7.1: Modelando las Lunas de Júpiter

Esta actividad permitirá a tus alumnos recrear el descubrimiento de Galileo de las cuatro lunas más grandes de Júpiter. Antes de embarcarte en esta actividad, es una buena idea dar a conocer a tus alumnos, y a ti mismo, las características básicas del antiguo modelo geocéntrico de Aristóteles y Ptolomeo. Muchas de las características e ideas representadas en este modelo les parecerán extrañas a tus alumnos, e incluso contradicen cosas que ya se les han enseñado. Los niños del siglo ^XXI son los beneficiarios de siglos de lucha y aprendizaje científicos; nunca menos, una comprensión de las ideas científicas de la época de Galileo puede ser útil para mostrar a nuestros hijos cómo la ciencia cambia y evoluciona a medida que se descubren nuevos hechos e ideas. Esta es una idea clave en la cultura y el pensamiento STEM.

El sistema geocéntrico de Aristóteles tiene a la Tierra en el centro de todo —y es completamente inmóvil; ni gira sobre su eje todos los días, ni orbita el Sol cada año. De hecho, ¡en el sistema geocéntrico, todo orbita la Tierra! El Sol, la Luna, los diversos planetas e incluso las estrellas distantes giran alrededor de la Tierra a diferentes velocidades y distancias. Fue esta idea que todo orbita la Tierra que fue la primera grieta en la teoría geocéntrica que Galileo explotaría en su búsqueda para demostrar que el sistema heliocéntrico era correcto.

Estándares Académicos

Prácticas de Ciencia e Ingeniería

• Desarrollo y uso de modelos.
• Analizar e interpretar datos.
• Construyendo explicaciones.
• Argumento desde la evidencia.

Conceptos transversales

• Causa y efecto.
• Sistemas y modelos de sistemas.

Estándares científicos de próxima generación

• Sistemas espaciales (K-5, 6-8, 9-12).
• Gravitación y órbitas (6-8, 9-12).

Para el Educador

Datos que necesitas saber

1. La Luna de la Tierra no es la única luna en el sistema solar. Los planetas pequeños en el sistema solar interior tienen dos como máximo, ¡pero los mundos jovianos gigantes en el sistema solar exterior tienen docenas! Júpiter y Saturno tienen más de 60 lunas, desde enormes satélites más grandes que Mercurio, hasta pequeños asteroides irregulares a solo unas pocas millas de ancho.
2. Las lunas galileanas de Júpiter fueron un dato clave que apuntó el camino para demostrar que el modelo heliocéntrico copernicano del sistema solar era correcto. Estos fueron casi el primer descubrimiento que Galileo hizo con su nuevo invento: ¡el telescopio astronómico!
3. Las lunas galileas no son simples rocas áridas, son mundos complejos con volcanes, océanos atrapados bajo capas de hielo gigantes, química compleja y posiblemente incluso vida.

Enseñanza y Pedagogía

El objetivo de este modelo es permitir que los estudiantes vean lo que hizo Galileo cuando giró por primera vez su telescopio sobre Júpiter en 1609. Algo de esto es difícil para los niños, nos han criado aprendiendo que las lunas van alrededor de planetas — ¡Galileo no tenía tal ventaja! Cuando enseñamos una lección como esta, a veces ayuda a los niños a jugar roles y asumir los papeles de Galileo y algunos de sus oponentes por el día.

En su época, a Galileo se le enseñó que todo daba la vuelta a la Tierra. El punto central de este ejercicio es pedir a los estudiantes que utilicen lo que ven como datos experimentales y lo comparen con las predicciones realizadas por el modelo geocéntrico.

Galileo originalmente pensó que estos objetos brillantes cerca de Júpiter eran estrellas, pero solo unas observaciones de unos días lo convencieron de que esto no podía ser cierto. Si Júpiter se moviera por el espacio, simplemente pasaría las estrellas, pero las estrellas mismas no se moverían. Estos objetos estaban claramente bailando la asistencia en el planeta gigante, y no pasaron muchos días antes de que Galileo se diera cuenta de que en realidad eran lunas en órbita. Lo interesante fue que la vieja teoría geocéntrica decía que “todo da la vuelta a la Tierra” —estas nuevas lunas claramente no hicieron eso.

Galileo nombró las nuevas lunas individualmente para los amantes y amigos de Júpiter (¡quizás lo conozcas como Zeus!). Escribió a su patrón, Cosimo de Medici sobre lo que había encontrado y le dijo: “Yo le he dado nombre a este descubrimiento — ¡son las Lunas Médicas ! ” La historia no estuvo de acuerdo con Galileo, y hoy las conocemos como las lunas galileas de Júpiter.

Aquí nuevamente, tenemos una situación en la que los nuevos datos científicos entran en conflicto con una teoría existente. La teoría geocéntrica de Aristóteles y Ptolomeo había existido por casi 2,000 años y fue tan bien aceptada como cualquier idea que se te ocurra. Galileo desafiar esta idea no fue bien recibido — ¡finalmente fue juzgado por hablar en contra de la teoría de Aristóteles y enseñar que Copérnico tenía razón!

La resistencia popular a las ideas de Galileo no importaba. El hecho de que 99.9% de los científicos de su época creyeran en la teoría geocéntrica no importaba. La ciencia no se trata de creencias, se trata de datos y evidencias.

La evidencia científica de Galileo, reunida con el telescopio que inventó, fue muy convincente. Galileo finalmente escribió un libro de experimentos y proyectos de hágalo usted mismo que la gente podría probar en casa para convencerlos de que la teoría de Aristóteles estaba equivocada y necesitaba ser desechada a favor del sistema copernicano, centrado en el sol.

Tus alumnos deberían poder ver fácilmente que las lunas orbitan el planeta Júpiter. Pregúntales: “¿Cómo sabemos esto? ¿Qué pruebas hay en nuestros dibujos de que se trata de lunas y no estrellas? ” La respuesta por supuesto, es que las lunas de Júpiter nunca deambulan lejos del planeta. Júpiter podría pasar por una estrella de fondo y seguir adelante, ¡pero no arrastraría esa estrella junto con ella!

Resultados de los estudiantes

¿Qué descubrirá el alumno?

1. Al igual que el sistema Tierra-Luna, todos los planetas y lunas de nuestro sistema solar operan bajo los mismos principios. La gravitación, la fuerza que sentimos que nos une a la superficie del planeta, mantiene en órbita a todos los planetas y lunas. Los movimientos de planetas y lunas en el espacio y la geometría entre el planeta, el Sol y el observador controlan qué fases de la Luna podemos ver.
2. Nuestros modelos científicos suelen construirse utilizando datos incompletos. Galileo no pudo observar las lunas de Júpiter consistentemente las 24 horas del día, y a nuestros alumnos tampoco se les permite ver el modelo todo el tiempo, tampoco. Nunca menos, ¡se puede construir un modelo útil!
3. Aunque parezca difícil, incluso imposible al principio, ¡podemos descubrir las distancias relativas de las lunas galileas desde Júpiter observando cuán rápido cambian sus posiciones!

¿Qué aprenderán tus alumnos sobre la ciencia?

1. La lucha de Galileo para demostrar que el modelo copernicano del sistema solar es correcto es uno de los ejemplos más conmovedores y profundos de la ciencia en acción que conocemos. Tus alumnos descubrirán que son los datos científicos los que resuelven las preguntas cuando están presentes dos teorías en competencia. Las emociones, las creencias, las tradiciones o el poder político no tienen la capacidad de influir en la marcha de la ciencia hacia la verdad.
2. La evidencia que vemos en el cielo nocturno debe encajar perfectamente en nuestras teorías y modelos científicos. Si los datos no encajan, debemos ajustar nuestras teorías — ¡no los datos! La disputa de Galileo con los poderes políticos y religiosos de su época se redujo precisamente a este principio —y Galileo estaba dispuesto a correr el riesgo de prisión y muerte para defenderse de la verdad en lugar de cambiar sus datos o apoyar un modelo que sabía que era incorrecto.

Realización de la Actividad

Materiales

1. Una bola de espuma de poliestireno de 5 pulgadas
2. Cuatro bolas de espuma de poliestireno de 1 pulgada
3. 4 piezas de alambre para manualidades o piano, 24 pulgadas de largo cada una
4. Cortadores de alambre y alicates
5. El barril de un bolígrafo de plástico, cortado por la mitad.
6. Un cuadrado de 8 pulgadas de cartón o tablero de núcleo de espuma
7. Pegamento caliente, rotuladores, pinturas, etc.

Construyendo el modelo de la luna joviana:

1. Usa marcadores o pinturas para decorar la bola grande como modelo de Júpiter. Hay muchas referencias fotográficas en internet para esto, pero no te preocupes por ponerte demasiado elegante, la decoración no será crítica para nuestra actividad.
2. Las bolas más pequeñas se pueden colorear si lo deseas. Si eres un stickler para la precisión, usa naranja/rojo para la luna más interna (Io), amarillo para la ^2ª luna (Europa), plata/gris para las dos lunas exteriores (Ganímedes y Calisto.)
3. Use alicates para hacer una curva de 90 grados en cada uno de los cables a aproximadamente 2-3 pulgadas de un extremo. Haga una segunda curva de 90 grados en cada cable para que tenga una forma de U cuadrada. Cada forma de U debe ser más ancha que la anterior en unos centímetros para que las cuatro lunas pequeñas estén a diferentes distancias de Júpiter. Mire la figura a continuación para tener una mejor idea de cómo deberían ser los cables terminados.
4. Recorte ambos extremos de los cables para que todos tengan la misma longitud y empuje las pequeñas lunas de espuma de poliestireno sobre los cables. Es posible que desee asegurarlos con una gota de pegamento.
5. Empuje con cuidado el barril de plástico de la pluma stick en el Polo Norte de su modelo Júpiter hasta que esté al ras. Ahora usa un poco de pegamento caliente para asegurar el Polo Sur de Júpiter a tu base de cartón.
6. Pon los cables con las lunas pequeñas sobre ellos en el barril de plástico de la pluma stick. Esto debería mantenerlos en su lugar y permitirles rotar libremente en 'órbita' alrededor de Júpiter. Si están un poco flojos o se tambalean por su cuenta, intente poner una pequeña bola de masilla de póster en el barril de la pluma para sujetarlos en su lugar mientras los alumnos los observan.

Explorando el modelo de luna joviana

1. Coloca el modelo al otro lado del aula y coloca las cuatro lunas para que queden dos a cada lado de tu modelo Júpiter. ¡Los alumnos estarán jugando a Galileo y haciendo lo que hizo! Que los alumnos dibujen lo que ven — basta con un círculo para Júpiter y un pequeño punto o estrella para cada luna. Estarán haciendo varias de estas observaciones —pueden dibujar cada una o se les puede dar una hoja de trabajo como se muestra a continuación.
2. Ahora haz que los alumnos cierren los ojos brevemente mientras ajustas el modelo. Cerrar los ojos representa un día que pasa por Galileo (¡no pudo observar a Júpiter durante las horas del día!).

[Maestro] Todas las lunas deben orbitar en sentido antihorario. Las lunas internas se acercan más que las exteriores. Avanza cada luna de la siguiente manera:

Io: La luna más interna avanza ½ órbita cada día.

Europa: La segunda luna sale avanza 1/3 de órbita cada día.

Ganímedes: La tercera luna avanza 45 grados cada día.

Calisto: La luna más externa avanza unos 20 grados cada día, aproximadamente 1/8 ^th de círculo.

3. Cuando se hayan ajustado las lunas, haga que los alumnos abran los ojos y vuelvan a dibujar lo que ven. ¡Recuérdeles que este es el 'día 2' de su observación de Júpiter!

4. Continúe moviendo y ajustando las lunas durante 5-6 días, luego haga que los alumnos miren sus datos.

Preguntas de Discusión

1. ¿Cómo sabías que las lunas orbitaban a Júpiter y no solo estrellas cercanas?
   • Respuesta ¡Esta misma pregunta se le hizo a Galileo! Pudo demostrar que cada una de las lunas tenía una distancia particular de Júpiter (el tamaño de su órbita), y que cada luna tenía un periodo orbital particular (el tiempo que tardó en rodear a Júpiter). Tampoco las lunas nunca salieron de Júpiter, permanecían continuamente cerca del planeta gigante —ninguna estrella haría esto. ¡Estos puntos juntos fueron concluyentes!
2. ¿Cómo desafió este descubrimiento la teoría geocéntrica de Aristóteles?
   • Respuesta La teoría de Aristóteles afirmaba que todos los objetos en el espacio deben orbitar la Tierra. ¡Obviamente las lunas recién descubiertas que orbitan a Júpiter no hicieron esto! Algunos científicos dijeron que la teoría de Aristóteles solo necesitaba ser modificada para permitir que otros planetas tuvieran lunas. Como veremos pronto — ¡esto no fue suficiente para salvar la vieja teoría!

Materiales suplementarios

Profundizando

Galileo, Herschel, Huygens, Cassini, Hall y otros descubrieron lunas de planetas al estudiar estos planetas cuidadosamente con telescopios aquí en la Tierra — ¡pero la mayoría de las lunas ya no se descubren de esa manera!

Agencias espaciales como NASA (Estados Unidos), ESA (Unión Europea), JAXA (Japón) y otras envían naves espaciales y telescopios al espacio y toman fotografías de planetas en alta resolución. Científicos independientes pobres sobre muchos miles de fotos en busca de motas de luz que pueden ser una luna nueva. La mayoría de las 67 lunas de Júpiter fueron descubiertas por las naves espaciales Voyager y Galileo. De manera similar, la mayoría de las 62 lunas de Saturno fueron descubiertas por las naves espaciales Voyager y Cassini —y muchas más probablemente serán descubiertas en los próximos años por científicos que peinan las fotos y los datos enviados de regreso a la Tierra por estas naves espaciales robóticas.

Ser astrónomo

Hoy sabemos de más de 65 lunas orbitando a Júpiter, pero las cuatro grandes lunas galileanas siguen fascinando a los observadores. Como encontró Galileo, estas lunas grandes son fáciles de ver, incluso con el telescopio más pequeño.

Se pueden observar y dibujar las posiciones de las lunas de Júpiter con la suficiente facilidad. Prueba a usar este sencillo gráfico para guiarte:

Cuando miras a Júpiter en un pequeño telescopio o incluso un par de buenos prismáticos (8x o más), podrás ver las Lunas Galileas. Usa esta tabla para registrar la posición de cada luna que veas.

Hay una variedad de sitios web y software que te mostrarán la posición de las lunas de Júpiter en un día determinado. Sky and Telescope.com tiene uno — busca Un almanaque de Júpiter en su página web y lo encontrarás fácilmente. El software de simulador de cielo Stellarium también es útil, este es un software gratuito disponible en stellarium.org.

Ser científico

Los científicos han descubierto que las grandes lunas galileas de Júpiter son mundos por derecho propio. Tres de las cuatro lunas son más grandes que nuestra propia Luna, ¡Ganímedes gigante es casi tan grande como Marte!

¡Cada una de estas lunas jovianas tiene una estructura única, y características superficiales dinámicas que rivalizan con cualquier cosa que encontrarías en la Tierra! Vea lo que puede averiguar sobre ellos en internet. Desde volcanes gigantes en Io, hasta géiseres oceánicos en Europa y cráteres congelados en Ganímedes, hay muchas cosas que explorar. ¿Cuál es tu luna favorita?

Seguimiento

La Luna Galilea Europa es muy singular. La exploración de esta luna por la Nave Espacial Galileo ha descubierto que Europa es un mundo oceánico aproximadamente del mismo tamaño que nuestra Luna. No vimos este mundo oceánico por lo que era al principio, porque todo el océano en Europa está cubierto de hielo. Fueron solo experimentos y observaciones posteriores de la nave espacial Galileo los que confirmaron que los océanos en Europa tenían muchas millas de profundidad.

Una de las cosas que sabemos de la Tierra es que donde quiera que haya agua, hay vida. Cada océano, lago y arroyo está habitado con muchas formas de vida. Incluso los ambientes acuáticos extremos, como las piscinas hirviendo en Yellowstone Park y los lagos a una milla debajo del hielo en la Antártida, tienen vida en ellos.

¿Qué pasa con Europa? Hasta el momento, nadie ha encontrado muestras de vida más allá de la Tierra; ¿podría Europa ser el primer lugar? ¿Cómo diseñarías una sonda para buscar atravesar el hielo y buscar vida en los océanos de Europa?