Tema 1 Nuestro lugar en el Universo
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I.E.S FEDERICO GARCIA LORCA CIENCIAS DEL UNIDAD 1 1. MUNDO DEPARTAMENTO DE CONTEMPORÁNEO BIOLOGÍA Y GEOLOGÍA 1º BACHILLERATO NUESTRO LUGAR EN EL UNIVERSO El Universo. Primeras concepciones sobre el Universo El Universo es todo aquello que podemos observar: espacio, materia y energía. Podemos decir que es toda la materia y energía existente más el espacio que hay entre ellas. Sobre si es cerrado o abierto, finito o infinito, los científicos no se ponen de acuerdo. Lo que sí sabemos es que es inmenso y que nuestros modernos medios de detección siguen encontrando materia y energía a más de 15.000 millones de años-luz. Recuerda que un año-luz es la distancia que recorre a luz en un año. Si sabemos que la luz se desplaza a 300.000 km/s, podemos calcular fácilmente los kilómetros que tiene un año-luz (9.460.000.000.000 km) Los astrónomos calculan actualmente que lo que vemos actualmente en el Universo sólo es aproximadamente un 10 % de la materia que lo compone. El resto se denomina materia oscura, no visible, pero que se pone de manifiesto indirectamente por los fectos gravitacionales que produce en las galaxias. Su naturaleza es aún un misterio También existe la energía oscura, tampoco visible que actúa como una fuerza repulsiva, contraria a la gravedad contribuyendo a acelerar la expansión del Universo y a que se vayan separando las acumulaciones materiales en el Universo La materia y energía no se distribuyen de manera dispersa por el Universo sino que se concentran en determinadas zonas del espacio llamadas galaxias. En las galaxias podemos encontrar cuerpos que emiten energía ( estrellas), cuerpos que giran alrededor de ellas ( planetas), satélites, asteroides, cometas…. En muchas galaxias hay nebulosas que son masas de polvo y gas interestelar y se consideran “cunas de estrellas”. Hay también materia oscura, es decir, materia que no se ve pero que se detecta por los efectos gravitatorios que tiene sobre otros objetos cercanos. Un tipo especial de materia oscura, son los agujeros negros que son núcleos de estrellas con una densidad casi infinita en los que la gravedad es tan alta que ni la luz puede escapar y atraen a cualquier objeto celeste que se ponga a su alcance. Galaxia Andrómeda Se cree que existen unas 80.000 millones de galaxias. La nuestra tiene forma de espiral y se llama Via Láctea. El Sol es uno de los más de 100.000 millones de estrellas que hay en nuestra galaxia. Entre las galaxias lo que existe es el vacío. Vía Láctea y situación del Sistema Solar Imagen de la Vía Láctea desde las cercaníass de un telescopio en Chile Las primeras concepciones históricas sobre el Universo tenían las limitaciones de lo deficientes métodos de observación. El primer modelo conocido fue dado por el sabio griego Ptolomeo en el siglo II. Se llamó modelo geocéntrico ya que consideraba a La Tierra el centro del Universo y el Sol, La Luna y los demás planetas giraban alrededor de ella. Las estrellas estarían fijas en una esfera que gira también alrededor de La Tierra. Representación del modelo geocéntrico de Ptolomeo El primer científico moderno en defender que la Tierra gira alrededor del Sol fue Nicolás Copérnico (1473-1543). Su modelo llamado modelo heliocéntrico indica que el Sol es el centro del Universo y que La Tierra y el resto de los planetas gIran alrededor de él a diferentes distancias. También demuestra que La Luna gira sobre La Tierra y que esta gira sobre sí misma. Según su modelo las estrellas no se mueven alrededor de La Tierra. 2. El actual modelo del Universo indica un Universo inmenso, compuesto por miles de millones de galaxias que se están separando unas de otras y en cada una de ellas hay miles de millones de estrellas, cada una con sus sistemas estelares ( estrellas simples, dobles o múltiples) en los que hay planetas y sus satélites, planetas enanos cometas y asteroides. El origen y muerte del Universo : las teorías del big bang y del bing crunch Hasta principios del siglo XX lo poco que se conocía del Universo sugería que el Universo existía desde siempre. Todo cambió en 1929 cuando Edwin Hubble logró medir la distancia a algunas galaxias cercanas. Sus datos demostraban que la mayoría de ellas se alejaban de nosotros y lo hacían a más velocidad cuanto más lejos se encontraban. Parece que una fuerza estaba dispersando las galaxias y haciendo que el Universo se esté expandiendo. Si admitimos que el Universo se hace cada vez más grande, frío y difuso, si retrocediéramos en el tiempo, lo veríamos cada vez más pequeño y caliente, hasta que toda la materia estuviera comprimida en un punto diminuto. Así surgió la idea del big bang o gran explosión. ReReReRe El big-bang y la formación de la materia No sabemos dónde estuvo este “germen” que explotó y lo que había antes. Muy probablemente no existía nada. Lo que sí sabemos es que debería tener una temperatura enorme generada en gran parte por las inmensas fuerzas gravitatorias. La energía era tan alta que se produjo la explosión. La más grande de todos los tiempos. Es el tiempo cero. Poco después de la gran explosión se formaron las partículas atómicas. Se admite que veinte minutos después del big bang se había formado casi toda la materia del Universo: un caldo de cultivo gaseoso de hidrógeno y helio, los dos elementos químicos más simples y constituyentes fundamentales de las estrellas. Unos cientos de millones de años después, en aquella masa de gas, se formaron acumulaciones que dieron lugar a las primeras galaxias. La materia se fue acumulando por atracción gravitatoria formándose esferas de gas cada vez más compactas y calientes. En algunas de ellas se alcanzó la temperatura suficiente para que se realizara la reacción de fusión nuclear que convierte el hidrógeno en helio, reacción responsable de la emisión energética de luz y calor de las estrellas. El Universo se hizo “luminoso”. Nació la luz que hace que podamos ver parte de nuestro Universo. El gran astrónomo Edwin Hubble demostró que el Universo está actualmente en expansión separándose las galaxias y los cúmulos unos de otras. Se admite que la energía que produce esta separación provienen en gran parte todavía del big-bang ¿ que pasará entonces cuando esta energía proveniente del big- bang desaparezca? . Los astrónomos piensan que entonces la expansión cesaría y empezaría a dominar la fuerza de la gravedad. A lo largo de muchos miles de millones de años las galaxias se irían acercando cada vez de manera más acelerada hasta que se formara otra vez “ el germen “ tremendamente denso y caliente que dio originó al big- bang. Es lo que se llama el “ big crunch” o gran implosión. El resultado final sería , cuando la materia no se pudiera comprimir más otro big-bang comenzando de nuevo el ciclo expansivo durante miles de millones de años ( Universo oscilante). Otras teorías admiten que la fuerza de la expansión sería tan fuerte como para evitar que ni siquiera la gravedad llegara a dominar y la expansión se iría ralentizando pero el Universo nunca a llegaría a contraerse ( Universo abierto en expansión ilimitada). En este caso el material del cosmos se dispersa y escasea el material para la formación de estrellas, la luz del Universo se debilita hasta apagarse y lo único que quedará es una larga eternidad fría. Es lo que se llama el “ Big Chill” o “ Gran Enfriamiento”. Recientes observaciones en supernovas lejanas han demostrado que la expansión se ha ido acelerando con el tiempo. Parece que actúa una fuerza invisible que impulsa la expansión del Universo. A esta nueva fuerza se le llama “ energía oscura” y, aunque su origen y naturaleza es un profundo misterio, las consecuencias están claras: el Universo está condenado a una expansión eterna y y a una muerte lenta y fría 3. La génesis de los elementos: polvo de estrellas A medida que el Universo se expandía, fue descendiendo su temperatura. La materia, inicialmente diseminada en todas las direcciones, fue concentrándose y condensándose formándose todos los cuerpos celestes. En las estrellas, a partir del hidrógeno y el helio, mediante procesos de reacciones de fusión, se formaron los distintos elementos químicos. Por sorprendente que nos resulte, en las estrellas no sólo se formaron los elementos que forman los planetas con sus atmósferas, satélites, etc, sino también los átomos que configuran nuestros cuerpo y el de toda la materia viva. A este hecho se refería el famoso divulgador científico Carl Sagan cuando aludía a que “somos polvo de estrellas”. Las estrellas más grandes son fundamentales en el enriquecimiento químico del Universo ya que cuando agotan el hidrógeno de su núcleo comienzan a fusionar helio para formar carbono y después carbono con helio para formar oxígeno . Recordemos que carbono, oxígeno e hidrógeno son los elementos químicos mayoritarios en los seres vivos. Se considera que alrededor del 10 % del peso de un ser humano corresponde a hidrógeno formado en el big bang. El resto lo constituyen elementos sintetizados en reacciones nucleares en el interior de alguna estrella. Formación de elementos químicos en las estrellas 4. Las estrellas. Evolución de una estrella Todo lo que nos rodea, incluyendo a los seres humanos, está formado por elementos químicos. Cada uno de estos elementos .como hemos visto se generó durante la vida o muerte de una estrella. En el interior de las estrellas, que son enormes masas de gases sobretodo de hidrógeno, sometidas a grandes presiones y temperaturas, se producen reacciones termonucleares de fusión de los átomos de hidrógeno que originan todos los elementos químicos de la tabla peródica. Una estrella nace por azar en una nebulosa cuando se juntan fragmentos de materia ( polvo y gas). Inmediatamente después la gravedad empieza a actuar haciendo que el “grumo” de materia se contraiga aumentando la presión y temperatura. Al aumentar la temperatura y presión los núcleos de les elementos formados chocan fácilmente unos con otros iniciándose la fusión nuclear que desprende grandes cantidades de energía. Esta energía contrarresta durante un tiempo la fuerza de la gravedad y una parte escapa fuera de la masa principal transmitiéndose en forma de ondas electromagnéticas por el espacio lo que hace que véalos o detectemos las estrellas. A lo largo de su ciclo vital, la estrella está luchando contra el colapso total a la que lleva la gravedad agotando poco a poco su combustible. Cuanto más masiva es una estrella más combustible debe quemar para contrarrestar la fuerza de la gravedad , brilla más y más corto es su periodo de vida. Nuestro Sol es una mediana amarilla y se calcula que lleva más de cinco mil millones de años pero es joven ya que se calcula que le queda combustible para unos diez mil millones de años más. En su momento más álgido de emisión de energía, la radiación y temperatura que irradiará acabará con la vida en la Tierra aunque faltan miles de millones de años para que ocurra esto. Nuestro Sol acabará seguramente como una enana blanca A medida que aumenta el tamaño de la estrella las capas externas se enfrían pasando el color del amarillo al rojo. Las estrellas se denominan ahora gigantes rojas. La evolución, en función del tamaño se muestra en el siguiente esquema Evolución de las estrellas En el caso de estrellas más masivas las capas externas más frías se contraen hacia el centro formado por Fe en cuestión de horas generandose enormes explosiones nucleares haciendo pedazos la estrella. Este proceso se llama una supernova. Durante una semana la supernova brilla tanto como el resto de las estrellas de su galaxia Las supernovas son bastante raras y ocurren pocas veces en una galaxia. De las supernovas se generan superdensas estrellas de neutrones que emiten energía pulsante ( púlsar) o los neutrones pueden colapsar totalmente por gravedad formándose agujeros negros. En toda esta evolución se generan los elementos químicos que forman la materia. Si se produce una supernova se produce una energía suficiente para que se fusionen los núcleos de mayor masa más pesados que el Fe, Estos elementos pesados se distribuyen en unas cúmulos de polvo cósmico de donde surgen nuevas estrellas y otros cuerpos celestes Ciclo de vida de nuestro Sol 5. El Sistema Solar, sus planetas y la teoría de los planetesimales De acuerdo con la Unión Astronómica Internacional (U.A.I.) los planetas que componen nuestros Sistema Solar son Mercurio, Venus, La Tierra, Marte, Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno. En 2006, la U.A.I. incluyó a Plutón en un grupo de planetas menores ( o asteroides grandes) descubiertos recientemente. Tiene las siguientes características básicas: El sol y los planetas giran en el mismo sentido ( en sentido contrario a las agujas del reloj) Los planetas recorren órbitas casi circulares y situadas en el mismo plano El movimiento de rotación de la mayoría de los planetas se produce en el mismo sentido del de traslación - - Los planetas cercanos al Sol ( Mercurio, Venus, La Tierra y Marte) son pequeños, rocosos y densos. Los externos, grandes predominantemente gaseosos y ligeros. Tienen numerosos satélites, algunos rocosos Todos presentan grandes impactos procedentes de asteroides ( meteoritos) Además de estos planetas hay numerosos cuerpos menores en nuestro Sistema Solar: planetas enanos y otros cuerpos: -planetas menores o enanos: son cuerpos celestes esféricos de menor tamaño que los planetas y que aún no han despejados sus regiones próximas de otros cuerpos. Hay cinco: Plutón, Ceres, Eris, Makemake y Haumea --Cuerpos pequeños: están hechos de hielo y rocas y algunos de metales. Hay de dos tipos: a) asteroides. La mayoría están localizados en un cinturón alrededor del Sol situado entre Marte y Júpiter ( Cinturón de Asteroides). Si un asteroide colisiona con nuestra atmósfera, se calienta. Se funde y se vaporiza. Si es lo suficientemente grande y llega hasta la superficie, lo llamamos meteorito b) cometas. También orbitan alrededor del Sol pero su órbita es muy excéntrica (a largada). Suelen tener una cola formada por partículas que se van desprendiendo de la masa principal. El Sistema Solar La teoría de los planetesimales se ha propuso para explicar la formación de nuestro Sistema Solar a mediados del Siglo xx. Explica que el Sistema Solar se formó hace unos 4500 millones de años a partir de del gas y polvo de una nebulosa situada en la Via Láctea. Se admiten los siguientes procesos: -una vez que la mayor parte de la materia de la nebulosa comenzó a concentrarse en la zona central del futuro sistema, la enorme fuerza gravitatoria comprimió y calentó esta zona central hasta que en su núcleo se iniciaron las reacciones nucleares que hacen que la estrellas emitan grandes cantidades de luz y calor. Fue el nacimiento del Sol. El resto de la nebulosa permaneció girando alrededor de la joven estrella formando un disco aplanado. .En este disco, los materiales más densos se dispusieron más cerca del centro y se fueron dividiendo en distintas acumulaciones que se dispusieron en órbitas diferentes alrededor del Sol. Estas acumulaciones o protoplanetas, llamadas planetesimales, comenzaron a colisionar entre sí. Millones de cuerpos rocosos caían sobre los fragmentos más grandes con mayor capacidad de atracción gravitatoria. El calor generado por las colisiones favoreció la fusión de los planetesimales y la formación de los cuerpos esféricos. En esta masa fundida ,los materiales más densos ( hierro y otros metales) se quedaron en el centro y los más ligeros en la corteza -los planetas que se formaron más cerca del Sol originaron los planetas interiores rocosos y los que se condensaron más lejos del Sol, con materiales ligeros, se convirtieron en los planetas exteriores gaseosos. -posteriormente, los planetas se enfriaron y crearon una atmósfera con los gases liberados, que sólo quedaron retenidos en los planetas con una gravedad importante. Mercurio no cuenta con una verdadera atmósfera. Los demás tienen atmósferas con diferente composición. Predomina el dióxido de carbono, hidrógeno, helio amoníaco y metano. Sólo la atmósfera terrestre tiene una importante cantidad de oxígeno, lo que es básico para la creación y el mantenimiento de la vida. 5 La investigación del Universo y los principales instrumentos de observación. La exploración espacial Probablemente, desde que existe, el ser humano ha levantado la vista hacia el cielo en busca de respuestas a sus preguntas. Nuestros antepasados buscaban en el cielo una explicación de las deidades que adoraban, al tiempo que buscaban una manera de orientarse. Son los grandes pensadores de la Grecia clásica los primeros que dejan constancia de sus exploraciones y sientan las bases de la astronomía y la astrología . El modelo geocéntrico defendido por la gran autoridad de Aristóteles y seguido posteriormente por la Iglesia católica, persiste hasta finales de la Edad Media. Después de los estudios de Copérnico y Galileo Galilei, quién a principios del Siglo XVII utilizó por primera vez un telescopio que le permitía ver con precisión los planetas del Sistema Solar y otras partes de la Vía Láctea, se extendió el modelo heliocéntrico, lo que le supuso un grave enfrentamiento con la Iglesia que seguía defendiendo el modelo geocéntrico. También en esta época, Johanes Kepler explicaba con sus famosas leyes ( leyes de Kepler) , mediante fórmulas matemáticas, las trayectorias de los planetas y sus velocidades. Para ésta época el conocimiento científico ya se había atrevido a desafiar, con libertad y espíritu crítico, las creencias dominantes. Se había iniciado la revolución científica. En el siglo XVIII destaca la labor de Isaac Newton, según muchos uno de los científicos más brillantes de la historia. A él se deben numerosos avances que facilitaron las exploración astronómica e inventó la Ley de la Gravitación Universal ( ley de la gravedad) fundamental para explicar todos los procesos en el Universo. Durante los siglos XVIII y XIX se avanza rápidamente en la construcción de telescopios y se exploran distintas partes de nuestra galaxia y de otras próximas. Actualmente el espacio se observa con grandes telescopios ópticos, situados en altas montañas donde la atmósfera está más limpia y hay menos contaminación lumínica y radiotelescopios que reciben ondas de radio y otras radiaciones procedentes de todos los confines del Universo en donde no es posible la observación directa. Sin embargo, el gran paso en la observación espacial se realizó cuando en 1990 se lanzó el telescopio espacial Hubble. Es un gran telescopio situado en un satélite que orbita a casi 600 km. sobre La Tierra. La ausencia de atmósfera permitió observar miles de galaxias y nebulosas donde nacen , explotan y mueren continuamente las estrellas. telescopio radiotelescopio telescopio espacial Hubble ( lanzado en 1990) También en los últimos años se lanzó la Estación Espacial Internacional ( I.S.S.), un gran laboratorio orbital en donde científicos de todo el mundo realizan experimentos en ausencia de gravedad. El “ Sputnik” el primer satélite espacial En Octubre del año 1957 los soviéticos lanzaron al espacio una bola de algo más de 80 kilos con 4 antenas en una nave llamada Sputnik. Fue el primer lanzamiento espacial y el primer satélite espacial. Aquel lanzamiento inició una auténtica “carrera” entre los Estados Unidos y la antigua Unión Soviética para conquistar el espacio. El primer ser vivo que se lanzó al espacio fue un perro ( la perra Laika) lanzada por los soviéticos, que murió a los pocos minutos del lanzamiento. En 1961 salió el primer hombre al espacio ( el soviético Yuri Gagarin). La carrera espacial culminó en 1969 con la llegada del hombre a la Luna y el paseo lunar de los americanos Armstrong y Aldrin. A partir de entonces, se han lanzado sondas espaciales que exploran los confines de nuestro sistema solar y varias naves no tripuladas que exploran en la actualidad la superficie de Marte Laika, primer ser vivo en el espacio En estas últimas décadas, la presencia del hombre en el espacio ha sido constante y en la actualidad existen más de 8000 satélites artificiales orbitando de los que sólo funcionan 550. El resto es chatarra espacial. La acción de estos satélites es muy variada: militares, meteorológicos o de comunicaciones. Estos satélites permiten la cobertura telefónica inalámbrica en todo el mundo o situarse con increíble precisión gracias a la red de satélites GPS. El gran reto de la exploración espacial actual es poner un astronauta en Marte, misión difícil pero que se prevé realizar en las próximas décadas. El esfuerzo económico y científico de esta exploración es enorme y muchas personas creen que, habiendo hambre y subdesarrollo en La Tierra, es un despilfarro. Sin embargo, el avance científico y tecnológico que han supuesto estas misiones espaciales han dejado un rastro de valiosísimos conocimientos, desde nuevos materiales y tecnologías hasta nuevos formas de propulsión que han revolucionado nuestra forma de vivir y preparan el camino para que nuestra especie pueda conquistar y asentarse en otros cuerpos celestes cuando nuestro viejo planeta no pueda albergar tanta población o la vida en él se haga muy difícil.
