Universo - Resumen.

El origen y la evolución del universo 1.1 El universo El universo o cosmos es el conjunto de toda la materia y energía existente y el espacio en el que se encuentran. La parte que podemos observar o deducir de él se denomina universo observable. La Cosmología es la ciencia que estudia el universo. El nacimiento de la cosmología moderna puede situarse hacia el año 1700 con la propuesta de que la Vía Láctea es un sistema de estrellas, una de las cuales es el Sol, y de que existen otros sistemas similares. Antigüedad del universo Se ha calculado que el universo tiene una antigüedad de 13 700 millones de años. Para que nos hiciéramos una idea, Carl Sagan propuso la siguiente comparación: si los 13 700 millones de años transcurrieran en un solo año, la antigüedad de los acontecimientos más importantes de la historia sería la siguiente: ◆ El descubrimiento de América (hace unos 500 años) habría ocurrido hace solo 1 s. ◆ El nacimiento de Jesucristo (hace unos 2 000 años) se habría producido hace solo 4 s. ◆ El principio del imperio egipcio de los faraones (hace unos 5 000 años) habría sucedido hace 10 s. ◆ La aparición de nuestra especie, el Homo sapiens (hace unos 300 000 años), se habría producido hace solo 10 min. Dimensiones del universo Para medir el universo se utiliza una unidad denominada año luz, que corresponde al espacio recorrido por la luz en un año. La velocidad de la luz es 300 000 km/s. A esta velocidad, en un año se recorre una gran cantidad de kilómetros: 300 000 km 3 60 s 3 60 min 3 24 h 3 365,25 días Para ir desde la Tierra al extremo del universo observable se deberían recorrer 46 500 millones de años luz. Dicho de otro modo, a la velocidad de la luz se tardarían 46 500 millones de años en llegar. Composición del universo Se considera que el universo está constituido por un 7 % de energía oscura, un 23 % de materia oscura y un % de átomos que componen la materia observable. ◆ La energía oscura es similar a la energía gravitatoria, pero de sentido contrario, ya que provoca la repulsión entre partículas. La existencia de la energía oscura se dedujo en 1998 al descubrirse que el universo se encontraba en expansión, en lugar frenarse por acción de la gravedad. ◆ La materia oscura no puede observarse debido a que no emite ni refleja suficiente radiación electromagnética y su composición se desconoce. Su existencia se ha deducido al saber que la masa de las galaxias era mucho mayor que la suma de la masa de todas sus estrellas. Se piensa que solo podemos observar de modo La velocidad de la luz La velocidad de la luz es muy alta. Si se consideran dos ciudades que equidisten unos 500 km, como Madrid y Barcelona, en un segundo la luz podría ir y volver, de una ciudad a otra, 300 veces. Composición del Universo 4 % Átomos 22 % Materia negra 74 % Energía negra El origen del universo y de la vida 1 7 Nebulosa. Vía Lactea. Galaxia. directo el % de la materia de una galaxia, ya que el 90 % restante es materia oscura. ◆ Los átomos que constituyen la materia observable son, básicamente, los átomos de hidrógeno (75 %) y los átomos de helio (25 %). El resto de los átomos (hierro, carbono, nitrógeno, cobre, oxígeno, etc.) se encuentra en un porcentaje mínimo. Estos últimos se originan en pequeñas cantidades al explotar las estrellas de gran masa y se esparcen por el espacio. Por efecto de la fuerza gravitacional, una parte de estos átomos puede condensarse formando un planeta, en el que los elementos más pesados ocupan el centro; los intermedios, el manto y la corteza; y los más ligeros, la atmósfera. Por eso se dice que los seres vivos somos polvo de estrellas. Se calcula que en el universo hay un átomo por metro cúbico de espacio vacío. Estructura del universo El universo está formado por nebulosas y galaxias. ◆ Las nebulosas son cúmulos de polvo cósmico de aspecto difuso. ◆ Las galaxias son cúmulos de estrellas y de polvo cósmico que se mueven juntas por el espacio. Nuestra galaxia, la Vía Láctea, esta constituida por unos 200 000 millones de estrellas situados en un espacio de unos 100 000 años luz de diámetro. Se considera que en el universo hay entre 10 000 y 100 000 millones de galaxias. Nuestro planeta es una simple mota de polvo en la inmensidad del universo. 1 El origen del universo y de la vida 8 Albert Einstein (1879-1955). 1.2 La teoría de la relatividad como inicio de la cosmología moderna La teoría de la relatividad se debe a Albert Einstein (1879-1955). Este científico se planteó averiguar por qué el universo se mantiene en equilibrio, pese al tiempo transcurrido, en vez de haberse producido la compactación de los astros debido a la fuerza de la gravedad. Einstein, sin realizar ningún experimento, llegó mediante cálculos matemáticos a unas conclusiones que, años más tarde, han sido confirmadas por las observaciones de los astrónomos. En el universo no se puede distinguir si un cuerpo está en reposo absoluto o moviéndose con una velocidad constante. Tampoco se puede distinguir entre un cuerpo en movimiento acelerado y otro que esté sometido a un campo gravitatorio. Esto significa que en el universo es lo mismo que una peonza gire o que sea el universo el que gire a su alrededor y la peonza esté quieta. Las principales consecuencias de esta teoría son: ◆ El tiempo absoluto no existe, ya que la duración de un suceso depende de la velocidad del sistema en el que se realiza. ◆ El espacio y el tiempo constituyen una misma realidad, denominada espacio-tiempo. Si la transmisión de la luz fuese instantá- nea, podríamos observar la realidad del momento, pero como tarda en llegar lo que percibimos no es lo que sucede ahora, sino lo que sucedió en el pasado. De esto se deduce un universo de cuatro dimensiones, siendo la cuarta el tiempo. ◆ La masa y la energía son dos aspectos de una misma realidad física y una se puede convertir en la otra según la fórmula: E = m · c2 Siendo E la energía, m la masa y c la velocidad de la luz (300 000 km/s). La masa de un cuerpo aumenta al aumentar su velocidad. A la velocidad de la luz, la masa de un cuerpo sería infinita. ◆ La luz está constituida por quanta de energía luminosa o fotones que no tienen apenas masa cuando están en reposo y que se propagan siguiendo un movimiento ondulatorio. Como estos aumentan su masa al desplazarse, los campos gravitatorios hacen que la luz no siga una trayectoria rectilínea, sino que se desvíe. Este hecho fue confirmado en 1919, aprovechando un eclipse de Sol, al comprobar que la posición aparente de una estrella era ligeramente diferente, debido a que su luz al pasar cerca del Sol se veía influida por su masa. La relatividad El nombre de relatividad hace referencia a la afirmación de que «todo movimiento es relativo», es decir, que solo se puede conocer el movimiento de un punto en relación a otro punto. Así pues, el movimiento absoluto no existe. Por ejemplo, en un tren que se desplaza sin vibraciones, los pasajeros tienen sensación de estar parados, a no ser que miren por las ventanas. El origen del universo y de la vida 1 9 El Telescopio Espacial Hubble, que fue puesto en orbita en el año 1990, representa uno de los proyectos más importantes par el estudio del espacio. 1.3 La teoría de la gran explosión (Big Bang) Según esta teoría, el universo se originó a partir de una gran explosión que proyectó toda la energía y la materia existentes. La elaboración de esta teoría la inició Einstein en 1917. Se partió de la hipótesis de que en el universo la distribución de la materia era uniforme (universo homogéneo e isótropo) y que no cambiaba de forma con el tiempo (universo en equilibrio). Para compensar el efecto de la gravedad, Einstein introdujo en su modelo una fuerza igual, pero de sentido contrario, a la que denominó constante cosmológica. En 1924, el matemático A. Friedmann demostró que este modelo de universo no era posible, ya que con el paso del tiempo debía hacerse más grande o más pequeño, por lo que la constante cosmológica era innecesaria. A. Einstein estuvo de acuerdo con esta corrección. En 1927, el astrónomo G. E. Lamaître expuso la teoría de que las galaxias provienen de la explosión de un núcleo inicial, llamado huevo cósmico o átomo primitivo. En 1929, el astrónomo E. Hubble, al analizar el espectro de la luz que nos llega de las galaxias, dedujo que todas ellas se alejan de nuestro planeta, es decir, que el universo está en expansión. Entre 1948 y 1952, el físico G. Gamow coincidió con la hipótesis de Lamaître sobre el origen de las galaxias (fue el que propuso el nombre de Big Bang), pero discrepaba en la idea de que los primeros átomos en formarse fueran los pesados. Según Gamow, el huevo cósmico estaba constituido por neutrones, que al descomponerse generaron protones y electrones, los cuales se aglutinaron y formaron átomos de hidrógeno y de helio, a partir los cuales se crearon los demás elementos. A la teoría del Big Bang se le hizo la crítica de que, si a partir de las galaxias más alejadas se calculaba el tiempo transcurrido, el resultado era de 2 000 millones de años, lo cual era absurdo, ya que solamente la Tierra tiene más de 4 000 millones de años. Según los cálculos realizados posteriormente, la gran explosión se produjo hace unos 13 700 millones de años. Si hinchamos un globo y nos fijamos en un punto cualquiera del mismo, podemos observar que todos los demás puntos se alejan respecto del punto considerado. De manera análoga, de la observación de que todas las galaxias se alejan respecto de la Tierra no se deduce que esta sea el centro del universo, pues esta misma sensación se tendría desde cualquier otro punto del espacio. Analogía de la expansión del universo 1 El origen del universo y de la vida 10 Vía Láctea. 1.4 Teoría del estado estacionario o de la creación continua Esta teoría fue presentada entre 1948 y 1950 por los astrónomos H. Bondi, T. Gold y F. Hoyle. Según esta hipótesis, el universo es uniforme en todo el espacio y no varía en el tiempo. Aunque el universo se expande, su densidad se mantiene constante gracias a que continuamente se está creando nueva materia. El debate entre los seguidores de la teoría del Big Bang y los seguidores de la teoría del estado estacionario se decantó hacia los primeros a partir de los siguientes descubrimientos: la distribución de las radiofuentes celestes, los cuásares, la radiación de fondo y la proporción de átomos de hidrógeno y helio. Las radiofuentes celestes Son galaxias o nebulosas que emiten ondas de radio. Se descubrieron al estudiarse algunos problemas de radiocomunicación. Para detectarlas se utilizan radiotelescopios: antenas de radio, generalmente parabólicas, de decenas de metros de diámetro. En 1955, el astrónomo M. Ryle publicó el primer catálogo de radiofuentes. En él se observa que las galaxias más próximas, por lo tanto las más jóvenes, emiten más radiaciones y que a partir de los 3 000 millones de años luz de distancia se reduce mucho el número de radiofuentes. Lo anterior indica que al principio y durante un periodo de tiempo no había radiofuentes. Esto no contradice la teoría del Big Bang, pero sí la teoría del estado estacionario. Los cuásares En 1960 se descubrieron radiofuentes que correspondían a puntos muy pequeños. Posteriomente, en 1963, el astrónomo M. Schmidt comprobó que eran galaxias que se encontraban a una distancia de entre 2 000 y 4 000 millones de años luz y que se alejaban a una velocidad enorme (casi un tercio de la velocidad de la luz). Según la teoría del Big Bang, se trataría de galaxias muy pequeñas y muy brillantes que se formaron solo durante el período anteriormente indicado y que, por lo tanto, constituyen un fenómeno transitorio. Este hecho también contradice la idea de un universo que no varía con el tiempo. La proporción de átomos de hidrógeno y helio La teoría del Big Bang afirma que, al producirse la gran explosión, la energía empezó a transformarse en materia. Al cabo de tres minutos aparecerían los átomos más sencillos (hidrógeno y helio). Según los cálculos realizados, a partir de ese momento, el universo debía de estar formado por un 75 % de hidrógeno y un 25 % de helio, aproximadamente. Estos resultados coinciden con las proporciones de hidrógeno y helio que hay en las galaxias, en las que los demás tipos átomos en conjunto no llegan al 1 %. La coincidencia de estas proporciones y su presencia en todas las galaxias indican un origen común y, por tanto, confirman la teoría del Big Bang. DOBLAR 3 El origen del universo y de la vida 1 11 La radiación de fondo Según la teoría del Big Bang, en el momento de la gran explosión la temperatura sería muy alta (unos 3 000 millones de grados); a continuación se produjo un enfriamiento que, en los límites del universo, debía de ser inferior a los seis grados Kelvin (6 ºK), es decir, a 267 grados Celsius bajo cero (-267 ºC). A esta temperatura, una radiación que emiten los cuerpos no luminosos es prácticamente indetectable. En 1965, los radioastrónomos A. Penzias y R. Wilson captaron una radiación muy débil, de 7,35 cm longitud de onda, que era idéntica en cualquier dirección del universo y a la que se denominó radiación de fondo. Tal y como afirma la hipótesis del Big Bang, esta radiación sería el eco de la gran explosión. Sin embargo, la teoría del estado estacionario no explica esta radiación. Proyecto Cobe Imagen de la radiación de fondo obtenida por el satélite Cobe, enviado al espacio en el año 1989. Es la imagen de la huella más antigua del universo, El proyecto Cobe (Cosmic Background Explorer) fue dirigido por J. Mather y el responsable de estudiar los espectros fue G. Smoot. Los primeros resultados se publicaron en 1992 y confirmaron la teoría del Big Bang. Ambos científicos obtuvieron el premio Nobel de Física de 2006. Los resultados del proyecto Cobe indican que el universo tiene una antigüedad de 13 700 millones de años y que las primeras galaxias se formaron hace 200 millones de años. Proyecto WMAP Imagen de la radiación de fondo obtenida por la sonda WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), lanzada el año 2001. Los puntos rojos indican más calor y los azules, más frío y se corresponden, respectivamente, con materia más y menos densa. documento 1 El origen del universo y de la vida 12 Stephen William Hawking (1942), físico, cosmólogo británico. La gran explosión y evolución del universo. 1.5 La cronología de la gran explosión Según la teoría del Big Bang, el inicio del universo se sitúa en el instante en el que la denominada singularidad inicial sufre la gran explosión. Actualmente solo se conoce lo que sucedió a partir de 10-43 segundos después de la gran explosión, pero no lo acontecido antes de ese momento. Para ello habría que saber cómo las cuatro fuerzas naturales estaban unidas en una sola. Estas cuatro fuerzas son: la gravedad, la interacción nuclear fuerte (fuerza que une las partículas del núcleo atómico), la fuerza electromagnética y la interacción nuclear débil (fuerza responsable de la radiactividad natural, como la de la desintegración de los neutrones). Actualmente, el principal investigador en este campo es S. Hawking. PRESENTE BIG BANG ERA D O MINA D A PO R LA M ATERIA ERA D O MINA D A PO R LA RA DIACIÓ N Formación del sistema solar Galaxias espirales Primeras supernovas 15 000 m. a 2,65 ºK 5 000 m. a 2 000 m. a 4 000 000 a. = 1013 segundos 102 segundos 10-6 segundos 10-12 segundos Aparición de los agujeros negros Formación de los átomos pesados Formación de las estrellas masivas Formación de las galaxias y de las estrellas Formación de los primeros átomos de hidrógeno y de helio Separación materia-radiación Aparición de la luz. El universo se vuelve transparente Dispersión de los fotones. Radiación de fondo Protones y neutrones originan los primeros núcleos de helio Materia y radiación continúan unidas. Universo oscuro Choque de protones y neutrones y producción de energía en abundancia Formación de protones y neutrones Separación de la fuerza electromagnética y de la fuerza de interacción nuclear débil Separación de la fuerza de interacción nuclear fuerte Formación de quarks y leptónes Separación de la fuerza gravitatoria Quark Leptón Electrón Protón Neutrón Fotón 3 000 ºK 1015 ºK 1025 ºK 1032 ºK El origen del universo y de la vida 1 13 Quarks y leptones Quarks y leptones son partículas atómicas elementales. Los quarks forman el núcleo ató- mico (neutrones y protones). Los leptones no forman el núcleo atómico. Un tipo de leptones son los electrones. Quarks (u, d, d) en un neutrón. Evolución del universo Después de 10-43 s Inicialmente, el universo tenía un diámetro de 10-28 cm (mil billones de veces más pequeño que un átomo de hidrógeno), una densidad casi infinita y una temperatura de 1032 ºK. Después de 10-32 s El universo alcanzó un diámetro entre 7 y 8 cm y la temperatura descendió a 1025 ºK. Después de 10-12 s La temperatura descendió a 1015 ºK. Después de 10-6 s El universo empezó a enfriarse y a dilatarse a una velocidad superior a la de la luz (inflación) aumentando su masa 1050 veces. Inicialmente las cuatro fuerzas naturales estaban unidas en una sola, pero en este corto período de tiempo la fuerza gravitatoria se separó de las otras tres fuerzas. La fuerza de interacción nuclear fuerte se separó y comenzaron a formarse las partículas elementales del átomo (quarks y leptones). La materia formada superó en una cantidad pequeñísima a la de antimateria (materia formada por núcleos atómicos negativos y envolturas ató- micas positivas). Si no hubiese ocurrido así, materia y antimateria se habrí- an anulado y ya no habría materia en el universo. El universo se hizo homogéneo y plano. Gran cantidad protones y neutrones chocó entre sí y se transformó en energía. Los protones y neutrones se unieron y formaron núcleos de helio (dos protones y dos neutrones). Los fotones continuaban unidos a las partículas y el universo era oscuro (opaco). Después de 1013 s Continuó el enfriamiento hasta unos 3 000 ºK. Después de 200 m. a. Continuó el enfriamiento. Actualmente, la temperatura media del universo es de 2,65 ºK. Los fotones perdieron energía y, como consecuencia, los electrones fueron retenidos por los núcleos atómicos, contituyéndose los primeros átomos de hidrógeno y de helio. Los fotones, al dejar de interactuar con los electrones, se dispersaron y recorrieron grandes distancias constituyendo la llamada radiación de fondo. 380 000 años después del Big Bang, los fotones, al separarse de la materia, originaron la luz y un universo transparente. Se formaron las primeras galaxias y 200 millones de años después, debido a reacciones internas de fusión del hidrógeno, aparecieron las primeras estrellas. 1.6 Teoría del universo pulsante ¿Continuará expandiéndose el universo en el futuro o llegará un momento en el que se contraerá? Para responder a esta cuestión se han propuesto dos posibles modelos: ◆ Universo abierto. A partir de la gran explosión, el universo continuaría expandiéndose indefinidamente. ◆ Universo cerrado. La fuerza de la gravedad frenaría la actual expansión del universo y provocará su contracción hasta llegar a formar un nuevo huevo cósmico que, de nuevo, volvería a estallar y daría lugar a un nuevo universo expansivo. Las sucesivas explosiones (big bang) y contracciones (big crunch), llamadas pulsaciones, se repetirían eternamente. El valor de la densidad del universo y el descubrimiento de la expansión de las galaxias a una velocidad superior a la prevista han sido los dos datos decisivos a la hora de elegir un modelo u otro. La materia constituida por átomos y la materia oscura representan, respectivamente, el 5 % y el 45 % de la densidad del universo. La materia oscura es la que no alcanza la densidad material mínima para formar átomos denominada densidad crítica. El 50 % restante de la densidad del universo corresponde a la energía oscura. La existencia de esta energía se dedujo al observar que las galaxias más lejanas se habían acelerado hace unos 4 000 millones de años, es decir, en sentido contrario a la fuerza de la gravedad. Este hecho ha llevado a pensar que el universo nunca se podrá contraer y, por tanto, la teoría del universo pulsante sería incorrecta. 1 El origen del universo y de la vida 14 Galaxia Andrómeda. 1.7 La forma del universo Se han propuestos tres modelos principales para explicar la forma del universo. La solución al problema sobre la forma del universo la han aportado los resultados del telescopio aerostático Boomerang, que en el año 2003 estuvo diez días sobrevolando la Antártida, explorando un peque- ño porcentaje del cielo con una resolución angular muy alta. A partir de sus observaciones se ha deducido que la densidad del universo coincide con la densidad crítica (10-29 g/cm3). Este dato confirma el modelo del universo plano que, debido a la energía oscura de repulsión, seguirá en expansión indefinidamente. Se dice que el universo es plano en el contexto de la geometría del espacio. Si se considera la geometría del espacio-tiempo con la presencia de la fuerza de la gravedad, el universo resultante es curvo, en el que la luz sigue una trayectoria curva. La ciencia no puede contestar a la pregunta sobre qué había antes de la singularidad inicial que explotó en el primer instante porque la ciencia, para poder actuar, necesita alguna cosa que medir, y nada puede hacer si es que antes no había ni materia ni energía. Al no haber una respuesta científica, se abre el campo de la reflexión filosófica. Para unos, como Einstein y Lamaître, resulta más convincente pensar en la existencia de un Creador. Para otros, como algunos defensores de las teorías del estado estacionario y del universo pulsante, resulta más convincente pensar que la materia y la energía siempre han existido. DOBLAR 1 El origen del universo y de la vida 1 15 Es el que resultaría si su densidad fuese superior a la crítica. Esto provocaría una fuerte gravedad que contraería el universo. Se corresponde con un universo cerrado y finito.c Es el que resultaría si su densidad fuese inferior a la crítica. En este caso, el universo continuaría expandiéndose y enfriándose hasta llegar a un estado sin energía (universo inflacionario). Se corresponde con un universo abierto. Es el que resultaría si su densidad fuese igual a la crítica. La fuerza de la gravedad sería igual a la de expansión. No se contraería y dispondría de la energía suficiente para seguir existiendo. Se corresponde con un universo cerrado y finito. Universo esférico Universo hiperbólico Universo plano 1 El origen del universo y de la vida 16 1.8 Formación y dinámica de la Tierra Formación del sistema solar y la Tierra El sistema solar se originó a partir de una nebulosa giratoria: 1. La gran nebulosa sufrió un proceso de contracción hasta adquirir la forma de disco. 2. Gran parte de la materia se fue condensando en el centro del disco y originó una estrella o protosol. 3. Alrededor de la estrella (Sol) se fueron condensando pequeñas masas materiales que formaron los distintos planetas que componen el sistema solar. Todos los planetas del sistema solar permanecieron alrededor del Sol girando en el mismo sentido que la nebulosa. Se calcula que la Tierra se formó hace unos 4 500 millones de años a partir de una masa incandescente. A medida que esta masa inicial se fue enfriando, la Tierra se estructuró en capas. Las capas que forman la Tierra, desde la más interna a la más externa, son: ◆ El núcleo (interno y externo). ◆ El manto (inferior y superior). ◆ La corteza. ◆ La atmósfera. ◆ La hidrosfera. Telescopio espacial Hubble orbitando sobre la Tierra. 1 2 3 El origen del universo y de la vida 1 17 Toería de la tectónica global o tectónica de placas Según la teoría de la tectónica global, la litosfera (formada por la corteza y la parte más externa del manto) está fragmentada en porciones denominadas placas tectónicas o litosféricas. Las corrientes de magma, que ascienden a la superficie desde el interior de la Tierra, generan las placas litosféricas, las fragmentan y las mueven sobre una parte del manto llamada astenosfera. El desplazamiento de las placas provoca que colisionen entre ellas y el hundimiento de unas bajo otras, para acabar fundiéndose en el interior del manto. En las placas litosféricas se distinguen tres tipos de márgenes: ◆ El margen constructivo es la parte por donde la placa crece gracias al material magmático que asciende de la astenosfera. ◆ El margen destructivo es la parte de la placa que, al colisionar con otra placa, se hunde en la astenosfera. ◆ El margen pasivo es la parte de la placa que, al desplazarse, roza con el margen pasivo de la placa contigua. El movimiento de las placas provoca los siguientes fenómenos: ◆ Las cordilleras se forman por la acumulación de materiales procedentes del magma o en las zonas de choque entre las placas. ◆ Los terremotos se producen por el desplazamiento brusco de unas placas respecto a otras. ◆ Los volcanes se originan al producirse grietas por las que sale a exterior el magma procedente de la astenosfera.

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