1. TEMA 1: NUESTRO LUGAR EN EL UNIVERSO

2. 1. BREVE HISTORIA DEL UNIVERSO Los primeros científicos griegos ( filósofos), basándose en las observaciones de los cielos nocturnos, desarrollaron diversas teorías sobre el universo y la ordenación de los astros y planetas conocidos hasta ese momento. La teoría más aceptada fue el SISTEMA GEOCÉNTRICO DE PTOLOMEO (perduró con ligeras modificaciones hasta el siglo XVI): 1. El universo se dividía en 8 esferas cocéntricas 2. La Tierra estaba en el centro del universo completamente inmóvil 3. Alrededor de ella en sus esferas respectivas, giraban el Sol, la Luna y las estrellas.

3. 1. BREVE HISTORIA DEL UNIVERSO 4. Las estrellas giraban siempre en el mismo sentido y mantenían constantes las distancias entre ellas. Se encontraban fijas en una esfera alejada llamada BÓVEDA CELESTE. 5. La Bóveda Celeste se movía por acción de un ser divino. 6. Los planetas (significa en griego vagabundo) seguían sobre sus esferas trayectorias irregulares. Problemas del modelo de Ptolomeo : extremadamente complicado, sobre todo con el paso del tiempo en el que se tuvo que ir aumentando el número de esferas y de giros precisos de cada nueva observación.

4. 1. BREVE HISTORIA DEL UNIVERSO - En el siglo XVI, NICOLAU COPÉRNICO (1473-1543) desarrolla un nuevo modelo del universo llamado el SISTEMA HELIOCÉNTRICO: 1. El Sol está en el centro del universo completamente quieto, y la Tierra y los demás planetas giran a su alrededor. 2. La Tierra realiza dos movimientos, uno de rotación sobre ella misma y otro de traslación en torno al Sol.

5. 1. BREVE HISTORIA DEL UNIVERSO 3. La Luna gira en torno a la Tierra 4. Las estrellas se encuentran fijas en una alejada esfera inmóvil Y, NO OBSTANTE, SE MUEVE! Probablemente, no fue casualidad que solo después de la muerte de Copérnico se publicara su obra De revolutionibus orbium coelestium (Sobre el movimiento de las esferas celestiales) , donde exponía el sistema heliocéntrico. Sin duda, conocía la resistencia que iba a encontrar y los problemas que le podían generar sus ideas. Casi un siglo más tarde, en 1633, Galileo Galilei debió soportar un largo y agotador juicio en que la Inquisición lo acusaba de defender el sistema copernicano. Cuenta la historia que cuando se puso en pié, después de jurar que la Tierra estaba quieta, dijo algo en voz baja. Según esta leyenda, sus palabras fueron Eppur se muove (E, non obstante se mueve)

6. 1. BREVE HISTORIA DEL UNIVERSO - Con el paso del tiempo, nuevos descubrimientos científicos contribuyeron a pulir el nuevo modelo de universo: A. INMENSIDAD DEL UNIVERSO: la estructura del universo resultó ser más compleja que la prevista por Copérnico. El Sol no ocupa el centro del universo sino que es una más entre los 100000 millones de estrellas en nuestra galaxia, la Vía Láctea . En uno de los brazos de la Vía Láctea se encuentra el Sistema Solar, girando alrededor del eje de la galaxia a una velocidad de 760000 km/h, tardando 230 millones de años en completar una vuelta (año galáctico). Nuestra galaxia es una entre los miles de millones que forman el universo conocido ( Andrómeda es la galaxia más cercana a la nuestra y Próxima Centauri la estrella más cercana al Sol)

7. 1. BREVE HISTORIA DEL UNIVERSO B. DESCUBRIMIENTO DEL TIEMPO PROFUNDO: hasta hace poco más de dos siglos se creía que la Tierra tenía unos 6000 años de antigüedad, que había sido creada como refugio de los seres humanos y que su edad coincidiría con el tiempo que lleva existiendo la especie humana. De los 4560 millones de años de historia de nuestro planeta, la mayoría transcurre sin presencia del hombre en ella.

8. 1. BREVE HISTORIA DEL UNIVERSO C. EVOLUCIÓN BIOLÓGICA: hasta el siglo XIX, se consideraba que cada especie biológica había sido creada tal y como la conocíamos en la actualidad. Charles Darwing, mostró que las especies cambian a lo largo del tiempo, que están emparentadas unas con otras y que todas ellas, incluída la nuestra, tienen un origen común. CONCLUSIONES : - No ocupamos el centro del universo, - Ni la Tierra fue creada para los seres vivos de morada, - Y somos una especie entre los muchos millones que existieron en nuestro planeta

9. 2. COMPOSICIÓN DEL UNIVERSO El universo es un enorme vacío en el que hay millones de cuerpos. Químicamente es muy simple, pues un 75% es hidrógeno, un 20% es helio, y un 5% el resto de los elementos . Algunos de los astros se pueden observar a simple vista, y otros sólo con telescopios: A. A SIMPLE VISTA VACÍO GALAXIAS (Elípticas, espirales o irregulares) ESTRELLAS PLANETAS NEBULOSAS

10. 2. COMPOSICIÓN DEL UNIVERSO - ESTRELLAS: B. CON TELESCOPIO MATERIA OSCURA (constituye el 90% de la materia del universo y no emite radiación) * Energía se forma al transformarse hidrógeno en helio *Cuando se agota el hidrógeno, consume el helio, aumenta el tamaño y forma en gigante roja. *Agotado el helio, se encoge y forma una enana blanca. * Si la estrella es más masiva que el Sol consumirá el hidrógeno más rápido, será más luminosa y explotará, originando una Supernova

11. 2. COMPOSICIÓN DEL UNIVERSO ¿COMO SABEMOS QUE EXISTE MATERIA OSCURA SI NO LA VEMOS? Procedimiento indirecto... Estas galaxias chocan debido a la atracción gravitatoria que hay entre ellas, y al hacerlo calientan el gas que hay entre ellas ( color rojo ). En cambio, la máxima densidad de la materia visible (puntos blancos) se encuentran en la zona de color azu l. Algo que no vemos está provocando el acercamiento entre galaxias. A esta materia invisible que interacciona gravitatoriamente se llama materia oscura

12. 3. MOVIMIENTO DEL UNIVERSO - Todo en el universo está en movimiento. La principal causa del movimiento del universo es la Fuerza de la gravedad dada por Isaac Newton en el siglo XVII en base a la ley que dice: “ La Ley de la Gravitación Universal dice que los cuerpos se atraen, tanto más cuanto mayor sea su masa y cuanto más próximos estén” GRAVEDAD SEGÚN NEWTON Newton justifica la órbita de un planeta a partir de un cañón situado en lo alto de una montaña que dispara bolas de forma horizontal. La montaña necesita ser muy alta para evitar la atmósfera terrestre e ignorar los efectos de fricción sobre la bola de cañón. Cañón de Newton

13. 3. MOVIMIENTO DEL UNIVERSO - En el siglo XX, ALBERT EINSTEIN cambia radicalmente el significado que se tenía de la fuerza de la gravedad dada por Newton, para asegurar el cumplimiento de la Teoría de la Relatividad Especial que había elaborado años antes de este estudio. - La Relatividad Especial dice que nada puede viajar a velocidades superiores a la de la luz. Sin embargo, Newton explicaba que si un planeta dejaba, de repente, de ser atraído por un cuerpo, se saldría de su órbita a velocidades infinitas sin llegar a detenerse nunca. - Por ese motivo, en 1915 Einstein desarrolló la Teoría de la Relatividad General . Según ella, la gravedad no era una fuerza sinó una consecuencia de ña curvatura espacio- temporal (el espacio-tiempo está deformado por la distribución masa-energía que contiene)

15. De este modo, si un planeta deja de ser atraído por un cuerpo, se produciría una perturbación espacial (como una onda en el agua), que cuando alcanzase al planeta, le provocaría un cambio de órbita moviéndose a velocidades de la luz (confirmando la Relatividad Especial).

16. Deforma el tiempo: el tiempo transcurre de forma distinta para observadores situados en campos gravitatorios distintos. Cuanto más intenso es el campo gravitatorio, más lento pasa el tiempo. (Para un buen funcionamiento de relojes de aviones y satélites se requiere hacer uso de las ecuaciones de Einstein, prueba de su veracidad) La deformación del espacio se ha comprobado experimentalmente a partir de eclipse (luz se desviaba de su trayectoria al pasar por el campo gravitatorio del astro)

21. 4. ORIGEN Y EVOLUCIÓN DEL UNIVERSO ¿Cómo podemos imaginarlo? Lo más parecido que podemos imaginar de aquellas condiciones es el propio interior de las estrellas como el Sol, donde la temperatura es enorme. Un horno nuclear, donde la materia se transforma por reacciones de partículas* más elementales aún que los protones y los neutrones. (*) Estas partículas “elementales” son conocidas como quarks, leptones y bosones. Los quarks, junto con los electrones (leptón), los fotones (bosón) y otras partículas, como los neutrinos (leptón), formaban una mezcla con una temperatura y una densidad enormes, llamada “plasma primordial”.

22. 4. ORIGEN Y EVOLUCIÓN DEL UNIVERSO La materia entonces no era como la materia de ahora, aunque sus componentes elementales fueran los mismos. El Universo se ha transformado, precisamente debido a que está en expansión, y su temperatura y densidad han ido disminuyendo progresivamente hasta alcanzar las que observamos ahora.

23. 4. ORIGEN Y EVOLUCIÓN DEL UNIVERSO Por todo ello, el modelo más aceptado sobre el origen y evolución del Universo es el “ BIG BANG ”. Según este modelo, en el principio de los tiempos, toda la materia del Universo se encontraba concentrada en una región de tamaño muy pequeño, tan pequeño como un átomo, y, debido a una gran explosión, el Universo se expandió. Al expandirse se enfrió y mientras se enfriaba, la materia se iba transformando. El Universo pasó por cuatro etapas sucesivas : (*) El Universo amplió su tamaño miles de millones de veces en un tiempo extraordinariamente pequeño, inferior a micromillonésimas de segundo 1. INFLACIÓN : Inicialmente, el Universo estuvo comprimido en un estado muy denso, que se expandió muy rápidamente * . En esta etapa, el Universo debió de ser una sopa de partículas y radiación de muy alta energía. Tras esa etapa, el Universo siguió expandiéndose, pero ya a un ritmo más lento. A partir de entonces es cuando verdaderamente tenemos una descripción fiable de lo que pudo pasar.

24. 4. ORIGEN Y EVOLUCIÓN DEL UNIVERSO 2. CONFINAMIENTO DE QUARKS: Una cienmilésima de segundo después del instante inicial, la temperatura era lo suficientemente baja para que todos los quarks se confinaran en protones* y neutrones. Según el modelo del Big Bang no quedaron quarks libres en el Universo y, efectivamente, lo que observamos hoy en día es que los quarks forman siempre parte de protones y neutrones. (*) Los elementos de la tabla periódica se diferencian entre sí por el número de protones de su núcleo. A este número se le llama número atómico . El elemento más abundante del Universo, el hidrógeno, es el más simple de todos. De número atómico 1, su núcleo está compuesto de un sólo protón . 3. NUCLEOSÍNTESIS : La nucleosíntesis es un proceso en el que los protones y neutrones reaccionan para dar lugar a núcleos de otros átomos. Pero la mayor parte de los protones quedaron libres: casi el 75% del Universo seguía siendo núcleos de Hidrógeno*. ¿Qué nuevos núcleos se formaron en esta etapa? Núcleos de helio**: aproximadamente un 25% En una proporción inferior se formaron: Núcleos de deuterio*** (un protón con un neutrón). Núcleos de litio (con tres y cuatro protones)

25. 4. ORIGEN Y EVOLUCIÓN DEL UNIVERSO Transcurridos tres minutos desde el origen las reacciones nucleares cesaron su actividad porque la temperatura del Universo ya se había enfriado lo suficiente. Como resultado, el elemento químico más abundante del Universo es el hidrógeno, seguido por el helio. 4. RECOMBINACIÓN : Cuatrocientos mil años después, los núcleos de hidrógeno capturarán electrones convirtiéndose en átomos neutros*. Los fotones ya no tienen la energía suficiente para ser absorbidos por los electrones (a su vez, los electrones ya no pueden absorber fotones que les liberen de los átomos neutros). Los fotones pueden viajar desde entonces por el Universo sin ser absorbidos por la materia y llegar hasta nosotros. El Universo se ha hecho transparente, es decir, lo podemos observar. (*) Para que un átomo sea eléctricamente neutro, el número de protones ha de ser igual al de electrones.

27. 4. ORIGEN Y EVOLUCIÓN DEL UNIVERSO ¿Cómo es el Fondo Cósmico de Microondas? Si el Universo se había originado en el Big Bang, su radiación se habría ido esparciendo por el espacio, y debido a la expansión de éste, se habría ido “estirando” hacia longitudes de onda más grandes por efecto Doppler . 2. El Fondo Cósmico de Microondas El Fondo Cósmico de Microondas es una de las pruebas fundamentales de la existencia del Big Bang, ya que estaba predicho y ha sido confirmado por la observación. Fondo Cósmico de Microondas (descubierto en 1964)

29. 4. ORIGEN Y EVOLUCIÓN DEL UNIVERSO En 1964, los ingenieros Arno Penzias y Robert Wilson detectaron de forma casual una débil radiación que parecía provenir, con la misma intensidad, de todas las direcciones del Universo. Era la radiación de Fondo Cósmico de Microondas* predicha por la teoría del Big Bang. (*) Gracias a este descubrimiento, obtuvieron el Premio Nobel de Física en 1978.En 2006 se otorgó otro Premio Nobel a John C. Mather y George F. Smoot por el descubrimiento de la constitución básica de la radiación de Fondo Cósmico Microonda

30. 4. ORIGEN Y EVOLUCIÓN DEL UNIVERSO En la década de los 90, el Explorador Cósmico de Microondas COBE , un satélite de la NASA, confirma los resultados de Penzias y Wilson. El COBE llevaba un espectrómetro para descomponer la radiación cósmica de microondas en diferentes longitudes de onda y medir su intensidad en cada una de ellas con una precisión extraordinaria. (*) Un espectrómetro es un aparato capaz de medir la radiación electromagnética.

32. 4. ORIGEN Y EVOLUCIÓN DEL UNIVERSO Estos resultados fueron verificados por varios experimentos en la década de los 90. Uno de los primeros, el experimento de Tenerife sobre el Fondo Cósmico de Microondas fue llevado a cabo en el Observatorio del Teide . Más recientemente, otro satélite de la NASA, conocido con el nombre de WMAP ha obtenido medidas aún más precisas y nítidas del Fondo Cósmico de Microondas. El mapa muestra las zonas más calientes en rojo y las zonas más frías en azul.

33. 4. ORIGEN Y EVOLUCIÓN DEL UNIVERSO La interpretación de estas últimas observaciones en el marco del modelo del Big Bang ha permitido extraer información de muchos de sus parámetros fundamentales, reduciendo notablemente las incertidumbres que había acerca de ellos. Estudiando los datos de las manchas que aparecen en estos mapas se pueden establecer qué características tiene el Universo globalmente: - Densidad - Materia : si sólo hay materia como la que conocemos en la Tierra o en el Sol, o si hay formas distintas que podrían haber pasado inadvertidas. - Edad y ritmo de expansión del Universo. - Etapa de la inflación : cómo pudo ser y los procesos que la causaron.

36. 4. ORIGEN Y EVOLUCIÓN DEL UNIVERSO Hoy en día podemos ver cómo se forman en distintas nubes de gas, como la de la imagen, situada cerca de la Gran Nube de Magallanes . En ocasiones vemos también la muerte de algunas estrellas en forma de supernovas. En la imagen vemos la supernova del Cangrejo, cuya explosión “en diferido” fue observada por los chinos el 4 de julio de 1054.

39. 4. ORIGEN Y EVOLUCIÓN DEL UNIVERSO Debido a la gravedad , esta nube comenzó a colapsar y a rotar cada vez más deprisa, al igual que una bailarina cuando baja sus brazos. La nebulosa se aplanó en forma de disco, en cuyo centro, la zona más densa y caliente, se formó el Sol ; mientras, en las partes externas, se crearon pequeños grumos de gas y polvo que poco a poco acumularon materia suficiente hasta convertirse en planetas .

41. 4. ORIGEN Y EVOLUCIÓN DEL UNIVERSO Los mamíferos, grupo animal al cual pertenecemos, hicieron su aparición hace unos 200 millones de años. La famosa “ Lucy ”, homínido perteneciente al género Australopithecus , vivió hace 3.5 millones de años. Un millón de años antes que el género Homo al que pertenece nuestra especie el “Homo sapiens”. Imagen: a la izquierda se muestra el esqueleto de Lucy, a la derecha una simulación de un miembro de su especie “Australopithecus afarensis”. Nuestra especie, el Homo sapiens , apareció en África, hace unos 200.000 años . Y las primeras civilizaciones , hace tan sólo unos 5.000-6.000 años .

43. 4. ORIGEN Y EVOLUCIÓN DEL UNIVERSO (vídeo divulgativo) EVOLUCIÓN DEL UNIVERSO: 1. BIG CRUNCH (“Gran Colapso”): la expansión del universo irá frenándose poco a poco hasta que finalmente comiencen nuevamente a acercarse todos los elementos que conforman el universo, volviendo al punto original en el que todo el universo se comprimirá y condensará destruyendo toda la materia en un único punto de energía como el anterior a la Teoría de la Gran Explosión. 2. BIG RIP (“Gran Desgarramiento”): si el Universo contiene suficiente energía oscura, podría acabar en un desgarramiento de toda la materia. A diferencia del Big Crunch, en el que todo se condensa en un solo punto, en el Big Rip el Universo se convertiría en partículas subatómicas flotantes que permanecerían para siempre separadas, sin cohesión gravitatoria ni energía alguna. 3. BIG BOUNCE: El universo oscilante es una hipótesis propuesta por Richard Tolman, según la cual, el universo sufre una serie infinita de oscilaciones, cada una de ellas iniciándose con un Big Bang y terminando con un Big Crunch. Luego del Big Bang, el universo se expande por un tiempo antes de que la atracción gravitacional de la materia produzca un acercamiento hasta llegar a un colapso y sufrir seguidamente un Gran Rebote. 4. BIG FREEZE (“Gran Frío”): es una teoría física sobre el futuro del Universo, en la que se supone éste se seguirá expandiendo eternamente -asume, por tanto, un universo abierto- y está marcada por el triunfo de la segunda ley de la termodinámica, con la consecución final de prácticamente todos los procesos físicos que puedan darse y posiblemente acabando con la muerte térmica del Universo. Ya que los estudios recientes muestran que el Universo es abierto, de acuerdo con bastantes astrónomos este sería el futuro que le espera.