Introducción a la Cosmología

Transcripción

1 Introducción a la Cosmología La cosmología trata del estudio del Universo en su totalidad, como teorías sobre su origen, su evolución, su estructura a gran escala, así como su futuro. No se debe confundir con astronomía o astrofísica. La cosmología trata de la historia del Universo, la astronomía sobre el movimiento de los cuerpos que forman el Universo y la tercera da explicación a los fenómenos que se observan en la astronomía. Como sabemos, la Tierra no es el centro del Universo. Aun así, creer que si lo es, era una conclusión lógica de nuestros antepasados que viene de la observación diaria del cielo: todo gira alrededor de nosotros! De hecho, la astronomía y la astrología jugaban un papel importante en el pasado. Los reinos solían tener grupos de astrólogos para indicarles, según el movimiento de los astros, las mejores decisiones sobre su gobierno. Es por ello que la astrología se consideraba más importante que la astronomía. Es importante recordar que el desarrollo científico inició alrededor de Galileo Galilei. Esto es porque las implicaciones sociopolíticas y religiosas impedían un desarrollo abierto de la ciencia. Muestra de esto es que la teoría geocéntrica fue rechazada hasta hace 400 años. Actividad 1: 1. Busca los significados de cosmología, astronomía, astrofísica y astrología y compara sus similitudes y sus diferencias. 2. Investiga quiénes fueron los siguientes pensadores, así como sus aportaciones a la astronomía: a. Nicolás Copérnico b. Tycho Brahe c. Giordano Bruno d. Galileo Galilei e. Johanes Kepler f. Isaac Newton Características del Universo El Universo es la totalidad del espacio y del tiempo, de todas las formas de la materia, la energía y el impulso, las leyes y constantes físicas que las gobiernan. En astronomía, el término cosmos se usa para designar al universo. Es por ello que cosmología es el estudio del Universo.

2 Para su estudio, partimos de la base de la cosmología que es el principio cosmológico que dice: El Universo es isotrópico y homogéneo: Isotrópico porque vemos las mismas características sin importar la dirección de observación. Homogéneo: tiene la misma composición en cualquier parte. Observaciones astronómicas indican que el Universo tiene una edad de mil millones de años y por lo menos millones de años luz de extensión. Además se considera que es plano y que está en constante expansión.

3 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, o singularidad. Al ser altamente inestable, ocurrió una gran explosión, involucrando mucha energía y altas temperaturas. Después del Big Bang, el Universo comenzó a enfriarse y a expandirse hasta su condición actual, y continúa haciéndolo. Pero, cómo sabemos que el Universo está en expansión? Las evidencias sobre esto son variadas y, hasta el día de hoy, es la teoría más aceptada. Algunas de las evidencias son las siguientes: Mediciones sobre la distribución espacial. Esto se refiere a que, basándose en el principio cosmológico, se realizan cálculos sobre la evolución temporal del Universo y se prueban mediante simulaciones. Después se comparan con las observaciones astronómicas, resultando estructuras y agrupaciones similares. El desplazamiento hacia el rojo de galaxias distantes. Basándose en el efecto Doppler, se observa que la luz de los objetos celestes presentan un corrimiento hacia el rojo en sus líneas espectrales. La radiación cósmica de fondo de microondas. Es el remanente que quedó del Big Bang. Tiene características de cuerpo negro y su temperatura es de 2.725K y su frecuencia es de microondas. El modelo del Big Bang predice esta radiación (lo cual es evidencia misma del inicio del Universo) y predice anisotropías las cuales han sido observadas por el WMAP. Los porcentajes relativos de los elementos químicos más ligeros. La teoría dice que, al irse enfriando el Universo, se formaron los elementos químicos, siendo los más ligeros los más fáciles de formar. Actualmente el porcentaje de hidrógeno y helio es muchísimo más alto que el de los demás elementos. Por otra parte, la mayor parte de la materia y de la energía en el Universo es fundamentalmente diferente de la observada en la Tierra. Se estima que la materia observable (la constituida por átomos o la radiación) es solo el 5% de la composición del Universo. El resto no es directamente observable, como la materia oscura (23%) o la energía oscura (72%). Por último, si bien el Universo está en constante expansión, no sabemos hasta qué punto se expandirá o si dejará de hacerlo. La imprecisión de las observaciones actuales ha limitado las predicciones sobre el destino final del universo. Existen teorías como el Big Crunch o la Big Rip, pero ninguna es totalmente aceptada.

4 Actividad 2: 1. Investiga el procedimiento para decir si un objeto se corre al rojo o al azul. 2. Investiga qué es el WMAP y qué hace. 3. Compara las teorías sobre el fin del Universo y haz tu propia conclusión al respecto. Cuerpos Celestes Existen una infinidad de cuerpos celestes en el cielo. Desde tiempos antiguos se han hecho clasificaciones de ellos. Los cuerpos celestes se definen como sigue: Planeta: Cuerpo celeste que no tiene luz propia y gira alrededor de una estrella. Ej. Mercurio, Venus, Tierra, Marte, Júpiter, Saturno, Urano, Neptuno. Planeta enano: Cuerpo celeste que orbita alrededor del Sol que no es tan grande como para ser un planeta ni tan pequeño como para ser asteroide. Satélite: Cuerpo celeste opaco que gira alrededor de un planeta. Ej. Luna. Estrella: Cuerpo celeste con luz propia. Ej. Sol. Cometa: Cuerpo celeste formado por un núcleo poco denso y una cauda o cola que refleja la luz del sol. Asteroide: Es un cuerpo rocoso, carbonáceo o metálico más pequeño que un planeta y que orbita alrededor del Sol. Meteoroide: Partículas de polvo y hielo o rocas, producto de un cometa o restos de la formación del sistema solar. Es más pequeño que un asteroide. Meteorito: Roca cósmica que cae sobre la Tierra. Meteoro: Fenómeno luminoso producido cuando un meteoroide atraviesa la atmósfera y se desintegra. Es conocido como estrella fugaz.

5 Galaxia: Sistema formado por estrellas, sistemas, gas, etc. de tal forma que giran alrededor de un núcleo. Cúmulos: Es un grupo de estrellas atraídas entre sí por su gravedad mutua. La clasificación tradicional incluye dos tipos de cúmulos estelares: cúmulos globulares y cúmulos abiertos. Quásar: Objeto de apariencia estelar que emite radiaciones electromagnéticas y se aleja de nosotros a gran velocidad. Nebulosa: Nube de materia cósmica que al concentrarse da origen a una estrella o a un enjambre de estas. Pulsar: Estrella de neutrones muy compacta y brillante que emite radiación intensa a intervalos regulares. Clústers: Son super-estructuras cósmicas formadas por miles de galaxias. Pueden formar superclústers. Agujero Negro: es una región del espacio-tiempo provocada por una gran concentración de masa en su interior, con enorme aumento de la densidad, lo que provoca un campo gravitatorio tal que ninguna partícula ni la energía, por ejemplo la luz, puede escapar de dicha región. Actividad 3: 1. Investiga todos los elementos del sistema solar y realiza un dibujo. Debe incluir: a. Sol b. Planetas c. Planetas enanos d. La Luna e. Cinturón de asteroides f. Algún cometa g. Cinturón de Kuiper

6 Las Galaxias Una galaxia es un conjunto masivo de estrellas, nubes de gas, planetas, polvo cósmico, y quizá materia oscura, y energía oscura, unido gravitatoriamente. La cantidad de estrellas que forman una galaxia es contable, desde las enanas, con 10 7, hasta las gigantes, con estrellas (según datos de la NASA del último trimestre del 2009). Formando parte de una galaxia existen subestructuras como las nebulosas, los cúmulos estelares y los sistemas estelares múltiples. Se estima que existen más de cien mil millones (10 11 ) de galaxias en el universo observable. En cuanto a dimensiones, la mayoría de las galaxias tienen un diámetro entre cien y cien mil parsecs y están usualmente separadas por distancias del orden de un millón de parsecs. Usualmente, las galaxias están dispuestas en una jerarquía de agregados, llamados clústers o agrupaciones estelares, que a su vez pueden formar agregados más grandes, llamados superclústers. Las galaxias tienen tres configuraciones distintas: elípticas, espirales e irregulares. Una descripción más detallada, según su apariencia, es la provista por la secuencia de Hubble.

7 Las galaxias elípticas tienen las siguientes características: Pueden ser nombradas desde E0 hasta E7, donde el número significa cuán ovalada es la elipse. Así, E0 sería una esfera y E7 de plato. Se puede decir que el número indica 10 veces su excentricidad. Aparece con poca estructura y baja materia interestelar. Por eso tienen pocos cúmulos abiertos y la tasa de formación de estrellas es pequeña. Estas galaxias están dominadas por estrellas viejas, de larga evolución, que orbitan en torno al núcleo en direcciones aleatorias. Las galaxias más grandes son gigantes elípticas. Éstas pueden alcanzar tamaños enormes y con frecuencia se las encuentra en conglomerados mayores de galaxias, cerca del núcleo. Las galaxias espirales, que son como la nuestra, se presentan como siguiente: Son discos rotantes de estrellas y materia interestelar, con una protuberancia central compuesta principalmente por estrellas más viejas. A partir de esta protuberancia se extienden unos brazos en forma espiral, de brillo variable. Además tienen una subclasificación: o (Sa-c): Galaxia de forma espiral con brazos. Las letras minúsculas indican cuán sueltos se encuentran los brazos, siendo "a" los brazos más apretados y "c" los más dispersos. o Galaxias lenticulares (SO): Forma de galaxia espiral sin brazos. E8 también se menciona como perteneciente a este tipo. o Galaxias espirales barradas (SBa-c): Tienen una banda central de estrellas. o Galaxias Espirales Intermedias (SABa-c): Una galaxia que, de acuerdo a su forma, se clasifica entre una galaxia espiral barrada y una galaxia espiral sin barra. Por último, las galaxias irregulares se caracterizan por lo siguiente: Son galaxias que no encajan en ninguna clasificación de galaxias de la secuencia de Hubble. Es decir, son galaxias sin forma espiral ni elíptica. Hay dos tipos de galaxias irregulares: o Una galaxia Irr-I es una galaxia irregular que muestra alguna estructura pero no lo suficiente para encuadrarla claramente en la clasificación de las secuencia de Hubble. o Una galaxia Irr-II es una galaxia irregular que no muestra ninguna estructura que pueda encuadrarla en la secuencia de Hubble. Algunas galaxias irregulares son pequeñas galaxias espirales distorsionadas por la gravedad de un vecino mucho mayor. Apenas un 20% de las galaxias brillantes reciben el nombre de galaxia irregular.

8 La Vía Láctea es la galaxia espiral en la que se encuentra el Sistema Solar y, por ende, la Tierra. Según las observaciones, posee una masa de masas solares y es una espiral barrada, con un diámetro medio de unos 100,000 años luz. Se calcula que contiene entre 200 mil millones y 400 mil millones de estrellas. La distancia desde el Sol hasta el centro de la galaxia es de alrededor de 27,700 años luz. La Vía Láctea forma parte de un conjunto de unas cuarenta galaxias llamado Grupo Local, y es la segunda más grande y brillante tras la Galaxia de Andrómeda. Tiene tres partes: El Halo que es una estructura esferoidal que envuelve la galaxia. El disco que es donde se concentra la mayor parte de la materia. El bulbo o núcleo que se sitúa en el centro. El Sistema Solar es un sistema planetario de la Vía Láctea que se encuentra en uno de los brazos de esta, conocido como el Brazo de Orión. Está formado por una única estrella, el Sol, que le da nombre; ocho planetas que orbitan alrededor de él: Mercurio, Venus, Tierra, Marte, Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno; y otros cuerpos menores: planetas enanos (Plutón, Eris, Makemake, Haumea y Ceres), asteroides, satélites naturales, cometas, así como el espacio interplanetario comprendido entre ellos, en el que hay viento solar, campo magnético interplanetario, rayos cósmicos y polvo. La hipótesis actual sobre la formación del Sistema Solar es la hipótesis nebular. La teoría nebular sostiene que el Sistema Solar se formó por un colapso gravitacional de una nube molecular gigante. Esta nube inicial tenía probablemente varios años luz de largo y fue la sede del nacimiento de varias estrellas. Los científicos estiman que el Sistema Solar tiene 4600 millones de años de antigüedad. Para estimar la edad del Sistema Solar, los científicos deben usar meteoritos, que se formaron durante la condensación temprana de la nebulosa solar. El tamaño del sistema solar nos lo puede dar el cinturón de Kuiper. El cinturón de Kuiper es un conjunto de cuerpos de cometa que orbitan el Sol y otros objetos, como asteroides, que andan pasando entre las estrellas con órbitas irregulares y erráticas. Este cinturón a una distancia entre 30 y 100 ua. Por eso podemos decir que el sistema solar tiene una extensión de 100 ua.

9 Dentro de las galaxias podemos encontrar formaciones de estrellas que denominamos cúmulos estelares. Las estrellas son atraídas por gravedad. Por otro lado, también existen cúmulos de galaxias. Los clústers son agrupaciones galácticas, más aún, son super-estructuras cósmicas formadas por miles de galaxias. Son las más recientes en la historia del universo. Dichas estructuras se mantienen cohesionadas por la fuerza de la gravedad pero la expansión acelerada del cosmos podría acabar imponiéndose, si no lo ha hecho ya, y detener la acumulación de materia. Las agrupaciones de galaxias que conforman el universo se llaman grupos, clústers y superclústers según su tamaño y número de galaxias que contienen. Los grupos de galaxias son los más chicos. Contienen menos de 50 galaxias, tienen un diámetro de unos 2 megaparsec y una masa del orden de masas solares El grupo que contiene nuestra galaxia, la Vía Láctea, está en el llamado Grupo Local que consta de más de 40 galaxias. Los clústers son más grandes que los grupos. En un cúmulo típico solo el 5% de la masa total se encuentra en forma de galaxias, un 10% en forma de gas caliente y el 85% restante es materia oscura. En los cúmulos predominan las galaxias elípticas e irregulares fruto de la interacción de galaxias. Contienen desde 50 a 1000 galaxias, gas caliente emisor de rayos X y gran cantidad de materia oscura, la masa total va desde a veces la masa solar y tienen un diámetro de 8 Mpc. Los superclústers son las estructuras más grandes. Estas agrupaciones se comportan de forma parecida a los clústers solo que ya no tienen galaxias individuales sino grupos y cúmulos galácticos enteros que se mueven confinados en su colosal campo gravitatorio. Nuestro grupo de galaxias, el Grupo Local, se halla dentro del Supercúmulo de Virgo el cual también contiene al extenso Cúmulo de Virgo el cual actúa como centro de gravedad del mismo. El Supercúmulo de Virgo al ser el nuestro también recibe el nombre de Supercúmulo Local. Actividad 4: Realiza un esquema gráfico donde plantees el lugar del sistema solar en el Universo. Debe incluir superclústers y galaxias.

10 Estrellas En un sentido general, una estrella es todo objeto astronómico que brilla con luz propia. De un modo más técnico, se trata de una esfera de plasma que mantiene su forma por a un equilibrio de fuerzas llamado equilibrio hidrostático. El equilibrio se produce entre la fuerza de gravedad, que empuja la materia hacia el centro de la estrella, y la presión que hace el plasma hacia fuera. Tal como sucede en un gas, tiende a expandirlo. La presión hacia fuera depende de la temperatura que, en un caso típico como el Sol, se mantiene con la energía producida en el interior. El equilibrio se mantendrá en las mismas condiciones si se mantiene el ritmo de producción energética. Pero dicho ritmo cambia a lo largo del tiempo, generando variaciones en las propiedades físicas globales del astro, que se conocen como evolución de la estrella. La energía que disipan en el espacio estas esferas de gas, son en forma de radiación electromagnética, neutrinos y viento estelar; y nos permiten observar la apariencia de las estrellas en el cielo nocturno como puntos luminosos y, en la gran mayoría de los casos, titilantes. Debido a la gran distancia que suelen recorrer las radiaciones estelares, estas llegan débiles a nuestro planeta, siendo susceptibles, en la gran mayoría de los casos, a las distorsiones ópticas producidas por la turbulencia y las diferencias de densidad de la atmósfera terrestre. El Sol, al estar tan cerca, se observa no como un punto sino como un disco luminoso cuya presencia o ausencia en el cielo terrestre provoca el día o la noche respectivamente. En cuanto a su masa, las estrellas son objetos de masas enormes comprendidas entre 0,08 y masas solares. Los objetos de masa inferior se llaman enanas marrones. Su luminosidad también tiene un rango muy amplio, yendo desde una diezmilésima a tres millones de veces la luminosidad del Sol. Hay diferentes formas de clasificar a las estrellas. La clasificación espectral de Harvard es por medio de los espectros luminoso y es la más utilizada en astronomía. El Sol es de clase G.

11 La Masa está dada en múltiplos de masas solares, el Radio en múltiplos de radios solares y la Luminosidad en términos de la luminosidad del Sol. Por otro lado, una estrella tiene un inicia, que es su formación, y un final. Esto es, una evolución estelar. Puede describirse como una batalla entre dos fuerzas: la gravitatoria, que tiende a comprimir, y la nuclear, que tiende a oponerse a esa contracción a través de la presión térmica resultante de las reacciones nucleares. La formación de la estrella depende de su masa inicial, de su metalicidad y su velocidad de rotación, así como la presencia de las estrellas cercanas. Finalmente, la estrella no tendrá más combustible nuclear que emplear, por lo que la estrella tenderá a contraerse. Las estrellas pasan por distintas fases: Presecuencia principal Secuencia principal Subgigante Gigante roja Apelotonamiento rojo Rama horizontal Una estrella puede morir en forma de: Nebulosa planetaria Supernova Brote de rayos gamma Y, por último, dejar un remanente estelar: Enana blanca Estrella de neutrones Agujero negro El Sol está en la secuencia principal y se clasifica como de tipo G. Se formó entre 4, y 4, millones de años y permanecerá en la secuencia principal aproximadamente 5000 millones de años más. La energía que se produce se debe a la fusión de núcleos de Hidrógeno en núcleos de Helio. Actividad 5: Realiza un esquema gráfico donde muestres la evolución estelar del Sol, desde su nacimiento hasta su posible muerte. Indica en qué fase se encuentra. Una supernova es una explosión estelar que puede manifestarse de forma muy notable, incluso a simple vista, en lugares de la esfera celeste donde antes no se había detectado nada en particular. Una nova es el nombre de una estrella nueva, un cometa, un meteoro, lo que sea "nuevo" en el cielo.

12 La supernova son explosiones de estrellas muertas y sí, son más grandes y brillantes. Se usan para medir distancias en el universo. Es lo que usó Hubble para determinar las velocidades de las galaxias. Una supernova aparece cuando una enana blanca traga materia y sube su masa a 1.4 masas solares y explota con un brillo definido. Entonces, si observas una supernova y le mides el brillo que tiene, por una relación de distancia-luminosidad simple, puedes saber a qué distancia está. Con eso se mide distancias a galaxias y otros cuerpos celestes. Por otra parte, una estrella de neutrones es un remanente estelar dejado por una estrella supergigante después de agotar el combustible nuclear en su núcleo y explotar como una supernova. Como su nombre lo indica, estas estrellas están compuestas principalmente de neutrones, más otro tipo de partículas tanto en su corteza sólida de hierro, como en su interior, que puede contener tanto protones y electrones, como piones y kaones. La masa original de la supernova debe ser mayor a 9 ó 10 masas solares. Las estrellas con masas menores a 9-10 masas solares evolucionan en enanas blancas envueltas, al menos por un tiempo, por nebulosas, mientras que las de masas mayores evolucionan en agujeros negros. Un agujero negro u hoyo negro es una región del espacio-tiempo provocada por una gran concentración de masa en su interior, con enorme aumento de la densidad, lo que genera un campo gravitatorio tal que ninguna partícula material, ni siquiera los fotones de luz, pueden escapar de dicha región. Se conjetura que en el centro de la mayoría de las galaxias, entre ellas la Vía Láctea, hay agujeros negros supermasivos. La existencia de agujeros negros está apoyada en observaciones astronómicas, en especial a través de la emisión de rayos X por estrellas binarias y galaxias activas. Cabe señalar que, en el contexto de evolución estelar, son estrellas muertas. Cuando una estrella muere, dependiendo de la masa de la estrella original. Si es pequeña entonces tenemos enanas blancas, es más grandes entonces tendremos estrellas de neutrones y, si la masa es muy grande, entonces tenemos agujeros negros. Por esto, los agujeros negros NO son ventanas a otras dimensiones.

13 Otros elementos del espacio Todo lo que vemos que conforma al Universo, galaxias, estrellas, planetas, asteroides, etc., todo eso es apenas el 4.6% del contenido total del Universo. El resto es una clase de materia y energía que no conocemos y que no podemos ver ni detectar. Esto es la materia oscura y la energía oscura. La única razón por la cual estamos muy seguros de su existencia es por los efectos y evidencias indirectas sobre los demás cuerpos. Aún así, no conocemos nada de estos componentes y representan un problema abierto en la física. Otro elemento importante de comentar es el agujero de gusano, también conocido como un puente de Einstein-Rosen. Se trata de una hipotética característica topológica del espacio-tiempo, descrita por las ecuaciones de la relatividad general, la cual es esencialmente un "atajo" a través del espacio y el tiempo. Un agujero de gusano tiene por lo menos dos extremos, conectados a una única "garganta", pudiendo la materia 'desplazarse' de un extremo a otro pasando a través de ésta. Es importante señalar que un agujero de gusano es un elemento teórico, es decir, no ha sido probada su existencia.

14 Actividad 6: Mucha gente desconoce los verdaderos conceptos de esta sección, desde supernova hasta los agujeros de gusanos. Realiza un cartel informativo donde expongas mediante información sencilla y gráfica lo que tú creas que es más interesante para contar a estas personas. Bibliografía 1. Wikipedia 2. Hewitt, Paul G. Física Conceptual, México, 9ª. Edición., Pearson Educación, Pérez Montiel, Héctor. Física General, México, Grupo Editorial Patria. 4. Imágenes: Internet y autoría personal.