1. EL UNIVERSO

II. Formación del Sistema Solar. Big Bang.

1. Características del Sistema Solar

• El Sol y los planetas giran en el mismo sentido (antihorario)

• Las órbitas de los planetas son elípticas (poco excéntricas)

• Todas las órbitas se sitúan en el mismo plano, la eclíptica (coincide con el plano ecuatorial del Sol)

• Los planetas interiores son pequeños y densos y los exteriores grandes y ligeros.

• Todos los cuerpos celestes rocosos tienen cráteres de impacto.

¿Por qué presenta estas características?

A consecuencia del proceso que lo originó.

TEORÍA PLANETESIMAL.-

Teoría aceptada en la actualidad sobre el origen y formación del Sistema Solar.

- Nebulosa inicial (hace 4600 ma) que empieza a contraerse.

- Colapso gravitatorio que formó una gran masa central y un disco que giraba en torno a ella.

- Formación del protosol a consecuencia de la colisión de las partículas de la masa central. Gran liberación de calor que

hace posible que comience la fusión nuclear del H.

- Formación de planetesimales por agrupación de las partículas de polvo y gas que giraban alrededor del protosol.

- Formación de protoplanetas por colisión de los planetesimales.

- Barrido de la órbita. La acreción de planetesimales hace que las órbitas queden libres.

A consecuencia del constante movimiento de giro de la nebulosa los materiales más densos se localizan cerca del Sol, originando los planetas interiores, y, los materiales más ligeros se localizan más alejados del Sol, formando los planetas exteriores.

2. Formación de la Tierra.• Proceso simultáneo a la formación de todo el Sistema Solar.

• Formación del protoplaneta Tierra. Los planetesimales más densos estarían hacia el interior. A consecuencia de los impactos aumentó la temperatura.

• Diferenciación por densidades. Se supone que el protoplaneta Tierra estaba parcialmente fundido, por lo que los materiales más densos se dirigieron al centro (“catástrofe del hierro”) formando el núcleo. Los gases se alejaron hacia la periferia (desgasificación).

• Enfriamiento de la superficie y formación de los océanos. Al ir “barriendo” su órbita, los choques de planetesimales disminuyeron y, la Tierra, se fue enfriando. El vapor se condensó y formó grandes masas de agua que ocuparon las zonas más bajas del relieve.

Calentamiento inicial

Enfriamiento.

Calentamiento inicial

Enfriamiento

Diferenciación por densidades

3. El origen de la Luna.

Existen tres hipótesis:- La Luna se formó al mismo tiempo que

la Tierra. No es posible: su edad es inferior a la de la Tierra y su densidad media también.

- Luna y Tierra se forman a la vez, pero la Luna se origina en una zona más alejada y, posteriormente, fue captada por el campo gravitatorio terrestre.

- Se produjo un choque entre la Tierra y otro planeta. Parte del planeta que chocó originó una nube de materiales que quedó orbitando alrededor de la Tierra. Esta hipótesis es la más aceptada: la densidad es menor porque contendría sólo materiales superficiales, y su edad también es menor porque se formó después que la Tierra.

Tierra

Otro planeta

4. Las galaxias

• Existen unos 80x109 de galaxias agrupadas en cúmulos.

• La Vía Láctea forma parte del Grupo Local.

• En la Vía Láctea hay unos 100.000 millones de estrellas.

• Las galaxias contienen:– Estrellas– Nebulosas: nubes de polvo y gas, es el lugar

donde nacen las estrellas.– Materia oscura: se desconoce su naturaleza.

Se piensa que se formaron en los primeros momentos de vida de nuestro universo, unos 1.000 millones después del Big Bang, en aquel entonces existían regiones cuya densidad era mayor que la media, eran como pozos gravitacionales donde se acumuló la materia, con el tiempo estas regiones fueron evolucionando hasta formar las enormes estructuras que ahora vemos como galaxias.

Cada galaxia

Cúmulos estelares

Nebulosas de varios tipos

Contiene billones o trillones de

Formando parte de

ConPlanetas y Satélites

AsteroidesCometas

Estrellas de varios tipos

5. El Big Bang

• Actualmente, el modelo de universo más comúnmente aceptado es el propuesto por Albert Einstein en su Relatividad General, en la que propone un universo "finito pero ilimitado", es decir, que a pesar de tener un volumen medible no tiene límites, de forma análoga a la superficie de una esfera, que es medible pero ilimitada.

• Einstein establece la equivalencia entre la masa y la energía:E = m x c2 C= velocidad de la luz

La teoría de Einstein une los conceptos espacio y tiempo en un único espacio-tiempo dinámico.

• El evento que se cree que dio inicio al universo se denomina Big Bang. En aquel instante, toda la materia y la energía del universo observable estaba concentrada en un punto de densidad infinita. A partir de entonces el universo se expandió y se convirtió en estable, más frío y menos denso. Las variaciones menores en la distribución de la masa dieron como resultado la segregación fractal en porciones, que se encuentran en el universo actual como cúmulos de galaxias.

• Inicio del Universo, hace unos 15x109 años.

• Toda la energía concentrada en un punto.

• Tras la “explosión” se forman partículas subatómicas.

• Su interacción forma núcleos atómicos y más tarde, átomos de Hidrógeno y Helio.

El modelo del Big Bang deduce, a partir del actual ritmo de expansión, que en el instante t=0, hace unos 13700 millones de años, toda la materia del Universo, las cuatro fuerzas que actúan sobre ella (gravedad, fuerza electromagnética, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil), la energía, el espacio, el tiempo y el vacío, es decir, los componentes fundamentales de todo cuanto conocemos se encontraban en un punto inmaterial infinitamente denso y caliente, de radio nulo, en unas condiciones tan extremas que las leyes de la física actual tienen grandes dificultades para describir.

En medio de la nada más absoluta se produjo una “explosión”, el Big Bang, que generó una minúscula mota de luz radiante infinitamente caliente y, en ese mismo instante, en su interior nació el espacio y el tiempo, formándose el Universo.

La energía de la radiación era tan intensa que, espontáneamente, se convertía en partículas minúsculas de materia llamadas quarks y leptones. Conforme el espacio y el tiempo se expandieron, esta especie de sopa caliente de materia primordial se enfrió gradualmente y generó inmensas nubes de H y He, a partir de las cuales se formaron las galaxias.

Además, apareció un tipo de materia, de naturaleza no del todo conocida, llamada materia oscura.

t1=1s La tª sigue disminuyendo, se unen protones y neutrones y forman núcleos desnudos de H, He y Li.

t2= 300.000 añosA una tª de 2700 ºC se asocian núcleos y electrones formando los primeros átomos de H, He y Li. Se produjo una nueva liberación de fotones, el Universo se hizo transparente y la luz pudo atravesarlo.

t3= 106 añosSe origina una nebulosa primigenia

a partir de la cual se formarán las galaxias.

EL UNIVERSO: DESDE 0 A UN MILLÓN DE AÑOS.

t=0 FEM+FG+FND+FNF+energía = unido y concentradoBig Bang:

1 separación de la FG2 separación de la FNF. Se desprende gran cantidad de energía y el Universo se expande 1050 veces. Expansión desigual, regiones de diferente tª y densidad.3 la energía se empieza a materializar en materia y antimateria, quarks y antiquarks que, al colisionar, volvían a convertirse en energía (fotones). Por cada 109 antiquarks que aparecían, se originaban 109 quarks+1. Comienza a disminuir la tª y deja de materializarse la energía, desaparecen todos los antiquarks quedando 1 quark por cada 109 formados.4 a menor tª se forman partículas de menos masa, leptones-antileptones, que se van aniquilando conforme sigue bajando la tª y toda la antimateria desaparece.

HECHOS QUE APOYAN EL BIG BANG:

1. Efecto Doppler

Es el aparente cambio de frecuencia de una onda producido por el movimiento relativo de la fuente respecto a su observador. El tono de un sonido emitido por una fuente que se aproxima al observador es más agudo que si la fuente se aleja. Hippolyte Fizeau descubrió independientemente el mismo fenómeno en el caso de ondas electromagnéticas en 1848. En el caso del espectro visible de la radiación electromagnética, si el objeto se aleja, su luz se desplaza a longitudes de onda más largas, desplazándose hacia el rojo. En 1929, el astrónomo Edwind Hubble, gracias a un gran telescopio, detectó el desplazamiento hacia el rojo en los espectros de luz emitidos por las galaxias, lo cual fue interpretado como alejamiento de las galaxias El fenómeno de desplazamiento hacia el rojo de las líneas espectrales señala un hecho de gran importancia, pues implica que el Universo se expande.

2. Radiación cósmica de fondo

Es una emisión de microondas que se recibe exactamente con la misma intensidad en cualquier dirección del espacio, por lo que no proviene de ningún objeto en particular. Se relaciona con lo que queda de la explosión del Big-Bang

La sonda WMAP lanzada por la NASA en 2001 midió la radiación cósmica de fondo, cartografió el Universo y encontró un conjunto de manchas que indicaban irregularidades de distribución de la temperatura y densidad primigenias. También ha revelado que el Universo esta acelerando su expansión a causa de la existencia de una misteriosa energía oscura, de naturaleza desconocida, que representa el 74% de la materia-energía. Esta energía oscura actúa como fuerza repulsiva en contra de la gravedad.

3. La abundancia de H, He y otros elementos ligeros

Antes de la formación de las primeras estrellas, la composición química del universo consistía primariamente en hidrógeno (75% de la masa total), con una suma menor de helio-4 (4He) (24% de la masa total) y el resto de otros elementos. Una pequeña porción de estos elementos estaban en forma de deuterio (2H), helio-3 (3He) y litio (7Li).

La materia interestelar de las galaxias ha sido enriquecida sin cesar por elementos más pesados, generados por procesos de fusión en la estrellas, y diseminados como resultado de las explosiones de supernovas, los vientos estelares y la expulsión de la cubierta exterior de estrellas maduras.

Composición del Universo:

Teorías sobre la evolución del Universo

• Big Chill o el gran enfriamiento: un Universo abierto donde la materia-energía es insuficiente y no se alcanza la densidad crítica necesaria para que la fuerza de la gravedad frene la expansión. El espacio se expandirá indefinidamente, aunque a un ritmo lento, frenado por la gravedad: todo el contenido del Universo estaría condenado a una muerte lenta y fría en medio de la oscuridad más absoluta.

• Big Crunch o la gran contracción: un Universo cerrado donde la cantidad de materia-energía resulta suficiente para superar la densidad crítica y genere una atracción gravitatoria tan fuerte que frene la expansión y de comienzo al proceso inverso, la gran contracción, hasta alcanzar el punto inicial. Otra posibilidad sería el Universo pulsante sometido a infinitos ciclos de expansión-compresión.

• Big Rip o el gran desgarramiento: un Universo próximo a la densidad crítica, pero donde la fuerza repulsiva de una enloquecida energía oscura superaría a la fuerza de gravedad. Esto provocaría una expansión tan acelerada que en un instante determinado el Universo volaría en pedazos y se produciría el desgarramiento de todo cuanto conocemos: las galaxias y toda la materia se evaporarían y el tiempo se detendría.