Cultura Científica . 4º ESO

El universo

La esploración del espacio
 
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Lo que sabemos del universo

Actualmente se ha avanzado mucho en el estudio del universo.
Se sabe mucho de él:

El universo lo es todo. Toda la materia y energía junto con el espacio y el tiempo
Las teorías de la física actuales dicen que no hay nada fuera del universo, ni siquiera tiempo y que no se puede salir de él.
No se puede escapar del Universo
Fuera no tiene sentido el tiempo y el espacio
Muy extenso. Medidas en años-luz = 9.5 E12 Km . El universo observable tiene miles de millones de años luz.
Tiene un principio hace unos 13.700 a 15.000 millones de años
Se encuentra en expansión
Muy variable en cuanto a las demás variables conocidas en la tierra
  • Radiación : desde muy oscuro a radiaciones intensísimas
  • Temperaturas : desde 3ºK hasta millones de grados
  • Densidades : desde átomos por m3 hasta miles de ton por cm3
  • Tiempos : sucesos rápidos y otros lentísimos

Compuesto por materia ordinaria; sobre todo H y He y materia oscura (80-90%) No se sabe en qué consiste.

Casi todo vacío pero con organización característica

  • Vacío intergaláctico, interestelar o interplanetario: Zonas con muy baja densidad de materia
  • Cúmulos de galaxias
  • Galaxias
  • Estrellas
  • Restos estelares (enanas blancas o marrones, neutrones, agujeros negros)
  • Planetas
  • Satélites
  • Cometas y asteroides
  • Polvo
  • Gases

Originado en el BigBang hace unos 13.700 millones de años

En expansión primero acelerada, luego frenada y ahora de nuevo acelerada

En próximos capítulos se verán estas características más en detalle

Tamaño del universo Video del tamaño del universo  

 

¿Cómo podemos saber las características del universo?

Observación visual

Desde antiguo. Se observaron Sol, Luna, Planetas visibles (M,V,M,J y S), estrella fijas.
Predicción de movimientos y eclipses.

Aparatos de observación

 


Telescopio óptico

Herramineta fundamental.
Amplifica imágenes y permite observar más detalles y objetos más tenues que a simple vista.

Dos tipos básicos
- Refractores (con lentes)
- Reflectores (con espejos)

Limitado por
- La luz incidente.
- Perfección lentes y espejos
- Luminosidad y transparencia de la atmósfera
Por ello los telescopios intentan hacerse de gran tamaño, con gran precisión de los espejos. Se sitúan en lugares altos y aislados para tener un menor espesor de la atmósfera y evitar contaminación lumínica

Para mejorar aún más las observaciones se recurre a tener lentes o espejos variables para corregir perturmaciones atmosféricas o a situarlos fuera de la atmósfera: Telescopios espaciales

Los mayores telescopios son reflexores de espejo de varios metros de diámetro.

Cronómetros de precisión

Permiten medir tiempos de fenómenos astronómicos con enorme precisión.

Goniómetros

Medidores de ángulos.
P ermiten realizar paralajes para medir distancias

Espectroscopios

Descomponen el especto visual de un astro.
Son herramientas fundamentales que permiten conocer composición y movimiento de los astros.

Otros telescopios

Existen otros telescopios que no funcionan con luz visible sino que son sensibles a otras frecuencias del espectro electromagnético.

Radiotelescopios (detectan ondas de radio)
Telescopios de infrarrojos
Telescopios de untravioleta
Detectores de rayos gamma

Permiten observar caracteísticas no apreciables con luz visible y conocer más las circunstancias de los astros que las emiten

Medidores de otras partículas

Rayos cósmicos
Muones

Existen fuentes de estas radiaciones de muy alta energía. Existen medidores en tierra y en satélites.

Buscadores de ondas gravitatorias

Sucesos que afectan a grandes masas pueden producir ondas gravitatorias. Los aparatos para registrarlas han tenido algunos éxitos recientemente.

Sondas espaciales

Se han enviado naves espaciales no tripuladas a varios lugares del sistema solar.
Llevan diferentes sensores yu envían información a la Tierra

A escala astronómica han alcanzado un lugar muy limitado del espacio, alguna ha salido recientemente del espacio de influencia solar pero no se han aproximado ni a la estrella más cercana.

Han observado de cerca todos los planetas, muchos de sus satélites, algunos asteroides y cometas y se han posado en:
- Venus
- Luna
- Marte
- Titán (satélite de Jupiter)
- Algún cometa
- Algún asteroide

Ver misiones espaciales

 

Aceleradores de partículas

Son grandes máquinas que investigan sobre la materia haciendo colisionar partículas y observando los restos su colisión.
Se utilizan para conocer la materia desde el punto de vista físico pero nos proporcionan información de su comportamiento en lugares extemadamente energéticos como el interior de las estrellas, las explosiones estelares o el BigBang

Predicciones teóricas y modelos

La física es capaz de modelizar lo que ocurre con la materia en determinadas circunstancias.

Estos modelos ayudan a la astronomía a comprender fenómenos que ocurren en los cuerpos celestes y al revés, fenómenos astronómicos permiten comprobar si los modelos físicos son capaces de explicarlos o han de ser mejorados o desechados.


¿Cómo se han conocido las características del universo?

Tamaños y distancias

Tamaño de la Tierra

Trigonometría. Ya lo hicieron los griegos. Erastótenes en el S III AC

Distancias cercanas paralaje desde la Tierra (paralaje geocéntrico)

Luna, Sol, planetas, asteroides
Se descubrió que el Sol era una esfera enorme y los planetas del tamaño de la Tierra o superior

Distancias estelares paralaje en la órbita terrestre (paralaje anual)

Estrellas cercanas de nuestra galaxia. Primeras estrellas en ser medidas en 1838
No sirve para distancas superiores a 100 años-luz por su escaso ángulo

Se constató que las estrellas eran soles (o el sol una estrella) y que el vacío inerestelar era muy extenso.
Densidades menores de estrelas/año-luz

Distancias más lejanas: estrellas variables cefeidas

Algunas estrellas cambian de brillo periodicamente. Son las llamadas estrellas variables.
Un tipo de esta variabls llamadas variables cefeidas. Son grandes estrellas jóvenes que tienen una relación directa entre su periodo de cambio de brillo y su magnitud de modo que observando el periodo puede saberse el tamaño y con este su distancia. Esto las convierte en un medidor de distancias
Se han utilizado para medir estrellas lejanas, cúmulos globulares y galaxias cercanas

La observación de variables cefeidas en nebulosas llevó a la conclusión de que eran extragalácticas (nube de Magallanes (1912) y Andomeada (1920)) y muy lejanas y que el universo se organizaba en galaxias separadas unas de otras por grandes distancias.

Confines del universo supernovas y corrimiento al rojo

Para distancias mayores no valen las variables cefeidas porque no son visibles y se recurre a:
- La onservación del brillo de supernovas.Grandes explosiones estelares que brillan como toda una galaxia.
- Corrimiento al rojo de galaxias. Una medida de lo rápido que se alejan que es proporcional a la distancia.

Masas

En cuerpos en órbita si se conoce la distancia y el periodo de traslación se puede deducir la masa
Para la Tierra mediante la ecuación de la gravitación universal o estudiando la órbita de la luna
planetas y estrellas viendo objetos en órbita

Estudiando los movimientos de las estrellas se puede deducir la masa de la galaxia en la que se encuentran

Composición

Gases que emiten luz o son atravesados por ella

Espectros de emisión y absorción. Son rayas luminosas (emisión) u oscuras (absorción) en los espectros de fuentes luminosas.
Cada elemento químico emite y absorbe en unas frecuencias características. Es como una huella dactilar del elemento.
La intensidad es proporcional a la abundancia

 

Cuerpos celestes caidos en la Tierra

Recogida de asteroides que impactan con la Tierra

Sondas espaciales

Pueden tomar muestras y traerlas a la Tierra, analizarlas en el mismo cuerpo o campar diversas propiedades de los materiales

Mercurio
Venus

Luna
Marte
Titán
Cometas
Asteroides

 

Movimientos y velocidades

Objetos cercanos por ángulo aparente
Cuanto más lejanos más tiempo hay que esperar para ver un movimiento
Estrellas cercanas estudiando mapas y fotos antiguas

Para objetos lejanos sólo se puede medir la componente de nuestra línea visula mediante el efecto doppler
permite medir objetos que se acercan y alejan, Giros de planetas nubes de gas y galaxias
Sorpresa mayúscula con el corrimiento al rojo de las galaxias

Temperaturas

Espectros de emisión
Medidas directas con sondas en planetas

Evolución estelar

Estudio de grandes poblaciones de estrellas formadas simultáneamente en cúmulos globulares.
Deducciones teóricas de procesos físicos

Organización

Telescopios ópticos. Radiotelescopios

Historia

Espectros de las galaxias
Radiación cósmica de fondo
Aceleradores de partículas


Medidas para el universo

Tamaño; Unidades de distancia

El universo es tremendamente grande. No sirven las unidades de distancia habituales
Unidades más utilizadas:

    Unidad astronómica (ua)
    Distancia media Tierra-So l: 1,496·E11 m
    Se utiliza para medidas en el Sistema Solar y otros sistemas planetarios

    Parsec (pc)
    Un segundo de arco de paralaje de la órbita terrestre : 3,09·E16 m
    Se utiliza para medidas de distancias estelares
    Para grandes distancias se utilizan sus múltiplos kiloparsec (kpc) o megaparsec (Mpc)

    Año luz y múltiplos
    Recorrido de la luz en un año o en sus múltipos : 9,46·E15 m
    Tiene la ventaja de que liga distancias y tiempos; de una estrella que está a 4 años-luz vemos la imagen de lo que ocurrió hace cuatro años cuando fue emitida esa luz.

1 pársec = 206265 ua = 3,2616 años luz = 3,0857 E16 m

Energía

Generalmente los fenómenos astronómicos importantes tienen energías muy superiores a las utilizadas en nuestras medidas en la Tierra.

Se usan míltiplos de unidades comunes J

Para comparar estrellas se suele usar como base la energía de emisión del Sol

El brillo; la luz que emiten oreflejan los cuerpos celestes se utilizan las magnitudes visuales.
Las magnitudes se miden es escala logarítmica: Cada magnitud es 2.5 veces superior a la siguiente en número
Las magnitudes aparentes de las estrellas van entre -1 y 5, los planetas más brillantes menos magnitud (más brillo)


Magnitud absoluta. Magnitud aperente de una estrella a 10 parsec

Magnitud relativa del Sol es -27
Magnitud absoluta 4,8

Masas

Se utilizan masas de cuerps celestes proximos

Masa terrestre
Para comparar planetas

Masa de Júpiter
Se utiliza para comparar sistemas planetarios

Masa solar- Msol.
Para comparar estrellas .1,9891 × E30 kg

 

Temperaturas

ºK

Se utiliza esta medida porque tiene como límite inferior 0ºK temperatura que no puede ser inferior.

La temperatura tiene que ver con la agitación de las partículas de modo que a 0ºK no hay movimiento



   

 
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