Completar con porcentajes aproximados: energía oscura ≈ ___%, materia oscura ≈ ___%, materia ordinaria ≈ ___%. (Fuente: CE.CN.F.5.22 del criterio de evaluación.)

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Tema 21: Modelo estándar Lambda-CDM del universo

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Respuesta rápida

Lambda-CDM: 68% energía oscura, 27% materia oscura fría, 5% materia ordinaria. Explica expansión y estructura cósmica; no explica la gravedad ni la naturaleza de la materia/energía oscura.

fisica ⭐⭐ Dificultad 2/5 ⏱ 6 min lectura

Solución — Página 254

Fisica 3° · 2024

Ejercicio 1

Tema 21: Modelo estándar Lambda-CDM del universo

La página es una apertura de tema (criterios de evaluación, objetivo y saberes previos), por lo que no trae ejercicios numéricos. Se explica el contenido y se responden las preguntas de "Saberes previos".

Ejercicio 1

¿Qué es el modelo Lambda-CDM?

El modelo Lambda-CDM (de las letras griegas Λ, para la constante cosmológica o energía oscura, y CDM, por Cold Dark Matter, materia oscura fría) es el modelo cosmológico estándar. Describe el universo como un espacio-tiempo que se expande, en el que la estructura (galaxias, cúmulos) se formó por colapso gravitacional de fluctuaciones de densidad en la materia oscura fría.

Las observaciones que lo sustentan son:

Expansión del universo: las galaxias lejanas se alejan con ley de Hubble, $v = H_0 \, d$ .
Radiación cósmica de fondo (CMB): un cuerpo negro a temperatura $T_0 \approx 2{,}725 \, \text{K}$ , cuyo espectro y anisotropías confirman la composición del cosmos.
Evolución de la estructura: los patrones de concentración de galaxias coinciden con simulaciones donde domina la materia oscura.
Acumulación de materia oscura: en galaxias, la velocidad orbital de las estrellas en la región externa, $v$ , no decae como $1/\sqrt{r}$ , lo que exige una masa esferoidal adicional: $v = \sqrt{\dfrac{G\,M(r)}{r}}$ .
Lente gravitacional y supernovas Ia: evidencia de que la expansión está acelerada, atribuida a la energía oscura.

Ejercicio 2

Composición del universo según Lambda-CDM

Componente	Porcentaje aproximado	Naturaleza
Energía oscura (Λ)	$\approx 68\,\%$	Provoce la aceleración de la expansión
Materia oscura fría (CDM)	$\approx 27\,\%$	No emite ni absorbe luz; actúa gravitatoriamente
Materia ordinaria (bariónica)	$\approx 5\,\%$	Estrellas, planetas, gas, seres vivos

Es decir, más del $90\,\%$ del contenido del universo está compuesto por materia y energía que no vemos directamente: eso es justo lo que se refleja en el criterio de evaluación CE.CN.F.5.22.

Ejercicio 3

Los "huecos" que el modelo no explica

La gravedad: la relatividad general describe su efecto a gran escala, pero la mecánica cuántica aún no produce una teoría unificada de la gravedad (problema de la gravedad cuántica).
La naturaleza microscópica de la materia y la energía oscura: se deducen por sus efectos gravitacionales, pero su composición fundamental sigue siendo un misterio.

Ejercicio 4

Saberes previos: respuestas orientativas

¿Alguna vez te has preguntado sobre la composición fundamental del universo y cómo los científicos intentan entenderlo?

Sí, los científicos estudian la composición del universo mediante observaciones astronómicas y experimentos: analizan el espectro de la radiación cósmica de fondo, miden la velocidad de rotación de las galaxias, observan cómo se curva la luz de objetos lejanos (lente gravitacional) y registran el desplazamiento al rojo de las supernovas. Con estos datos deducen porcentajes de materia ordinaria, materia oscura y energía oscura, y los contrastan con modelos teóricos como Lambda-CDM mediante simulaciones por computadora.

¿Qué aspectos del cosmos te parecen más intrigantes y te gustaría explorar?

Los aspectos más intrigantes suelen ser la energía oscura (la fuerza que acelera la expansión y desconocemos en origen), la materia oscura (que sostiene a las galaxias pero no se detecta con luz), el origen mismo de la materia oscura fría y qué ocurría en los primeros instantes del universo. Explorarlos implica combinar teoría física, telescopios y experimentos en laboratorios subterráneos que buscan partículas oscuras.

Ejercicio 5

Objetivo de aprendizaje (OG.CN.10)

La formación científica implica valorar que el conocimiento se construye con evidencia, error controlado y revisión crítica; por eso el estudiante debe adoptar una actitud crítica y fundamentada ante problemas actuales donde interactúan ciencia y sociedad, como el cambio climático, el uso de tecnologías emergentes o la comunicación responsable de resultados científicos.

Respuesta

El modelo Lambda-CDM explica casi todo lo observado del universo (energía oscura $\≈ 68\,\%$ , materia oscura $\approx 27\,\%$ , materia ordinaria $\approx 5\,\%$ ), pero no explica la gravedad ni la naturaleza de la materia y la energía oscura.

Contenido de la página

TEMA 21: Modelo estándar Lambda-CDM del universo

Texto de Física — Página 253 (capa 254)

![Representación del espacio-tiempo curvado por una concentración de masa/energía en el centro, con retículas geodésicas concéntricas. Fuente: https://n9.cv/2cumq](imagen 1)

CRITERIOS DE EVALUACIÓN

CE.CN.F.5.22. Argumenta el modelo estándar "Lambda-CDM" como una explicación a todo lo observado en el universo, a excepción de la gravedad, la materia y energía oscura, las características y efectos de estas últimas (al tener un mayor porcentaje de presencia en el universo).

OBJETIVOS

OG.CN.10. Apreciar la importancia de la formación científica, los valores y actitudes propios del pensamiento científico, y, adoptar una actitud crítica y fundamentada ante los grandes problemas que hoy plantean las relaciones entre ciencia y sociedad.

Saberes previos

¿Alguna vez te has preguntado sobre la composición fundamental del universo y cómo los científicos intentan entenderlo?
¿Qué aspectos del cosmos te parecen más intrigantes y te gustaría explorar?

Contenido de apoyo: el modelo Lambda-CDM

El modelo Lambda-CDM es el modelo cosmológico estándar vigente. Sus componentes y porcentajes aproximados son:

Componente	Porcentaje
Energía oscura (Λ)	$\approx 68\,\%$
Materia oscura fría (CDM)	$\approx 27\,\%$
Materia ordinaria	$\approx 5\,\%$

Ecuaciones asociadas:

$v = H_0 \, d$

$v = \sqrt{\frac{G\,M(r)}{r}}$

$T_{\text{CMB}} \approx 2{,}725 \, \text{K}$

Lo que el modelo no explica: la naturaleza microscópica de la materia y la energía oscura y la gravedad (falta una teoría cuántica de la gravedad).

Ejemplos resueltos

Según el modelo Lambda-CDM, si el universo contiene $100\,\%$ de su contenido, ¿qué porcentaje corresponde a materia ordinaria, materia oscura y energía oscura? ¿Qué porcentaje es "invisible" para la observación directa?

Se identifican los porcentajes del modelo estándar: energía oscura $\approx 68\,\%$ , materia oscura $\approx 27\,\%$ y materia ordinaria $\approx 5\,\%$ .
Se verifica la suma: $68\,\% + 27\,\% + 5\,\% = 100\,\%$ .
La materia y la energía oscura no emiten ni absorben luz: $68\,\% + 27\,\% = 95\,\%$ . Respuesta: solo el $5\,\%$ es materia ordinaria; el $95\,\%$ restante es "invisible" y se detecta solo por sus efectos gravitacionales.

Tabla

Componente	Porcentaje	Efecto observable
Energía oscura (Λ)	68 %	Aceleración de la expansión del universo
Materia oscura fría (CDM)	27 %	Curvatura de galaxias y lente gravitacional
Materia ordinaria	5 %	Luz, calor y química de las estrellas y planetas

Diagrama

mindmap
  root((Modelo Lambda-CDM))
    Energía oscura Λ 68%
      Acelera la expansión
      Naturaleza desconocida
    Materia oscura fría 27%
      No emite luz
      Efectos gravitacionales
    Materia ordinaria 5%
      Estrellas y planetas
      Átomos y moléculas
    Evidencias
      CMB
      Ley de Hubble
      Lente gravitacional
      Supernovas Ia

Fórmulas y ecuaciones

Ley de Hubble: $v = H_0 \, d$

Velocidad orbital en galaxias: $v = \sqrt{G\,M(r)/r}$

v = $H_0$ $\$ , d

v = $\sqrt{\frac{G\,M(r)}{r}}$

$T_{$ $\text{CMB}$ } $\approx$ 2{,}725 $\$ , $\text{K}$

$\rho_{@@MATH_0@@\text{cdm}$ } + $\rho_{$ $\text{b}$ }

Glosario (8)

Lambda-CDM (ΛCDM): Modelo cosmológico estándar que describe el universo como dominado por energía oscura (Λ) y materia oscura fría (CDM), más una pequeña fracción de materia ordinaria.
Energía oscura: Componente hipotético del universo, asociado a la constante cosmológica Λ, que produce la aceleración de la expansión del espacio-tiempo.
Materia oscura fría: Materia no luminosa que interactúa gravitatoriamente pero no emite ni absorbe radiación electromagnética; se llama "fría" porque sus partículas se movían a velocidades no relativistas cuando se formó la estructura cósmica.
Materia ordinaria (bariónica): Materia compuesta de protones, neutrones y electrones: estrellas, planetas, gas interestelar y todo lo que emite o absorbe luz; representa solo cerca del 5% del contenido del universo.
Radiación cósmica de fondo (CMB): Radiación de fondo de microondas emitida unos 380 000 años después del Big Bang, con temperatura actual de 2,725 K, que sirve de evidencia clave del modelo Lambda-CDM.
Lente gravitacional: Desviación de la trayectoria de la luz por la curvatura del espacio-tiempo causada por masas; permite detectar materia oscura al medir distorsiones en la imagen de objetos lejanos.
Pensamiento científico: Conjunto de valores, actitudes y métodos (observación, hipótesis, experimento, revisión crítica) que permiten construir conocimiento fiable y fundamentado.
Actitud crítica: Disposición a examinar con fundamento las afirmaciones, las fuentes y las implicaciones sociales de la ciencia, sin aceptar nada sin evidencia.

Preguntas para practicar

¿Alguna vez te has preguntado sobre la composición fundamental del universo y cómo los científicos intentan entenderlo?

Los científicos estudian la composición del universo mediante observaciones astronómicas: analizan el espectro de la radiación cósmica de fondo, miden la velocidad de rotación de las galaxias, observan la curvatura de la luz de objetos lejanos (lente gravitacional) y el desplazamiento al rojo de supernovas. Con esos datos calculan porcentajes de materia ordinaria, materia oscura y energía oscura, y los contrastan con simulaciones computacionales del modelo Lambda-CDM.

¿Qué aspectos del cosmos te parecen más intrigantes y te gustaría explorar?

Aspectos especialmente intrigantes son la energía oscura (causa de la aceleración de la expansión), la materia oscura (sostiene a las galaxias pero no se ve), la naturaleza de la gravedad a nivel cuántico y los primeros instantes del universo. Explorarlos exige combinar teoría física, telescopios y experimentos subterráneos diseñados para detectar partículas oscuras.

Según OG.CN.10, ¿por qué es importante adoptar una actitud crítica y fundamentada ante los problemas que plantean la ciencia y la sociedad?

Porque los resultados científicos tienen consecuencias sociales y políticas (salud, ambiente, tecnología). Una actitud crítica implica exigir evidencia, reconocer incertidumbres, distinguir entre opinión y dato fundamentado, y evaluar los intereses que hay detrás de una información. Así se evita la credulidad y se participa responsablemente en decisiones colectivas basadas en ciencia.

Temas y conceptos clave

Modelo estándar Lambda-CDM del universoComposición del universoMateria oscura y energía oscuraCriterios de evaluación y objetivos del BGULambda-CDMmateria oscura fríaenergía oscuraconstante cosmológicaradiación cósmica de fondolente gravitacionalpensamiento científico

Fuentes y referencias

https://n9.cv/2cumq

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Figuras de la página (1)

Recuadro redondeado con borde marrón y una ilustración de una bombilla en un triángulo, encabezado "Saberes previos", con dos preguntas motivadoras sobre la composición del universo y los aspectos del cosmos que despiertan curiosidad. — Figura 2 image

Preguntas que la gente también hace

¿Qué es el modelo Lambda-CDM y por qué se llama así?

Consulta la solución completa arriba o explora el libro entero para temas relacionados.

¿Cuál es la composición del universo según el modelo estándar?

Consulta la solución completa arriba o explora el libro entero para temas relacionados.

¿Qué fenómenos del universo no explica el modelo Lambda-CDM?

Consulta la solución completa arriba o explora el libro entero para temas relacionados.

📌 Antes de leer esto

• Ley de Hubble y expansión del universo
• Efectos de la gravedad y curvatura del espacio-tiempo
• Desplazamiento al rojo y espectro electromagnético
• Energía potencial y gravitatoria, rotación galáctica

Siguiente tema sugerido

Desarrollo detallado de la energía oscura y la expansión acelerada del universo (página 255)

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TEMA 21:

Modelo estandar Lambda CMD del universo

Fuente: https:/in9.cl/2cumq

CRITERIOS DE EVALUACION

CE.CN.F.5.22. Argumenta el modelo estándar “Lambda-CDM” como una explicación a todo lo observado en el universo, a excepción de la gravedad, la materia y energía oscura, las características y efectos de estas últimas (al tener un mayor porcentaje de presencia en el universo).

OBJETIVOS

OG.CN.10. Apreciar la importancia de la formación científica, los valores y actitudes propios del pensamiento científico, y, adoptar una actitud crítica y fundamentada ante los grandes problemas que hoy plantean las relaciones entre ciencia y sociedad.

Saberes previos ¿Alguna vez te has preguntado sobre la composición fundamental del universo y cómo los científicos intentan entenderlo? ¿Qué aspectos del cosmos te parecen más intrigantes y te gustaría explorar?

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