Universo: del Big Bang a la formación del Sistema Solar

El Origen del Universo

La teoría científica más aceptada sobre el origen del universo es la del Big Bang:

• Toda la materia y la energía actual del universo estaban concentradas en un punto infinitamente pequeño.
• Este punto, hace 13.800 millones de años, explotó.
• Empezó a expandirse, creando el espacio y el tiempo.

Inflación

En una fracción minúscula de segundo después del Big Bang, el universo experimentó una expansión de enorme magnitud.

Creación de la Materia

• Durante los tres primeros minutos se crearon protones, neutrones y electrones.
• Se inició la nucleosíntesis: formación de núcleos de hidrógeno, de helio y de pequeñas cantidades de litio.
• Desde el minuto 3 hasta 380.000 años después, el universo continuó expandiéndose y enfriándose.

Recombinación

• 380.000 años después, la expansión y el enfriamiento del universo permitieron que los núcleos se combinaran con los electrones, formando átomos.
• La energía de los fotones disminuyó y se propagaron libremente, encontrándose actualmente en forma de radiación de fondo de microondas.

Pruebas del Big Bang

• Las galaxias se separan entre sí (confirmado por Edwin Hubble). Esto demuestra que el universo está expandiéndose y que el origen es un punto de muy pequeño tamaño.
• La radiación de fondo de microondas proviene de todas las direcciones del universo y con la misma intensidad.

La Formación de las Primeras Estrellas

Tuvo lugar a partir de los átomos de hidrógeno generados en el Big Bang.

1. Las estrellas iniciales se formaron a partir de nubes de polvo y gas denominadas nebulosas, que se encontraban a una temperatura muy baja, cercana a los 73 K (-200 °C).
2. Los átomos de hidrógeno presentes en la nebulosa se atrajeron gravitatoriamente, contrayendo la nube de materia y aumentando la presión y la temperatura. Esto provocó que los núcleos de hidrógeno colisionaran, fusionándose y produciendo helio. Según se agota el hidrógeno, las fuerzas gravitatorias aumentan, lo que genera una mayor contracción y un aumento de la temperatura, formándose átomos de carbono, oxígeno, etc., hasta el hierro, el elemento químico más estable.
3. Cuando las primeras estrellas dejaron de generar energía se produjo su colapso gravitatorio. La compresión llegó al máximo y esto liberó grandes cantidades de energía, permitiendo la formación de elementos químicos más pesados que el hierro, hasta que finalmente las estrellas explotaron en forma de supernova, expandiendo sus elementos por todo el universo.

Las estrellas actuales se han generado a partir de estas estrellas anteriores.

El Ciclo de la Vida de las Estrellas

La secuencia principal de una estrella dura hasta que se agota el hidrógeno como combustible. A partir de ese momento, la evolución de las estrellas depende de su masa inicial.

Estrellas con Masa Similar al Sol

• Una vez consumido el hidrógeno, empieza a fusionar el helio, generando carbono, expandiendo la estrella y formándose una gigante roja.
• Las capas exteriores de la estrella escapan a la atracción del núcleo, generando una nebulosa planetaria.
• El carbono que forma el centro de la estrella residual forma una enana blanca, hasta su total extinción.

Estrellas Masivas

Si la masa inicial es mayor que nuestro Sol, se denominan estrellas masivas:

• Estas evolucionan rápidamente al tener más combustible y su crecimiento es mucho mayor, generando una supergigante roja.
• Cuando se detienen las reacciones nucleares y la estrella empieza a comprimirse en su núcleo, se genera una enorme presión que da lugar a una supernova.
• Si la masa de la estrella inicial está entre 1,5 y 3 veces la masa del Sol, el núcleo de la estrella remanente forma una densa estrella de neutrones o púlsar.
• Si la masa de la estrella inicial supera 3 veces la masa del Sol, se formará un agujero negro, con una gravedad inmensa que atrae y atrapa todo lo que tiene alrededor.

Galaxias

Son acumulaciones de gas, polvo y miles de millones de estrellas y sus sistemas planetarios (si tienen), unidos por la atracción gravitatoria.

• Elípticas: Tienen formas redondeadas o elípticas.
• Espirales regulares: Los brazos salen del centro de la galaxia.
• Espirales barradas: Poseen una banda de estrellas que cruza la galaxia, de cuyos extremos parten los brazos.
• Irregulares: Las estrellas y el polvo interestelar se encuentran distribuidos de forma aleatoria.

Las galaxias se pueden unir generando:

• Cúmulos: con entre 50 y 100 galaxias.
• Grupos: compuestos por varias decenas de galaxias.
• Supercúmulos: formados por interacción gravitatoria de cúmulos y grupos de galaxias.

La Vía Láctea

• A ella pertenecen el Sol y todo su sistema planetario, incluyendo la Tierra.
• Tiene entre 200.000 y 400.000 millones de estrellas.
• Es una galaxia espiral barrada.

Bulbo

• Es la zona central de la galaxia.
• Formada por un agujero negro supermasivo llamado Sagitario A.
• Cerca del centro están las estrellas más antiguas, rojas y amarillas.

Disco

Es la zona que rodea el bulbo y contiene los brazos en espiral.

Brazos

En los brazos se localizan las estrellas más jóvenes, azules y blancas, y gran cantidad de nebulosas.

Halo

• Es la parte externa de la galaxia.
• Envuelve el bulbo y el disco.
• Está formado por cúmulos globulares de materia oscura, cuya naturaleza se desconoce al no emitir ningún tipo de luz.

Distancias en el Universo

• Unidades astronómicas (UA): es la distancia de la Tierra al Sol (150 millones de km).
• Año luz: distancia que recorre la luz en un año (300.000 km/s) (9,5 billones de km al año).

El Sistema Solar

Planetas Interiores o Rocosos

(Mercurio, Venus, la Tierra y Marte)

• Más cerca del Sol y de menor tamaño.
• Tienen naturaleza sólida de roca y metal.

Planetas Exteriores o Gaseosos

(Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno)

• Más alejados del Sol y de mayor tamaño.
• Composición gaseosa.

El Origen del Sistema Solar

• El sistema solar se originó hace 4.600 millones de años a partir de una nube de gas y polvo, que, tras la explosión de una supernova, empezó a contraerse y girar.
• El aumento de la velocidad del giro fue aplanando esa nube, que actualmente tiene forma de disco.
• La mayoría de la materia se acumuló en el centro, aumentando la presión y la temperatura, dando lugar a una protoestrella: el Sol. El resto de la materia se desplazó al exterior.
• Conforme iba creciendo la protoestrella, las partículas se fusionaron, generando cuerpos más grandes: los planetesimales.
• Las fusiones de estos formaron los planetas y sus satélites por acumulación de materia alrededor de ellos. Por colisiones, fusiones y reconstrucciones adquirieron el tamaño y la posición actual.

El Sol

El Sol es una estrella enana amarilla compuesta por hidrógeno, helio, oxígeno, carbono y hierro.

Núcleo

En él tienen lugar reacciones de fusión nuclear que generan grandes cantidades de energía y temperatura.

Fotosfera

Es la superficie. Se observan manchas solares provocadas por el campo magnético del Sol.

Cromosfera

Cubre la fotosfera.

• Se emiten las protuberancias, grandes cantidades de gases que pueden alcanzar hasta 100.000 km de longitud.
• Aparecen fulguraciones, que son explosiones que generan gran cantidad de energía y radiación.

Corona Solar

Es la capa externa y está formada por gases con altísimas temperaturas.

Los Planetas

Un planeta es un cuerpo celeste que orbita alrededor de una estrella y posee suficiente masa para que su gravedad le permita adquirir forma esférica y despejar su órbita de planetesimales.

Mercurio

• Es el planeta más cercano al Sol, y el más pequeño y rápido.
• Rico en elementos metálicos y silicatos.
• No posee casi atmósfera, por lo que su superficie está llena de cráteres y con grandes diferencias de temperatura entre el día y la noche.
• No posee satélites.

Venus

• Tiene un tamaño similar a la Tierra.
• Con una densa atmósfera de CO₂, lo que le hace ser el más caliente de todo el sistema solar.
• Su composición es similar a la de la Tierra, con núcleo metálico, manto caliente y corteza rocosa. Presenta vulcanismo.
• Gira en sentido contrario a la Tierra y el resto de los planetas.
• No posee satélites.

Tierra

• Es el más grande de los planetas rocosos.
• Tiene una atmósfera rica en nitrógeno, oxígeno y otros gases, como el CO₂, que permiten el efecto invernadero, manteniendo una temperatura media de 15 °C en el planeta.
• Posee un campo magnético que reduce la radiación solar ionizante.
• Tiene actividad sísmica y magmática.
• Dispone de agua líquida sobre la superficie, siendo el único planeta en el que se ha encontrado vida, con formas autorreproducibles y que toman energía del medio.

Marte

• Presenta la mitad de tamaño que la Tierra y es de color rojo debido a la oxidación de minerales de hierro.
• Presenta una fina atmósfera con CO₂.
• En el pasado, la atmósfera pudo haber sido mayor y el planeta más cálido, por lo que es posible que albergara vida. Además, hay presencia de agua en forma de hielo en capas internas.
• En él hay volcanes, aunque extinguidos, y actividad sísmica.
• Posee dos satélites: Fobos y Deimos.

Júpiter

• Es el planeta más grande del sistema solar.
• Posee un potente campo magnético.
• Su atmósfera es densa, formada por hidrógeno y helio, metano, amoníaco, vapor de agua y etanol.
• Su rotación es rápida, lo que provoca fuertes vientos, que generan el característico bandeado de colores por las diferentes composiciones de los gases, y enormes tormentas, como la Gran Mancha Roja.
• Tiene 79 satélites, uno de ellos Calisto, y algunos podrían albergar vida, como Ío, Europa o Ganimedes.

Saturno

• Su atmósfera es similar a la de Júpiter y también presenta importantes vientos en su atmósfera.
• El aspecto más significativo son sus anillos, formados por fragmentos de hielo, gases congelados y fragmentos de roca procedentes de cometas y asteroides, de muy diversos tamaños.
• Tiene 83 satélites. Destacan Titán y Encélado, que por sus características podrían albergar vida.

Urano

• Su atmósfera es la más fría del sistema y está formada por hidrógeno, helio y metano, lo que le da el color azul característico.
• Posee un núcleo rocoso.
• Tiene una rotación contraria a la del resto de los planetas (excepto Venus), pero lo hace con una inclinación de más de 90°, girando de costado.
• Presenta 13 anillos muy tenues, diferentes a los de Júpiter y Saturno.
• Tiene 27 satélites.

Neptuno

Es el segundo planeta gigante helado y no es visible desde la Tierra a simple vista.

• Su atmósfera es similar a la de Urano y se caracteriza por ser el planeta más ventoso del sistema solar, con velocidades de 2.000 km/h.
• Está formado por hielo fluido, metano y amoníaco en torno a un núcleo sólido rocoso.
• Presenta 6 anillos que son cúmulos de polvo y restos rocosos.
• Tiene 14 satélites.

Otros Cuerpos Celestes

Planetas Enanos

• Son cuerpos celestes que orbitan alrededor de una estrella.
• Forma esférica.
• Órbita no despejada de planetesimales y cuerpos similares a él, compartiéndola con ellos.
• Ceres, localizado en el cinturón de asteroides, y Plutón, Haumea, Makemake y Eris, situados en el cinturón de Kuiper.

Cometas

Son objetos formados por hielo y gases congelados, con fragmentos de rocas y polvo incrustados, que orbitan alrededor del Sol. A medida que se acercan al Sol se calientan, lo que hace que el hielo se convierta en gas, formando su característica estela (órbita elíptica y están en la nube de Oort).

Asteroides

Son pequeños objetos rocosos que también orbitan alrededor del Sol. La mayoría se encuentran en el cinturón de asteroides, entre las órbitas de Marte y Júpiter, pero también se localizan en la órbita de algunos planetas.

Cinturón de Asteroides

Formado por cerca de 2 millones de asteroides de más de 1 km de diámetro y millones de rocas más pequeñas, compuestas por roca y metal, y localizadas entre las órbitas de Marte y Júpiter. El más grande es Ceres. La acción gravitatoria de Júpiter impidió que la acreción de planetesimales formara un planeta en esta zona.

Cinturón de Kuiper

Localizado más allá de la órbita de Neptuno, tiene forma de disco plano. Los objetos que lo componen se denominan transneptunianos y son principalmente cuerpos rocosos, la mayoría helados, compuestos por metano, amoníaco y agua. Es una zona de creación de cometas de periodo corto, como el Halley.

Nube de Oort

Localizada a casi 1 año luz del Sol, rodea de forma esférica el sistema solar. Está formada por miles de millones de fragmentos rocosos y cuerpos helados que orbitan alrededor del Sol. Se especula que es la zona de creación de cometas de periodo largo, como el Hale-Bopp.

El Movimiento de Rotación de la Tierra

El planeta Tierra gira sobre sí mismo, con una vuelta completa alrededor de un eje ideal que pasa por los polos, cada 23 horas y 56 minutos. El sentido de giro es de oeste a este, al contrario que el de las agujas del reloj. Este movimiento genera los días y las noches, quedando medio planeta iluminado y la otra mitad a oscuras.

Movimiento de Precesión

Variación que experimenta la Tierra en la dirección de su eje.

La Luna

Es el único satélite de la Tierra y entre ambos hay 384.000 km de distancia. Tiene una estructura rocosa similar a la Tierra. No dispone de atmósfera, por lo que cualquier cuerpo planetario atraído por su gravedad impacta contra su superficie, provocando un cráter.

Las Fases de la Luna

Siempre vemos la misma cara de la Luna, ya que tarda el mismo tiempo en dar una vuelta sobre sí misma que en realizar un giro sobre la Tierra (mes sideral) (27,3 días). Además, tiene una serie de fases según la porción que se observa iluminada.

Periodo sinódico: Es el ciclo completo de las fases lunares (29,5 días).

Eclipses

Eclipses Solares

Cuando la Luna se interpone entre el Sol y la Tierra, oscureciendo una parte de esta durante el día.

• Total: si la Luna cubre toda la superficie solar.
• Parcial: si no lo hace.

Eclipses Lunares

Cuando la Tierra se interpone entre el Sol y la Luna, oscureciendo la fase de luna llena.

No todos los meses tenemos eclipses, dado que el eje de giro de la Luna sobre la Tierra está inclinado aproximadamente 5°.