Fundamentos de Astronomía y el Origen del Sistema Solar

El Método Científico y la Comunicación en la Ciencia

Pasos del Método Científico

1. Observación
2. Realizar preguntas
3. Investigación
4. Hipótesis
5. Experimentación
6. Análisis de resultados
7. Resultados

Estructura de un Artículo Científico

1. Título
2. Autor
3. Resumen
4. Introducción
5. Métodos y materiales
6. Resultado
7. Discusión y conclusión
8. Reconocimientos y agradecimientos
9. Bibliografía

Cosmología y la Evolución del Universo

Actualmente se ha demostrado que las galaxias se alejan unas de otras y que el universo está en expansión. Aunque, en realidad, no son las galaxias las que se repelen alejándose por el espacio a gran velocidad unas de otras, sino que es el espacio-tiempo el que se expande: cuanto más se expande, mayor es el alejamiento de las galaxias.

Astronomía: Es la ciencia que estudia los astros que componen el universo a partir de la información que nos proporciona la radiación electromagnética que nos llega de ellos: luz visible, infrarrojos, ultravioleta, rayos X, etc.

Astrofísica: Es una parte de la astronomía que aplica las leyes de la física para estudiar la naturaleza, la composición, la estructura y la evolución de los astros.

Cosmología: Estudia la estructura, el origen y el desarrollo de la totalidad del cosmos, que es el conjunto de todo lo que existe. Describe el universo como un sistema físico mediante modelos matemáticos, que son un conjunto de ecuaciones a través de las cuales se exponen sus propiedades, permitiendo incluso predecir las propiedades de nuevos estados cuando se modifica alguna de sus variables.

Grandes Científicos y sus Aportaciones

• Albert Einstein: Teoría de la Relatividad General (1915).
• Edwin Hubble: En 1929 demostró experimentalmente que las galaxias se alejan unas de otras y que el universo está en expansión. Fue el precursor de la teoría del Big Bang.
• Copérnico: Propuso el modelo heliocéntrico.
• Galileo Galilei: Demostró la teoría heliocéntrica e inventó el telescopio.
• Kepler: Formuló las leyes del movimiento planetario.
• Newton: Formuló la Ley de la Gravitación Universal.

Unidades de Medida

• Unidad Astronómica (U.A.): Distancia de la Tierra al Sol (aprox. 150 millones de km).
• Año luz: Distancia que recorre la luz en un año.

El Efecto Doppler

La luz que llega a la Tierra desde las galaxias contiene una mezcla de radiaciones de distintas longitudes de onda, que pueden separarse mediante un espectroscopio y dar lugar a un espectro.

• Si las ondas están en la zona roja, significa que están más lejos (alejándose).
• Si están en la zona violeta, están más cerca (acercándose).

Efecto Doppler Cosmológico

Es el desplazamiento hacia el rojo de las líneas espectrales. Se debe a que las galaxias se alejan unas de otras porque el universo (el espacio-tiempo) se expande.

Efecto Doppler Convencional

La longitud de una onda emitida por un objeto que se mueve en el espacio es percibida por un observador de forma diferente a la emitida por el objeto. La longitud de onda percibida es mayor si el objeto emisor se aleja del observador y menor si se acerca a él.

La Teoría del Big Bang

Es una «explosión» que se produjo hace casi 13.700 millones de años. En ese momento, la totalidad del universo se encontraba confinado en un único punto y, al comenzar la expansión masiva, se produjo un aumento de las temperaturas hasta llegar a los 100.000 millones de grados centígrados aproximadamente. Debido a esto, solo podía existir una «sopa» de partículas elementales como los quarks o los bosones.

A partir de los 300.000 años se formaron los primeros átomos de Hidrógeno (H) y Helio (He), y la radiación fotónica pudo «escapar».

La radiación cósmica de fondo de microondas, descubierta en 1965, fue un importante apoyo a la teoría del Big Bang, ya que es una radiación residual o «eco» de esa primera gran explosión que sigue llegando como una débil señal en nuestros días.

Entre los 100 y 400 millones de años después del Big Bang, el gas generado comenzó a condensarse debido a las fuerzas gravitatorias y a girar, dando lugar a las primeras estrellas y galaxias.

Composición y Destino del Universo

Las galaxias y toda la materia visible solo representan el 5% de la materia y energía conocida. La materia oscura representa un 25% y la energía oscura un 70%.

Escenarios para el final del universo:

• Big Chill (Gran Enfriamiento): El universo se expandirá indefinidamente porque la gravedad no logra frenar la expansión.
• Big Crunch (Gran Contracción): La gravedad acaba frenando la expansión y provoca una contracción. Existe la posibilidad del universo pulsante (ciclos infinitos).
• Big Rip (Gran Desgarramiento): La energía oscura supera la gravedad, acelerando la expansión hasta que todo se evapora y el tiempo se detiene.

Teorías Fundamentales

• Teoría de la Relatividad General: Explica el mundo de las cosas grandes (espacio, tiempo, galaxias). La gravedad de los cuerpos de gran masa deforma el espacio-tiempo, provocando ondas gravitacionales (confirmadas por el experimento LIGO en 2016).
• Teoría de la Mecánica Cuántica: Describe el mundo de las cosas pequeñas (partículas elementales del átomo y sus fuerzas).

Materia y Energía Oscura

• Materia Oscura: Su naturaleza es desconocida (posiblemente neutrinos, axiones, WIMP, etc.). No emite ni absorbe radiación electromagnética; se detecta por sus efectos gravitacionales.
• Energía Oscura: Hace que el universo acelere su expansión actuando como fuerza repulsiva. Algunos la asocian a la constante cosmológica de Einstein o a la quintaesencia.

Estructuras del Universo

Las Galaxias: Enormes acumulaciones de materia (polvo, nebulosas, estrellas) unidas por la gravedad. La Vía Láctea se compone de:

• Halo: Forma esférica, estrellas viejas y cúmulos globulares.
• Bulbo: El núcleo o centro.
• Disco: Contiene nebulosas, polvo y estrellas en brazos espirales (Perseo, Orión, Sagitario, Centauro y Cisne).

Las Nebulosas: Nubes de H, He y polvo. Pueden ser creadoras de estrellas (Orión) o restos de explosiones (Cangrejo).

Las Estrellas: Esferas de H y He que realizan fusión termonuclear. Al agotar su combustible, mueren.

Jerarquía Cósmica:

• Cúmulo: Grupo local (más de 40 galaxias, incluyendo la Vía Láctea y Andrómeda).
• Supercúmulo: Como Laniakea, que incluye el Cúmulo de Virgo.
• Filamentos: Esqueleto cósmico formado por materia oscura.

Ciclo de Vida de las Estrellas

Nacen de nebulosas que colapsan formando una protoestrella. Su evolución depende de su masa:

• Poco masiva: Se enfría y muere como enana blanca.
• Masiva (como el Sol): Gigante roja -> Nebulosa planetaria -> Enana blanca -> Enana negra.
• Muy masiva: Gigante azul -> Supergigante roja -> Supernova -> Agujero negro o estrella de neutrones.

El Sistema Solar y la Vida

Se formó hace unos 5.000 millones de años a partir de una supernova en el brazo de Orión. Está constituido por el Sol, 8 planetas, planetas enanos, satélites y cuerpos pequeños.

El Sol

• Estrella de tamaño medio y tercera generación.
• Contiene el 99% de la materia del sistema.
• Fotosfera: Superficie (6.000 ºC) con manchas solares (4.000 ºC).
• Cromosfera y Corona: De donde salen protuberancias.
• Núcleo: 15 millones de grados, donde ocurre la fusión de H en He.

Los Planetas

Astros que orbitan el Sol, con masa suficiente para ser esféricos y que han «barrido» su órbita.

Tipos de Planetas:

• Interiores (Terrestres/Rocosos): Mercurio, Venus, Tierra y Marte. Son densos y pequeños.
• Exteriores (Gigantes):
  • Gaseosos: Júpiter y Saturno.
  • Helados: Urano y Neptuno (metano congelado).

Otros Cuerpos Celestes

• Planetas Enanos: Esféricos, pero no dominan su órbita (ej. Plutón, Ceres, Eris).
• Plutoides: Planetas enanos más allá de Neptuno (Haumea, Makemake).
• Satélites: Astros que giran alrededor de planetas (ej. la Luna).
• Cuerpos Menores: Asteroides, meteoroides y cometas.

Origen de la Luna

Hace 4.600 millones de años, un planeta llamado Theia colisionó con la Tierra. Los fragmentos fundidos quedaron orbitando y se compactaron por gravedad.

Astrobiología y Condiciones para la Vida

Estudia el origen y destino de la vida en el universo. Requiere:

• Zona de Habitabilidad Galáctica: Lejos de la radiación del núcleo.
• Zona de Habitabilidad Estelar: Distancia adecuada para tener agua líquida.
• Masa suficiente para retener atmósfera y magnetosfera protectora.
• Presencia de CO2 (efecto invernadero suave), O2 y agua líquida.

Hipótesis sobre el Origen de la Vida:

1. Hipótesis Hidrotermal: En la oscuridad del fondo marino, con altas temperaturas y gases volcánicos catalizados por pirita.
2. Hipótesis de la Sopa Primordial: Atmósfera reductora (sin O2) donde la radiación y rayos generaron biomoléculas en los mares.
3. Hipótesis de la Panspermia: Origen extraterrestre vía meteoritos o cometas.

Evolución Celular

Las biomoléculas formaron polímeros (proteínas, ácidos nucleicos). Las protocélulas surgieron al quedar aisladas por membranas de fosfolípidos. Las primeras células (hace 3.800 m.a.) fueron bacterias procariotas heterótrofas, seguidas por cianobacterias fotosintéticas.

Datos Comparativos de los Planetas

• Año más largo: Neptuno.
• Año más corto: Mercurio.
• Más cercano a la Tierra: Venus.
• Rotación inversa: Venus.
• Densidad: Disminuye al alejarse del Sol.

Detalles Específicos:

• Mercurio: Sin atmósfera ni agua. Grandes cambios de temperatura. Núcleo de hierro y muchos cráteres. Sin satélites.
• Venus: Atmósfera densa de CO2, efecto invernadero extremo. Actividad volcánica. Sin satélites.
• Tierra: Temperatura suave, agua líquida, atmósfera y vida. Satélite: Luna.
• Marte: Atmósfera ligera, agua helada en subsuelo y polos. Cañones profundos. Satélites: Fobos y Deimos.
• Júpiter: Gaseoso, muy frío, grandes vientos. Satélites: Europa, Ganimedes, Calixto, entre otros.
• Saturno: Anillos espectaculares, vientos fuertes. 82 satélites (Titán, Rea).
• Urano: Gigante helado, nubes de metano, color verde, anillos. Satélites: Oberón, Titania.
• Neptuno: Muy frío, núcleo caliente, huracanes. Satélites: Proteo, Tritón.
• Plutón: (Planeta enano) Manto helado de agua, metano y nitrógeno. Satélite: Caronte.