Bloque V. Conocimiento, sociedad y tecnolog'a. Tema 1. El universo

Teoria de La Gran Explosion: evidencias que la sustentan, alcances y limitaciones

Caracteristicas de los Cuerpos Cosmicos, dimensiones, tipos,radiacion electromagnetica que emiten ,evolucion de las estrellas; componentes de las galaxias, entre otras.La Via Lactea y el Sol

Astronomia y sus procedimientos de investigacion: observacion, sistematizacion de datos, uso de evidencia

En cosmología física, la teoría del Big Bang o teoría de la gran explosión es un modelo científico que trata de explicar el origen del Universoy su desarrollo posterior a partir de una singularidad espaciotemporal. Técnicamente, este modelo se basa en una colección de soluciones de las ecuaciones de la relatividad general, llamados modelos de Friedmann- Lemaître - Robertson - Walker. El término "Big Bang" se utiliza tanto para referirse específicamente al momento en el que se inició la expansión observable del Universo (cuantificada en la ley de Hubble), como en un sentido más general para referirse al paradigma cosmológico que explica el origen y la evolución del mismo.Curiosamente, la expresión Big Bang proviene -a su pesar- del astrofísico inglés Fred Hoyle, uno de los detractores de esta teoría y, a su vez, uno de los principales defensores de la teoría del estado estacionario, quien en 1949, durante una intervención en la BBC dijo, para mofarse, que el modelo descrito era sólo un big bang (gran explosión). No obstante, hay que tener en cuenta que en el inicio del Universo ni hubo explosión ni fue grande, pues en rigor surgió de una «singularidad» infinitamente pequeña, seguida de la expansión del propio espacio.¹

La idea central del Big Bang es que la teoría de la relatividad general puede combinarse con las observaciones de isotropía y homogeneidad a gran escala de la distribución de galaxias y los cambios de posición entre ellas, permitiendo extrapolar las condiciones del Universo antes o después en el tiempo.

Una consecuencia de todos los modelos de Big Bang es que, en el pasado, el Universo tenía una temperatura más alta y mayor densidad y, por tanto, las condiciones del Universo actual son muy diferentes de las condiciones del Universo pasado. A partir de este modelo, George Gamow en1948 pudo predecir que debería de haber evidencias de un fenómeno que más tarde sería bautizado como radiación de fondo de microondas

En general, se consideran tres las evidencias empíricas que apoyan la teoría cosmológica del Big Bang. Éstas son: la expansión del universo que se expresa en la Ley de Hubble y que se puede apreciar en el corrimiento hacia el rojo de las galaxias, las medidas detalladas del fondo cósmico de microondas, y la abundancia de elementos ligeros. Además, la función de correlación de laestructura a gran escala del Universo encaja con la teoría del Big Bang.

Después de cierta controversia, la edad del Universo estimada por la expansión Hubble y la CMB (Radiación cósmica de fondo) concuerda en gran medida (es decir, ligeramente más grande) con las edades de las estrellas más viejas, ambos medidos aplicando la teoría de la evolución estelar de los cúmulos globulares y a través de la fecha radiométrica individual en las estrellas de la segunda Población. En cosmología física, la teoría del Big Bang o teoría de la gran explosión es un modelo científico que trata de explicar el origen del Universo y su desarrollo posterior a partir de una singularidad espaciotemporal. Técnicamente, este modelo se basa en una colección de soluciones de las ecuaciones de la relatividad general, llamados modelos de Friedmann- Lemaître - Robertson - Walker. El término "Big Bang" se utiliza tanto para referirse específicamente al momento en el que se inició la expansión observable del Universo (cuantificada en la ley de Hubble), como en un sentido más general para referirse al paradigma cosmológico que explica el origen y la evolución del mismo.

Expansión expresada en la ley de Hubble

Ley de Hubble.

De la observación de galaxias y quasares lejanos se desprende la idea de que estos objetos experimentan un corrimiento hacia el rojo, lo que quiere decir que la luz que emiten se ha desplazado proporcionalmente hacia longitudes de onda más largas. Esto se comprueba tomando el espectro de los objetos y comparando, después, el patrón espectroscópico de las líneas de emisión o absorción correspondientes a átomos de los elementos que interactúan con la radiación. En este análisis se puede apreciar cierto corrimiento hacia el rojo, lo que se explica por una velocidad recesional correspondiente al efecto Doppler en la radiación. Al representar estas velocidades recesionales frente a las distancias respecto a los objetos, se observa que guardan una relación lineal, conocida como Ley de Hubble:

donde v es la velocidad recesional, D es la distancia al objeto y H₀ es la constante de Hubble, que el satélite WMAP estimó en 71 ± 4 km/s/Mpc.

Como la velocidad de la luz es tan enorme, en nuestra vida cotidiana los objetos no se mueven a velocidades suficientemente grandes para que veamos este efecto. Sin embargo hay cuerpos cósmicos que si se mueven muy rápido; por ejemplo, algunos grupos de estrellas.

Aun que hay registros anteriores de efecto Doppler en la luz proveniente de estrellas lejanas, en 1929, el astrónomo estadounidense, Edwin Hubble, publico resultados que mostraban que las galaxias lejanas presentaban un corrimiento hacia el rojo en la luz que llegaba de ellas, lo que solo e podía explicar si se alejaban de nosotros.

Por lo que sabemos, las mismas fuerzas y las mismas leyes se cumplen en todo el universo. Es la fuerza de gravedad la que mantiene unida a la materia en los cuerpos cósmicos.

Tal vez otras desaparecieron o son muy difíciles de ver. Según este modelo, hay un tiempo de unos 300 000 años entre la aparición de los átomos y las primeras estrellas que iluminaron el Universo. A ese periodo se le llama la edad oscura. A los 350 000 años de edad el Universo estaba lleno de luz y de átomos de hidrógeno y de helio.

Una de las evidencias del modelo de la gran explosión es la llamada radiación de fondo. Se ha observado que en cualquier lugar del Universo se detecta una emisión de ondas de radio muy homogénea, como si todo el Universo estuviera sumergido en emisiones de radio provenientes de todas las direcciones.

Se llama cuerpo cósmico en general, a aquel que integra el universo, y en particular se llaman cuerpos cósmicos o materia cósmica, a lo que está fuera del globo terráqueo, y a éste se le da el nombre de cuerpo o materia sublunar.

Los antiguos creían que la materia cósmica gozaba de propiedades muy diversas de las que observamos en nuestra Tierra, pero los estudios modernos, el análisis de aerolitos y, sobre todo, laespectroscopía, han manifestado que los elementos que hay en el Sol y en las estrellas son los mismos que constituyen los cuerpos terrestres. El helio, elemento que se creía propio del Sol, es hoy contado entre los elementos que se manejan en el laboratorio químico.

Características de los cuerpos cósmicos

El fundamento de todas las ciencias físicas es la medición. En la Astronomía el avance logrado se debe a que se han podido medir cantidades como el tamaño, la masa y la distancia de los diferentes cuerpos que observamos en el Universo. 

Un cuerpo celeste (o cósmico) es un objeto de origen natural perteneciente al espacio.

Tipo de los cuerpos celestes o cósmicos: 

Estrellas.

Planetas 

Asteroides

Satélites

Cometas

Nebulosas planetarias

Hoyos negros.

Radiación electromagnética:

Todo cuerpo en el universo emite radiaciones infrarrojas, la emisión electromagnética de los cuerpos celestes es muy variada. Algunos cuerpos, como las estrellas, generan su propia emisión, otros emiten la luz que reflejan, pero todos se encuentran por encima del cero absoluto. 

Evolución de las estrellas:

Al iniciar la vida de una estrella (protoestrella) el calor de su interior procede de la energía gravitacional, cuando ya se le considera estrella se inicia la transmutación del hidrógeno en helio, después se convertirá en una gigante roja (de gran tamaño y más fría), el siguiente paso es ser una nebulosa planetaria y terminará como una enana blanca o como una supernova. 

La Vía Láctea

Nuestra galaxia con forma de lente convexa, forma parte del Grupo Local. El sistema solar se encuentra en uno de los brazos de la espiral a unos 30,000 años luz del centro y a unos 20,000 del extremo. 

En el espacio exterior hay objetos del tamaño de un grano de arena (que si chocan contra otro objeto o un astronauta son llamados micrometeoritos), miles de asteroides y cometas, con tamaños que van desde unos pocos metros hasta más de 100 km. Considerando los objetos de tamaño cercano al de la Tierra, hasta los más grandes conocidos (excluyendo las agrupaciones comoCúmulos estelares y galaxias), a continuación unos ejemplos de los tamaños de los cuerpos celestes:

• Ceres, planeta enano antes considerado el mayor de los asteroides, con 975 km en su eje mayor y 909 km en el menor
• La Luna, de 3.474,8 km en su diámetro ecuatorial
• Plutón, de 2.390 km
• Mercurio, con 4.879,4 km en su diámetro ecuatorial
• Marte, con 6.804,9 km en su diámetro ecuatorial
• Venus, con 12.103,6 km íd.
• Tierra, con 12.756,28 km íd.
• Nepturno, con 49.572 km íd.
• Urano, de 51.118 km íd.
• Saturno, de 120.536 km
• Júpiter, de 142.984 km íd.
• El Sol, de 1.392.000 km

Todos los objetos visibles del Cosmos, desde los planetas hasta los supercúmulos de galaxias, emiten algún tipo de radiación. Esta radiación es energía que viaja por el espacio. La luz que vemos es una pequeña parte de esa radicación, la que nuestros ojos pueden percibir.

La radiación electromagnética

Es la energía que emiten los cuerpos celestes y viaja por el espacio en forma de ondas. Se desplaza a la velocidad de la luz. La radiación electromagnética es, junto con la materia, el otro gran componente del Cosmos. Comprende las ondas de radio, las microondas, las ondas infrarrojas (calor), la luz visible, los rayos ultravioletas, los rayos X y los rayos gamma.

Nuestra atmósfera nos protege de la radiación electromagnética de más alta energía: los rayos gamma, los rayos X y parte de los rayos ultravioleta. De no ser así, la vida en la Tierra no sería posible.

Los rayos cósmicos

Los rayos cósmicos o radiación corpuscular no son ondas, sino partículas cargadas de energía, como los neutrinos. Las estrellas emiten lluvias de partículas que atraviesan el espacio a gran velocidad. Los rayos cósmicos trasportan la carga de energía más alta que se conoce en el Universo.

Nuestro Sol emite rayos cósmicos que llegan hasta la Tierra. El campo magnético de la Tierra desvía la mayoría. Pero son tan potentes que una pequeña parte consigue entrar en la atmósfera y atravesarla. A veces, las partículas cargadas pasan a las capas altas de la atmósfera por los Polos, y forman las auroras.

Una galaxia es un conjunto de varias estrellas, nubes de gas, planetas, polvo cósmico, materia oscura y quizá energía oscura, unido gravitatoriamente. La cantidad de estrellas que forman una galaxia es incontable, desde las enanas, con 10⁷, hasta las gigantes, con 10¹² estrellas (según datos de la NASA del último trimestre de 2009). Formando parte de una galaxia existen subestructuras como las nebulosas, los cúmulos estelares y los sistemas estelares múltiples.

Históricamente, las galaxias han sido clasificadas de acuerdo a su forma aparente (morfología visual, como se la suele nombrar). Una forma común es la de galaxia elíptica que, como lo indica su nombre, tiene el perfil luminoso de una elipse. Las galaxias espirales tienen forma circular pero con estructura de brazos curvos envueltos en polvo. Galaxias inusuales se llaman galaxias irregulares y son, típicamente, el resultado de perturbaciones provocadas por la atracción gravitacional de galaxias vecinas. Estas interacciones entre galaxias vecinas, que pueden provocar la fusión de galaxias, pueden inducir el intenso nacimiento de estrellas. Finalmente, tenemos las galaxias pequeñas, que carecen de una estructura coherente y también se las llama galaxias irregulares.

Se estima que existen más de cien mil millones (100.000.000.000) de galaxias en el universo observable. 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. El espacio intergaláctico está compuesto por un tenue gas cuya densidad media no supera un átomo por metro cúbico. La mayoría de las galaxias están dispuestas en una jerarquía de agregados, llamados cúmulos, que a su vez pueden formar agregados más grandes, llamados supercúmulos. Estas estructuras mayores están dispuestas en hojas o en filamentos rodeados de inmensas zonas de vacío en el universo.

Se especula que la materia oscura constituye el 90 % de la masa en la mayoría de las galaxias. Sin embargo, la naturaleza de este componente no está demostrada, y de momento aparece sólo como un recurso teórico para sustentar la estabilidad observada en las galaxias. La materia oscura fue propuesta inicialmente en 1933 por el astrónomo suizo Fritz Zwicky, pues la rotación observada en las galaxias indicaba la presencia de una gran cantidad de materia que no emitía luz.

Las galaxias tienen tres configuraciones distintas: elípticas, espirales e irregulares. Una descripción algo más detallada, basada en su apariencia, es la provista por la secuencia de Hubble, propuesta en el año 1936. Este esquema, que sólo descansa en la apariencia visual, no toma en cuenta otros aspectos, tales como la tasa de formación de estrellas o la actividad del núcleo galáctico.

Galaxias elípticas

Artículo principal: Galaxia elíptica.

(E0-7): Galaxia con forma de elipse. Pueden ser nombradas desde E0 hasta E7, donde el número significa cuán ovalada es la elipse; así, E0 sería una forma de esfera y E7 de plato o disco. También se puede decir que el número indica su excentricidad multiplicada por 10.

Su apariencia muestra escasa estructura y, típicamente, tienen relativamente poca materia interestelar. En consecuencia, estas galaxias también tienen un escaso número de cúmulos abiertos, y la tasa de formación de estrellas es baja. Por el contrario, estas galaxias están dominadas por estrellas viejas, de larga evolución, que orbitan en torno al núcleo en direcciones aleatorias. En este sentido, tienen cierto parecido a los cúmulos globulares.

Las galaxias más grandes son gigantes elípticas. Se cree que la mayoría de las galaxias elípticas son el resultado de la coalición y fusión de galaxias. Éstas pueden alcanzar tamaños enormes y con frecuencia se las encuentra en conglomerados mayores de galaxias, cerca del núcleo.

Galaxias espirales

La Galaxia Espiral M88.

Las galaxias espirales 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.

• (Sa-c): Galaxia de forma espiral con brazos de formación estelar. Las letras minúsculas indican cuán sueltos se encuentran los brazos, siendo "a" los brazos más apretados y "c" los más dispersos.
• Galaxias espirales barradas (SBa-c): Galaxia espiral con una banda central de estrellas. Las letras minúsculas tienen la misma interpretación que las galaxias espirales.
• 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.

Galaxias lenticulares

Galaxia lenticular NGC 2787.

Artículo principal: Galaxia lenticular.

Las galaxias lenticulares constituyen un grupo de transición entre las galaxias elípticas y las espirales, y se dividen en tres subgrupos: SO1, SO2 y SO3. Poseen un disco, una condensación central muy importante y una envoltura extensa.

Incluyen las lenticulares barradas (SBO), que comprenden tres grupos: en el primero (SBO-1), la barra es ancha y difusa; en el segundo (SBO-2) es más luminosa en las extremidades que en el centro; y en el tercero (SBO-3) es ya muy brillante y bien definidas.

Galaxias irregulares

Galaxia irregular NGC 1427A (captura del telescopio espacial Hubble).

Una galaxia irregular es una galaxia que no encaja en ninguna clasificación de galaxias de la secuencia de Hubble. Son galaxias sin forma espiral ni elíptica.

Hay dos tipos de galaxias irregulares. Una galaxia Irr-I (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. Una galaxia Irr-II (Irr II) es una galaxia irregular que no muestra ninguna estructura que pueda encuadrarla en la secuencia de Hubble.

Las galaxias enanas irregulares suelen etiquetarse como dI. Algunas galaxias irregulares son pequeñas galaxias espirales distorsionadas por la gravedad de un vecino mucho mayor.

Del total de galaxias observadas hasta la fecha solo un 5% de las galaxias brillantes reciben el nombre de galaxia irregular.

Galaxias activas

Las galaxias activas son galaxias que liberan grandes cantidades de energía y/o materia al medio interestelar mediante procesos que no están relacionados con los procesos estelares ordinarios. Aproximadamente un 10% de las galaxias pueden clasificarse como galaxias activas.

La mayor parte de la energía emitida por las galaxias activas proviene de una pequeña y brillante región del núcleo de la galaxia, y en muchos casos se observan líneas espectrales de emisión anchas y/o estrechas, que evidencian la existencia de grandes masas de gas girando alrededor del centro de la galaxia.

Los tipos más importantes de galaxias activas son:

Galaxias Seyfert

Artículo principal: Galaxia Seyfert.

Son galaxias espirales que se caracterizan por tener un núcleo puntual muy brillante. Según su espectro se distinguen:

• Galaxia Seyfert Tipo I: poseen líneas anchas de emisión.
• Galaxia Seyfert Tipo II: poseen líneas estrechas de emisión.

También se observa que estas galaxias emiten débilmente en radio.

Galaxias «Starburst»

Artículo principal: Galaxia Starburst.

Son galaxias en las que se están formando enormes cantidades de estrellas muchas de las cuales, tras morir, explotan produciendo supernova, pese a que este fenómeno forma parte de la evolución estelar y formalmente este grupo no estaría en nuestra clasificación. Esta formación anormalmente alta de estrellas podría estar ligado a mecanismos internos del núcleo de la galaxia.

Radiogalaxias

Artículo principal: Radiogalaxia.

Las radiogalaxias suelen estar asociadas a galaxias tipo E con núcleo activo. Emiten a longitudes de onda de radio y algunas pueden ser relativamente débiles. Suelen ser galaxias que se extienden por amplias zonas del espacio. Presentan un núcleo brillante y normalmente suelen estar rodeadas por dos chorros de partículas de grandes dimensiones. Además, en muchas de ellas se ha detectado radiación sincrotrón.

Cuásares.

Los cuásares tienen aparentemente el mismo aspecto de una estrella; de ahí su nombre, que proviene de la contracción inglesa quasi-stellar.

En esencia, los cuásares consisten en un núcleo no resuelto y muy luminoso con fuertes líneas de emisión anchas y estrechas. En los cuásares más cercanos se observa una nubosidad difusa, revelando que este tipo de objetos no son más que núcleos de galaxias activas muy lejanas de las que únicamente somos capaces de detectar su núcleo.

Se sabe que la masa de estos objetos es muy elevada y generalmente presentan una forma estructurada.

La astronomía es la ciencia que se compone del estudio de los cuerpos celestes del universo, incluidos los planetas y sus satélites, loscometas y meteoroides, las estrellas y la materia interestelar, los sistemas de estrellas, gas y polvo llamados galaxias y los cúmulos de galaxias; por lo que estudia sus movimientos y los fenómenos ligados a ellos. Su registro y la investigación de su origen viene a partir de la información que llega de ellos a través de la radiación electromagnética o de cualquier otro medio. La astronomía ha estado ligada al ser humano desde la antigüedad y todas las civilizaciones han tenido contacto con esta ciencia. Personajes como Aristóteles, Tales de Mileto, Anaxágoras,Aristarco de Samos, Hiparco de Nicea, Claudio Ptolomeo, Hipatia de Alejandría, Nicolás Copérnico, Tycho Brahe, Johannes Kepler, Galileo Galilei, Christiaan Huygens o Edmund Halley han sido algunos de sus cultivadores.

Es una de las pocas ciencias en las que los aficionados aún pueden desempeñar un papel activo, especialmente en el descubrimiento y seguimiento de fenómenos como curvas de luz de estrellas variables, descubrimiento de asteroides y cometas etc.

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