Composició, estructura i origen de l'Univers

De què està fet l'Univers?

L'Univers és un immens buit on trobem galàxies, estels, planetes i nebuloses. La part que no coneixem s'anomena matèria fosca, i la matèria que coneixem està formada per un 75% d'hidrogen, un 20% d'heli i un 5% d'altres elements. La composició del Sol s'ha conegut gràcies als espectres.

Espectre

Dispersió de la llum. Quan la radiació emesa per un cos calent travessa un prisma òptic, es descompon en diferents radiacions.

La llum és una ona que porta radiacions de diferents longituds i freqüències.

Longitud d'ona

Distància entre dos punts d'ona en la mateixa posició.

Freqüència

Nombre de longituds d'ona per unitat de temps. Com més longitud, menys freqüència.

Espectre continu d'emissió

S'obté en passar la llum d'un cos incandescent a través d'un prisma òptic.

Espectre discontinu

S'obté en escalfar vapors a temperatura elevada. Els raigs procedeixen d'àtoms excitats i d'altres de molècules excitades. L'emissió de ratlles és deguda a l'alliberament excessiu d'energia dels àtoms o molècules en forma de radiació lluminosa.

Espectre d'absorció

La radiació lluminosa composta passa a través d'un cos i aquest n'absorbeix totalment o parcialment una part. Si entre el fons de llum i el prisma es posa un gas de l'element, aquest absorbeix part de l'energia. A la pantalla es veuran els colors amb ratlles negres perquè no arriba la longitud d'ona.

Com està organitzat l'Univers?

• Terra: dins del sistema solar amb altres planetes i gira al voltant del Sol.
• Sol: un dels 100.000 milions d'estels que hi ha a la Via Làctia.
• Via Làctia: una de les aproximadament 30 galàxies que formen el Grup Local.
• Grup Local: està dins del Supercúmul de Virgo.
• Supercúmul de Virgo: consta de milers de galàxies i forma part d'una estructura més gran que no podem detectar.

L'Univers està en moviment?

Tots els astres es mouen. El moviment més important és el de rotació. Segons la llei de gravitació universal, el Sol fa una força respecte a la Terra per mantenir-se en òrbita. També hi ha una velocitat de gir determinada, l'acceleració centrípeta. La força porta acceleració centrípeta que dona velocitat d'òrbita, ja que fa canviar la direcció de la velocitat, cosa que fa que l'astre doni la volta completa.

Com es va formar l'Univers?

Any llum

Unitat per mesurar les distàncies que recorre la llum a la velocitat de 300.000 km/s (3·10⁸ m/s) durant un any, equivalent a 9,46·10¹² km de distància.

Big Bang

La teoria del Big Bang, o gran explosió, va ser acceptada després de moltes proves durant el segle XX. Es creu que hi havia un punt amb una massa concentrada de matèria, i les partícules es movien tant que tota la força va explotar. Un forat negre és un punt negre on es concentra una gran quantitat de massa, té molta energia i ho absorbeix tot deixant un rastre.

Teoria del Big Bang

Els astrònoms van descobrir que la llum d'altres galàxies tenia un espectre diferent de l'esperat: les línies estaven desplaçades a zones de longitud més llarga i freqüències més baixes.

• Efecte Doppler: la llum es pot comportar com una ona. Hi pot haver fenòmens que passen a les ones de so i de llum. El so és més agut quan s'apropa que quan s'allunya.
• La radiació còsmica de fons que ens arriba, detectada per Arno Penzias i Robert Wilson el 1964.

Big Rip

El Big Rip, o gran estripada, és la teoria més probable. L'Univers s'expandirà tant que s'estriparà, com un globus que s'infla i explota.

Big Crash

Basat en la relativitat d'Einstein, el Big Crash prediu que l'Univers patirà un col·lapse que serà una implosió deguda a les forces gravitatòries dels elements que el componen. Anirà augmentant i es recollirà com al seu origen.

Origen dels elements

Els elements químics, que podem trobar a la taula periòdica, provenen de les explosions dels estels. El Sol produeix 695 milions de tones d'heli a partir d'hidrogen.

Vida dels estels

Naixement: els planetes i els estels es formen a partir de núvols de gas interestel·lar. Aquest gas es concentra, les partícules xoquen entre elles i produeixen energia calorífica, arribant a temperatures altes que provoquen reaccions de fusió que deixen anar energia calorífica i energia en forma de llum. Així neix una estrella. La vida d'una estrella depèn de la seva mida i de la massa inicial.

• Nanes blanques: estrelles més petites que el Sol. Quan esgota el seu combustible (hidrogen), no pot generar energia, es refreda i es contrau fins que s'apaga i queda un astre normal.
• Gegant vermella: estrelles aproximadament de la mida del Sol. Quan s'acaba l'hidrogen, la temperatura és prou gran per fusionar-se amb la capa més externa per inflar-se. Continuarà amb l'heli, però llavors els àtoms no reaccionaran i es convertirà en una nana blanca.
• Estrelles amb una mida 10 vegades més gran que el Sol evolucionen de manera similar, esgotant el seu hidrogen i convertint-se en una gegant vermella. S'inflaran molt més i explotaran, convertint-se en una supernova. En l'explosió, els elements s'escampen per l'espai, deixant enrere matèries pesants. Els residus es poden ajuntar i formar estrelles de neutrons, que poden ser molt denses i compactes, i girar a velocitats extremes, formant un púlsar.

Com va formar-se el sistema solar?

La teoria més acceptada, basada en els estudis dels meteorits i cometes, és la teoria dels planetesimals.

Fa aproximadament 4.570 milions d'anys, una nebulosa es va comprimir per l'explosió d'una supernova propera. No va arribar a explotar, sinó que es va formar un disc que va començar a girar a molta velocitat, fent xocar els materials entre ells. Els materials giraven en forma de disc i s'anaven cap a fora, on feia més fred. A la capa interna, amb la calor, xocaven. Els materials es quedaven a dins a causa de la força gravitatòria i es van ajuntar. Al centre es van formar petits cossos que, en ajuntar-se, van assolir temperatures de milions de graus, donant lloc a reaccions de fusió que van formar una estrella: el Sol. Al voltant, hi havia cossos girant.

Formació de la Lluna

Es creu que un planeta menor va xocar amb la Terra. En el xoc, fragments de la Terra van sortir i van quedar sotmesos a la seva força gravitatòria. Aquests fragments es van ajuntar, formant la Lluna.

Els exoplanetes

Són aquells planetes que giren al voltant d'una estrella que no és el Sol. S'han detectat pel moviment de l'estrella al voltant de la qual giren i per la pèrdua de lluminositat.

Condicions per a la vida en un exoplaneta:

• Presència d'energia, carboni, hidrogen, oxigen i atmosfera.
• Una distància adequada entre el planeta i l'estrella.
• Gravetat suficient per retenir els gasos atmosfèrics.
• Un nucli metàl·lic fos a l'interior del planeta per crear un camp magnètic que protegeixi dels raigs gamma i X.
• Un satèl·lit prou gran per mantenir l'eix de la Terra fix.

Dinamisme de la Terra

La Terra és dinàmica, ja que sempre canvia. Els moviments d'aigua i aire causen la modificació del relleu. Altres moviments poden crear muntanyes i serralades a causa del magma de l'interior de la Terra. Aquests moviments són deguts a l'energia que rep del Sol i del seu interior.

L'atmosfera

Canvia amb el temps. Està composta per un 78,1% de nitrogen, un 20,9% d'oxigen, un 0,03% de diòxid de carboni i la resta d'hidrogen i altres gasos. Els gasos minoritaris formen l'efecte hivernacle: són transparents als raigs del Sol però no als infrarojos. L'energia calorífica que desprenem queda oclosa a l'atmosfera perquè els gasos l'absorbeixen. Aquest fenomen fa que la temperatura mitjana del planeta sigui l'adequada per a la vida. L'aire de la superfície té més densitat, i l'aire calent tendeix a pujar, mentre que l'aire fred baixa, provocant huracans, brises, etc.

Oceans

La Terra té una proporció més alta d'aigua que de terra.

• La proximitat del Sol i la temperatura fan que l'aigua sigui líquida.
• La gran massa de la Terra genera una força gravitatòria suficient per mantenir una atmosfera. La pressió atmosfèrica dels gasos sobre la Terra evita l'evaporació de l'aigua del mar.
• Els gasos atmosfèrics provoquen l'efecte hivernacle, que augmenta la temperatura de la superfície i evita la congelació de l'aigua.

Erosió i sedimentació

L'efecte de l'aigua i el vent provoca l'erosió dels materials. Hi ha diferents moviments que donen lloc a diferents relleus.

L'interior de la Terra: la geosfera

La Terra té un radi de 6.370 km, determinat per mètodes indirectes basats en ones i vibracions fortes a la superfície. Mesurant les distàncies, s'ha vist que la Terra no és homogènia, sinó que té diferents capes.

Mètodes d'estudi

• Estudi dels meteorits: es suposa que la Terra es va formar per fragments de roques semblants als meteorits. Si els estudiem, podem deduir la seva composició. Estan formats per silicats, que són sals. Els més densos són de ferro i níquel, i, per tant, estaran a l'interior, ja que quan es va formar la Terra, primer es van ajuntar els de ferro i níquel.
• Densitat de la Terra: la densitat mitjana de la Terra és més gran que la del granit (5,5 g/cm³ respecte a 2,2 g/cm³). El granit és un dels materials més abundants, per tant, hi pot haver altres materials més densos que formen part de la Terra.
• Estudi d'ones sísmiques: estudi de les diferents capes provocant grans vibracions a la superfície per transmetre-les a l'interior de la Terra. S'utilitzen les ones transversals, que no es propaguen per fluids, ja que s'han detectat a 2.900 km de profunditat, i les ones longitudinals (P), que travessen diferents medis a diferent velocitat: més ràpid als medis densos i més lent al medi líquid.

Deriva continental

Wegener (1880-1930), científic alemany, va presentar una teoria revolucionària que no va ser acceptada fins 50 anys després de la seva mort. Afirmava que els continents actuals, fa 200 milions d'anys, estaven units formant un supercontinent anomenat Pangea, però que es van anar separant fins a arribar a la geografia actual, un fenomen anomenat deriva continental. Va aportar proves que havien estat junts, però no va poder demostrar per què es van separar.

• Geogràfiques: els perfils dels continents actuals encaixen com peces d'un trencaclosques, gairebé a la perfecció.
• Paleontològiques: s'han trobat restes d'organismes fòssils idèntics a Amèrica del Sud i Àfrica, i també a Austràlia i l'Índia.
• Geològiques i tectòniques: si uníssim els continents, les roques i les cadenes muntanyoses tindrien continuïtat física.
• Paleoclimàtiques: hi havia zones de la Terra que anteriorment tenien un altre clima.

De la deriva continental a la tectònica global

Els científics han recollit dades d'erupcions volcàniques i terratrèmols. Hi ha zones de la Terra més propenses a patir erupcions i terratrèmols. La recol·lecció de dades i l'estudi dels oceans el 1960 van consolidar la teoria de Wegener.

Estudi del fons oceànic

• Les roques del fons oceànic són de tipus volcànic i menys antigues que les del continent.
• L'edat de les roques presenta una simetria al centre de l'Atlàntic i al sud del Pacífic. Els eixos de simetria s'anomenen dorsals oceàniques.

Teoria de la tectònica de plaques

La superfície de la Terra està formada per unes plaques rígides i sòlides d'elitosfera, que comprenen part de l'escorça i la part superior del mantell. Sota l'elitosfera es troba l'atmosfera, que és molt més fluïda i té temperatures molt elevades. Dins de l'atmosfera es creen uns corrents de convecció a causa dels quals els materials calents pugen i els materials freds baixen. Això causa un moviment que pot arrossegar les plaques elitosfèriques, fent que se separin en uns punts, com les dorsals, i se submergeixin en uns altres, com les fosses oceàniques. Entre les plaques elitosfèriques es troben els límits.

Límits convergents

Les plaques elitosfèriques estan formades per escorça oceànica, que és més densa, i per escorça continental, que és més lleugera.

• Xoc entre dues plaques oceàniques: es produeixen pocs terratrèmols, però molt vulcanisme amb materials que surten a l'exterior. Al llarg de la regió paral·lela al límit convergent es formen arcs insulars (illes, arxipèlags, com Islàndia).
• Xoc entre una placa oceànica i una continental: la capa oceànica, més densa, s'enfonsa a l'etnosfera, originant fosses oceàniques o una subducció de la placa oceànica. Els límits de les plaques s'anomenen destructius. Provoca terratrèmols en enfonsar-se la capa per la pressió i la temperatura que hi ha a dins es fon. Pot arribar a provocar erupcions volcàniques i formar serralades, com els Andes i les Rocalloses.
• Xoc entre dues plaques continentals: no hi ha subducció, sinó una compressió entre elles, i poden formar elevacions i deformacions de la zona, formant serralades com els Pirineus, els Alps i l'Himàlaia.

Límits divergents

:No es provocat per xocs, es per la separació entre plaques degut a les conveccions dels matèrials del mantell superior, límits constructius. Hi ha volcanisme +intens.

Límits passius:El moviment de les plaques es lateral no frontal, les plaques llisquen una lateralment respecte a l'altre, anomenades falles de transformació, solen ser perpendiculars a les dorsals. Límits passius perque no hi ha destrucció ni formació de matèrial i són zones d'activitat sismica molt elevada i en alguns llocs de volcanisme (Falla de San Andres)