UNIDAD 1
EL UNIVERSO
Nos preguntamos: • • • • • • •
1) ¿Qué es el Universo? 2) ¿Tiene límites? 3) ¿Qué estructuras lo componen? 4) ¿Qué es el universo observable? 5) ¿Qué dio lugar a su formación? 6) ¿Cómo se formó? 7) ¿Qué leyes lo rigen?
¿Qué es? Es todo: materia, energía, espacio y tiempo. Todo lo que existe forma parte del Universo. Las observaciones astronómicas indican que el universo tiene una edad de 13 730 millones de años y por lo menos 93 000 millones de años luz de extensión.
Composición El Universo contiene galaxias, que son sus objetos básicos, y que están formadas de estrellas, gases y polvo. Dentro de las galaxias existen nubes de gases y polvo, denominada nebulosas. Las galaxias no están aisladas, sino que pertenecen a grupos formados por la atracción de la gravedad. Estos grupos se reúnen en otros mucho mayores denominados cúmulos y supercúmulos, según el número de galaxias que los compongan. El Universo está compuesto en su mayoría por H, He y O, y en menor medida por C, N o Si. Vía Láctea
Grupo Local
Laniakea
La gravedad En el Universo, las galaxias mĂĄs pequeĂąas giran alrededor de la grandes, y es la gravedad la responsable de mantenerlas unidas. La fuerza de la gravedad depende de la masa de los cuerpos y disminuye con la distancia entre ellos. Hace que los cuerpos que se mueven (planetas en torno al Sol) no se escapen, y giren describiendo trayectorias curvas.
Relatividad En algunos casos la gravedad no explica los acontecimientos (órbita de Mercurio). Esto lo solucionó Einstein con la siguiente afirmación: los cuerpos con grandes masas, actúan sobre el espacio que los rodea, deformándolo. Cuanto mayor es el objeto, mayor es la deformación, y es esta deformación la que modifica la trayectoria de los cuerpos.
Materia oscura Todas las galaxias ejercen sobre otras galaxias cercanas una fuerza mucho mayor de lo que cabe esperar teniendo en cuenta su masa. Retienen a las galaxias satélite mucho más cerca de lo esperado. Esto nos hace pensar que debe existir una gran cantidad de masa que no se ve. A esta masa invisible se le llamó materia oscura, y es 5 veces más abundante que la materia visible
El universo no es estático Conociendo los efectos gravitacionales, podríamos pensar que las galaxias se van acercando unas a otras hasta converger en un sólo punto. Sin embargo, sabemos que esto no es así: las galaxias se alejan unas de otras. Emiten una luz que es más roja cuanto mayor es su distancia a la Tierra. Esta es la prueba de que el Universo está en expansión.
Universo observable Sólo alcanzamos a ver una pequeña parte del Universo y es la parte del Cosmos cuya luz ha tenido tiempo de llegar hasta nosotros. El Universo observable tiene forma de esfera, con la Tierra en su centro. Así que podemos ver la misma distancia en todas las direcciones. El límite del Universo observable se llama horizonte de luz cósmica. Los objetos situados en ese horizonte son los más lejanos que podemos ver. Su luz partió hacia nosotros casi desde el origen del Universo. Así que los vemos tal y como eran en su origen, por eso son tan importantes para conocer la evolución del Universo.
El origen: Big bang Si hiciéramos retroceder a todas las galaxias que en la actualidad se están alejando, llegaríamos a un estado inicial en el que toda la materia estaría concentrada en una zona muy pequeña, a partir de la cual se expandiría. En esto se basa la teoría del Big bang o de la «gran explosión», y se confirmó al descubrir que de todo el Universo nos llegan unas ondas muy débiles, que son energía existente en la materia primigenia y que se fue enfriando a medida que el universo se expandía. A estas ondas, eco de la gran explosión, se les denomina radiación cósmica de fondo.
Como el Universo se expande esos objetos se hallan ya a 46.500 millones de años luz. La parte del Universo que vemos a simple vista se llama esfera celeste. Es una esfera imaginaria, con la Tierra en el centro, donde se sitúan las constelaciones. Alcanza hasta los 2'5 millones de años luz. Lo más lejano que puede verse es la galaxia de Andrómeda, y las dos galaxias satélite de la Vía Láctea: la Pequeña y la Gran Nube de Magallanes.
ESTRELLAS Espectros de absorción El siglo pasado se descubrió que la luz emitida por un cuerpo calentado al rojo, al pasar por un prisma transparente, se descompone en los colores del arco iris. Esta banda de colores se denomina espectro. Cuando esta luz atraviesa un gas frío, aparecen sobre el espectro unas líneas oscuras, las líneas de absorción, que son típicas de cada elemento y lo identifican. Esta técnica se denomina espectroscopía y ha permitido descifrar la receta química del universo: 60% Hidrógeno 37%Helio 1% Oxígeno 2% resto de elementos
ESTRELLAS: FÁBRICAS DE ELEMENTOS QUÍMICOS Las estrellas son gigantescos globos de gas con una masa elevadísima (masa del Sol es 300 000 veces la de la Tierra). Cabe esperar que la gravedad hace que toda esa masa se comprima y tenga una elevada densidad. NO ES ASÍ. La densidad media del Sol es sólo un poco mayor que la del agua. ¿A qué se debe esto? Los gases constituyentes de una estrella son principalmente H y He. En su núcleo, la temperatura es elevadísima, y esto provoca que los núcleos de H se muevan a tanta velocidad, que se vence la repulsión que provocan las cargas del mismo signo y chocan entre ellas, iniciándose reacciones nucleares de fusión, que forman el He.
Estas fusiones liberan una gran cantidad de energía, que escapa hasta la superficie de la estrella. Toda esta energía ejerce una presión hacia afuera que compensa la fuerza de la gravedad. Por esto las estrellas son tan ligeras. Al irse transformando en He, en un momento dado el H del núcleo se agotará. Cuánto mayor es la masa de una estrella, más rápido consumen el H. Las estrellas gigantes son de vida muy corta (4 ó 5 millones de años), pues gastan el H muy rápido.
NUCLEOSÍNTESÍS Cuando se agota el H del núcleo, la estrella vuelve a contraerse y su temperatura aumenta lo suficiente para que en el núcleo los átomos de He se fusionen para formar C. En las capas intermedias se sigue transformando H en He. Como son capas menos profundas, la energía de fusión alcanza más rápido la superficie y la estrella se hincha. La superficie se enfría y el brillo de la estrella se hace rojizo Gigante roja (El Sol alcanzará esta fase dentro de unos 5 mil millones de años, y será tan grande que absorberá a Mercurio, Venus e incluso a la Tierra)
Sólo estrellas muy masivas son capaces de producir nuevos elementos cuando el He del núcleo se acaba. Se formarán sucesivamente: O, Ne, Mg, Si, Ni, Co y Fe. Este conjunto de procesos se llama nucleosíntesis, ya que se sintetizan núcleos de nuevos elementos. Una vez se producen núcleos de Fe, la estrella se apaga, pues estos son tan pesados que ya no sirven como proyectiles. Sin fusión nuclear, la gravedad aplasta por completo a la estrella y esto libera una enorme cantidad de energía. Ésta provoca choques mutuos de partículas que se transforman en calor y hace que la estrella explote como una supernova. Se forman en esta última etapa de la estrella el resto de los elementos de la tabla periódica, que son lanzados al espacio con la explosión y serán materia prima para la formación de nuevas estrellas y sus planetas.
Evoluciรณn de una estrella
AGUJEROS NEGROS Al final de su vida, tras haber sido una gigante roja, el Sol expulsará parte de su masa y quedará sólo su núcleo caliente. Es lo que se conoce como enana blanca. Se irá enfriando, y se transformará sucesivamente en una enana marrón y en una enana negra, con el núcleo helado. Cuando la masa de una estrella es más de tres veces la masa del Sol, el hundimiento gravitatorio final hace que su núcleo alcance una densidad enorme y se genera un campo gravitatorio tan elevado que nada puede escapar a él, ni siquiera la luz. Esto es un agujero negro. En estos agujeros, la velocidad de escape (velocidad que debe alcanzar un cuerpo para vencer la gravedad) supera la de la luz. El agujero negro atrae a la materia cercana que cae hasta alcanzar el punto de no retorno. La materia que cae gira a velocidades cada vez mayores y se calienta tanto que emite una radiación muy energética, y esta es la que nos permite detectar los agujeros negros. Estos agujeros negros que surgen a partir de estrellas se les conoce como estelares.
Los agujeros negros galácticos se encuentran en el centro de las galaxias. Son supermasivos, y se cree que todas las galaxias espirales y elípticas poseen uno en su centro, y es el responsable de mantener la galaxia unida por la gravedad que genera. AGUJEROS DE GUSANO Es un túnel que conecta dos puntos del espacio-tiempo, o dos Universos paralelos. Nunca se ha visto uno y no está demostrado que existan, aunque matemáticamente son posibles. Son atajos en el tejido del espacio-tiempo. Permiten unir dos puntos muy distantes y llegar más rápidamente que si se atravesara el Universo a la velocidad de la luz. Según la teoría de la relatividad, los agujeros de gusano pueden existir. Tienen una entrada y una salida en puntos distintos del espacio o del tiempo. El túnel que los conecta está en el hiperespacio, que es una dimensión producida por una distorsión del tiempo y la gravedad. Los científicos creen que un agujero de gusano tiene una vida muy corta. Se abre y vuelve a cerrarse rápidamente. La materia quedaría atrapada en él o, aunque consiguiera salir por el otro extremo, no podría volver. Evidentemente, tampoco podríamos elegir adónde nos llevaría. Según la relatividad general, es posible viajar al futuro, pero no al pasado.
HISTORIA DEL UNIVERSO El Big Bang no detalla cómo era el universo antes de ese instante, sólo describe, mediante observaciones, cálculos matemáticos y simulaciones de ordenador, cómo evolucionó a partir de entonces. Lo que sucedió durante los 13 800 m.a. de historia del universo fue: 1º) ETAPA DE INFLACIÓN: se produce una expansión del universo supercomprimido, que crece a enorme velocidad. La partícula elemental que se piensa que es responsable de la inflación es llamada inflatón. 2º) FORMACIÓN DE PARTÍCULAS COMPLEJAS: el universo que se expande está a elevadísima temperatura y compuesto por fotones, electrones y quarks. Al enfriarse, algunas de estas partículas se unen para formar neutrones y protones.
3º) PRIMEROS ÁTOMOS Y PRIMERAS LUCES: las partículas elementales siguen enfriándose hasta que los e -, los p+ y los n se unieron para formar átomos de He, H y Li. Al desaparecer las cargas eléctricas, pudieron los fotones viajar libremente y surgieron los primeros rayos de luz. El resto de esta primera luz es lo que nos llega como RCF. 4º) ESTRELLAS Y GALAXIAS: las zonas del espacio más densas comenzaron a atraer materia. Al chocar, las partículas se calentaron tanto, que en los puntos más densos surgieron las primeras estrellas, que se fueron reuniendo para formar galaxias. 5º) UNIVERSO ACELERA SU EXPANSIÓN: las galaxias comenzaron a viajar a velocidades cada vez mayores. ¿Por qué? Energía oscura: fuerza misteriosa que actúa en sentido contrario a la gravedad.
Para finalizar… Veamos este fragmento de un documental donde nos explica en qué consiste la INFLACIÓN CÓSMICA. Y otro con explicaciones más técnicas. Para esta unidad, tendréis que realizar las siguientes actividades: 1. Haz un resumen de la unidad, basándote en el documental que hemos visto 2. En parejas, relatad un cuento de no más de dos hojas en el que el protagonista sea una partícula elemental (fotón, e - o quark) presente antes de la inflación cósmica.
FIN