El UniversoEl UniversoComposición y estructura

El Universo. Composición y estructura Antonio Arenal

AÑO LUZ: Es el espacio recorrido por la luz en un año a una velocidad aproximada de 300.000 Km/s, equivale más o menos a 1012 kilómetros.

PARSEC (paralaje de un segundo) equivale a 3,26 años luz.

UNIDAD ASTRONÓMICA (UA): Distancia media que separa la Tierra del Sol: 150 millones de kilómetros.

La luz tarda unos 8 minutos en llegar del el Sol a la Tierra y 4,3 años en llegar desde la siguiente estrella más cercana, Próxima Centauri.Una galaxia a 20 millones de años luz de la Tierra, será vista con el aspecto que tenía hace 20 millones de años.

LAS UNIDADES DE MEDIDA EN EL UNIVERSOLAS UNIDADES DE MEDIDA EN EL UNIVERSO

La temperatura en el SILa temperatura en el SI

El kelvin, K, es la unidad de temperatura en el Sistema Internacional de Unidades.

La escala Celsius (centígrada) se define en la actualidad en función de la escala Kelvin: T [K] = tC [°C] + 273,15

Cambios de unidades

De Celsius a Kelvin: k = ºC+273,15

De Kelvin a Celsius: ºC = K-273,15

Cero absoluto. 0 K = -273,15 ºC

Punto de fusión del agua a 1 atm. 273,15 K = 0ºC

El universo es la totalidad del espacio y del tiempo, de todas las formas de la materia, la energía y el impulso, las leyes y constantes físicas que las gobiernan.

Origen del Universo, y de todo: BIG-BANG hace 13700 millones de años.

El universo visible se puede considerar como una esfera con la Tierra en el centro, y un diámetro de unos 93.000 millones de años luz.

CONCEPTO DE UNIVERSOCONCEPTO DE UNIVERSO

El universo visible tiene un diámetro 93.000 millones de años luz.

La velocidad máxima que puede alcanzar un objeto material es la de la luz: 300.000 km/s

Es paradójico que en 13700 millones años el espacio se haya expandido 93000 millones de años luz.

No hay conflicto con la Teoría de la Relatividad General, ya que ésta sólo afecta al movimiento en el espacio, pero no al espacio mismo, que puede expandirse a un ritmo superior, no limitado por la velocidad de la luz.

Dos galaxias pueden separarse una de la otra más rápidamente que la velocidad de la luz si es el espacio entre ellas el que se dilata.

TAMAÑO DEL UNIVERSOTAMAÑO DEL UNIVERSO

El universo observable actual parece tener una densidad masa-energía equivalente a 9,9 × 10-30 gramos por centímetro cúbico.

Los constituyentes primarios parecen consistir en un 73% de energía oscura, 23% de materia oscura fría y un 4% de átomos.

La densidad de los átomos equivaldría a un núcleo de hidrógeno sencillo por cada cuatro metros cúbicos de volumen.

La naturaleza exacta de la energía oscura y la materia oscura fría sigue siendo un misterio.

MATERIA Y ENERGÍA EN EL UNIVERSOMATERIA Y ENERGÍA EN EL UNIVERSO

MATERIA Y ENERGÍA OSCURAMATERIA Y ENERGÍA OSCURA

Materia oscura: 23% de la masa de Universo observable que no emite suficiente radiación para ser detectada con los medios técnicos actuales. Su existencia se deduce a partir de los efectos gravitacionales que causa en la materia visible. La composición de la materia oscura se desconoce.

• Energía oscura: 73% de la masa del Universo observable. Forma de materia-energía presente en todo el espacio, que tiende a acelerar la expansión del Universo. La existencia de la energía oscura explicaría por qué el Universo parece estar en expansión acelerada.

• No confundir: la materia oscura es una forma de materia, mientras que la energía oscura se asocia a un campo que ocupa todo el espacio.

CUERPOS CELESTESCUERPOS CELESTES

Cuando se observa el Universo se pueden distinguir diferentes cuerpos celestes o astros (o agrupaciones de ellos) Clasificados de mayor a menor tamaño:

• Supercúmulos y cúmulos de galaxias, • Galaxias, • Supercúmulos y cúmulos estelares, • Sistemas planetarios, • Estrellas, • Planetas, • Satélites, • Asteroides, • Cometas • Meteoritos.

La Tierra en el universoLa Tierra en el universo

El planeta Tierra tiene un diámetro de 1,3•104 km, pertenece al Sistema Solar de 1010 km de diámetro, incluyendo la Nube de Oort. El Sistema Solar se engloba en el Cúmulo Estelar Local, junto con el sistema triple de Centauro y Sirio (4•1014 km de tamaño) y éste en el Supercúmulo Estelar Local localizado en el Brazo de Orión, a unos 2,5•1017 km del centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea, cuyo diámetro es de unos 1018 km. La Vía Láctea constituye junto a otras 30 galaxias (Andrómeda, Nubes de Magallanes, etc.) el Grupo Local con unos 4•1019 km de tamaño. El Grupo Local se une a los Grupos de Virgo, Osa Mayor y otros para formar el Supercúmulo Local que tiene unos 1,5•1021 km de diámetro. El conjunto de los distintos supercúmulos de galaxias, con amplios espacios vacíos entre ellos, constituye nuestro Universo (1024 km).

La imagen de luz visible más profunda del cosmos: El Campo Ultra Profundo del Hubble. Imagen Wikipedia.

GALAXIASGALAXIAS• Las galaxias son conjuntos de miles de millones de

estrellas y sistemas planetarios, gas y polvo interestelar, unidos por la gravedad.

• La materia de las galaxias gira alrededor de un núcleo situado en posición central.

• Las galaxias se agrupan, a su vez, en cúmulos y supercúmulos, dejando entre ellos amplios espacios intergalácticos vacíos.

• Se calcula que en El universo hay, al menos, 100.000 millones de galaxias de morfología y tamaño muy variados.

TIPOS DE GALAXIASTIPOS DE GALAXIAS

• ESPIRALES: Enrolladas sobre si mismas a modo de espirales aplanadas. Ej.: Andrómeda (M-31) y la Vía Láctea (nuestra galaxia).

• ELÍPTICAS: Con forma esferoidal achatada. Ej.: NGC 205.

• IRREGULARES: No se pueden incluir en uno de los grupos anteriores. Ej.: Gran Nube de Magallanes.

Galaxia espiral M31 o de Andrómeda. Imagen Wikipedia

Galaxia espiral: La Vía Láctea. Recreación de la NASA (derecha). Posición Sistema Solar (arriba) y -abajo- visión fotográfica desde la Tierra del núcleo de la galaxia. Imágenes Wikipedia

GALAXIA ELÍPTICA

NGC 205. o M110

Imagen Wikipedia

Galaxia irregular GRAN NUBE DE MAGALLANES

Imagen Wikipedia

ESTRELLASESTRELLAS

• Las estrellas son los componentes más evidentes entre los cuerpos celestes que forman el Universo.

• Se pueden definir como gigantescos esferoides de gas hidrógeno y helio (varios millones de kilómetros), que emiten una gran cantidad de energía como ondas electromagnéticas en una amplia región del espectro incluida la luz visible. Tienen luz propia

• El origen de la energía que emiten las estrellas se encuentra principalmente en las reacciones de fusión nuclear (transformación de hidrógeno en helio fundamentalmente) que se producen en su núcleo.

ESTRUCTURA DE UNA ESTRELLAESTRUCTURA DE UNA ESTRELLA

• En una estrella típica distinguimos: núcleo, manto y atmósfera.

• En el núcleo se producen las reacciones nucleares que generan su energía.

• El manto transporta la energía hacia la superficie y según cómo la transporte, por convección o por radiación, se dividirá en dos zonas: radiante y convectiva.

• La atmósfera es la parte más superficial de la estrella y la única que es visible. Se divide en cromósfera, fotósfera y la corona solar.

Corte transversal del Sol. Imagen de la NASA tomada de Wikipedia

TIPOS DE ESTRELLASTIPOS DE ESTRELLAS

• ESTRELLAS DE LA SECUENCIA PRINCIPAL: Son la mayoría de las estrellas. Periodo central de la vida de una estrella. Las características de las estrellas: brillo, color, temperatura, tamaño y duración de su vida dependen directamente de su masa.

• De menor a mayor masa y de menor a mayor temperatura superficial se diferencian los siguientes tipos de estrellas: enana marrón (1.000 ºC), enana roja, amarilla, blanca, azul-blanca y azul (24.000 ºC).

• ESTRELLAS COLAPSADAS: Estadíos finales de la vida de las estrellas tras sufrir un colapso gravitatorio. De menor a mayor masa encontramos las enanas blancas, estrellas de neutrones, púlsares y los agujeros negros.

• FASES INTERMEDIAS: Entre la secuencia principal y las estrellas colapsadas. Las gigantes y supergigantes rojas fusionan helio en carbono y carbono en hierro respectivamente. Las novas y supernovas se producen cuando una estrella de gran masa explota -desprendiendo una gran cantidad de materia y de energía- debido al colapso gravitatorio de su núcleo.

AGRUPACIONES DE ESTRELLASAGRUPACIONES DE ESTRELLAS

• Algunas estrellas lucen aisladas en el espacio, pero otras muestran compañeras y forman sistemas estelares binarios, ternarios y cuaternarios. Además, una proporción importante de ellas presentan cuerpos no luminosos que orbitan a su alrededor, constituyendo los sistemas planetarios. Por otro lado, las estrellas comúnmente se encuentran separadas unas de otras por billones de kilómetros, no obstante, se pueden agrupar por la fuerza de la gravedad en cúmulos y supercúmulos que muestran movimientos relativos más o menos complicados. Un concepto diferente es el de constelación o figuras que dibujan las estrellas en el cielo nocturno, pues éstas, aunque parecen próximas, pueden encontrarse muy separadas, siendo su proximidad un efecto óptico.

Las Pléyades, un cúmulo estelar abierto de la constelación Tauro.

Imagen Wikipedia

CICLO DE VIDA DE UNA ESTRELLA ICICLO DE VIDA DE UNA ESTRELLA I

• La duración de la vida de una estrella depende de su masa: A mayor masa, con mayor rapidez se consume su combustible.

• Las estrellas nacen en nebulosas (nubes de gas y polvo) que se contraen y condensan por la gravedad.

• En el centro de la nube condensada se acumula una gran cantidad de masa (protoestrella) que, debido a la gravedad, aumenta su temperatura. Si la masa es suficiente (0,08 a 80 veces la del Sol), la temperatura puede alcanzar 106 ºC en el interior de protoestrella, la estrella se enciende y entra en la secuencia principal.

NEBULOSA DEL ANILLO M57

Imagen Wikipedia

Criadero de estrellas en la Gran Nube de Magallanes. Imagen tomada de Wikipedia

CICLO DE VIDA DE UNA ESTRELLA IICICLO DE VIDA DE UNA ESTRELLA II• La secuencia principal dura de unos cien millones de años a

varios miles de millones de años. • Cuando se consume el hidrógeno que producía helio por fusión,

se originan carbono, hierro y oxígeno. La estrella pierde masa, se hincha, disminuye la temperatura y se convierte en una gigante o supergigante roja.

• Si la masa es lo bastante elevada, más de diez veces la del Sol, la estrella puede colapsar por gravedad y explotar: novas y supernovas. Se originan nuevas nebulosas de polvo y gas y se sintetizan elementos químicos pesados.

• Los residuos de las gigantes rojas, novas y supernovas generan los distintos tipos de estrellas colapsadas o cadáveres estelares. Cuando la masa del residuo es muy elevada se puede formar un agujero negro, que posee una gravedad tan elevada que atrapa todo lo que se encuentre en su proximidad

Remanente de laSupernova Kepler

Imagen Wikipedia

Supernova SN1994D

Imagen Wikipedia

SISTEMAS PLANETARIOSSISTEMAS PLANETARIOS

• Formados por una o varias estrellas y los cuerpos planetarios que giran a su alrededor. Se conocen más de 670 estrellas alrededor de la que orbita al menos un planeta. Nuestro sistema: Sistema Solar.

• Los cuerpos planetarios se pueden clasificar como: PLANETAS: Esféricos o esferoidales. Tamaño relativamente

importante. Sin luz propia. Giran en órbitas elípticas estables y “limpias” alrededor de una o varias estrellas.

SATÉLITES: Giran alrededor de un planeta en órbitas estables. ASTEROIDES: Pequeño tamaño relativo. Forma no esférica.

compuestos por roca y/o metal. Orbitan alrededor de las estrellas.

COMETAS: Objetos de pequeño tamaño relativo compuestos principalmente por hielo (agua, amoniaco, metano) que giran en órbitas elípticas muy excéntricas alrededor de las estrellas.

METEORITOS: Objetos de tamaño muy variable sin órbitas estables que chocan o pueden chocar con otros cuerpos planetarios

En los sistemas planetarios hay una cierta proporción de gas y polvo interplanetarios (hidrógeno, helio, diferentes moléculas de carbono, agua, amoniaco… etc)

PLANETAS DEL SISTEMA SOLAR

LUNA. Satélite del Planeta Tierra

Impacto de meteorito (1200 m de diametro)

METEOR CRATER (Arizona)

Núcleo del Cometa HALLEY

Sonda Deep Impact 2010

Asteroide GASPRA.Sonda Galileo

Imágenes Wikipedia