Objetivo de la clase
Analizar el modelo del Big Bang y sus principales evidencias, interpretando expansión, corrimiento al rojo, radiación cósmica de fondo y nucleosíntesis primordial, para resolver situaciones contextualizadas y preguntas de selección múltiple similares a las evaluadas en PAES.
Activación vinculada a la PAES
Proyecte esta situación pidiendo qué conclusión sí permite sostener la evidencia y cuál no:
En el espectro de una galaxia distante, una línea que en laboratorio aparece a 500 nm se observa a una longitud de onda mayor. ¿Qué afirmación es más coherente?
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B. En PAES hay que distinguir la observación (líneas desplazadas) de la interpretación (expansión a gran escala), y no inferir un centro espacial a partir del alejamiento de las galaxias.
Preguntas breves
¿El Big Bang es una explosión como una bomba? ¿Qué tres evidencias independientes se suelen citar? ¿Qué representa la pendiente en un gráfico \(v\)–\(d\)?
El modelo cosmológico
El modelo del Big Bang describe la evolución del Universo desde un estado temprano extremadamente caliente y denso. A gran escala, el espacio se expande y el Universo se enfría.
Idea rigurosa: no es una explosión desde un punto central hacia un espacio vacío. La expansión cosmológica corresponde al aumento de las distancias a gran escala asociado a la expansión del propio espacio.
| Evidencia | Observación | Interpretación |
|---|---|---|
| Corrimiento al rojo | Líneas espectrales desplazadas a longitudes de onda mayores. | Recesión de galaxias y expansión. |
| Radiación cósmica de fondo | Microondas casi uniformes en el cielo. | Remanente térmico del Universo temprano. |
| Elementos ligeros | Abundancias de H, He y otros núcleos ligeros. | Consistentes con la nucleosíntesis primordial. |
Expansión y evidencias
Ideas esenciales
- A gran escala aumentan las separaciones entre galaxias.
- El corrimiento al rojo se asocia, en general, a recesión cosmológica.
- La CMB es evidencia del Universo temprano, no de un fenómeno local.
- Las abundancias de H y He concuerdan con un modelo caliente inicial.
Lo que el modelo no afirma
- No coloca a la Tierra (ni a la Vía Láctea) en un centro privilegiado.
- No describe la formación del Sistema Solar como su contenido principal.
- No equivale a “las galaxias se inflan” como globos individuales.
Atención: otro observador en otra galaxia, en una expansión homogénea, también vería recesión de muchas galaxias distantes. La expansión no privilegia nuestra ubicación.
Relación de Hubble–Lemaître
A gran escala, la rapidez de recesión es proporcional a la distancia:
\[v=H_0 d\]
En un gráfico de rapidez de recesión \(v\) versus distancia \(d\), la pendiente corresponde a \(H_0\).
Estrategia PAES
- Identifique observación y conclusión.
- Pregunte qué evidencia apoya realmente cada afirmación.
- En espectros, compare la posición de las líneas con la referencia de laboratorio.
- En \(v=H_0 d\), revise unidades (\(H_0\) suele ir en km/s/Mpc).
- No infiera un centro espacial de la expansión a partir del alejamiento de galaxias.
Ejercicios tipo PAES
A. Modelo y evidencias
1. El Big Bang describe:
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Es un modelo cosmológico de la evolución global del Universo. B.
2. El corrimiento al rojo de una galaxia distante indica, en general:
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Longitudes de onda mayores se asocian a recesión cosmológica. B.
3. Una evidencia del Universo temprano es:
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La CMB es radiación remanente del Universo temprano. A.
4. La abundancia primordial de H y He es relevante porque:
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Las proporciones observadas concuerdan con predicciones del modelo caliente. B.
5. La expansión del Universo significa principalmente:
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Se expanden las distancias cosmológicas a gran escala. B.
6. El Big Bang no es una bomba en un punto porque:
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No requiere un centro dentro de un espacio exterior preexistente. B.
7. Tres evidencias del Big Bang son:
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Son líneas independientes de evidencia cosmológica. A.
8. Otro observador galáctico, en una expansión homogénea, observaría:
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La expansión no privilegia nuestra ubicación. B.
B. Hubble–Lemaître y espectros
9. Hubble–Lemaître establece que:
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\(v=H_0 d\). B.
10. Si \(H_0=70\,\text{km/s/Mpc}\) y \(d=10\,\text{Mpc}\), entonces \(v\) vale:
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\(v=70\cdot10=700\,\text{km/s}\). C.
11. Con el mismo \(H_0\) y \(d=50\,\text{Mpc}\), \(v\) vale:
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\(v=70\cdot50=3500\,\text{km/s}\). C.
12. Galaxias a distancias \(d\) y \(3d\). Según Hubble, la velocidad de la segunda es:
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\(v\propto d\), luego al triple de distancia corresponde el triple de rapidez. C.
13. El instrumento o análisis para detectar un corrimiento espectral es:
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Se comparan líneas espectrales observadas con referencias de laboratorio. A.
14. Una línea de laboratorio a 500 nm aparece a mayor longitud de onda en una galaxia. Eso corresponde a un corrimiento:
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Mayor longitud de onda corresponde a corrimiento al rojo. B.
15. Una afirmación cosmológica científica se valora principalmente por:
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Los modelos se sostienen por evidencia y capacidad predictiva. B.
Síntesis y ticket de salida
Pida a los estudiantes completar oralmente o por escrito estas ideas:
- El Big Bang describe un Universo que evoluciona desde un estado caliente y denso.
- Tres evidencias: expansión (corrimiento al rojo), CMB y elementos ligeros.
- \(v=H_0 d\): a mayor distancia, mayor rapidez de recesión.
- La expansión no equivale a una explosión convencional ni coloca a la Tierra al centro.
Ticket PAES
Escriba tres evidencias del modelo y explique por qué la expansión del Universo no equivale a una explosión convencional.
Respuesta esperada
Evidencias: corrimiento al rojo / recesión, radiación cósmica de fondo y abundancia de elementos ligeros. No es una bomba en un punto: involucra la expansión del espacio a gran escala, sin un centro privilegiado en un vacío preexistente.
Distribución sugerida de los 90 minutos
| Momento | Tiempo | Propósito |
|---|---|---|
| Inicio PAES | 10 min | activar observación espectral vs conclusión |
| Modelo y evidencias | 20 min | Big Bang, CMB, elementos ligeros y expansión |
| Hubble–Lemaître | 20 min | relación \(v=H_0 d\) y lectura del gráfico |
| Ejercitación | 30 min | resolver y justificar preguntas tipo PAES |
| Cierre | 10 min | sintetizar ideas y verificar comprensión |