TEMA 1: NUES TRO LUGAR EN EL UNIVERSO.
1. COMPOSICIÓN DEL UNIVERSO. 2. ORIGEN Y FUTURO DEL UNIVERSO. 3. ORIGEN DE LOS ELEMENTOS QUÍMICOS. 4. EL ORIGEN DEL SISTEMA SOLAR. 5. COMPOSICIÓN DEL SISEMA SOLAR. 6. OBSERVAR EL CIELO. ACTIVIDAD INICIAL.
o
Contesta a las siguientes preguntas:
¿Por qué está compuesto el universo?. Define:
galaxias, estrellas, planetas y nebulosas. Agujeros negros, supernovas, estrellas de neutrones y quasars. Año luz. ¿Qué es el Big Bang? ¿Cuáles son las pruebas del Big Bang? ¿Cómo podemos saber de qué están hechas las estrellas?
1. Podéis consultar las siguientes páginas webs: El universo básico: http://www.xtec.es/~rmolins1/univers/es/index.htm http://www.astromia.com/universo/index.htm http://www.geocities.com/jf_ravelo/ http://astroverada.com/_/Main/M_origen.html http://astrored.com 1. COMPOSICIÓN DEL UNIVERSO. El universo es un inmenso vacío en el que hay millones de cuerpos. La materia no se distribuye de manera uniforme, sino que se concentra en lugares concretos: galaxias, estrellas, planetas . Los elementos más abundantes del universo son el hidrógeno (75%)y el helio (20%) y un 5% del resto de los elementos. Parte de la materia puede observarse (universo observable) y otros no se pueden observar (materia oscura). ¿Cómo podemos saber de qué elementos está hecha una estrella? Cuando la luz del sol incide sobre un prisma de cristal se descompone en franjas de colores. Si se observa con atención se observan unas líneas negras. Si hacemos pasar luz blanca a través de recipientes de hidrógeno y helio se obtiene el mismo patrón de espectros de absorción, por tanto nuestro Sol debe estar constituído por estos gases.
Haz ejercicios 1 y 2 pág 19
a) Materia oscura. El 90% de la materia que forma el universo no emite radiación y por tanto no podemos verla. Sabemos que está ahí por que el polvo y el gas estelar están sujetos a atracciones gravitacionales mucho mayores que las causadas por la materia que se detecta. b) Universo visible. En el universo visible hay millones de cuerpos, entre los que distinguimos: las galaxias y dentro de ellas: estrellas, gas y polvo estelar, las nebulosas, supernovas y púlsares.
B.1. GALAXIAS. La materia en el universo se agrupa en galaxias debido a la fuerza de gravedad que existe entre los cuerpos. Las galaxias son acumulaciones de materia en el universo, formadas por estrellas, planetas, otros cuerpos y material interestelar. El Sistema Solar, donde se encuentra la Tierra se encuentra dentro de la galaxia denominada Vía Láctea. Se trata de una galaxia espiral de 200 mil millones de estrellas, con 120.000 años luz de diámetro (un año luz es la distancia que recorre la luz en un año. Recuerda que la velocidad de la luz es de 300.000 km por segundo).
El sistema solar está en uno de los brazos de la espiral y tarda 225 millones de años en completar un giro alrededor de la galaxia ( la última vez que pasamos por aquí comenzaban a aparecer los dinosaurios sobre la Tierra). Otras galaxias cercanas a ella son: Andrómeda y La nube de Magallanes. En el universo las galaxias aparecen agrupadas por la gravedad, formando:
Grupos ( varias decenas de galaxias): La vía Láctea pertenece al grupo local.
Cúmulos (cientos de galaxias). Supercúmulos (varios cúmulos). La vía Láctea pertenece al supercúmulo de Virgo. Dentro de las galaxias todo gira: las estrellas giran alrededor del núcleo galáctico, los planetas alrededor de las estrellas…, de esta forma vencen la atracción de la gravedad y se mantentienen en equilibrio. Debido a la fuerza de gravedad el centro de las galaxias está más concentrado y en muhca ocasiones se forman agujeros negros. ¿Qué ocurriría si Superman detuviese la Tierra en su giro alredor del sol? Hay distintos tipos de galaxias:
Galaxias espirales: Son aquellas con un núcleo
central, abultado y repleto de estrellas y brazos espirales en los alrededores.
Galaxias barradas. Es una variedad de la anterior
que posee una estructura en forma de barra que le atraviesa el núcleo.
Galaxia elíptica. Es una galaxias con muchas
estrellas viejas y de forma ovalada o esférica.
Galaxia irregular. Sin forma.
Dentro de las galaxias puede haber varias galaxias que permanecen cerca porque se formaron simultaneamente y se denominan cúmulo de estrellas. Como el cúmulo de las Pléyades en la constelación de Tauro. b.2. NEBULOSAS Son estructuras de gas y polvo interestelar. Se pueden clasificar en dos grandes grupos: • Nebulosas de gas y polvo. Se suelen llamar guarderías de estrellas ya que en ellas se forman estrellas nuevas. Ejm: La nebulosa del caballo.
•
Nebulosas planetarias. Se llaman así porque con telescopios poco potentes parecían planetas. Se forman tras la muete de una estrella.
b.2. ESTRELLAS. Una estrella es una esfera formada principalmente por hidrógeno y helio, que genera constantemente energía en su interior mediante reacciones de fusión de átomos. La energía se emite en forma de de luz, neutrinos y viento estelar ( flujo de protones). Las estrellas existen gracias al equilibrio entre fuerzas contrarias: la fuerza de la gravedad, que mantiene unida la estrella y la presión de la radiación que tiende a separarla. La fuente de energía en una estrella es la fusión nuclear de hidrógeno para producir helio. En algunos casos también se forman elementos más pesados que el helio. Cuando se acaba el material necesario para mantener estas reacciones nucleares la estrella puede convertirse en una enana blanca, o gigante roja, o supernova, o estrella de neutrones, o agujero negro.
Final de una Estrella Dependiendo de la masa original de la estrella, estas son las etapas finales a las que puede llegar una estrella al final de su vida:
o
Si una estrella es similara al Sol:
El Sol es una estrella con una masa de 2 x 10 30 Kilogramos. Cuando todo el hidrógeno en su núcleo se ha fusionado en helio el Sol se convertirá en una estrella GIGANTE ROJA. Será tan grande que llegará a incluir las órbitas de Mercurio y Venus. Esto ocurrirá dentro de 5 mil millones de años. Durante esta etapa, la estrella emite las capas más exteriores de su atmósfera dando así origen a nubes brillantes de gas y polvo
llamadas nebulosas planetarias. En el interiro de esta nebulosa se formará una estrella denominada ENANA BLANCA. Una enana blanca no es más que los restos de la estrella que brillan con luz débil hasta que poco a poco se apaga y se convierte en cenizas.
o
Si la estrella es de 1 a 8 veces el tamaño del Sol . La fusión nuclear produce
elementos cada vez más pesados. Cuando se forma el hierro, el núcleo de la estrella no puede auto-soportarse y colapsa gravitacionalmente. Entonces sufrirá una gran explosicón llmada Supernova. La supernova es una estrella que aumenta enormemente su brillo de forma súbita y después palidecen lentamente. Las supernovas aportan materiales al universo que servirá para fomar nuevas estrellas Las capas exteriores son emitidas como en una super explosión cósmica y el núcleo remanente se compacta formando una estrella de neutrones. La Estrella de neutrones es como un núcleo atómico gigantesco. Una cucharadita de materia sacada de una estrella de neutrones tiene una masa de mil millones de toneladas. Las estrellas de neutrones se forman como producto de una supernova.
o
Si la estrella es aún mayor después de la formación de la Supernova se forma un agujero negro.
Si la masa inicial de una estrella es superior a 8 masas solares, al final de su vida cuando todo el combustible se ha gastado, la estrella se convierte en un agujero negro. Es una región del espacio con tanta masa concentrada en un punto que ningún objeto, ni siquiera la luz, puede escapar de su atracción gravitacional. ¿Cómo hemos podido verlos si ni siquiera nos envían luz?. Los conocemos por la radiación emitida por la materia al acelerar y caer en él. Casi todas las galaxias tienen en su interior un agujero negro. El agujero de la vía Láctea se llama Sagitario A. Las estrellas de nuestra galaxia no caen en él por que se encuentran a una distancia a la que pueden mantenerse girando sin caer en él ( 7,7 millones de km), punto de no retorno. Cuánto más engulle un agujero negro, más hambriento está. ¿Por qué?
2.ORIGEN Y FUTURO DEL UNIVERSO. El universo se formó hace unos 13.700 millones de años en una gran explosión: el Big-Bang desde entonces continúa expandiéndose. Antes de esta gran explosión no existía nada, ni espacio ni tiempo. La materia fue aparecendo a partir de la energía inicial. Toda la energía existente en el Universo estaba concentrada en un punto más pequeño que un átomo. La temperatura era muy alta y por esta razón no existía la materia como la conocemos hoy. Después de la explosión, el espacio se expande y se enfría permitiendo la formación de átomos, estrellas, galaxias, y planetas a partir de partículas elementales. Lo que se cree que ocurrió fue lo siguiente:
1. El universo supercomprimido se expandió. Etapa de inflacción. 2. Etapa de formación de la materia. Al principio, después de la explosión, no existían los átomos. La materia que aparece en los primeros segundos del universo es en forma de partículas elementales: electrones, neutrinos, fotones (luz) y algunos pocos neutrones y protones. El universo era una sopa densa de partículas subatómicas muy caliente(lo suficiente para evitar que se formaran átomos), que no emitía luz.
3. Primeros átomos. Unos 300.000 años después del Big Bang, el universo se había enfriado lo suficiente para que se formaron los átomos de hidrógeno y helio a partir de las partículas subatómicas.
4. El encendido del universo. En el momento en el que las partículas subatómicas se unen para formar átomos, la luz puede viajar por el universo y deja de hacerse opaca y se hace trasparente. Es en este momento cuando se formó la radiación cósmica de fondo que se detecta actualmente, que hoy se considera como juna prueba de la teoría del Big- Bang y se puede considerar como el “eco” de la gran explosión.
5. La formación de estrellas y galaxias. 400 millones de años después del Big Bang, la materia se fue uniendo por atracción gravitatoria y se
formaron nebulosas, estrellas y planetas. Poco después
aparecieron las primeras galaxias.
6. Universo en expansión, desde entonces las galaxias se están alejando a velocidades cada vez mayores.
¿Hace se cree que ocurrió el Big Bang? ¿Cuándo se formaron los primeros átomos? ¿Qué relación existe entre la formación de los primeros átomos y la radiación cósmica de fondo?
cuántos años
CÓMO SURGIÓ LA IDEA DEL BIG-BANG: EL CORRIMIENTO HACIA EL ROJO DE LA LUZ DE LAS GALAXIAS.
o A principios de siglo un astrónomo americano observó que el espectro de luz emitida por la mayoría de las galaxias estaba desplazado hacia el rojo. Este desplazamiento era mayor cuanto más lejos estaba la galaxia.
o En 1929 Hubble analizó estos resultados y atribuyó este “corrimiento hacia el rojo” al efecto Doppler. El efecto Doppler es el cambio de frecuencia de las ondas, ya sean sonoras, luminosas o de cualquier otro tipo, cuando el emisor de las ondas se acerca o se aleja del observador: Cuando un objeto emite ondas mientras se mueve, estas ondas se distorsionan,
o si el emisor se acerca, la onda se comprime ( en el caso del sonido una moto que se acerca la escucharemos cada vez más aguda y si es un objeto luminoso su espectro se desplazara hacia el violeta)
o y si se aleja la onda se estira ( en sonido lo escucharemos cada vez más grave, si el objeto es luminoso su espectro se desplazará al rojo). El hecho de que el espectro de las galaxias presenten este corrimiento al rojo significaba, según Hubble, que las galaxias se alejaban unas de otras a una velocidad proporcional a la distancia que las separa. Hoy se sabe que en realidad es el espacio el que se expande arrastrando a las galaxias ( como se separan los puntos pintados en un globo al hincharse).
o Si las galaxias se están separando, el universo está en expansión y cabe pensar que en principio toda la materia estaba concentrada en una zona muy pequeña en el origen del universo. Andrómeda es la galaxia más cercana de un tamaño comparable a la Vía Lactea. Al contrario de lo que sucede con la mayoría de las galaxias, Andrómeda se acerca a la Vía Lactea ¿Hacia dónde apareceran desplazadas las líneas del espectro?. LA CONFIRMACIÓN DEL BIG-BANG: LA RADIACIÓN CÓSMICA DE FONDO. La teoría del Big-Bang predice que la gran explosión inicial debió provocar una intensa radiación que desde entonces ha viajado por todo el espacio enfriándose y que hoy habría disminuido su energía y longitud de onda hasta situarse enla región microondas del espectro ( no visible). En 1964, Penzias y Wilson, trabajando con un radiotelescopio de microondas descubrieron una radiación de microondas muy débil que parecía proceder de todos los puntos del universo y no variaba con la época del año. Cómo procedía de todos los puntos del universo la denominaron cósmica y cómo era muy débil, debía tratarse de algo muy lejano: por ello, se denominó radiación cósmica de fondo. Esta radiación es como el eco del big Bang y se formó hace 300.000 años después de la explosión cuando se formaron los primeros átomos y el universo se hizo transparente. Nosotros podemos detectar esta radiación encendiendo el televisor sin sintonizar ( aproximadamento el 1% de los puntos de la pantalla son el remanente de la gran explosión).
La homogeneidad de la radiación cósmica de fondo no explicaría la existenica de galaxias en el universo. Sin embargo se han detectado irregularidades en esta radiación que explica que la materia se hubiera agregado dando lugar a la formación de las actuales galaxias.
FUTURO DEL UNIVERSO. Los científicos barajan tres posibles futuros para el universo que depende de la cantidad de materia que éste contengan y su densidad. Existen varias hipótesis:.
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Teoría del Big Crunch: Si la densidad del universo es mayor que cierto valor crítico, la atracción gravitatoria terminará frenando la expansión, haciendo que el Universo se contraiga de nuevo. A partir del Big Crunch, podría volver a originarse otro Big Bang, formando un nuevo Universo (Teoría del Universo Oscilante) siguiendo un modelo cíclico.
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Teoría del Big Rip: Si es menor que ese valor crítico de densidad , no habrá colapso y la expansión continuará indefinidamente. La materia no podrá ―sujetar‖ sus componentes. Se desgarraría la materia y se destruyen los átomos quedando sólo radiación. Es la teoría más aceptada.
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Teoría del Big Freeze: Si es igual al valor crítico, la expansión es continúa pero cada vez más lenta aunque sin llegar a detenerse.
Explica por qué cuánto más alejados estén los objetos se ven más rojos.
2. ORIGEN DE LOS ELEMENTOS QUÍMICOS. El hidrógeno y el helio y una pequeña cantidad de litio se formaron durante el Big-Bang. El resto de los elementos químicos se han formado a partir del hidrógeno y el helio durante la vida y la muerte de las estrellas, pues es donde se alcanzan temperaturas suficientemente elevadas para que se den reacciones de fusión termonuclear. Las estrellas son fábricas de nuevos elementos químicos:
o
El hidrógeno es el elemento abundante en el universo y a partir de él se han formado el resto de los elementos químicos.
o En el interior de las estrellas la temperatura es tan alta que los núcleos de hidrógeno se están moviendo a una velocidad tan grande como para que al chocar dos hidrógenos se transforme en dos átomos de helio. Este proceso puede durar miles de millones de años y ocurre durante la secuencia principal de la vida de una estrella. Cuando una estrella agota el hidrógeno, ésta se enfría, se rompe el equilibrio y gana la fuerza gravitatoria.
o En una estrella de masa similar al sol cuando el hidrógeno se agota y todo se ha convertido en helio, su núcleo se compacta y se transforma en carbono.
o En estrellas mayores que el sol el helio se va a transformar también por fusión en otros elementos más pesados como el carbono, el silicio, el aluminio y el hierro. El hierro es el último elemento que se forma dentro de las estrellas masivas, pues al formarse no libera energía sino que la consume y la estrella se colapsa dando lugar a una gran explosión que da lugar a una supernova y donde se generará el resto cde los elementos químicos de la tabla periódica.
o El resto de los elementos se han formado en las explosiones de las supernovas. Estas explosiones contaminan con los elementos formados más pesado el espacio y las nebulosas cercanas que son el germen de nuevas estrellas y sus sistemas planetarios. Todos elementos químicos de los seres vivos, se han formado por fusión en el núcleo de antiguas estrellas o en la muerte de las mismas. Somos “polvo de estrellas”. ¿Dónde se forman los elementos más pesados que el hierro? __________________________________________ ¿Y el resto de los elementos?____________________________________________________________________ ¿Cuánta mayor cantidad de combustible inicial (hidrógeno) tiene una estrella , menos tiempo tarda en consumirlo. Explica esta aparente paradoja. Si el sol no Ha lanzado al espacio los elementos químicos que fabrica ¿De dónde provienen los elementos químicos de tu cuerpo o de la lata de refresco?