INTRODUCCIÓNLas investigaciones realizadas en las últimas décadas han permitido establecer que tanto

el ser humano como su entorno cercano y lejano están formados por los mismos tipos de átomos o por el mismo tipo de partículas constituyentes de estas entidades.

Lo anterior hace pensar que bien pudiera ser que desde un núcleo de hidrógeno o un electrón hasta nuestro cercano Sol o una muy lejana estrella tuvieran un origen común. ¿Cuál es ese origen? ¿Cómo se formaron las estrellas? ¿Cómo se formaron los planetas?

A las preguntas anteriores se les ha ido dando respuestas que constituyen audaces teorías. Cada una con base en informaciones recogidas en ese vasto universo del cual formamos parte.

Y así como nos preguntamos acerca del origen de las estrellas, podemos hacernos preguntas acerca de su evolución, si es que la tiene. ¿Tienen vida las estrellas? ¿Son eternas? ¿Qué son las Galaxias? ¿Qué diferencia hay entre una estrella y una estrella nova? Surge así un sinfín de preguntas.

También podemos preguntarnos acerca de cómo surgieron los planetas y cómo evolucionaron. En especial es de interés informarnos acerca de los posibles orígenes de nuestro planeta, la Tierra. ¿Cuál fue su estructura original? ¿Cómo evolucionó con el tiempo? ¿Cómo está evolucionando?

Y en este devenir histórico que lleva millones de años ¿Qué ocurrió con los elementos? ¿Cómo reaccionaron entre sí? ¿Qué materiales se formaron? Finalmente, ¿Cuál es la estructura actual de nuestro planeta? ¿Cómo está evolucionando? Cuáles son los cambios que están ocurriendo? Es cierto que Baja California se va desprendiendo? ¿A dónde irá a parar?

OBJETIVOSEn esta primera parte de la Unidad I Práctica No. 1.1 (Taller) se analizarán las diferentes

teorías que explican el origen del Universo, de nuestra Galaxia y de la Tierra, así como de los elementos que losconstituyen.HIPÓTESIS

Se plantearán hipótesis acerca del origen y evolución del Universo, de nuestra Galaxia, de la Tierra y de los elementos químicos.PROCEDIMIENTO DE TRABAJO

Se propone para esta Unidad, una discusión dirigida por el profesor, con base en lecturas y cuestionarios planteados a los alumnos.

Se sugiere que los alumnos asistan a una proyección audiovisual (Q198 TV: “La vida de las estrellas”). Se aconseja que el alumno en su bitácora forme un glosario de conceptos y definiciones claves, que le ayudarán a la realización de su trabajo. Por ejemplo: medidas astronómicas, supernova, hoyos negros, cosmología, cometas, estrellas, astros, satélites, Leyes de Kepler, objetos cuasi-estelares (WSEG Y QUASARS), etcétera.

CUESTIONARIO

1. Explicar el origen del universo a partir de las siguientes teorías: de la “Gran explosión” y del “Estado estacionario”.

a) La teoría del BIG BANG o gran explosión : A la teoría que explica la expansión del Universo y por tanto su origen. Se le conoce como la teoría del Big Bang. Y propone que en el pasado existió un sistema primigenio denso y caliente, donde se originan los elementos químicos primordiales y todos los objetos astronómicos que se observan en la esfera celeste (estrellas, galaxias, cúmulos de galaxias, etc.). Supone que toda la materia del universo estuvo en un comienzo, concentrada en unmismo lugar del espacio

Esta masa de volumen pequeño (comparado con la extensión del universo) fue bautizada como huevo cósmico por Gamow o átomo primitivo por Lemaître. Si toda la materia existente en el universo estuvo concentrada en una sola estructura, su densidad debió ser inimaginablemente grande. De igual forma, se estima que su temperatura alcanzó unos 100 mil millones de grados Celsius. En tales condiciones, ni siquiera existirían los átomos como los ha definido la química.

Estas condiciones originaron que es sistema fuese muy inestable obligándolo a explotar. Al explotar, la energía fue transformándose paulatinamente en materia, a medida que se alejaba es todas direcciones. En un instante nacían el tiempo y el espacio. Al transcurrir los primeros tres minutos, empiezan a aparecer ya los núcleos de los átomos más sencillos, hidrógeno y helio. Los átomos más pesados, como el hierro, el carbono, el cobre y el resto de los elementos de la tabla periódica, fueron creados, según se cree, en el interior de las estrellas de gran masa,quienes los esparcieron por el cosmos al explotar

b) La Teoría del Estado Estacionario: muchos consideran que el universo es una entidad que no tiene principio ni fin. No tiene principio porque no comenzó con una gran explosión ni se colapsará, en un futuro lejano, para volver a nacer. La teoría que se opone a la tesis de un universo evolucionario es conocida como "teoría del estado estacionario" o "de creación continua" y nace a principios del siglo XX.

El impulsor de esta idea fue el astrónomo inglés Edward Milne y según ella, los datos recabados por la observación de un objeto ubicado a millones de años luz, deben ser idénticos a los obtenidos en la observación de la Vía láctea desde la misma distancia. Milne llamó a su tesis "principio cosmológico".

En 1948 los astrónomos Herman Bondi, Thomas Gold y Fred Hoyle retomaron este pensamiento y le añadieron nuevos conceptos. Nace así el "principio cosmológico perfecto" como alternativa para quienes rechazaban de plano la teoría del Big Bang.

Dicho principio establece, en primer lugar, que el universo no tiene un génesis ni un final, ya que la materia interestelar siempre ha existido. En segundo término, sostiene que el aspecto general del universo, no sólo es idéntico en el espacio, sino también en el tiempo.

2. Explicar la evolución del Universo a partir de las siguientes teorías: de “La expansión delUniverso” y de “Las pulsaciones”.

a) La teoría de la Expansión del Universo. Teoría propuesta por Edwin Hubble, en la cual considera que todas las galaxias se alejan de la nuestra a velocidades directamente proporcionales a las distancias que nos separan de ellas; por lo tanto, el Universo aumenta constantemente su volumen.

Las observaciones astronómicas realizadas mediante la utilización de telescopios

equipados con espectroscopio a principios de este siglo fueron la base de esta teoría. b) La Teoría del Universo Pulsante Nuestro universo sería el último de muchos

surgidos en el pasado, luego de sucesivas explosiones y contracciones (pulsaciones).El momento en que el universo se desploma sobre sí mismo atraído por su propia

gravedad es conocido como "Big Crunch" en el ambiente científico. El Big Crunch marcaría el fin de nuestro universo y el nacimiento de otro nuevo, tras el subsiguiente Big Bang que lo forme.

Si esta teoría llegase a tener pleno respaldo, el Big Crunch ocurriría dentro de unos 150 mil millones de años. Si nos remitimos al calendario de Sagan, esto sería dentro de unos 10 años a partir del 31 de diciembre

3. ¿Qué es el Universo? y ¿cómo está constituído?Materia, energía, espacio y tiempo, todo lo que existe forma parte del Universo. Es muy

grande, pero no infinito. Si lo fuera, habría infinita materia en infinitas estrellas, y no es así. En cuanto a la materia, el universo es, sobre todo, espacio vacío.

El Universo contiene galaxias, cúmulos de galaxias y estructuras de mayor tamaño llamadas supercúmulos, además de materia intergaláctica. Todavía no sabemos con exactitud la magnitud del Universo, a pesar de la avanzada tecnología disponible en la actualidad.

La materia no se distribuye de manera uniforme, sino que se concentra en lugares concretos: galaxias, estrellas, planetas ... Sin embargo, el 90% del Universo es una masa oscura, que no podemos observar. 4. Realice una breve monografía de una estrella.

Casi toda la materia que constituye el Universo está atrapada en forma de estrellas. Estas esferas gigantescas de gas caliente alcanzan diámetros que van de cientos a miles de veces el diámetro de la Tierra. Las estrellas tienen brillo propio porque en su centro las presiones y temperaturas son lo suficientemente elevadas como para propiciar que los átomos colisionen entre sí frecuente y fuertemente. En estas colisiones, a veces se fusionan dos o más núcleos atómicos para formar uno solo. A este fenómeno se le llama fusión termonuclear. En su forma más básica, este proceso fusiona cuatro átomos de hidrógeno para formar un átomo de helio. Estrictamente hablando, la masa no se conserva en este proceso físico. Si tomáramos cuatro gramos de núcleos de hidrógeno y los fusionáramos hasta convertirlos íntegramente en núcleos de helio, no obtendríamos exactamente los cuatro gramos de helio esperados, sino tan sólo 3.97 gramos.

¿Qué le sucede a la masa aparentemente desaparecida? Esta diferencia de masa se transforma en energía; concretamente es emitida como radiación de alta energía (véase la Figura).

Figura . En el centro de las estrellas ocurre el proceso de la fusión termonuclear. Mediante este proceso, básicamente se fusionan cuatro núcleos de hidrógeno para formar un núcleo de helio. Cuatro núcleos de hidrógeno pesan un poco más que un núcleo de helio, la diferencia de masa se transforma en energía.

Esta transformación de materia en energía es consecuencia de la equivalencia materia-energía, enunciada por Albert Einstein en su famosa fórmula E=mc2; donde E es la energía resultante, m es la masa transformada en energía, y c es la velocidad de la luz (300 000 kilómetros por segundo). La cantidad de energía que se libera en los procesos de fusión termonuclear es fabulosa. Un gramo de materia transformado íntegramente en energía bastaría para satisfacer los requerimientos energéticos de una familia mediana durante miles de años.

La estrella más cercana a nosotros es, naturalmente, nuestro Sol, en cuyo centro el proceso de fusión termonuclear de hidrógeno en helio está ocurriendo en cantidades difíciles de concebir. Cada segundo, en el interior del Sol se transforman más de cuatro millones de toneladas de materia en energía. Esta energía resultante de las reacciones termonucleares viaja desde el centro hasta la superficie del Sol, donde es radiada en forma de luz al espacio circundante. La Tierra intercepta sólo una cantidad ínfima de este flujo generosísimo de energía, y la casi totalidad escapa hacia el espacio interestelar. Algunos autores han especulado sobre la teoría de que una civilización más avanzada que la nuestra, en caso de que existiera, se vería obligada a causa de sus enormes necesidades energéticas a capturar toda la luz de su sol. Para lograrlo, tendrían que rodear su sol con una cáscara hecha de celdas solares que transformarían la luz en energía eléctrica. Esta sugerencia es altamente especulativa, pero desde el punto de vista de la física tiene sentido. En el caso de la Tierra, más del 99.9999999% de la energía lumínica del Sol escapa al exterior del Sistema Solar.

¿Por qué es el brillo del Sol tan enorme en comparación con las otras estrellas? La diferencia se debe simplemente a que el Sol está comparativamente cerca, mientras que las estrellas se hallan muy alejadas, a distancias astronómicas, que son tan enormes que sería muy engorroso darlas en metros o kilómetros. Como la luz del Sol tarda aproximadamente 500 segundos en llegar a la Tierra, y en un segundo recorre 300 000 km, encontramos que del Sol a la Tierra hay 300 000 x 500 = 150 millones de km, ¡150 millones de km! Una distancia en verdad descomunal. Pero, como veremos, insignificante si la comparamos con otras distancias. La siguiente estrella más cercana, Centauri (que en realidad forma parte de un sistema de tres

estrellas), está a 4 años luz de distancia (un año luz será pues la distancia recorrida por un rayo de luz en un año). Esta distancia es aproximadamente 300 000 veces mayor que la distancia del Sol a la Tierra. No es pues de extrañar que las estrellas lejanas se vean como puntitos de luz, mientras que nuestra cercana estrella nos deslumbre. Así, las miles de estrellas que podemos observar a simple vista, y los millones que se pueden ver con un telescopio, son otros soles que quizá tienen sistemas planetarios como el nuestro.

Sin embargo, es muy importante aclarar que no todas las estrellas son copias idénticas del Sol. Las estrellas pueden tener diferentes masas que van desde las estrellas pequeñas, cuya masa es una décima parte de la del Sol, hasta aquellas cuya masa es sesenta veces la del Sol. Las estrellas más masivas crean en su interior temperaturas más grandes y por lo tanto generan más reacciones termonucleares por segundo. Esto da por resultado una mayor temperatura de la estrella y como mientras más caliente es un objeto, más azul es, estas estrellas brillan con tonalidad azul. Normalmente, las estrellas de masa intermedia, como el Sol, son amarillas, y las de masa menor rojas.

5. ¿Cuál es la composición de la materia interestelar?Hasta hace algunas decenas de años, se consideraba que el espacio entre las estrellas

estaba completamente vacío. Las observaciones ópticas y radioastronómicas han demostrado, en cambio, que éste está lleno de materia interestelar formada predominantemente por hidrógeno mezclado con minúsculas partículas sólidas, llamadas genéricamente polvo interestelar.

El hidrógeno puede encontrarse en diferentes condiciones físicas, según esté más o menos cerca de las fuentes de radiaciones y según esté en forma neutral o ionizada.

La densidad de la materia interestelar es de todos modos muy baja y, en promedio, se encuentra alrededor de un átomo de hidrógeno por centímetros cúbicos.

A causa de la materia interestelar, la luz de las estrellas lejanas se debilita antes de llegar a la Tierra. En los espacios interestelares también han sido localizados elementos más complejos del hidrógeno y, en particular, moléculas orgánicas.

Por cada millón de átomos de hidrógeno los 10 elementos más abundantes son:Símbolo Elemento químico ÁtomosH Hidrógeno 1.000.000He Helio 63.000O Oxígeno 690C Carbono 420N Nitrógeno 87Si Silicio 45Mg Magnesio 40Ne Neón 37Fe Hierro 32S Azufre 16

6. ¿Qué es una Galaxia? y ¿cuáles son las estructuras moleculares detectadas?Una galaxia (de la raíz griega galakt-, "lácteo", una referencia a nuestra propia Vía

Láctea) es un masivo sistema de estrellas, nubes de gas, planetas, polvo, materia oscura, y quizá energía oscura, unidos gravitacionalmente. La cantidad de estrellas que forman una galaxia es variable, desde las enanas, con 1026, hasta las gigantes, con 1044 estrellas (según datos de la NASA del último trimestre del 2009). Formando parte de una galaxia existen subestructuras como las nebulosas, los cúmulos estelares y los sistemas estelares múltiples

Históricamente, las galaxias han sido clasificadas de acuerdo a su forma aparente (morfología visual, como se le suele nombrar). Una forma común es la de galaxia elíptica, que, como lo indica su nombre, tiene el perfil luminoso de una elipse. Las galaxias espirales tienen forma circular pero con estructura de brazos curvos envueltos en polvo. Galaxias con formas irregulares o inusuales se llaman galaxias irregulares, y son, típicamente, el resultado de perturbaciones provocadas por la atracción gravitacional de galaxias vecinas. Estas interacciones entre galaxias vecinas (que pueden provocar la fusión de galaxias) pueden inducir el intenso nacimiento de estrellas. Finalmente hay las galaxias pequeñas que carecen de una estructura coherente y a las que también se les llama galaxias irregulares.

Se estima que existen más de cien mil millones (1011) de galaxias en el universo observable. La mayoría de las galaxias tienen un diámetro entre cien y cien mil parsecs y están usualmente separadas por distancias del orden de un millón de parsecs. El espacio intergaláctico está compuesto por un tenue gas, cuya densidad media no supera un átomo por metro cúbico. La mayoría de las galaxias están dispuestas en una jerarquía de agregados, llamados cúmulos, que a su vez pueden formar agregados más grandes, llamados supercúmulos. Estas estructuras mayores están dispuestas en hojas o en filamentos rodeados de inmensas zonas de vacío en el universo.

Se especula que la materia oscura constituye el 90% de la masa en la mayoría de las galaxias. La naturaleza de este componente no está bien comprendida. Hay evidencias que sugieren la existencia de agujeros negros supermasivos en el núcleo de algunas galaxias. La Vía Láctea, que acoge a nuestro Sistema Solar, parece tener uno de estos objetos en su núcleo

7. ¿Cómo se originó el planeta Tierra?La tierra que hoy conocemos tiene un aspecto muy distinto del que tenía poco después de

su nacimiento, hece unos 4.500 millones de años. Entonces era un amasijo de rocas conglomeradas cuyo interior se calentó y fundió todo el planeta. Con el tiempo la corteza se secó y se volvió sólida. En las partes mas bajas se acumuló el agua mientras que, por encima de la corteza terrestre, se formava una capa de gases, la atmósfera.

8. ¿Cómo podría explicar brevemente el origen de los elementos?Pues el origen de los elementos se puede explicar por algo que se llama nucleosíntesis: Proceso por el que las reacciones nucleares transforman unos elementos químicos en

otros. El elemento más sencillo es el hidrógeno, cuyo núcleo atómico consta de un solo protón. El número de protones determina la naturaleza del elemento químico. Así, el siguiente elemento es el helio, con un núcleo de dos protones y dos neutrones. El helio puede formarse mediante reacciones de los núcleos de hidrógeno con otras partículas (por ejemplo, otros núcleos de hidrógeno). Después, las reacciones entre los núcleos de helio pueden formar

carbono, y de ahí oxígeno, neón, y otros elementos pesados como nitrógeno, hierro, oro… De este modo, los núcleos de todos los elementos químicos que conocemos se han creado en el interior de las estrellas a partir de la "fusión" de núcleos más simples, comenzando con la "fusión" del hidrógeno. La nucleosíntesis es el origen de la energía de las estrellas, ya que la formación de los elementos más ligeros que el hierro libera energía. La masa de los productos de la fusión es menor que la masa de los núcleos fusionados y la diferencia se transforma en energía (E=mc2) y constituye la fuente de la radiación que recibimos de las estrellas.

Conclusiones

Después de la discusión que se llevo a cabo de las distintas teorias del origen del Universo y de los elementos químicos, yo me quedaría mas que nada con dos:

a) La teoría del Big Bang: Si bien esta teoría no esta del todo comprobada, siento que es la que mas se apega a las teorías y evidencias científicas actuales (fisicoquímica, física, etc).

b) La nucleosíntesis: Esta teoria es la que se me hace la mas correcta para explicar el origen de los elementos, porque toma como ejemplos reacciones que se estan llevando a cabo en este instante en nuestro sol, por lo que es la que tiene mas pruebas científicas.

Bibliografía

Rodriguez, Luis F, “El Universo en expansión”, Fondo de Cultura Económica, 1995, Mexico.