Ud. 1: El origen del Universo y del sistema solar

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UNIDAD 1: EL ORIGEN DEL UNIVERSO Y DEL SISTEMA SOLAR. 1.- Origen del Universo. El Universo es todo aquello que nos rodea. El Universo tiene edad aproximada de 14.000 millones de años. El tamaño del Universo. Las distancias entre los distintos componentes que lo forman son enormes. Con unidades de medida se utilizan: La unidad astronómica (1 UA = 1,5 · 10 11 m = 150. 000. 000 km) la distancia entre la Tierra y el Sol. Año luz: es la distancia que recorre la luz en un año. V= 300.000 km/s 1 año luz equivale a 9,46 · 10 15 m = 9.460.000.000.000 km. Ejemplos de algunas distancias: - La Tierra del Sol dista 1 UA = 149.600.000 km. - Plutón dista del sol 40 UA. - α-Centauro, la estrella más cercana al sol dista 4,3 años luz. - Andrómeda, la galaxia más cercana la Tierra se encuentra a 2.000.000 años luz. - El borde o límite del Universo conocido se encuentra a unos 13.000 millones de años luz. En 1929 el astrónomo Edwin Hubble demostró con su telescopio que el Universo contenía millones de galaxias que se alejaban entre sí con una velocidad directamente proporcional a sus distancias. Es decir, el Universo se encuentra en expansión. Si esto es así, el algún momento todo debió de estar unido en un punto. Modelos de Universo: George Gamow (1904-1968) desarrolló la hipótesis explosiva del Universo. Existiría un Universo inicial en un punto en el que se concentra toda la masa y energía y estalla originando las galaxias que se expanden alejándose entre sí. Ejemplo de un globo Gold y Hoyle (1948) elaboran la teoría del estado estacionario, donde acuñan el término Big-Bang para nombrar la hipótesis explosiva del Universo. Teoría del Universo pulsante u oscilante de Tolman (1881-1948) que afirman que el Universo se contraerá hasta colapsarse y producir un estallido o Big Crunch, antes de empezar a expandirse de nuevo. Hoy en día, gracias a los trabajos de investigadores como Stephen Hawking (1942), la teoría más aceptada sobre el origen del Universo es la teoría del Big-Bang.

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2.- La génesis de los elementos: polvo de estrellas. En los primeros instantes del Universo, toda la materia se encontraba concentrada en un único punto muy pequeño, menor que cualquier partícula subatómica. Existía una única superfuerza que controlaba todas las características de la materia, el espacio y el tiempo. Después se dividirá dando lugar a las cuatro fuerzas separadas que existen hoy: la gravitatoria, la electromagnética y las fuerzas nucleares fuerte y débil. Su temperatura es muy elevada, del orden de 10 33 ºC. Big-Bang. -

En los tres primeros minutos ocurre lo siguiente:

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La expansión y la disminución de temperatura hacen que se diferencie la fuerza gravitatoria y se forme una sopa de partículas elementales (Quarks, leptones, Bosón de Higgs, de masas despreciables y que forman parte del núcleo protones y neutrones de los átomos).

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Sigue descendiendo la temperatura y se separa la fuerza nuclear fuerte (que mantenía unida o cohesionados las partículas elementales dentro del núcleo). Los quarks y los electrones aparecen ya como partículas independientes.

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El electromagnetismo se separa de la fuerza nuclear. Los quarks se agrupan para formar protones y neutrones.

El Universo sigue enfriándose y expandiéndose. -

De tres minutos hasta los primeros 500.000 años el Universo sigue enfriándose y su temperatura desciende hasta los 3000 millones de grados. Los protones y neutrones empiezan a unirse para formar los primeros núcleos atómicos (de isotopos, tritio, deuterio), aunque la temperatura aún sigue siendo demasiado elevada como para formar átomos. Solamente al final se formarán los primeros átomos de H y He.

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Nucleosíntesis estelar. Mediante reacciones nucleares se forman los demás núcleos de los distintos elementos químicos, por combinación de distinto número de protones y neutrones.

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Mil millones de años después del Big-Bang, la materia existe en forma de gas y de polvo interestelar (polvo de estrellas) y está constituida principalmente por H y He que origina multitud de estrellas y se forman las primeras galaxias, entre ellas la nuestra la Vía Láctea. 2

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3.- COMPONENTES DEL UNIVERSO CONOCIDO. -

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Nebulosas: gigantescas nubes de polvo y gases. Galaxias. Formadas por miles y millones de estrellas, gas y polvo. Se suelen agrupar formado cúmulos de galaxias. La nuestra la Vía Láctea forma parte del cúmulo de galaxias de Virgo. Estrellas: astros formados fundamentalmente por H y He y que como consecuencia de las reacciones termonucleares que ocurren en su interior desprenden energía en forma de luz y calor hacia el exterior. Planetas: cuerpos de forma esférica que giran alrededor de una estrella. Algunos son rocosos y otros son gaseosos. No emiten luz, la reflejan. Satélites: cuerpos rocosos que giran alrededor de un planeta. Cometas: astros que giran alrededor del Sol describiendo órbitas elípticas muy excéntricas. Cuando se acercan a la estrella desarrollan cola luminosa. Asteroides: Cuerpos rocosos de menor tamaño y cualquier forma que giran alrededor del Sol.

Modelos para explicar la estructura del Universo conocido. Modelo Geocéntrico (Ptolomeo, s II dC). La tierra está situada en el centro del Universo y a los planetas conocidos (Mercurio, Venus, El Sol, la Luna, Marte, Júpiter y Saturno) giran alrededor de ella, cada uno situado en una esfera. Por último situó una esfera de estrellas fijas.

Modelo Heliocéntrico (Nicolás Copérnico, s XVI. El sol se encontraba situado en el centro del Universo, y alrededor del él giraban el resto de los planetas. En 1610 Galileo Galilei inventa el telescopio y corrobora el modelo heliocéntrico de Copérnico, no sin antes enfrentarse a la Iglesia. Hoy en día sabemos que ninguno de los modelos es correcto ya que el Sol no es el centro del Universo, sino el centro de un sistema solar, que se encuentra situada en un brazo de una de las miles de millones de galaxias que conforman el Universo.

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3.- EXPLORACIÓN DEL SISTEMA SOLAR. El sistema solar es un conjunto de astros situado en uno de los brazos espirales de la Vía Láctea y está formado por: El Sol: una estrella mediana amarilla de 5 000 millones de años, que por sí sola contiene el 99% de la masa total del sistema. 8 planetas girando alrededor de la estrella. Satélites (más de 100) girando alrededor de algunos planetas. Asteroides: cuerpo rocosos de pequeño tamaño situados fundamentalmente entre Marte y Júpiter. Cometas. Astros con órbitas elípticas muy excéntricas que giran alrededor del sol. Polvo y gas interplanetario. Origen del sistema solar. El sistema solar y por tanto todos sus componentes se formaron hace unos 5 000 m.a a partir de una enorme nebulosa de gas y polvo que empezó a rotar. Esta nube empezó a colapsarse gravitacionalmente, contrayéndose en forma de un disco plano en rotación, que se calentaba gracias a la conversión de la energía gravitatoria en energía térmica. En el centro del disco, el H empezó a transformarse en He mediante reacciones termonucleares y empezó a brillar por la energía libera. Nacimiento del Sol (protosol). La formación del Sol marcó el fin del periodo de contracción y el enfriamiento posterior provocó la condensación de materia rocosa y metálica en pequeñas partículas ´solidas (planetesimales) que de manera gradual fueron uniéndose (acreción) hasta formar cuerpos más grandes, planetoides y finalmente planetas.

EL SOL. Es una estrella amarilla de tamaño mediano con una edad de 5 000 millones de años y una esperanza de vida de otros 5 000. Está compuesta fundamentalmente de H (71%), He (27%) y otros elementos como N, Fe, K, etc. En menor proporción. Su temperatura es de 6 000 ºC en la superficie y unos 15 o 20 millones en el interior. Su radio es 100 veces el de la Tierra, de la que la separa 1 UA (150 millones de Km). 4

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Tiene un movimiento de rotación diferencial al igual que los planetas gigantes gaseosos. Consistente en que la zona ecuatorial tarda menos en rotar (25 días) que la zona polar (36 días). Estructura del Sol. Desde el exterior al núcleo presenta las siguientes capas: Corona solar, envoltura exterior de gases que se extiende hasta cientos de Km. Su estructura es muy tenue por lo que solo es visible durante los eclipses mostrándose como una espléndida aureola brillante. Cromosfera: por debajo de la corona y por encima de la fotosfera. Tiene una estructura espicular y es de donde surgen las fulguraciones o protuberancias solares, grandes llamaradas de hasta 200 000 km de altura. Son las responsables de las auroras boreales en la Tierra. Fotosfera: capa de tan solo unos 400 km de espesor formado por una masa gaseosa incandescente que emite casi la totalidad de la luz que recibimos. En ella hay zonas más oscuras llamadas máculas o manchas solares, que son zonas más frías a tan sólo 3500 ºC. El Núcleo está formado en su parte más externa con una envoltura o zona de radiación de unos 400 000 km de espesor, por la que fluye la radiación del interior del núcleo. El núcleo interno con unos 300 000 km de diámetro y en cuyo interior se producen las reacciones termonucleares que transforman el H en He y liberan la energía en forma de radiación hacia las capas exteriores. En su interior se calculan entre 15 y 20 millones de grados.

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LOS PLANETAS. Son objetos brillantes, como las estrellas pero que no brillan con luz propia sino que la reflejan. Todos giran alrededor del Sol con orbitas elípticas casi circulares, excepto Mercurio y Plutón (planeta enano) que tiene órbitas algo más excéntricas. Giran en sentido antihorario. Todos los planetas, excepto Venus y Urano también giran sobre sí mismos con un movimiento de rotación en sentido antihorario (el mismo sentido que la traslación). Los planetas se dividen en dos grupos separados por un cinturón de asteroides. Los planetas interiores, menores o terrestres y los planetas exteriores o gigantes. Planetas interiores, terrestres o menores. o Son sólidos, pequeños y muy densos. o Tienen atmósferas poco extensas y poco densas, ya que al tener poca gravedad, no pueden retener los gases. o Sus movimientos de rotación son bastante lentos. o No presentan anillos. o Poseen pocos o ningún satélite. o Son Mercurio, Venus, La Tierra y Marte. Planetas exteriores o gigantes gaseosos. o Son planetas gigantes. o Poco densos. En su mayor parte, en estado líquido y gaseoso con un pequeño núcleo central sólido. o Tiene atmósferas extensas y espesas formadas principalmente por H, He, NH 3 y CH4. o Sus velocidades de rotación sol altas (en horas). o Presentan sistemas de anillos y numerosos satélites. o Son Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno. Mercurio. Planeta pequeño del tamaño de la Luna. Al ser tan pequeño tiene una gravedad muy débil, por lo que no tiene atmósfera. Esto hace que no exista efecto invernadero y las diferencias de T entre la parte iluminada por el Sol (420 ºC) y la parte oscura (-180ºC) sean muy acusadas. La ausencia de atmosfera provoca también la ausencia de agentes atmosféricos, por lo que su superficie plagada de cráteres permanece inalterada. La órbita de Mercurio es una de las más excéntricas de todas las planetarias. En el afelio se encuentra a unos 46 millones de Km del Sol y en el perihelio se encuentra a unos 70 millones de Km. Su estructura interna y composición de las capas es similar a la de la Tierra, aunque con un núcleo más grande. No tiene satélites.

Venus. Planeta muy similar a la Tierra, en cuanto a tamaño y estructura interna. Lucero del alba. Rotación retrógrada: contraria a la de la Tierra, es decir en sentido horario. 243 días. 6

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Traslación: 225 días. Posee una atmósfera muy densa (provoca una alta presión en superficie) compuesta de 96 % de CO2, 3% de N2 y nubes de ácido sulfúrico de muchos km de espesor. Esta gran cantidad de CO2 provoca un brutal efecto invernadero con temperaturas superficiales de hasta 500º C.

La Tierra. Radio de 6378 km. Distancia al Sol: 149.600.000 km. Periodo de rotación: 24 horas. Eje inclinado. Periodo de traslación: 365,25 días. Temperatura media: 15 ºC. Atmósfera formada principalmente por N2, O2, vapor de agua, etc. Único planeta con vida. Campo magnético. Geológicamente activo. Tectónica de placas. Un satélite: La Luna. Gira alrededor de la Tierra a unos 384000 Km de distancia con unos movimientos de rotación y traslación sincrónicos de aproximadamente 28 días. Por este motivo siempre vemos la misma cara de la Luna. Su superficie está plagada de cráteres que permanecen inalterados al no presentar atmósfera. Sobre el origen de la Luna hay distintas hipótesis: trozo de Tierra desprendida durante su formación, trozo de Tierra desprendida por la colisión de un objeto contra la Tierra o planeta primitivo atrapado por la Tierra. Marte. Planeta rojo. Mitad del tamaño de la Tierra. Movimiento de rotación e inclinación del eje muy similar al terrestre. Movimiento de traslación de casi el doble (también tiene estaciones). Atmósfera muy tenue, compuesta principalmente de CO2, N2 y Argón. No es capaz de regular su temperatura superficial que se mantiene en una media de -50ºC. Tormentas de polvo. Presenta casquetes polares con lo que se cree agua congelada bajo los polos. Superficie plagada de cráteres con evidencias de erosión debido al agua o algún otro fluido muy abundante en el pasado (canales marcianos). Presenta 2 satélites o lunas: Deimos y Fobos (más grande y más próximo). Se piensa que son asteroides capturados por la atracción gravitatoria de Marte.

Júpiter. El mayor de los planetas del sistema solar. Rotación diferencial de 10 horas más rápida en el ecuador que en los polos. Movimiento de traslación de 12 años. 7

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Temperatura media: -120ºC. Aspecto bandeado y rosado con una gran mancha roja (tormenta). Presenta un sistema de anillos muy tenues y oscuros formados por material rocoso por lo que no son visibles. Se piensa que Júpiter, al igual que el resto de gigantes gaseosos no tiene una superficie sólida: lo que se ve desde el exterior es la parte externa de una gruesa atmósfera, formada principalmente por H, He, NH3 y CH4. Se cree que todos tienen un núcleo interno rocoso rodeado por unas capas de H metálico líquido (debido a la alta presión) e H líquido. Júpiter tiene más de 60 satélites, cuatro de ellos son grandes y se denominan galileanos y son: Io, Europa, Ganímedes y Calisto. Saturno. Muy similar a Júpiter aunque algo más pequeño. Densidad inferior a la del agua. Temperatura superficial: -180ºC Rotación de 10 horas y traslación de 30 años. Aspecto bandeado. Sistema de anillos formados por hielo y rocas. La estructura interna de Saturno es similar a la de Júpiter. Su atmósfera está compuesta por H y He. También tiene la capa interna de H metálico líquido como Júpiter y un núcleo rocoso. Saturno tiene 33 satélites de los cuales, el más conocido es Titán, el mayor satélite del sistema solar. Urano. Descubierto en el siglo XVIII. Espesa atmósfera formado por H, He y CH4. Temperatura superficial: -200ºC Rotación: 0,72 días. Traslación: 84 años. Su interior carece de la capa de hidrógeno metálico líquida propia de Júpiter y Saturno. Presenta un sistema de anillos, bastante oscuros y por tanto difíciles de observar. Presentan una rotación retrógrada (en sentido horario) y su eje de rotación es casi paralelo al plano de la eclíptica, por lo que Urano “rueda como una canica”. Urano tiene 27 satélites conocidos. Los más grandes son los siguientes: Miranda, Ariel, Umbriel, Titania y Oberón. Neptuno. Descubierto en el siglo XIX por las irregularidades gravitatorios que provocaba en la órbita de Urano. Temperatura superficial: - 220ºC. Rotación: 0,67 días. Traslación: 165 años. Su órbita se cruza con la de Plutón. Presenta un sistema de anillos. Gruesa atmósfera de nubes. Color azulado. Gran mancha negra en el hemisferio sur, similar a la de Júpiter. La composición y la estructura del planeta son similares a la de Urano. 8

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Se le conocen 13 satélites. Los más grandes son Tritón, Nereida y Proteo.

Plutón: En la actualidad considerado como planeta enano. Fue descubierto en 1930 al causar alteraciones en la órbita de Neptuno. No tiene anillos, es rocoso y pequeño (mitad del tamaño que la Tierra). Rotación: 6 días. Traslación 248 años. Temperatura superficial: -240ºC. Su órbita es muy excéntrica y se cruza con la de Neptuno, acercándose más al Sol que este. Posee un único satélite Caronte descubierto en 1978 con una rotación sincronizada con el planeta. Algunos científicos piensan que tanto Plutón como Caronte serían satélites de un planeta gigante X aún no encontrado.

LOS SATÉLITES. Astros de pequeños tamaño, aunque Ganimedes y Titán superan el tamaño de Mercurio. Giran alrededor de los planetas. Los planetas terrestres no tienen o tienen pocos satélites. Los planetas gigantes tienen un gran número de satélites. Los satélites se agrupan en dos categorías: Regulares: de órbitas casi circulares y rotación sincrónica, en el mismo sentido que el planeta. Irregulares: órbitas muy excéntricas y giran en sentido contrario al del planeta al que acompañan.

ASTEROIDES. Cuerpos rocosos de formas irregulares y de pequeñas dimensiones que giran alrededor del Sol, sobre todo en el cinturón de asteroides entre Marte y Júpiter, y en el cinturón de Kuiper que se encuentran rodeando al Sistema solar exterior. Si caen sobre un planeta u otro objeto se denomina meteoritos. Algunos como Ceres y Palas son grandes y esféricos.

COMETAS. Son astros que giran alrededor del Sol, describiendo órbitas elípticas gigantescas y muy excéntricas. Cuando se acercan a la estrella desarrollan dos colas por sublimación del hielo del que está formado su núcleo. Ejemplo. Cometa Halley con un periodo de 76 años. Pasó en 1986 la última vez.

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