Semana 28
Big Bang
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Indicadores de logro:
Explica con sus palabras los argumentos que sostienen la hipótesis del Big Bang.
Ejemplifica escalas de tiempo y distancia astronómicas con referencias conocidas.
Todas las estrellas que ves a simple vista en la "bóveda del cielo nocturno" son parte de nuestra galaxia, la Vía Láctea. Pero nuestra galaxia no es la única, hay miles de millones de galaxias. Los astrónomos observan que a grandes escalas las galaxias están alejándose unas de las otras, como si todas se hubieran originado en un Big Bang o «Gran Explosión».
Luis: ¿Cómo crees que fue el inicio del universo? ¿El universo es estático? ¿Te has preguntado cuán grandes son las escalas temporales cuando hablamos del origen del universo?
Notación...
La rapidez de la luz se simboliza con la letra c, c = 300 000 000 m/s. La distancia media entre el Sol y la Tierra es de 149 597 870 700 m, llamada unidad astronómica (UA), que usualmente se aproxima a 150 000 000 de km.
Otra magnitud aún mayor que el UA es el pársec (pc), que es la distancia a la que un UA subtiende un ángulo de un segundo de arco. Así, 1 pc = 206 265 UA o 30.9 billones de kilómetros.
A. Desplazamiento hacia el rojo y desplazamiento hacia el azul
La luz se comporta como una onda. Vamos a observar cómo se comporta en tres situaciones diferentes.
Materiales: 3 linternas de mano u objetos con fuente de luz (sin llamas), un papel celofán de color rojo y otro azul, un papel celofán de otro color (verde, por ejemplo, pero que no sea transparente, negro, ni de colores parecidos al rojo y azul) y 6 elásticos o tirro.
Preparación de la actividad:
Tu docente pedirá cuatro voluntarios para lo siguiente:
Elaborarán cuatro rótulos de papel: «Tierra», «Galaxia 1, a +3/4 c», «Galaxia 2, a -3/4 c» y «Galaxia 3, en reposo».
Pegarán un rótulo a cada voluntario.
Forrarán solo los cuerpos de las linternas con papel celofán verde (o del color que se disponga).
Cubrirán solo el foco de la primera linterna (cualquiera) con papel celofán verde y lo sujetarán con el elástico o el tirro.
Cubrirán solo el foco de la segunda linterna con papel celofán azul y lo sujetarán.
Cubrirán solo el foco de la tercera linterna con papel celofán rojo y lo sujetarán.
El observador «Tierra» permanece siempre en reposo y representa a todos los estudiantes de la clase. Las tres galaxias son emisoras de luz en forma de ondas.
Procedimiento:
Tu docente formará a las tres «galaxias» en diferentes posiciones, cada una a 3 m de distancia de la persona con rótulo «Tierra».
Quien tenga el rótulo «Galaxia 1, a +3/4 c» sostendrá la linterna del foco cubierto con celofán rojo.
Quien tenga «Galaxia 2, a -3/4 c» tendrá la linterna del foco cubierto con celofán azul.
Quien tenga «Galaxia 3, en reposo» tendrá la linterna del foco con celofán verde.
A la cuenta de tres, encenderán simultáneamente las tres linternas y cumplirán tres escenarios: Escenario 1: la «Galaxia 1, a +3/4 c» se alejará en línea recta de la «Tierra». Escenario 2: la «Galaxia 2, a -3/4 c» se acercará en línea recta a la «Tierra». Escenario 3: la «Galaxia 3, en reposo» no se moverá.
Observa la figura del espectro electromagnético y responde a las preguntas:
Escenario 1: Fuente de luz «Galaxia 1, +3/4 c» alejándose de la Tierra.
a. ¿Qué color percibe la luz el observador «Tierra»?
b. ¿Qué color percibe la luz la persona que sostiene la linterna? (Pista: es el color que cubre el cuerpo de la linterna).
Escenario 2: Fuente de luz «Galaxia 2, a -3/4 c» acercándose a la Tierra.
a. ¿Qué color percibe la luz el observador «Tierra»?
b. ¿Qué color percibe la luz la persona que sostiene la linterna? (Pista: es el color del cuerpo de la linterna).
Escenario 3: Fuente de luz estática «Galaxia 3, en reposo» respecto a la Tierra.
a. ¿Qué color percibe la luz el observador «Tierra»?
b. ¿Qué color percibe la luz la persona que sostiene la lámpara? (Pista: es el color del cuerpo de la linterna).
c. ¿Qué tienen en común todos los observadores que perciben la luz de color verde?
Lisa: Una analogía común utilizada para simular el universo es el modelo del globo. Las marcas en la superficie representan galaxias en nuestro universo y el globo en sí, el espacio. Cuando se infla, simula cómo se cree que se expande el espacio entre las galaxias. (Ten en cuenta que las galaxias no están todas en el exterior del universo como sugiere la analogía del globo).
B. Una evidencia física de la teoría del Big Bang
¿Cómo podríamos visualizar la expansión del Universo en un mundo sin un centro fijo? Representemos un modelo de cómo sería la expansión en un universo bidimensional.
Materiales: un globo, una cinta métrica, marcador y clip.
Procedimiento:
Infla un poco el globo y utiliza el marcador para hacer ocho puntos en el globo. Rotula uno de ellos como «O», y los demás con letras de la «A» hasta la «G». Cada punto representa una galaxia. Nosotros estamos en el «O».
Infla el globo hasta el tamaño de tu puño.
Dobla el cuello del globo y sujétalo con un clip para evitar que se escape el aire.
Mide con la cinta métrica la distancia de los siete puntos con respecto a «O», usa la escala 1 cm = 1000 Mpc, para completar la columna Distancia 1 de la tabla de la actividad D, de la sección de Comunicación.
Dirígete a la actividad D y completa la columna Rapidez 1 de la tabla.
Continúa inflando el globo hasta duplicar el diámetro. Mide las nuevas distancias y completa las columnas Distancia 2 y Rapidez 2 de la tabla de la actividad D.
Realiza un gráfico con las indicaciones descritas en la actividad E, de la sección Comunicación.
Responde a las preguntas según tus observaciones.
a. Si los puntos representan galaxias, ¿cómo se comportan las distancias a medida que se expande el globo?
b. ¿Por qué crees que esto es así?
c. ¿Qué tanto (doble, triple, cuádruple, etc.) se alejan las galaxias cuando se duplicó el diámetro del globo?
d. ¿Qué significa la ley de Hubble, rapidez = [70 (km/s)/Mpc] x distancia?
Ojo al dato...
La rapidez del movimiento de una galaxia es directamente proporcional a su distancia respecto al observador, que nombramos «O».
Para calcular la rapidez usaremos un valor inicial ficticio de 5 km/h.
Si el punto X tiene 2 cm de distancia desde «O» y el punto B tiene 6 cm, multiplicaremos la rapidez de X por 3, ya que 6 ÷ 2 = 3. La rapidez a la que se aleja B con respecto a «O» es 3 x 5 km/h = 15 km/h.
C. Calendario del tiempo
La edad del universo se estima en 13 800 millones de años (13 800 Ma); por lo que, para desarrollar un «calendario cósmico », se ha utilizado la siguiente escala temporal:
Cada día equivale a 37.8 Ma.
Cada hora equivale a 1.58 Ma.
Cada segundo, a 438 años.
Procedimiento:
Escribe el tiempo aproximado para cada acontecimiento presente en la columna de la derecha, siguiendo la escala descrita arriba. En la primera columna se encuentran los meses, estos representan 1 140 Ma en la escala del tiempo del universo. En la segunda columna está escrito el día del mes en que sucedió el acontecimiento en el desarrollo del universo.
Representa los 13 800 Ma de historia del Universo como fechas en un calendario en la tabla que se muestra.
Fíjate que...
Cuando el universo se enfrió suficiente, los núcleos atómicos se unieron durante millones de años formando las estrellas y las galaxias.
En el universo primitivo no existían protones ni neutrones; solo partículas elementales. Cuando se fue enfriando se formaron los protones y neutrones.
¿Qué aprendimos?
Los astrónomos han descubierto que el espectro electromagnético que emite ciertas galaxias y estrellas presenta un corrimiento hacia el rojo, esto significa que estos objetos astronómicos se están alejando de nosotros.
La expansión del universo es una de las evidencias de la teoría del Big Bang. Sin embargo, dicha expansión sólo es observable a grandes escalas, no ocurre a pequeñas distancias. De hecho, nuestra Vía Láctea y su galaxia vecina, Andrómeda, se están acercando. ¿Cómo sería entonces el espectro que emite Andrómeda visto desde la Vía Láctea? Sería un corrimiento hacia el azul, es decir, nos llegan «reducidas» o «encogidas » las longitudes de onda que emite Andrómeda.
Este fenómeno llamado desplazamiento hacia el rojo o corrimiento al rojo consiste en el cambio en la longitud de la onda que tienden hacia la parte del rojo o hacia mayores longitudes de onda que el rojo en el espectro electromagnético. Si la fuente de luz se aleja de nosotros, detectaremos que se alargan o «se estiran» sus longitudes de onda.
¿Por qué sabemos que existe este efecto de la luz? Porque se conocen otras propiedades que presenta la luz independientemente del movimiento de la fuente emisora, que se toman de referencia.
No olvides que...
Para referirnos a la masa de alguna estrella utilizamos el valor de la masa del Sol, la cual está representada por los símbolos «MO», y su valor es 2 x 1030 kg.
Ojo al dato...
El calor y la presión de toda la materia que se encontraba en la «singularidad » dieron como resultado el Big Bang hace 14 Ga. Antes de ello no existía ni el tiempo ni el espacio.
Segundos después del Big Bang, comenzaron a formarse las partículas.
D. Tabla de distancia y rapidez
Recuerda que para calcular la rapidez utilizaremos un valor inicial ficticio de 5 km/h. Así, si el punto X tiene 2 cm de distancia desde «O», y el punto B tiene 6 cm, ¿por cuánto habría que multiplicar la rapidez de X para calcular la rapidez de B? Por 3, ya que 6 ÷ 2 = 3. La rapidez a la que se aleja B con respecto a «O» es 3 x 5 km/h = 15 km/h.
Ahora escribe los resultados de los pasos 4, 5 y 6 de la Actividad B en la tabla siguiente.
E. Representación de la expansión de un universo bidimensional
Sigue las indicaciones para simular la expansión:
Dibuja sobre la superficie del globo solo los ejes rectangulares X e Y sin números, y coloca el origen (0,0) del sistema en el punto «O».
A partir de la tabla de la Actividad D, escoge los cinco puntos con la menor Distancia 1 y halla sus coordenadas (x, y) sobre el globo. Luego, encuentra las nuevas coordenadas (x, y) al duplicar el diámetro del globo.
Grafica ambos grupos de puntos en el plano cartesiano, escribe los nombres, distancias al origen y rapidez correspondientes.
Para cada punto (galaxia) indica el sentido del movimiento con una flecha.
Grafica ambos grupos de puntos en el plano cartesiano, escribe los nombres, distancias al origen y rapidez correspondientes.
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