TEMA 1- El Universo - apuntes tema 1 PDF

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FUNDAMENTOS DE CIENCIAS DE LA TIERRA

TEMA 1 INTRODU ODUCCIÓ CCIÓN. TIERRA EN INTR ODU CCIÓ N. L A TIER RA E N EL UNIVERSO.

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Tema 1 Introducción. La Tierra en el universo | GP114 Fundamentos de Ciencias de las Tierra

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1.

Modelos de Universo

Antes de abordar las principales ideas que la Cosmología (ciencia que se ocupa del estudio del universo) aporta actualmente sobre el Universo, es conveniente tener en cuenta la evolución del pensamiento humano en este sentido, para lo que revisaremos las principales concepciones o modelos que han estado vigentes. Desde las pre- o protocientíficas (influidas por el animismo, chamanería, mitos, leyendas) hasta las distintas teorías científicas que se han ido sucediendo. Este enlace resume las principales teorías https://www.youtube.com/watch?v=gcCqYyya8-Q. Para comprender mejor el modelo de Ptolomeo esta animación (https://www.youtube.com/watch?v=-JUKIyjOX3Q) representa las 7 esferas correspondientes a la Luna, El Sol y los 5 planetas conocidos en la época y la esfera de las estrellas fijas.

2.

Teorías actuales

El Cuerpo Teórico actual que integra la concepción que tenemos sobre el Universo se estructura en torno a la conocida Teoría del Big-Bang (gran explosión) que fue desarrollándose en el siglo XX (y aún hoy lo sigue haciendo), a partir de una serie de descubrimientos que modificaron sustancialmente muchas de las ideas que estaban vigentes en el pasado. La comprensión detallada de este cuerpo teórico implica matemáticas complejas, por lo que nos aproximaremos a él desde un punto de vista descriptivo y divulgativo. En primer lugar abordaremos las bases o descubrimientos (producidos en el siglo XX) que sustentan la teoría y que llevaron a rechazar los modelos anteriores. A continuación revisaremos breve y descriptivamente la Teoría del Big-Bang y finalizaremos con las Teorías que se ocupan de la posible evolución del Universo. 2.1. Bases Antes de entrar en materia conviene hacer un paréntesis para ponerse al día en una serie de conceptos básicos que hacen falta para comprender la argumentación posterior: ü Revisar los conceptos de: radiación electromagnética, longitud de onda, frecuencia (en analogía con otros movimientos ondulatorios como el sonido). ü Introducir el concepto de Efecto Doppler. Este efecto consiste en que al emitir radiación un cuerpo en movimiento, las ondas que se emiten en el mismo sentido que el movimiento sufren un acortamiento en su longitud de onda (se desplazan al azul en el caso de luz visible), mientras que las que se emiten en sentido contrario al movimiento sufren una alargamiento en su longitud de onda (se desplazan al rojo en el caso de luz visible). Video explicativo: (ver vídeo efecto Doppler en recursos Tema 2 GEOLOGÍA moodle) Vamos a comentar dos bases (descubrimientos) que sustentan el cambio de paradigma desde los modelos de universo clásicos hasta las teorías actuales: 1) Descubrimiento de que las galaxias se alejan unas de otras y 2) Descubrimiento de la radiación de fondo del Universo. !!!!!! !

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! ! BASE 1: Las galaxias se alejan unas de otras: Descubridor: Edwin Hubble y col. Fenómeno: Desplazamiento a longitudes de onda mayores de la luz procedente de galaxias lejanas. Consecuencia: Las galaxias se alejan unas de otras Implicación: El Universo está en expansión

Los trabajos de Hubble y su equipo a principios del siglo XX fotografiando y catalogando galaxias le llevaron a detectar que la radiación procedente de todas las galaxias lejanas sufría un alargamiento en su longitud de onda (al rojo en el caso de la luz). La interpretación de este hecho según el efecto doppler significaba que todas se alejaban de nosotros. El efecto aumentaba con la distancia, es decir las galaxias más lejanas se alejaban a mayor velocidad. Posteriormente otros autores postularon que no había un “centro de expansión” (universo isótropo) y que en realidad todas las galaxias se alejan unas de otras. Todo esto llevó a cristalizar la idea de la Expansión del Universo. Es el propio Universo el que crece a cada instante, rompiendo con la idea anterior de universo permanente sin evolución. Ver documento: La Ley de Hubble en contenidos Tema 2 GEOLOGÍA ü Comentar la analogía del globo hinchándose. ü Comentar la existencia de 4 dimensiones espacio-temporales. BASE 2: Detección de la radiación de fondo del Universo: A destacar: George Gamow y col. Fenómeno: Existencia de una radiación de fondo en el Universo (una determinada frecuencia en la región de microondas). Consecuencia: El Universo estuvo una vez en las condiciones propuestas por Gamow Implicación: El Universo comenzó con una gran explosión o expansión inicial (BigBang)

La idea del Universo en expansión llevó a Gamow y col. a considerar como sería éste en épocas cada vez más pretéritas (sería como rebobinar una película). La lógica nos conduce a un Universo muy pequeño (un punto). Gamow postuló las condiciones físicas iniciales para esta situación. Simplificando podemos ejemplificar en Volumen tendiendo a cero, Temperatura altísima, Densidad tendiendo a infinito… Sus cálculos permitieron describir la energía liberada en los primeros instantes del Universo y predecir (por parte de otros autores) que actualmente sería detectable en un determinado valor de frecuencia en la región de microondas (después del efecto Doppler acumulado debido al tiempo transcurrido). Estos trabajos no tuvieron en su momento (décadas de los 30 y 40 del siglo XX) demasiado impacto en el ámbito científico (excepto en los físicos teóricos). Finalmente en la década de los 60 Penzias y Wilson (ingenieros de la compañía de teléfonos norteamericana Bell) descubrieron de forma casual esa radiación de microondas, con las características anteriormente predichas, procedente de todos los lugares del Universo. Esta es la radiación de fondo, eco del inicio del Universo que prueba definitivamente la Teoría del Big-Bang.

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! ! 2.2 Teoría del Big Bang En el siguiente Esquema se resume la evolución del universo según la Teoría del Big-Bang: t!=!0 t!=!10-43!s t!=10-43-10-5!s t!=10-5s-1!min aprox.!1000 años aprox.!109!años 13,7x109!años

Big-!Bang.!Comienzo!del!universo! Aparición!de!las!4!dimensiones!espaciotemporales! Aparición!de!las!4!fuerzas:!gravedad,! lectromagnética,!nuclear!débil!y!nuclear!fuerte! Se!forman!protones!y!neutrones!libres!/!primeros! úcleos!atómicos! Empieza!la!formación!de!los!primeros!átomos!(H!y!He)! Formación!de!las!estrellas! Formación!de!las!galaxias! Expansión!hasta!la!actualidad!

! ! El Universo que conocemos comenzó con una gran expansión que liberó todo lo que potencialmente contiene actualmente a partir de un volumen mínimo (casi un punto). En los primeros instantes se definieron las leyes fundamentales al concretarse las dimensiones (4 dimensiones fundamentales espacio temporales y hasta 11 en total a nivel subatómico según las últimas teorías), y las fuerzas que gobiernan el Universo. Posteriormente se diferenció la materia de la energía, apareció la luz (el Universo se iluminó). Aparecieron las primeras partículas con masa y carga, aunque transcurrió bastante tiempo hasta que aparecieron los átomos completos (el de hidrógeno y posteriormente el de helio). La materia se condensó en estrellas, agrupadas en galaxias, mientras el Universo continuaba (y actualmente sigue haciéndolo) aumentando de volumen. Ver video (Teoría del Big Bang en recursos Tema 2 GEOLOGÍA MOODLE): https://www.youtube.com/watch?v=iJnxKhhUbmc El proceso completo responde a un enfriamiento y pérdida de densidad del “material inicial” que lleva a la diferenciación en una serie de estructuras más complejas (átomos, radiación, estrellas, galaxias…). Ver documento: La teoría del Big Bang en contenidos Tema 2 Geología Moodle

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! ! 2.3. Características del Universo y Jerarquía de estructuras Edad: Diversas estimaciones basadas en la Teoría del Big-Bang vienen estableciendo la edad del Universo en torno a los 15000 millones de años (±3000 millones). Los cálculos más recientes la estiman en 13700 millones (13,7x109) de años. Tamaño: Se trata de una estructura inmensa a escala humana. Las galaxias más lejanas se encuentran a miles de millones de años-luz. Estamos en un Universo que contiene cientos de miles de millones de galaxias. Cada una de ellas (como nuestra Vía Láctea) con cientos de miles de millones de estrellas (siendo el Sol sólo una de ellas). Jerarquía: El Universo se organiza en una serie de estructuras (algunas de las cuales se han descrito aquí). La organización de ellas sigue la siguiente jerarquía de tamaño o pertenencia: Universo > Cúmulo de Galaxias > Galaxia > Cúmulo de Estrellas > Sistema Estelar / Estrella > Planetas (planetoides, cometas, asteroides…) > Satélites Ver enlace: Jerarquía del universo en recursos Tema 2 GEOLOGÍA en moodle 2.4. La evolución del Universo Dado que la Cosmología actual plantea un Universo en evolución (actualmente en expansión), tiene sentido preguntarse sobre el futuro. Hacia dónde nos llevará la expansión. En principio existen dos fuerzas que compiten entre sí: la propia expansión debida al Big-Bang inicial (que tiende a disgregar el Universo) y la gravedad (que tiende a reunirlo). Según la relación entre estas fuerzas tendríamos distintas posibilidades:

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Gravedad'>' Expansión' Depende!de! la!Masa! Total!del! Universo! (problema! de!la! materia! )

Frenado!de!la!expansión!seguido! de!una!contracción!(Big!Cruch).! Posibles!ciclos!de!ExpansiónContracción!

Muerte!por!calor! Modelo!de! universo!cerrado!

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Gravedad'...