Tema 1 Origen del Universo

TEMA 1. EL ORIGEN DEL
UNIVERSO.
EL SISTEMA SOLAR
Contenidos:
1. Los primeros astrónomos
2. La cosmología moderna
3. La expansión del Universo
4. El Big Bang: la gran explosión
5. Recreación del Universo
primitivo
6. Estructura del Universo
7. Las estrellas
8. La formación del Sistema Solar
9. La exploración del espacio

 Necesidad de ampliar los conocimientos y explicar los
fenómenos observables.
Ejemplos:
• Repeticiones en la posición de las estrellas.
• Repeticiones de estaciones (duración del día y la
noche)
• Influencia del Sol sobre la siembra, la caza o la
navegación.
 Consiguen:
 Describir el movimiento del Sol, la Luna y los planetas.
 Inventar el sistema sexagesimal (360º)
 Establecer un calendario

 ARISTÓTELES (384 – 322 a.C)
Defensor de un Universo geocéntrico, donde la Tierra se
encontraba en el centro y el Sol, la Luna y los planetas giraban a su
alrededor.

 ARISTARCO DE SAMOS (310 – 230 a.C)
Estableció por primera vez el modelo heliocéntrico. Afirmó que el
Sol era mucho mayor que la Tierra y que ésta y todos los planetas
giraban a su alrededor.

 PTOLOMEO (100 – 170 d.C)
Revisó la obra de Aristóteles y defendió el modelo geocéntrico. Esta
idea se mantuvo durante la Edad Media. Fue aceptada por los
poderes eclesiásticos, pues era coherente que las criaturas creadas
por Dios habitaran en el planeta Tierra localizado en el centro del
Universo.

 COPÉRNICO (1473 – 1543)
Estableció, gracias a sus sólidos cálculos matemáticos, el modelo heliocéntrico. La Tierra
no era más que uno de sus planetas que gira alrededor del Sol. No publicó sus
descubrimientos hasta el final de su vida. Fue un modelo no aceptado inmediatamente. Fue
apoyado por Tycho Brahe y las leyes de Kepler.

 KEPLER (1571 – 1630)
Estableció que las órbitas de los planetas eran elípticas.

 Tycho Brahe (1546 - 1601):
Realiza gran cantidad de cálculos y descubre que la órbita de la Tierra no es circular, sino
elíptica. Su obra también fue prohibida por la glesia.

 GALILEO GALILEI (1564 – 1642)
• Construye el primer telescopio.
• Defensa de Teoría Heliocéntrica basada en observaciones experimentales.
• Entró en conflicto con la Iglesia Católica, que le costaron su condena por herejía.

 NEWTON (1667)
Explicó el movimiento de los astros mediante la teoría de gravitación universal

Las técnicas de observación aceleran el desarrollo de la Astronomía.
 Edmund Halley descubre el cometa que lleva su nombre, hace un estudio de estos astros y descubre el
movimiento propio de las estrellas.
 Telescopio de Monte Wilson (1917), se descubre que muchas nebulosas observadas hasta entonces eran
conjuntos de estrellas agrupadas en galaxias exteriores a nuestra galaxia.
 Edwin Hubble observó que las galaxias se alejan unas de otras, lo que lleva a la hipótesis de que el Universo se
encuentra en fase de expansión

2. Cosmología moderna
PRINCIPALES DEFINICIONES
 COSMOLOGÍA: Es una parte de la astronomía que estudia la
estructura, el origen y el desarrollo de la totalidad del Universo, el
cosmos.

 ASTRONOMÍA: Es la ciencia que estudia los astros componentes
del Universo a partir de la información que nos llega de ellos: luz
visible, infrarrojos, rayos X, etc.

 ASTROFÍSICA: Es una parte de la astronomía que aplica las leyes
de la física para estudiar la naturaleza de los astros y su
comportamiento.

PSEUDOCIENCIA.
- ASTROLOGÍA: Intenta explicar las influencias malignas o benignas
de los astros sobre los humanos. Zodíaco.

Modelos del Universo.
 Estático o infinito.

 Dinámico y finito: el Big Bang.

 Dinámico e infinito: el estado estacionario.

 Modelos del Universo.

 Estático o infinito.

Hace referencia al Universo eterno e infinito, que
siempre ha existido y existirá. Sin comienzo ni fin.

Albert Einstein tenía la idea de un cosmos eterno e inmóvil y en sus
ecuaciones matemáticas introdujo un coeficiente o constante
cosmológica para obligar a su modelo a permanecer estático.
Luego reconoció que fue un error.


 Dinámico y finito: el Big Bang

Hace referencia a un Universo que se creó en una
explosión a partir de un punto inmaterial infinitamente
denso y caliente, hace 13700 millones de años.

Hubble demostró experimentalmente que unas galaxias se alejan
unas de otras y que el Universo está en expansión. Si se expande
quiere decir que hubo un momento inicial en que todas las galaxias
estaban juntas, y que, por tanto, el Universo tuvo un origen. La
mayoría de los cosmólogos actuales están de acuerdo con esta
teoría también llamada modelo cosmológico del Big Bang o Gran
Explosión.


 Dinámico e infinito: el estado estacionario.

Concibe un Universo infinito, que no tiene un principio
definido, en el que se genera materia de manera
continua mediante mecanismos desconocidos.

Hoyle fue quien bautizó despectivamente al modelo anterior con el
nombre de Big Bang y defendió este otro modelo alternativo, el
modelo cosmológico del estado estacionario, no sin controversia
por parte de la mayoría de los cosmólogos.

CIENTÍFICOS IMPORTANTERS EN EL DESARROLLO
DEL CONOCIMIENTO DEL UNIVERSO

Albert Einstein Edwin Hubble
1915. Teoría de la relatividad general En 1929 demuestra
Proporciona una descripción experimentalmente la expansión
matemática del Universo. Da una del Universo. Comparó las
respuesta errónea a la existencia de distancias de las galaxias en
un cosmos eterno y estático. función a su velocidad con las
Introduce la constante cosmológica que se alejaban unas de otras y
en sus ecuaciones al fin de dedujo que cuanto más lejos
contrarrestar la gravitación y “frenar” estaban, más rápido se movían.
la expansión acelerada del Universo. Relación conocida como ley de
Hubble.
Alexander Friedman
En 1922 examina las ecuaciones de George Gamow
la relatividad de Einstein y llega a la En 1948 elabora junto con Ralph
conclusión de que al eliminar la Alpher y Hans Bethe el modelo
constante cosmológica, admiten
cosmológico del Big Bang y
varias soluciones, entre ellas el
Universo en expansión. demuestran como se llevó a cabo
en las estrellas la creación de los
primeros elementos químicos.
George Lemaitre Fred Hoyle
En 1927, llega a las mismas
En 1948 propone junto con
conclusiones que Friedman y
propone su modelo del átomo Thomas Gold y Herman Bandi el
primordial, que contiene toda la modelo cosmológico dinámico e
materia y la energía a partir de la infinito del estado estacionario.
cuál se formó el Universo. Fue el Bautiza despectivamente como
precursor de la teoría del Big Bang Big Bang a la teoría de Gamow,
que consideraba errónea. El cree
en un Universo en expansión,
pero infinito y sin un principio
definido, en el que se genera
materia de forma continua,
mediante mecanismos

3. La expansión del Universo
El universo se expande.
Hay métodos para calcular este hecho.

Ley de Hubble
Establece que la velocidad de alejamiento de una
galaxia es directamente proporcional a su distancia.

V = Ho · D

V es la velocidad de alejamiento de una galaxia (Km/s)
D es la distancia entre la galaxia y la Tierra (Mpc, en megaparsec)
Ho es la constane de proporcionalidad de Hubble (70 Km/s/Mpc)

¿Cómo sabemos que las galaxias se alejan? El efecto Doppler

Desplazamiento hacia el rojo
(efecto Doppler)

4. El Big Bang. La gran explosión

 Si el movimiento de alejamiento de las galaxias se invirtiese durante un
tiempo igual a la edad del universo, se llegaría a la conclusión de que todas
las galaxias se encontraban en un mismo punto en un mismo instante, que
marcaría el origen del Universo. (Se estima a 13700 mill. de años).

 En este punto las cuatro fuerzas que actúan sobre la materia estarían
unidas:
􀂐 Gravedad
􀂐 Fuerza electromagnéica
􀂐 Fuerza nuclear fuerte
􀂐 Fuerza nuclear débil

 También estarían bajo la forma de una singularidad:
􀂐 Energía
􀂐 Espacio
􀂐 Tiempo
􀂐 Vacío

5. Recreación del Universo primitivo
Como consecuencia del enfriamiento progresivo del
Universo debido a la continua expansión se produce:
 Aparición de las partículas elementales (quarks, leptones,
fotones, etc.).
 Aparición de las cuatro fuerzas que rigen su comportamiento (la
gravedad, la fuerza electromagnética, la fuerza nuclear fuerte y
la fuerza nuclear débil).

􀂐 1. Superfuerza
􀂐 2. Fuerza nuclear fuerte
􀂐 3. Fuerza nuclear débil
􀂐 4. Fuerza electromagnética
􀂐 5. Fuerza gravitatoria

1. Era de Planck.
Instante inicial. Hasta los 10-43 segundos. Difícil de describir.
2. Era de la gran unificación
De los 10-43 segundos a los 10-35 segundos. Se separa la fuerza de la gravedad.
3. Era de la inflación
De los 10-35 segundos a los 10-32 segundos. El Universo se expandió
bruscamente.
4. Era electrodébil o de los quarks
De los 10-32 segundos a los 10-12 segundos. Se separa la fuerza nuclear fuerte y
se mantienen unidas las dos restantes. Aparecen partículas elementales.
5. Era hadrónica
De los 10-12 segundos a los 10-3 segundos. Se separa la fuerza nuclear débil. Se
forman las partículas hadrónicas (protones más neutrones)
6. Era leptónica
Entre los 10-3 segundos y 1 segundo. Se forman los leptones (electrones y
neutrinos)
7. Era de la nucleosíntesis
Entre 1 segundo y 300.000 años. Protones y neutrones se asocian para formar
núcleos de hidrógeno. Luego formarán helio al colisionar.
8. Era de los átomos y de la radiación
Entre 300.000 y 106 años. Se forman átomos de hidrógeno, helio y litio.
9. Era de las galaxias
Entre 106 años y el presente. Se forman las galaxias a partir del hidrógeno, helio
ylitio. El Universo sigue en expansión.

¿Cuáles son las partículas elementales?

Dependiendo del tipo de interacciones que pueden tener, las partículas se
clasifican en dos grandes grupos: los quarks y los leptones. Un tercer grupo lo
forman laspartículas portadoras de fuerzas.

FUERZA PARTÍCULA MEDIADORA QUARKS LEPTONES

U Electrón
Electromagnética Fotón
Neutrino
D
Nuclear Fuerte Gluón electrón
Nuclear Débil W, Z S Muón
Gravedad (gravitón?) C Neutrino muón
B Tau
T Neutrino tau

Bariones y mesones

Existen otras partículas que se pueden construir a partir de las más
elementales que aparecen en la tabla anterior. Las partículas formadas por
combinación de las anteriores las llamamos Hadrones. Se ha visto que en la
naturaleza se dan partículas formadas por combinaciones de tres quarks
Bariones o por combinaciones de un par quark y anti-quark (anti-quark es la
antipartícula del quark) Mesones. Ejemplos:

MATERIA OSCURA

Se supone que todo lo que es visible del Universo
representa únicamente el 4%.

Sin embargo, las regiones no visibles tienen un
tipo de materia especial, la materia oscura.

Su presencia es detectable por medio de sus
efectos gravitacionales sobre las galaxias
cercanas


EL FUTURO DEL UNIVERSO

3 POSIBLES DESTINOS:

 Big Chill (Gran enfriamiento)

 Big Crunch (Gran contracción)

 Big Rip (Gran desgarramiento)

El Universo se organiza de la Nuestra posición en el Universo
siguiente manera es la siguiente:

Universo Universo

Materia oscura y
Materia oscura Supercúmulos Supercúmullo de
otros supercúmulos
Virgo

Cúmulos Grupo Local

Galaxias
Otras galaxias
Vía Lactea
Ej. Andrómeda

Estrellas Satélites Planetas
Planetas del Sistema Satélites de los
Sol
Solar planetas

TIERRA

GALAXIAS: Enormes acumulaciones de materia en forma de polvo
cósmico, nebulosas y estrellas, algunas de las cuales poseen
sistemas planetarios. Nuestra galaxia es la Vía Láctea.

CÚMULOS: Agrupaciones de galaxias. La Vía Láctea se encuentra
en el cúmulo llamado Grupo Local, que está a su vez formado por
otras galaxias como Andrómeda, Nube de Magallanes grande,
Nube de Magallanes Pequeña, Dragón, el Sistema de la Osa
Menor y otras.

SUPERCÚMULOS: Agrupaciones de cúmulos galácticos formados
a su vez de galaxias y nebulosas (nubes de gas y polvo),
intercalados por filamentos de materia oscura. Nos encontramos en
el Supercúmulo de Virgo.

GALAXIAS: Nuestra galaxia es la Vía Láctea.

La Vía Láctea es una galaxia
espiral que contiene nebulosas,
polvo cósmico y entre 10.000 y
30.000 millones de estrellas, en
uno de cuyos brazos se
encuentra el Sistema Solar,
formado por el Sol, la Tierra y
los demás planetas y sus
satélites.

Está formada por:
• bulbo o núcleo
• disco
• halo

7. Las estrellas: fraguas donde se
forman los elementos químicos

NEBULOSAS: Son nubes gaseosas de hidrógeno, helio y elementos
químicos pesados en forma de polvo cósmico y cierta cantidad de
compuestos orgánicos.

ESTRELLAS: Son enormes esferas gaseosas de hidrógeno y helio. Esos
gases están tan calientes que su interior actúan como una bomba
termonuclear emitiendo gran cantidad de energía radiante

La era de la inflación dividió la primitiva nebulosa en otras nebulosas
menores, dentro de las cuales se encuentran las galaxias, donde se
formaron y se siguen formando las estrellas.

Las elevadas temperaturas de las estrellas hace que se lleven a cabo
reacciones de fusión termonuclear y que se formen, a partir del hidrógeno y
del helio, los demás elementos químicos.

LA HISTORIA DE UNA ESTRELLA DEPENDE DE SU MASA...
Estos son los pasos que sigue una estrella como el Sol desde su
nacimiento hasta su desaparición:

1. PROTOESTRELLAS

2. GIGANTE ROJA

3. NEBULOSA PLANETARIA

4. ENANA BLANCA
5. ENANA NEGRA

“ENANA MARRÓN”


1. PROTOESTRELLAS

Aparecen a partir de la
nebulosa inicial que se
fragmenta. Cada uno de
estos fragmentos empieza
a girar sobre sí misma, se
compacta y aumenta su
densidad. Esto favorece
las colisiones entre el
hidrógeno y empieza a
emitir radiación.


2. GIGANTE ROJA

Con el tiempo casi todo el
hidrógeno se convierte en
helio y las reacciones de
fusión se desplazan a la
periferia, donde todavía existe
hidrógeno.
Con la desaparición del
hidrógeno se pierde masa y la
estrella aumenta de tamaño
convirtiéndose en una gigante
roja.


3. NEBULOSA PLANETARIA

El helio se compacta en el
núcleo de la estrella y se
alcanza la temperatura crítica
para poder formar carbono.

He + He = C + energía

Sus capas externas se
desprenden formando un anillo
de humo estelar conocido como
nebulosa planetaria.


4. ENANA BLANCA
El núcleo de la antigua
gigante roja se transforma en
una estrella denominada enana
blanca. El carbono se va
acumulando en el interior de la
enana blanca.

Cuando se agote el
helio se enfriará hasta apagarse
por completo.


5. ENANA NEGRA

Es la estrella oscura y fría
formada por el carbono
originado en las etapas
anteriores.

OTRO TIPOS DE ESTRELLAS DIFERENTES AL SOL SON:

LAS ESTRELLAS GIGANTES O AZULES
Son estrellas con una masa mucho mayor que la del Sol, por lo
que emiten una mayor cantidad de energía y una luz intensa y azulada.
Su evolución es la siguiente:

1. PROTOESTRELLAS

2. SUPERGIGANTE ROJA

3. SUPERNOVA

ESTRELLAS DIFERENTES AL SOL. ESTRELLAS AZULES.

1.PROTOESTRELLAS

Se forman de manera
parecida a las estrellas
similares al Sol, a partir de
una nebulosa que se
fragmenta.

En este caso la
protoestrella es más grande y
luminosa.


2. SUPERGIGANTE ROJA

Cuando la protoestrella
consume todo el hidrógeno se
hincha y se convierte en una
supergigante roja con
numerosas capas
concéntricas resultantes de
los distintos procesos de Núcleo de una estrella
fusión termonuclear. supergigante roja.


3. SUPERNOVA

La supergigante roja
se colapsa. El núcleo sufre
una implosión y más tarde la
estrella sufre una tremenda
explosión liberando enormes
cantidades de energía. A esta
fase se le llama supernova.
En este momento es
cuando se sintetizan los
elementos químicos más Los elementos llegarán a formar a los
pesado como el hierro. planetas y a nosotros. “Somos polvo
de
estrellas”

8. Formación del Sistema Solar
1. Explosión de una supernova situada en uno
de los extremos de la Vía Láctea.
2. Compactación de la primitiva nebulosa de
gas, enriquecida con el polvo cósmico de la
nebulosa.
3. Contracción hasta formar una enorme bola
de gas. Comienzo de las reacciones
nucleares. Aparición del Sol.
4. Aparición de discos formados por partículas
de polvo cósmico. Aparición de
planetesimales.
5. Acreción de planetesimales. Planetas cada
vez mayores. Satélites.

Nuestro Sistema Solar está formado por nuestra estrella, el
Sol, que se encuentra en el centro y sus ocho planetas (con sus
correspondientes satélites), los planetas enanos y los cuerpos
pequeños (asteroides, meteoritos, cometas...). Giran a su
alrededor atraídos por la fuerza de la gravedad que actúa como un
gigantesco imán.

PLANETAS:

􀂐 Astros que orbitan alrededor del Sol.
􀂐 Masa suficiente para que su gravedad les
haga tener forma casi redonda.
􀂐 No emiten radiación como las estrellas.
􀂐 La mayoría posee uno o varios satélites o
lunas que orbitan a su alrededor.

Pueden ser:

• Planetas interiores o rocosos.
– Mercurio, Venus, Tierra y Marte.
• Planetas exteriores o gaseosos.
– Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno.

PLANETAS ENANOS:

􀂐 Cuerpos celestes que orbitan alrededor
del Sol.
􀂐 Masa suficiente para que su gravedad les
haga tener forma casi redonda.
􀂐 Tienen otros cuerpos en sus órbitas.
􀂐 Órbitas muy elípticas e inclinadas.

Ejemplos:
• Plutón.
• Ceres (localizado en el cinturón
principal de asteroides).
• Eris(descubiero recientemente).

CUERPOS PEQUEÑOS DEL
SISTEMA SOLAR

􀂐 SATÉLITES: Qué orbitan alrededor de los planetas.

􀂐 COMETAS Y ASTEROIDES: Que orbitan alrededor del Sol y se
localizan principalmente en tres lugares:

• Cinturón principal de asteroides.
Entre las órbitas de Marte y Júpiter.

• Cinturón de Kuiper. Situado más
allá de las órbitas de Neptuno y
Plutón.

• Nube de Oort. Situada en la
periferia del sistema Solar.

9. La exploración del Sistema Solar

 TELESCOPIOS, RADIOTELESCOPIOS
 Telescopio espacial Hubble
 VIAJES ESPACIALES
 Sputnik 1, Apolo 11
 SONDAS ESPACIALES
 Voyager 1y2
 ESTACIONES ESPACIALES
 Estación Espacial Internacional
 SATÉLIES ARTIFICIALES
 Meteosat, COBE

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