De Átomos a Galaxias: proyecto de investigación sobre el Big Bang y el origen del Universo PDF

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Un trabajo de investigación científica realizada por estudiantes de la preparatoria UDG sobre la ya tan conocida teoría del Big Bang donde se retoman aspectos como la manera en que sucedió, las consecuencias que trajo su descubrimiento, científicos involucrados en la teoría y sus aportes, el origen ...

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Universidad de Guadalajara Preparatoria Regional de Tala

DE ÁTOMOS A GALAXIAS

Autores:  Giovanni Romero  Cristobal Torres  Keily Torres  Yaretzi Cervantes  Mariel Torres  Mia Chávez  Kevin Chávez Comprensión de la Ciencia Ciclo escolar: 2021B

Planteamiento del problema ¿Cómo sucedió el hecho conocido como el BigBang?

Justificación y marco teórico ¿Por qué queremos investigar ese tema? “Cuando pensamos en un informe de investigación, pensamos en la meta de toda investigación, los resultados obtenidos, el dar a conocer las conclusiones que varían de un autor a otro ” (Torres, M. 2021). “El comprender todas las cuestiones acerca del tema, el ¿cómo sucedió?,¿cuándo? y ¿por qué sucedió? ” (Romero, G. 2021). Es un tema del cual todos en algún momento nos hemos cuestionado, si en verdad la teoría que nos ofrece la ciencia es la verdadera o simplemente este hecho está fuera de la comprensión humana y del cual nunca sabremos a ciencia cierta (Cervantes, Y. 2021). Además, se busca crear una respuesta consolidada dando a conocer acerca de este acontecimiento ya que es un tema no muy conocido o muchas personas no saben muy bien de lo que trata, este está relacionado con la creación del universo y las explosiones que se fueron generando las cuales dieron origen al universo (Torres, C. y Chavez, M. 2021) Con el paso de los años, las evidencias observacionales apoyaron la idea de que el universo evolucionó a partir de un estado denso y caliente. Desde el descubrimiento de la radiación de fondo de microondas, en 1965, ésta ha sido considerada la mejor teoría para explicar la evolución del cosmos y la estructura del universo a gran escala (Torres, K. 2021). “En el principio no hay nada, ni materia, energía o tiempo. De la nada aparece una bola de fuego más pequeña que un átomo y billones de billones de veces más caliente que el núcleo del sol” (National Geographic, 2014). “El universo después de haber estado muy comprimido, nació de una gigantesca explosión hace cerca de 15.000 millones de años” (Pons, M. 2007). “Tras el Big Bang el universo se expandió con una velocidad incomprensible desde su origen del tamaño de un guijarro a su alcance astronómico.” (National Geographic, 2010). En su evolución se formaron primero las partículas subatómicas, los núcleos atómicos y después se empezaron a formar los primeros grumos de materia (Contreras, C. 2004). El universo

observable es más que el 10% de toda la materia del universo. El 90% es materia y energía oscura, que no son visibles, pero que se manifiestan o ponen en evidencia indirectamente (Ciencias para el mundo. 2021). Fred Hoyle acuñó el término “Big - Bang” durante una entrevista de la BBC en Londres en 1949, burlándose de las ideas relativas a la expansión del universo (Biblioteca ULGPC, 2021).

¿Cómo sucedió? El Big Bang sucedió en una fracción de segundo y nació todo el universo. En el principio no había nada, el tiempo tampoco existía, de la nada aparece una bola de fuego millones de veces más caliente que el sol y más pequeña que un átomo la cual tenía comprimida toda la energía. Este exploto desde una concentración más pequeña que la punta de un alfiler causando así el Big Bang Una de las grandes incógnitas de nuestra existencia es cómo se origino el universo y con el nuestra existencia. ¿Cómo es posible que se formaran las estrellas, planetas y galaxias? Para buscar respuestas a estas preguntas surgió la famosa teoría del Big Bang o ‘Gran Explosión’. ¿Puede explicar esta teoría el origen del universo? Argumenta que el universo, tal y como lo conocemos hoy, se originó hace 13.700 millones de años como consecuencia de una gran explosión en el espacio conocida como Big Bang. Sin embargo, ¿por qué sucedió dicha explosión? Ahora puede haber una explicación para todo esto. Un equipo de científicos de la Universidad de Florida (EE.UU.), liderado por el doctor Kareem Ahmed, ha podido descubrir por casualidad en su laboratorio las condiciones necesarias para que se produzca una explosión como la del Big Bang. Los investigadores estaban inmersos en pruebas para producir una propulsión de chorro hipersónico cuando descubrieron que una llama podía acelerar y explotar por si sola. «Exploramos estas reacciones supersónicas para la propulsión, y como resultado, encontramos un mecanismo que parecía muy interesante. Cuando comenzamos a profundizar, nos dimos cuenta de que esto se relaciona con algo tan profundo como el origen del universo”, comenta Ahmed sobre la investigación publicada en la revista Science.

¿Qué ocurrió después? ¿Qué pasó durante la primera billonésima parte de un segundo tras el Big Bang?

Nuestro universo nació hace unos 13.700 millones de años en una expansión masiva que hizo estallar el espacio como si de un globo gigantesco se tratase. Esta enorme expansión se conoce como Big Bang. Y, aunque no podemos observar los primeros momentos del universo, sí que es posible reconstruirlo matemáticamente. Esto es precisamente lo que han hecho los científicos de las universidades de Göttingen y Auckland (Nueva Zelanda) tras mejorar las capacidades de las simulaciones realizadas por ordenador con la intención de dibujar los primeros momentos de nuestro cosmos. Al hacerlo, encontraron que una compleja red de estructuras se formó en la primera billonésima de segundo después del Big Bang. El comportamiento de estos objetos, a escala microscópicamente pequeña (que caben en volúmenes mucho más pequeños que las partículas sedimentarias actuales), imita la distribución de las galaxias en el universo actual. Se formaron los primeros quarks y leptones, las unidades constituyentes de las partículas elementales. Además, la única fuerza unificada original se separó en las cuatro fuerzas que hoy conocemos: gravedad, electromagnetismo y las fuerzas nucleares fuerte y débil. ¡Y esto fue sólo en la primera diez mil millonésima de segundo! Las siguientes en formarse fueron las propias partículas, incluyendo los protones, los neutrones y los electrones. Luego se formaron los primeros núcleos a partir de protones y neutrones; y luego los núcleos y los electrones sueltos se mezclaron en un gas llamado plasma (cuarto estado de la materia). Finalmente, los electrones, los neutrones y los protones se unieron en átomos, los familiares bloques constituyentes del mundo tal como hoy lo conocemos. En un instante, este «material» se había extendido hasta proporciones cósmicas. Las simulaciones también mostraron a los científicos la formación de regiones con alta densidad unidas por su gravedad. “El espacio físico representado por nuestra simulación encajaría en un solo protón un millón de veces”, explica Jens Niemeyer, director del Grupo de Cosmología Astrofísica de la Universidad de Göttingen. "Es probablemente la simulación más grande del área más pequeña del universo que se ha llevado a cabo hasta ahora". Estructuras muy pequeñas y efímeras Aunque las estructuras simuladas por ordenador tendrían una vida muy corta y eventualmente se "vaporizarían" en partículas elementales estándar, los rastros de esta fase temprana extrema podrían ser detectables en experimentos futuros. Entre el comienzo y el fin de la simulación, el área estudiada se extendió unas diez millones de veces su volumen inicial (siendo aún más diminuta que el interior de un protón).

"La formación de tales estructuras, así como sus movimientos e interacciones, debe haber generado un ruido de fondo de ondas gravitacionales", comenta Benedikt Eggemeier, estudiante de doctorado en el grupo de Niemeyer y primer autor del estudio. "Con la ayuda de nuestras simulaciones, podemos calcular la fuerza de esta señal de onda gravitacional, que podría medirse en el futuro". Todo comienza una pequeña fracción de segundo después de la explosión inicial, el Big Bang. El tiempo comienza a desplegarse en el espacio de un segundo todo el cosmos surgirá.El reloj cósmico choca su primer golpe en 10-43 segundo. El universo es en este momento un vacío burbuja de energía muy denso, muy caliente, es de suponer, se hincha de repente, es la inflación cósmica. En 10-32 segundo, las partículas elementales y sus antipartículas emergen del espacio en expansiónEn 10-6 segundo, es decir una millonésima de segundo después, se presenta una primera fuerza, la fuerza nuclear fuerte. Durante el primer microsegundo del Big Bang.Una rápida expansión creó partículas, átomos, estrellas, galaxias y la vida tal como la conocemos hoy una sustancia llamada Plasma Quark-Gluon que era la única materia, que existía durante el primer microsegundo del Big Bang, que constaba de quarks y gluones se separó por la expansión caliente del universo.

¿Por qué se le conoce como el big-bang? Se dice que el astrofísico y escritor de ciencia ficción, Fred Hoyle acuñó el término “Big Bang” durante una entrevista en la BBC de Londres en 1949. Él se burlaba de las ideas relativas a la expansión del universo. “Big Bang” era así un denominación que en un principio negaba la posibilidad del universo expansivo, con la que Hoyle pretendía manifestar su tesis del universo estacionario. Frente a este planteamiento, contraponía unas teorías basadas en la “hipótesis de que toda la materia del universo fue creada en un gran estallido (“big bang”) en un momento particular en el tiempo en un pasado remoto”. Pronto se volvió un término que fue siendo apropiado por otros científicos interesados en saber más del universo, las conexiones entre galaxias y la vida en el exterior, hecho que luego derivó en un nuevo modelo del origen del universo y las estrellas. Según Kragh, el primer artículo con la palabra “Big Bang” en el título fue uno firmado por Stephen Hawking sobre el origen del helio del cosmos. Ya en 1973, el libro Gravitation, hablaba del modelo estándar del Big Bang introduciendo el término en el

canon científico a más de dos décadas después de que Hoyle lo acuñase durante su charla en la BBC. A muchos cosmólogos les disgustaba el apelativo de Big Bang para referirse al inicio del universo, pues consideraban que no era adecuado para el fenómeno que describe. Kragh apunta: "Big Bang evoca imágenes de un evento primordial en forma de explosión, en lugar de un universo ultraconcentrado que se infla o se expande rápidamente". En una entrevista de 1968, poco antes de morir, Gamow mencionó: “No me gusta la palabra. No lo llamo Big Bang porque es como un cliché. Esto fue inventado por cosmólogos del estado estacionario. Lo llaman gran estallido o bola de fuego y no tiene nada que ver con eso" En 1993, la revista de astronomía Sky and Telescope había organizado un concurso para rebautizar la teoría. Llegaron 13,099 sugerencias desde 41 países, pero el jurado de expertos decidió que ninguna de ellas merecía sustituir al denostado Big Bang. Dos años después, Fred Hoyle dijo en una entrevista “las palabras son como arpones, una vez que han entrado, son difíciles de sacar”.

¿La expansión del big-bang? El Big Bang no se expandió a través de nada: antes del Big Bang no existía espacio, ni tiempo. Más bien, los físicos creen que el Big Bang creó y extendió el espacio mismo. Un proceso que hasta hoy sigue ocurriendo. Este hecho fue ocasionado por un eco, que tenía un ritmo que iba decreciendo por efecto de la atracción gravitatoria mutua entre galaxias distantes (aunque lentamente por la baja densidad de materiaenergía presente en el universo, Ωm, que se estima que es igual a 0,29). La hipótesis más común para dar cuenta de la expansión del universo es asumir la existencia de un tipo de energía exótica llamada energía oscura. De acuerdo con los cálculos cuantitativos alrededor del 70 % del contenido energético del universo consistiría en energía oscura, cuya presencia tendría un efecto similar a una constante cosmológica de tipo expansivo como el observado; sin embargo, la naturaleza exacta de este tipo de energía es desconocida. En su evolución se formaron primero las partículas subatómicas, los núcleos atómicos y después se empezaron a formar los primeros grumos de materia, por evolución se forman estrellas y galaxias y desde el Big Bang hasta la época actual el Universo no ha dejado de expandirse. El Modelo de expansión indefinida: Sostiene que las fuerzas expansivas, impresas desde el Big Bang superan a la fuerzas de atracción gravitatorias, que no es capaz de frenar la expansión. Implica un Universo progresivamente menos denso de energía y cada vez más frío.

Otras teorías sobre el origen del Universo

La teoría de la gran explosión es, la explicación más aceptable sobre el origen y evolución del Universo. La cual toma como base la teoría de la relatividad de Albert Einstein, la cual propone que “Explica la gravedad como efecto de la curvatura del espacio; un cuerpo muy denso, como un planeta o un agujero negro, distorsiona el espacio, curvándolo”. (Einstein, A. 1915) Esa curvatura modifica la trayectoria de los objetos que se desplazan en ella, incluso, cuando un haz de luz pasa cerca de un objeto masivo también se curva. En la ausencia de masa el espacio es plano, y en él las trayectorias de la luz es una recta. Sin embargo, los objetos masivos no solo modifican el espacio, también el tiempo. El tiempo y el espacio no son iguales en todas las regiones del universo, y no lo eran cuando éste se originó. El modelo considera al universo como un fluido homogéneo en expansión; supone una mezcla de radiación electromagnética y materia. Se considera que en el Universo temprano domino la radiación, y en el actual, la materia (las galaxias). “En el principio, el Universo estaba concentrado en un punto con densidad y temperatura infinitas. De pronto, ese punto comenzó a expandirse (la gran explosión) y se convirtió en Universo. ¡Todo lo que existe salió de ese punto!”. (Hubble, E. 1925) No podemos localizar el lugar ni el momento de la explosión porque esta no se originó en el espacio, más bien, genero el espacio y fue inicio del tiempo. Pero, aunque pueda remontarse al “tiempo cero” el modelo explica bien lo que ocurrió luego de 10 -35 s de la explosión: el Universo se expandió. La inflación (Guth, A. 1979) resuelve el origen de la estructura a gran escala del Universo y el equilibrio térmico de zonas del Universo extraordinariamente alejadas entre sí. Tras la inflación, el Universo continuó expandiéndose de modo más lento. El Universo temprano se encontraba a temperaturas muy altas (radiación de alta energía. Rayos Gamma), entonces tuvieron lugar los procesos nucleares donde la energía se convertía en materia y viceversa. La investigación cosmológica se enfrenta a problemas de distintos tipos, por lo que la teoría de la gran explosión es un modelo muy limitado. La inflación explica por qué la radiación cósmica de fondo es isotrópica (implica un equilibrio térmico de zonas del Universo separadas). Esta situación ha hecho confiable el modelo; sin embargo, persisten problemas… No hay una explicación satisfactoria de por qué el Universo parece haber comenzado con una entropía tan baja y favorable a su evolución. La expansión del Universo, no sigue exactamente la ley de Hubble. Al repetir la gráfica que Hubble construyó, se comprobó que la relación velocidad-distancia no es proporcional, lo cual implica que la expansión del Universo se acelera. Problema de la planitud, se refiere a que no se tiene una explicación satisfactoria del hecho de que la densidad de materia y energía es la justa para que el Universo tenga una geometría plana.

Conforme el Universo seguía su expansión, la temperatura disminuía, permitiendo que la materia formara núcleos de hidrogeno y helio. Esto ocurrió, tres minutos después de la gran explosión. “Los primeros átomos se formaron cuando la temperatura bajó a unos 6 000 ºC, 380 000 años después de la gran explosión”. (Física 2. 2019) Al expandirse, el Universo se enfrió, y las diferencias de temperatura y densidad, significaron acumulaciones de materia de donde surgieron las galaxias por efectos de la gravedad. La gravedad, determino la formación de estrellas, y a partir del hidrogeno y helio se creó el oxígeno, carbono y otros elementos y, eventualmente, dieron origen a los planetas y a la vida. George Gamow (1948) consideró que “Como efecto las altas temperaturas iniciales, la gran explosión debió dejar tras de sí una radiación electromagnética que llena todo el Universo actual y debe ser igual en cualquier punto del espacio”. Según la WMAP, la temperatura de la radiación ósmica de fondo es de 3K y la edad del Universo, de unos 13 700 millones de años. El modelo permite calcular las proporciones de varios tipos de helio molecular e hidrogeno. También es consistente con la expansión del Universo, la evolución y la distribución de las galaxias y con la edad de las estrellas más viejas conocidas. Los cosmólogos consideran que es posible que el Universo siga su expansión, de modo que se enfrié, o puede ser que se detenga e inicie su proceso de compactación, hasta volver a formar un núcleo primordial; La Gran Implosión “Big Crunch”. Otras teorías suponen que… El estado estacionario plantea un Universo en expansión, pero estable en el tiempo y el espacio, debido a la creación de la nueva materia. La teoría del decaimiento fotònico, plantea la hipótesis de que los fotones pierden la energía al viajar por el espacio; este efecto elimina la expansión de Universo y la gran explosión, pero resuelve el problema de la supuesta materia no observada. La ley de la gravitación de Isaac Newton o cuestionan la naturaleza del tiempo y proponen un estado más o menos estacionario (sin Big bang).

Hipótesis 

Quizás toda la energía llegó a un punto donde no fue capaz de contenerse, ocasionando así una expansión masiva dando origen al “universo”. Esta hipótesis plantea que el universo conocido se formó a partir de que la “nada” surgió un super átomo que explotó originando la materia y la energía existente, que se expande desde entonces del centro de esta explosión .

 Pudo existir una colisión entre dos agujeros negros, dando como resultado la explosión. Einstein explica como un cuerpo muy denso distorsiona el espacio. Los objetos masivos no solo modifican el espacio sino también el tiempo. El espacio y el tiempo no son iguales en las regiones del universo, y no lo eran cuando este se originó.

Objetivo Investigar por medio del método cualitativo, apoyándonos por observaciones y experimentos para, lograr comprender cómo sucedió este hecho. 

Ampliar nuestro conocimiento sobre el Big Bang y lograr resolver todas nuestras dudas posibles.

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Identificar relaciones entre las distintas teorías que surgen con respecto a este acontecimiento.

Marco metodológico Método Cualitativo Nos brinda el apoyo acerca de las distintas teorías y punto de vista que surgen referente a la cuestión de ¿cómo sucedió? y ¿que ocasionó el Big Bang?. La investigación cualitativa es el método científico de observación para recopilar datos. Las técnicas del método cualitativo que se emplearán en este proyecto serán la recopilación de datos y el análisis d información, dependiendo del punto de vista de cada auto

Recursos Materiales  Libros  Computadora  Celular  Lapicera  Lápices

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Corrector Marca texto Regla Borrador Sacapuntas Revistas

 Cuaderno  Mesa Humanos  Maestro Gibran Buenrostro  Eduardo Chávez Compañeros de equipo:  Giovanni Romero  Cristobal Torres  Corina Torres  Yaretzi Cervantes  Mariel Torres  Mia Chavez  Kevin Chávez

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Silla

Cronograma de investigación Viernes 10/09/21

Recopilación de información para la justificación de la investigación, videollamada y llenado del cuadro (página 7679. Libro de texto).

Lunes 13/09/21

Videollamada y el inicio del protocolo de investigación (Fase del diseño metodológico. Página 81-84. Fase. Libro de texto).

Martes 14/09/21

Videollamada y conclusión del protocolo de investigación (Fase del diseño metodológico. Página 84-89. Fase. Libro de texto).

Miércoles 15/09/21

Videollamada e inicio del proyecto.

Jueves 16/09/21

Videollamada, desarrollo del proyecto e inte...