Composició i evolució de l'Univers: Matèria, Estrelles i Planetes

De què està fet l'Univers?

Matèria observable: Interacciona amb la radiació visible i no visible. Per la qual cosa es pot detectar mitjançant ones electromagnètiques.

Matèria fosca: Es refereix a un tipus de matèria hipotètica, de composició desconeguda, que no emet ni reflecteix prou radiació electromagnètica perquè es pugui detectar directament.

La composició de l'univers és 10% matèria observable i 90% matèria fosca.

Estrelles

Qualsevol dels astres que brillen al firmament amb llum pròpia. Les estrelles segueixen un procés evolutiu:

1. Neixen al si de núvols de gas per la contracció de la matèria (hidrogen i heli) originada per l'acció de la força de gravetat (protoestrella).
2. La protoestrella augmenta la temperatura interior a milions de graus i dona lloc a reaccions nuclears estables que originen l'estrella.
3. L'estrella produeix energia i canvia la seva composició per acabar morint (amb una explosió "supernova" o "forat negre"). El final de l'estrella depèn de la seva massa.

Els estels tenen diferents colors com podem comprovar en la fotografia: n'hi ha que són blancs, altres són blaus, n'hi ha de vermells i grocs. Cada color indica diferents temperatures, diferents grandàries, diferents masses. Com més gran és un estel, més calent està, més brilla i més ràpidament està cremant el seu combustible i, per tant, la seva vida és més curta.

Les constel·lacions

Els estels que veiem al cel han atret l'atenció de les persones des de sempre. Els pobles antics les observaven i s'orientaven de nit gràcies a elles. Els antics grecs, per exemple, van observar 48 agrupacions d'estrelles que formaven dibuixos diversos al firmament.

Planeta

Un planeta és un cos sense llum pròpia que gira al voltant d'una estrella; que és suficientment massiu per tenir forma esfèrica, o gairebé esfèrica; i que és l'element principal dins la seva òrbita.

Galàxia

Es denomina galàxia a cadascuna de les agrupacions d'estels que, vistes amb el telescopi, presenten un aspecte brillant, nebulós i de formes diverses. La forma de la galàxia s'utilitza com a criteri de classificació en: espirals, el·líptiques, irregulars i lenticulars. En el nostre cas, la nostra galàxia és la Via Làctia.

Nebuloses

Les nebuloses són núvols de gasos que s'expandeixen ràpidament a causa de l'explosió d'un tipus especial d'estrelles que s'anomenen supernoves. La llum de les estrelles, quan creua l'espai, ple d'aquests gasos, dona lloc a bells jocs de reflexió de la llum, són les nebuloses.

Composició de la matèria observable de l'Univers: 75% hidrogen, 20% heli, 5% resta d'elements.

Com detectar la matèria fosca?

Amb l'efecte gravitacional: la matèria fosca interacciona gravitatòriament amb la matèria observable.

Quin és el model de l'Univers utilitzat per Newton?

El model copernicà.

Com es mouen els planetes?

Mitjançant la teoria de les Lleis de Kepler.

Per què es mouen els planetes d'aquesta forma?

Per la Llei de gravitació universal.

Quina unificació va realitzar Newton?

Va unir la física que explica els moviments dels cossos a la Terra i la que explica els moviments dels cossos celestes.

Quin era el problema de la teoria de gravitació de Newton?

Que no sabia explicar l'origen de la força gravitatòria.

Quin és el principi fonamental de la relativitat d'Einstein?

Que la llum assoleix la major velocitat de l'univers i no hi ha res que la superi.

Quin conflicte hi ha entre la concepció de Newton i la d'Einstein?

Que Newton pensava que primer cessaria la força gravitacional i després se n'aniria la llum, en canvi Einstein pensava el contrari.

Quina unificació proposa Einstein?

La de l'espai i del temps.

Quin és l'origen de la gravetat segons Einstein?

La deformació de l'espai i del temps pels objectes massius.

Què és un forat negre?

Concentració de matèria d'elevadíssima densitat.

Què és el disc d'acreció i l'horitzó d'esdeveniments del forat negre?

Estructura en forma de disc al voltant d'un forat negre. Contribuint al seu augment de la massa.

Com es pot detectar un forat negre?

Per la radiació emesa per la matèria en accelerar, just abans de caure en el gran pou gravitatori, el forat negre. (Raigs X)

Què són els forats negres supermassius? Què són els quàsars? Per què són brillants?

És un forat negre amb una massa de l'ordre de milions o milers de milions de masses solars. Quàsar: classe de galàxies amb nuclis actius. És una font astronòmica d'energia electromagnètica. La seva lluminositat és molt elevada.

Què hi ha al centre de la Via Làctia?

Un forat negre anomenat Sagitari A.

Del Big Bang al Big Rip

Quin és el fonament de la teoria del "Big Bang"?

Que l'univers evoluciona, i que l'origen de l'univers estava concentrat en un àtom.

Per què la denominació "Big Bang" no és la més apropiada? Aleshores, perquè s'utilitza?

No és la més apropiada perquè no hi va haver explosió. S'admet per una forma irònica que va arrelar en les persones i s'ha quedat el nom.

La teoria del "Big Bang" té respostes a totes les preguntes?

No.

Com ha evolucionat l'univers al llarg del temps? Actualment com evoluciona?

S'expandeix, i cada vegada amb més velocitat.

Com va sorgir la teoria del "Big Bang"?

Amb la radiació còsmica de fons.

Univers dinàmic

L'univers està en expansió. Com a conseqüència: L'Univers és cada vegada més gran i l'univers en el passat era més petit.

El futur de l'Univers

La força de gravetat és molt intensa i pot frenar l'expansió i la força de la gravetat no pot aturar l'expansió.

L'origen del Sistema Solar

Els científics creuen que pot situar-se fa uns 4.600 milions d'anys, quan un immens núvol de gas i pols es va contreure a causa de la força de la gravetat i va començar a girar a gran velocitat, probablement, a causa de l'explosió d'una supernova.

La formació dels planetes

Planetes interiors

• Temperatures elevades per la proximitat al Sol.
• Superfície sòlida, originats per roques i metalls.
• Massa molt inferior als planetes exteriors.
• Els més grans (Venus, Terra i Mart) tenen atmosfera.
• Originats pels xocs de cossos sòlids molt petits i la seva unió, fenomen d'acreció.

Planetes exteriors

• Temperatures molt baixes per estar molt lluny del Sol.
• Formats per una superfície de gas amb un nucli sòlid.
• Planetes molt massius amb abundants satèl·lits (llunes).
• Originats amb els materials més abundants de la nebulosa (hidrogen i heli) per acció de la gravetat.

La recerca d'exoplanetes

1. Per què es busquen noves Terres? Poden existir? Per detectar l'existència de vida complexa i estudiar les característiques d'altres planetes. Sí, poden existir.
2. Què són els exoplanetes? Un planeta extrasolar o exoplaneta és un planeta (recorda la definició de planeta, ha de verificar tres condicions) que orbita al voltant de qualsevol estrella que no sigui el Sol i, per tant, forma part de sistemes planetaris diferents del nostre.
3. Per què és difícil detectar els exoplanetes? La feble lluminositat dels possibles planetes i la seva gran proximitat a les estrelles respectives, fa impossible una observació directa amb mètodes òptics. Com es poden detectar? Per mètodes indirectes, com:
   • Velocitats radials: Aquest mètode es basa en l'efecte Doppler. El planeta, en orbitar l'estrella central, exerceix també una força gravitacional sobre aquesta, de manera que l'estrella fa un moviment de vibració. Les oscil·lacions de l'estrella poden detectar-se mitjançant lleus canvis en les línies espectrals, segons si l'estrella s'apropa a nosaltres (desplaçament cap al blau) o s'allunya (desplaçament cap al vermell).
   • Trànsits: Consisteix a observar fotomètricament l'estrella i detectar subtils canvis en la seva brillantor quan un planeta gira al voltant d'ella. El mètode dels trànsits, juntament amb el de la velocitat radial, poden utilitzar-se per caracteritzar millor l'atmosfera d'un planeta.
4. Com es pot «pesar» un planeta? Per l'acció gravitatòria sobre una de les llunes del planeta. Per això, cal determinar el radi d'òrbita de la lluna i el seu període (dades astronòmiques). Després, aplicant la llei de gravitació universal, es dedueix la massa del planeta central. Aquest mètode s'utilitza per mesurar la massa de qualsevol astre amb satèl·lits.
5. Com s'anomenen els exoplanetes? Amb un conjunt de sigles. En primer lloc, s'anomena l'estrella de referència i després una lletra de l'alfabet, començant per b, en funció de la data de descobriment (el planeta detectat en primer lloc b, en segon lloc c...). Així, per exemple, els exoplanetes de l'estrella 51 Pegasi s'anomenen: el primer a descobrir, (51 Pegasi b), el segon (51 Pegasi c)... en cas de descobrir diferents planetes a la vegada, la primera lletra s'assigna al més proper a l'estrella.
6. Quines són les condicions per desenvolupar-se la vida en els planetes?
   1. L'existència d'aigua líquida, substància necessària per desenvolupar les activitats biològiques.
   2. L'abundància de carboni, element integrant dels compostos orgànics.
   3. Una font energètica per activar i desenvolupar les funcions vitals.
7. Com podem saber la composició de l'atmosfera dels exoplanetes? En analitzar espectralment la llum que travessa l'atmosfera de l'exoplaneta.
8. Com podem estudiar l'evolució de l'atmosfera dels exoplanetes? Mitjançant l'anàlisi de dades astronòmiques dels satèl·lits d'observació i l'elaboració de models teòrics que expliquen les característiques i evolució de les atmosferes.
9. Com podem detectar la vida en un exoplaneta? En detectar la presència de substàncies relacionades amb els processos vitals (aigua, oxigen, metà) en l'atmosfera del planeta. Per exemple, la presència d'ozó en l'atmosfera de l'exoplaneta implica l'existència de reaccions associades als éssers vius.
10. Per què són importants els exoplanetes? Per detectar l'existència de vida en un planeta o viatjar a un altre planeta per a viure. Però, com viatjar al nou planeta?