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Astrofísica

Comparación de espectros elementales, solares y estelares a principios del siglo XX. La astrofísica es una ciencia que aplica los métodos y principios de la física y la química ...

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Comparación de espectros elementales, solares y estelares a principios del siglo XX.

La astrofísica es una ciencia que aplica los métodos y principios de la física y la química al estudio de los objetos y fenómenos astronómicos , incluido el universo. [ 1 ] [ 2 ] Como dijo uno de los fundadores de la disciplina, James Keeler , la astrofísica «busca determinar la naturaleza de los cuerpos celestes, más que sus posiciones o movimientos en el espacio; qué son, más que dónde están», [ 3 ] lo cual se estudia en la mecánica celeste . La astrofísica también se utiliza al diseñar y trazar trayectorias para naves espaciales .

Entre los temas estudiados se encuentran el Sol ( física solar ), otras estrellas , galaxias , planetas extrasolares , el medio interestelar y el fondo cósmico de microondas . [ 4 ] [ 5 ] Las emisiones de estos objetos se examinan en todas las partes del espectro electromagnético , y las propiedades examinadas incluyen luminosidad , densidad , temperatura y composición química . Debido a que la astrofísica es un tema muy amplio, los astrofísicos aplican conceptos y métodos de muchas disciplinas de la física, incluyendo mecánica clásica , electromagnetismo , mecánica estadística , termodinámica , mecánica cuántica , relatividad , física nuclear y de partículas , y física atómica y molecular .

En la práctica, la investigación astronómica moderna a menudo implica un trabajo sustancial en los ámbitos de la física teórica y observacional. Algunas áreas de estudio para los astrofísicos incluyen las propiedades de la materia oscura , la energía oscura , los agujeros negros y otros cuerpos celestes ; y el origen y el destino final del universo . [ 4 ] Los temas que también estudian los astrofísicos teóricos incluyen la formación y evolución del Sistema Solar ; la dinámica y evolución estelar ; la formación y evolución de galaxias ; la magnetohidrodinámica ; la estructura a gran escala de la materia en el universo; los rayos cósmicos ; la relatividad general , la relatividad especial y la cosmología cuántica y física (el estudio físico de las estructuras a mayor escala del universo), incluyendo la cosmología de cuerdas y la física de astropartículas .

Historia

La astronomía es una ciencia antigua, separada desde hace mucho tiempo del estudio de la física terrestre. En la cosmovisión aristotélica , los cuerpos celestes parecían ser esferas inmutables cuyo único movimiento era un movimiento uniforme en círculo, mientras que el mundo terrenal era el reino que experimentaba crecimiento y decadencia y en el que el movimiento natural era en línea recta y terminaba cuando el objeto en movimiento alcanzaba su destino . En consecuencia, se sostenía que la región celeste estaba hecha de un tipo de materia fundamentalmente diferente de la que se encuentra en la esfera terrestre; ya sea Fuego , como sostenía Platón , o Éter, como sostenía Aristóteles . [ 6 ] [ 7 ] Durante el siglo XVII, filósofos naturales como Galileo , [ 8 ] Descartes , [ 9 ] y Newton [ 10 ] comenzaron a sostener que las regiones celeste y terrestre estaban hechas de tipos de material similares y estaban sujetas a las mismas leyes naturales . [ 11 ] Su desafío era que aún no se habían inventado las herramientas con las que probar estas afirmaciones. [ 12 ]

Durante gran parte del siglo XIX, la investigación astronómica se centró en el trabajo rutinario de medir las posiciones y calcular los movimientos de los objetos astronómicos. [ 13 ] [ 14 ] Una nueva astronomía, que pronto se llamaría astrofísica, comenzó a surgir cuando William Hyde Wollaston y Joseph von Fraunhofer descubrieron independientemente que, al descomponer la luz del Sol, se observaba una multitud de líneas oscuras (regiones donde había menos o ninguna luz) en el espectro . [ 15 ] Para 1860, el físico Gustav Kirchhoff y el químico Robert Bunsen habían demostrado que las líneas oscuras en el espectro solar correspondían a líneas brillantes en los espectros de gases conocidos, líneas específicas correspondientes a elementos químicos únicos . [ 16 ] Kirchhoff dedujo que las líneas oscuras en el espectro solar son causadas por la absorción de elementos químicos en la atmósfera solar. [ 17 ] De esta manera se demostró que los elementos químicos encontrados en el Sol y las estrellas también se encontraban en la Tierra.

Entre quienes ampliaron el estudio de los espectros solares y estelares se encontraba Norman Lockyer , quien en 1868 detectó líneas radiantes y oscuras en los espectros solares. Trabajando con el químico Edward Frankland para investigar los espectros de elementos a diversas temperaturas y presiones, no pudo asociar una línea amarilla en el espectro solar con ningún elemento conocido. Por lo tanto, afirmó que la línea representaba un nuevo elemento, al que llamó helio , en honor al griego Helios , la personificación del Sol. [ 18 ] [ 19 ]

En 1885, Edward C. Pickering emprendió un ambicioso programa de clasificación espectral estelar en el Observatorio del Harvard College , en el que un equipo de mujeres expertas en astronomía , entre las que destacaban Williamina Fleming , Antonia Maury y Annie Jump Cannon , clasificaron los espectros registrados en placas fotográficas. Para 1890, se había elaborado un catálogo de más de 10 000 estrellas que las agrupaba en trece tipos espectrales. Siguiendo la visión de Pickering, en 1924 Cannon amplió el catálogo a nueve volúmenes y a más de un cuarto de millón de estrellas, desarrollando el Esquema de Clasificación de Harvard , que fue aceptado para su uso mundial en 1922. [ 20 ]

En 1895, George Ellery Hale y James E. Keeler , junto con un grupo de diez editores asociados de Europa y Estados Unidos, [ 21 ] fundaron The Astrophysical Journal: An International Review of Spectroscopy and Astronomical Physics . [ 22 ] La intención era que la revista llenara el vacío entre las revistas de astronomía y física, proporcionando un espacio para la publicación de artículos sobre aplicaciones astronómicas del espectroscopio; sobre investigación de laboratorio estrechamente relacionada con la física astronómica, incluyendo determinaciones de longitud de onda de espectros metálicos y gaseosos y experimentos sobre radiación y absorción; sobre teorías del Sol, la Luna, los planetas, los cometas, los meteoros y las nebulosas; y sobre instrumentación para telescopios y laboratorios. [ 21 ]

Hacia 1920, tras el descubrimiento del diagrama de Hertzsprung-Russell, que aún se utiliza como base para clasificar las estrellas y su evolución, Arthur Eddington anticipó el descubrimiento y el mecanismo de los procesos de fusión nuclear en las estrellas en su artículo «La constitución interna de las estrellas» . [ 23 ] [ 24 ] En aquel entonces, la fuente de energía estelar era un completo misterio; Eddington especuló correctamente que la fuente era la fusión de hidrógeno en helio, liberando una enorme cantidad de energía según la ecuación de Einstein E = mc² . Este fue un desarrollo particularmente notable, ya que en ese momento aún no se habían descubierto la fusión ni la energía termonuclear, ni siquiera que las estrellas están compuestas en gran parte de hidrógeno (véase metalicidad ). [ 25 ]

En 1925, Cecilia Helena Payne (más tarde Cecilia Payne-Gaposchkin ) escribió una influyente tesis doctoral en el Radcliffe College , en la que aplicó la teoría de ionización de Saha a las atmósferas estelares para relacionar las clases espectrales con la temperatura de las estrellas. [ 26 ] Lo más significativo fue que descubrió que el hidrógeno y el helio eran los componentes principales de las estrellas, no la composición de la Tierra. A pesar de la sugerencia de Eddington, el descubrimiento fue tan inesperado que los lectores de su tesis (incluido Russell ) la convencieron de modificar la conclusión antes de su publicación. Sin embargo, investigaciones posteriores confirmaron su descubrimiento. [ 27 ] [ 28 ]

A finales del siglo XX, los estudios de espectros astronómicos se habían expandido para abarcar longitudes de onda que iban desde las ondas de radio hasta las longitudes de onda ópticas, de rayos X y gamma. [ 29 ] En el siglo XXI, se expandieron aún más para incluir observaciones basadas en ondas gravitacionales .

astrofísica observacional

Imagen del remanente de supernova LMC N 63A en longitudes de onda de rayos X (azul), ópticas (verde) y de radio (rojo). El brillo de rayos X proviene de material calentado a unos diez millones de grados Celsius por una onda de choque generada por la explosión de la supernova.

La astronomía observacional es una rama de la ciencia astronómica que se ocupa del registro e interpretación de datos, a diferencia de la astrofísica teórica , que se centra principalmente en descubrir las implicaciones medibles de los modelos físicos . Consiste en la observación de objetos celestes mediante telescopios y otros aparatos astronómicos.

La mayoría de las observaciones astrofísicas se realizan utilizando el espectro electromagnético .

Aparte de la radiación electromagnética, son pocas las cosas que se pueden observar desde la Tierra que provienen de grandes distancias. Se han construido algunos observatorios de ondas gravitacionales , pero estas son extremadamente difíciles de detectar. También se han construido observatorios de neutrinos , principalmente para estudiar el Sol. Los rayos cósmicos, compuestos por partículas de muy alta energía, pueden observarse impactando la atmósfera terrestre.

Las observaciones también pueden variar en su escala temporal. La mayoría de las observaciones ópticas duran de minutos a horas, por lo que los fenómenos que cambian más rápido no se pueden observar fácilmente. Sin embargo, se dispone de datos históricos sobre algunos objetos que abarcan siglos o milenios . Por otro lado, las observaciones de radio pueden analizar eventos en una escala temporal de milisegundos ( púlsares de milisegundos ) o combinar años de datos ( estudios de desaceleración de púlsares ). La información obtenida de estas diferentes escalas temporales es muy distinta.

El estudio del Sol ocupa un lugar especial en la astrofísica observacional. Debido a la enorme distancia que lo separa de las demás estrellas, el Sol puede observarse con un nivel de detalle sin parangón. Comprender el Sol sirve de guía para comprender otras estrellas.

El tema de cómo cambian las estrellas, o evolución estelar, a menudo se modela colocando las diferentes variedades de tipos de estrellas en sus respectivas posiciones en el diagrama de Hertzsprung-Russell , que puede considerarse como una representación del estado de un objeto estelar, desde su nacimiento hasta su destrucción.

astrofísica teórica

Los astrofísicos teóricos utilizan una amplia variedad de herramientas, que incluyen modelos analíticos (por ejemplo, politropos para aproximar el comportamiento de una estrella) y simulaciones numéricas computacionales . Cada una tiene sus ventajas. Los modelos analíticos de un proceso suelen ser mejores para comprender la esencia de lo que ocurre. Los modelos numéricos pueden revelar la existencia de fenómenos y efectos que de otro modo no se observarían. [ 30 ]

Los teóricos de la astrofísica se esfuerzan por crear modelos teóricos y determinar las consecuencias observacionales de dichos modelos. Esto permite a los observadores buscar datos que puedan refutar un modelo o ayudarles a elegir entre varios modelos alternativos o contradictorios.

Los teóricos también intentan generar o modificar modelos para incorporar nuevos datos. En caso de inconsistencia, la tendencia general es realizar modificaciones mínimas al modelo para ajustarlo a los datos. En algunos casos, una gran cantidad de datos inconsistentes a lo largo del tiempo puede llevar al abandono total de un modelo.

Los temas estudiados por los astrofísicos teóricos incluyen la dinámica y evolución estelar; la formación y evolución de galaxias; la magnetohidrodinámica; la estructura a gran escala de la materia en el universo; el origen de los rayos cósmicos; la relatividad general y la cosmología física, incluyendo la cosmología de cuerdas y la física de astropartículas. La astrofísica relativista sirve como herramienta para evaluar las propiedades de las estructuras a gran escala en las que la gravitación desempeña un papel significativo en los fenómenos físicos investigados, y como base para la física de agujeros negros y el estudio de las ondas gravitacionales .

Algunas teorías y modelos ampliamente aceptados y estudiados en astrofísica, ahora incluidos en el modelo Lambda-CDM , son el Big Bang , la inflación cósmica , la materia oscura, la energía oscura y las teorías fundamentales de la física.

Historia y astronomía teórica

Históricamente, cuando la astronomía se limitaba a la astrometría y la astronomía observacional , el campo de la mecánica celeste (MC) se denominaba astronomía teórica . [ 31 ] Hiparco hizo contribuciones fundamentales al campo mediante el desarrollo de un sistema de geometría de observación numérica. [ 32 ] Sin embargo, Isaac Newton es considerado el fundador del campo por su desarrollo del cálculo y la ley de gravitación universal [ 33 ] y la mayor parte del campo se basa en las leyes de Kepler del movimiento planetario . [ 34 ] Theodor von Oppolzer amplió el trabajo sobre MC y astronomía geodésica dentro del campo en la Universidad de Viena a finales del siglo XIX. [ 35 ] Poco después del descubrimiento de las estrellas variables Cefeidas , los teóricos pasaron de la MC y la geodesia al desarrollo de mecanismos teóricos para la composición y la física interna de las estrellas. [ 36 ]

El campo luego se expandió a otras áreas como cosmología, física de plasmas , [ 37 ] e hidrodinámica . En Suecia a principios de la década de 1930, Svein Rosseland financió el Instituto de Astrofísica Teórica , que abrió sus puertas en 1934, [ 38 ] para impulsar lo que él dijo se había convertido en una ciencia separada. [ 39 ] En 1966, un pequeño grupo de astrónomos liderado por Fred Hoyle estableció el Instituto de Astronomía Teórica en la Universidad de Cambridge para permitir que los teóricos se centraran por completo en la investigación computacional sin ninguna responsabilidad docente. [ 40 ] A pesar de que la astronomía teórica y la astrofísica se usaban indistintamente durante todo el siglo XX, los cursos universitarios titulados "astronomía teórica" ​​enseñaban exclusivamente CM. [ 41 ] En 1985, la Universidad de Virginia , que había albergado el refractor más grande del mundo y utilizado principalmente por el Observatorio Naval de los Estados Unidos , [ 35 ] abrió el Instituto de Astronomía Teórica de Virginia para albergar investigaciones tanto en astronomía teórica como en astrofísica. [ 42 ]

La astronomía teórica moderna es el uso de herramientas matemáticas y computacionales [ 43 ] para modelar y predecir los movimientos de los objetos astronómicos . [ 44 ] En el currículo de astronomía, la astronomía teórica se utiliza junto con técnicas de observación, y sin ellas, el campo no se consideraría una ciencia. [ 45 ] Es fundamental en el campo de la ciencia planetaria . [ 46 ]

Popularización

Las raíces de la astrofísica se encuentran en el siglo XVII, con el surgimiento de una física unificada, en la que las mismas leyes se aplicaban a los reinos celestes y terrestres. [ 11 ] Hubo científicos con formación tanto en física como en astronomía que sentaron las bases de la astrofísica actual. En la actualidad, la astrofísica sigue despertando el interés de los estudiantes gracias a su divulgación por parte de la Real Sociedad Astronómica y de destacados educadores como los profesores Lawrence Krauss , Subrahmanyan Chandrasekhar , Stephen Hawking , Hubert Reeves , Carl Sagan y Patrick Moore . Los esfuerzos de científicos de todas las épocas continúan atrayendo a jóvenes al estudio de la historia y la ciencia de la astrofísica. [ 47 ] [ 48 ] [ 49 ] La comedia televisiva The Big Bang Theory popularizó el campo de la astrofísica entre el público en general y presentó a algunos científicos muy conocidos como Stephen Hawking y Neil deGrasse Tyson .

Véase también

Referencias

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Lecturas adicionales

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  • Astrofísica , artículos de expertos de Scholarpedia
  • Astronomía y Astrofísica , una revista europea
  • La Revista Astrofísica
  • Revista Internacional de Física Moderna D de World Scientific
  • La Revista Abierta de Astrofísica
  • Física solar
  • Viaje Cósmico: Una Historia de la Cosmología Científica Archivado el 21/10/2008 en Wayback Machine del Instituto Americano de Física
  • Tutorial de cosmología de Ned Wright, UCLA