Tema 1. Nuestro lugar en el Universo

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  • 1. TEMA 1: NUESTRO LUGAR EN EL UNIVERSO
  • 2. 1. BREVE HISTORIA DEL UNIVERSO Los primeros científicos griegos ( filósofos), basándose en las observaciones de los cielos nocturnos, desarrollaron diversas teorías sobre el universo y la ordenación de los astros y planetas conocidos hasta ese momento. La teoría más aceptada fue el SISTEMA GEOCÉNTRICO DE PTOLOMEO (perduró con ligeras modificaciones hasta el siglo XVI): 1. El universo se dividía en 8 esferas cocéntricas 2. La Tierra estaba en el centro del universo completamente inmóvil 3. Alrededor de ella en sus esferas respectivas, giraban el Sol, la Luna y las estrellas.
  • 3. 1. BREVE HISTORIA DEL UNIVERSO 4. Las estrellas giraban siempre en el mismo sentido y mantenían constantes las distancias entre ellas. Se encontraban fijas en una esfera alejada llamada BÓVEDA CELESTE. 5. La Bóveda Celeste se movía por acción de un ser divino. 6. Los planetas (significa en griego vagabundo) seguían 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 número de esferas y de giros precisos de cada nueva observación.
  • 4. 1. BREVE HISTORIA DEL UNIVERSO - En el siglo XVI, NICOLAU COPÉRNICO (1473-1543) desarrolla un nuevo modelo del universo llamado el SISTEMA HELIOCÉNTRICO: 1. El Sol está en el centro del universo completamente quieto, y la Tierra y los demás planetas giran a su alrededor. 2. La Tierra realiza dos movimientos, uno de rotación sobre ella misma y otro de traslación en torno al Sol.
  • 5. 1. BREVE HISTORIA DEL UNIVERSO 3. La Luna gira en torno a la Tierra 4. Las estrellas se encuentran fijas en una alejada esfera inmóvil Y, NO OBSTANTE, SE MUEVE! Probablemente, no fue casualidad que solo después de la muerte de Copérnico se publicara su obra De revolutionibus orbium coelestium (Sobre el movimiento de las esferas celestiales) , donde exponía el sistema heliocéntrico. Sin duda, conocía la resistencia que iba a encontrar y los problemas que le podían generar sus ideas. Casi un siglo más tarde, en 1633, Galileo Galilei debió soportar un largo y agotador juicio en que la Inquisición lo acusaba de defender el sistema copernicano. Cuenta la historia que cuando se puso en pié, después de jurar que la Tierra estaba quieta, dijo algo en voz baja. Según esta leyenda, sus palabras fueron Eppur se muove (E, non obstante se mueve)
  • 6. 1. BREVE HISTORIA DEL UNIVERSO - Con el paso del tiempo, nuevos descubrimientos científicos contribuyeron a pulir el nuevo modelo de universo: A. INMENSIDAD DEL UNIVERSO: la estructura del universo resultó ser más compleja que la prevista por Copérnico. El Sol no ocupa el centro del universo sino que es una más entre los 100000 millones de estrellas en nuestra galaxia, la Vía Láctea . En uno de los brazos de la Vía Láctea se encuentra el Sistema Solar, girando alrededor del eje de la galaxia a una velocidad de 760000 km/h, tardando 230 millones de años en completar una vuelta (año galáctico). Nuestra galaxia es una entre los miles de millones que forman el universo conocido ( Andrómeda es la galaxia más cercana a la nuestra y Próxima Centauri la estrella más cercana al Sol)
  • 7. 1. BREVE HISTORIA DEL UNIVERSO B. DESCUBRIMIENTO DEL TIEMPO PROFUNDO: hasta hace poco más de dos siglos se creía que la Tierra tenía unos 6000 años de antigüedad, que había sido creada como refugio de los seres humanos y que su edad coincidiría con el tiempo que lleva existiendo la especie humana. De los 4560 millones de años de historia de nuestro planeta, la mayoría transcurre sin presencia del hombre en ella.
  • 8. 1. BREVE HISTORIA DEL UNIVERSO C. EVOLUCIÓN BIOLÓGICA: hasta el siglo XIX, se consideraba que cada especie biológica había sido creada tal y como la conocíamos en la actualidad. Charles Darwing, mostró que las especies cambian a lo largo del tiempo, que están emparentadas unas con otras y que todas ellas, incluída la nuestra, tienen un origen común. 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
  • 9. 2. COMPOSICIÓN DEL UNIVERSO El universo es un enorme vacío en el que hay millones de cuerpos. Químicamente es muy simple, pues un 75% es hidrógeno, un 20% es helio, y un 5% el resto de los elementos . Algunos de los astros se pueden observar a simple vista, y otros sólo con telescopios: A. A SIMPLE VISTA VACÍO GALAXIAS (Elípticas, espirales o irregulares) ESTRELLAS PLANETAS NEBULOSAS
  • 10. 2. COMPOSICIÓN DEL UNIVERSO - ESTRELLAS: B. CON TELESCOPIO MATERIA OSCURA (constituye el 90% de la materia del universo y no emite radiación) * Energía se forma al transformarse hidrógeno en helio *Cuando se agota el hidrógeno, consume el helio, aumenta el tamaño y forma en gigante roja. *Agotado el helio, se encoge y forma una enana blanca. * Si la estrella es más masiva que el Sol consumirá el hidrógeno más rápido, será más luminosa y explotará, originando una Supernova
  • 11. 2. COMPOSICIÓN DEL UNIVERSO ¿COMO SABEMOS QUE EXISTE MATERIA OSCURA SI NO LA VEMOS? Procedimiento indirecto... Estas galaxias chocan debido a la atracción gravitatoria que hay entre ellas, y al hacerlo calientan el gas que hay entre ellas ( color rojo ). En cambio, la máxima densidad de la materia visible (puntos blancos) se encuentran en la zona de color azu l. Algo que no vemos está provocando el acercamiento entre galaxias. A esta materia invisible que interacciona gravitatoriamente se llama materia oscura
  • 12. 3. MOVIMIENTO DEL UNIVERSO - Todo en el universo está 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 Gravitación Universal dice que los cuerpos se atraen, tanto más cuanto mayor sea su masa y cuanto más próximos estén” GRAVEDAD SEGÚN NEWTON Newton justifica la órbita de un planeta a partir de un cañón situado en lo alto de una montaña que dispara bolas de forma horizontal. La montaña necesita ser muy alta para evitar la atmósfera terrestre e ignorar los efectos de fricción sobre la bola de cañón. Cañón de Newton
  • 13. 3. MOVIMIENTO DEL UNIVERSO - En el siglo XX, ALBERT EINSTEIN cambia radicalmente el significado que se tenía de la fuerza de la gravedad dada por Newton, para asegurar el cumplimiento de la Teoría de la Relatividad Especial que había elaborado años 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 atraído por un cuerpo, se saldría de su órbita a velocidades infinitas sin llegar a detenerse nunca. - Por ese motivo, en 1915 Einstein desarrolló la Teoría de la Relatividad General . Según ella, la gravedad no era una fuerza sinó una consecuencia de ña curvatura espacio- temporal (el espacio-tiempo está deformado por la distribución masa-energía que contiene)
  • 14. 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.
    • 15. De este modo, si un planeta deja de ser atraído por un cuerpo, se produciría una perturbación espacial (como una onda en el agua), que cuando alcanzase al planeta, le provocaría un cambio de órbita moviéndose a velocidades de la luz (confirmando la Relatividad Especial).
    • 16. Deforma el tiempo: el tiempo transcurre de forma distinta para observadores situados en campos gravitatorios distintos. Cuanto más intenso es el campo gravitatorio, más lento pasa el tiempo. (Para un buen funcionamiento de relojes de aviones y satélites se requiere hacer uso de las ecuaciones de Einstein, prueba de su veracidad)
    La deformación del espacio se ha comprobado experimentalmente a partir de eclipse (luz se desviaba de su trayectoria al pasar por el campo gravitatorio del astro)
  • 17. 3. MOVIMIENTO DEL UNIVERSO
      Einstein fue por tanto el padre de la Cosmología Moderna imaginando un universo DINÁMICO y en EXPANSIÓN (con principio y fin). Predijo además la existencia de AGUJEROS NEGROS, concentraciones de materia de altísima densidad, que curvaría infinitamente el espacio-tiempo. Su campo gravitatorio es tan fuerte, que la luz no lograría escaparse de ellos y el tiempo se pararía en su interior.
  • 18. 3. MOVIMIENTO DEL UNIVERSO (vídeo divulgativo)
      La Teoría de la Relatividad General se hacía inválida cuando la realidad se hacía muy pequeña. Todo, en esas dimensiones, se vuelve imprevisible, imposible de predecir. La Física lo estudia en la llamada Mecánica Cuántica (que considera el estudio de la interacción electromagnética, la fuerza nuclear fuerte y la débil). Einstein estaba totalmente convencido de que tanto el mundo macroscópico como el microscópico seguía pautas con certeza, por ello pasó sus últimos años de vida tratando de crear una teoría que englobara la totalidad del universo, la llamada TEORÍA DEL TODO (unifica las 4 fuerzas fundamentales) . Finalmente murió en 1955 sin llegar a ningún resultado. Actualmente, muchos científicos están haciendo experimentos para conseguir llegar a dicha teoría de la unificación, sin embargo todavía se está muy lejos de alcanzarla. La más aceptada es la TEORíA DE CUERDAS , que considera a las partículas estados de vibración de una cuerda o filamento.
  • 19. 4. ORIGEN Y EVOLUCIÓN DEL UNIVERSO - En 1929, el astrónomo americano Edwin Hubble observó que las galaxias se están alejando unas de otras. De ahí decidió que el universo se encontraba en expansión . En consecuencia, si rebobinásemos y retrocediésemos en el tiempo, las galaxias se irían aproximando unas con otras y acabarían convergiendo. - La teoría más aceptada sobre el origen del universo es la del Big-Bang o la gran explosión . Algunas de sus ideas básicas son:
  • 20. 4. ORIGEN Y EVOLUCIÓN DEL UNIVERSO FASES DEL BIG BANG: 1. Gran explosión: De acuerdo a este modelo, el universo inició hace unos 15.000 millones de años, como una vasta explosión que generó el espacio y el tiempo. A partir de entonces, la densidad y la temperatura fueron disminuyendo. 2. Expansión y enfriamiento: Emergen las fuerzas naturales, conocidas hoy en día: gravedad, interacción nuclear fuerte, fuerza nuclear débil y electromagnetismo. El universo está compuesto de partículas elementales que incluye quarks, electrones, fotones y neutrinos. Los protones y los neutrones se comienzan a formar. 3. De los 10 2 a 10 13 segundos: formación de primeros núcleos El universo sigue expandiéndose. Se forman los primeros núcleos de hidrógeno y helio. Aún hoy, son los elementos más abundantes en el Universo.
  • 21. 4. ORIGEN Y EVOLUCIÓN DEL UNIVERSO 4. De los 10 13 en adelante: el universo se torna transparente
 El universo, que hasta entonces ha sido una inmensa nube de gas caliente en expansión, se enfría suficientemente como para que los electrones se puedan combinar con los núcleos de hidrógeno y helio. Se forman los primeros átomos. Se separa la materia de la energía. Esa organización permite que los fotones no se dispersen y sigan viajando indefinidamente. Estos mismos fotones son los que se encontraron como “ radiación de fondo ”, ahora en forma de microondas debido a que su longitud de onda va aumentando en la medida en la que el universo se va expandiendo . 5. 100 millones de años después: nacimiento de primeras estrellas 
 6. Mil millones de años después del Big Bang, la gravedad ejerció su influencia en el universo temprano. Amplificó las irregularidades en el gas en expansión. Algunas regiones de gas se tornaron muy densas, la concentración encendió estrellas. Eventualmente, los grupos de estrellas formaron las primeras galaxias.
  • 22. 4. ORIGEN Y EVOLUCIÓN DEL UNIVERSO 7. Cuasares Entre mil millones y tres mil millones de años después del Big Bang muchas galaxias se juntaron y formaron galaxias más grandes. En estos eventos de gran energía, a veces colapsaban estrellas en un centro común, tan denso que se formaba un hoyo negro. El gas que fluía hacia los hoyos negros se calentaba a tal punto que se encendía momentáneamente, generando lo que hoy se conoce como cuasar. 8. Supernovas 
 Unos seis mil millones de años después del Big Bang, en las galaxias nacían y morían estrellas. En su etapas últimas, las estrellas masivas explotaban como grandes supernovas y, al hacerlo, dispersaban en el espacio interestelar elementos comunes, tales como oxígeno, carbono, nitrógeno, calcio y hierro. En las explosiones de estrellas supermasivas, también se creaban y dispersaban elementos más pesados, como oro, plata, plomo y uranio. 9. El Sol
 Hace unos 5 mil millones de años, el Sol se formó en un brazo de la Vía Láctea. El amplio disco de gas y polvo que giraba alrededor de esta nueva estrella creó planetas y sus satélites, asterioides y cometas.
  • 23. 4. ORIGEN Y EVOLUCIÓN DEL UNIVERSO (vídeo divulgativo)
  • 24. 4. ORIGEN Y EVOLUCIÓN DEL UNIVERSO CONFIRMACIÓN DEL BIG BANG: 1. L a expansión del universo expresada en la Ley de Hubble Desde 1924 sabemos que nuestra galaxia, la Vía Láctea, no es la única galaxia al universo. Edwin Hubble , por primera vez, localizó otras galaxias y calculó su distancia a partir de la luz que recibimos. Observó que todas, excepto algunas próximas a la nuestra, mostraban una desviación hacia el rojo en su espectro . Una desviación hacia el rojo significa que el objeto que emite aquella luz se aleja de nosotros ; la desviación hacia el otro extremo del espectro, hacia el azul, significa que el objeto emisor se acerca. Hubble, después de observar y catalogar espectros de muchas galaxias publicó, en el 1929, sus conclusiones: a. Casi todas las galaxias se están separando de nosotros , b. La magnitud de su desviación hacia el rojo es directamente proporcional a la distancia que se encuentran, es decir, cuando más lejana es una galaxia, con más velocidad se separa de nosotros. El conocimiento de la relación entre velocidad y distancia, que hoy recibe el nombre de constante de Hubble , es lo que nos permite explicar con qué rapidez se expande el universo y es lo que nos permite calcular que hace unos 13.700 millones de años se produjo el Big Bang.
  • 25. 4. ORIGEN Y EVOLUCIÓN DEL UNIVERSO CONFIRMACIÓN DEL BIG BANG: 2. Las medidas detalladas de la radiación cósmica de fondo En 1965, los físicos Arno Penzias y Robert Wilson descubrieron lo que se ha llamado la prueba "tangible" del Big Bang . Probando un detector de microondas extremadamente sensible, quedaron sorprendidos y preocupados al observar que captaba mucho más ruido del que que era de esperar: captaba una radiación extraña que provenía por igual de todos los puntos del espacio . Diferentes pruebas demostraban que procedía de más allá del sistema solar, incluso, más allá de la galaxia. No fueron ellos sino un físico teórico, Jim Peebles, quién encontró la explicación: la radiación era un eco del Big Bang , era el último vestigio de la explosión inicial. George Gamow, Peebles y otros teóricos ya habían predicho que se habría de observar, procediendo de todas partes del universo, un luminoso testimonio del Big Bang y que esta luz, debido a la expansión del universo, se presentaría en forma de microondas. 3. La abundancia de elementos ligeros como el helio. Concuerdan las medidas realizadas de la abundancia de elementos ligeros como el hidrógeno
  • 26. 4. ORIGEN Y EVOLUCIÓN DEL UNIVERSO EVOLUCIÓN DEL UNIVERSO: 1. BIG CRUNCH: 2. BIG RIP: