CMC 1º Bachillerato.

Tema 1.

El origen del universo y de la vida.

El universo en la prensa

Tablencia Universo

Índice• ¿Qué es el universo? Composición y

Estructura:– Nebulosas, Galaxias, Estrellas– Ciclo vital de las estrellas

• Origen– Teorías cosmogónicas– Big Bang

• Origen del sistema solar

• La Tierra y su dinámica.3

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Origen y evolución del universo• Universo o cosmos es el conjunto de toda la materia y energía existente y

el espacio en el que se encuentran.

• Antigüedad de unos 13.700 ma

• Dimensiones del universo observable: 46.000 millones de años luz (v luz= 300.000 km/s)

• Composición:– Energía oscura (73%) repulsión

– Materia oscura (23%) no detectable

• Se deduce su existencia:a. La masa visible es mucho menor que la esperadab. Los cúmulos de galaxias se mantienen unidos c. Radiación de fondoc. Desviaciones de luz por objetos no visibles

• ¿De qué está hecha? Se calcula que solo 1-2% es materia bariónica, el resto es materia no bariónica, sin fuerza nuclear fuerte.

– Materia visible (bariónica): Átomos (4%).

Estructura del Universo• Nebulosas: cúmulos de polvo cósmico de aspecto difuso Estrellas

Constelaciones Galaxias grupos de G cúmulos de G MetaGaláxias

• Galaxias: cúmulos de estrellas + polvo cósmico + nubes de gases, que se mueven juntos.

– Las G más jóvenes tienen más polvo y gas

– Ej: La Vía Láctea: 200.000 millones de estrellas, grande: diámetro 100.000 a.l., el sol a 25.000 a.l. del centro, la galaxia más próxima, Andrómeda, a 2 m a.l.

– Tipos por su forma: irregulares, espirales, elípticas.

– Origen y evolución de las galaxias: gigantescas nubes de H gaseoso en rotación, se contraen por g . Por la rotación, aparecen brazos espirales, donde se originan las estrellas.

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Se van condensando y formando nuevas estrellas

Estrellas

• Grandes masas de polvo cósmico y materia gaseosa principalmente (H y He)

• Tamaño: desde gigantes rojas hasta enanas blancas y agujeros negros.• Luminosidad originada por la E de reacciones termonucleares que se

dan en su núcleo. Depende de la cantidad de masa.

• Temperatura superficie color.

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Son todo objeto astronómico que brilla con luz propia. Con más precisión, es una esfera de plasma, que mantiene su forma gracias a un equilibrio de fuerzas entre la fuerza de gravedad, que empuja la materia hacia el centro de la estrella, y la presión que hace el plasma hacia fuera, como sucede en un gas, que tiende a expandirlo.

Nacimiento, evolución y muerte de una estrella.

• En zonas más densas de la masa de polvo y gas en los brazos espirales de la galaxia (protoestrellas),

• Se concentra por gravedad “gota” de materia crece por agregación. Aumenta la P, T, reacciones termonucleares por fusión H He en su interior. ESol, empieza a brillar.

– A su alrededor nuevas acumulaciones Planetas, sin el tamaño necesario para que se produzcan reacciones termonucleares y tener luz propia.

• Las reacciones se extienden del núcleo al exterior se calienta se dilata se va enfriando la capa más externa, brillo rojizo Gigante roja (tamaño máximo).

– Capa exterior se dispersa en el espacio (Nebulosa planetaria) y se reduce a Enana Blanca. al agotar su combustible He, se enfriará y se apagará (Enana negra).

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-Las Gigantes rojas con más masa, continúan la combustión y contracción del núcleo formando elementos más pesados . El núcleo de tal densidad llega un momento en que no se contrae más, y rebota hacia afuera la materia que estaba siendo atraída, con una gran explosión (Supernova) eliminando al exterior capas externas, neutrinos y elementos pesados que serán básicos para la vida.

-Si tenía suficiente masa, Estrella de Neutrones, que emite intensa radiación electromagnética. Se pueden detectar como Pulsares.

•Si se contrae tanto que su g hiciera que ni la luz pueda salir Agujero negro. En los agujeros negros supermasivos, la materia es absorbida y expulsada a gran velocidad y en forma de rayos X (la materia transformada en E) http://www.youtube.com/watch?v=3QYVUvm3Uc4 http://www.youtube.com/watch?v=t-QQQpv_eyY&feature=related

10http://www.youtube.com/watch?v=H1kuuCqfLP0

• T del Big Bang. Desarrollo histórico1. Hipótesis de partida: universo homogéneo, isótropo y en equilibrio. G + otra F de repulsión que equilibre (Einstein: cte cosmológica)

2. Friedman: el universo debía hacerse con el tiempo más grande o más pequeño, equilibrio no posible

3. Lamaitre Las galaxias provienen de la explosión de una singularidad inicial o átomo primitivo

4. Hubble: las galaxias se alejan entre si, universo en expansión

5. Gamow nombre Big Bang a la Tª de Lamaitre. Los primeros átomos no serían los pesados sino neutrones, que se descompondrían en p+ese aglutinarían en átomos de H y de He y de ahí el resto de elementos

Pega: calculando el tiempo transcurrido desde las galaxias más alejadas (las más antiguas) es muy poco (2000 ma, menos incluso que el tiempo que se calcula que tiene la Tierra (4000 ma).

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Origen del Universo

• T del estado estacionario; creación continua.– Parten de universo uniforme, no varía en el T– Se expande, pero la d se mantiene porque continuamente se está creando nueva

materia

• Universo oscilante.– Explosión inicial expansión

– La G debida a toda la masa del universo ralentizará y parará la expansión, produciéndose una gran contracción o Big Crunch, en que toda la masa del universo crea una nueva singularidad

– De ahí, un nuevo Big Bang y un nuevo ciclo…

– Se necesita masa crítica que frenara la expansión y forzara la contracción. Además la velocidad d expansión es demasiado alta como para ser frenada o revertida por G

• Teoría del No Límite (Howking, Penrose), un modelo SIN límites– T. de la Relatividad, el e y el T tienen su comienzo en el Big Bang a partir de la singularidad

inicial, pero no es posible saber el inicio de ésta.

– Plantean que podría haber brotado a la existencia desde la nada absoluta por un proceso de Tunelización Cuántica. Proceso atemporal, en un intervalo de T=0 a T=10 -43 s (tpo de Planck), un tiempo imaginario pero real, sin límites pero finito (como una superficie esférica)

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Origen del Universo

Teoría del Big Bang • En 1929 Hubble el universo entero se expande.

• Si el universo se va haciendo grande, frío y difuso, al retroceder en el tiempo debía ser cada vez más caliente, pequeño y denso. Así surgió la idea del Big Bang.

• Se deduce una antigüedad de unos 13.700 m.a.• Toda la materia y E estaría comprimida en un átomo primigenio o

singularidad inicial, pequeñísimo, T enorme y una d casi infinita. Las 4 fuerzas (gravedad, interacción nuclear fuerte y débil y la electromagnética) estaban unidas en una.

• Se produce enorme explosión inicial, dilatándose y enfriándose a una velocidad mayor que la de la luz (etapa de INFLACIÓN), su masa aumenta 1050 veces, se separa la gravedad de las otras fuerzas (por la dispersión de la materia).

• El universo sería al principio homogéneo, simétrico, unificado

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• Y se fue diversificando• Por la separación de las 4 fuerzas fundamentales

• Se diferencia la materia y la energía

• La materia, empujada por la energía, se dividió en nubes más diferenciadas (heterogeneo) y todo se diversificó: aparecieron “cosas”

– Se separa la F interacción nuclear fuerte y se forma las partículas elementales del átomo: quarks (p y n) y leptones (e)

– Surgieron las primeras partículas subatómicas (p y n) por unión de los quarks, al separarse la F electromagnética y la F interacción nuclear débil.

– p y n chocan desprendiendo E y forman núcleos de He. Los fotones están aún unidos a las partículas, no hay luz, es un universo oscuro y opaco.

– Los fotones pierden E, los electrones son retenidos por los núcleos formándose los primeros átomos: H y He.

– Al dejar de interactuar electrones y fotones (radiación y materia), los fotones se dispersaron (radiación de fondo) y originándose la luz universo transparente

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• Se sigue enfriando y las nubes de materia forman proto-supercúmulos de galaxias. En ellos se producen condensaciones nódulos primeras estrellas, por concentración cósmica (autogravitación) y fusión del H.

• Como consecuencia de esa explosión inicial, el universo sigue en expansión.

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Pruebas del Big Bang• Radiofuentes celestes

– Son galaxias o nebulosas que emiten ondas de radio – Las más próximas son más jóvenes y emiten más radiaciones– A partir de una determinada distancia (unos 3.000m.a.l. se reducen mucho al principio habría habido un periodo sin radiofuentes. Contradice T. estado estacionario

• Existencia de quasares– Son radiofuentes extremadamente pequeños, muy lejanos, luminosos y compactos. Se consideran

núcleos de galaxias jóvenes a una distancia de 2000-4000 m.a.l. y que se alejan a una enorme velocidad (se considera que están como en los extremos del universo). Contradice un universo que no varía.

• Proporción H/He– En la explosión, la E materia átomos más sencillos. La proporción debería ser 75 % de H, 25 % He Es la que

hay en todas las galaxias (los demás elementos no llegan al 1%).

– Esto permite deducir un origen común de las galaxias, a partir de un momento: el big bang,

• Radiación de fondo – Explosión, enormes T, se va enfriando primero en los límites del universo. A esas T la radiación que emiten los

cuerpos no luminosos es prácticamente indetectable.

– Unos científicos detectaron un zumbido de microondas que proviene de cualquier punto del cielo.

– El Big Bang concluye que esa es la radiación de fondo, correspondiente a cuerpos negros a 2,63 ºK , considerándola como el eco, los vestigios, de aquella gran explosión inicial. Con ella se ha deducido la antigüedad del universo (unos 13700 ma) y de las primeras galaxias (unos 200 ma)

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Formación del Sistema Solar• Sistema solar: sol, planetas, satélites, asteroides (cinturón entre Marte y Júpiter), meteoritos,

cometas, polvo y gases.

• A partir de una nebulosa mixta que gira y se va concentrando– Parte de restos de una nebulosa primitiva (H, He y otros muy ligeros)– Parte de otra resultante de una o varias explosiones de supernovas, en zona con

abundantes estrellas

• En esa masa de gases, turbulencias, – zonas centrales, que giran a más velocidad, más concentradas, con más

densidad, aumento de temperatura, reacciones de fusión de H a He y enorme desprendimiento de E haciendo que resplandezca y se forme el Sol

– zonas periféricas, con menos densidad y más frías. Turbulencias remolinos de materia que va colisionando y acumulándose (acreción) y creciendo.

• El Sol se debió formar hace 5000-4800 ma – Las rocas más antiguas encontradas en la Tierra tienen 4000 ma. Otras ya

desaparecidas pudo haber más antiguas– Algunos meteoritos de composición semejante a la Tierra tienen unos 4600 ma– La Tierra se debió formar casi a la vez que el Sol o muy poco después.– Aunque en la Tierra abundan Fe, Si, C… y otros mas pesados -apenas H y He-

como en otros planetas, y en el Sol el 97 % es H y He, con otros pocos más pesados en su núcleo, no se han formado de distintos materiales.

1. T. de Laplace• La nebulosa (gas y polvo) se fue contrayendo

por autogravitación, provocando aumento de d, de T (todo gas al contraerse) y rotación (todo gas con turbulencias)

• Esa nebulosa cada vez más densa, más caliente y girando más rápido se transformaría en un gigantesco disco que

– en su núcleo, la autogravitación predomina sobre la F centrífuga formándose el Sol. (97 % de la masa)

– Y en su exterior se despediría materia que gira también formando anillos, en los que por condensación en algunos puntos formarían los planetas (aprox 2% de la masa).

– Hay estrella jóvenes cuyo anillo se debió expulsar a gran distancia y no queda rastro.

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2. Otra Teoría afirma que en la nebulosa, torbellinos originaron cuerpos aislados (planetas), que tendrían tb un movimiento giratorio y estarían ligados gravitatoriamente a la estrella como planetas suyos.

Formación de los planetas (cuerpos celestes en órbita alrededor del Sol

con movimiento propio y periódico)

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3. T de los planetesimales. Los planetas se formarían por un proceso de acreción (acumulación) por coalescencia.

-Pequeñas partículas sólidas irían creciendo por coalescencia (esas partículas atraen a otras más ligeras): planetesimales.

-Estos, colisionan se mantienen calientes y en estado viscoso capaz de seguir fusionándose con otros siguen creciendo quedan al final pocos planetas y de gran tamaño. Los choques de planetesimales que giran en el mismo sentido, no serán tan fuertes que se destruyan… Lo vemos en los cráteres de impacto –no volcánicos- en todos los planetas.

-Las colisiones serían con cuerpos cada vez más pequeños, y así la acreción por coalescencia se iría deteniendo y limpiándose cada vez más su órbita.

-Aunque en principio todos los planetoides seguirían órbitas paralelas y concéntricas, de modo que no habría nuevos encuentros (miles de planetoides formando algo parecido a los anillos de Saturno). Esa situación de estabilidad no llegaría a formar el sistema solar, pero nuevos estudios inciden en la importancia de:

-los rebotes: no suponen acreción ni destrucción, pero si cambio de órbitas, que ya no serían paralelas y pueden seguir chocando

-los acercamientos, que producen desvíos y cambios de órbitas tbDe ese modo, en unos 300 ma se habrían ido formado así los planetas.Los asteroides de órbitas oblicuas producirían los cráteres de impacto más recientes.

http://www.youtube.com/watch?v=UR_ESkqtgjM

El Sol

• Las primeras estrellas debieron formarse pronto. Las más antiguas pueden tener 13.000 m.a. , formándose en un universo “joven” de unos 700 m.a.

• El Sol es mucho más joven. – Unos 5.000 m.a. – La tasa de E termonuclear

que se calcula le queda, permite suponer que puede vivir otros 5000 m.a. Es decir, es una estrella que está en su edad media, lo cual lo corrobora tb su color: azul, amarillo, rojo.

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El Sol, una estrella de 2ª generación:

• En la Tierra hay elementos pesados como el hierro.• En el Sol -del que procede la Tierra y demás planetas de su sistema-, también tendremos

elementos pesados y los demás elementos.

• En otras estrellas no hay elementos pesados, ni en sus planetas. Las estrellas más primitivas tienen H y He solamente, o algún otro elemento ligero.

• Las estrellas que están más en el centro de nuestra galaxia, son “más ligeras”. Se deduce que son mucho más antiguas; al formarse de nebulosas más antiguas, estas carecen de elementos pesados.

• Otras contienen elementos pesados. Son originadas por una nueva generación (se cree que puede haber hasta 4 generaciones de estrellas.

• Las primeras estrellas que se formaron de la nebulosa primitiva eran muy grandes (gigantes) y muy brillantes, mucho más que el sol (cuanta más masa, más E desprende), y con una vida relativamente corta. Las enanas, sin embargo, permanecen en actividad mucho más tiempo.

• De esas primeras estrellas gigantes no queda ninguna, ya han desaparecido, acabaron estallando: Supernovas.

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• Esto origina Polvo Cósmico, que se fue difundiendo por el espacio en forma de nebulosa de 2ª generación (ahora con elementos pesados, hasta Fe)

• Puede asociarse a otras masas de gases también de segunda generación o bien primitivas (de hecho las nebulosas que conocemos tienen una composición muy variada, lo que delata que antes formaron parte de una estrella)

• Las turbulencias originan zonas de condensación, y de aquí se formarían nuevas estrellas, ahora de 2ª generación (como nuestro Sol)

– Se dice que somos “polvo de estrellas”: el C solo puede formarse en una estrella gigante; el Fe, solo de la explosión de una Supernova.

http://www.astromia.com/universo/index.htm

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El futuro del Universo

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El futuro del universo depende de la llamada densidad crítica , es decir de la densidad material mínima para formar átomos.

En 2003 el telescopio Boomerang determinó que la densidad del universo coincide con la crítica, por lo que la expansión del universo seguiría indefinidamente.

El descubrimiento de la energía oscura, responsable de la aceleración de la expansión del universo, ha planteado un nuevo escenario para el destino futuro del universo. Las fuerzas repulsivas, superiores a la fuerza de la gravedad, producirían una expansión tan acelerada que en un instante el universo volaría en pedazos y se produciría el desgarramiento de todo cuanto conocemos. Es lo que se llama el big rip.

…

Estos datos harían inviable la evolución de un universo cerrado, en el que de forma reiterada y periódica el universo se contraería hasta llegar a un nuevo universo en expansión (big crunch). Las sucesivas explosiones y contracciones, llamadas pulsaciones, se repetirían eternamente. Es el llamado universo pulsante.

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Tierra

• Al irse enfriando la Tierra capas de distinta densidad:– Núcleo– Manto– Corteza– Hidrosfera– Atmósfera

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Estructura estática y dinámica

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Dinámica de la Tierra. Teoría de la Tectónica global.

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•La litosfera está fragmentada en placas tectónicas o litosféricas.•Las placas se generan por las corrientes de magma que ascienden a la superficie.•El movimiento de las placas origina cordilleras, seísmos y volcanes.

Anexo: Partículas

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Leptones Quarks (q)

BosonesPartículas portadoras de fuerza, responsables de interacciones

FermionesPartículas portadoras de materia

HadronesUnidos por F nucl Fuertes

Bariones (3 q)Antibariones Mesones

+ gluones

Fotones débil

Gluones Fte

Gravitones…

ProtonesNeutrones

¿Bosón de Higgs?

ElectronesF interac débil

átomo