Universo y Sistema Solar: Una Perspectiva Histórica y Estructural

Historia de las Ciencias Espaciales y de la Tierra

Escuela Jónica o Pitagórica

  • Doctrina de los 4 elementos: tierra, agua, fuego y aire.
  • El atomismo: La realidad compuesta por una multiplicidad de átomos y por vacío.
  • Pitágoras (siglo V a.C.): Postuló la Tierra esférica.
  • Aristarco de Samos (siglo III a.C.): Propuso el sistema heliocéntrico.

Escuela Aristotélica

  • Mundo sublunar: Planeta Tierra, con sus 4 elementos.
  • Mundo supralunar: Sol, Luna, 5 planetas conocidos y estrellas.
  • Concepción geocéntrica del universo.
  • Tierra esférica e inmóvil.
  • Universo limitado.
  • Eratóstenes: Realizó las primeras mediciones de las dimensiones de la Tierra y de la distancia entre la Tierra y la Luna.

Teoría Geocéntrica

Claudio Ptolomeo (siglo II d.C.): Postuló que la Tierra está inmóvil y se encuentra en el centro del universo.

Teoría Heliocéntrica

  • Nicolás Copérnico (1543): Determinó que el Sol estaba colocado en el centro de todos los planetas que orbitaban a su alrededor. Propuso un universo finito.
  • Paralaje: Cálculo del ángulo de incidencia de la luz procedente de los astros.
  • Johannes Kepler (inicios del siglo XVII): Describió las órbitas elípticas de los planetas y formuló las Leyes de Kepler:
    • Ley de las órbitas
    • Ley de las áreas
    • Ley armónica o de los períodos

Finitud o Infinitud del Universo

  • Galileo Galilei (siglo XVII): Utilizó el telescopio para la observación, postuló que existían muchas más estrellas de las que se pueden observar y sugirió dimensiones ciclópeas del universo.
  • Thomas Wright (siglo XVIII): Propuso una hipótesis sobre la Galaxia Vía Láctea, estimando 1010 estrellas y un plano infinito.
  • Isaac Newton (siglos XVII-XVIII): Describió un universo infinito y uniforme, desarrolló el cálculo infinitesimal, y formuló las leyes del movimiento y la ley de la gravitación universal.
  • Albert Einstein (inicios del siglo XX): Desarrolló la Teoría de la Relatividad Especial (1905) y General (1915).
  • Max Planck (primera mitad del siglo XX): Pionero de la Física Cuántica, postuló la dualidad onda-partícula y contribuyó a la comprensión de la estructura de la materia (átomos: p+, e–, n0), y el uso de aceleradores de partículas.

Teoría Creacionista

James Ussher (finales del siglo XVI): Sostuvo que el origen de la especie humana se hallaba en el contenido de la Biblia.

Catastrofismo y Uniformismo

  • Georges Cuvier (siglo XVIII): Propuso que la Tierra ha sufrido una serie de catástrofes geológicas.
  • James Hutton (1726-1797): Formuló el Principio del Uniformismo, que establece que las leyes que rigen los procesos geológicos han sido las mismas en toda la historia de la Tierra.
  • Charles Lyell (1797-1875): Desarrolló el Principio del Actualismo, que postula que los procesos geológicos que operan en la actualidad modificando la litosfera son los mismos que actuaron en el pasado.
  • Charles Darwin (1809-1882): Propuso la Teoría de la Evolución de las Especies.

Contribuciones a la Cosmología Moderna

  • Immanuel Kant (siglo XVIII): Postuló una fuerza centrífuga para explicar la incompatibilidad de la teoría de la gravitación con la estabilidad del universo.
  • William Herschel (1738-1822): Realizó observaciones con el telescopio más potente de la época, describió la forma aplanada de la Vía Láctea con el Sol, y estudió numerosas nebulosas como «universos-isla».
  • Edwin Hubble (1929): Estudió nebulosas, midió la distancia a la Galaxia Andrómeda e ideó diversos métodos para medir las distancias de galaxias lejanas.

La Expansión del Universo

Hubble midió las distancias a la Tierra de varias galaxias y describió la velocidad de cada objeto midiéndola según su corrimiento al rojo. El corrimiento al rojo es el desplazamiento de la radiación electromagnética (normalmente la luz) que se emite o refleja desde un objeto hacia el extremo rojo del espectro electromagnético.

La Edad del Universo

  • Medición del efecto Doppler de la luz de las galaxias conocidas.
  • Recesión: Corrimiento al rojo de la longitud de onda.
  • La Ley de Hubble establece que la velocidad de alejamiento de una galaxia es directamente proporcional a la distancia: V = H0D.
  • Un universo en expansión implica que alguna vez toda la materia estuvo comprimida infinitamente.
  • El universo tiene una edad próxima a los 13.800 millones de años.

  • Georges Lemaître (1927): Postuló que un universo estático es inestable, sentando las bases de la Teoría del Big Bang.
  • A. Friedmann (1927): Propuso que, dependiendo de la densidad de materia en el universo, la expansión podría continuar o detenerse para iniciar una contracción.

Toda la materia del universo estaba concentrada en una zona extraordinariamente pequeña del espacio, constituyendo una SINGULARIDAD.

La SINGULARIDAD es tan inestable que produjo una gran expansión a partir de la cual se formaron: Materia, Energía, Espacio, Tiempo.

Teoría del Big Bang

Explica la formación del universo hace 13.800 millones de años, a partir de una gran expansión que impulsó con gran energía la materia en todas direcciones.

Se crearon el TIEMPO y el ESPACIO.

El universo se expande y pierde temperatura y densidad.

Organización y Estructuras del Universo

¿Qué son las Galaxias?

Las galaxias son sistemas masivos de estrellas, nubes de gas, planetas y polvo cósmico, materia oscura y quizás energía oscura, unidos gravitacionalmente. Muchas de ellas tienen un agujero negro en su centro.

  • Se estiman 100.000 millones de galaxias en el universo.
  • Galaxias enanas con aproximadamente 107 estrellas.
  • Galaxias gigantes con hasta 1014 estrellas.
  • 500.000 años después del Big Bang: Formación de protogalaxias.
  • 1.000.000 años después del Big Bang: Formación de galaxias.

Estrellas

Las estrellas son concentraciones de hidrógeno (H) que reaccionan fusionándose en helio (He) y emitiendo energía (2 Hidrógeno → 1 Helio + Energía). El 98% del H y He del universo está contenido en las estrellas.

Distinguimos tres zonas principales en una galaxia espiral:

  • Halo Galáctico: Zona exterior de baja concentración de estrellas (menos brillantes), cúmulos globulares y gases.
  • Núcleo Galáctico: Zona de mayor concentración de estrellas de mayor brillo.
  • Disco Galáctico: Zona formada por estrellas jóvenes en la que pueden aparecer brazos espirales.

Subestructuras Galácticas y Cósmicas

  • Vía Láctea

    Es una galaxia en forma de espiral que contiene aproximadamente 200 mil millones de estrellas y en donde se sitúa el Sistema Solar.

  • Cúmulos Estelares

    Los cúmulos son agrupaciones más o menos compactas de estrellas próximas entre sí, nacidas simultáneamente de la misma nube molecular y que, por lo tanto, comparten la misma edad y composición química. Ejemplo: Doble Cúmulo de Perseo.

  • Cúmulo Globular

    Se encuentran distribuidos en el halo galáctico, normalmente son estrellas viejas y pobres en metales.

  • Cúmulo Abierto

    Muestran una menor densidad y su masa no sobrepasa ciertos límites; se encuentran principalmente en el disco galáctico y son ricos en metales.

  • Cúmulos de Galaxias

    Conjunto de galaxias envueltos en gas caliente. Ejemplo: Grupo Local (aproximadamente 25 galaxias).

  • Supercúmulos de Galaxias

    Son conjuntos de cúmulos de galaxias. Ejemplo: Supercúmulo de Virgo.

  • Murallas Cósmicas

    Forman enormes franjas de supercúmulos de galaxias. Son las estructuras más grandes descubiertas en el universo.

Constituyentes del Universo

  • Materia Visible

    Representa el 4% de la densidad crítica de su masa (en forma de nebulosas, estrellas y galaxias). Conformada principalmente por gas ionizado (plasma), sobre todo átomos de H y He (99.85%) y polvo microscópico (elementos más pesados).

  • Materia Oscura

    Representa el 23% de la densidad crítica de su masa. Es materia que no emite ni absorbe luz, detectable solo por la fuerza de atracción gravitacional que ejerce sobre otros cuerpos.

  • Energía Oscura

    Representa el 73% de la densidad crítica de su masa. Es responsable de la aceleración de la expansión del Universo, lo que sugiere la necesidad de una fuerza de repulsión a la gravedad.

Nebulosas

Una nebulosa es una nube de gas, plasma y polvo en el espacio interestelar. Son regiones interestelares formadas por H, He, polvo y plasma.

  1. Nebulosas de Emisión

    Los gases son calentados por las estrellas que se encuentran en ellas o por estrellas cercanas y calientes. El incremento de temperatura permite la ionización de los gases y la emisión de luz visible y radiación ultravioleta. Ejemplo: Nebulosa de Orión.

  2. Nebulosas del Águila (Pilares de la Creación)

    Región de activa creación de estrellas, a 7 millones de años luz.

  3. Nebulosas de Reflexión

    Nube de gases y polvo que refleja la energía de una o más estrellas cercanas. Ejemplo: Nebulosa de las Pléyades.

  4. Nebulosas Oscuras o de Absorción

    Acumulación de gas y polvo interestelar no relacionada con ninguna estrella o alejada de estas, de tal forma que no recibe su energía. Ejemplo: Nebulosa Cabeza de Caballo.

  5. Nebulosas Planetarias

    Son un subtipo de nebulosas de emisión que consisten en una envoltura brillante en expansión de plasma y gas ionizado, expulsadas en las fases finales de la evolución estelar.

Años luz: Equivale a la distancia que recorre la luz en un año (propagándose por el vacío), con una velocidad exacta de 299.792,458 kilómetros por segundo.

Tipos de Galaxias

La Secuencia de Hubble es una clasificación de galaxias por su morfología visual, aunque no toma en cuenta otros aspectos como la tasa de formación de estrellas o la actividad del núcleo galáctico.

  1. Galaxias Irregulares

    • Suelen estar constituidas por estrellas jóvenes y brillantes (azules).
    • Contienen grandes cantidades de gas y polvo, y pueden tener un agujero negro central.
    • Son las menos abundantes.

  2. Galaxias Elípticas

    • Las estrellas que las conforman son relativamente viejas.
    • No contienen ni gas ni polvo significativos.
    • Parte central más brillante y protuberante, con un agujero negro.
    • Tienen tamaños muy variables.

  3. Galaxias Lenticulares

    • Tienen también formas elípticas.
    • La concentración de estrellas va disminuyendo del núcleo galáctico hacia el borde del disco.

  4. Galaxias Anulares

    • Se forman cuando una galaxia densa y compacta colisiona con una mayor.

  5. Galaxias Espirales

    • La mayoría de las galaxias son de este tipo (como la Vía Láctea y Andrómeda).
    • Forma circular de disco plano o achatado, con un núcleo brillante.
    • Los brazos pueden formarse por efecto de la rotación o por el encuentro gravitatorio de dos galaxias.
    • Presentan una barra central y casi todas ellas tienen un agujero negro central.
    • Las estrellas tienen una edad intermedia.
    • Cerca del núcleo hay estrellas viejas; en los brazos, estrellas jóvenes y grandes cantidades de gas y polvo.

La Vía Láctea

Es una galaxia espiral de tamaño intermedio, posee más de 100.000 millones de estrellas (estimado entre 200.000 y 400.000 millones). Su edad es de aproximadamente 11.000 millones de años.

La rotación de la galaxia es en el sentido de las agujas del reloj (retrógrada).

La Vía Láctea

Composición del Universo: La Nucleosíntesis

George Gamow (1946): Observó que el universo está compuesto en sus 3/4 partes de Hidrógeno (H) y el 1/4 restante de Helio (He), siendo estos los dos átomos más ligeros que existen.

En el interior de las estrellas y supernovas se producen procesos de nucleosíntesis (reacciones de fusión). Las cantidades observadas en el universo coinciden con las predichas para los 3 minutos siguientes al Big Bang.

Radiación Cósmica de Fondo

El espectro electromagnético es la distribución de energías de las radiaciones electromagnéticas.