Cosmología

Origen del Universo. Galaxias. Estrellas. Sol. Planetas

  • Enviado por: Andrés Cobos
  • Idioma: castellano
  • País: España España
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Es el estudio del Universo. En este estudio se trata las teorías sobre su origen y su evolución y los componentes que lo forman. Es decir, Cosmología es el estudio específico del origen del Universo y de sus sistemas astronómicos. En este trabajo voy a tratar de la Cosmología la parte de los componentes que forman universo explicando también el universo.

El Universo

Es el conjunto de cuerpos celestes, nebulosas y espacios intermedios. Las nuevas teorías le suponen un volumen y edad.

  • Volumen:

El volumen del universo es el espacio ocupado por sus nebulosas, es decir, el espacio de sus hiperesfera, que es variable según la atracción entre sus nebulosas, y que actualmente se calcula en unos 10000 millones de años luz y la longitud de la circunferencia se calcula en 63000 millones de años luz.

Para hallar su volumen se realiza la fórmula que deriva del producto de una circunferencia máxima por el área del circulo máximo, es decir:

V=2ð2R3*(años luz)3

En el interior y exterior de esta superficie esférica no existiría nada y el universo se limitaría a esa superficie esférica.

  • Pero para comprender su volumen tendremos que conocer la teoría del formamiento del universo y su posterior expansión, es decir, la teoría del Big Bang:

El físico ruso nacionalizado estadounidense George Gamow planteó que el Universo se creó en una explosión gigantesca y que los elementos que hoy observamos se produjeron durante los primeros minutos después de la gran explosión (Big Bang), cuando la gran temperatura y la densidad del Universo fusionaron partículas subatómicas en los elementos químicos. Cálculos más recientes indican que los provocantes de la gran explosión fueron átomos de hidrógeno y de helio y los elementos que producirían el calor en las estrellas. A causa de su la gran densidad de la materia existente, en los primeros momentos, el universo se expandió con rapidez y posteriormente al expandirse y condensarse el helio y el hidrógeno convirtiéndose en estrellas y galaxias. Esto explica la expansión del Universo.

Pero en la actualidad uno de los problemas sin resolver en la Cosmología es si el Universo es abierto o cerrado, si se expandirá indefinidamente o se volverá a contraer.

  • La edad del Universo:

Si se conocemos la tasa de expansión del Universo, se calcula su edad determinando el tiempo que se requiere para alcanzar su tamaño actual. Éste cálculo no se podrá realizar cuando la expansión disminuya a causa de la atracción gravitatoria mutua entre las galaxias. El primer cálculo realizado le dio una vida de 2.000 millones de años. Esta edad se supuso errónea cálculos posteriores que daban a la Tierra 5.000 millones de años que se supo por la abundancia de ciertos isótopos radiactivos, pero este cálculo era erróneo pues se descubrió, que hay dos tipos de estos materiales con brillo diferente. En la actualidad se deduce que la edad del universo está entre 7.000 y 20.000 millones de años y de este modo, los cálculos parecen válidos pues con esta medida la Tierra queda en inferioridad de edad frente al universo. Sin embargo, algunos cálculos niegan la veracidad de la edad calculada de objetos astronómicos como los cúmulos de estrellas, así que el problema de la edad del Universo es una incógnita importante en la cosmología actual.

Las Galaxias

Las galaxias son formaciones de estrellas (todas interaccionando gravitatoriamente y orbitando alrededor de un centro común), gas y polvo también conocidas como nebulosas, espirales u universos islas.

Su diámetro está entre 1500 y 300000 años luz y contienen un número de estrellas del orden de 1011.

Las galaxias tienen gran variedad de formas, pero sólo se dividen en dos clases según su forma: elípticas, espirales e irregulares.

  • Elípticas:

Están formadas por una gran población de estrellas viejas, con poco gas y poco polvo, y algunas estrellas jóvenes. Tienen gran variedad de tamaños, pueden ser desde gigantes a enanas.

  • Espirales:

Tienen forma de discos achatados en las que la mayoría son estrellas jóvenes (con bastante gas y polvo, y nubes moleculares que son el lugar de nacimiento de las estrellas) y sólo hay una escasa población de estrellas viejas. Las galaxias espirales pueden tener diferentes formas según cuales sean sus componentes: las regiones que contienen estrellas jóvenes y nubes de gas están formando grandes brazos de espirales que rodean la galaxia, las regiones que contienen estrellas viejas, éstas están rodeando al disco. En las galaxias espirales suele existir una protuberancia nuclear que emite dos chorros de materia energética en direcciones opuestas.

Las estrellas y nubes de gas orbitan circularmente a grandes velocidades (la velocidad es mayor contra más distancia halla al centro de la galaxia) alrededor del centro de sus galaxias no volviendo a la misma posición en cientos de años. Por poner un ejemplo, nuestra galaxia es de clase irregular(hablaremos de ella al final del apartado de galaxias).

  • Irregulares

Estas galaxias tienen, como las espirales, grandes cantidades de gas, polvo y estrellas jóvenes, pero a diferencia de las espirales, su disposición es en forma de disco. La mayoría están situadas cerca de galaxias más grandes y su formación es el resultado de la perturbación gravitatoria de sus galaxias vecinas, debido a su gran masa.

Las galaxias suelen estar agrupadas en medianos grupos de ellas, por ejemplo, nuestra galaxia(Vía Láctea) está agrupada en un grupo de 20 galaxias. En general, la distribución de estos grupos de galaxia no está regida por ninguna regla habiendo un gran vacío entre estos grupos de galaxias. Las galaxias más cercanas al límite del universo visible son puntos débiles y azules, la más lejana fotografiada, hasta hace poco, se localizó en 1961 mediante el telescopio del monte Palomar y está a 6000 millones de años luz.

No podía terminar éste apartado sin hablar de la galaxia más cercana a nosotros, es decir, la nuestra, La Vía Láctea:

También denominada Camino de Santiago, pues los peregrinos que iban hacia Santiago de Compostela desde Francia pasando por las Pirineos, seguían la forma de la Vía Láctea para llegar a su destino, gracias al inmenso parecido entre la Vía Láctea y el camino que había que realizar, siendo ésta un gran mapa para los feligreses.

La apariencia de esta galaxia que es posible observar en noches claras es dada por la combinación de luz de estrellas demasiado lejanas como para diferenciar a simple vista. La Vía Láctea esta situada entre las constelaciones Perseo, Casiopea y Cefeo. Su centro esta situado en dirección a Sagitario y se encuentra a unos 26.000 años luz del Sol.

Es una galaxia de tipo espiral con varios brazos que se enroscan al núcleo de un grosor de 10000 años luz, siendo su diámetro total de 10000 años luz. Pero últimos estudios sobre los movimientos en el universo sugieren que el volumen de la Vía Láctea es 2 billones de veces la masa del Sol, más materia de la que se considera que tiene el disco y también han pensado que el sistema conocido de la Vía Láctea esté rodeado por una corona mucho mayor de materia no detectada.

Las estrellas que la forman son tanto azules y brillantes como gigantes rojos, y está demostrado que las que forman núcleo están más juntas que las de los brazos.

La rotación de la Vía Láctea es en el sentido de las agujas del reloj. El periodo de la rotación aumenta cuando disminuye la distancia al centro aunque la velocidad sea mayor contra más alejado se esté del centro. En las proximidades del Sistema Solar, el periodo de rotación es de algo más de 200 millones de años luz y la velocidad de 270 kilómetros por segundo.

Otra galaxia que también nos es común es la de Andrómeda(también de forma espiral) que es la más cercana a la Vía Láctea y por tanto se encuentran en el mismo grupo de galaxias, el llamado grupo local. Además Andrómeda es el objeto más distante que podemos ver a simple vista estando a 2,2 millones de años luz de nosotros.

Las Estrellas

Son grandes cuerpos celestes compuestos de gases calientes que emiten energía en forma de radiaciones electromagnéticas como la luz que es el resultado de distintos procesos nucleares producidos en el interior de estos astros.

Las estrellas están formadas por varias capas que al ser el sol una estrella de esta clase, son idénticas a las suyas, que explicaré en su correspondiente apartado.

En las estrellas hay corrientes de convección y una densidad y temperatura que aumentan progresivamente hasta alcanzar el núcleo donde tienen lugar reacciones termonucleares.

Las estrellas se componen en la gran mayoría de su volumen de hidrógeno y helio, con cantidad variable de elementos más pesados.

En el espacio hay una gran variedad de tamaños de estrellas, así hay estrellas muy grandes que se conocen son “supergigantes” y muy pequeñas que se conocen como “enanas blancas”. Las estrellas gigantes suelen ser difusas y con gran masa, mientras que las enanas blancas son muy densas a pesar de su pequeño tamaño y sin casi brillo. El brillo de las estrellas se describe como magnitud.

Más de la mitad de los sistemas solares están compuestos por varias estrellas y a estos sistemas solares son denominados sistemas solares múltiples. En estos sistemas, las estrellas que lo forman están próximas y giran alrededor de un centro común, y

cuando uno de los componentes se aleja de la Tierra el otro se aproxima. Otro tipo de estrella doble es la llamada variable eclipsante en las que están compuestas de una brillante y otra oscura. Se ha demostrado que una de cada dos estrellas de las conocidas es una estrella doble.

También se ha pensado que todas las estrellas varíen su brillo cada cierto tiempo. Aunque estas variaciones apenas se notan en la mayoría de las estrellas, en otras el cambio de brillo es notable, llamándose a estas estrellas, “variables”, perdiendo estas estrellas una milésima de volumen en cada cambio de brillo mientras que en otras el cambio es el resultado de la explosión de una estrella que brilla durante unos pocos días unos 100.000 millones de veces más que el Sol antes de desvanecerse (éstas son mucho más inusuales que las primeras). El periodo de estas variaciones en estas estrellas suele ser muy irregular, aunque en algunas, el fenómeno se produzca con mucha puntualidad como por ejemplo en las denominadas cafeidas. También es variable el tiempo entre las variaciones. Cuanto más largo sea el periodo de una variable, mayor es el brillo de la estrella. Su variación suele producirse por alguna peculiaridad de la estrella que desarrolla con el tiempo.

Hay también otra clase de estrella caracterizada por desprender vibraciones, estas son los púlsares o estrellas de neutrones.

Los periodos de vibración están entre varios segundos y una minúscula fracción de segundo. Hay indicios de que los púlsares son estrellas que giran con diámetros de sólo 16 Km. Por tanto es probable que giren una vez por periodo de vibración. La densidad de estas estrellas es enorme.

El cambio de las estrellas ha sido notable desde su origen, para medir y observar éste realizan investigaciones relacionadas con el brillo.

Una estrella comienza su ciclo como una masa de gas fría. La contracción de este gas y el consiguiente aumento de temperatura continúa hasta que la temperatura interior de la estrella alcanza 1.000.000 °C. En esta temperatura tienen lugar reacciones nucleares, cuyo resultado es que los núcleos de los átomos de hidrógeno se combinan con los átomos de hidrógeno pesado para formar núcleos de helio. Esta reacción libera grandes cantidades de energía y detiene la nueva contracción de la estrella. Cuando finaliza la liberación de energía de la reacción, la contracción comienza de nuevo y la temperatura aumenta hasta que alcanza el punto en el que se puede dar una reacción entre el hidrógeno y litio u otros metales ligeros. De nuevo se libera energía y la contracción se detiene. Cuando el litio y los materiales ligeros se consumen, la contracción se reanuda y la estrella entra en la etapa final de su desarrollo en la cual el hidrógeno se transforma en helio a temperaturas muy altas. Cuando el hidrógeno es agotado la estrella se hincha y se convierte en un gigante rojo. Alcanza su mayor tamaño cuando todo su hidrógeno central se ha convertido en helio. Si continúa brillando, la temperatura del centro debe subir hasta producir la fusión de los núcleos de helio. Durante este proceso es probable que la estrella se haga mucho más pequeña y densa. Cuando ha gastado todas las fuentes de energía nuclear, se contrae de nuevo y se convierte en una enana blanca. Esta etapa final puede acabar con una explosión estelar llamada nova. Cuando una estrella se despoja de su cubierta exterior por explosión, expulsa al medio interestelar elementos pesados que ha sintetizado en su interior. Las estrellas formadas a partir de este material comenzarán su vida con un surtido más rico de elementos más pesados que las anteriores generaciones de estrellas. Las estrellas que se despojan de sus capas exteriores de una forma no explosiva se convierten en nebulosas planetarias, estrellas viejas rodeadas por esferas de gas que irradian en una gama múltiple de longitudes de onda. Las estrellas con gran masa recorren su ciclo de evolución con rapidez según los patrones astronómicos, quizá en sólo unos pocos millones cumplan toda su evolución.

Los restos de las estrellas, en vez de convertirse en nuevas estrellas, pueden convertirse en estrellas de neutrones con un tamaño máximo, pues en un tamaño mayor se convertirían las estrellas de neutrones en un agujero negro del que no puede escapar ninguna radiación.

El destino final de las enanas de masa baja es desconocido, excepto que cesan de irradiar de forma apreciable. Lo más probable es que se conviertan en cenizas o enanas negras.

El Sol

Es la estrella sobre la que gira todo el sistema solar y la que dala energía en forma de calor y luz a todos los planetas y por tanto, es el astro que hace que en la Tierra pueda haber vida, ya que las plantas son los únicos seres vivos capaces de transformar la energía inorgánica del Sol en energía orgánica que es la base de la subsistencia de los demás seres vivos, es decir, la subsistencia de los animales, incluido el hombre.

El Sol ha sido la base de la observación científica de las estrellas ya que es una clase de estrella muy común y por su cercanía, la más fácil de investigar para los científicos y gracias a él tenemos la información sobre las estrellas.

El Sol se compone de hidrógeno (71%), helio (27%) y elementos pesados (2%). Estos productos que forman el Sol, intervienen también en la formación de la energía del Sol, que se genera en la zona más cercana a su núcleo, por tanto, en esta zona la temperatura es mucho mayor que en el exterior siendo ésta de casi 16.000.000 K y la densidad 150 veces la del agua. En estas condiciones, la fusión de dos átomos de hidrógeno que forman otra nueva sustancia llamada helio, produciéndose en esta operación un gran desprendimiento de energía, en forma de radiaciones gamma, que es la que el Sol emite. A la forma de producir energía que tiene el Sol se la denomina combustión nuclear.

El Sol está formado por distintas capas que enumero de interior a exterior:

  • Núcleo

  • Zona de radiación (en esta zona, la energía es transportada mediante radiación)

  • Zona de convención (en esta zona, la energía es transportada mediante radiación)

  • Fotosfera (es en la capa donde la energía pasa de transportarse en radiaciones en mezcla turbulenta de gases)

  • La corona (es la atmósfera que se extiende varios radios solares desde el disco del Sol en la que hay gases calientes y corrientes de partículas denominadas viento solar)

  • La evolución del sol es similar a las evoluciones de las demás estrellas. En sus primeros 50 millones de años el Sol se contrajo hasta su tamaño actual, en esa contracción se produjo un calentamiento del centro y cuando esta contracción cesó el Sol comenzó a producir energía mediante la combustión nuclear (explicada anteriormente). Esta etapa lleva funcionando 4450 millones de años que sumados a los 50 millones de años de la primera etapa nos dan los 4500 millones de años que tiene de edad el Sol, y según las ultimas estimaciones, los científicos dan al Sol, otros 4500 millones de años produciendo energía. Cuando el Sol haya convertido todo el hidrógeno en helio y no pueda realizar más energía, el Sol se convertirá en un gigante rojo al expandirse las capas exteriores del Sol hasta el tamaño que tiene la órbita de la Tierra, entonces el Sol será un poco más frío, pero 10000 veces más brillante gracias a su enorme tamaño. Sin embargo, la Tierra no se destruirá porque se moverá hacia afuera, como consecuencia de la pérdida de masa del Sol. Esta época sólo durará 500 millones de años pues no tiene suficiente masa para pasar por ciclos de combustión nuclear o un cataclismo, es decir, una explosión. Después, encogerá hasta ser una enana blanca, con un tamaño parecido al de la Tierra y se enfriará durante varios millones de años.

    Planetas

    Es cualquier cuerpo celestes que esté en órbita alrededor de una estrella y brille por el reflejo de la luz que recibe de ésta. Otros cuerpos como asteroides, cometas o meteoroides también tienen al Sol como astro primario, pero no son considerados como planetas al tener distintas características a éstos. Los planetas más conocidos son los que forman el sistema solar, es decir cuya órbita es referente al Sol, y son de más cercanos a más alejados al Sol:

  • Mercurio: Se encuentra a 58 millones de Km del Sol, tiene un diámetro de 4.875 Km, su volumen y su masa son semejantes a los de la Tierra y su densidad media es aproximadamente igual a la de la Tierra. Mercurio orbita alrededor del Sol cada 88 días. Gira sobre su eje una vez cada 58,7 días. Su superficie es abrupta, porosa y de roca oscura y por tanto es un mal reflector de la luz solar.

  • Venus: Es el objeto más brillante del cielo, después del Sol y la Luna. Venus no es visible nunca más de tres horas antes del amanecer o tres horas después del ocaso.

  • Tierra: La distancia media de la Tierra al Sol es de 149.503.000 Km. Es el único planeta conocido que tiene vida, aunque algunos de los otros planetas tienen atmósferas y contienen agua.

  • Marte: Tiene dos pequeños satélites, que algunos astrónomos consideran que son asteroides (Fobos y Deimos) capturados por el planeta. Fobos mide unos 21 Km de diámetro y Deimos, unos 12 kilómetros.

  • Júpiter: Júpiter es 1.400 veces más voluminoso que la Tierra, pero su masa es sólo 318 veces la de nuestro planeta. Este planeta gigante está compuesto de gases más que de metales y rocas.

  • Saturno: Está rodeado de un sistema de más de 100000 anillos, todos ellos girando en torno al planeta.

  • Urano: Gira fuera de la órbita de Saturno y dentro de la órbita de Neptuno.

  • Neptuno: La distancia media de Neptuno al Sol es de 4.500 millones de kilómetros y su diámetro lineal medio es de aproximadamente 49.400 Km, cerca de 3,8 veces el de la Tierra. Su volumen es aproximadamente 72 veces, su masa 17 veces y su densidad media 0,31 la de la Tierra. El reflejo del planeta es alto: refleja el 84% de la luz que recibe. El periodo de rotación es de cerca de 16 horas y el periodo sideral de revolución es de 164,79 años. La magnitud estelar media del planeta es de 7,8 y casi nunca es visible a simple vista, aunque se puede observar con un pequeño telescopio, apareciendo como un pequeño disco azul verdoso sin marcas definidas en su superficie. La temperatura de la superficie de Neptuno es de unos -218 °C, parecida a la de Urano, que está a más de 1.500 Km más cerca del sol, por lo tanto, los científicos suponen que Neptuno debe tener alguna fuente interna de calor. La atmósfera se compone fundamentalmente de hidrógeno y helio, pero la presencia de más del 3% de metano da al planeta su sorprendente color azul.

  • Plutón: Plutón fue descubierto a raíz de una búsqueda telescópica iniciada en 1905 por el astrónomo estadounidense Percival Lowell, quien supuso la existencia de un planeta situado más allá de Neptuno como el causante de ligeras perturbaciones en los movimientos de Urano. La masa. Plutón da una vuelta alrededor del Sol en 247,7 años a una distancia media de 5.900 millones de kilómetros. Su órbita es tan excéntrica que en ciertos puntos de su recorrido Plutón se encuentra más cerca del Sol que Neptuno. No existe, sin embargo, ninguna posibilidad de colisión, ya que la órbita de Plutón se inclina en más de 17,2° con respecto al plano de la eclíptica y nunca cruza, en realidad, el recorrido de Neptuno.

  • Geocentrismo y Heliocentrismo

    El geocentrismo y el heliocentrismo son modelos de movimientos interestelares que son opuestos y se han dado en diferentes épocas de la historia:

    El geocentrismo: es una teoría en la que se dice que la Tierra es el centro del universo y las estrellas estaban en una esfera. Este fue el primer modelo de movimientos interestelares dado, fue pensado por Pitágoras hacia el año 500 a.C. y era muy propio para esa época en la que se decía que los dioses griegos vivían en el exterior.

    Este modelo fue perfeccionado por Aristóteles que supuso que los cuerpos caen hacia el centro de la Tierra que era redonda, en contradicción con lo sostenido con anterioridad que decía que la Tierra era plana y por tanto los objetos caen hacia abajo.

    Los griegos observaron que había siete cuerpos que se movías respecto a esa esfera y los denominaron planetas, estos planetas eran lo que hoy conocemos como Luna, Sol, Mercurio, Venus, Marte, Júpiter y Saturno pensando entonces los griegos que la Tierra era el centro sobre el que giraban los planetas estando todo envuelto en las estrellas fijas.

    El heliocentrismo (el modelo que usamos en nuestros días) está basado en el modelo aristarco propuesto en el año 300 a.C. por el científico griego Aristarco, en el que el Sol era el centro del Universo y la Tierra era relegada a un segundo plano. Este modelo fue rechazado en su época de invención por no encontrar en este modelo respuestas a diversos dilemas que si tenían explicación en el modelo pitagórico como por qué los objetos de la Tierra no se movían si esta si lo hacía o porqué las estrellas no se movían si la Tierra lo hacía, aunque lo más importante era que esta teoría relegaba al hombre a un segundo plano lo que era inconcebible en la sociedad griega.

    Este modelo sería recuperado por Copérnico y Galileo que lo defenderían y mejorarían.

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