Introducción a la cosmología y la astrofísica
Una noche despejada, desde el Panecillo o desde el Malecón 2000, ves miles de estrellas. Parecen estar todas "pegadas" al cielo, pero unas están a pocos años luz y otras a miles. ¿Cómo se mide una distancia así, y qué nos dice la luz que llega hasta nosotros sobre el pasado y el origen del universo?
Nuestro entorno cósmico: del Sistema Solar a la Vía Láctea
El Sistema Solar está formado por el Sol y los cuerpos que lo orbitan. El Sol es una estrella que concentra cerca del 99,8 % de la masa total del sistema.
Los ocho planetas, en orden creciente de distancia al Sol, son: Mercurio, Venus, Tierra, Marte, Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno.
| Grupo | Planetas | Características |
|---|---|---|
| Rocosos (interiores) | Mercurio, Venus, Tierra, Marte | Pequeños, densos, superficie sólida |
| Gaseosos (exteriores) | Júpiter, Saturno, Urano, Neptuno | Enormes, formados sobre todo por gases y hielos |
Entre Marte y Júpiter está el cinturón de asteroides, que separa los planetas rocosos de los gaseosos.
Más allá de Neptuno están los límites del Sistema Solar:
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Cinturón de Kuiper: región con cuerpos helados, entre ellos Plutón, más allá de la órbita de Neptuno.
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Nube de Oort: gran envoltura esférica de cuerpos helados, mucho más lejana; de allí vendrían muchos cometas de período largo.
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Asteroides: cuerpos rocosos pequeños, la mayoría en el cinturón entre Marte y Júpiter.
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Cometas: cuerpos de hielo y polvo que desarrollan una cola cuando se acercan al Sol.
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Meteoritos: fragmentos que sobreviven al cruzar la atmósfera y llegan al suelo.
La Vía Láctea es una galaxia espiral barrada con unos $10^{11}$ estrellas (cientos de miles de millones). El Sol no está en el centro: se ubica en un brazo espiral, a unos dos tercios del centro, y da una vuelta a la galaxia en unos 200 millones de años. El Sistema Solar es una pequeña parte de la Vía Láctea: un sistema alrededor de una estrella, frente a una galaxia con cientos de miles de millones de ellas.
El Sistema Solar es nuestro entorno cósmico más próximo. El esquema muestra su estructura, con los ocho planetas sin nombrar. a) Escribe los ocho planetas en orden…
El Sistema Solar es nuestro entorno cósmico más próximo. El esquema muestra su estructura, con los ocho planetas sin nombrar.
- a) Escribe los ocho planetas en orden creciente de distancia al Sol.
- b) Clasifícalos en planetas rocosos y planetas gaseosos, e indica entre cuáles se encuentra el cinturón de asteroides.
- c) ¿Cuál es la estrella del Sistema Solar y qué fracción de la masa total del sistema concentra, aproximadamente?
Nuestro Sistema Solar forma parte de una galaxia, la Vía Láctea. a) Indica qué tipo de galaxia es la Vía Láctea y cuántas estrellas contiene, aproximadamente, expresado…
Nuestro Sistema Solar forma parte de una galaxia, la Vía Láctea.
- a) Indica qué tipo de galaxia es la Vía Láctea y cuántas estrellas contiene, aproximadamente, expresado como potencia de diez.
- b) Describe dónde se sitúa el Sol dentro de la galaxia: ¿en el centro, en un brazo o en el borde?
- c) Explica con tus palabras la diferencia entre el Sistema Solar y la Vía Láctea.
Midiendo el universo: año luz y pársec
Los kilómetros se quedan cortos en astronomía. Por eso se usan unidades más grandes.
El año luz ($\text{al}$) es la distancia que recorre la luz en el vacío durante un año. Datos: $c = 3\cdot10^{8}\ \text{m/s}$;…
El año luz ($\text{al}$) es la distancia que recorre la luz en el vacío durante un año. Datos: $c = 3\cdot10^{8}\ \text{m/s}$; $1\ \text{año} = 3,156\cdot10^{7}\ \text{s}$.
- a) Calcula cuánto vale $1\ \text{al}$ en metros, con notación científica y tres cifras significativas.
- b) Expresa el resultado en kilómetros.
Ordena de menor a mayor las siguientes distancias y justifica la ordenación usando notación científica: a) la distancia media de la Tierra a la Luna,…
Ordena de menor a mayor las siguientes distancias y justifica la ordenación usando notación científica:
- a) la distancia media de la Tierra a la Luna, $3,84\cdot10^{8}\ \text{m}$
- b) la unidad astronómica, $1\ \text{UA} = 1,5\cdot10^{11}\ \text{m}$
- c) el radio de la Tierra, $6,37\cdot10^{6}\ \text{m}$
- d) un año luz, $1\ \text{al} = 9,46\cdot10^{15}\ \text{m}$
- e) un pársec, $1\ \text{pc} = 3,086\cdot10^{16}\ \text{m}$
Próxima Centauri es la estrella más cercana al Sol: se encuentra a $4,24\ \text{al}$. Dato: $1\ \text{al} = 9,46\cdot10^{12}\ \text{km}$. a) Expresa esa distancia en…
Próxima Centauri es la estrella más cercana al Sol: se encuentra a $4,24\ \text{al}$. Dato: $1\ \text{al} = 9,46\cdot10^{12}\ \text{km}$.
- a) Expresa esa distancia en kilómetros, con notación científica.
- b) ¿Cuánto tiempo tarda su luz en llegar hasta la Tierra?
- c) Si en esa estrella ocurriera hoy una llamarada espectacular, ¿podríamos observarla esta misma noche? Razona tu respuesta.
Sirio, la estrella más brillante del cielo nocturno, se encuentra a $2,64\ \text{pc}$ del Sol. Datos: $1\ \text{pc} = 3,26\ \text{al}$;…
Sirio, la estrella más brillante del cielo nocturno, se encuentra a $2,64\ \text{pc}$ del Sol. Datos: $1\ \text{pc} = 3,26\ \text{al}$; $1\ \text{al} = 9,46\cdot10^{12}\ \text{km}$.
- a) Expresa la distancia a Sirio en años luz.
- b) Exprésala en kilómetros, con notación científica.
- c) ¿Cuánto tiempo tardaría en llegar hasta Sirio una señal de radio enviada hoy desde la Tierra?
La galaxia de Andrómeda (M31) se encuentra a unos $2,5\cdot10^{6}\ \text{al}$ de la Vía Láctea. Dato: $1\ \text{pc} = 3,26\ \text{al}$. a) Expresa esa distancia en…
La galaxia de Andrómeda (M31) se encuentra a unos $2,5\cdot10^{6}\ \text{al}$ de la Vía Láctea. Dato: $1\ \text{pc} = 3,26\ \text{al}$.
- a) Expresa esa distancia en pársecs y en megapársecs.
- b) ¿Cuánto tiempo ha tardado en llegarnos la luz con la que hoy observamos Andrómeda?
- c) Explica a qué nos referimos cuando decimos que en astronomía «mirar lejos es mirar al pasado».
La Vía Láctea tiene un diámetro de unos $10^{5}\ \text{al}$ y la galaxia de Andrómeda se encuentra a $2,5\cdot10^{6}\ \text{al}$ de nosotros. Datos:…
La Vía Láctea tiene un diámetro de unos $10^{5}\ \text{al}$ y la galaxia de Andrómeda se encuentra a $2,5\cdot10^{6}\ \text{al}$ de nosotros. Datos: $1\ \text{al} = 9,46\cdot10^{15}\ \text{m}$; diámetro del Sol $d_S = 1,4\cdot10^{9}\ \text{m}$.
- a) Calcula cuántos «diámetros galácticos» caben en la distancia que separa la Vía Láctea de Andrómeda.
- b) Construye un modelo a escala: si representáramos la Vía Láctea como un plato de $20\ \text{cm}$ de diámetro, ¿a qué distancia colocarías el plato que representa a Andrómeda?
- c) Calcula qué tamaño tendría el Sol en ese mismo modelo, exprésalo en notación científica y comenta qué concluyes sobre lo «vacío» que está el universo.
La expansión del universo: ley de Hubble-Lemaître
Cuando se analiza la luz de galaxias lejanas, sus líneas espectrales aparecen desplazadas hacia longitudes de onda mayores (corrimiento al rojo). Eso indica que se alejan de nosotros, y más deprisa cuanto más lejos están.
Ciencia del cielo y tecnología
La investigación astronómica y de la física fundamental ha dejado tecnologías cotidianas. Los sensores CCD de las cámaras de los celulares nacieron para captar luz muy débil de las estrellas. El GPS necesita satélites y correcciones basadas en la física de la gravedad y la luz. Los avances en óptica, radiotelescopios y comunicaciones por satélite también vienen de aquí.
La investigación en cosmología y astrofísica ha impulsado tecnologías que hoy usamos a diario. a) Los sensores CCD de las cámaras de los celulares se desarrollaron…
La investigación en cosmología y astrofísica ha impulsado tecnologías que hoy usamos a diario.
- a) Los sensores CCD de las cámaras de los celulares se desarrollaron originalmente para la astronomía. Cita otra tecnología cotidiana relacionada con la investigación espacial o con la física fundamental y explica la conexión.
- b) Explica por qué los países invierten en telescopios y observatorios aunque no produzcan un beneficio económico inmediato.
El Big Bang y el modelo Lambda-CDM
Si hoy todo se aleja de todo, en el pasado todo estuvo más junto. Retrocediendo, se llega a un estado muy denso y caliente.
El modelo estándar de la cosmología se llama Lambda-CDM (Λ por la energía oscura, CDM por cold dark matter, materia oscura fría). Explica casi todo lo observado: la expansión, el fondo de microondas y la abundancia de elementos ligeros. Pero hay tres cosas que no explica del todo: la naturaleza de la gravedad a escala cuántica, la materia oscura y la energía oscura.
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Materia oscura: materia que no emite ni absorbe luz, pero cuya gravedad se nota, por ejemplo, en que las estrellas giran en las galaxias más rápido de lo esperado.
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Energía oscura: lo que se piensa que acelera la expansión actual.
Estas dos últimas forman la mayor parte del contenido del universo; la materia ordinaria (estrellas, planetas, nosotros) es una fracción pequeña.
La sonda Voyager 1, lanzada en 1977, es el objeto construido por el ser humano más alejado de la Tierra: se encuentra a unas $160\ \text{UA}$ del Sol y se aleja a…
La sonda Voyager 1, lanzada en 1977, es el objeto construido por el ser humano más alejado de la Tierra: se encuentra a unas $160\ \text{UA}$ del Sol y se aleja a $17\ \text{km/s}$. Datos: $1\ \text{UA} = 1,5\cdot10^{8}\ \text{km}$; $1\ \text{al} = 9,46\cdot10^{12}\ \text{km}$; $1\ \text{año} = 3,156\cdot10^{7}\ \text{s}$.
- a) Expresa su distancia actual en kilómetros y en años luz.
- b) Suponiendo que mantuviera su velocidad constante, calcula cuántos años tardaría en alcanzar una distancia de $1\ \text{al}$ del Sol.
- c) A la vista del resultado, justifica por qué los viajes tripulados interestelares no son viables con la tecnología actual.
Resumen
Vuelve al principio: la luz de las estrellas que ves desde el Panecillo viaja años, siglos o millones de años; por eso el cielo es una ventana al pasado del universo.