El universo y su historia
El universo está compuesto por miles de millones de galaxias; cada galaxia contiene miles de millones de estrellas; el Sol es una estrella en la Vía Láctea. La gravedad moldea cada órbita en él, las estrellas nacen y mueren según patrones establecidos por su masa, y el desplazamiento hacia el rojo de galaxias lejanas nos indica que todo el universo se expande — evidencia de un inicio: el Big Bang.
Edexcel International GCSE Física 4PH1, Sección 8 (declaraciones 8.1–8.18P). Las declaraciones con sufijo P son la extensión exclusiva de Física (Examen 2P).
Movimiento en el universo
Universo → miles de millones de galaxias → cada una miles de millones de estrellas → nuestro sistema solar se encuentra en la Vía Láctea. La intensidad del campo gravitatorio g varía con la masa y el tamaño — menor en la Luna, mayor en Júpiter. La gravedad mantiene todas las órbitas: lunas orbitan planetas, planetas y cometas orbitan el Sol, satélites artificiales orbitan la Tierra.
Las órbitas planetarias son casi circulares; las órbitas de cometas son altamente excéntricas — rápidas cerca del Sol, lentas lejos de él. La velocidad orbital proviene de la circunferencia ÷ período:
Ejemplo resuelto. Un satélite a radio orbital de 7000 km (r medido desde el centro de la Tierra) con período de 5800 s: $v = 2\pi \times 7.0 \times 10^6/5800 \approx 7580$ m/s ≈ 7.6 km/s.
Ejemplo resuelto (órbita de la Luna). La Luna orbita 3.84 × 10⁸ m desde el centro de la Tierra cada 27.3 días. Primero cambia el periodo a segundos: $T = 27.3 \times 24 \times 3600 = 2.36 \times 10^6$ s. Luego $v = \dfrac{2 \times \pi \times 3.84 \times 10^8}{2.36 \times 10^6} \approx 1.0 \times 10^3$ m/s, aproximadamente 1.0 km/s, mucho más lento que un satélite bajo.
Ejemplo resuelto (peso en otro mundo). Un astronauta de 70 kg pesa $70 \times 10 = 700$ N en la Tierra y $70 \times 1.6 = 112$ N en la Luna ($g = 1.6$ N/kg). Su masa es 70 kg en ambos lugares.
Evolución estelar
Las estrellas se clasifican por color, que sigue la temperatura superficial: azul más caliente → rojo más frío. Una estrella similar al Sol pasa de nebulosa → secuencia principal (la fusión equilibra la gravedad durante miles de millones de años) → gigante roja → enana blanca; una estrella mucho más masiva que el Sol (aproximadamente ocho veces o más su masa) pasa de nebulosa → secuencia principal → supergigante roja → supernova → estrella de neutrones o agujero negro.
(P) El brillo de una estrella se compara usando la magnitud absoluta a una distancia estándar; el diagrama de Hertzsprung–Russell traza la magnitud absoluta frente a la temperatura, con la secuencia principal, gigantes y enanas blancas como sus bandas principales.
Cosmología (P)
Una fuente de onda en movimiento cambia la longitud de onda observada (desplazamiento al rojo para alejamiento). El desplazamiento al rojo de las galaxias aumenta con la distancia, y la relación se cuantifica como:
Ejercicio resuelto. Una línea espectral en 500 nm aparece en 505 nm en una galaxia distante: $\Delta\lambda/\lambda_0 = 5/500 = 0.01$, por lo tanto $v = 0.01c = 3000$ km/s.
Ejemplo resuelto (P) (predecir el desplazamiento). Una galaxia se aleja a 6000 km/s. Una línea de hidrógeno emitida a 656 nm se desplaza $\Delta\lambda = \lambda_0 \times \dfrac{v}{c} = 656 \times \dfrac{6000}{300\,000} = 13$ nm, por lo que se observa a unos 669 nm. Usa la misma unidad para $v$ y $c$ (aquí km/s).
El desplazamiento al rojo que aumenta con la distancia significa que las galaxias se alejan más rápidamente cuanto más lejos están — el universo está expandiéndose, lo que apunta a un inicio caliente y denso: el Big Bang. La radiación cósmica de microondas (CMB) — microondas tenues procedentes de todas direcciones — es el remanente enfriado de esa radiación temprana, el segundo pilar de evidencia.
Errores comunes
- Medir el radio orbital desde la superficie del planeta. $r$ es desde el centro; suma el radio del planeta a la altura.
- Dejar el periodo en horas o días en $v = 2\pi r/T$. Cámbialo a segundos para obtener m/s.
- Decir que un astronauta en la Luna tiene menos masa. La masa es la misma; el peso es menor porque $g$ es menor.
- (P) Decir que las galaxias con corrimiento al rojo se ven rojas. Cada línea del espectro se mueve a una longitud de onda mayor; el color de la galaxia apenas cambia.
- (P) Dividir entre la longitud de onda observada. $\lambda_0$ en $\Delta\lambda/\lambda_0$ es la longitud de onda medida en el laboratorio.
- Decir que todas las estrellas terminan como agujeros negros. Una estrella similar al Sol termina como enana blanca; solo las estrellas mucho más masivas se convierten en estrellas de neutrones o agujeros negros.
Compruébalo tú mismo
- Ordena por tamaño: galaxia, sistema solar, universo, estrella.
- ¿Por qué difiere g entre la Tierra y la Luna?
- Nombra las dos formas orbitales de cometas y planetas.
- Calcula la velocidad orbital de un satélite a r = 42 000 km con T = 24 horas.
- Indica las dos etapas después de la secuencia principal para una estrella similar al Sol.
- ¿Qué te dice el color de una estrella?
- (P) ¿Cuáles son las dos cantidades que representa el diagrama HR?
- (P) Una línea en 400 nm se desplaza a 404 nm. Calcula v/c.
- (P) Indica las dos pruebas del Big Bang.
- (P) ¿Por qué aumenta el desplazamiento al rojo con la distancia?
Respuestas: 1 estrella (más pequeña) → sistema solar → galaxia → universo (más grande); 2 g depende de la masa y el radio del cuerpo — la Luna es más pequeña y menos masiva, por lo que su g es aproximadamente 1.6 N/kg; 3 planetas — casi circulares; cometas — elipses muy excéntricas; 4 $r = 4.2 \times 10^7$ m, $T = 86\,400$ s; $v = 2\pi \times 4.2\times10^7/86\,400 \approx 3060$ m/s ≈ 3.1 km/s; 5 gigante roja, luego enana blanca; 6 su temperatura superficial — azul más caliente, rojo más frío; 7 (P) magnitud absoluta frente a temperatura (o color); 8 (P) $\Delta\lambda/\lambda_0 = 4/400 = 0.01 = v/c$; 9 (P) el desplazamiento al rojo de las galaxias aumentando con la distancia, y la radiación cósmica de microondas; 10 (P) cuanto más lejos está la galaxia, más rápido se aleja — el propio espacio se expande, por lo que la velocidad de recesión aumenta con la distancia, desplazando la luz más hacia el rojo.