Muestra del libro Biología y Geología 4º ESO Andalucía Proyecto 5 etapas

MUESTRA

4 E S O

Juan Eduardo Panadero Cuartero M.ª del Rosario Fuente Flórez

Índice

CÓMO ES TU LIBRO

Con Bruño aprendes Ciencia investigando, descubriendo y explorando la Naturaleza.

En solo 5 ETAPAS cíclicas puedes adquirir las competencias y saberes necesarios para tu desarrollo personal, intelectual, social y emocional.

e

(Prepárate para el aprendizaje)

e(Valora tu aprendizaje)

ee

(Indaga sobre los saberes)

e(Conoce los saberes)

(Aplica lo aprendido y crea conocimiento)

LA UNIDAD

Te presentamos la unidad en una doble página.

¿QUÉ SABES DE…?

Con estas preguntas descubrirás lo que conoces del tema antes de comenzarlo.

SI AÚN NO LO SABES..., DESCUBRIREMOS JUNTOS.

Estos son los saberes que adquirirás al trabajar esta unidad.

RECURSO ENLAZADO A UN QR

Sorpréndete viendo este recurso digital (audio, video…) que te provocará interés para dar respuesta a la pregunta que te proponemos.

eACTIVIDAD DE INDAGACIÓN

Realiza esta actividad en el aula o fuera de ella (aula invertida) antes de que tu profesor dé su explicación. Reflexiona sobre el trabajo realizado y la forma de hacerlo.

LA WEB DE BRUÑO

Para resolver la actividad del Explora, entra en la web de Bruño a partir de este QR y consulta la página que te proponemos o busca una relacionada con los contenidos.

Utiliza el QR Saber algo más que tienes en algunas páginas de la unidad para ampliar la información sobre el Saber básico al que está asociado. e

EXPOSICIÓN DE SABERES

Adquiere los saberes que te presentamos en el texto y ayúdate de los esquemas explicativos, tablas, imágenes comentadas, etc.

e

ACTIVIDADES PARA CONSTRUIR CONOCIMIENTO

Desarrolla tus competencias, aplica disciplinas STEM y trabaja con los ODS al resolver estas actividades graduadas con 3 niveles de dificultad (verde, naranja y azul).

Secciones finales

Utiliza el Mapa mental como una visión panorámica de los contenidos que has aprendido durante la unidad y donde se resumen las ideas básicas con ayuda de la Realidad aumentada.

Comprueba tus conocimientos y afiánzalos realizando las actividades graduadas en 3 niveles de dificultad (verde, naranja y azul) que se proponen en esta sección.

Para acceder a la Realidad aumentada descárgate la aplicación (Google Play o Apple Store) en tu móvil o tableta. Iníciala y clica sobre los iconos para abrir modelos en 3D.

Comprueba tus competencias resolviendo las actividades contextualizadas que aparecen en esta sección.

Trabaja la situación de aprendizaje con las TIC (Tecnologías de la Información y la Comunicación) y las TAC (Trabajos de Aplicación Contextualizada), de manera cooperativa y empleando los recursos web con fines pedagógicos.

Recuerda que para consultar los recursos web debes entrar en la web de Bruño a través de este QR:

ADEMÁS, EN TU LIBRO

Realiza las dos actividades de Debate en el aula sobre temas científicos y controvertidos de actualidad para trabajar en grupo, mejorar tu oratoria,

Para finalizar la unidad contesta a estas preguntas. Y valora tu aprendizaje comprobando las soluciones en el QR.

INTUITIVO

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Origen, evolución y estructura del universo

¿QUÉ SABES DE...?

¿Crees que puedes ver el eco del Big Bang en un televisor analógico?

¿Por qué el sonido de un tren se hace más agudo cuando se acerca y más grave cuando se aleja?

¿Has oído hablar de la materia oscura?

¿Y de la energía oscura? ¿Tienen algo que ver con «el lado oscuro de la fuerza»?

¿Qué son los aceleradores de partículas, como el del CERN, y para qué se utilizan?

¿Qué imagen obtuvo por primera vez el Event Horizon Telescope, en 2019, en el que participó el Observatorio IRAM Pico Veleta (Sierra Nevada)?

¿POR QUÉ LOS MODELOS

MATEMÁTICOS

SON LOS ÚNICOS

QUE PUEDEN DESCRIBIR LA NATURALEZA DEL UNIVERSO?

Si aún no lo sabes..., descubriremos juntos:

¿Se expande el universo?

¿Cuál es el origen, la evolución y el destino del universo?

¿Qué son las galaxias? ¿Cómo se agrupan?

¿Cómo es el ciclo de vida de una estrella?

¿Se expande el universo? 1

e¿Qué es el desplazamiento hacia el rojo?

Entra en la web de Bruño (ver QR de la página 5) para observar cómo se expande el universo. Puedes crear un modelo que simule por qué se alarga la longitud de onda de la radiación luminosa que llega a la Tierra desde las estrellas situadas en las galaxias.

Primer paso. Dibuja una onda en una goma elástica (A), cuya longitud de onda es l1.

Segundo paso. Estira la goma (B) y comprueba como la onda también se estira. Ahora su longitud de onda es l2

De manera análoga, una onda de luz (o de cualquier otro tipo de radiación electromagnética) «se estira», es decir, aumenta su longitud de onda cuando viaja a través del universo en expansión.

a ¿Cuántos colores componen el espectro de la luz blanca? ¿Cuál de ellos posee una mayor longitud de onda y cuál es el que tiene menor longitud de onda?

b Si una onda de radiación luminosa que llega a la Tierra desde las galaxias aumenta su longitud de onda a causa de la expansión del universo, ¿hacia qué color se desplaza?

e

1. Estas imágenes representan dos formas de concebir la expansión del universo:

a) El globo representa tanto el universo como el espacio-tiempo.

Universo y espacio-tiempo

b) El globo representa el universo que se expande en el interior del espacio-tiempo.

Universo

Espacio-tiempo

Explica por qué b) es incorrecto.

Actualmente se ha demostrado que las galaxias se alejan unas de otras y que el universo está en expansión. Aunque, en realidad, no son las galaxias las que se repelen alejándose por el espacio a gran velocidad unas de otras, sino que es el espacio-tiempo el que se expande: cuanto mayor es la expansión, mayor es el alejamiento de las galaxias, porque crece el espacio que hay entre ellas.

Astronomía, astrofísica y cosmología

➜ Astronomía. Es la ciencia que estudia los astros que componen el universo a partir de la información que nos proporciona la radiación electromagnética que nos llega de ellos: luz visible, infrarrojos, ultravioleta, rayos X, etc.

➜ Astrofísica. Es una parte de la astronomía que aplica las leyes de la física para estudiar la naturaleza, la composición, la estructura y la evolución de los astros.

➜ Cosmología. Estudia la estructura, el origen y el desarrollo de la totalidad del cosmos, que es el conjunto de todo lo que existe. Describe el universo como un sistema físico mediante modelos matemáticos, que son un conjunto de ecuaciones a través de las cuales se exponen sus propiedades, permitiendo, incluso, predecir las propiedades de nuevos estados cuando se modifica alguna de sus variables.

Ecuación de campo de la teoría general de la relatividad de Einstein (L: Constante cosmológica).

Fundamentos teóricos de la expansión del universo

Únicamente las ecuaciones matemáticas permiten a los cosmólogos adquirir determinadas percepciones de la realidad que no se pueden conseguir de ningún otro modo y, así, poder teorizar sobre la naturaleza del universo.

Roberto Grosseteste

Filósofo franciscano y erudito que, en 1225, sugirió que el universo surgió de una explosión inicial que formó la materia, seguida de una expansión.

Albert Einstein

En 1915 publicó la teoría de la relatividad ge neral, que revolucionó la física y proporcionó un marco teórico adecuado para comprender la naturaleza del universo. Según este planteamiento, el tiempo está interconectado al espacio en un entramado espacio-temporal de cuatro dimensiones que se conoce como «espacio-tiempo».

Alexander Friedmann

George Gamow y otros

Físico y meteorólogo que examinó las ecuaciones de la relatividad de Einstein y, en 1922, llegó a la conclusión de que, al eliminar la constante cosmológica, estas admitían varias soluciones, entre ellas la del modelo del universo en expansión.

En 1948 elaboraron el modelo cosmológico del Big Bang, una versión actualizada del modelo de Lemaître, y demostraron cómo se llevó a cabo la creación de los primeros elementos químicos. Entre 1970 y 1973 se desarrolló el modelo estándar de la física de partículas, una teoría que describe la estructura de la materia y el vacío.

Alan Guth

En 1981 propuso la existencia de la inflación cósmica para explicar la brusca expansión del universo primigenio.

Sus ecuaciones predecían un modelo de univer so en expansión, pero la idea que tenía el propio Einstein de un cosmos eterno e inmóvil era tan fuerte que introdujo en ella un factor (la constante cosmológica) para «obligar» a su modelo a permanecer estático. Más tarde reconoció que esta constante cosmológica en sus ecuaciones, con el fin de contrarrestar la gravitación y «frenar» la expansión acelerada del universo, fue el peor error de su carrera científica.

George Lemaître

Físico y sacerdote que llegó a las mismas conclusiones que Friedmann de manera independiente: concibió un universo en expansión, que tuvo un origen inicial. En 1927 propuso su modelo del «átomo primordial» que contenía toda la materia y energía a partir del cual se formó el universo. Este modelo fue precursor del actual Big Bang o «Gran Explosión».

Max Planck

Es el fundador de la mecánica cuántica.

Expansión del universo. Formación de materia Primeras estrellas y galaxias Galaxias modernas Origen del universo.

Big Bang

Big Bang

¿Hay alguna evidencia experimental de la expansión del universo?

Georges Lemaître y Alexander Friedmann describieron en sus modelos teóricos que el universo se expande, pero solo la observación experimental puede confirmar o negar los supuestos formulados en dichos modelos. Y esto fue lo que hicieron los astrónomos Vesto Slipher y Edwin Hubble.

Edwin Hubble

En 1929 demostró experimentalmente que las galaxias se alejan unas de otras y que el universo está en expansión.

Vesto Slipher

En 1914 llevó a cabo una serie de mediciones en 12 galaxias y demostró que solo una de ellas, Andrómeda, se acercaba hacia la Tierra; las otras 11 se alejaban.

Ley de Hubble-Lemaître

Establece que la velocidad de alejamiento de una galaxia es directamente proporcional a su distancia. Esta ley se puede expresar de la siguiente manera:

v = H0 · D

Donde:

➜ v es la velocidad de alejamiento de una galaxia (en km/s).

➜ H0 es la constante de proporcionalidad de Hubble, su cálculo varía con el tiempo; el valor propuesto por Adam Riess en 2022 es de:

73,4 h + 0,99 km/s/Mpc –1,22 km/s/Mpc

➜ D es la distancia entre la galaxia y la Tierra (en megaparsecs: Mpc).

¿Cómo se observa el alejamiento de las galaxias?

La luz que llega a la Tierra desde las galaxias contiene una mezcla de radiaciones de distintas longitudes de onda, que pueden separarse mediante un espectroscopio y dar lugar a un espectro. Cada espectro está formado por los siete colores del arcoíris (la luz roja es la de mayor longitud de onda, y la luz violeta, la de menor), y sobre ellos se superponen una serie de bandas oscuras de absorción, correspondientes a determinados elementos químicos presentes en el gas interestelar de la galaxia, que absorben parte de la radiación.

Estos espectros son una especie de huella dactilar, ya que cada elemento químico tiene el suyo propio: la longitud de onda en la que aparecen las bandas de absorción es una constante característica de cada elemento químico. Edwin Hubble observó que las bandas espectrales de absorción de determinados elementos químicos (1) presentes en galaxias lejanas (A y B) se desplazan hacia mayores longitudes de onda (hacia el rojo) respecto del espectro obtenido en el laboratorio para los mismos elementos químicos, cuando el foco emisor de la radiación está fijo con relación al observador (C). Este fenómeno se conoce como desplazamiento hacia el rojo de las líneas espectrales y significa que las galaxias se alejan unas de otras a una velocidad directamente proporcional a su distancia.

¿Cómo se miden las distancias entre galaxias?

Estas medidas se pueden realizar por el método de las cefeidas, desarrollado por la astrónoma Henrietta Leavitt en 1912.

Una cefeida es un tipo de estrella muy brillante, cuyo brillo crece y disminuye rítmicamente, describiendo un ciclo regular, desde que se oscurece hasta que recupera su luminosidad. El tiempo de duración del ciclo es proporcional al brillo real de la estrella. Si buscamos estrellas cefeidas en una galaxia, podemos calcular su distancia comparando el brillo real de esas estrellas con el aparente.

Tamaño máximo

Se oscurece al contraerse

Recupera el brillo cuando se expande

Ciclo de una cefeida.

¿Qué es el efecto Doppler?

Existen dos tipos de efecto Doppler:

➜ Efecto Doppler cosmológico. El desplazamiento hacia el rojo de las líneas espectrales se debe a que las galaxias se alejan unas de otras porque el universo, es decir, el espacio-tiempo, se expande, y no porque las galaxias se muevan y se alejen dentro de ese espacio-tiempo.

Longitud de onda estirada desplazada hacia el rojo

Longitud de onda original

Henrietta S. Leavitt

Astrónoma estadounidense (18681921) injustamente ignorada, a pesar de sus importantes descubrimientos sobre un tipo de estrellas, denominadas «variables» o «cefeidas», cuyo brillo, que oscila rítmicamente, se utiliza para calcular las distancias entre estrellas y galaxias. Sus mediciones se siguen empleando en la actualidad.

En su época no recibió ningún premio, ni medalla, ni reconocimiento por su trabajo; solo era considerada una simple «calculadora» humana.

➜ Efecto Doppler convencional. La longitud de una onda emitida por un objeto que se mueve en el espacio es percibida por un observador de forma diferente a la emitida por el objeto: la longitud de onda percibida es mayor si el objeto emisor se aleja del observador, y menor, si se acerca a él.

Galaxia distante Tierra

TIEMPO

2. Compara la posición de las bandas espectrales de absorción de determinados elementos químicos presentes en una galaxia lejana (A) con el que se obtiene en el laboratorio para los mismos elementos químicos (B). ¿A qué conclusión llegas?

La ambulancia al alejarse «estira» las ondas sonoras detrás y provoca el alargamiento de su longitud de onda (sonido grave) (1); mientras que, al acercarse, las ondas se acortan (sonido agudo) (2).

Tamaño mínimo

¿Cuál es el origen, la evolución y el destino del universo? 2

e¿Surgió el universo de una gran explosión?

Entra en la web de Bruño para observar cuál pudo ser el origen del universo, cómo se desarrolló posteriormente y cuál podría ser su destino final.

a ¿Has oído hablar de la teoría del Big Bang? ¿Qué científico le dio este nombre y qué modelo cosmológico propuso como alternativa al Big Bang?

Si se invierte la expansión del espacio-tiempo, extrapolando hacia atrás, las teorías actuales llegan a la conclusión de que hubo un principio del universo. Pero ¿hasta dónde nos permiten «rebobinar» las leyes de la física? Existen distintos modelos cosmológicos que intentan explicar el origen y la evolución del universo, de los cuales destacan dos: el modelo del Big Bang clásico o estándar y el modelo del Big Bang inflacionario.

1 Era de Planck. Instante fugaz comprendido entre la explosión original y los 10–43 segundos. Para la física, es un periodo imposible de describir, porque sería necesario sustituir la teoría de la relatividad general por una teoría cuántica de la gravitación. Actualmente, hay dos enfoques: la gravedad cuántica de bucles y las teorías de cuerdas agrupadas en la teoría M.

4 Era electrodébil y de los cuarks. Entre 10–32 y 10–12 segundos se separó la fuerza nuclear fuerte de la fuerza electrodébil (electromagnética y nuclear débil). Entre 10–12 y 10–6 segundos se formó una «sopa» de partículas elementales, como los cuarks, los bosones y sus antipartículas.

2 Era de la unificación. Momento breve comprendido entre 10–43 y 10–36 segundos. Se separó la fuerza de la gravedad y permanecieron unidas la fuerza electromagnética, la fuerza nuclear fuerte y la nuclear débil.

3 Era de la inflación. Entre 10–36 y 10–32 segundos se produjo una brusca expansión, tal vez inducida por una energía similar a la energía oscura, asociada a un campo cuántico denominado «inflatón». Los físicos sugieren que la inflación creó los grumos de materia que dieron lugar a los racimos de galaxias.

5 Era hadrónica. En el instante comprendido entre 10–6 y 1 segundos, se separó la fuerza nuclear débil de la fuerza electromagnética. A partir de los cuarks se formaron las partículas del núcleo, protones y neutrones, conocidas como «partículas hadrónicas».

6 Era leptónica. En el periodo comprendido entre 1 y 10 segundos se formaron nuevas partículas elementales, denominadas «leptones», como los electrones y los neutrinos.

Modelo del Big Bang clásico o estándar

Este modelo propone, teniendo en cuenta el actual ritmo de expansión, que en el instante t = 0, hace unos 13 800 millones de años, toda la materia del universo, las cuatro fuerzas que actúan sobre ella (gravedad, fuerza electromagnética, fuerza nuclear fuerte y nuclear débil), la energía, el espacio, el tiempo y el vacío se encontraban bajo la forma de una singularidad.

Una singularidad es un punto inmaterial infinitamente denso y caliente, de radio nulo, con unas condiciones tan extremas que a las leyes de la física actual le cuesta describirla.

Cuanto más nos acercamos al Big Bang, más energéticos son los procesos y más dudoso es nuestro conocimiento. Se supone que, en medio de la nada, se generó una especie de «explosión» en una singularidad, el Big Bang, que liberó una enorme cantidad de energía. En realidad, ni hubo explosión, ni fue grande, ni tuvo lugar en un punto concreto, sino que ocurrió en todas partes, ya que no existe un centro del universo. En ese mismo instante nacieron el espacio y el tiempo y se formó el universo, que no ha cesado de expandirse empujado por una energía oscura, enfriándose cada vez más.

7 Era de la nucleosíntesis. Entre 10 segundos y 20 minutos, los protones y los neutrones se asociaron para formar núcleos de hidrógeno (deuterio y tritio). Las altas temperaturas permitieron, durante un breve periodo, que estos núcleos colisionaran, se fusionaran y dieran lugar a núcleos de helio y algo de litio.

380

e

3. El antiguo arcano «Todo lo que hay arriba es como lo que hay abajo...», principio fundamental de los alquimistas, parece recobrar una inquietante actualidad. Las investigaciones confirman que el origen de lo infinitamente grande, el universo (el macrocosmos) se explica a partir de lo infinitamente pequeño, las partículas elementales (el microcosmos).

a) ¿A qué hace referencia esta afirmación?

b) ¿Qué tipos de elementos químicos se constituyeron en los instantes posteriores al Big Bang?

c) ¿Cuándo hicieron su aparición los primeros átomos en el universo?

8 Era de los átomos y de la radiación: recombinación y desacoplamiento. Entre los 20 minutos y los 200 000 años, el universo era una «sopa» muy caliente de núcleos de H, He, Li, electrones y fotones. Los electrones libres colisionaban con los fotones y la energía radiante no podía escapar: el universo era opaco. Entre los 200 000 y los 380 000 años actuó la fuerza electromagnética y combinó los electrones con sus núcleos (recombinación) formando átomos de hidrógeno, helio y una pequeña cantidad de litio. En ese momento, tuvo lugar el desacoplamiento de la materia (átomos) y la radiación (fotones): el universo se hizo transparente y la radiación fotónica pudo escapar y viajar a través de la materia formada por átomos para dar lugar a la radiación de fondo de microondas.

9 Era oscura, de las estrellas y de las galaxias: reionización. En la etapa comprendida entre 380 000 y 100 · 106 años aún no se habían formado las estrellas y los átomos de hidrógeno absorbieron los fotones a su alrededor, lo que sumió al universo en oscuridad. Entre 100 · 106 y 400 · 106 años se formaron las primeras estrellas, y la materia, agrupada por el poder gravitatorio de la materia oscura, originó las primeras galaxias enanas. La radiación fotónica que emitían ionizó los átomos de hidrógeno (reionización), por lo que dejaron de absorber energía radiante y cesó la oscuridad.

Átomo de Li

Átomo de He Átomo de H

Elementos pesados

Planetas

Vida

Núcleos de H

Fotones (radiación de fondo de microondas)

Presente

Hace unos 5 000 millones de años se acelera la expansión del universo impulsada por la energía oscura.

Galaxias

Eras del modelo del Big Bang clásico o estándar

La energía de la radiación era tan intensa en los primeros instantes del universo que espontáneamente se convertía en partículas minúsculas de materia llamadas cuarks, leptones y otras. Según la ecuación de Einstein, E = m c2, la materia y la energía pueden convertirse la una en la otra.

A medida que el espacio y el tiempo se expandían, esta sopa caliente de materia primordial se enfriaba gradualmente, generando inmensas nubes de hidrógeno y helio, a partir de las cuales se formaron las estrellas y las galaxias. Además, apareció un tipo de materia, de naturaleza poco conocida, llamada materia oscura. La historia cósmica se puede resumir en nueve grandes eras: de Planck, de la gran unificación, de la inflación, de la energía electrodébil y de los cuarks, hadrónica, leptónica, de la nucleosíntesis, de los átomos y de la radiación, y oscura, de las estrellas y de las galaxias.

1. Era de Planck: hasta los 10-43 segundos después del Big Bang (d. B. B.)

La temperatura y la densidad eran tan altas que las cuatro fuerzas que rigen el comportamiento de todas las partículas elementales estaban agrupadas en una única superfuerza, la electronuclear gravitatoria, y toda la materia se encontraba en forma de energía. Se la ha llamado «la frontera de la física» porque las teorías que describen el inicio del Big Bang se desmoronan en este punto; esta teoría es incompleta.

Hasta el momento no existe ninguna teoría que permita describir con exactitud las características y las propiedades de este instante fugaz. Para ello, sería necesario unificar la teoría de la relatividad general, que explica el mundo de las cosas grandes, con la teoría de la mecánica cuántica, que explica el mundo de las cosas pequeñas (el átomo y los elementos que lo componen).

La teoría cuántica de la gravitación, aún sin elaborar, es objeto de investigación en la actualidad. Solo algunas teorías de gran complejidad matemática, como la teoría de cuerdas o la teoría M, tratan de interpretar los sucesos ocurridos en los instantes previos y posteriores a la gran expansión.

La exploración del universo desde Andalucía

El Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA) es un organismo científico, con sede en Granada, que depende del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC). Su principal objetivo es la investigación en astrofísica, que es una parte de la astronomía encaminada a la aplicación de las leyes de la física para estudiar la naturaleza de los astros, su comportamiento, composición, estructura y evolución.

En este centro se llevan a cabo diferentes proyectos de investigación en distintas áreas de la astrofísica: el sistema solar; la formación, estructura y evolución de las estrellas y de las galaxias y la cosmología, así como el diseño y construcción de instrumentos para los observatorios astronómicos y los vehículos espaciales.

El IAA lleva a cabo su tarea de investigación astrofísica mediante el Observatorio de Sierra Nevada (OSN) (1), ubicado en la Loma de Dílar (Sierra Nevada), y el Observatorio Astronómico Hispano-Alemán de Calar Alto, situado en la sierra de Los Filabres (Almería), en colaboración con el Instituto Max-Planck de Heidelberg, que es el mayor de Europa. En Sierra Nevada, cerca del OSN, se encuentra también el radiotelescopio (2) del Observatorio IRAM Pico Veleta, una colaboración franco-germano-española.

Teoría de la relatividad general Explica, en el mundo de las cosas grandes (espacio-tiempo, galaxias, etc.), cómo la fuerza de la gravedad es la causa de que los cuerpos de gran masa (1 y 2) deformen el espacio-tiempo (3) y provoquen perturbaciones que se propagan en forma de ondas gravitacionales a la velocidad de la luz (4). Su descubrimiento por los detectores del experimento LIGO (Observatorio de Interferometría Láser de Ondas Gravitacionales) fue anunciado en 2016.

El modelo estándar

Teoría de la mecánica cuántica

Describe, en el mundo de las cosas pequeñas, la naturaleza de las partículas elementales que componen el átomo y las fuerzas que actúan sobre ellas.

Cuarks

Átomo

Partículas subatómicas y elementales.

Es la teoría basada en la mecánica cuántica que describe las partículas elementales que constituyen la estructura de la materia (cuarks, leptones, etc.) y tres de las fuerzas fundamentales, excepto la gravedad, que actúan sobre ellas (nuclear fuerte, nuclear débil y electromagnetismo).

Toda la materia se puede describir mediante las partículas elementales materiales: seis tipos de cuarks y seis tipos de leptones; además, existe una partícula de antimateria para cada una de las partículas materiales.

Las cuatro fuerzas fundamentales que actúan sobre la materia son el resultado del intercambio de partículas portadoras de fuerza, que participan como mensajeras de la interacción: bosones W+, W– y Z0, fotón, gluon y gravitón. Este último no se ha conseguido detectar experimentalmente.

2. Era de la gran unificación: de 10-43 a 10-36 segundos (d. B. B.)

Se separó la fuerza de la gravedad de las tres fuerzas restantes, que permanecían unidas bajo la forma de la gran fuerza unificada.

4. ¿Por qué se ha llamado a la era de Planck «la frontera de la física»?

5. Trabajad por parejas y buscad información sobre el CERN y sus actividades. Elaborad un informe y presentadlo al resto de la clase.

6. ¿A qué tipo de partículas elementales pertenece el electrón?

Fuerza nuclear fuerte

Fuerza nuclear débil

Fuerza electromagnética

Fuerza gravitatoria

Gluon Neutrón

Electrón

3. Era de la inflación: de 10-36 a 10-32 segundos (d. B. B.)

La teoría del Big Bang no explica los momentos previos e inmediatamente posteriores al inicio del universo. Pero existe una teoría complementaria, denominada teoría de la inflación, propuesta por Alan Guth en 1981, que intenta explicar los acontecimientos que sucedieron en ese instante.

En el modelo del Big Bang clásico o estándar, la inflación se encuentra integrada como una era más, mientras que en el modelo del Big Bang inflacionario (lo estudiarás más adelante) la inflación tiene lugar en el inicio del universo y da lugar al denominado «Big Bang caliente».

Según la teoría de la inflación, en esta era se produjo la expansión desmesurada e instantánea del espacio-tiempo, tal vez inducida por una energía misteriosa, similar a la desconocida energía oscura, asociada a un campo cuántico denominado inflatón, cuya existencia no se conoce.

La brusca expansión del universo tal vez creó la materia oscura y arrojó grandes regiones del espacio más allá de nuestro horizonte observable. Además, fue la causa de que unas regiones del universo crecieran algo más rápido que otras.

Estas fluctuaciones provocaron la aparición de irregularidades o «arrugas» en el cosmos, debidas a leves diferencias de temperatura y densidad entre unas zonas y otras, que dieron lugar al «alisamiento» del espacio y fueron el origen de las futuras galaxias y de la estructura del universo esponjoso.

Inflatón

Fotografía de las «arrugas» del universo

Además, comprobaron que el universo se encuentra en un estado de expansión acelerada y pusieron de mani fiesto la existencia de un tipo de energía que produce una fuerza repulsiva, denominada energía oscura.

Esta imagen de la derecha proporcionada por el satélite WMAP es como una fotografía del universo joven. Muestra las «arrugas» del universo primitivo, es decir, las fluctuaciones generadas en la inflación, que permiten comprender la formación de la materia a partir de una espe cie de «condensación» de la energía, que será la semilla de las futuras galaxias, y explican su irregular distribución en el universo observable.

Los satélites COBE (Explorador del Fondo Cósmico), WMAP (Sonda Anisotrópica de Microondas Wilkinson) y Planck han medido de manera precisa la radiación cósmica de fondo de microondas. Cartografiaron el universo y encontraron un conjunto de manchas que indicaban las fluctuaciones o irregularidades en la distribución de la temperatura y la densidad primigenias generadas durante la inflación. Las diferencias de color indican pequeñas fluctuaciones en la intensidad de la radiación, que más adelante dieron lugar a la peculiar estructura esponjosa del universo.

Hace 380 000 años (dBB).

Universo primitivo Presente

En el modelo del Big Bang inflacionario, la inflación dio lugar al universo.

Imagen del universo actual proporcionada por el satélite WMAP.

4. Era electrodébil y de los cuarks: de 10-32 a 10-12 segundos (d. B. B.)

La expansión del espacio-tiempo y el enfriamiento permitieron la separación de la fuerza nuclear fuerte, dejando unidas la nuclear débil y la electromagnética (fuerza electrodébil). Esta separación liberó una gigantesca fuente de energía (radiación fotónica) que, entre 10–12 y 10–6 segundos, se transformó en una poderosa máquina capaz de materializar la energía y forjar una gran variedad de partículas elementales, como el bosón de Higgs, que otorga masa a las demás partículas.

Cuando el universo tenía una temperatura de unos 1 027 K, los fotones se materializaron y dieron lugar a pares de partículas de materia y antimateria (según la ecuación de Einstein, energía y materia son equivalentes: E = m · c2). Así se formaron, entre otras partículas, los cuarks y los anticuarks. En este horno cósmico de elevadas temperaturas, el universo era una especie de sopa densa donde los cuarks colisionaban con los anticuarks para volver a convertirse en fotones (energía). Hasta que, conforme continuó la expansión del universo, la temperatura disminuyó de tal forma que la energía de la radiación ya no fue suficiente para permitir su materialización en pares de cuarks-anticuarks.

Por alguna razón desconocida, por cada 1 000 millones de anticuarks que surgieron aparecieron 1 000 millones de cuarks más 1. Esta asimetría de las leyes físicas, que ha sido comprobada sucesivas veces en los colisionadores experimentales de partículas, permitió que durante el enfriamiento siguiente todos los cuarks desaparecieran por aniquilación con sus anticuarks (convirtiéndose de nuevo en energía), con la excepción de uno entre mil millones.

Los aceleradores de partículas

Para conocer la infancia del universo es necesario usar la física de partículas o de altas ener gías que nos proporciona el modelo estándar. Los telescopios de lo infinitamente pe queño son los aceleradores de partículas, como el LHC (Large Hadron Collider, gran colisionador de hadrones) del CERN (Laboratorio Europeo de Física de Partículas), que es un gigantesco anillo subterráneo de 27 kilómetros de longitud, dotado de electroimanes (1) y detectores (2) por donde circulan partículas subatómicas a velocidades próximas a la de la luz.

En un momento determinado hacen chocar unas partículas contra otras que viajan en sentido contrario, con una fuerza tan descomunal que al romperse se crean nuevas partículas elementales (cuarks, leptones, muones, etc.) (3) y se generan energías tan altas que la materia se comporta de manera similar a como lo hacía en los instantes próximos al Big Bang. Cuanto mayor es la velocidad que logran las partículas, mayor será la energía cinética que poseen y mayor será la temperatura que se alcanza durante la colisión. Esto permite a los investigadores estudiar el universo. e

7. Nuria ha observado que cada fotón que se materializa da lugar a un par cuark-anticuark. Además, sabe que la antimateria no ha sido detectada en el universo.

Entonces, Nuria se pregunta: ¿cuál es la causa de que vivamos en un universo de materia?

8. Era de los átomos y de la radiación: de 20 minutos a 380 000 años (d. B. B.)

La materia del universo se encontraba suspendida en un océano de luz en estado de plasma. Las elevadas temperaturas mantenían los núcleos de los átomos de hidrógeno, helio y litio separados de sus electrones, que se encontraban libres y colisionaban con los fotones. La energía radiante generada no podía escapar, y el universo opaco parecía una densa niebla. Entre 200 000 y 380 000 años después, la temperatura descendió lo suficiente como para permitir que la fuerza electromagnética hiciese posible la asociación estable entre los núcleos (carga positiva de los protones) y los electrones (carga negativa), apareciendo los primeros átomos de hidrógeno, helio y litio: este proceso se denomina recombinación. En ese momento tuvo lugar el desacoplamiento de la materia (átomos) y la radiación (fotones): los electrones dejaron de interaccionar con los fotones y se aclaró la niebla cosmológica; el universo se hizo transparente y la radiación fotónica pudo escapar y viajar a través de la materia atómica para dar lugar a la radiación de fondo de microondas.

Era de los átomos y de la radiación.

El eco del Big Bang

La expansión del universo ha provocado que los fotones de la radiación luminosa se hayan ido enfriando hasta alcanzar la temperatura actual de 2,9 K (unos ‒270 ºC). Esto implica una disminución de la intensidad de la radiación y, por tanto, el aumento de su longitud de onda hasta las frecuencias de las microondas, que se denomina radiación cósmica de fondo de microondas.

Se trata de un residuo fósil de una era antigua, hace 380 000 años después del Big Bang, que nos recuerda un universo joven en aquel instante en el que surgió de la energía, junto con la materia, un océano de luz y radiaciones, mientras las partículas de la materia se separaban y se ensamblaban en millones de átomos que conducirían a la aparición de galaxias, estrellas, planetas y todos los seres vivos que en ellos habitamos.

Radiación cósmica de fondo de microondas

2,9 K

De los excrementos de paloma al Big Bang

En 1964, R. Wilson y A. Penzias realizaban los ajustes pertinentes en una antena muy sensible de un radiotelescopio y, en una de sus mediciones, sintonizaron un ruido de fondo correspondiente a una débil señal de radio residual, que no podían atribuir a algo conocido y que procedía de todas las regiones del cosmos.

En un principio creyeron que se debía a los excrementos de las palomas que habían anidado en la antena, pero tras limpiarlos siguieron percibiendo el mismo ruido, que fueron incapaces de eliminar.

Llegaron a la conclusión de que esta débil señal de radio correspondía a la que había predicho Gamow en su modelo cosmológico: era el eco del Big Bang, la radiación residual de la primitiva gran explosión, denominada radiación cósmica de fondo de microondas.

8. Eladio sintonizó un canal de un antiguo televisor analógico (1) que no correspondía a ninguna emisora. Alguien le había dicho que la «nieve» que veía en la pantalla (2) eran las ondas captadas de su entorno; una parte de esta señal se correspondía con la radiación cósmica de fondo de microondas. Se sentó frente al televisor y se dispuso a ver el eco del Big Bang.

¿Por qué esta radiación solo se puede percibir a partir de los 380 000 años después del Big Bang? ¿Procede de algún punto concreto del espacio? ¿Dónde crees que se encuentra el centro del universo?

1 2

9. Era oscura, de las estrellas y de las galaxias: de 380 000 a 400 · 106 años (d. B. B.)

En la etapa comprendida entre 380 000 y 100 · 106 años después del Big Bang, la materia organizada en átomos de hidrógeno, helio y litio formó una inmensa nebulosa primordial. Aún no se habían constituido las estrellas cuando los átomos de hidrógeno absorbieron los fotones que habían escapado anteriormente tras la recombinación, lo que sumió el universo en una inmensa oscuridad, de ahí el nombre de era oscura.

Entre 100 · 106 y 400 · 106 años después, la materia, agrupada por el poder gravitatorio de la materia oscura, originó las primeras estrellas gigantes, los primeros cuásares (objetos cuasi estelares muy distantes) y las primeras galaxias enanas, las cuales se fusionaron unas con otras hasta formar las galaxias actuales. La radiación fotónica que emitían ionizó los átomos de hidrógeno de la nebulosa primordial (reionización), y dejaron de absorber energía radiante: cesó la oscuridad y se hizo la luz en el universo.

Posiblemente, la materia oscura, junto con la fuerza de la gravedad, actuó sobre las fluctuaciones o irregularidades generadas durante la inflación del universo, haciendo que la materia de esta nebulosa primordial se desgajara en forma de filamentos y grumos. Estas formaciones fueron el origen de estructuras a gran escala: las galaxias se reúnen en cúmulos, supercúmulos y filamentos que le dan al universo un aspecto esponjoso. Los racimos de galaxias se disponen en las paredes de las burbujas y entre ellas existen vacíos inmensos.

Materia oscura

Las galaxias y toda la materia visible del universo solo representan el 5 % de la densidad de materia-energía. Es posible que las regiones vacías no estén tan vacías, ya que pueden estar llenas de un tipo de materia llamada materia oscura. Fritz Zwicky, en 1933, y Vera Rubin, en 1975, proporcionaron las pruebas de su existencia.

La materia oscura representa el 27 % de la densidad de materia-energía. Su naturaleza es desconocida (podría estar formada por neutrinos, neutrilinos, axiones, monopolos, WIMP, hexacuarks, etc.), porque no emite ni absorbe radiación electromagnética (luz, ondas de radio, etc.) que permita detectarla. Su existencia se percibe indirectamente por sus efectos gravitacionales sobre las galaxias. Esta materia (1) sirve como una especie de esqueleto cósmico o «árbol de navidad» en el que se alojan los racimos de galaxias como guirnaldas brillantes (2).

Energía oscura

A. Riess, S. Perlmutter y B. Schmidt (galardonados con el Premio Nobel de Física en 2011) demostraron que el universo está acelerando su expansión a causa de la existencia de una misteriosa energía oscura, de naturaleza desconocida, que representa el 68 % de la materia-energía.

Esta energía oscura actúa como fuerza repulsiva en contra de la gravedad y, para algunos científicos, se asemeja a la constante cosmológica que Einstein había introducido en sus ecuaciones, aunque ahora adquiriría un significado distinto. Otros científicos la atribuyen a campos de energía del vacío, al que denominan quintaesencia (el nombre que dio Aristóteles al quinto elemento del que estaban hechos los cielos). Energía

¿Qué fue antes, el Big Bang o la inflación? e

La teoría del Big Bang clásica o estándar no resuelve incógnitas, como por qué el universo es plano y homogéneo (presenta las mismas propiedades en todos los puntos), cuál es el origen del universo o por qué se forman las galaxias y se agrupan en cúmulos y supercúmulos. Estas preguntas se resuelven mediante la teoría de la inflación, que es la más aceptada por gran número de científicos.

➜ Para unos, la inflación queda integrada como una era más del Big Bang estándar.

➜ Para otros, es un fenómeno primordial que creó las condiciones para que el universo pudiera nacer y actuó de detonante del Big Bang. Este nuevo modelo se denomina Big Bang inflacionario o caliente.

9. Hace unos 5 000 millones de años se aceleró la expansión del universo. ¿Qué tipo de energía la impulsó?

10. Los supercúmulos de galaxias se disponen en las paredes de inmensas burbujas y entre ellas existe el vacío. ¿Cuál es la causa de esta distribución irregular de las galaxias en el universo?

CARACTERÍSTICAS DEL MODELO DEL BIG BANG INFLACIONARIO O CALIENTE

El inicio del universo no fue una singularidad, sino un campo cuántico, denominado inflatón, cuya energía provocó la expansión exponencial del espacio-tiempo y dio lugar a un universo plano y homogéneo.

Instantes después, el inflatón se desprendió de su energía, que se convirtió en fotones y partículas elementales de materia, lo que provocó la detención de la expansión exponencial, pero siguió expandiéndose a un ritmo más lento.

Las fluctuaciones cuánticas que experimentó el inflatón hicieron que unas regiones se desprendieran de su energía antes que otras y crearan irregularidades o «arrugas» en el cosmos, responsables de la aparición de islas de materia que fueron el origen de las galaxias.

En el final de la inflación ocurrió un proceso de recalentamiento que dio lugar a un universo del tamaño del sistema solar lleno de una «sopa» caliente de fotones y partículas elementales, que marcó el inicio del Big Bang inflacionario. A partir de aquí, todo sucedió como en el Big Bang estándar.

Big Bang inflacionario o caliente

Era de los átomos y de la radiación

LIGO y VIRGO (ondas gravitacionales)

COBE, WMAP, Planck (radiación cósmica de fondo de microondas)

LHC (CERN) (partículas elementales)

BICEP2 (Inflación)

Observaciones experimentales:

Telescopios y radiotelescopios (ondas de luz y de radio)

Era oscura, de las estrellas y de las galaxias

Inflación Fluctuaciones cuánticas en el inflatón

Cortesía NASA/JPL-Caltech

¿Cuál es el destino final del universo?

Hasta hace poco tiempo, los cosmólogos creían que el futuro del universo dependía de la densidad de su masa-energía y admitían dos posibles destinos: el Big Chill y el Big Crunch. Sin embargo, el descubri-

11. ¿Cuál de las gráficas de la derecha sobre el destino final del universo es la más probable, a la luz de los descubrimientos acerca de la energía oscura?

12. ¿Qué condiciones serían necesarias para que se produjese un Big Crunch?

Distancia entre galaxias

miento de la energía oscura, responsable de la aceleración de la expansión, ha planteado otro escenario posible: el Big Rip.

Big Rip

Big Chill

Presente ? ?

Universo pulsante

Big Bang

Tiempo

Big Crunch

ESCENARIOS POSIBLES PARA EL FUTURO DEL UNIVERSO

Big Chill (el «Gran Enfriamiento»)

En un universo abierto, donde la materia-energía es insuficiente y la fuerza de la gravedad no frena su expansión, el espacio se expandiría indefinidamente, a un ritmo lento, y el universo estaría condenado a una muerte lenta y fría en medio de la oscuridad.

Big Crunch (la «Gran Contracción»)

En un universo cerrado, donde la materia-energía resulta suficiente para generar una atracción gravitatoria capaz de frenar la expansión, tendría lugar una gran contracción, hasta alcanzar el punto de singularidad inicial. Otra posibilidad sería que el universo «pulsante» fuera sometido a infinitos ciclos de expansión-compresión.

Big Rip (el «Gran Desgarramiento»)

En un universo abierto, donde la fuerza repulsiva de la energía oscura superaría la fuerza de la gravedad, la expansión sería tan acelerada que en un instante determinado se produciría el desgarramiento de todo cuanto conocemos: las galaxias y toda la materia se evaporarían y el tiempo se detendría.

¿Qué es el multiverso?

Según la teoría de la inflación, en el inflatón se producen continuamente fluctuaciones cuánticas, que dan lugar, en las escalas microscópicas de la física cuántica, al «burbujeo» del espacio-tiempo y a la formación de una «espuma cósmica» (1) en la que cada burbuja es un miniuniverso: la mayoría desaparecen, pero algunos experimentan inflación, se deshacen de su energía, crean materia, se expanden y forman un universo (2). Esta inflación daría lugar a múltiples burbujas y a un conjunto de universos diferentes: un multiverso (3).

¿Qué

son las galaxias? ¿Cómo se agrupan? 3

e¿Qué es la Vía Láctea?

Entra en la web de Bruño para observar las características de las galaxias y las distancias en el universo. Si miras el cielo en una noche estrellada, podrás percibir una franja irregular de apretadas estrellas que surcan el firmamento: recibe el nombre de «Vía Láctea», por el aspecto blanquecino y lechoso que presenta.

La Vía Láctea es una galaxia con forma espiral que contiene nebulosas, polvo cósmico y entre 100 000 y 300 000 millones de estrellas. En uno de sus brazos se sitúan el Sol, la Tierra y los demás planetas del sistema solar, a unos 30 000 años luz (a. l.) de su centro.

a ¿Qué forma tiene la Vía Láctea vista desde la Tierra?

Las galaxias son enormes acumulaciones de materia en forma de polvo cósmico, nebulosas y estrellas, algunas de las cuales poseen planetas. Todos estos componentes galácticos se mantienen unidos entre sí por la potente fuerza de atracción de la gravedad que se genera entre sus grandes masas.

Tu galaxia, la Vía Láctea, está formada por las siguientes estructuras:

➜ Halo. Tiene forma esférica. Contiene viejas estrellas agrupadas en cúmulos globulares y algunas estrellas aisladas.

➜ Disco. De forma achatada Contiene nebulosas, polvo cósmico y estrellas, algunas de las cuales poseen planetas asociados, distribuidas en cinco brazos principales en espiral: el de Perseo, el de Orión (donde te encuentras), el de Sagitario, el de Centauro y el del Cisne.

➜ Bulbo o núcleo. Formado por un enjambre de millones de viejas estrellas y un agujero negro en su centro que sería una potente fuente de emisión de rayos X. Se denomina Sagitario A* y devora gas, polvo y viejas estrellas del núcleo galáctico.

Esfera celeste vista desde el brazo espiral de la Vía Láctea, donde te encuentras. Sería un globo imaginario tapizado de estrellas, en cuyo centro estaría la Tierra. Todas las nebulosas, las estrellas y los planetas que vemos se encuentran en nuestra galaxia.

Vía Láctea vista desde la Tierra. Si cortamos la esfera celeste y la abrimos, obtendremos un mapa del firmamento, tal y como lo veríamos desde la Tierra (A). La Vía Láctea se aprecia como una extensa banda lechosa, delgada y aplanada (B).

Brazos en espiral

Brazo de Orión

Bulbo

Vía Láctea vista desde la Tierra

Las distancias entre las galaxias y las estrellas son gigantescas, tanto que para medirlas necesitamos definir unidades, como el año luz (a. l.), que es la distancia que recorre la luz en un año.

Y si consideramos que la luz viaja a una velocidad cercana a los 300 000 km/s, en un año recorre la escalofriante distancia de… ¡9,46 billones de kilómetros!

Universo esponjoso

¿Qué formas tienen las galaxias?

Elíptica Espiral normal Espiral barrada Irregular

¿Cómo es la estructura del universo?

El universo tiene aspecto esponjoso y burbujeante. Sus más de 100 000 millones de galaxias tienen tendencia a reunirse en enjambres, llamados cúmulos, que se agrupan en supercúmulos, y estos, a su vez, se disponen en filamentos en las paredes de las burbujas, como enormes murallas cósmicas, incrustadas en una especie de esqueleto cósmico formado por la materia oscura.

Estás aquí

Cúmulo del Grupo Local.

Vía Láctea (1), Andrómeda (2), Nube de Magallanes Grande (3), Nube de Magallanes Pequeña (4), Dragón (5) y Sistema de la Osa Menor (6).

Supercúmulo Laniakea. Está formado por el cúmulo del Grupo Local, junto con el cúmulo de Virgo y otros cúmulos más.

Telescopios, como el telescopio espacial James Webb, y radiotelescopios son los instrumentos que utilizan los astrónomos para observar lo infinitamente grande: las galaxias. En ellas, el espacio entre las estrellas no está vacío, ya que contiene el medio interestelar compuesto por una mezcla de gases (hidrógeno y helio, principalmente) y polvo cósmico. Además, posee una pequeña fracción de compuestos orgánicos sintetizados mediante un conjunto de reacciones químicas que convierten el medio interestelar en un verdadero laboratorio cósmico.

Año luz (a. l.)

Modelo a escala de la estructura del universo.

Racimos de galaxias (en amarillo) engarzadas en filamentos de materia oscura (en morado).

Filamentos de galaxias

¿Qué es el universo observable?

Tanto si el universo es finito como si es infinito, solo conocemos lo que se encuentra dentro de una región esférica centrada en la Tierra, denominada universo observable, donde se localizan los objetos cuya luz ha tenido tiempo de viajar hasta nosotros.

Su frontera externa es una superficie llamada horizonte cósmico de luz, de donde proceden los fotones liberados en la era de los átomos y de la radiación, que han estado viajando desde entonces hasta la actualidad.

La luz de los objetos más remotos aún no nos ha llegado. Si el universo no se expandiera, el radio de la esfera del universo observable sería de unos 13 800 millones de años luz (1), pero como se ha expandido, el radio actual es de unos 47 000 millones de años luz (2).

Galaxias primitivas

Era de los átomos y de la radiación

Mirar lejos es ver temprano

Cuando miras la luz de las estrellas y de las galaxias, estás viendo su pasado. Algunas son tan remotas que su luz ha tardado miles de millones de años en llegar a la Tierra. Las vemos tal y como eran en su juventud. Puede que ya ni existan. Tan solo vemos su luz viajar por el espacio infinito.

13. Si viajásemos a la velocidad de la luz, ¿cuánto tiempo tardaríamos en llegar a la cercana Andrómeda, que se encuentra a 2 millones de años luz de la Tierra? ¿Y cuánto tardaríamos en recorrer de un extremo a otro la Vía Láctea?

10–15

Universo observable

La Vía Láctea vista de perfil.

Disco Bulbo

Horizonte cósmico de luz

Vía Láctea. El centro de la galaxia contiene un agujero negro llamado Sagitario A*.

¿Cómo es el ciclo de vida de una estrella? 4

¿Dónde se forman los elementos químicos que están esparcidos por el universo?

Entra en la web de Bruño para averiguar cómo se han formado todos los elementos químicos que son componentes de la materia. Sabemos que los núcleos de hidrógeno, helio y litio se crearon durante la era de la nucleosíntesis; los demás elementos químicos se han desarrollado en las estrellas, los únicos puntos del universo donde se alcanzan temperaturas lo suficientemente elevadas como para que se lleven a cabo reacciones de fusión termonuclear. a Buscad información sobre las reacciones de fusión termonuclear.

1. Una nebulosa, como la de Orión, se fragmenta y da lugar a protoestrellas, cada una de las cuales gira alrededor de su eje, se colapsa por efecto de su gran masa y se hace cada vez más compacta, densa y caliente, hasta alcanzar la temperatura que permita la fusión termonuclear del hidrógeno y la formación de helio, el cual se va acumulando en el núcleo de la estrella. Esto provoca la emisión de una gran cantidad de energía: en este momento la estrella «se ha «encendido».

➜ Las nebulosas son nubes de hidrógeno, helio, polvo cósmico y cierta cantidad de compuestos orgánicos. Se han formado por causas diferentes; algunas, como la de Orión, son un criadero de estrellas; otras, como la nebulosa del Cangrejo, son restos de estrellas gigantes que explotaron.

➜ Las estrellas son enormes esferas gaseosas de hidrógeno y helio que alcanzan temperaturas tan elevadas que convierten su interior en gigantescas bombas de fusión termonuclear que no explotan, sino que permiten que «se enciendan» y emitan energía radiante. Cuando agotan su combustible, al cabo de miles de millones de años, «mueren».

Nacimiento, vida y muerte de una estrella como el Sol

2. Todo el hidrógeno se convierte en helio, por lo que se pierde masa, lo que provoca una disminución de la componente gravitatoria y un aumento de la componente expansiva: la superficie de la estrella aumenta de tamaño y se transforma en una estrella gigante roja.

3. El helio del núcleo de la gigante roja continúa compactándose hasta alcanzar la temperatura crítica que permite la fusión del helio para formar carbono y liberar enormes cantidades de energía. Esto hace que la estrella se hinche, se desprendan sus capas externas y se forme un anillo de humo estelar denominado nebulosa planetaria.

4. El núcleo de la gigante roja se transforma en una estrella enana blanca, cuya energía proviene de la fusión del helio que conduce a la síntesis del carbono. El proceso de nucleosíntesis se detiene aquí, y el carbono se acumula en el centro de la enana blanca. Cuando agote todo el helio, se enfriará lentamente hasta apagarse, originando una estrella de carbono, oscura y fría, llamada enana negra.

Nebulosa Componente gravitatoria Estrella como el Sol Gigante roja

Nebulosa planetaria Enana blanca Enana negra

1. En las estrellas de mayor masa que el Sol (más de diez masas solares), la protoestrella se convierte en estrella gigante de un modo similar al anterior, pero al consumir más hidrógeno libera más energía y emite una luz intensa y azulada: son las estrellas azules.

3. Con su fuente de energía desconectada, después de la síntesis del hierro se debilita la componente expansiva y actúa la componente gravitatoria. La supergigante roja se colapsa, de tal forma que las ondas de choque generadas por esta tremenda implosión rebotan en un núcleo extremadamente denso y se propagan a gran velocidad, produciendo una fortísima explosión que libera enormes cantidades de energía.

Como consecuencia de la implosión, el núcleo de la supergigante roja sufre una compactación que puede provocar dos sucesos:

➜ Si la estrella gigante no es muy grande se origina una estrella de neutrones, que posee gran masa y densidad. En algunos casos, esta gira rápidamente sobre su eje y emite pulsos de rayos X y rayos gamma, a intervalos cortos y regulares, como los haces de luz de un faro, por lo que recibe el nombre de púlsar.

2. Cuando estas estrellas consumen todo el hidrógeno, se hinchan y se convierten en supergigantes rojas, cuyo gran núcleo con capas concéntricas alberga una reacción de fusión termonuclear diferente que forma un elemento químico distinto (carbono, magnesio, silicio, etc.) y libera energía. Hasta que se sintetiza el hierro, que no libera energía, sino que la consume. e

➜ Si la estrella gigante es de gran masa se forma un agujero negro, cuya densidad es tan grande que ejerce una poderosa atracción gravitatoria sobre todo lo que pasa por su entorno, incluida la luz.

4. La fase explosiva de la estrella se llama supernova y en ella se sintetizan gran parte de los elementos químicos más pesados que el hierro. Estos se dispersan por el espacio intergaláctico, junto con el resto de los elementos originados en el interior de la estrella, que constituyen el polvo cósmico y dan lugar a una nebulosa, como la del Cangrejo.

14. La astrónoma estadounidense Andrea Mia Ghez recibió el Premio Nobel de Física en 2020, junto con Reinhard Genzel y Roger Penrose, «por el descubrimiento de que la formación de agujeros negros es una predicción robusta de la teoría general de la relatividad y por el descubrimiento de un objeto compacto supermasivo en el centro de nuestra galaxia».

a) ¿De qué objeto masivo se trata y qué nombre recibe?

b) Por parejas, buscad información sobre los tipos de agujeros negros: de masa estelar, supermasivos y microagujeros.

Nebulosa

Componente gravitatoria

Componente expansiva

Estrella gigante o azul

Supergigante roja

Supernova

Agujero negro

Estrella de neutrones Púlsar

Horizonte de sucesos. Límite a partir del cual la luz y la materia no pueden escapar.

Singularidad. Región de densidad infinita donde se acumulan la materia y la energía.

Chorro de partículas y radiación. Se produce cuando el agujero negro absorbe una estrella.

Disco de acreción. Región donde los gases y el polvo giran y se precipitan a gran velocidad hacia la singularidad.

Elementos de un agujero negro.

Utiliza este mapa mental como modelo de síntesis de la unidad. Completa las ramas que le faltan y dibuja tu propio mapa mental para resumir lo que has aprendido.

Big bang caliente

Era oscura de las estrellas y de las galaxias

Fluctuaciones cuánticas en el inflatón

Era de los átomos y de la radiación

2. Era de la gran unificación

4. Era electrodébil y de los cuarks

6. Era leptónica

8. Era de los átomos y de la radiación

1. Era de Planck

Big bang inflacionario Bigbang

3. Era de la inflación

7. Era de la nucleosíntesis

5. Era hadrónica

Hace

13.800 Ma

9. Era oscura de las estrellas y de las galaxias

Enana negra Enana blanca

Como el Sol

Supernova Estrella de neutrones

Agujero negro Nebulosa planetaria Gigante roja Supergigante roja

Estrella gigante

Galaxia

15. Describe las épocas en las que tuvieron lugar los diferentes episodios de separación de las cuatro fuerzas fundamentales.

Fuerza nuclear fuerte

Fuerza nuclear débil

Gran fuerza unificada

Superfuerza 10-43s 10-35s 10-12s

Fuerza electromagnética

Fuerza gravitatoria

16. En 2019, el Telescopio Horizonte de Sucesos (EHT), una red de ocho telescopios repartidos por toda la Tierra que actúan de forma conjunta, consiguió la primera imagen de un agujero negro, el M87* (A), 6 000 millones de veces mayor que el Sol, y en 2022 consiguió fotografiar Sagitario A*, el agujero negro situado en el centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea.

Escribe en tu cuaderno los nombres de los elementos que componen un agujero negro, representados por números, en la imagen A y en la ilustración B. 17.

ta la historia del universo.

Pon nombre a cada una de las eras que se indican y describe algunos de los acontecimientos que tuvieron lugar en las mismas.

18. ¿Crees que el gran alquimista Merlín podría preparar una receta con estos pocos ingredientes para fabricar el trozo de materia que está sobre la mano, que es carbono-12?

Leptones

Carbono-12 Electrón

G

Cuarks

EM ND

NF

Neutrón

Fuerzas fundamentales

Protón

19. Imagina que es el año 2046 y pilotas un avión interestelar que parte de la Tierra. Un pasajero demanda la atención de la azafata:

—Verá, azafata…, estoy desolado. Esta mañana tomé el vuelo de las 14:30. Como ya sabe, viajamos a la velocidad de la luz, y mi intención era llegar a Plutón sobre las 19:30 horas para encontrarme con mi querida Rosenkrantz. Pero acabo de ver en la pantalla el plan de vuelo y creo que me he equivocado de nave.

El pasajero observa con preocupación una luz intermitente que anuncia: «Siguiente parada, la base estelar de Próxima Centauri», y ruega a la azafata que le ponga en contacto con el piloto de la nave. Quiere saber cuánto tiempo tardará en volver a ver a Rosenkrantz.

Teniendo en cuenta que la estrella Próxima Centauri se encuentra a unos 4,22 años luz de la Tierra, ¿qué cálculos deberás hacer para averiguarlo?

20. Compara la posición de las bandas espectrales de los elementos químicos presentes en las galaxias A y B con la que se obtiene en la Tierra C:

a) ¿A qué se deben los desplazamientos de las bandas espectrales de absorción de A y B hacia longitudes de onda mayores correspondientes al rojo?

b) ¿Cuál de las dos galaxias se encuentra más lejos de la Tierra? ¿Cómo se calculan estas distancias?

1

Observo la información de una ilustración y la utilizo para explicar un fenómeno

Al mirar las estrellas, lo más probable es que tengas la sensación de que todas se encuentran a la misma distancia de la Tierra. Es como si el firmamento estuviese formado por una aparente cúpula estrellada que te envuelve y a la que llamamos «esfera celeste» (A).

Es una enorme esfera imaginaria y hueca, de radio infinito y tapizada de estrellas, en cuyo centro está la Tierra, y sirve de sistema de referencia para representar sobre ella la posición de las estrellas y de los demás astros.

Si cortamos en trozos la esfera celeste, como si fuera la piel de una naranja, podemos obtener los mapas de estrellas de las diferentes regiones del firmamento, tal y como las veríamos desde la Tierra (B).

En estos mapas se representan las estrellas en constelaciones, que son agrupaciones de las estrellas con más brillo que parecen ocupar una misma región en el firmamento. Actualmente, los astrónomos dividen el firmamento en 88 constelaciones, pero desde nuestra posición solo podemos ver las que están situadas en el hemisferio norte.

a) ¿Por qué vemos las estrellas del firmamento como si estuviesen situadas a la misma distancia del observador?

b) ¿Conoces los nombres de algunas constelaciones?

c) Buscad información sobre las constelaciones del Zodíaco. ¿Qué es la eclíptica?

Aprendo a interpretar una gráfica sobre la expansión del universo

Si representamos las velocidades de alejamiento de las galaxias (medidas mediante el desplazamiento hacia el rojo) frente a las distancias a la Tierra (medidas mediante la disminución del brillo de las cefeidas), se obtiene la gráfica A.

Por otra parte, la gráfica B hace una interpretación de la causa que provoca el desplazamiento hacia el rojo de una galaxia que se aleja y el desplazamiento hacia el azul de una que se acerca.

a) ¿Cómo interpretas la gráfica A? ¿Qué ley física representa?

b) ¿Crees que es correcta la interpretación que hace la gráfica B del movimiento de las galaxias?

Velocidad de alejamiento (desplazamiento hacia el rojo)

Distancia (disminución del brillo)

El objeto se aleja de 1

Alejamiento: desplazamiento hacia el rojo

Acercamiento: desplazamiento hacia el violeta

El objeto se acerca a

3

Aprendo a medir las distancias a las estrellas mediante la paralaje

La paralaje es la desviación aparente de un objeto lejano cuando se observa desde dos puntos diferentes y sirve para calcular las distancias a las estrellas. Para comprender el significado de la paralaje, mira tu dedo pulgar con el brazo extendido, primero con un ojo cerrado y luego con el otro. Comprobarás que el dedo parece «saltar» de una posición a otra con respecto a los objetos más lejanos del fondo (1).

Si observas una estrella desde dos posiciones opuestas de la órbita terrestre verás que su posición aparente también variará ligeramente con respecto del fondo. La desviación de esta variación será menor en una estrella más lejana (A) que en otra más cercana (B). Conociendo el radio de la órbita terrestre (distancia media Tierra-Sol = 1 unidad astronómica (ua) = 150 000 000 km) y midiendo el valor de estos desplazamientos o paralajes puedes hallar los ángulos de paralaje (p) de las estrellas y determinar sus distancias al Sol mediante sencillos cálculos de trigonometría (2).

Si te fijas en la estrella A, por ejemplo (3), la paralaje de esta estrella, vista desde dos posiciones opuestas de la órbita terrestre, se define como el ángulo π (medido en segundos de arco), que es el ángulo con el que se vería el radio de la órbita terrestre desde la estrella A. Como el triángulo TSA es rectángulo, se puede calcular el valor del ángulo π mediante una sencilla fórmula que nos proporciona la trigonometría:

tangente p = 1 ua / d = p = paralaje

➜ 1 ua = radio de la órbita terrestre = distancia Tierra-Sol = 149 598 000 km.

➜ d = distancia de la estrella A al Sol.

➜ Paralaje = tangente p ≅ p, dado que es un ángulo muy pequeño por las enormes distancias de las estrellas.

La paralaje se mide en unidades parsec (pc), del inglés parallax y second, de manera que una estrella se encuentra a la distancia de 1 pc cuando su paralaje, es decir, el ángulo p = 1” de arco:

1 pc = 3,26 años luz = 30,9 billones de km

La distancia de una estrella al Sol es la inversa de su paralaje, expresado en parsecs: d = 1 / p parsec (pc). Generalmente, las paralajes de las estrellas son inferiores al segundo de arco, de manera que, cuanto mayor es la distancia a una estrella, menor es su paralaje y los errores de medición son más significativos. a) Calcula las distancias al Sol de las siguientes estrellas, cuyos paralajes se muestran en esta tabla:

Estrellas

Vega (constelación de Lira) 0,122”

Paralajes

Sirio (constelación de Can Mayor) 0,375”

Pollux (constelación de Géminis) 0,093”

Desviación aparente de la estrella B

Desviación aparente de la estrella A

Tierra (junio)

=

Ángulo de paralaje

Tierra (diciembre)

Ojo izquierdo Ojo derecho 1 ua

SITUACIÓN DE APRENDIZAJE

¿Somos polvo de estrellas?

Vais a investigar sobre el universo, las supernovas y los agujeros negros.

Tarea de inicio

No solamente nuestro planeta debe su existencia a primitivas supernovas (1), también la materia orgánica que contiene procede de estos antiguos colosos cuya luminosa extinción creó los gérmenes de la vida.

En este sentido, cabe decir que todos los seres, vivos e inanimados, somos polvo de estrellas: el calcio de los huesos, el hierro de la sangre, el fósforo del ADN, el carbono de las estructuras moleculares, el oxígeno que respiramos y el oro de nuestros anillos y joyas se fraguaron en una especie de alquimia estelar en el corazón de inmensas estrellas que, hace miles de millones de años, desaparecieron para convertirse en materia y energía y, tal vez, dejaron un residuo denso y compacto que aún existe actualmente bajo la forma de una estrella de neutrones o de un agujero negro.

Tareas de desarrollo

1 Entrad en la web de Bruño para observar el vídeo sobre las supernovas y cómo se forman.

a) ¿Qué provoca la explosión que origina la supernova? ¿En qué sentido podemos afirmar que somos polvo de estrellas?

b) Buscad información sobre quién descubrió los púlsares.

2 Entrad en la web de Bruño para observar el vídeo sobre Hubble, Lemaître y otros. ¿Por qué se acordó renombrar la ley de Hubble como «ley de Hubble-Lemaître»?

3 La gravedad de los agujeros negros curva la estructura espacio-temporal (1), lo cual podría generar un agujero de gusano (2). Se trata de un objeto hipotético que podría actuar como un puente que permitiría conectar una región del universo con otra región en un tiempo diferente, o bien conectar dos universos paralelos dentro del multiverso.

En este caso, el agujero de gusano podría conectar un agujero negro (3) en un universo con un agujero blanco (por donde se escapan materia y energía) (4) en otro universo.

a) ¿Cómo explica la teoría de la inflación la posible formación de un multiverso?

4 Entrad en la web de Bruño para observar cómo se formó la nebulosa del Cangrejo. ¿En qué se diferencia la nebulosa de Orión (1), situada en la constelación del mismo nombre (2), de la nebulosa del Cangrejo (3), localizada en la constelación de Tauro (4)?

Tareas de síntesis, evaluación

y comunicación

Resuelve estas tareas y escríbelas en tu portafolios. Incluye tus conocimientos sobre el Big Bang y las estrellas. Haz un resumen de lo que has aprendido.

Evalúa tu aprendizaje. ¿Qué es lo que ya sabías? ¿Qué has aprendido de nuevo? ¿Qué te ha resultado más fácil?, ¿y más difícil? ¿Para qué te ha servido? ¿En qué debes mejorar?

Presenta un trabajo sobre estas tareas en Word/Writer, PowerPoint/Impress, Prezi, Keynote, Canva o VideoScribe, e incluye animaciones, vídeos, fotografías, gráficos, etc.

e1 Escribe en tu cuaderno el nombre del elemento químico que se sintetiza en cada una de las capas del núcleo de esta estrella supergigante roja.

2 Indica si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas y explica razonadamente tu respuesta:

a) El polvo cósmico se formó en las supernovas.

b) Los púlsares son estrellas de neutrones.

c) En la era de la nucleosíntesis se formaron protones y neutrones.

d) La recombinación y el desacoplamiento tuvieron lugar durante la era oscura.

e) El modelo del átomo primordial, que contiene toda la materia y la energía a partir de las cuales se formó el universo, fue propuesto por Albert Einstein.

3 ¿Dónde se localiza la materia oscura en este modelo que representa un supercúmulo de galaxias? ¿Qué papel desempeña en el universo?

5 Este es el detalle ampliado de un dibujo correspondiente a la evolución de una estrella como el Sol.

¿Qué representa y cómo se denomina la figura 1?

6 Relaciona los elementos de las dos series:

1) Halo. 2) Partícula elemental. 3) Hadrón. 4) Leptón. 5) Big Rip. 6) Albert Einstein. 7) Horizonte de sucesos. 8) Espuma cósmica.

a) Cuark. b) Constante cosmológica. c) Galaxia. d) Agujero negro. e) Electrón. f) Multiverso. g) Energía oscura. h) Protón.

7 En cada grupo de palabras o expresiones, una de ellas no tiene nada que ver con las demás. Explica cuál es la causa por la que no se pueden incluir:

a) Halo, bulbo, esfera celeste, disco.

b) Big Bang, Big Rip, Big Chill, Big Crunch.

c) Singularidad, horizonte de sucesos, horizonte cósmico de luz, disco de acreción.

d) Estrella, supergigante roja, nebulosa planetaria, enana blanca.

8 Construye dos oraciones, una con los conceptos que figuran en a) y otra con los que aparecen en b):

a) Fluctuaciones, irregularidades, inflatón, germen, cosmos, energía, galaxias, «arrugas», cuánticas, islas de materia.

b) Átomos de hidrógeno, neutrones, núcleos, tritio, colisionaron, deuterio, permitieron, protones, helio, sistema periódico, litio, fusionaran, simples, temperaturas.

9 Mira la imagen que aparece a continuación. ¿Qué gráfica representa cada uno de los escenarios posibles que plantea el futuro del universo?

Big

El sistema solar, la Tierra y el origen de la vida

¿QUÉ SABES DE...?

¿Crees que hay vida extraterrestre? ¿Has oído hablar del proyecto SETI?

¿Por qué a los cometas se los conoce como «bolas de nieve sucia»?

¿Sabrías decir si las estrellas fugaces son estrellas?

¿Sabes cuál es el campo de estudio del científico sevillano Juan Pérez Mercader?

¿Conoces cómo pudo formarse una célula eucariota a partir de otras procariotas?

¿SABES QUE VIVES EN LA ZONA DE HABITABILIDAD DEL SOL?

Si aún no lo sabes..., descubriremos juntos:

¿Qué ocurrió durante la formación del sistema solar?

¿Cómo se formaron la Tierra y la Luna?

¿Cuál pudo ser el origen de la vida en la Tierra?

¿Cómo evolucionaron las células primitivas?

¿Qué ocurrió durante la formación del sistema solar? 1 e

e¿Procedes del polvo cósmico?

Entra en la web de Bruño (ver QR de la página 5) para observar cómo nació el sistema solar a partir de una nebulosa. La supernova que marca el final de una estrella puede suponer el comienzo de otras, incluso alguna puede presentar planetas orbitando a su alrededor y, tal vez, en alguno de ellos, es posible que se den las condiciones para que surja la vida y evolucione. a ¿Qué relación hay entre las supernovas y la formación de planetas en el sistema solar?

Hace unos 5 000 millones de años se formó el sistema solar a partir de las partículas de polvo cósmico generadas por la explosión de una supernova situada en el extremo del brazo de Orión de la Vía Láctea. El sistema solar al que perteneces está constituido por el Sol, ocho planetas, planetas enanos, plutoides, satélites y cuerpos pequeños (meteoroides, asteroides, cometas, gas y polvo cósmico).

1. La onda expansiva de la supernova tal vez originó la compactación de una inmensa nebulosa de gas y la enriqueció con polvo cósmico (a).

2. La nebulosa comenzó a girar y se transformó en un gigantesco disco de materia aplanado y comprimido (b). Más tarde, aparecieron turbulentos remolinos debidos a inestabilidades gravitatorias.

3. El remolino central capturó la mayor parte del hidrógeno y del helio y se convirtió en el protosol, que se fue compactando y calentando hasta que las reacciones termonucleares lo convirtieron en estrella: el Sol (c).

4. Las regiones periféricas del disco se separaron y aparecieron de nuevo turbulentos remolinos, que atraparon el polvo cósmico, los gases, el hielo y las partículas rocosas. En ellos, la gravedad provocó el impacto de unos cuerpos contra otros y favoreció el proceso de acreción, que consiste en la constitución gradual de estructuras cada vez mayores, denominadas planetesimales (d).

5. La aglomeración de planetesimales mediante impactos sucesivos, llamada acreción de planetesimales, dio lugar a «embriones planetarios» de dimensiones cada vez mayores (e).

6. En cada región del disco comenzó a dominar solo un gran protoplaneta, ya que los cuerpos más grandes «barrieron» los fragmentos más pequeños que encontraban en su órbita (f), al ir chocando con ellos, hasta convertirse en planetas, satélites y demás astros.

¿Cómo es el Sol?

El Sol es una estrella de tamaño medio con un diámetro de 1,4 3 106 km y una distancia a la Tierra de 150 3 106 km, lo que equivale a una unidad astronómica (ua). En el Sol se distinguen dos zonas:

Corona

Cromosfera

Fotosfera

Manchas solares

Núcleo

Zona superficial:

➜ Fotosfera. Tiene una temperatura de 6 000 ºC. En esta región se forman las «manchas solares».

➜ Cromosfera y corona. Solo son visibles durante los eclipses. De la cromosfera salen, a veces, las protuberancias, que son masas de plasma caliente de hidrógeno y helio.

Zona interna:

➜ Núcleo. Alcanza una temperatura de casi 15 000 000 ºC. Es el lugar donde el hidrógeno se transforma en helio liberando energía.

De las radiaciones solares que emite (infrarroja, luz visible, UV, gamma y X), una parte calienta la atmósfera, la superficie terrestre y los océanos, y otra parte aporta la energía que fluye por los ecosistemas, es almacenada en forma de energía química gracias a la fotosíntesis y consumida en todos los niveles tróficos.

¿Qué son los planetas?

Los planetas son astros que orbitan alrededor del Sol. Poseen masa suficiente como para que su propia gravedad les permita tener forma esférica o casi esférica. Dominan su entorno, es decir, han «barrido» sus inmediaciones y no tienen otros cuerpos en sus órbitas.

La mayoría de los planetas poseen uno o varios satélites o lunas que orbitan a su alrededor. Describen dos tipos de movimientos:

➜ Rotación, alrededor de su eje. El tiempo que tarda en dar un giro completo se denomina día, y su duración varía de unos planetas a otros.

➜ Traslación, alrededor del Sol. Las trayectorias por donde se desplazan en sus movimientos describen líneas imaginarias, denominadas órbitas, que son elípticas. Todas las órbitas están aproximadamente contenidas en el mismo plano. El tiempo que tarda un planeta en recorrer su órbita se denomina año, y también varía de unos planetas a otros.

TIPOS DE PLANETAS

Planetas interiores o rocosos Planetas exteriores o gigantes

Están más cerca del Sol.

Son rocosos y densos, semejantes a la Tierra, por lo que también se conocen como «telúricos».

Incluyen Mercurio, Venus, la Tierra y Marte.

Gigantes gaseosos. Poseen grandes envolturas gaseosas y en su interior un núcleo rocoso (Júpiter y Saturno).

Gigantes helados. Tienen metano congelado (Urano y Neptuno).

Estrategia Andaluza para la Divulgación de la Astronomía (EADA)

Se trata de una propuesta de divulgación de la astronomía mediante exposiciones, cine científico, conferencias, cursos, talleres, observaciones en directo, etc.

Para ello cuenta con un portal de entrada en internet (El Séptimo Cielo) y la colaboración de la Red Andaluza de Astronomía (RAdA), integrada por asociaciones de astrónomos amateur y diversas entidades como los Observatorio Astronómicos de Alcalá la Real, Torcal de Antequera, Fresnedilla y la Sagra, el Real Observatorio de la Armada (San Fernando), la Casa de la Ciencia (Sevilla), el Parque de las Ciencias (Granada), el Centro de Ciencia Principia (Málaga), el Planetario de Úbeda (Jaén), etc.

1. Se han detectado miles de planetas extrasolares o exoplanetas en otras estrellas de nuestra galaxia y de otras galaxias.

Exoplaneta 2M1207b (1) orbitando a la estrella enana marrón 2M1207 (2). ESO (European Southern Observatory).

¿En qué región de una nebulosa es más probable que se desarrollen estrellas con sistemas planetarios, en una donde no se ha formado ninguna supernova o en otra en la que se hayan formado varias supernovas en un pasado reciente?

2. Lee la definición de «planeta enano» en la página 67. ¿Qué tienen en común los planetas enanos con los planetas?

¿En qué se diferencian, además de por su tamaño?

MERCURIO

¿Qué caracteriza a los astros que orbitan alrededor del Sol?

El Sol se encuentra en el centro del sistema solar y todos los planetas (con sus satélites), asteroides, meteoroides y cometas orbitan a su alrededor, es decir, giran atraídos por su fuerza gravitatoria, que actúa como un gigantesco imán, y describen órbitas elípticas en sus movimientos de traslación.

Solo es visible al alba o al ocaso, muy cerca del Sol. Sus días son muy calurosos y sus noches muy frías. Se parece a la Luna y tiene la superficie cubierta de cráteres por impactos de meteoritos.

Carece de atmósfera y de agua y, por tanto, no tiene procesos erosivos que alteren la superficie. Es un planeta muy denso, con un gran núcleo de hierro. Distancia al Sol: 58 500 000 km (0,39 ua). Carece de satélites.

TIERRA

Tiene actividad volcánica y contiene agua (en estado líquido, sólido y gaseoso). La atmósfera filtra la radiación solar nociva. Sus gases generan efecto invernadero que, junto con su posición, ni muy cerca ni muy lejos del Sol, mantienen una temperatura suave.

Estas condiciones peculiares y la presencia de agua líquida han propiciado la aparición de la vida. Distancia al Sol: 150 000 000 km (1 ua). Posee un satélite: la Luna.

VENUS

Es visible al amanecer o al atardecer. Es un planeta que gira en sentido contrario a la rotación de la Tierra.

Cometa

Ha tenido actividad volcánica reciente. Su densa atmósfera de CO2 y nubes corrosivas de ácido sulfúrico, que generan un potente efecto invernadero, son la causa de su elevada temperatura. Distancia al Sol: 108 000 000 km (0,72 ua). Carece de satélites.

MARTE

Su atmósfera es muy ligera, tiene hielo en el subsuelo y en los polos (bajo el hielo hay agua líquida) y profundos cañones y valles en la superficie.

Tuvo actividad volcánica en el pasado (el Monte Olimpo es el volcán más alto del sistema solar), así como agua líquida y una temperatura más suave. Tal vez pudo desarrollarse la vida, pero no se ha confirmado. Distancia al Sol: 228 000 000 km (1,52 ua). Posee dos satélites: Deimos y Fobos.

Júpiter

Sol

Mercurio Venus

Tierra Marte

Ceres

Nube de Oort

Cinturón principal de asteroides

Sol Mercurio

Venus Tierra

Marte Ceres

Júpiter

Saturno

Urano

Cinturón principal de asteroides

CERES

Su naturaleza es rocosa y hay indicios de que podría tener agua y una débil atmósfera. Es un planeta enano que se encuentra en el cinturón principal de asteroides (antes se consideraba el mayor de ellos), a unos 413 000 000 km (2,76 ua) del Sol. Tiene un diámetro de unos 940 km.

JÚPITER

Es el planeta más grande del sistema solar. Es de naturaleza gaseosa y posee anillos tenues. En su órbita le acompañan un conjunto de asteroides llamados «Troyanos». Se aprecian bandas de nubes de distintas tonalidades en su atmósfera, donde se generan ciclones, como la Gran Mancha Roja, con vientos de más de 600 km/h. Distancia al Sol: 780 000 000 km (5,20 ua). Posee 16 satélites, los mayores son Io, Europa, Ganímedes y Calixto.

PLUTÓN

NEPTUNO

Posee un tenue sistema de anillos y su tamaño y composición son similares a los de Urano, pero su núcleo es caliente. El calor que se desprende genera vientos huracanados en su atmósfera y gigantescos torbellinos parecidos a los de Júpiter. Su superficie es de color azulado a causa de las nubes de metano congelado, con manchas tenues correspondientes a los ciclones. Distancia al Sol: 4 415 000 000 km (30,1 ua). Posee 8 satélites, los mayores son Proteo y Tritón.

Su interior es rocoso, recubierto de un manto helado de agua, metano, nitrógeno y monóxido de carbono. Es el prototipo de los plutoides. Su diámetro es de 2 370 km y la distancia al Sol es de 5 900 000 000 km (39,4 ua). Tiene una luna: Caronte.

ERIS

Es otro plutoide, cuya composición se supone parecida a la de Plutón. Se encuentra a 14 400 km (97 ua) del Sol y su diámetro es de 2 400 km. Tiene una luna: Disnomia.

SATURNO

Es el segundo planeta más grande y su composición es similar a la de Júpiter, aunque menos denso (flotaría en el agua). Los vientos pueden ser aún más fuertes y alcanzar los 1 300 km/h.

Lo más característico son los miles de anillos que giran a su alrededor, formados por una delgada capa de fragmentos de rocas, polvo y hielo. Distancia al Sol: 1 431 000 000 km (9,54 ua). Posee 18 satélites, los mayores son Titán y Rea.

URANO

Posee un tenue sistema de anillos y gira «tumbado», tal vez a causa del impacto con un antiguo planeta en su fase de formación, y en sentido contrario al de la rotación de la Tierra. Su superficie es de color verdoso a causa de las nubes de metano. Distancia al Sol: 2 880 000 000 km (19,2 ua). Posee 15 satélites, los mayores son Oberón y Titania.

Saturno

Urano

Neptuno

Plutón

Eris

Cinturón de Kuiper

Nube de Oort

Objetos transneptunianos

Neptuno

Plutón

Eris

Cinturón de Kuiper

¿Cómo se sitúan los planetas en el sistema solar? Modelos geocéntrico

Aristarco de Samos, científico jonio, estableció por primera vez en el año 280 a. C. que la Tierra, junto con los demás planetas, giraba alrededor del Sol. A pesar de ello, 300 años más tarde Claudio Ptolomeo (100-170 d. C.) consagró el modelo geocéntrico, que permitía explicar el aparente movimiento de los planetas: la Tierra se encontraba en el centro del universo y el Sol, la Luna, los planetas y las estrellas giraban a su alrededor.

Hubo que esperar 1 800 años a que Nicolás Copérnico (1473-1543) negara la aparente evidencia de que el Sol «sale» por el este y «se pone» por el oeste y expusiera sus cálculos matemáticos, que establecían el modelo heliocéntrico y devolvían el Sol a su posición central, con los planetas girando a su alrededor.

y heliocéntrico

Años más tarde, Johannes Kepler (1571-1630) descubrió que las órbitas de los planetas no eran circulares, como sugería Copérnico, sino elípticas.

Por esas mismas fechas, Galileo Galilei (1564-1642) construyó el primer telescopio y descubrió que las cuatro lunas principales de Júpiter orbitaban a su alrededor. Apoyó el modelo heliocéntrico y desafió al poder eclesiástico, por lo que fue obligado a retractarse de sus ideas públicamente. En 1992, la Iglesia católica pidió perdón y lo rehabilitó.

En 1667, Isaac Newton explicó la causa del movimiento de los astros que orbitan alrededor del Sol mediante su teoría de la gravitación universal: a partir de ese momento, el modelo heliocéntrico ya fue universalmente aceptado.

e3. Julio afirma que todos los planetas del sistema solar poseen un movimiento de rotación similar. Diana ha observado que hay dos planetas que presentan mayores diferencias que los demás en cuanto al movimiento de rotación.

¿Sabrías decir cuáles son esos planetas y en qué se distinguen del resto respecto de este tipo de movimiento?

Marcia Neugebauer

Geofísica estadounidense (1932)

Es la primera científica que realizó mediciones del viento generado por las erupciones solares. Desarrolló gran parte de su actividad científica como investigadora en la NASA, donde contribuyó notablemente a la creación de instrumentos espaciales para la medición del viento solar.

Participó en el lanzamiento de diversas sondas espaciales, como la Mariner 2, que analizó las propiedades del viento solar; la misión OGO 5 para el estudio de la magnetosfera terrestre; y la misión Giotto, para la investigación del cometa Halley. Ha recibido numerosos premios y distinciones.

Modelos geocéntrico (A) y heliocéntrico (B). Tierra (1), Luna (2), Mercurio (3), Venus (4), Sol (5), Marte (6), Júpiter (7), Saturno (8) y Estrellas (9).

Planetas enanos

➜ Son cuerpos celestes que orbitan alrededor del Sol.

➜ Poseen masa suficiente como para que su propia gravedad les permita tener una forma casi esférica.

➜ Hay otros cuerpos en sus órbitas, no son dominantes de su entorno y no son satélites.

Planetas enanos y plutoides

➜ Describen órbitas alrededor del Sol muy elípticas e inclinadas (1).

➜ Un ejemplo, es el planeta Ceres localizado en el cinturón principal de asteroides.

Plutoides

Son planetas enanos similares a Plutón y ubicados entre los objetos transneptunianos, que son aquellos situados más allá de Neptuno, en el cinturón de Kuiper (como Haumea y Makemake), en el disco disperso (Eris) o en la nube de Oort (Sedna y el supuesto Planeta 9 o Phattie).

Planetas interiores Sol

Tierra Venus Mercurio

Satélites

Cinturón principal

de asteroides Marte Júpiter

Ceres

Planetas exteriores

Saturno Urano Neptuno

Objetos transneptunianos

Cinturón de Kuiper

Haumea Makemake Plutón

Disco disperso Nube de Oort

Eris

Sedna ¿Planeta 9?

Satélites Satélites

Satélites y cuerpos pequeños del sistema solar

➜ Los satélites son astros que giran alrededor de los planetas.

➜ Los cuerpos pequeños del sistema solar incluyen todos los demás cuerpos celestes que orbitan alrededor del Sol: cometas, asteroides y meteoroides.

Cinturón principal de asteroides

Localizado entre las órbitas de Marte y Júpiter.

Es el segundo cinturón de asteroides, situado más allá de la órbita de Neptuno.

Es la región ubicada entre el cinturón de Kuiper y la nube de Oort. Contiene planetas enanos de tipo plutoide y cuerpos pequeños del sistema solar.

Se encuentra en los confines del sistema solar, donde se acumulan fragmentos de hielo, moléculas orgánicas y polvo cósmico residuales de la primitiva nebulosa que dio origen al sistema solar.

Asteroides

Son fragmentos rocosos y metálicos que orbitan alrededor del Sol, tanto en el cinturón principal de asteroides, entre Marte y Júpiter, como en el cinturón de Kuiper.

ASTEROIDES, METEOROIDES, METEOROS Y METEORITOS

Meteoros Meteoroides Meteoritos

Son fragmentos de planetas, asteroides, cometas o satélites más pequeños que los asteroides.

Se definen como objetos naturales sólidos de un tamaño aproximado de entre 30 μm y 1 m que se mueven o provienen del espacio interplanetario.

Las partículas por debajo de los 30 μm forman parte del polvo cósmico.

4. Algunos cometas y asteroides, como Apolo (1), Eros (2), Amor (3), Adonis (4), Hidalgo (5) o Icarus (6), localizados en el cinturón principal de asteroides, describen órbitas alrededor del Sol muy elípticas e inclinadas con respecto a las órbitas de los planetas:

¿Qué consecuencias puede tener este hecho para la vida de nuestro planeta?

Son asteroides o meteoroides que entran en contacto con la atmósfera terrestre y se vaporizan debido al fuerte rozamiento que experimentan.

Estrellas fugaces. Son meteoros incandescentes, procedentes de partículas dispersadas por la cola de un cometa, que dejan tras de sí un trazo luminoso. Ocasionan lluvias de estrellas.

Bólidos. Son meteoros muy brillantes y de un tamaño considerable, que pueden estallar.

Son asteroides o meteoroides de mayor tamaño que no se desintegran del todo y caen en la superficie del planeta, pulverizándose y formando un cráter de impacto.

Los meteoritos de gran tamaño pueden provocar cambios climáticos, ya que las partículas de polvo desprendidas por el impacto oscurecerían el cielo, y la Tierra se sumiría en un largo invierno que pondría en peligro la supervivencia de los seres vivos.

Tierra

Marte

Cinturón principal de asteroides 2

Marte

Tierra

Sol

Mercurio Venus Júpiter

Cinturón de asteroides Meteorito

Asteroides y meteoroides Meteoros (estrellas fugaces)

Meteoro (bólido)

Atmósfera terrestre

Impacto de meteorito

Cráter Meteor en Winslow, en Arizona (EE. UU.)

Asteroides, meteoroides, meteoritos y meteoros.

COMETAS

Son cuerpos primitivos y de pequeño tamaño formados por un conglomerado de material rocoso, polvo cósmico, hielo y moléculas orgánicas, de ahí que se los llame «bolas de nieve sucia». Algunos tienen su origen en el cinturón de Kuiper y en el disco disperso, pero la mayoría proceden de la lejana nube de Oort, una gigantesca burbuja que rodea el sistema solar donde existen cientos de millones de núcleos de cometas.

La influencia gravitatoria de una estrella cercana puede perturbar alguno de estos núcleos, y hacer que se precipite hacia el interior del sistema solar. En su trayectoria de acercamiento al Sol describe una órbita muy elíptica y alargada, que puede cruzarse con las órbitas de los planetas o de sus satélites y colisionar con ellos.

Los cometas mientras se desplazan son invisibles, pero, a medida que se acercan al Sol, se convierten en un cuerpo celeste, ya que el calor vaporiza su núcleo helado, de donde salen chorros de gas y polvo que dejan una estela, que es la cola del cometa, y que puede medir millones de kilómetros.

Algunos cometas describen una órbita cercana a la Tierra y «nos visitan» de forma periódica, como es el caso del Halley, que lo hace cada 76 años, o el Swift-Tuttle, cada 120 años.

Origen de los cometas. Se forman en el cinturón de Kuiper (1), en el disco disperso (2) y en la nube de Oort (3).

5. La tabla de la derecha muestra la duración del día (en días terrestres) y del año (en años terrestres) en los planetas del sistema solar.

¿De qué depende la duración del día y del año en cada uno de los planetas?

Neptuno

1

3

2

Nube de Oort

Cinturón de Kuiper

Disco disperso

Neptuno

Marte Júpiter

Mercurio

Urano Sol

Tierra

Saturno

Cola

Cabellera

Cabeza

Núcleo (helado y rocoso)

¿Cómo se formaron la Tierra y la Luna? 2

eLa Tierra y la Luna: un origen catastrófico

Entra en la web de Bruño para observar cómo se originaron la Tierra y la Luna. La Tierra después de su nacimiento tenía un aspecto muy distinto del que conoces en la actualidad. Durante millones de años, ella y el resto de los planetas y satélites se mantuvieron en estado de fusión.

a ¿Por qué no había oxígeno en la atmósfera terrestre primitiva?

b ¿Crees que la Luna tiene atmósfera? ¿Y agua?

El origen de la Luna

Hace unos 4 600 Ma colisionó con la Tierra (1) un supuesto planeta del tamaño de Marte (2), denominado Theia, que liberó al espacio gran cantidad de fragmentos rocosos. Estos materiales en estado fundido quedaron orbitando alrededor de nuestro planeta (3), atraídos por la gravedad

La formación de la Tierra

Hace unos 4 600 millones de años se formó la Tierra; los impactos de los planetesimales (1), junto con el calor desprendido por la desintegración de elementos radiactivos del interior terrestre, la mantuvieron a ella y al resto de los planetas en estado de fusión (2), lo que permitió su diferenciación por densidades:

➜ Los elementos pesados, como el níquel y el hierro, se hundieron hacia el centro y formaron el núcleo (3).

➜ Sobre el núcleo se situaron otros materiales menos densos, originando el manto (4).

➜ Los materiales más ligeros (silicatos), emigraron hacia la superficie y se fueron enfriando hasta formar una corteza sólida (5).

Cuando los impactos de los planetesimales se hicieron menos frecuentes, la superficie del planeta fue enfriándose poco a poco.

La gran actividad volcánica de la Tierra primitiva expulsó grandes cantidades de vapor de agua que, junto con la que aportaron los cometas y meteoritos, originaron el agua de la hidrosfera (6).

Otros gases, también liberados por las emanaciones volcánicas, fueron retenidos por la fuerza gravitatoria del planeta y formaron la

¿Cuál pudo ser el origen de la vida en la Tierra? 3

e¿Es la vida un imperativo cósmico?

Entra en la web de Bruño para observar cómo pudo surgir la vida en la Tierra. Aunque no existe un modelo generalizado que explique el origen de la vida, los datos aportados por la astrobiología, los hallazgos encontrados en los meteoritos, los experimentos que simulan las condiciones de la Tierra primitiva por medio de ordenadores (experimentos in silico) y la recreación en el laboratorio de las reacciones químicas hipotéticas que especulan sobre la posible transición de la materia inanimada a la vida (experimentos in vitro) sugieren que la respuesta al enigma de la existencia de vida se halla en la combinación de factores terrestres y extraterrestres. a ¿Se podría recrear un ambiente óptimo para la vida en un planeta o satélite?

Para comprender los orígenes cósmicos de la vida, debes plantearte las siguientes preguntas: ¿El universo está lleno de vida, porque se trata de un imperativo cósmico, un proceso químico inevitable cuando se dan las condiciones necesarias?, ¿cómo surgió la vida en la Tierra?, ¿existe vida en alguna parte del universo además de en la Tierra?, ¿qué condiciones debe reunir un planeta para que pueda albergar vida?

La astrobiología es una disciplina que integra conocimientos de física, geología, astronomía, química, biología, ingeniería, etc., y que trata de dar respuesta a estos interrogantes ya que estudia el origen, la evolución, la distribución y el destino de la vida en el universo.

La vida es una propiedad emergente

La vida es una propiedad que surge de las interacciones moleculares que se establecen entre los componentes organizados de un sistema complejo, capaces de utilizar una fuente de energía.

Los astrobiólogos, con los radiotelescopios (1), escrutan el firmamento en busca de moléculas orgánicas sintetizadas en las nubes interestelares (2). Han identificado decenas de ellas, como el formaldehído y el ácido cianhídrico, y han demostrado que la química orgánica es universal.

6. Un sistema se identifica por sus propiedades emergentes, llamadas así porque solo se ponen de manifiesto o emergen cuando el sistema se encuentra en funcionamiento.

Por ejemplo, un automóvil es un sistema cuya propiedad emergente es la de ser utilizado para el transporte mediante su movimiento. Pero los elementos o partes que lo componen (motor, volante, asientos, frenos, etc.), por sí solos, no tienen la propiedad del coche, es decir, del sistema.

Esta propiedad solo emerge cuando los elementos interactúan para que funcione, es decir, cuando el motor arranca y el automóvil se desplaza.

a) ¿Qué significa el hecho de que la vida sea una propiedad emergente?

b) ¿Crees que la vida puede surgir a partir de la ausencia de vida?

Radiotelescopio localizado en el Observatorio de Sierra Nevada (OSN, Granada).

¿Qué es la zona de habitabilidad?

Es probable que la vida pueda surgir en cualquier planeta, situado en una región denominada zona de habitabilidad, que reúna las mismas condiciones de la Tierra primitiva.

ZONA DE HABITABILIDAD

Galáctica Estelar

Es una región situada en el disco de la galaxia (en nuestro caso es la Vía Láctea), entre 15 000 y 38 000 años luz del núcleo galáctico, donde la probabilidad de que exista vida es mayor, ya que se dan las condiciones más favorables para su aparición.

Se encuentra alejada de la intensa radiación que emite el núcleo de la galaxia y de las regiones donde hay una constante actividad de formación de estrellas.

Demasiado cálido

Demasiado frío

Órbita de Marte

Órbita de Tierra

La terraformación

Es el conjunto de procedimientos que permitirían recrear en un planeta o satélite natural las condiciones ambientales óptimas para la vida.

Es una región privilegiada para el nacimiento y la evolución de la vida, situada alrededor de una estrella y a cierta distancia de ella, en función de su tamaño y temperatura, donde orbitan uno o más planetas cuyas condiciones climáticas posibilitan que exista agua en estado líquido en su superficie.

Para crear una biosfera, primero se debe generar una atmósfera similar a la terrestre y calentar el planeta hasta una temperatura media de unos 15 ºC.

Marte es uno de los planetas candidatos para modificar su entorno (1): tiene hielo en el subsuelo y en los polos (bajo el hielo hay agua líquida).

Condiciones que debe reunir un planeta para albergar vida

➜ Encontrarse en las zonas de habitabilidad galáctica y estelar, a cierta distancia de la estrella: más cerca, la temperatura sería tan alta que toda el agua estaría en fase de vapor, como en Venus; más lejos, las bajas temperaturas mantendrían el agua en forma de hielo, como en Marte.

➜ Poseer un tamaño y una masa determinados que generen la fuerza de gravedad suficiente para retener los gases y generar una atmósfera, imprescindible para la aparición y el mantenimiento de la vida.

➜ Presentar dinámica interna (tectónica de placas), responsable de la creación de la magnetosfera que proteja del viento solar; y de la actividad volcánica, que emita dióxido de carbono (CO2) y produzca un efecto invernadero capaz de mantener una temperatura media de unos 15 ºC, adecuada para la vida.

➜ Disponer de oxígeno atmosférico (aunque algunos no lo requieren, como las bacterias anaerobias), necesario para que surjan evolutivamente organismos pluricelulares más complejos, y para formar este gas hacen falta organismos fotosintéticos que consuman CO2

Órbita de Venus Órbita de Mercurio

Zona de habitabilidad estelar

Zona de habitabilidad galáctica

Marte Tierra Venus Mercurio

¿Conoces las teorías sobre el origen de la vida?

Hasta mediados del siglo xix, las únicas teorías admitidas por la comunidad científica sobre el origen de la vida en la Tierra eran el creacionismo y la teoría de la generación espontánea. Según estas, los seres humanos y los animales de mayor envergadura fueron creados por un ser sobrenatural todopoderoso, mientras que los organismos más sencillos (ratones, anfibios o insectos) surgieron del fango y de la materia orgánica en descomposición por generación espontánea.

Experimento de Redi

Francesco Redi (1626-1697) llevó a cabo el siguiente experimento:

1. Colocó trozos de carne y de pescado en tres recipientes.

A. Lo tapó de forma hermética con un corcho.

B. Lo dejó abierto.

C. Lo cubrió con un trozo de gasa atada.

2. Al cabo de varios días, la carne y el pescado se habían podrido en los tres frascos, pero solo crecieron larvas de mosca sobre la carne del recipiente abierto (B) y encima de la gasa del recipiente C.

Demostró que las larvas no aparecían por generación espontánea, sino que procedían de los huevos puestos por las moscas atraídas por la putrefacción.

Experimento de Pasteur

7. Si fueras un explorador espacial, deberías tener en cuenta que los posibles mundos candidatos para albergar vida deben reunir una serie de condiciones. ¿Qué características se dan en la Tierra que no se dan en otros planetas y que permiten el desarrollo de la vida en ella?

8. Trabajad por parejas y buscad información sobre las repercusiones que tuvo el experimento de Pasteur en la posterior evolución de la medicina y en la prevención y el tratamiento de las enfermedades infecciosas. Exponed vuestros resultados al resto de la clase.

Louis Pasteur (1822-1895) planteó, en 1860, que no existe la generación espontánea, ya que los microorganismos aparecen porque son transportados por el aire: la vida solo puede ser engendrada por otra forma de vida anterior a ella. Para demostrarlo, realizó el siguiente experimento:

El aire penetra por el extremo abierto.

1. Introdujo caldo de carne en un matraz.

2. Con la llama estiró y curvó el cuello del matraz en forma de «S».

3. Calentó el matraz para esterilizarlo.

4. En el interior no se desarrolló ningún microorganismo, ya que quedaban atrapados en la curvatura.

5. El líquido permaneció estéril hasta que Pasteur inclinó el matraz para que entrara caldo en el cuello curvado.

6. Cuando enderezó el matraz, el crecimiento bacteriano rápidamente enturbió todo el caldo.

Los extremófilos

El río Tinto (Huelva) (A) alberga formas de vida microscópica similares a las que pueden darse en otros planetas. Su tonalidad rojiza y su grado de acidez se deben a la actividad de los microorganismos extremófilos, capaces de alimentarse con los sulfuros metálicos que contiene.

Debido a la abundante cantidad de azufre y hierro que existe en este lugar, ambos elementos frecuentes en Marte y a las peculiares comunidades de seres vivos que habitan en el río Tinto, puede servir de modelo a los astrobiólogos de la NASA para corroborar la hipótesis de que, si en este planeta hubo alguna vez vida, pudo ser microscópica y capaz de utilizar estos elementos químicos.

e

9. Esta molécula orgánica es un nucleótido denominado adenosín trifosfato (ATP, en su sigla inglesa). ¿Qué nombres reciben los elementos químicos que intervienen en su formación y de qué moléculas inorgánicas podrían proceder?

¿En qué consiste la abiogénesis o evolución química?

La abiogénesis (también llamada evolución química o síntesis prebiótica) es el proceso que permitió la aparición de moléculas orgánicas, base de la vida, en la Tierra primitiva a partir de materia inerte mediante reacciones químicas, en un momento en el que la atmósfera presentaba unas condiciones muy distintas a las actuales.

Este proceso pudo tener lugar de dos maneras:

➜ A partir de aportaciones exógenas de las nubes interestelares.

➜ A partir de sustancias orgánicas que pudieron formarse en diversos ambientes de la Tierra primitiva.

El progresivo aumento de la complejidad molecular, desde la materia inorgánica hasta las primeras células vivas, pudo desarrollarse en varias etapas: síntesis prebiótica, polimerización y emergencia de sistemas moleculares organizados, surgimiento de protocélulas y estructuración celular y emergencia de la vida.

Síntesis prebiótica

Entre las hipótesis que tratan de explicar el origen de las primeras moléculas orgánicas, destacan fundamentalmente tres:

Hipótesis de las fuentes hidrotermales

En las zonas próximas a las dorsales oceánicas, el agua se filtra, se convierte en vapor de agua y al ascender disuelve los minerales que encuentra, hasta que escapa por las fisuras del fondo oceánico y origina fuentes hidrotermales o fumarolas (1), que son el origen de yacimientos minerales y fuente de vida de los ecosistemas submarinos asociados a las dorsales: gusanos tubícolas, mejillones, cangrejos y almejas gigantes, todos blancos; colonias de cnidarios, etc. Es posible que en estos ambientes tuviese lugar la síntesis prebiótica de moléculas orgánicas, gracias a la presencia de componentes en estado reducido, ya que la vida puede prosperar en ambientes muy extremos.

En estos lugares, de oscuridad absoluta y temperaturas muy altas, las fuentes hidrotermales emiten gases procedentes de la actividad magmática de la dorsal (H2, CO2, CH4 y H2S), que, disueltos en agua y en condiciones extremas, burbujean a través de cavidades ricas en piritas (sulfuros de hierro), cuyas superficies metálicas son capaces de catalizar la formación de moléculas orgánicas sencillas.

Hipótesis de la sopa primordial

El bioquímico ruso Alexander Oparin y el fisiólogo británico John B. Sanderson Haldane expusieron en 1929, aunque de manera independiente, esta hipótesis. Ellos proponen que las evidencias del origen de la vida hay que buscarlas en las pequeñas moléculas gaseosas presentes en la atmósfera primitiva y en las condiciones ambientales de la Tierra hace unos 4 600 Ma. La hipótesis de la sopa primordial ganó credibilidad con los experimentos diseñados por Stanley Miller y Harold Clayton Urey, Juan Oró, Robert Shapiro, John Sutherland, Günter Wächtershäuser y otros.

➜ Sugirieron que la atmósfera primitiva debió de ser distinta a la actual, carente de oxígeno y sin capa de ozono, y muy rica en gases reducidos, como el amoniaco (NH3), el metano (CH4), el sulfuro de hidrógeno (H2S), el dióxido de carbono (CO2) y el vapor de agua (H2O).

3. Mediante unos electrodos, hicieron pasar descargas eléctricas a través de la mezcla.

4. Enfriaron la mezcla de sustancias.

H2O CH4 H2 NH3

Electrodos

➜ La falta de oxígeno, debido a que se combinaba con otros elementos para formar óxidos, permitió que la atmósfera tuviera carácter reductor, necesario para la estabilidad de las futuras moléculas orgánicas.

➜ Es probable que estos compuestos gaseosos de la atmósfera fueran bombardeados por radiación ultravioleta, rayos cósmicos, chispas eléctricas de las tormentas, etc., que formaron, espontáneamente, las biomoléculas propias de todos los seres vivos (glúcidos, lípidos, proteínas, ácidos nucleicos...).

➜ Estas sustancias químicas se disolvieron en el mar, y dieron lugar a la sopa o caldo primordial, un conjunto de moléculas orgánicas disueltas en el agua de los mares primitivos. Y, tal vez, en algunas charcas intermareales calentadas por la actividad volcánica, se concentraron y reaccionaron unas con otras, originando compuestos más complejos.

2. Introdujeron una mezcla de gases similares a los que debían de existir en la atmósfera primitiva (metano, amoniaco, hidrógeno y vapor de agua).

Condensador

5. Comprobaron que se habían sintetizado algunas moléculas características de la materia viva, como los aminoácidos.

1. Hirvieron agua en un matraz.

Calor

Trampa. Quedan atrapados los residuos y moléculas.

Experimento de Miller-Urey. En la actualidad, los científicos consideran que la atmósfera primitiva no era tan reductora y que la mezcla de gases que Miller y Urey introdujeron en el matraz no representaba a los componentes de esta primera atmósfera. Aun así, este experimento realizado en 1952 sirvió para destacar que es posible sintetizar moléculas orgánicas a partir de los gases atmosféricos en ausencia de enzimas.

e

10. Laura quiere ser astrobióloga. ¿Qué estudia la astrobiología?

11. ¿Cómo se complementan las hipótesis de las fuentes hidrotermales y de la sopa primordial?

12. ¿Qué crítica se le hace al experimento de Miller-Urey?

Hipótesis de la panspermia

Propuesta inicialmente por Horst-Eberhard Richter en 1865 y desarrollada por Svante August Arrhenius en 1906, sugiere que la vida es de origen extraterrestre, es decir, que podría haber surgido en un lugar determinado y después desplazarse a otros planetas habitables. Juan Oró, Carl Sagan, Fred Hoyle y Chandra Wickramasinghe apoyan esta teoría.

Por ello, la astrobiología propone que la existencia de vida se debe a un conjunto de procesos:

➜ Síntesis de materia orgánica en las nubes interestelares. Los astrobiólogos han detectado sustancias en las nubes densas del espacio interestelar: H2O, polvo cósmico y moléculas orgánicas (fullerenos, etano, aminoácidos, acetileno, ácido cianhídrico, monóxido de carbono, ácido fórmico, hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAH), precursores del ARN, etc.). Estas moléculas orgánicas se forman mediante reacciones entre moléculas ionizadas por la acción de los rayos cósmicos galácticos, procedentes de alguna supernova (1), que calientan e ionizan los componentes moleculares gaseosos de las nubes interestelares (2).

➜ Bombardeo de meteoritos, cometas y polvo cósmico. Parte de las biomoléculas orgánicas, junto con el agua, pudieron llegar a bordo de cometas, meteoritos y polvo cósmico durante el bombardeo (hace entre 4 600 y 3 800 Ma) que experimentó la Tierra.

• Los aminoácidos, ácidos carboxílicos, purinas, pirimidinas, polialcoholes, hidrocarburos, compuestos derivados de la ribosa y de la desoxirribosa y otras sustancias orgánicas están presentes en algunos meteoritos, como el meteorito Murchison (Australia), de unos 4 600 Ma de antigüedad.

2

3 6 A

• El polvo cósmico (A) está compuesto por granos de silicatos (1) recubiertos de hielo (2) que contienen en su interior moléculas orgánicas, como metanol (CH3OH) (3), monóxido de carbono (CO) (4), dióxido de carbono (CO2) (5), hidrocarburos aromáticos policíclicos (6), etc. 1 5 4

Aminoácidos

ARN

PAH 2 1

Acetileno

Fullereno

Ácido fórmico

Polimerización, ARN, proteínas y membranas

Algunas biomoléculas sencillas pudieron experimentar reacciones de polimerización y formar polímeros necesarios para el origen de la vida: los aminoácidos darían lugar a pequeñas cadenas proteicas, y los nucleótidos, a pequeños fragmentos de ácidos ribonucleicos (ARN). Estas moléculas tienen la capacidad de:

➜ Almacenar información genética (se comportan como genes).

➜ Manifestar actividad enzimática (las ribozimas) y catalizar determinadas reacciones, lo que constituye la base del metabolismo.

➜ Autorreplicarse y originar copias idénticas, fundamento de la reproducción.

Se pudieron formar fosfolípidos, que se autoensamblaron para formar bicapas y se convirtieron en vesículas membranosas capaces de diferenciar el medio acuoso interno del ambiente externo.

Polimerización

La polimerización pudo ser protegida de la degradación por la acción catalítica de las superficies minerales, localizadas en el fondo de los mares primitivos y calentadas por manantiales termales:

➜ La estructura en capas de las arcillas (zeolita) ofrece una enorme superficie de adsorción donde se fijan los nucleótidos, y presenta iones metálicos

13. A Elvira le gusta conversar de ciencia con su amigo Gerardo. Pero casi nunca están de acuerdo: Elvira sugiere que las protocélulas primitivas contenían ADN, mientras que Gerardo afirma que poseían ARN, porque tiene una capacidad que no tiene el ADN.

¿Quién lleva razón y cuál es esa capacidad de la que hablan?

que pudieron actuar como centros catalíticos para la síntesis y polimerización de moléculas como el ARN.

➜ Las superficies rugosas de los feldespatos poseen pequeñas cavernas que podrían albergar moléculas orgánicas y protegerlas de las radiaciones destructivas.

¿Cómo se organizaron las protocélulas?

Los polímeros sintetizados se ensamblaron y originaron protocélulas, formadas por vesículas membranosas de agua con moléculas de ARN autorreplicantes en su interior y capacidad enzimática. Estas protocélulas desarrollaron un metabolismo rudimentario y evolucionaron a células vivas.

ARN autorreplicante

5. Cuando alcanzase un tamaño determinado, la protocélula se dividiría en dos hijas, cada una con una cadena de ARN.

1. En las zonas frías (A), las cadenas de ARN autorreplicante de la protocélula actuarían como molde para la síntesis de una hebra complementaria.

Nucleótidos

Algunos investigadores proponen que lo que emergió en primer lugar dentro de la protocélula fue el metabolismo; otros afirman que fue el ARN autorreplicante (el «gen»).

3. En las zonas cálidas (B), se separarían las dos cadenas de

2. Se formaría una doble hélice de ARN.

ARN.

A. Zona fría

Protocélulas hijas

Bicapa lipídica

ARN molde

Moléculas lipídicas

Cadenas de ARN separadas

Doble hélice de ARN

B. Zona caliente

4. Crecería la membrana de la protocélula.

Cadena de ARN complementaria

¿Cómo nació la vida celular?

Si la Tierra se formó hace unos 4 600 Ma y la vida emergió en nuestro planeta hace unos 3 800 Ma, ¿qué crees que pudo ocurrir en este viaje de 700 Ma que convirtió las moléculas orgánicas en células vivas?

A continuación, se muestra una propuesta de cómo pudieron evolucionar las protocélulas basadas en el ARN hasta formar las células vivas.

1. La sopa primordial se enriquecería con la materia orgánica sintetizada a partir de los gases de las nubes interestelares, transportada en cometas, meteoritos y polvo cósmico (1a), y con las aportaciones procedentes de los gases atmosféricos (1b) y de las fuentes hidrotermales (1c).

2. Probablemente, tras la síntesis abiótica y la polimerización, el ARN de las protocélulas experimentara mutaciones y comenzara el proceso evolutivo: el ambiente seleccionaría a los mutantes más aptos.

3. Algunas mutaciones convertirían moléculas de ARN en ribozimas con capacidad catalítica para realizar la replicación de la doble hebra del ARN.

4. Otras ribozimas catalizarían reacciones bioquímicas para un desarrollo gradual del metabolismo, hasta que las células pudieron nutrirse de los materiales de su entorno, y obtener energía para la síntesis de nuevos componentes celulares.

5. Un grupo de ribozimas sería capaz de traducir la información genética contenida en las secuencias de nucleótidos del ARN y sintetizaría proteínas (enzimas), dotadas de una gran versatilidad y capacitadas para desarrollar numerosas tareas, como la catálisis enzimática.

7. Un grupo de enzimas se especializarían en la tarea de sintetizar la doble hélice del ADN, una molécula más estable, que con el tiempo sustituiría al ARN en la tarea de almacenar la información genética.

6. Las enzimas están más cualificadas para la catálisis, por lo que sustituirían progresivamente a las ribozimas en las tareas metabólicas.

8. El aumento de la complejidad permitió que, en algún momento, surgieran las primeras células vivas de organización procariota.

ARN bicatenario

Energía

Desechos

Ribozima ARN ARN ARN

Nutrientes

Ribozima

Ribozimas

Proteína

Nutrientes

Desechos

Ribosoma

Proteína

Enzima

Enzima

¿Cómo evolucionaron las células primitivas?

¿Cuál fue el antepasado procariota común a todas las células actuales?

Entra en la web de Bruño para observar cómo pudieron surgir las primeras células en la Tierra. La vida constituye un fenómeno tal vez inevitable en las condiciones iniciales y que resulta irrepetible, ya que, cuando hizo su aparición en la Tierra, modificó la atmósfera del planeta y destruyó así las condiciones que habían hecho posible su propia aparición.

a Buscad información sobre el posible origen de los yacimientos de hierro bandeado.

La vida surgió en la Tierra hace unos 3 800 Ma cuando la materia inanimada, generada por la evolución molecular de los componentes de las fuentes hidrotermales, la sopa primordial y la panspermia, se transformó en célula viva.

1. Se ensambló, de forma espontánea, una vesícula membranosa que separó el medio externo del interno, lo que favoreció la existencia del ARN autorreplicante con capacidad catalítica.

2. La aparición de un metabolismo rudimentario permitió a la célula ancestral obtener energía (nutrición) y utilizarla para crecer, reproducirse, responder a las variaciones del ambiente (relación), mantener su medio intracelular en condiciones relativamente constantes (homeostasis), adaptarse a los cambios ambientales y evolucionar.

Los primitivos heterótrofos anaerobios

Debido a que las primeras células se originaron en un mar de moléculas orgánicas, probablemente fueron bacterias heterótrofas fermentadoras anaerobias, capaces de obtener alimento y energía de moléculas orgánicas que flotaban en la superficie de la sopa primordial mediante procesos de fermentación en ausencia de oxígeno.

El «descubrimiento» de la fotosíntesis

Estas primitivas o primeras células heterótrofas se verían obligadas a competir entre sí para conseguir alimento y habrían muerto de hambre o devoradas unas por otras, si no fuera porque la evolución celular generó las cianobacterias, y con ellas la fotosíntesis.

La fotosíntesis les permitiría usar la energía solar, gracias a la clorofila, para convertir el dióxido de carbono en glúcidos mediante una reacción que libera oxígeno como producto residual. Sin embargo, el oxígeno, con gran poder oxidante, fue mortal para las células heterótrofas anaerobias. Este gas se acumuló progresivamente en la troposfera y en la estratosfera (en forma de ozono) y modificó la composición atmosférica.

e

14. Los estromatolitos (1) son estructuras columnares estratificadas que se forman en ciertos lugares con aguas poco profundas.

a) ¿Qué microorganismos intervienen en su formación?

b) Trabajad por parejas y buscad información sobre la edad que tienen los estromatolitos fósiles más antiguos.

15. ¿Qué supuso para la Tierra primitiva la aparición de las cianobacterias?

Lynn Margulis

Bióloga estadounidense (1938-2011)

Colaboró con James E. Lovelock en la «hipótesis de Gaia», y con Richard V. Schwartz, en la clasificación de los seres vivos en cinco reinos o categorías taxonómicas. «Todos somos comunidades de microbios; cada planta y cada animal en la Tierra es hoy producto de la simbiosis», afirmaba.

Sus ideas sobre el origen endosimbionte de la célula eucariota y el papel de la simbiogénesis como fuerza rectora de la evolución han sido a veces controvertidas, pero fomentaron el pensamiento crítico en la investigación científica, con frecuencia excesivamente monolítica, y han transformado nuestra manera de concebir la vida en la Tierra.

La revolución del oxígeno: los aerobios

La liberación del oxígeno fotosintético transformó la atmósfera primitiva reductora en una nueva, similar a la actual. La capa de ozono disminuyó la intensidad de la radiación ultravioleta que llegaba a la Tierra, lo que permitió que las formas de vida primitivas colonizaran la superficie. Muchas de las células existentes hasta ese momento desaparecieron y otras consiguieron adaptarse y se transformaron en bacterias heterótrofas aerobias, que empleaban este oxígeno atmosférico para extraer más energía de la misma cantidad de alimento. Así surgió la respiración celular, que libera CO2 como producto residual.

Heterótrofos y fotosintéticos han evolucionado conjuntamente: los animales y demás heterótrofos utilizan «polución fotosintética» (O2) y las plantas y otros fotosintéticos consumen «polución animal» (CO2).

¿Cómo se originaron las células eucariotas?

La teoría de la endosimbiosis seriada, propuesta por Lynn Margulis, describe el paso de células procariotas a células eucariotas mediante la sucesiva incorporación simbiogenética de diferentes bacterias de vida libre, de manera que, con cada incorporación, los genomas de los organismos simbiontes se integran y pasan a formar parte del nuevo individuo resultante.

Bacterias aerobias

Cianobacterias

1. Probablemente, los sistemas internos de membrana de las células eucariotas, como el retículo endoplasmático, se formaron por invaginaciones y plegamientos progresivos de la membrana plasmática. Otros orgánulos celulares pudieron surgir como consecuencia de los procesos simbiogenéticos.

2. Varias células procariotas (A) podrían haber sido fagocitadas por otra célula procariota hospedadora de mayor tamaño, probablemente una arquea (B), y con el tiempo, los huéspedes y el hospedador interaccionarían en beneficio mutuo, hasta que esta relación se convirtió en una simbiosis (C).

16. Los procariotas primitivos tal vez desarrollaron sistemas de depredación, similares al del protozoo Didinium (1), que devora al protozoo Paramecium (2) como puedes observar en la imagen de la derecha.

¿Qué nombre recibe este modo de depredación?

2

Célula procariota ancestral

Célula eucariota

Incorporaciones simbiogenéticas que condujeron a la formación de las primitivas células eucariotas Según la hipótesis de la endosimbiosis seriada, en primer lugar, un tipo de arquea fermentadora (1), que utilizaba el azufre y el calor como fuentes de energía, tal vez perdió la pared celular y experimentó un aumento de su tamaño, acompañado por las invaginaciones progresivas de la membrana plasmática (2). Esto incrementó su superficie celular y el desarrollo de los sistemas internos

17. Los primitivos organismos aerobios lograron adaptarse a la atmósfera con oxígeno. ¿Qué capacidades ventajosas desarrollaron como consecuencia de esa adaptación?

18. ¿Cuál fue el origen del retículo endoplasmático, el núcleo, el citoesqueleto, las mitocondrias, los peroxisomas y los cloroplastos, según la teoría de la endosimbiosis seriada?

MAPA MENTAL

Utiliza este mapa mental como modelo de síntesis de la unidad. Completa las ramas que le faltan y dibuja tu propio mapa mental para resumir lo que has aprendido.

Tierra

Acreción de planetesimales

Sol

Planetas Planetas enanos

SISTEMASOLAR

Satélites

Cuerpospequeños

EL SISTEMA SOLAR

Cometas

Asteroides

Meteoroides

Ceres

Meteoros

Meteoritos

Sopaprimordial P a nspermia

setneuF h i drotermales

LATIERRA Y EL ORIGE

Zonade habitabilidadAbiogénesis

ORIGENDELA

Eucariot as

Polimer

Procariotas Heterótrofosanaerobios

19. ¿Cuáles de estas órbitas corresponden a los planetas y cuáles a Plutón y a Eris? ¿Dónde se localizan estos dos plutoides?

20. A veces, es fue posible ver desde la Tierra el paso del planeta Venus por delante del Sol. Este fenómeno se denomina «tránsito de Venus» y sucede cuando se sitúa entre el Sol y la Tierra.

a) ¿Por qué se observó el «tránsito de Venus» proyectando la imagen en una hoja blanca en lugar de mirar directamente por el telescopio?

b) Si vivieras en el planeta Venus, ¿por dónde verías «salir» el Sol y por dónde «se pondría»?

c) Compara la duración del año en el planeta Venus con la duración del día, expresándolo en ambos casos en días terrestres. ¿A qué conclusión llegas?

21. Los cometas describen órbitas muy elípticas y alargadas alrededor del Sol.

¿Por qué solo son visibles cuando se acercan al Sol? ¿Qué relación tiene la cola de un cometa con la aparición de estrellas fugaces?

22. Este gráfico representa el periodo o tiempo que tardan los planetas en dar una vuelta completa alrededor del Sol, expresado en años terrestres, en relación con sus distancias al Sol, expresadas en unidades astronómicas (ua): Neptuno

Periodo del planeta en años terrestres

Urano

Saturno

Júpiter

Marte

Tierra Venus

Mercurio

10 100

Distancia al Sol (ua)

a) ¿Cómo varía la duración del periodo de traslación en relación con la distancia al Sol?

b) Teniendo en cuenta que el planeta enano Ceres se encuentra a 2,76 ua, ¿en qué zona del sistema solar se localiza?

23. Tanto en el mundo inanimado como en el viviente, existe una jerarquía de diversos niveles de complejidad y, por tanto, de organización. Cada cierto tiempo se pasa de un nivel inferior a otro superior y se produce un salto de complejidad.

Organismos

Pluricelulares

Colonias

Eucariotas

Procariotas

4 000 2 000 1 000 550 Ma.

a) ¿Cuántos saltos de complejidad aprecias en la siguiente gráfica y qué conclusiones sacas al observar el tiempo que transcurre desde que se produce un salto hasta el siguiente?

24. ¿En qué ambientes pudo tener lugar la abiogénesis, es decir, la síntesis prebiótica de moléculas orgánicas precursoras de la vida?

¿Qué papel pudieron desempeñar las arcillas, las piritas o los feldespatos en la emergencia de sistemas moleculares organizados?

Venus

Superficie del Sol

1

Aprendo a construir un modelo del sistema solar a escala

Para hacerte una idea aproximada de los tamaños relativos en el sistema solar, tienes que hacer un modelo a escala.

Para ello, debes reducir las dimensiones de todos sus componentes dividiendo el diámetro del Sol y el de todos los planetas por un factor de, por ejemplo, mil millones (1 000 000 000).

Así, el Sol podría ser un gigantesco balón de playa de 1,4 metros de diámetro, y los planetas, tal vez puedas encontrarlos en tu nevera, como se indica a continuación:

a) Sitúa los elementos de este modelo a las distancias adecuadas para que los planetas mantengan la escala de las distancias al Sol, en unidades astronómicas.

2

Extraigo la información de una ilustración y la utilizo para comparar las zonas de habitabilidad de dos estrellas

Compara las distancias a su correspondiente estrella de las zonas de habitabilidad del Sol y de una estrella llamada Gliese 581, una enana roja que posee seis planetas girando a su alrededor, llamados Gliese e, b, c, g, d y f.

a) ¿Qué se conoce como la zona de habitabilidad estelar?

b) Teniendo en cuenta que la estrella Gliese 581 es una enana roja (menos luminosa y más fría que el Sol), cuya masa es un tercio de la masa solar, ¿a qué se debe que las distancias entre las estrellas y las zonas de habitabilidad sean diferentes?

c) ¿Qué planetas del sistema solar y de la estrella Gliese 581 se sitúan en la zona de habitabilidad?

d) ¿En qué consiste la terraformación? ¿Qué planeta del sistema solar es candidato para modificar su entorno?

Sol

Mercurio

Venus

Tierra Marte

Júpiter

Saturno

Limón

Balón de playa 1,4 m

Gliese 581

Distancia a la estrella (ua)

Fuente: Un planeta en la zona habitable. ESO (European Southern Observatory).

Zona

de la zona habitable debido a varias incertidumbres

3

Aprendo a interpretar la ecuación de Francis Drake y a realizar cálculos

En el pasado fueron lanzadas cuatro naves en dirección a las estrellas, las Pioneer («Pioneros») 10 y 11 y las Voyager («Viajeros») 1 y 2 como si fueran «mensajes en una botella» interestelar, ya que eran portadoras de mensajes simbólicos con información sobre la existencia de seres humanos y las posiciones de la Tierra y el Sol a una posible civilización extraterrestre. El radiotelescopio gigante de Arecibo (Puerto Rico) emitió, en 1974, un mensaje en forma de ondas de radio en dirección al agrupamiento de estrellas conocido como M-13, que dista de nosotros unos 25 000 años luz. La traducción del mensaje, cifrado en un código binario, daba lugar a un pictograma con datos de los seres humanos y sus conocimientos. Fue diseñado, entre otros, por Carl Sagan y Frank Drake, fundadores del proyecto SETI (del inglés Search for Extra Terrestrial Intelligences).

Recientemente, la sonda Kepler ha rastreado las estrellas cercanas y ha encontrado numerosos exoplanetas, algunos potencialmente habitables. También buscan signos de vida extraterrestre el telescopio espacial Web, la misión Juice (en las lunas de Júpiter) y la sonda Photon (en Venus).

El instituto SETI, junto con otras entidades, ha desarrollado varios proyectos para rastrear el universo en busca de señales de radio que puedan proceder de civilizaciones extraterrestres, como el radiotelescopio ATA (del inglés Allen Telescope Array) y los proyectos SERENDIP, Phoenix, SETI@ home, Cosmic, etc., junto con los proyectos Argus y Galileo.

a) El profesor Francis Drake, en colaboración con otros investigadores, desarrolló la siguiente ecuación:

N = n* · fp · ne · fv · fi · fc · D

Con ella vas a calcular el número de civilizaciones (N) que pueden haber desarrollado en nuestra galaxia una civilización tecnológica similar a la de los seres humanos.

Para ello, asigna los siguientes valores a cada parámetro:

n* = número de estrellas de la Vía Láctea = 10.

fp = fracción de estrellas que poseen sistemas planetarios = 0,5.

ne = número de planetas de un sistema planetario que poseen condiciones ecológicas adecuadas para la vida = 2.

fv = fracción de dichos planetas en los que se ha desarrollado vida = 1.

fi = fracción de dichos planetas habitados en los que se ha desarrollado vida inteligente = 0,01.

fc = fracción de dichos planetas habitados por seres inteligentes que han desarrollado una civilización tecnológica avanzada = 0,01.

D = duración o vida media de una civilización con tecnología avanzada = 10 000.

¿Qué resultado has obtenido?

Estructura de la doble hélice del ADN, una molécula esencial para la vida.

Ser humano

Astros del sistema solar

Esquema de radiotelescopio

Mensaje emitido por el radiotelescopio de Arecibo en código binario.

«Mensajes en una botella». Las sondas Pioneer 10 y 11 llevan un mensaje simbólico inscrito en una placa, diseñado por los astrónomos Carl Sagan y Frank Drake. Contiene datos sobre los seres humanos y trata de explicar quiénes somos y dónde estamos a algún tipo de inteligencia extraterrestre que pudiera interceptar la sonda.

La humanidad, en ocasiones, es terca con la ciencia

Vais a investigar sobre la intransigencia y la violencia que genera la ignorancia.

Tarea de inicio

No hicimos caso de las investigaciones de Aristarco de Samos (280 a. C.) y durante mucho tiempo nos creímos el ombligo del mundo, es decir, el centro del universo. Pensábamos que todo giraba a nuestro alrededor.

Pasaron muchos siglos, hasta que los cálculos matemáticos de Nicolás Copérnico nos arrebataron esta posición privilegiada. Poco después, la investigación llevada a cabo por Johannes Kepler nos desplazó a una órbita y nos «condenó» a girar eternamente alrededor del Sol. Resignados, hasta principios del siglo xx creíamos vivir en el centro de nuestra galaxia.

Pero, en los años veinte, Harlow Shapley observó, calculó y nos mandó de un plumazo a los suburbios galácticos, a la periferia de uno de sus brazos, a un punto situado a unos 30 000 años luz del centro. Desde aquí, nuestro Sol se vería como una minúscula estrella de entre los millones de pequeñas y débiles estrellas que todavía no están clasificadas.

Ni siquiera nuestra galaxia es un objeto privilegiado. Los cálculos y mediciones de Edwin Hubble nos enseñaron que la Vía Láctea es una más de entre los miles de millones de galaxias que componen el universo. Vivimos en un universo sin límites que no tiene centro. No existe ninguna posición especial ni preferente. Para nadie.

Y, según la teoría del multiverso, tal vez nuestro universo, nacido de una burbuja de espuma cósmica, no sea más que otro entre un conjunto de universos distintos.

SITUACIÓN DE APRENDIZAJE

Tareas de desarrollo

1 Entrad en la web de Bruño filósofos jonios.

a) ¿Qué hipótesis propuso Aristarco de Samos sobre la Tierra, el sistema solar y las estrellas?

2 Thomas Harriot (1609) y Galileo Galilei (1610), observaron la Luna por primera vez gracias a un nuevo invento: el telescopio. Ambos usaron telescopios similares, pero dibujaron la Luna de distinta manera:

Luna de Harriot.

Luna de Galileo.

a) Buscad información sobre cuál fue la causa de las diferencias en sus dibujos de la Luna.

b) ¿Por qué Galileo fue condenado por el tribunal de la Inquisición? ¿Creéis que a veces la sociedad entra en conflicto con la ciencia? Elaborad un informe y presentadlo al resto de la clase.

3 Entrad en la web de Bruño para visionar el vídeo sobre Giordano Bruno.

a) ¿Qué le ocurrió a este astrónomo y filósofo por afirmar que el Sol era una estrella más y el universo era infinito y contenía infinitos mundos habitados por animales y seres inteligentes?

4 Actualmente se venden más libros de astrología que de astronomía. ¿Creéis que los astros ejercen alguna influencia en las vidas de los seres humanos?

Tareas de síntesis, evaluación y comunicación

Resuelve estas tareas y escríbelas en tu portafolios. Incluye tus conocimientos sobre el sistema solar y haz un resumen de lo que has aprendido.

Evalúa tu aprendizaje. ¿Qué es lo que ya sabías? ¿Qué has aprendido de nuevo? ¿Qué te ha resultado más fácil?, ¿y más difícil? ¿Para qué te ha servido? ¿En qué debes mejorar?

Presenta un trabajo sobre estas tareas en Word/Writer, PowerPoint/Impress, Prezi, Keynote, Canva o VideoScribe, e incluye animaciones, vídeos, fotografías, gráficos, etc.

e1 Indica los nombres de los elementos señalados con números que componen una partícula de polvo cósmico.

a) ¿Qué papel pudieron desempeñar el polvo cósmico, los cometas y los meteoritos en el origen de la vida en la Tierra primitiva?

b) ¿Cuál es el origen del polvo cósmico?

2 Indica si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas y explica razonadamente tu respuesta:

a) Ganímedes es un satélite de Saturno.

b) Plutón se encuentra en la nube de Oort.

c) Los cloroplastos proceden de antiguas cianobacterias.

d) La aglomeración de planetesimales, mediante impactos sucesivos, llamada «acreción de planetesimales», dio lugar a «embriones planetarios».

e) Los meteoritos son asteroides o meteoroides que entran en contacto con la atmósfera terrestre y se vaporizan debido al fuerte rozamiento que experimentan.

f) Las ribozimas son ARN con capacidad catalítica.

3 ¿Qué representa este dibujo?

¿Crees que podrás encontrar el elemento que le falta? Indica su nombre y sus características.

4 Este es el detalle ampliado de un dibujo. ¿Sabrías decir qué representa? Enumera los nombres de los componentes señalados con letras y describe sus características.

5 Relaciona los elementos de las dos series:

1) Cronosfera. 2) Fobos. 3) Cometa. 4) Meteoros. 5) Cloroplastos. 6) Mitocondrias. 7) Planeta enano. 8) Microtúbulos.

a) Marte. b) Estrellas fugaces. c) Sol. d) Ceres. e) Bacterias aerobias. f) Bacterias espiroquetas. g) Nube de Oort. h) Cianobacterias.

6 En cada grupo de palabras o expresiones, una de ellas no tiene nada que ver con las demás. Explica cuál es la causa por la que no se pueden incluir:

a) Venus, Mercurio, Júpiter, Marte.

b) Europa, Ganímedes, Titán, Calixto.

c) Corona, cometa, fotosfera, cromosfera.

d) Meteoro, asteroide, plutoide, meteoroide.

7 Construye dos oraciones, una con los conceptos que figuran en a) y otra con los que aparecen en b):

a) Eucariogénesis viral, eucariota, arquea, membrana nuclear, flagelo, virus, ADN, bacteria espiroqueta, fusionó, mimivirus, núcleo.

b) Tierra primitiva, reproducción, cuna, genes, ribozimas, nucleótidos, actividad enzimática, vida, triple capacidad, ARN, catalizar, metabolismo, autorreplicarse, información genética.

8 ¿Cómo se formaron la atmósfera y la hidrosfera en la Tierra primitiva y qué papel desempeñaron en el proceso de abiogénesis?

INVESTIGA

¿Cómo puedes demostrar la trayectoria del Sol en su aparente desplazamiento?

El movimiento de rotación de la Tierra produce la sensación óptica de que el Sol «sale» por el este, alcanza la posición más alta a mediodía y «se pone» por el oeste. Vas a dibujar la trayectoria que sigue el Sol en este aparente desplazamiento en los solsticios de invierno y de verano y en los equinoccios de primavera y otoño. En tus mediciones debes utilizar la hora solar, que es distinta en verano y en invierno:

➜ De finales de octubre a finales de marzo: hora solar = hora oficial (del reloj) – 1

➜ De finales de marzo a finales de octubre: hora solar = hora oficial (del reloj) – 2

Esto significa que el mediodía solar en invierno son las 13:00 hora oficial, y en verano, son las 14:00 h.

Hipótesis

Si el Sol alcanza su posición más alta sobre el horizonte, a lo largo del año, entonces estamos en el solsticio de verano.

Materiales

➜ Cuenco redondo de vidrio o semiesfera de plástico transparente.

➜ Hoja de papel y rotulador.

➜ Brújula.

Procedimiento: observa, mide y anota los resultados

Vas a registrar las posiciones que ocupa el Sol sobre el horizonte, haciendo una marca cada hora en la superficie del cuenco o de la semiesfera, desde que «sale» el Sol hasta que «se pone».

Primer paso. Busca un sitio despejado al que le dé el Sol todo el día. Coloca allí una mesa y sobre ella coloca el papel, en el que debes marcar un punto en su parte central (punto C).

Segundo paso. Sitúa el cuenco o la semiesfera bocabajo sobre el papel, y procura hacer coincidir el centro del cuenco con el punto central del papel (C).

Tercer paso. Dibuja una flecha en el cuenco, tal y como se indica en la figura, y oriéntala con la brújula, para que señale el sur. Marca en el cuenco los cuatro puntos cardinales.

Cuarto paso. Para realizar la marca, mira hacia el sur y pon la punta del rotulador sobre la superficie del cuenco, de modo que la sombra de la punta del rotulador coincida con el punto C.

Análisis de los resultados

1. ¿Son iguales todas las trayectorias? ¿En cuál de ellas alcanza el Sol su punto más alto y más bajo a las 12 del mediodía?

Conclusiones

1. ¿Qué trayectoria se corresponde con el solsticio de verano, el solsticio de invierno y los equinoccios de primavera y otoño?

2. ¿En qué fechas, aproximadas, tiene lugar el comienzo de las estaciones de primavera, verano, otoño e invierno? ¿En cuál de ellas «sale» el Sol exactamente por el este y «se pone» por el oeste?

La venganza de Gaia

En la década de los setenta, el científico James Lovelock estudiaba la posibilidad de existencia de vida en el planeta Marte para la NASA. Fue entonces cuando propuso una hipótesis, a la que se bautizó con el nombre de Gaia, el nombre griego de la diosa Tierra. Según esta hipótesis, hoy generalmente aceptada, la Tierra es un planeta capaz de autorregularse, como un gigantesco ecosistema en el que la vida se mantiene en equilibrio con las ·condiciones ambientales. Actualmente, Lovelock opina que la humanidad ha sobrepasado un punto de no retorno que hará muy difícil que Gaia no reaccione contra su especie más peligrosa, el ser humano. La causa más importante de tan impactante afirmación es, en opinión de este científico, que el cambio climático es ya inevitable y que, como consecuencia, la vida en la Tierra nunca será la misma y es muy probable que nuestra civilización no logre sobrevivir.

En opinión de Lovelock, las emisiones de dióxido de carbono (CO2), que aumentan el efecto invernadero de la Tierra, y la destrucción de los bosques están llevando a la Tierra hacia un calentamiento global, pero no lo hacen de forma lineal, sino de una forma muy amplificada que ya está provocando reaccio-

Posturas del debate

nes en el sistema Tierra que aún no conocemos y provocará otras que ahora son impredecibles. Esto se debe a que la Tierra tiene múltiples mecanismos de regulación, probablemente los mismos que generaron las grandes eras cálidas y las grandes glaciaciones en el pasado, cambios frente a los que la vida reaccionó también con grandes cambios, muchos de ellos irreversibles, como fueron las grandes extinciones.

Lovelock ha sido muy criticado por haber defendido que la energía nuclear es la única vía posible para detener las emisiones de CO2 sin afectar al consumo energético de este mundo desarro llado que se enfrenta a su reto más difícil, máxime si tenemos en cuenta que grandes países como China e India se están incor porando a marchas forzadas al modelo consumista y de derroche de recursos que caracteriza al modo de vida estadounidense y europeo.

Postura 1. Hemos entrado en un punto de no retorno, el cambio climático es inevitable, con nuestras acciones lo estamos acelerando y ya hemos perdido la batalla contra el calentamiento global.

Postura 2. A lo largo de la historia, la Tierra ha sufrido varios cambios climáticos y extinciones; ahora entramos en otro cambio del que el ser humano es responsable, pero podemos luchar para minimizar sus efectos.

Preparación

➜ Entre todos los alumnos y alumnas, al azar, se elige a la persona que va a moderar el debate. Leerá el texto a debatir, dará paso a las intervenciones, recordará las normas y pondrá orden.

➜ El alumnado se reparte en dos grupos iguales.

➜ Aleatoriamente se decide el grupo que defiende la postura 1 y el que apoya la postura 2.

➜ Cada grupo se reunirá y fijarán los argumentos que defienden su postura. Pueden consultar fuentes de información.

➜ Cuando los dos grupos estén listos el moderador dará inicio al debate. Cada persona que quiera participar pedirá la palabra alzando la mano. Cuando la persona que modera el debate le conceda el turno, se levantará y realizará su intervención dirigiéndose al grupo contrario.

Normas

➜ Después de cada intervención los argumentos se valorarán y puntuarán.

➜ El grupo en el que más personas intervengan en el debate se llevará una mayor puntuación.

➜ No se permite que una misma persona intervenga dos veces seguidas.

➜ Se puntuarán mejor los argumentos bien construidos y que emplee fuentes informativas. Estos pueden ser para defender su postura o para cuestionar la contraria.

➜ Los gritos y faltas de respeto suponen una calificación negativa.

➜ Se puntuará la manera correcta de expresarse y el uso de la terminología adecuada.

➜ Cuando el moderador lo considere oportuno, iniciará la última ronda de intervenciones (una de cada equipo) que puntúan doble. Se deja un tiempo para que cada grupo prepare la intervención y elija al mejor miembro de su equipo para defenderla.

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