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El modelo del Big Bang Guía de trabajo Física Descripción del Big Bang OBJETIVO: IDENTIFICAR LOS COMPONENTES DE LA TEORIA DE BIG BAG Y SUS IMPLICANCIAS EN LA ACTUALIDAD. INTRUCCIONES: PEGA ESTA GUÍA EN TU CUADERNO. LEE EN FORMA GRUPAL EL SIGUIENTE TEXTO, DESTACANDO LAS IDEAS PRINCIPALES. POSTERIORMENTE RESPONDE LAS PREGUNTAS PRESENTES. El Universo ilustrado en tres dimensiones espaciales y una dimensión temporal. Michio Kaku ha señalado cierta paradoja en la denominación big bang (gran explosión): en cierto modo no puede haber sido grande ya que se produjo exactamente antes del surgimiento del espacio-tiempo, habría sido el mismo big bang lo que habría generado las dimensiones desde una singularidad; tampoco es exactamente una explosión en el sentido propio del término ya que no se propagó fuera de sí mismo. Basándose en medidas de la expansión del Universo utilizando observaciones de las supernovas tipo 1a, en función de la variación de la temperatura en diferentes escalas en la radiación de fondo de microondas y en función de la correlación de las galaxias, la edad del Universo es de aproximadamente 13,7 ± 0,2 miles de millones de años. Es notable el hecho de que tres mediciones independientes sean consistentes, por lo que se consideran una fuerte evidencia del llamado modelo de concordancia que describe la naturaleza detallada del Universo. El universo en sus primeros momentos estaba lleno homogénea e isótropamente de una energía muy densa y tenía una temperatura y presión concomitantes. Se expandió y se enfrió, experimentando cambios de fase análogos a la condensación del vapor o a la congelación del agua,pero relacionados con las partículas elementales. Aproximadamente 10-35 segundos después de la época de Planck un cambio de fase causó que el Universo se expandiese de forma exponencial durante un período llamado inflación cósmica. Al terminar la inflación, los componentes materiales del Universo quedaron en la forma de un plasma de quarks-gluones, en donde todas las partes que lo formaban estaban en movimiento en forma relativista. Con el crecimiento en tamaño del Universo, la temperatura descendió. A cierta temperatura, y debido a un cambio aún desconocido denominado bariogénesis, los quarks y los gluones se combinaron en bariones tales como el protón y el neutrón, produciendo de alguna manera la asimetría observada actualmente entre la materia y la antimateria. Las temperaturas aún más bajas condujeron a nuevos cambios de fase, que rompieron la simetría, así que les dieron su forma actual a las fuerzas fundamentales de la física y a las partículas elementales. Más tarde, protones y neutrones se combinaron para formar los núcleos de deuterio y de helio, en un proceso llamado nucleosíntesis primordial. Al enfriarse el Universo, la materia gradualmente dejó de moverse de forma relativista y su densidad de energía comenzó a dominar gravitacionalmente sobre la radiación. Pasados 300.000 años, los electrones y los núcleos se combinaron para formar los átomos (mayoritariamente de hidrógeno). Por eso, la radiación se desacopló de los átomos y continuó por el espacio prácticamente sin obstáculos. Ésta es la radiación de fondo de microondas. Al pasar el tiempo, algunas regiones ligeramente más densas de la materia casi uniformemente distribuida crecieron gravitacionalmente, haciéndose más densas, formando nubes, estrellas, galaxias y el resto de las estructuras astronómicas que actualmente se observan. Los detalles de este proceso dependen de la cantidad y tipo de materia que hay en el Universo. Los tres tipos posibles se denominan materia oscura fría, materia oscura caliente El modelo del Big Bang Guía de trabajo Física materia bariónica. Las mejores medidas disponibles (provenientes del WMAP) muestran que la forma más común de materia en el universo es la materia oscura fría. Los otros dos tipos de materia sólo representarían el 20 por ciento de la materia del Universo. El Universo actual parece estar dominado por una forma misteriosa de energía conocida como energía oscura. Aproximadamente el 70 por ciento de la densidad de energía del universo actual está en esa forma. Una de las propiedades características de este componente del universo es el hecho de que provoca que la expansión del universo varíe de una relación lineal entre velocidad y distancia, haciendo que el espacio-tiempo se expanda más rápidamente que lo esperado a grandes distancias. La energía oscura toma la forma de una constante cosmológica en las ecuaciones de campo de Einstein de la relatividad general, pero los detalles de esta ecuación de estado y su relación con el modelo estándar de la física de partículas continúan siendo investigados tanto en el ámbito de la física teórica como por medio de observaciones. Más misterios aparecen cuando se investiga más cerca del principio, cuando las energías de las partículas eran más altas de lo que ahora se puede estudiar mediante experimentos. No hay ningún modelo físico convincente para el primer 10-33 segundo del universo, antes del cambio de fase que forma parte de la teoría de unificación grande. En el "primer instante", la teoría gravitacional de Einstein predice una singularidad gravitacional en donde las densidades son infinitas. Para resolver esta paradoja física, hace falta una teoría de la gravedad cuántica. La comprensión de este período de la historia del universo figura entre los mayores problemas no resueltos de la física. El modelo del Big Bang nos describe el origen y la evolución del Universo. Pero ¿tenemos pruebas de que haya sido así? ¿Existen rastros de esta evolución en el cielo? En esta charla expondremos las respuestas que la ciencia moderna tiene a estas y otras preguntas. El modelo más aceptado sobre el origen y evolución del Universo es conocido con el nombre de “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: 1. inflación 2. confinamiento de quarks 3. nucleosíntesis 4. recombinación Pero ¿podemos estar seguros de que fue así el origen del Universo? ¿Con qué pruebas experimentales se cuenta? Las dos principales son: La composición de la materia de los astros más antiguos. La existencia del Fondo Cósmico de Microondas. ¿Por qué se llaman pruebas experimentales?___________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ _______________ El estudio del gas de galaxias primitivas, situadas a una gran distancia de nosotros, y de estrellas antiguas de la Vía Láctea ha revelado que su materia está formada principalmente por hidrógeno (incluido el isótopo deuterio) y helio. Estas proporciones coinciden con lo que, según el modelo del Big Bang, aconteció en la etapa de la “nucleosíntesis”. 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. ¿Cómo es el Fondo Cósmico de Microondas? ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ___________________________ El modelo del Big Bang Guía de trabajo Física 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. Si la teoría del Big Bang era cierta, al medir la radiación del Universo, se tendría que detectar una curva de cuerpo negro con el pico de emisión en las microondas.De aquellas observaciones se obtuvo que la radiación que “aún” nos llega como resultado de aquella explosión corresponde a la de un cuerpo negro muy frío: a unos -270,3ºC* (o 2,7 K ), tal y como predice la teoría. Dibuja un espectrómetro y establece sus características principales. Pero, ¿sucede lo mismo con todas las predicciones de esta teoría? Otra de las predicciones del modelo del Big Bang es que la intensidad de la radiación del Fondo Cósmico de Microondas no puede ser absolutamente uniforme. El satélite COBE obtuvo por primera vez en 1992 una determinación del grado de inhomogeneidad de la radiación. La observación de un Fondo Cósmico de Microondas no uniforme es otra prueba del modelo del Big Bang. 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. Estudiando los datos de las manchas que aparecen en estos mapas de los fondos Cósmicos de microondas se pueden establecer qué características tiene el Universo globalmente: Densidad, Materia, Edad y ritmo de expansión del Universo y Etapa de la inflación: cómo pudo ser y los procesos que la causaron. ¿Qué pasó después del Big Bang? ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ _________________________________________________ ¿Cuándo y cómo se formaron las primeras estrellas? ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ _________________________________________ ¿Qué son las supernovas?______________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ _______________ Apenas 1.000 millones de años después del Big Bang empezaron a formarse las primeras galaxias. Nuestra galaxia tiene unos 13.000 millones de años, casi tantos como el Universo. El modelo del Big Bang Guía de trabajo Física ¿Cuándo se formaron los agujeros negros? Los agujeros negros nacieron ya en las primeras galaxias y con la muerte de las primeras estrellas masivas. ¿En qué consiste un Agujeros negros?__________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ___________________ Nuestro sistema solar se formó hace unos 4.600 millones de años, a partir de una misma nube de gas y polvo ya enriquecida con los elementos producidos en otras estrellas y supernovas que fueron expulsados al espacio. 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. Observa el video en youtube De nube a sistema planetario: simulación de la formación del Sistema Solar, menciona que es lo que se ve______________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ _______________ La vida sobre la Tierra, crea una línea de tiempo considerando los organismos unicelulares hasta lo que somos en la actualidad. De acuerdo a las observaciones, nuestro "universo plano" está acelerándose cada vez más. Todo parece indicar que existe en el Universo una forma de energía que causa que la expansión sea cada vez más rápida (la energía oscura). Además se desconocen las características de la materia que no detectamos (la materia oscura). Establecer las propiedades de la energía oscura y de la materia oscura son dos de los problemas abiertos de la Cosmología. Entender cómo con estos ingredientes se han podido formar en el Universo los miles de millones de galaxias que observamos y la forma en que éstas se distribuyen es uno de los grandes desafíos pendientes. ¿Puede la observación del Cosmos conducir a nuevas leyes de la Física?___________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________
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