Modelos Cosmológicos

La comprensión del cosmos ha evolucionado a través de distintos modelos:

Modelo Geocéntrico

• Aristóteles: Se le atribuye la concepción de este modelo geocéntrico, que situaba a la Tierra en el centro del universo.
• Ptolomeo: Diseñó un modelo matemático para describir el movimiento de los astros en torno a la Tierra, siguiendo órbitas circulares.

Modelo Heliocéntrico

• Aristarco de Samos: Estableció por primera vez este modelo heliocéntrico, proponiendo que el Sol era el centro.
• Nicolás Copérnico: Realizó cálculos matemáticos, demostrando que los movimientos planetarios se explicaban mejor si se atribuía una posición central al Sol y no a la Tierra.
• Galileo Galilei: Se le considera el iniciador del método experimental al utilizar por primera vez el telescopio de refracción. Descubrió:
  • Las montañas de la Luna.
  • Cuatro satélites de Júpiter.
  • Que la Vía Láctea era un conglomerado de miles de estrellas.
• Johannes Kepler: Demostró que las órbitas de los planetas no eran circulares sino elípticas. Elaboró las tres leyes sobre el movimiento planetario.
• Isaac Newton: Explicó la causa del movimiento de los astros que orbitaban alrededor del Sol mediante su teoría de la Gravitación Universal.
• Albert Einstein: Aportó dos grandes ideas en su teoría especial de la relatividad: En el universo ningún astro puede superar la velocidad de la luz (300.000 km/s). Estableció la ecuación E=mc².
• Edwin Hubble: Demostró que las galaxias se alejan unas de otras en todas las direcciones, lo que equivale a decir que el universo está en expansión.

Origen y Evolución del Universo

Teoría del Big Bang

Inicialmente, el universo solo contenía energía que se hallaba en el huevo cósmico, el cual poseía una densidad y temperatura inimaginables. Se produjo una inflación cósmica, y a continuación la temperatura descendió, permitiendo la aparición de las primeras partículas elementales.

La energía empezó a transformarse en materia, dando origen a las partículas elementales (quarks). A partir de los quarks se formaron las partículas del núcleo: protones y neutrones. Instantes después se formaron nuevas partículas elementales: electrones. La interacción de dichas partículas produjo núcleos atómicos. Posteriormente, se formaron los primeros átomos; al formarse estos, el número de partículas disminuyó, y la luz pudo viajar libremente por el espacio. Aquí nació la radiación cósmica de fondo.

Unos millones de años más tarde, aquellas primitivas masas de gas se convirtieron en centros de atracción gravitacional. En torno a ellos se reunió más materia que fue compactándose y formando nebulosas, estrellas y planetas que dieron origen posteriormente a las actuales galaxias, las cuales continúan su expansión.

• El resto de los elementos químicos (de átomos más pesados) fueron creados mucho después en el interior de las estrellas, las cuales, tras estallar como supernovas, los diseminaron por el cosmos.
• Una estrella de primera generación es aquella que se formó a partir de hidrógeno, helio y un mínimo de litio y berilio que había en el universo «primigenio».
• Una estrella de segunda generación se formó a partir de los materiales dejados por las supernovas de estrellas de primera generación.

El Sol, al parecer debido a su composición química, es una estrella de tercera generación, que incluye elementos aún más pesados que el hierro en su interior.

Espectro de la Luz del Sol

Las radiaciones electromagnéticas o energía radiante producida por el Sol son un conjunto de ondas muy variado. Además de las que percibimos sensorialmente, están las llamadas microondas, infrarrojas, ultravioletas, rayos X y rayos gamma.

Pruebas Concluyentes del Big Bang

1ª Prueba: Desplazamiento al Rojo (Efecto Doppler)

Nos indica que las galaxias en la actualidad se están alejando. El espectro luminoso de las galaxias más lejanas presenta invariablemente el conocido como desplazamiento hacia el rojo (efecto Doppler). Cuando una onda es emitida por un objeto en movimiento:

• Si el objeto se aleja del observador: desplazamiento al rojo en el espectro luminoso o sonido grave en el caso de ondas sonoras.
• Si se acerca al observador: desplazamiento al violeta o sonido agudo.

2ª Prueba: Radiación Cósmica de Fondo de Microondas

Es una radiación residual de la primitiva gran explosión. La expansión del universo ha provocado que esta radiación luminosa se haya enfriado hasta la frecuencia de microondas.

Composición del Universo

• 70% Energía Oscura: El universo no tiene un ritmo constante de expansión; sufrió una aceleración en esta velocidad, lo que hace que las galaxias se separen entre sí más y en menos tiempo.
• 25% Materia Oscura: No interactúa con la luz, por lo que no es directamente observable.
• 5% Materia Visible: Incluye galaxias, estrellas, planetas y todo tipo de objetos celestes que podemos detectar.

Estrellas: Nacimiento, Evolución y Muerte

Nacimiento y Evolución de las Estrellas

Las estrellas se originan en las nebulosas, que están formadas principalmente por hidrógeno. El proceso comienza con el movimiento de rotación de la nube sobre sí misma, por efecto de la gravedad. Esto provoca que la mayor parte de la materia se concentre en un punto: la protoestrella.

El aumento de choques entre las partículas hace que, en unos cuantos millones de años, la temperatura en el núcleo de la protoestrella se eleve tanto que se inician las reacciones termonucleares y la estrella empieza a brillar. La estrella dedica su vida a transformar elementos para producir energía radiante.

A medida que la fusión avanza, el centro de la estrella va aumentando su composición de helio. Se produce un cambio drástico en la vida de las estrellas: el núcleo se contrae y aumenta la temperatura, lo que hace que se produzca la fusión del hidrógeno de las capas exteriores, las cuales comienzan a expandirse, aumentando mucho el tamaño de la estrella. La muerte de la estrella está cercana y dependerá de su masa.

Muerte de una Estrella

La muerte de una estrella depende de su masa:

• Estrellas con masa inferior a 1,4 veces la masa solar:
  1. Gigante Roja: Aumenta de tamaño al fusionar el hidrógeno de sus capas exteriores.
  2. Nebulosa Planetaria: Expulsión de parte de su materia más externa, formando una nebulosa de gas alrededor.
  3. Enana Blanca: La parte central de la estrella se contrae, se enfría y palidece.
• Estrellas con masa superior a 1,4 veces la masa solar:

  Cuando se acaba el hidrógeno (H), el helio (He) se fusiona en carbono (C) y este en otros elementos más pesados, produciéndose una serie de fusiones hasta llegar al hierro (Fe). En la fusión de los átomos de hierro no se desprende energía, sino que se absorbe.

  Cuando las reacciones de fusión llegan al Fe, ocurre la implosión, que consiste en la contracción del núcleo de la estrella. Este aumenta su densidad hasta que no puede comprimirse más, formando una onda de choque hacia el centro que atraviesa toda la estrella a gran velocidad y genera la supernova. Esta explosión expulsa gran cantidad de materia de las capas externas, formando nuevas nebulosas. La materia que no es lanzada al exterior determina lo que ocurrirá con el final de esa estrella.

El Sistema Solar

Formación del Sistema Solar: Teoría Planetesimal

La formación del Sistema Solar se explica según la Teoría Planetesimal, que describe las siguientes etapas:

1. Nebulosa Inicial: La onda expansiva generada por la explosión de una supernova, que marcó la muerte de una estrella gigante, originó la compactación de una nebulosa de gas. Esta comenzó a girar y se transformó en un gigantesco disco que evolucionó contrayéndose.
2. Colapso Gravitatorio: La contracción o colapso formó una gran masa en el centro y un disco giratorio en torno a ella.
3. Formación del Protosol: La temperatura en el centro aumentó hasta que, en un determinado momento, comenzó la fusión nuclear del hidrógeno. El hidrógeno se transforma en helio y se desprende gran cantidad de energía radiante.
4. Formación de Planetesimales (Coagulación): Se desgajaron y formaron turbulentos remolinos, que atraparon el polvo cósmico, los gases y las partículas rocosas. Estas partículas, que formaban el disco giratorio en torno al protosol, siguieron un proceso de agrupación, formando gránulos de algunos milímetros y, finalmente, los planetesimales.
5. Formación de Protoplanetas: Las colisiones de los planetesimales y su unión (acreción) originarían los planetas primitivos.
6. Barrido de la Órbita: Cada protoplaneta fue despejando su zona orbital de planetesimales. En cada región del disco comenzó a dominar un solo gran protoplaneta.

Composición del Sistema Solar

El Sistema Solar está compuesto por:

1. El Sol, que es la única estrella del sistema.
2. Planetas Interiores: Mercurio, Venus, la Tierra y Marte. Son de pequeño tamaño y superficie rocosa.
3. Planetas Exteriores: Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno. Son de gran tamaño, en estado gaseoso y líquido.
4. Planetas Enanos: Ceres, Plutón y Eris.
5. Satélites: Pueden ser naturales (como la Luna o Fobos) o artificiales.
6. Asteroides: Se encuentran en el cinturón de asteroides, troyanos y centauros.
7. Cinturón de Kuiper: Fuente de cometas de corto período.
8. Nube de Oort: En esta zona se forman los cometas de período largo.

La Tierra

Formación de la Tierra

1. Formación del Protoplaneta Terrestre: La unión de planetesimales en el interior del disco nebular que rodeaba al protosol habría originado el protoplaneta terrestre. El aumento de su campo gravitatorio, a medida que incrementaba su tamaño, debió de favorecer la acreción de nuevos planetesimales.
2. Diferenciación por Densidades: La Tierra primitiva debió de estar parcialmente fundida, lo que favoreció que sus componentes se distribuyeran de acuerdo con su densidad. El hierro se desplazó a las zonas más profundas, en lo que se conoce como la “catástrofe del hierro”, lo cual propició la formación del núcleo terrestre. También se produjo la desgasificación del planeta.
3. Enfriamiento de la Superficie y Formación de los Océanos: Al descender la temperatura de las rocas de la superficie, se favoreció la condensación del vapor de agua, permitiendo que las aguas ocuparan los relieves más bajos y se formaran los océanos.

Estructura Interna de la Tierra: La Geosfera

La estructura interna de la Tierra, o GEOSFERA, se divide en varias capas:

1. CORTEZA: Capa más superficial, en contacto con la hidrosfera y la atmósfera. Formada fundamentalmente por silicatos. Puede ser:
   • Corteza Continental: (Desde los 35 km hasta los 70 km en grandes cordilleras). No termina en el mar, se extiende bajo los océanos en la denominada plataforma continental, que termina en una pendiente brusca.
   • Corteza Oceánica: (7 km). Más delgada y con rocas más densas.
2. DISCONTINUIDAD DE MOHOROVICIC: Se encuentra a una profundidad media de 35 km.
3. MANTO:
   • Manto Superior:
     • Rígido: Junto con la corteza, forma la LITOSFERA.
     • No rígido: Llamado ASTENOSFERA, parcialmente fundido y de comportamiento plástico. Se extiende hasta la discontinuidad de los 670 km.
   • Manto Inferior: De rocas más densas que las de la corteza, pero que presentan cierta plasticidad debido a las altas temperaturas. También conocida como MESOSFERA.
4. DISCONTINUIDAD DE GUTENBERG: Se encuentra a 2900 km de profundidad.
5. NÚCLEO O ENDOSFERA: Formado por hierro (Fe) y níquel (Ni). Se divide en dos partes:
   • Núcleo Externo: Fundido. Se extiende hasta los 5200 km.
   • Discontinuidad de Lehmann.
   • Núcleo Interno: Sólido.

Dinámica Terrestre: Tectónica de Placas

Hipótesis de la Deriva Continental

Expuesta en 1915 por Alfred Wegener. Defendía la existencia de un supercontinente hace 200 millones de años, llamado Pangea, del cual surgieron los distintos continentes actuales debido a su separación o desplazamiento. Su principal enigma fue determinar qué causó el movimiento de los continentes, explicándolo mediante las fuerzas gravitacionales que ejercían el Sol y la Luna sobre estos. Esta hipótesis fue rechazada inicialmente.

Esta teoría se basa en diferentes pruebas:

• Geográficas: Wegener sospechó de la existencia de Pangea debido al encaje de las plataformas continentales de distintas costas.
• Biológicas: Se explican por la existencia de distintos grupos de animales que albergan un antecesor común. Se defendió que pudieron atravesar los océanos al ser capaces de aguantar grandes distancias; esto era imposible para especies de reptiles o plantas.
• Paleontológicas: Se explican por la aparición de fósiles de una misma especie en lugares aislados entre sí.
• Geológicas: Se explican por el encaje cronológico y mineral entre cadenas montañosas separadas, como las de Noruega con las del este de Canadá.

Hipótesis de la Expansión del Fondo Oceánico

Propuesta por Harry Hess en 1960, defendía que las corrientes convectivas del manto chocaban con la corteza oceánica, empujándola verticalmente y creando las dorsales oceánicas. La corteza oceánica se desplazaba mientras que en la dorsal, el magma que emerge y se enfría, constituía nueva corteza oceánica. Mientras, la corriente del manto, a causa de la densidad, volvía a descender arrastrando a la corteza oceánica en las fosas submarinas.

Esta hipótesis está basada en dos pruebas:

• Paleomagnéticas: Durante el proceso de enfriamiento de la lava, los compuestos férricos adquieren orientación según la dirección del Polo Norte magnético. Analizando las orientaciones de estos minerales se demuestra que la corteza oceánica se crea hacia ambos lados de la dorsal, empujando lateralmente a la corteza antigua.
• Oceanográficas: Demuestran la existencia de formaciones geológicas que dividen los océanos y en donde se observa una alta actividad submarina y una depresión central.

Teoría de la Tectónica de Placas

La Teoría de la Tectónica de Placas, unificada a partir de distintas hipótesis como la de la Deriva Continental, explica de manera completa aspectos geográficos y geológicos del planeta, además de sus causas:

1. La corteza terrestre se divide en 14 placas tectónicas.
2. Estas placas flotan sobre la parte superior del manto y se mueven arrastrando a los continentes consigo.
3. Están delimitadas por las dorsales oceánicas, por las fosas y por las fallas transformantes.
4. La mayoría de los fenómenos geológicos ocurre en los límites de placas.

El movimiento de las placas se explica según tres modelos:

• Las Corrientes de Convección: Ocurren en la astenosfera. El material más caliente asciende, entrando en contacto con la corteza, fluyendo horizontalmente mientras arrastra a las placas, hasta que se enfría de nuevo y desciende a capas más profundas.
• Arrastre de las Placas (Ridge Pull): La corteza oceánica recién formada se va enfriando a medida que se aleja de la dorsal, volviéndose más densa y hundiéndose.
• Empuje de Placas (Slab Pull): La gravedad y el empuje de la nueva corteza oceánica que se va formando por detrás de la antigua originan el desplazamiento de esta hacia zonas más profundas del fondo marino.

Fenómenos Geológicos y Límites de Placas

El choque entre placas libera inmensas cantidades de energía: de forma súbita (seísmos), de forma continua produciendo la deformación de la corteza (orogenias) o fundiendo las capas de roca suprayacentes (vulcanismo).

Hay diferentes tipos de límites:

• Límites Divergentes: Las placas se separan, por lo que los fondos oceánicos son jóvenes. El proceso de ruptura continental ocurre en cuatro fases:
  1. Fase 1: Corrientes ascendentes de material caliente abultan y rompen la corteza terrestre. El material que aflora empuja la corteza antigua hacia ambos lados de la grieta.
  2. Fase 2: La divergencia genera un valle de rift rodeado de elevaciones que discurren paralelas a cada lado de la grieta. El valle se ensancha hasta romper la antigua corteza continental y se forma nueva corteza oceánica.
  3. Fase 3: El agua inunda el valle, creándose un estrecho mar que separa el continente en el punto donde antes había estado unido.
  4. Fase 4: El estrecho mar se ensancha hasta convertirse en un vasto océano.
• Límites Convergentes: Se destruye litosfera en zonas de subducción de la litosfera oceánica, con gran actividad sísmica y volcánica. Una placa se desliza bajo la otra, fundiéndose en la astenosfera.
• Límites Transformantes (Neutros): Se produce un deslizamiento lateral entre placas que se mueven en la misma dirección pero en sentidos opuestos. En este tipo de bordes, cortan perpendicularmente las dorsales oceánicas.