema 2 - L'univers
Les supernoves reparteixen els elements químics formats, com el ferro o el nitrogen, en forma de nebulosa que podrà donar lloc a noves estreles, planetes, asteroides o cometes. Després de l'explosió, queda un nucli; si la seua massa no és molt gran, es forma una estrela de neutrons que emeten raigs X i gamma en polsos curts i regulars, per aquesta raó es diuen púlsars. Si la massa és major, l'estrela es converteix en un forat negre, una singularitat amb una gravetat tan gran que ni els fotons de llum poden escapar a la seua atracció.
Si els forats negres no es veuen, com els detecten els astrònoms?
Tema 2 - L'univers
Finalment, el color de les estreles depén bàsicament de la temperatura de la seua superfície on les blaves són les més calentes i les roges les menys calentes. A més, el color ens dóna una idea de la seua edat, ja que les estreles més joves generen més energia, aconseguint una temperatura major, encara que també cal tindre en compte la seua grandària. El Sol és una estrela de grandària mitjana i posseeix un color groguenc. La temperatura de la seua superfície és d'uns 5.500 ⁰C mentre que en el seu nucli pot arribar a 15 milions de ⁰C.
Tema 2 - L'univers
5. El Sistema Solar Amb la formació d'elements químics a l'interior d'una estrela gegant i la seua posterior disseminació després d'esclatar una supernova, naixeran noves estreles i exerciran una atracció gravitatòria sobre els materials que tinguen al voltant, formant-se planetes, cometes i asteroides, donant lloc a sistemes planetaris com el nostre, el Sistema Solar. El Sistema Solar es va originar fa uns 4600 milions d'anys, el 99,9% de la massa es concentra en el Sol i la major part de la massa restant està en huit planetes, encara que existeixen més components com els cinturons d'asteroides, els satèl·lits dels planetes, planetes nans, cometes i pols còsmica. La formació del Sistema Solar s'explica a partir de la teoria de l'acreció planetesimal o teoria nebular, i en ella es poden diferenciar tres grans etapes:
Tema 2 - L'univers
➯ Formació del Sol: A partir d'una nebulosa produïda per l'explosió d'una supernova i a conseqüència de la força de la gravetat, els gasos (hidrogen i heli) van començar a concentrar-se i a girar, aplanant la seua forma a manera de disc. La concentració dels gasos va permetre l'augment de la temperatura i el xoc entre les partícules, iniciant les reaccions nuclears de fusió que van originar la nostra estrela, el Sol. ➯ Formació de planetesimals: La resta de pols i gas es va anar concentrant en xicotets cossos de pocs quilòmetres (planetesimals) i es van anar unint per a formar cossos cada vegada més grans. Es formarien centenars de protoplanetes que acabarien fusionant-se per a donar lloc als planetes i la resta de cossos. ➯ Formació de planetes: Com els metalls tenen punts de fusió més alts, podien existir en forma sòlida prop del Sol, donant lloc als planetes rocosos, però com la seua quantitat era xicoteta, aquests planetes no es van fer molt grans. Els planetes gasosos es van formar a més distància on les temperatures eren baixes i els gasos podien estar en estat sòlid. Com l'abundància d'aquests materials era major, la grandària d'aquests planetes és superior als rocosos. Els residus restants no van arribar a convertir-se en planetes i es van agrupar en regions com el cinturó d'asteroides o el núvol d'Oort.
Tema 2 - L'univers
Concentració i rotació que va aplanar la nebulosa en un disc
Nebulosa
Sistema Solar Acreció planetesimal
Tema 2 - L'univers
El Sistema Solar està format per huit planetes, els quatre interns (Mercuri, Venus, Terra i Mart) són rocosos i els quatre externs (Júpiter, Saturn, Urà i Neptú) són gasosos. A excepció de Mercuri i Venus, tots posseeixen satèl·lits al seu al voltant; la Terra posseeix un únic satèl·lit, la Lluna, però Júpiter posseeix 67 llunes conegudes. Juntament amb els huit planetes trobem altres astres com són el cinturó d'asteroides (situat entre Mart i Júpiter) o el cinturó de Kuiper, que està després de Neptú i és molt major que el cinturó d'asteroides. També existeixen planetes nans que, segons els criteris de classificació actuals, no s'inclouen dins dels huit planetes. Fins hui existeixen cinc que són Ceres, Plutó, Eris, Makemake i Haumea. Dins d'uns 5.000 milions d'anys, el Sol entrarà en la seua fase de gegant roja i la seua expansió vaporitzarà a Mercuri i Venus, provocant que la Terra deixe de ser habitable. Posteriorment, les capes externes del Sol es perdran en l'espai en forma de nebulosa planetària i, finalment, es formarà una nana blanca que tindrà una grandària similar a la Terra, però la seua massa serà la meitat de la massa original del Sol, per la qual cosa serà molt densa.
Tema 2 - L'univers Distància al Sol (milions de km)
Diàmetre (km)
Temps de rotació
Temps de translació
Color i aspecte
Temperatura mitjana (°C)
Sol
0
1390000
26,8 dies
225 milions d'anys al voltant del centre de la galàxia
Groc o ataronjat amb flamarades
5500
Mercuri
58
4878
58,9 dies
87,9 dies
Platejat
-170/427
Venus
108
12100
243 dies
224,70 dies
Platejat
456
Terra
150
12756
23 h 54 min
365,25 dies
Blau
15
Mart
228
6796
24 h 37 min
687 dies
Roig
-87/-5
Júpiter
778
142800
9 h 56 min
11,86 anys
Amb bandes verdoses i vermelloses
-121 -139
Saturn
1427
120600
10 h 39 min
24,46 anys
Amb bandes ataronjades groguenques
Urà
2870
51200
17 h 14 min
84 anys
Verd blavós
-205
Neptú
4497
49500
16 h 3 min
165 anys
Blau verdós
-220
Tema 2 - L'univers
Saturn
Júpiter
Neptú
Urà
Terra Mart
Mercuri Venus Terra Mart
0 UA
Venus Mercuri
Cinturó d'asteroides Júpiter
Saturn 10 UA
Urà 20 UA
Neptú
30 UA
Plutó
40 UA
Tema 2 - L'univers
6. La Terra i la vida Malgrat tots els estudis que s'han realitzat de l'univers conegut, el nostre planeta és l'únic en el qual s'ha trobat vida. És difícil saber quins són els factors que permeten la seua aparició i evolució perquè no podem comparar amb altres planetes, però sí que es coneixen els requisits que han permés que es desenvolupara vida en el nostre planeta: ➯ Massa i gravetat de la Terra: Gràcies a aquests factors es va poder formar una atmosfera i, a més, l'aigua que s'evapora no pot escapar del planeta. ➯ Presència d'aigua. ➯ Distància entre el Sol i la Terra: La distància és l'adequada per a permetre que l'aigua es trobe en estat líquid. ➯ Atmosfera: Els gasos que formen l'atmosfera ens protegeixen, juntament amb el camp magnètic terrestre, de la radiació del Sol. A més, l'efecte d'hivernacle natural que causa permet que la temperatura mitjana del planeta siga de 15 °C, sense ella seria de -18 °C.
Tema 2 - L'univers
Encara que les condicions que han permés la vida en el nostre planeta es coneixen, no existeix cap registre geològic o fòssil que ens indique el procés que va donar lloc a la seua aparició. Tots els elements químics (carboni, hidrogen, oxigen, nitrogen, fòsfor i sofre) necessaris per a formar les molècules orgàniques que constitueixen als éssers vius (glúcids, lípids, proteïnes i àcids nucleics) eren presents en la Terra primitiva, però es desconeixen els factors que van permetre la seua organització fins a formar macromolècules com l'ADN o les proteïnes i, des d'ací, arribar a donar lloc a les cèl·lules.
Tema 2 - L'univers
Busca l'estructura de les molècules següents Glúcids
Lípids
Proteïnes
Àcids nucleics
Glucosa en forma lineal i cíclica
Àcid gras
Aminoàcid (serina)
Guanina
Cel·lulosa
Fosfolípid
Proteïna (catalasa)
ADN
Paret cel·lular
Membrana plasmàtica
Peroxisoma
Cromosoma
Tema 2 - L'univers
Les molècules que formen la vida es produeixen per reaccions químiques que requereixen una font d'energia. En la Terra primitiva existien quatre formes d'energia: la llum del Sol, l'energia dels meteorits, descàrregues elèctriques dels fenòmens atmosfèrics i la calor de l'interior de la Terra. Finalment, l'organització dels àtoms en les biomolècules orgàniques i, posteriorment, en cèl·lules, també va requerir un entorn favorable que evitara la descomposició de les molècules i permetera la formació de nous enllaços per a formar estructures complexes. Existeixen tres hipòtesis: ➯ Aigües poc prof undes: Les argiles podrien servir com a bastida per a formar molècules complexes. ➯ Fons oceànic: Actualment existeixen ecosistemes en els fons oceànics que obtenen matèria orgànica a partir d'un procés anomenat quimiosíntesis en el qual no es requereix llum. Ací s'usarien com a suport per a enllaçar molècules els minerals dels volcans submarins. ➯ Espai exterior: S'han trobat biomolècules simples en alguns meteorits, per la qual cosa podrien ser la base a partir de la qual es formarien molècules més complexes.
Tema 2 - L'univers
Existeix la vida extraterrestre? Projecte SETI
Senyal Wow!
Radiotelescopi d'Arecibo
Telescopi ATA
Tema 2 - L'univers
Com trobaries vida en l'univers? Zona d'habitabilitat galàctica: Regió aproximada on la vida és més probable que aparega. No pot estar prop del centre per la radiació i la quantitat d'estreles que posseeix, tampoc en l'exterior per l'escassetat de metalls que poden originar un planeta similar al nostre Zona d'habitabilitat estel·lar: Regió al voltant d'una estrela que permet la formació de planetes com el nostre, radiacions compatibles amb la vida i una temperatura que faça possible la presència d'aigua en estat líquid