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TEMA 1: NUESTRO LUGAR EN EL UNIVERSO

1. BREVE HISTORIA DEL UNIVERSO

Los primeros cientficos griegos (filsofos), basndose en las observaciones de los cielos nocturnos, desarrollaron diversas teoras sobre el universo y la ordenacin de los astros y planetas conocidos hasta ese momento. La teora ms aceptada fue el SISTEMA GEOCNTRICO DE PTOLOMEO (perdur con ligeras modificaciones hasta el siglo XVI):

1. El universo se divida en 8 esferas cocntricas

2. La Tierra estaba en el centro del universo completamente inmvil

3. Alrededor de ella en sus esferas respectivas, giraban el Sol, la Luna y las estrellas.

1. BREVE HISTORIA DEL UNIVERSO

4. Las estrellas giraban siempre en el mismo sentido y mantenan constantes las distancias entre ellas. Se encontraban fijas en una esfera alejada llamada BVEDA CELESTE.5. La Bveda Celeste se mova por accin de un ser divino.

6. Los planetas (significa en griego vagabundo) seguan sobre sus esferas trayectorias irregulares.

Problemas del modelo de Ptolomeo: extremadamente complicado, sobre todo con el paso del tiempo en el que se tuvo que ir aumentando el nmero de esferas y de giros precisos de cada nueva observacin.

1. BREVE HISTORIA DEL UNIVERSO

- En el siglo XVI, NICOLAU COPRNICO (1473-1543) desarrolla un nuevo modelo del universo llamado el SISTEMA HELIOCNTRICO:

1. El Sol est en el centro del universo completamente quieto, y la Tierra y los dems planetas giran a su alrededor.2. La Tierra realiza dos movimientos, uno de rotacin sobre ella misma y otro de traslacin en torno al Sol.

1. BREVE HISTORIA DEL UNIVERSO

3. La Luna gira en torno a la Tierra4. Las estrellas se encuentran fijas en una alejada esfera inmvil

Y, NO OBSTANTE, SE MUEVE!

Probablemente, no fue casualidad que solo despus de la muerte de Coprnico se publicara su obra De revolutionibus orbium coelestium (Sobre el movimiento de las esferas celestiales) , donde expona el sistema heliocntrico. Sin duda, conoca la resistencia que iba a encontrar y los problemas que le podan generar sus ideas. Casi un siglo ms tarde, en 1633, Galileo Galilei debi soportar un largo y agotador juicio en que la Inquisicin lo acusaba de defender el sistema copernicano. Cuenta la historia que cuando se puso en pi, despus de jurar que la Tierra estaba quieta, dijo algo en voz baja. Segn esta leyenda, sus palabras fueron Eppur se muove (E, non obstante se mueve)

1. BREVE HISTORIA DEL UNIVERSO

- Con el paso del tiempo, nuevos descubrimientos cientficos contribuyeron a pulir el nuevo modelo de universo:

A. INMENSIDAD DEL UNIVERSO: la estructura del universo result ser ms compleja que la prevista por Coprnico. El Sol no ocupa el centro del universo sino que es una ms entre los 100000 millones de estrellas en nuestra galaxia, la Va Lctea . En uno de los brazos de la Va Lctea se encuentra el Sistema Solar, girando alrededor del eje de la galaxia a una velocidad de 760000 km/h, tardando 230 millones de aos en completar una vuelta (ao galctico). Nuestra galaxia es una entre los miles de millones que forman el universo conocido (Andrmeda es la galaxia ms cercana a la nuestra y Prxima Centauri la estrella ms cercana al Sol)

1. BREVE HISTORIA DEL UNIVERSO

B. DESCUBRIMIENTO DEL TIEMPO PROFUNDO: hasta hace poco ms de dos siglos se crea que la Tierra tena unos 6000 aos de antigedad, que haba sido creada como refugio de los seres humanos y que su edad coincidira con el tiempo que lleva existiendo la especie humana. De los 4560 millones de aos de historia de nuestro planeta, la mayora transcurre sin presencia del hombre en ella.

1. BREVE HISTORIA DEL UNIVERSO

C. EVOLUCIN BIOLGICA: hasta el siglo XIX, se consideraba que cada especie biolgica haba sido creada tal y como la conocamos en la actualidad. Charles Darwing, mostr que las especies cambian a lo largo del tiempo, que estn emparentadas unas con otras y que todas ellas, includa la nuestra, tienen un origen comn.

CONCLUSIONES: - No ocupamos el centro del universo,

- Ni la Tierra fue creada para los seres vivos de morada, - Y somos una especie entre los muchos millones que existieron en nuestro planeta

2. COMPOSICIN DEL UNIVERSO

El universo es un enorme vaco en el que hay millones de cuerpos. Qumicamente es muy simple, pues un 75% es hidrgeno, un 20% es helio, y un 5% el resto de los elementos. Algunos de los astros se pueden observar a simple vista, y otros slo con telescopios:

A. A SIMPLE VISTA

VACO

GALAXIAS(Elpticas, espirales o irregulares)

ESTRELLAS

PLANETAS

NEBULOSAS

2. COMPOSICIN DEL UNIVERSO

- ESTRELLAS:

B. CON TELESCOPIO

MATERIA OSCURA (constituye el 90% de la materia del universo y no emite radiacin)

* Energa se forma al transformarse hidrgeno en helio

*Cuando se agota el hidrgeno, consume el helio, aumenta el tamao y forma en gigante roja.

*Agotado el helio, se encoge y forma una enana blanca.

* Si la estrella es ms masiva que el Sol consumir el hidrgeno ms rpido, ser ms luminosa y explotar, originando una Supernova

2. COMPOSICIN DEL UNIVERSO

COMO SABEMOS QUE EXISTE MATERIA OSCURA SI NO LA VEMOS? Procedimiento indirecto...

Estas galaxias chocan debido a la atraccin gravitatoria que hay entre ellas, y al hacerlo calientan el gas que hay entre ellas (color rojo). En cambio, la mxima densidad de la materia visible (puntos blancos) se encuentran en la zona de color azul. Algo que no vemos est provocando el acercamiento entre galaxias. A esta materia invisible que interacciona gravitatoriamente se llama materia oscura

3. MOVIMIENTO DEL UNIVERSO

- Todo en el universo est en movimiento. La principal causa del movimiento del universo es la Fuerza de la gravedad dada por Isaac Newton en el siglo XVII en base a la ley que dice:La Ley de la Gravitacin Universal dice que los cuerpos se atraen, tanto ms cuanto mayor sea su masa y cuanto ms prximos estn

GRAVEDAD SEGN NEWTON

Newton justifica la rbita de un planeta a partir de un can situado en lo alto de una montaa que dispara bolas de forma horizontal. La montaa necesita ser muy alta para evitar la atmsfera terrestre e ignorar los efectos de friccin sobre la bola de can.

Can de Newton

3. MOVIMIENTO DEL UNIVERSO

- En el siglo XX, ALBERT EINSTEIN cambia radicalmente el significado que se tena de la fuerza de la gravedad dada por Newton, para asegurar el cumplimiento de la Teora de la Relatividad Especial que haba elaborado aos antes de este estudio.

- La Relatividad Especial dice que nada puede viajar a velocidades superiores a la de la luz. Sin embargo, Newton explicaba que si un planeta dejaba, de repente, de ser atrado por un cuerpo, se saldra de su rbita a velocidades infinitas sin llegar a detenerse nunca.

- Por ese motivo, en 1915 Einstein desarroll la Teora de la Relatividad General. Segn ella, la gravedad no era una fuerza sin una consecuencia de a curvatura espacio- temporal (el espacio-tiempo est deformado por la distribucin masa-energa que contiene)

3. MOVIMIENTO DEL UNIVERSO

Deforma el espacio: la masa de un objeto dice al espacio como curvarse y el espacio le dice a la masa como debe moverse.De este modo, si un planeta deja de ser atrado por un cuerpo, se producira una perturbacin espacial (como una onda en el agua), que cuando alcanzase al planeta, le provocara un cambio de rbita movindose a velocidades de la luz (confirmando la Relatividad Especial).

Deforma el tiempo: el tiempo transcurre de forma distinta para observadores situados en campos gravitatorios distintos. Cuanto ms intenso es el campo gravitatorio, ms lento pasa el tiempo. (Para un buen funcionamiento de relojes de aviones y satlites se requiere hacer uso de las ecuaciones de Einstein, prueba de su veracidad)

La deformacin del espacio se ha comprobado experimentalmente a partir de eclipse (luz se desviaba de su trayectoria al pasar por el campo gravitatorio del astro)

3. MOVIMIENTO DEL UNIVERSO

Einstein fue por tanto el padre de la Cosmologa Moderna imaginando un universo DINMICO y en EXPANSIN (con principio y fin). Predijo adems la existencia de AGUJEROS NEGROS, concentraciones de materia de altsima densidad, que curvara infinitamente el espacio-tiempo. Su campo gravitatorio es tan fuerte, que la luz no lograra escaparse de ellos y el tiempo se parara en su interior.

3. MOVIMIENTO DEL UNIVERSO (vdeo divulgativo)

La Teora de la Relatividad General se haca invlida cuando la realidad se haca muy pequea. Todo, en esas dimensiones, se vuelve imprevisible, imposible de predecir. La Fsica lo estudia en la llamada Mecnica Cuntica (que considera el estudio de la interaccin electromagntica, la fuerza nuclear fuerte y la dbil).

Einstein estaba totalmente convencido de que tanto el mundo macroscpico como el microscpico segua pautas con certeza, por ello pas sus ltimos aos de vida tratando de crear una teora que englobara la totalidad del universo, la llamada TEORA DEL TODO (unifica las 4 fuerzas fundamentales). Finalmente muri en 1955 sin llegar a ningn resultado.

Actualmente, muchos cientficos estn haciendo experimentos para conseguir llegar a dicha teora de la unificacin, sin embargo todava se est muy lejos de alcanzarla. La ms aceptada es la TEORA DE CUERDAS, que considera a las partculas estados de vibracin de una cuerda o filamento.

4. ORIGEN Y EVOLUCIN DEL UNIVERSO

Una de las teoras ms aceptadas sobre el origen del universo es la TEORA DEL BIG-BANG o la GRAN EXPLOSIN.Surge a mediados del siglo XX a consecuencia de la comprobacin experimental de que el universo estaba EXPANDINDOSE: Las galaxias no estn fijas en los puntos donde las observamos. Aparentemente, se mueven a grandes velocidades, a miles de kilmetros por segundo.

HUBBLE, un astrnomo estadounidense, fue el primero en apreciar este fenmeno alrededor de los aos 20 del siglo XX. Se dio cuenta de que el movimiento de las galaxias segua ciertas reglas. Si comparamos las velocidades de galaxias lejanas con respecto a nosotros, vemos que cuanto ms lejanas son mayor es la velocidad con la que parecen alejarse de nosotros. Una simple funcin lineal, una lnea recta, determina la relacin entre la velocidad con la que se alejan las galaxias y la distancia que nos separa de ellas (v = Hd).

Edwin Hubble1889-1953

4. ORIGEN Y EVOLUCIN DEL UNIVERSO

Pero por qu se alejan las galaxias de nosotros? Acaso somos el centro del Universo?

Realmente es el espacio que nos separa el que se expande. Por ello, cualquier observador, situado en cualquier lugar del Universo, apreciara que las galaxias se alejan de l de ese modo. No somos el centro del Universo.

Si esta expansin ha ocurrido desde el principio, estaba todo mucho ms comprimido en el origen?

Eso es efectivamente lo que piensan los astrofsicos. Cuando el Universo se origin, todo estaba mucho ms comprimido, mucho ms denso y mucho ms caliente.

Cunto?

Tanto que el tamao pudo ser extraordinariamente pequeo, infinitesimal. Incluso ms pequeo que el ncleo de un tomo. Algo que slo podemos concebir matemticamente, ya que no habra nada en el Universo actual que fuese comparable. El Universo al principio tuvo que ser de una manera muy distinta a como lo vemos ahora.

4. ORIGEN Y EVOLUCIN DEL UNIVERSO

Cmo podemos imaginarlo?

Lo ms parecido que podemos imaginar de aquellas condiciones es el propio interior de las estrellas como el Sol, donde la temperatura es enorme. Un horno nuclear, donde la materia se transforma por reacciones de partculas* ms elementales an que los protones y los neutrones.

(*) Estas partculas elementales son conocidas como quarks, leptones y bosones. Los quarks, junto con los electrones (leptn), los fotones (bosn) y otras partculas, como los neutrinos (leptn), formaban una mezcla con una temperatura y una densidad enormes, llamada plasma primordial.

4. ORIGEN Y EVOLUCIN DEL UNIVERSO

La materia entonces no era como la materia de ahora, aunque sus componentes elementales fueran los mismos. El Universo se ha transformado, precisamente debido a que est en expansin, y su temperatura y densidad han ido disminuyendo progresivamente hasta alcanzar las que observamos ahora.

4. ORIGEN Y EVOLUCIN DEL UNIVERSO

Por todo ello, el modelo ms aceptado sobre el origen y evolucin del Universo es el BIG BANG. Segn este modelo, en el principio de los tiempos, toda la materia del Universo se encontraba concentrada en una regin de tamao muy pequeo, tan pequeo como un tomo, y, debido a una gran explosin, el Universo se expandi. Al expandirse se enfri y mientras se enfriaba, la materia se iba transformando. El Universo pas por cuatro etapas sucesivas:

(*) El Universo ampli su tamao miles de millones de veces en un tiempo extraordinariamente pequeo, inferior a micromillonsimas de segundo

1. INFLACIN: Inicialmente, el Universo estuvo comprimido en un estado muy denso, que se expandi muy rpidamente*. En esta etapa, el Universo debi de ser una sopa de partculas y radiacin de muy alta energa. Tras esa etapa, el Universo sigui expandindose, pero ya a un ritmo ms lento. A partir de entonces es cuando verdaderamente tenemos una descripcin fiable de lo que pudo pasar.

4. ORIGEN Y EVOLUCIN DEL UNIVERSO

2. CONFINAMIENTO DE QUARKS: Una cienmilsima de segundo despus del instante inicial, la temperatura era lo suficientemente baja para que todos los quarks se confinaran en protones* y neutrones.Segn el modelo del Big Bang no quedaron quarks libres en el Universo y, efectivamente, lo que observamos hoy en da es que los quarks forman siempre parte de protones y neutrones.

(*) Los elementos de la tabla peridica se diferencian entre s por el nmero de protones de su ncleo. A este nmero se le llama nmero atmico.El elemento ms abundante del Universo, el hidrgeno, es el ms simple de todos. De nmero atmico 1, su ncleo est compuesto de un slo protn.

3. NUCLEOSNTESIS: La nucleosntesis es un proceso en el que los protones y neutrones reaccionan para dar lugar a ncleos de otros tomos. Pero la mayor parte de los protones quedaron libres: casi el 75% del Universo segua siendo ncleos de Hidrgeno*.

Qu nuevos ncleos se formaron en esta etapa?Ncleos de helio**: aproximadamente un 25%En una proporcin inferior se formaron:Ncleos de deuterio*** (un protn con un neutrn).Ncleos de litio (con tres y cuatro protones)

4. ORIGEN Y EVOLUCIN DEL UNIVERSO

Transcurridos tres minutos desde el origen las reacciones nucleares cesaron su actividad porque la temperatura del Universo ya se haba enfriado lo suficiente. Como resultado, el elemento qumico ms abundante del Universo es el hidrgeno, seguido por el helio.

4. RECOMBINACIN: Cuatrocientos mil aos despus, los ncleos de hidrgeno capturarn electrones convirtindose en tomos neutros*. Los fotones ya no tienen la energa suficiente para ser absorbidos por los electrones (a su vez, los electrones ya no pueden absorber fotones que les liberen de los tomos neutros). Los fotones pueden viajar desde entonces por el Universo sin ser absorbidos por la materia y llegar hasta nosotros. El Universo se ha hecho transparente, es decir, lo podemos observar.

(*) Para que un tomo sea elctricamente neutro, el nmero de protones ha de ser igual al de electrones.

4. ORIGEN Y EVOLUCIN DEL UNIVERSO

Pero podemos estar seguros de que fue as el origen del Universo?

Ah est la clave de la ciencia, en que es capaz de contrastar la teora con la experiencia. Y eso es lo que intentan hacer los astrnomos y los astrofsicos con el modelo del Big Bang: comprobar si es vlido. Con qu pruebas experimentales se cuenta? (Las llamamos pruebas experimentales porque se han obtenido los resultados predichos en la teora.)

Las dos principales son:1. La composicin de la materia de los astros ms antiguos.2. La existencia del Fondo Csmico de Microondas.

1. Galaxias primitivas y estrellas antiguas El estudio del gas de galaxias primitivas, situadas a una gran distancia de nosotros, y de estrellas antiguas de la Va Lctea ha revelado que su materia est formada principalmente por hidrgeno (incluido el istopo deuterio) y helio. Estas proporciones coinciden con lo que, segn el modelo del Big Bang, aconteci en la etapa de la nucleosntesis.