¿Qué es el universo? El universo lo es todo. Toda la materia y energía junto con el espacio y el tiempo. Las teorías de la física actuales dicen que no hay nada fuera del universo, ni siquiera tiempo y que no se puede salir de él.
¿Cómo está organizado el Universo? • Planetas • Galaxias • Estrellas, gas y polvo • Cúmulos de galaxias Según se ha ido conociendo el tamaño y estructura del universo se ha visto su enorme tamaño y la insignificancia de nuestro planeta Origen del universo Cuando se observan galaxias lejanas se detecta el corrimiento hacia el rojo de sus espectros de emisión. Esto significa que cuando más lejos se encuentra una galaxia más rápidamente se aleja de nosotros El universo se encuentra en expansión. Si hacemos el cálculo de cuanto espacio han recorrido estas galaxias concluye que hace unos 15.000 millones de años toda la materia del universo estaba junta. Probado por fondo de microondas Los cálculos del calor que se produjo en el origen del universo, una vez dispersado suponen una temperatura de 3ºK Se ha observado esta temperatura del universo actual en el espectro de microondas, lo que es una prueba fundamental de esta teoría. Evolución del universo
Eras del universo Hiperinflación
Edad Fluctuaciones violentas en los niveles de 0 energía 1s Big Bang Materia y energía heterogéseos super 1 s calientes 1 año Fondo cósmico de Aparece la radiación. Llega actualmente 1 año microondas hasta nosotros en forma de microondas a 250 ma 3ºK Universo oscuro El universo se enfría. Los átomos se hacen 250 ma neutros y dejan pasar la luz. Se forman 1.000 ma nubes de gases por gravedad Renacimiento Se forman las primeras estrellas. La 1.000 ma cósmico radiación ioniza el gas 6.800 ma Formación de Formación de galaxias con millones de 6.800 ma Galaxias estrellas. Generación de elementos 12.700 ma pesados en el interior de las estrellas y expulsión al medio interestelas Estructuras de gran Agrupaciones galácticas en telaraña 12.700 escala 13.000 (presente) Era de las estrellas Evolución estelar hacia enanas marrones, 13.000 pulsars, quasars, agujeros negros 90 ba Era degenerada Se extinguen las fuentes de luz, vuelve la [~90 trillion - ?] oscuridad Se acelera la expansión del universo Se evaporan los agujeros negros. Estrellas ¿Por qué son importantes las estrellas? • Nuestro sol es una estrella, de él recibimos luz que calienta la Tierra y permite la fotosíntesis de la que depende mayor parte la vida en la Tierra En Big bang no se formaron elementos más pesados que el helio. Lo demás lo formaron las estrellas y lo enviaron al espacio. Somos polvo de estrellas
Tipos de estrellas Las estrellas son cuerpos celestes que emiten luz propia pero no todas las estrellas son iguales • Las masas de las estrellas oscilan normalmente entre una décima parte de la solar y 20 veces la masa del Sol. La mayoría de las estrellas son menores que nuestro sol • La temperatura interior siempre es muy elevada (millones de grados) pero la temperatura superficial varía desde menos de 1.000 ºK a más de 30.000 ºK • Su luminosidad es aún más variable; desde diezmilésimas de la solar hasta 100.000 veces mayor • Igualmente su tamaño es muy variable....
Comparación del tamaño de los cuerpos celestes Cuando se ponen en un gráfico las estrellas clasificadas por su color (que se corresponde con su temperatura superficial) frente a la luminosidad se obtiene un diagrama como el siguiente:
• La mayoría de las estrellas se agrupan en la secuencia principal, diagonal en la gráfica. En esta secuencia principal las estrellas más brillantes son las de mayor temperatura superficial. • Algunas estrellas son frías pero muy luminosas (Parte superior derecha del diagrama). El motivo es que son de gran tamaño. Se las denomina gigantes rojas • Otras estrellas son poco luminosas calientes, enanas blancas, o frías; enanas marrones. Se encuentran en la parte inferior del diagrama • La mayoría de las estrellas mantienen su emisión de radiación aproximadamente constante durante periodos prolongados de tiempo, pero algunas cambian de brillo en días, semanas o meses, estas son las denominadas estrellas variables Las supernovas mandan al espacio elementos más pesados que el He. O C N Fe Ni..... (Metales para los astrónomos) De ellos pueden nacer nuevas estrellas y planetas Evolución estelar La vida de una estrella se puede explicar por las siguientes fuerzas que actúan sobre la materia: • Gravedad Fuerza siempre atractiva. Actúa a distancia ilimitada. Es proporcional a la masa y al inverso del cuadrado de la distancia. • Presión Fuerza ejercida por el choque de las partículas que forman la estrella Depende de la densidad de materia y de la temperatura • Temperatura Medida de la energía cinética de las partículas • Radiación electromagnética
Las estrellas emiten fotones de modo proporcional a su temperatura superficial y su tamaño • Reacciones nucleares de fusión Los átomos, a altas temperaturas pueden combinarse convirtiéndose en átomos más pesados. Estas reacciones producen inmensas cantidades de energía en forma de calor. Fuerzas nucleares Mantienen la estructura de los átomos. Son muy fuertes pero de corto alcance
Secuencia de acontecimientos en la evolución de una estrella • Una masa de gas no homogénea por perturbación o espontáneamente se contrae por gravedad. • La contracción aumenta temperatura • El aumento de temperatura aumenta presión hasta que se equilibra con la gravedad. • La energía se pierde por radiación al espacio y se vuelve contraer y a aumentar la presión • Al ser la gravedad cada vez mayor la temperatura tiene que ser cada vez más elevada para mantener la estructura del gas en compresión La radiación emitida va cambiando desde el infrarrojo a visible
• El proceso continúa hasta que la presión es suficiente para producir la fusión del hidrógeno en helio. 4 H -> 1 He . Se produce a unos 7 a 20 millones de ºK • Este proceso mantiene a la estrella irradiando durante millones de años (secuencia principal del diagrama HR) Las estrellas grandes al tener mayor temperatura son azules y viven pocos millones de años Las estrellas menores son rojas y su vida en la secuencia principal es más larga: miles de millones de años. El Sol vivirá unos 10.000 m. a. quemando materia a unos 600 millones TM/s Al agotarse el H el núcleo se contrae y calienta y empieza la fusión de otros elementos más pesados hasta el Fe Las temperaturas interiores son mucho más altas 100 millones ºK Pero se obtiene mucha menor energía Mientras el núcleo se calienta la periferia se expande y enfría: gigantes rojas Son estrellas inestables: - A veces se producen explosiones: novas - A veces se convierten en estrellas variables, en las que cambia el brillo periódicamente
• El futuro de la estrella depende de la masa De 0.1 a 1.5 veces la masa solar Se van agotando y emitiendo parte de sus capas exteriores (nebulosa planetaria) conirtiéndose en enanas blancas muy densas. La masa solar en el volumen de la tierra d=1 Tm/cm3. Las enanas blancas se convierten progresivamente en enanas marrones al perder temperatura Masa mayor de 1.5 veces la masa solar Da lugar a una supernova explosiva, que emite tanta radiación como toda una galaxia.
Emite al espacio gran parte de su masa quedando un resto una estrella de neutrones o un agujero negro Masa menor de 3 veces la solar: Estrellas de neutrones Los átomos no pueden aguantar la gravedad y se combinan protones y electrones formando una especie de átomo gigante de neutrones Diámetro = 20 Km d=100 millones Tm/cm3 Masa mayor de 3 veces la solar: Agujeros negros . La gravedad es tan intensa que no pueden escapar ni los fotones El tiempo y el espacio se alteran en su interior No sale nada • La materia expulsada por super-novas forma ondas de presión que forman nuevas estrellas y polvo estelar.
Sistemas planetarios En el proceso de formación de una estrella se forman otros cuerpos celestes Muchas estrellas conocidas son sistemas dobles o múltiples En estrellas cercanas se han podido detectar planetas. Se han descubierto decenas de sistemas planetarios La formación de los planetas parece ser muy variable, no aparece regla general sobre cómo deben ser. Formación de un sistema planetario Origen del Sistema Solar • Formado hace 4.600 milones de años a partir de una nube de gas y polvo Probablemente una supernova próxima inestabiliza la nube y hace que se contraiga además de proporcionar elementos pesados adicionales Gas mayoritariamente H y He Polvo: silicatos, óxidos de Fe y otros metales Volátiles: agua, metano, amoniaco
Composición del Sistema Solar
• La rotación hace que la nube se aplane en un disco • La contracción hace que se caliente • Las partículas de polvo se condensan por colisión al aproximarse sus órbitas hasta formar cuerpos de unos pocos Kg: planetesimales • En las zonas internas empieza a hacerse notar la radiación inicial del Sol y desaparecen las sustancias volátiles • En zonas más alejadas las partículas son capaces de captar gases y con ello aumenta mucho su masa • La acreción (aumento de masa por choques) de los planetesimales da lugar a planetas (hasta 1.000 km de diámetro) • Los planetas en formación barren sus órbitas haciéndose circulares y en un plano. El material de la órbita es incorporado al planeta o bien es expulsado. • La acreción en los planetas genera calor. Provoca la fusión parcial o total del cuerpo y su diferenciación por densidades. Esta diferenciación por densidades genera aún más calor El núcleo de los grandes planetas permanece aún fundido a varios miles de grados Se destilan gases que pueden dar lugar a atmósferas • La acreción duró unos 100 millones de años con planetesimales grandes. Luego fueron expulsados o incluidos en los ocho planetas. • Al final del periodo de acreción parecen haberse producido choques catastróficos entre cuerpos de gran masa que explican el satélite de la Tierra o la inclinación de los ejes de Venus o Urano. • En cuerpos sin erosión ni vulcanismo quedan huellas de este periodo: saturación de impactos en superficie. Los planetesimales subsisten a grandes distancias 10.000 - 100.000 UA. (Cometas) Estructura de nuestro sistema planetario • Formado por una estrella única, el Sol con la mayor parte de materia y masa del sistema. La masa del sol es 330.000 veces la masa de la Tierra. . 700 veces más masa que el resto del sistema solar en conjunto. • Masa total de los planetas: 446 veces la masa de la Tierra. El 70% de esta masa la tiene Júpiter
• El resto del sistema (asteroides, planetas menores, cometas, gas, polvo) aproximadamente 1 masa terrestre Comparación de escalas Para hacerse una idea de las dimensiones del sistema solar es conveniente reducirlo a escalas con las que estemos más familiarizados:
Tamañoreal Tierra= 1cm Sol = 1mm
Diámetro de la Tierra 13.000 Km 1cm
Diámetro del Sol
Distancia Tierra - Sol
1.4 E6 Km 1m 1 mm
150 E6 Km 107 m 11 cm
Distancia Sol Plutón 6 E9 Km 4.2 Km 4.2 m
Distancia Diámetro a Centauri de la Galaxia 40 E12Km 1 E15 Km 29.000Km 800.000Km 29 Km
Planetas interiores rocosos • Núcleo de Hierro. Capa de silicatos. Atmósferas poco importantes • Densos: Aproximadamente 5 g/cm3 • Si son suficientemente grandes conservan vulcanismo y tectónica Mercurio Pequeño, muy denso, sin atmósfera, sin tectónica Venus Similar en tamaño a la Tierra. Atmósfera densa. Temperatura superficial muy elevada. Tectónica. Vulcanismo Tierra Atmósfera de N2 y O2. Tectónica. Vulcanismo Luna - Similar a planetas interiores. Sin tectónica reciente Marte Atmósfera muy tenue CO2. Vulcanismo
Planetas exteriores gaseosos • Núcleo pequeño de Hierro y silicatos. Capa de NH3 CH4 H2O H2 y He. Atmósfera muy potente • Poco densos 1 - 2 g/cm3 • Muy grandes • Vientos potentes en la atmósfera. • Abundantes satélites y generalmente anillos Júpiter El gigante del sistema Saturno Similar a Júpiter. Anillos muy importantes Urano - Neptuno
Satélites de los planetas gigantes • Núcleo pequeño de hierro y silicatos • Grandes masas de agua sólida o líquida (interior) • En los muy fríos atmósferas de metano y amoniaco • Bastantes de ellos de gran tamaño • La presencia de agua líquida interna y atmósferas de hidrocarburos les hace candidatos a albergar vida Los mayores (más de 2000 km de diámetro) son: • Io (Júpiter) - Vulcanismo extremo causado por mareas • Europa (Júpiter) - Satélite de hielo. Tectónica • Ganímedes (Júpiter) - Satélite de hielo • Calisto (Júpiter) - Satélite de hielo • Titán (Saturno) - Atmósfera importante. Mares de metano • Tritón (Neptuno)
Asteroides • Cinturón de rocas restos de un planeta que no se formó debido a la proximidad de Júpiter • Desviadas con frecuencia de sus órbitas van colisionando con los planetas del sistema solar • Cuerpos rocosos o metálicos • El mayor es Ceres de 900 km de diámetro • Puede haber hasta dos millones de asteroides mayores de 1 Km • Hasta 150 millones mayores de 100 m • Lista de asteroides
Planetas enanos externos (plutoides) • Mayoritariamente de hielo de agua, metano y amoniaco Núcleo de silicatos... • Muy fríos • Órbitas muy elípticas y alejadas del sistema solar. Cinturon de Keiper • Poco densos: 2 g/cm3 Plutón - Caronte Eris (Xena) Sedna Orcus Makemake Haumea
Cometas • Semejantes a planetesimales originales • Desarrollan una cola cuando se acercan al Sol producto de la evaporación de sus compuestos volátiles. • Se van desintegrando • Responsables de lluvias de meteoritos Proceden de la nube de Oort. Una zona de miles de miles de millones de cuerpos de hielo Masa total unas masas solares (unas 5)