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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 13700 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
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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 300000 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
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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: 28-05-2008
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 - 28-05-2008
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 100.000 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.
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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.
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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.
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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.
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