Exploración del Universo: Desde el Big Bang hasta la Actualidad

Evolución del Universo: Teorías y Descubrimientos Clave

Primeras Concepciones del Universo

• Aristóteles defendía que la Tierra era el centro del universo.
• Ptolomeo utilizó las teorías de Aristóteles como base de su modelo geocéntrico, que se mantuvo vigente durante 1400 años.

Revolución Copernicana y Avances Científicos

• Copérnico (siglo XVI) propuso que el Sol era el centro del universo (modelo heliocéntrico).
• Galileo (siglos XVI-XVII) construyó el primer telescopio y descubrió las cuatro lunas de Júpiter. Se enfrentó a la Iglesia, que en 1992 admitió su teoría.
• Newton (siglo XVII) formuló la teoría de la gravitación universal: F = (G * m1 * m2) / d².
• Einstein (siglo XX) elaboró la teoría de la relatividad: E = mc².
• Hubble (siglo XX) demostró la expansión del universo.
• Gamow propuso el modelo del Big Bang.
• Hawking estudió la naturaleza de los agujeros negros.

Origen y Evolución del Universo

El universo es dinámico y finito. Se creó en una explosión, el Big Bang, a partir de un punto inmaterial hace aproximadamente 13.700 millones de años. Desde entonces, está en expansión impulsado por la energía oscura.

Etapas de la Historia Cósmica

1. Era de Planck: Empezó con la explosión original. La materia estaba en forma de energía. Las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza estaban unificadas en una «súper fuerza».
2. Era de la Gran Unificación: La fuerza gravitacional se separa de las otras tres.
3. Era de la Inflación: El universo se expandió bruscamente, pasando del tamaño de una canica al tamaño actual. La energía procedía de la fuerza nuclear fuerte y de las otras dos.
4. Era de los Quarks: Se materializó la enorme cantidad de energía según la ecuación de Einstein.
5. Era Hadrónica: Se separa la fuerza nuclear débil de la fuerza electromagnética. La fuerza nuclear fuerte une los quarks para formar protones y neutrones.
6. Era Leptónica: Se formaron los electrones (leptones).
7. Era de la Nucleosíntesis: Desde 1 segundo hasta 300.000 años. Protones y neutrones forman núcleos de hidrógeno. Estos colisionan y forman núcleos de helio y algunos de litio.
8. Era de los Átomos y la Radiación: Desde 300.000 años hasta 1 millón de años. Actúa la fuerza electromagnética y da lugar a átomos de hidrógeno, helio y algo de litio. El universo se hizo transparente y la luz escapó a través de la materia formada por átomos.
9. Era de las Galaxias: Desde 1 millón de años hasta el presente. Se forman las galaxias a partir de nebulosas con átomos de hidrógeno, helio y litio.

Estructura del Universo

El universo tiene un aspecto esponjoso. Los filamentos de galaxias se enganchan en una especie de esqueleto de materia oscura.

• Galaxias: Unidades básicas del universo, formadas por estrellas y materia interestelar. Hay tres formas principales: elípticas, espirales y espirales barradas, e irregulares. Estas se agrupan en cúmulos, estos en supercúmulos y, por último, en filamentos.
• Nebulosas: Masas de gas (hidrógeno, helio) y polvo cósmico. Pueden ser oscuras o luminosas.
• Estrellas: Enormes esferas gaseosas de hidrógeno y helio que están tan calientes en su interior que se producen reacciones nucleares de fusión, las cuales emiten gran cantidad de energía. Nacen en el seno de las nebulosas.

La sonda WMAP reveló que el 74% del universo es energía oscura (que actúa como fuente repulsiva en contra de la fuerza de la gravedad), el 22% es materia oscura (no emite ni absorbe luz) y el 4% es materia ordinaria.

Posibles Futuros del Universo

• Big Rip: La fuerza repulsiva de la energía oscura superaría a la energía de la gravedad, produciendo una expansión acelerada del universo.
• Big Chill: La fuerza de la gravedad no frena la expansión, que continuará indefinidamente a un ritmo lento.
• Big Crunch: La gravedad es tan fuerte que frena la expansión y el universo se contrae hasta el punto inicial.
• Universo Pulsante: Hay infinitos puntos de compresión.

Formación y Evolución de las Estrellas

Intervienen dos fuerzas opuestas: la gravedad y el choque de partículas. La vida de una estrella finaliza en una explosión llamada supernova o en una nebulosa planetaria. Dependiendo de la masa inicial de la estrella, al final lo que sobra se colapsa y puede originar una estrella enana blanca, una estrella de neutrones o un agujero negro.

Proceso para Estrellas Poco Masivas

1. Una nebulosa se derrumba por efecto de la gravedad y se forma una protoestrella.
2. Continúa el colapso gravitatorio. Aumenta la temperatura debido a los choques de átomos de hidrógeno y se produce la fusión nuclear.
3. El helio se va acumulando en el núcleo. Como la reacción emite gran cantidad de energía, la estrella explotaría si no fuera por la fuerza de la gravedad.
4. Conforme el hidrógeno disminuye, la componente gravitatoria aumenta y la estrella se convierte en una gigante roja.
5. El helio acumulado en el núcleo produce otra fusión nuclear.
6. La liberación de energía hace que la estrella se hinche y, como consecuencia, las capas externas se desprenden en forma de anillo.
7. El interior se transforma en una enana blanca que se enfría lentamente hasta que se apaga y forma una enana negra.

Proceso para Estrellas Bastante Masivas

1. Cuando la protoestrella tiene más masa, consume más hidrógeno, libera más energía y emite una luz azulada.
2. Cuando ha consumido todo el hidrógeno, se hincha y se convierte en una supergigante roja, cuyo interior está dividido en capas en las cuales se produce una reacción de fusión (hidrógeno, helio, carbono, oxígeno, neón, magnesio, silicio, hierro).
3. Todas las reacciones desprenden energía, excepto la de formación del hierro, que la consume. Esto hace que la componente gravitatoria aumente y la supergigante roja se colapse.
4. Se produce una gran explosión (supernova) en la que se sintetizan los elementos químicos más pesados que el hierro y que, junto a los anteriores, se dispersan por el espacio constituyendo el polvo cósmico.
5. El núcleo se compacta tanto que forma una estrella de neutrones. Esta estrella gira rápidamente y emite radiación a intervalos regulares (púlsar).

Proceso para Estrellas Muy Masivas

El remanente que queda de la supernova es un agujero negro en el que la fuerza de la gravedad es tal que nada puede escapar.

Formación de los Elementos Químicos

• En los primeros instantes de vida del universo se originaron el hidrógeno, el helio y el litio.
• En el interior de las estrellas se formarían carbono, nitrógeno, oxígeno, etc.
• En las supernovas se forman los elementos más pesados que el hierro.
• En el laboratorio se forman los elementos más pesados que el uranio.

Sistema Solar

Formación del Sistema Solar

1. La onda expansiva de una supernova compactó una nebulosa.
2. Esta comenzó a girar y se transformó en un disco.
3. En el centro del disco, las partículas estaban más cerca unas de otras, por eso chocaban más y aumentaban mucho la temperatura. Los núcleos de hidrógeno se movían a una enorme velocidad y podían fusionarse, dando lugar a helio y liberando energía.
4. En las regiones restantes del disco ocurrió lo siguiente:
   • Los elementos más ligeros emigraron hacia la parte exterior, que estaba más fría.
   • En cada zona del disco empezó a crecer un planeta atrayendo la materia cercana por gravedad.
   • En las zonas internas se formaron cuerpos pequeños llamados planetesimales, que chocaron entre sí dando lugar a los planetas.
5. Con la materia sobrante de la construcción de planetas se formaron los satélites.

Formación de la Luna

Hace 4.000 millones de años colisionó con la Tierra un planeta, arrojando al espacio fragmentos rocosos que se compactaron en la órbita de la Tierra formando la Luna.

Componentes del Sistema Solar

• Una estrella en el centro: el Sol.
• Giran a su alrededor atraídos por las fuerzas gravitatorias: ocho planetas con sus satélites, planetas enanos (Ceres, Plutón y Eris) y cuerpos pequeños (asteroides y cometas).
• Planetas: Tienen masa suficiente como para que la gravedad les dé forma redondeada y han barrido su órbita. Se dividen en:
  • Interiores o rocosos: Mercurio, Venus, Tierra y Marte.
  • Exteriores o gaseosos: Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno.
• Cuerpos pequeños:
  • Satélites: Cuerpos celestes que orbitan alrededor de los planetas.
  • Asteroides: Cuerpos rocosos de tamaño variable.
  • Cometas: Se forman en la nube de Oort.

Distancias en Astrofísica

• Año luz.
• Unidad Astronómica (UA): Radio medio de la órbita de la Tierra alrededor del Sol.
• Parsec.

Exploración del Espacio

Instrumentos

• Telescopios ópticos.
• Radiotelescopios.
• Observatorios.

Viajes Espaciales

• Para escapar de la atracción gravitatoria de la Tierra, los cohetes alcanzan la velocidad de escape de 40.000 km/h.
• Primer cohete: Sputnik, lanzado por los rusos en 1957.
• Primer hombre en viajar al espacio: Yuri Gagarin (1961).
• Primer ser vivo en el espacio: la perra Laika.
• Primer hombre en pisar la Luna: Neil Armstrong en 1969.
• Transbordadores o lanzaderas espaciales: Naves tripuladas que orbitan alrededor de la Tierra, colocan y reparan satélites y realizan experimentos.
• Sondas espaciales: Naves no tripuladas que captan imágenes y datos.
• Estaciones espaciales: Permiten la vida en el espacio para investigar.
• Satélites artificiales: Se colocan mediante un cohete o lanzadera en órbita alrededor de la Tierra.