Download Tema 1. El origen del universo. El sistema solar

El Origen del Universo.
El sistema Solar.
Ana Puerta Olivares
Ana Sánchez Honrubia
Alicia Torres Fernández
1. Los primeros astrónomos
•
1.1 La cultura Griega: El nacimiento del pensamiento científico
– Aristóteles
– Aristarco de Samos
– Eratóstenes
– Hiparco de Nicea
•
Después de Cristo:
– Ptolomeo
– Edad Media
– Copérnico
– Kepler
– Galileo
– Newton
2. La cosmología moderna
• Cosmología: estudia la estructura, origen y desarrollo
del Universo.
• Astronomía: estudia los astros del Universo a partir de
la radiación electromagnética.
• Astrofísica: aplica las leyes de la física para estudiar la
naturaleza de los astros y su comportamiento.
• Modelos matemáticos: son ecuaciones que sirven para
describir sistemas físicos.
• 2.1 Modelo del Universo estático e infinito
– En el S. XX el modelo cosmológico era el Universo estático (eterno e
infinito).
– Einstein con su teoría de la relatividad cuyas ecuaciones predecían
un modelo de Universo en expansión, pero creía en la inmovilidad
de este y añadió la constante cosmológica.
•
2.2 Modelo del Universo dinámico y finito
– El Big Bang: Hubble demostró que el Universo está en expansión,
por lo que en el pasado debió estar junto y tener un origen.
– Propone que el Universo es dinámico y finito y se creó a partir de
una explosión desde un punto inmaterial infinitamente denso y
caliente.
– Otros cosmólogos como Friedmann, Lemaître y Gamow están de
acuerdo con la teoría de Hubble.
• 2.3 Modelo del Universo dinámico e infinito: el estado
estacionario
– Fred Hoyle propuso un modelo alternativo: el estado
estacionario.
– Admite la expansión de Universo, pero infinito en el que se
genera energía continuamente de origen desconocido.
3. La expansión del Universo
• Hubble descubrió que las nebulosas lejanas, eran galaxias en
verdad. Midió las distancias a la Tierra en varias galaxias y
comprobó que se alejan unas de otras: el Universo se expande.
• La v de alejamiento de una galaxia es proporcional a su distancia:
v=H0·D
• 3.1 Medida de la v de alejamiento de las galaxias
– La luz que llega a la Tierra desde las estrellas contiene una mezcla
de colores de distinta longitudes de onda.
– Se pueden separar mediante un espectroscopio y dan lugar a un
espectro.
– Cada espectro está formado por 7 colores. Sobre ellos se
superponen bandas oscuras de absorción debido a la
presencia de algunos elementos químicos, que absorben
parte de la radiación.
– La longitud de onda es una constante característica de cada
elemento.
– Hubble descubrió que las bandas de absorción
experimentaban desplazamientos hacia longitudes de onda
mayores (hacia el rojo) y más acusados cuanto más alejadas
estaban las galaxias.
– El efecto Doppler es el desplazamiento hacia el rojo y significa
que las galaxias se alejan unas de otras.
EFECTO
DOPPLER
• 3.2 Medida de las distancias a otras galaxias
– Se realiza por el método de las cefeidas (un tipo de estrella muy
brillante, cuyo brillo oscila rítmicamente describiendo un ciclo
regular.
– El tiempo que dura el ciclo es proporcional al brillo real de la
estrella.
calcular la
distancia
comparando el
brillo real de las
estrellas con el
aparente.
Podemos
4. El Big Bang: la gran explosión
• El Universo se expande.
• El modelo del Big Bang deduce (a partir del ritmo de expansión)
que en el instante t=0, hace unos 13.700 millones de años, toda la
materia del Universo, las 4 F primordiales, la energía, el espacio,
el tiempo y el vacío, eran una sola cosa en un punto inmaterial
infinitamente denso y caliente.
• 4.1 La cuenta atrás: El amanecer del tiempo
– En medio de la nada se produjo una explosión, el Big Bang, del cual
nació el espacio y amaneció el tiempo y se formó el Universo.
• https://www.youtube.com/watch?v=a9L9-ddwcrE
– El Universo no ha dejado de expandirse, empujado
por una materia oscura.
– La energía de la radiación era tan intensa que se
convirtió en partículas minúsculas de materia
(quarks y leptones).
– El espacio y el tiempo se expandieron, esta materia
primordial se enfrió primordialmente y generó
inmensas nubes de H y He a partir de las cuales se
formaron las galaxias. Además, se formó un tipo de
materia oscura.
5. Recreación del Universo
primitivo
• El universo está formado por
– Partículas elementales:
• Quarks, leptones y fotones
– Cuatro fuerzas que rigen su comportamiento:
• Gravedad
• Fuerza electromagnética
• Nuclear fuerte
• Nuclear débil
• Esto es el resultado del enfriamiento progresivo del Universo, como
consecuencia de la expansión espacio-tiempo.
• 5.1 Era de Planck
– Ocurrió hasta los 10-43 seg. Las temperaturas y densidades eran muy
altas por lo que:
• Las 4 fuerzas elementales estaban unidas en una sola.
• No existía materia como tal, sino en forma de energía.
– Para explicar esta etapa se creó un modelo estándar que describe las
partículas elementales y 3 de las 4 fuerzas (la gravitatoria no).
– La F. de la gravedad se intenta explicar con la teoría cuántica de la
gravitación (sin elaborar) + teorías mas complejas (T. de cuerdas).
• 5.2 Era de la Gran Unificación
– Entre los 10-43 seg. y los 10-35 seg. desde el Big Bang.
– Se separó la fuerza de la gravedad de las 3 restantes que
permanecían unidas en la anterior etapa.
• 5.3 Era de la Inflación
– A partir de los 10-35 seg. desde el Big Bang.
– Se separo la F. Nuclear fuerte de las dos restantes debido
al enfriamiento y expansión del Universo.
– Dio lugar a su progresiva macroexpansión (1050 veces su
tamaño).
– Debido a este desmesurado crecimiento se provocaron
irregularidades en el cosmos por las diferentes densidades
y temperaturas que se dieron y esto dará lugar a las
galaxias y a la estructura del Universo.
• 5.4 Era electrodébil
– El Universo experimentó una cristalización que liberó fotones
(energía).
• Esto hizo que esta fuente de energía fuera capaz de materializar energía.
– En un periodo de 10-32 seg. y con una temperatura de unos 1027 K,
los fotones formaron quarks y antiquarks (materia).
– Los quarks colisionaron con los antiquarks para convertirse otra vez
en fotones.
– La continua expansión del universo y la constante disminución de
temperatura impidió la materialización de los quarks y antiquarks
en pares.
– Esto causó la aniquilación de partículas y generación de fotones.
– Sin embargo, por cada 1000 millones de antiquarks que surjan,
surgirán 1000 millones +1 de quarks. Por lo tanto quedaba un quark
sin desaparecer.
• 5.5 Era Hadrónica
– Fue a los 10-6 seg. del Big Bang
– Debido al enfriamiento provocó que la F. nuclear fuerte actuase sobre los
quarks.
– Se formaron los NÚCLEOS de los primeros elementos (con protones y
neutrones).
• 5.6 Era Leptónica
– Fue a los 10-3 seg. del Big Bang.
– No se formaron más quarks debido a la T.
– Los fotones se convirtieron en leptones y antileptones.
– O sea, que el descendimiento de la T no permitia la materializacion de la
energia.
– Toda la antimateria desaparece y produjo mucha energia rediante.
• 5.7 Era de la Nucleosíntesis
– Al segundo del B.B.
– La T disminuyó para permitir la union entre protones y
neutrones.
– Se formaron los nucleos del H, He y Li.
• 5.8 Era de los atomos y de la radiación
• Período comprendido entre un segundo y 300.000 años.
• Se formó un plasma, los núcleos de los átomos están disociados en
sus electrones.
• Se llegó a los frescos 2700ºC y permitió que la F. electromagnética
actuase.
• Se produjo la asociación estable entre los núcleos y electrones,
formando los primeros átomos.
• 5.9 Era de las galaxias
– Desde un millón de años a la actualidad.
– La materia se organizó en átomos y se emezaron a formar las galaxias por un
mecanismo de inestabilidad gravitatoria.
– La F de la gravedad atuó sobre las fluctuaciones, haciendo que la materia de la
nebulosa primordial se desgajara en forma de filamentos y grumos.
– La D de materia-energía se distribuye en:
• Energía oscura: 74% de materia-energía
– Actúa como F repulsiva en contra de la gravedad.
• Materia oscura: 22% de materia-energía
– Actúa como una especie de esqueleto cósmico en el que se enganchan las galaxias.
• Futuro Universo:
– Big Chill (el gran enfriamiento).
– Big Crunch (la gran contracción)
– Big Rip (el gran desgarramiento)
6.Estructuras del Universo:
distancias y escalas
• Las millones de galaxias de Universo tienden a reunirse en
cúmulos, estos se agrupan en supercúmulos, que a su vez,
se disponen en filamentos.
• El Universo tiene aspecto esponjoso y burbujeante donde
los racimos de galaxias se disponen como filamentos en las
paredes de burbujas, enganchadas en una especie de
esqueleto formado por materia oscura.
• 6.1 Las Galaxias
– Son enormes acumulaciones de materia en forma de polvo cósmico,
nebulosas y estrellas (sistemas planetarios).
– Se mantienen unidos entre sí por atracciones gravitatorias que se
generan entre sus grandes masas.
– En las galaxias, el espacio entre las estrellas no está vacío, ya que
contiene el medio interestelar formado por una mezcla de gases y
polvo cósmico.
– La Vía Láctea:
• Es una galaxia espiral que contiene nebulosas, polvo cósmico y millones de
estrellas, nos encontramos a unos 30.000 años luz de su centro.
• Está formada por:
– Bulbo o núcleo
– Disco
– Halo
7. Las Estrellas
• La naturaleza de los elementos químicos varía según el nº de
protones que tenga.
• Como los elementos primordiales fueron H, He y Li, se llegó a
cuestionar si los demás elementos se han formado a partir de H y
He (es posible si T es suficientemente elevada).
• Cuando en la protoestrella se alcanza la T de unos 10·106 ºC, los
núcleos de los isótopos de H colisionan y producen el acercamiento
de las partículas nucleares, actuando las F nucleares de atracción,
para dar lugar a núcleos de He.
• Los únicos puntos donde se alcanzan estas T, son las estrellas.
Debemos estudiar los procesos que tienen lugar en el
nacimiento, vida y muerte de las estrellas, para conocer cómo y
dónde aparecieron los elementos químicos.
• 7.1 Estrellas y nebulosas
– Las nebulosas son nubes gaseosas de H, He, elementos químicos
pesados en forma de polvo cósmico y cierta cantidad de
compuestos orgánicos.
– Las estrellas son enormes esferas gaseosas de H y He, estos gases
están tan calientes que convierten el interior de las estrellas en una
gigantesca bomba de fusión termonuclear. Esta bomba permite que
la estrella se encienda y emita energía radiante.
• 7.2 En una estrella como el Sol
– Cuando una nebulosa comienza a derrumbarse bajo el ‘’tirón hacia
adentro’’ de su propia G, se fragmenta en glóbulos más pequeños formando
protoestrellas.
– La Protoestrella inicial se hace más compacta y aumenta su D lo que
favorece las colisiones entre átomos de H.
– El incremento de estas colisiones aumenta la T del H hasta alcanzar unos
10·106 ºC, suficiente para permitir la fusión termonuclear del H para formar
He, que se acumula en en núcleo y la emisión de una gran cantidad de E: la
estrella se ha encendido.
– Este E liberada haría explotar la estrella sino fuera porque se le opone la F
de la G, ambas F se equilibran y la estrella permanece estable hasta que
consume todo el H. Después pasa por diferentes etapas:
• Gigante roja
• Nebulosa planetaria
• Enana blanca
• Enana negra
• 7.3 Estrellas gigantes o azules
– En las estrellas de mayor masa que el Sol, la protoestrella se convierte en
estrella gigante de un modo similar al anterior, pero al consumir más H,
libera más cantidad de E y emite una luz intensa y azulada.
– Cuando estas estrellas consumen todo el H se hinchan y se convierten en
supergigantes rojas, cada una de las 6 capas concéntricas alberga un
proceso diferente de reacción de fusión termonuclear que forma un
elemento químico distinto hasta que se sintetiza el Fe. Todas estas
reacciones de nucleosínteis desprenden E; pero la síntesis del Fe no libera E,
sino que la consume.
– Con su fuente de E desconectada actúa la componente gravitatoria y la
supergigante roja se colapsa, de tal forma que las ondas generadas por esta
implosión rebotan primero en un núcleo denso y se propagan a gran
velocidad, produciendo una explosión que libera grandes cantidades de E.
– Estrellas de neutrones y agujeros negros
• Estrellas de neutrones y agujeros negros
–
Como consecuencia de la implosión, el nucleo d la supergigante roja sufre una
compactación que queda convertida en una estrella de neutrones o, si la estrella
era muy másica, en un agujero negro.
•
Supernovas: polvo de estrellas
–
Es la fase de explosión de una estrella. En ella se sintetizan los elementos químicos
más pesados que el hierro, que se dispersan por el espacio y constituyen el polvo
cósmico.
–
Su dispersión contamina las nebulosas cercanas que formaran nuevas
protoestrellas de las que surgirán nuevas estrellas más ricas en elementos pesados
y tal vez, presenten sistemas planetarios.
–
No solo nuestro planeta debe su existencia a primitivas supernovas, sino que la
materia orgánica que contiene también procede de ellos.
–
Todos somos polvos de estrellas.
8. Formación del Sistema Solar
• El SS se encuentra inmerso en una gigantesca burbuja local
formada por las explosiones de varias supernovas.
• La supernova que marcó la muerte de una estrella gigante puso
representar el nacimiento del SS.
• La onda expansiva generada originó la compactación de una
nebulosa de gas que comenzó a girar y se transformó en un disco:
– El centro del disco se contrajo hasta formar una bola de gas H y He
que fue compactado y calentado, hasta alcanzar T elevadas que
comenzaron las reacciones nucleares en su interior: el Sol se
encendió.
– La regiones periféricas del disco se desgajaron y formaron
remolinos que atraparon polvo cósmico, gases, hielo y partículas
rocosas, donde tuvieron lugar dos procesos:
• Coagulación
• Acreción de planetesimales
– En cada región del disco dominó un solo gran protoplaneta. La
aglomeración de estos cuerpos permitió la aparición de cuerpos
astrales que capturaron gases y formaron atmósferas.
• 8.1 El Sistema Solar
– Está constituido por el Sol y sus 8 planetas y demás cuerpos
astrales.
– 1. Planetas:
• Astros que orbitan alrededor del Sol
• Forma casi redonda debido a su masa.
• Son los cuerpos predominantes.
• Planetas interiores o rocosos:
– Mercurio, Venus, Tierra y Marte
• Planetas exteriores o gaseosos
– Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno.
– 2.Planetas enanos:
• Cuerpos con forma casi redonda, pero tienen otros cuerpos en sus órbitas.
• Plutón, Ceres y Eris.
– 3. Cuerpos pequeños del SS.
• Son todos los demás cuerpos celestes: satélites, cometas y asteroides.
– Se localizan en:
» Cinturón principal de Asteroides: entre las órbitas de Marte y Júpiter.
» Cinturón de Kuiper: Situado más allá delas órbitas de Neptuno y Plutón.
» Nube de Oort: Situada en los confines del Sistema Solar. Está formada por
fragmentos de hielo, moléculas orgánicas y polvo cósmico (de lo que estarán
formados los cometas).
9. La exploración del espacio
• Los telescópios ópticos captan la luz que emiten o reflejan
los astros y agrandan la imagen de objetos muy lejanos.
• Las galaxias, estrellas y planetas no solo emiten luz blanca,
también emiten otro tipo de radiaciones (ondas de radio)
que se pueden captar por los radiotelescopios.
• El aire de la atmósfera difumina las imágenes y entorpece
la visión, por eso se colocan en cimas de montañas o se
mandan al espacio (telescopio espacial Hubble).
• 9.1 Los viajes espaciales
– El desarrollo de la aviación y el diseño de los primeros cohetes han
estado relacionados con las guerras.
– Para poder escapar de la enorme atracción gravitatoria que ejerce la
Tierra, es necesaria la potencia de un cohete que permita la v de escape
de 40.000 km/h.
– El primer lanzamiento al espacio por la antigua Unión Soviética fue el
Sputnik I (1957).
– 1961: Vostok I dio una vuelta a la Tierra con el primer hombre a bordo.
– EEUU impulsó el programa Mercury y las misiones Géminis
consiguiendo poner el órbita a una tripulación de astronautas.
– Actualmentelos cohetes Ariane, Soyuz, Delta, Atlas entre otros ponen
en órbita lanzaderas, naves tripuladas, sondas, satélites y
componentes de las estaciones espaciales.
– La consquista de la Luna
• Tras varios intentos fallidos, la sonda soviéticas Luna 9 consiguió posarse
sobre la superficie lunar (1966).
• En 1969, el cohete americano Saturno V consiguió llevar la nave tripulada
Apolo 11 a la Luna (Armstrong).
• 9.2 Transbordadores o lanzaderas espaciales
– Son naves espaciales tripuladas dotadas de motores y diseñadas
para permanecer en órbita alrededor de la Tierra varios días y volver.
– Se pueden reutilizar varias veces y llevan a cabo distintas misiones:
Colocar y reparar satélites, realizar experimentos científicos,
transportar componentes de las estaciones espaciales…
– El transbordador es puesto en órbita con ayuda de dos cohetes
aceleradores y un gran depósito de combustible.
• 9.3 Sondas espaciales
– Son robots exploradores no tripulados. Son lanzadas mediante
cohetes hacia objetivos calculados y presentan cámaras
fotográficas e instrumental científico.
– Las sondas Pioneer 10 y 11 enviadas para visitar Júpiter, Saturno
y sus lunas hace años que salieron del Sistema Solar. Lo mismo
ocurre con las sondas Voyager 1 y 2 y Mars Pathfinder…
• 9.4 Estaciones espaciales
– Son bases espaciales, situadas en órbita alrededor de la Tierra
que permiten la vida en el espacio durante largos períodos de
tiempo (Estación Espacial Internacional, que pesa 455 t).
• 9.5 Satélites artificiales
– Son objetos que se colocan en el espacio mediante un cohete o una
lanzadera con el fin de permanecer en órbita.
– Están dotados de paneles para captar la energía solar.
– Se utilizan para fines diversos: comunicaciones, meteorología,
vigilancia de cultivos…
– También pueden ser militares, para espionaje y vigilancia; a utilizarse
como sistema de navegación (GPS).
– La UE impulsó un sistema que consta de 30 satélites (Proyecto Galileo)
en 2008.
– Otros se usan en investigación científica y astronómica (COBE,
SOHO…).
FIN