BLOQUE 2: NUESTRO LUGAR EN EL UNIVERSO 1. ORIGEN Y COMPOSICIÓN DEL UNIVERSO

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1 BLOQUE 2: NUESTRO LUGAR EN EL UNIVERSO 1. ORIGEN Y COMPOSICIÓN DEL UNIVERSO 1.2. Origen y evolución del Universo. Teoría del Big Bang Actividad 1 Consultando la fotocopia El Big Bang y la historia del Universo y la presentación vista en clase (que puedes encontrar en tus documentos Google), contesta a las siguientes preguntas: a) Qué es el Big Bang? El término inglés Big Bang significa gran explosión y en astrofísica está ligado al modelo científico más aceptado actualmente para explicar el origen y posterior evolución del Universo. Hace referencia a un fenómeno que se produjo en el instante considerado como el comienzo del Universo, y que, por tener una imagen gráfica, podemos imaginarnos como una gran explosión a partir de la cual un universo altamente concentrado comenzó a expansionarse y enfriarse, permitiendo la aparición de toda la energía y la materia que componen el Universo actual. b) Hace cuánto tiempo se estima que se produjo el Big Bang? Hace aproximadamente millones de años. c) De qué estaba formado el Universo antes del Big Bang? Por qué no existía materia? Los conocimientos científicos y las tecnologías actuales no permiten plantearse la pregunta de qué existía antes del Big Bang, pero sí se puede afirmar que la altísima temperatura del Universo inicial no permitiría la existencia de materia, por lo que se supone que sólo existía energía. Parte de esta energía se convertiría en materia (partículas elementales: protones, neutrones, electrones) en los primeros segundos tras la explosión al ir disminuyendo la temperatura. d) De qué elementos fueron los primeros núcleos que se formaron? De los dos elementos más simples: hidrógeno y helio De qué partículas están formados estos núcleos? El núcleo de hidrógeno está formado un protón aislado, y el de helio por la combinación de dos protones y dos neutrones. Cuánto tiempo había trascurrido desde el Big Bang? Tan sólo algunos minutos 1

2 e) Cuándo se formaron los primeros átomos? Los primeros átomos neutros de hidrógeno y helio se formaron cuando los electrones (negativos) se asociaron a los núcleos (positivos). Para que esto fuera posible la temperatura tuvo que descender hasta los 3000 grados, lo que sucedió aproximadamente años después del Big Bang. Qué relación creen los astrofísicos que hay entre este suceso y la radiación cósmica de fondo? La desaparición de las partículas cargadas (protones y electrones) aisladas permitió que los fotones de luz pudieran viajar libremente por el espacio recién creado. Estos fotones de luz que todavía están en el espacio, han sido detectados con radiotelescopios y constituyen la radiación cósmica de fondo o radiación fósil. f) Cuándo se formaron las primeras estrellas? Las primeras estrellas se formaron 400 millones de años después del Big Bang De qué están formadas? De hidrógeno y helio Por qué la temperatura aumenta en el interior de las estrellas? La atracción gravitatoria que ejerce el núcleo de la estrella sobre la materia que lo rodea provoca la contracción de la estrella (colapso hacia el centro), lo que libera gran cantidad de energía que hace aumentar la temperatura. g) Por qué emiten luz (brillan) las estrellas? Cuando la temperatura en el interior de las estrellas alcanza los 10 millones de grados los núcleos de hidrógeno sufren una fusión nuclear formando núcleos de helio y desprendiendo gran cantidad de energía en forma de luz: la estrella brilla. h) De dónde proceden los átomos de todos los elementos que existen en el Universo? Los primeros átomos de hidrógeno y helio se formaron, como hemos explicado anteriormente, en la expansión producido tras el Big Bang. Los átomos de los demás elementos se formaron en los núcleos de estrellas de mayor masa que la del Sol donde se desarrollan temperaturas suficientemente altas para que se produzcan reacciones de fusión nuclear de átomos de helio para formar núcleos más pesados (carbono y oxígeno). Cuando la estrella masiva se convierte en gigante roja los núcleos de oxígeno y carbono se pueden fusionar para dar el resto de elementos más pesados. i) Cómo se llama la teoría que pronostica que el universo se expandirá hasta desaparecer toda la materia, y convertirse en un Universo de radiación mucho menos denso que el inicial? Esta teoría se conoce como Big Rip o Gran Desgarramiento 2

3 Actividad 2 Lee el artículo Vida y muerte de una estrella que aparece a continuación y contesta a las siguientes cuestiones: a) Fecha y medio en el que fue publicado el artículo Fecha: Medio: Diario EL PAÍS b) Resume el contenido del artículo. No voy a resumiros yo el artículo, ya lo hemos comentado en clase. Sólo recordad que resumir no es recortar párrafos. Tenéis que destacar las ideas principales, sobre todo aquellas que suponen una novedad científica que dan categoría de noticia al artículo. Vida y muerte de una estrella Los astrónomos captan, por primera vez, una explosión de supernova justo en el inicio del cataclismo del astro agotado ALICIA RIVERA - Madrid EL PAÍS - Futuro La casualidad y la buena suerte juegan a veces un papel estelar en el descubrimiento científico, siempre y cuando el investigador esté capacitado para darse cuenta de lo que tiene delante y disponga de los medios apropiados. Eso es lo que les ha pasado a unos astrónomos que estaban observando un fenómeno celeste El fenómeno era inesperado ahí, donde estaban mirando. Pero en realidad ese tipo de explosiones de supernova se dan a menudo en el universo, aunque nadie sabe anticipar dónde y cuándo sucederán. Una supernova es el colapso de una estrella grande y el resplandor que genera destaca sobre el brillo de toda la galaxia -cientos de miles de millones de estrellas- en la que se produce. Estallan unas pocas supernovas cada siglo, pero como hay tantas galaxias en el cielo estas explosiones son corrientes. Ahora bien: Adónde apuntar el telescopio para pillar in fraganti a la próxima? No vale quedarse mirando fijo a una galaxia porque la siguiente supernova puede tardar años, mientras otra explota en un lugar que nadie está observando. El pasado 9 de enero, unos astrónomos estaban observando, con el telescopio en órbita de rayos X y rayos gamma Swift, de la NASA, una supernova que estalló el año pasado en la galaxia espiral NGC-2770, situada a unos 90 años luz de la Tierra. De repente vieron que se había producido otra al lado. La explosión -en rayos X- fue millones de veces más brillante que el Sol, y duró 10 minutos. Los astrónomos inmediatamente pusieron en alerta la red internacional de observación para estos casos. Se apuntaron entonces varios telescopios del suelo y el espacio hacia la supernova recién descubierta, denominada SN2008D, para estudiarla en todas las longitudes de onda posibles, desde los rayos X hasta el radio, pasando por la luz visible. Ahora un equipo de 43 científicos, liderados por Alicia Soderberg (Universidad de Princeton, EE UU) han dado a conocer su hallazgo y sus conclusiones en la revista Nature. Para más casualidades, otros astrónomos estaban mirando esa galaxia NGC-2770 unas horas antes de que explotara la supernova y, aunque ésta no fue directamente visible hasta el día siguiente, la información recabada por este segundo equipo (incluido el español David Barrado Navascués) ha resultado importante para conocer el fenómeno. Ellos presentan sus datos en otra revista: The Astrophysical Journal. 3

4 Los científicos saben que una supernova significa el final de la vida de una estrella grande (unas ocho veces más masiva que el Sol). Los astros lucen porque en su interior funciona un horno nuclear en el que la fusión de átomos -de hidrógeno, sobre todo-, genera enormes cantidades de energía. Esto impide que el astro colapse por su propia gravedad. Pero cuando se agota el combustible de la fusión nuclear en una estrella muy masiva, se hunde de forma catastrófica sobre sí misma, formando un cuerpo ultradenso en su centro que puede ser una estrella de neutrones o un agujero negro. Esto dispara una onda de choque que hace saltar toda la envoltura gaseosa del astro, que se dispersa en el espacio. Es el momento del brillo colosal de la supernova, lo que captó el Swift el 9 de enero. Los análisis de los astrónomos indican que la estrella que murió en ese estallido era, por lo menos, 20 veces más masivo que el Sol. También han visto que encaja en el tipo de supernova Ibc, que son las más brillantes y las menos corrientes. Con este raro y casual descubrimiento, los científicos tienen por fin observaciones del nacimiento y primeros pasos de una supernova, porque hasta ahora sólo podían observarlas cuando ya lucían en el cielo, unos días o semanas después del cataclismo inicial. "Hemos soñado durante años con poder ver una estrella justo en el momento en que explota, pero dar con una es realmente una ocasión única en la vida", ha dicho Soderberg. "Esta supernova recién nacida va a ser como la piedra de Rosetta para los estudios de las supernovas durante los próximos años". Un telescopio vigía El telescopio en órbita Swift, que la NASA lanzó al espacio en 2004, es una especie de vigía en órbita cuya principal misión es rastrear el universo para ver estallidos de alta energía, de rayos X o de rayos gamma, que pueden producirse en cualquier punto de la bóveda celeste, y avisar inmediatamente a los astrónomos indicando las coordenadas del fogonazo. Ante una alerta de este tipo, los científicos, organizados en una red internacional, pueden apuntar hacia el objeto explosivo los telescopios que necesiten, tanto si están también en el espacio, como el Chandra, el Newton (de rayos X ambos) o el Hubble, como si están en la superficie de la Tierra. Pero el Swift también observa regiones celestes y objetos ya conocidos, como sucedió el pasado 9 de enero cuando estaba apuntado hacia la supernova que había explotado el año pasado y detectó la nueva. A bordo lleva detectores capaces de ver los fenómenos celestes que emiten en rayos gamma, en rayos X y en luz ultravioleta. 4

5 c) Observa la diapositiva 7 de la presentación, que acompañaba a ese artículo e intenta explicar el proceso que describe. La ilustración describe el ciclo de vida de las estrellas, poniendo de manifiesto la distinta evolución que sufren dependiendo de cómo de grande sea su masa. Las estrellas nacen de nebulosas estelares, que son nubes de gas y polvo estelar procedente de los restos de estrellas más viejas que explotan al final de sus vidas. Por atracción gravitatoria se va acumulando materia en determinadas zonas del espacio, que a su vez atrae a la materia de los alrededores provocando un colapso hacia el centro que aumenta la temperatura hasta formar una protoestrella, que podemos considerar como el embrión de la nueva estrella. Dependiendo de la cantidad de materia acumulada se formará una estrella de tamaño medio, como es el Sol, o una estrella masiva, que seguirán, evolucionando de manera diferente: a) Las estrellas de tamaño medio comienzan a fusionar hidrógeno transformándolo en helio. Cuando el hidrógeno se va agotando la masa del núcleo de helio aumenta y provoca un colapso hacia el centro desprendiendo mucha energía que hace que empiece a fusionarse el hidrógeno de las capas que rodean al núcleo y la estrella se convierte en una gigante roja. Se produce una expansión de las capas exteriores, que se enfrían y se transforman en una nebulosa planetaria. 5

6 Simultáneamente, el núcleo de helio va perdiendo brillo, convirtiéndose en una enana blanca, que finalmente se transformará en una enana negra cuando deje completamente de brillar ( es una estrella muerta). b) Las estrellas de masa mucho mayor que la del Sol comienzan su vida igual que las estrellas de tamaño medio, pero al tener más hidrógeno alcanzan temperaturas mas altas, lo que permite que se produzcan reacciones de fusión de helio para dar elementos más pesados, convirtiéndose la estrella en una supergigante roja, que evoluciona al final de su vida hasta expandirse de forma muy violenta las capas exteriores provocando una explosión que aumenta súbitamente la luminosidad de la estrella, convertida en una supernova. Las capas exteriores de la supernova se expanden y enfrían, dando lugar a la formación de una nebulosa planetaria. Simultáneamente el núcleo de la estrella masiva puede evolucionar hasta acabar convertido en un agujero negro o en una estrella de neutrones. Las nebulosas planetarias (restos de la expansión y enfriamiento de las capas exteriores de las estrellas) pueden ser el origen de nuevas nebulosas estelares y dar lugar a que comience un nuevo ciclo. 6