La astrofísica es una ciencia que emplea los métodos y principios de la física en el estudio de objetos y fenómenos astronómicos . [1] [2] Entre los temas estudiados se encuentran el Sol , otras estrellas , galaxias , planetas extrasolares , el medio interestelar y el fondo cósmico de microondas . [3] [4] Las emisiones de estos objetos se examinan en todas las partes del espectro electromagnético , y las propiedades examinadas incluyen luminosidad , densidad y 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, incluida la 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 una cantidad sustancial de trabajo en los ámbitos de la física teórica y observacional. Algunas áreas de estudio para los astrofísicos incluyen sus intentos de determinar las propiedades de la materia oscura , la energía oscura , los agujeros negros y otros cuerpos celestes ; y el origen y destino final del universo . [3] Los temas también estudiados por astrofísicos teóricos incluyen la formación y evolución del Sistema Solar ; dinámica y evolución estelar ; formación y evolución de galaxias ; magnetohidrodinámica ; estructura de la materia a gran escala en el universo; origen de los rayos cósmicos ; relatividad general , relatividad especial , cosmología cuántica y física , incluida la cosmología de cuerdas y la física de astropartículas .
Historia
La astronomía es una ciencia antigua, separada durante mucho tiempo del estudio de la física terrestre. En la cosmovisión aristotélica , los cuerpos en el cielo parecían ser esferas inmutables cuyo único movimiento era el movimiento uniforme en un círculo, mientras que el mundo terrenal era el reino que experimentó crecimiento y decadencia y en el que el movimiento natural era en línea recta y terminaba cuando el objeto en movimiento alcanzó su objetivo . En consecuencia, se sostuvo que la región celeste estaba hecha de un tipo de materia fundamentalmente diferente de la que se encuentra en la esfera terrestre; ya sea el fuego según lo sostenía Platón , o el éter según lo sostenía Aristóteles . [5] [6] Durante el siglo XVII, filósofos naturales como Galileo , [7] Descartes , [8] y Newton [9] comenzaron a sostener que las regiones celestes y terrestres estaban hechas de tipos similares de material y estaban sujetas a las mismas leyes naturales . [10] Su desafío era que aún no se habían inventado las herramientas para probar estas afirmaciones. [11]
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. [12] [13] Una nueva astronomía, que pronto se llamará astrofísica, comenzó a surgir cuando William Hyde Wollaston y Joseph von Fraunhofer descubrieron de forma independiente que, al descomponer la luz del Sol, una multitud de líneas oscuras (regiones donde había menos o sin luz) se observaron en el espectro . [14] En 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 . [15] Kirchhoff dedujo que las líneas oscuras en el espectro solar son causadas por la absorción de elementos químicos en la atmósfera solar. [16] De esta manera se demostró que los elementos químicos que se encuentran en el Sol y las estrellas también se encuentran en la Tierra.
Entre los que ampliaron el estudio de los espectros solares y estelares se encontraba Norman Lockyer , quien en 1868 detectó líneas radiantes, así como 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, que se llamó helio , en honor al griego Helios , el Sol personificado. [17] [18]
En 1885, Edward C. Pickering llevó a cabo un ambicioso programa de clasificación espectral estelar en el Observatorio de la Universidad de Harvard , en el que un equipo de computadoras femeninas , en particular Willina Fleming , Antonia Maury y Annie Jump Cannon , clasificaron los espectros registrados en placas fotográficas. Para 1890, se había preparado un catálogo de más de 10.000 estrellas que las agrupaba en trece tipos espectrales. Siguiendo la visión de Pickering, en 1924 Cannon expandió el catálogo a nueve volúmenes y más de un cuarto de millón de estrellas, desarrollando el Esquema de Clasificación de Harvard que fue aceptado para uso mundial en 1922. [19]
En 1895, George Ellery Hale y James E. Keeler , junto con un grupo de diez editores asociados de Europa y Estados Unidos, [20] establecieron The Astrophysical Journal: una revisión internacional de espectroscopía y física astronómica . [21] Se pretendía que la revista llenara el vacío entre las revistas de astronomía y física, proporcionando un lugar para la publicación de artículos sobre aplicaciones astronómicas del espectroscopio; en la investigación de laboratorio estrechamente relacionada con la física astronómica, incluidas las determinaciones de la longitud de onda de los espectros metálicos y gaseosos y los experimentos sobre radiación y absorción; sobre las teorías del Sol, la Luna, los planetas, los cometas, los meteoros y las nebulosas; e instrumentación para telescopios y laboratorios. [20]
Alrededor de 1920, tras el descubrimiento del diagrama de Hertzsprung-Russell que todavía 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 The Internal Constitution of the Stars . [22] [23] En ese momento, la fuente de energía estelar era un completo misterio; Eddington especuló correctamente que la fuente era la fusión de hidrógeno en helio, liberando una energía enorme según la ecuación de Einstein E = mc 2 . Este fue un desarrollo particularmente notable ya que en ese momento la fusión y la energía termonuclear, e incluso que las estrellas están compuestas en gran parte de hidrógeno (ver metalicidad ), aún no se habían descubierto. [24]
En 1925 Cecilia Helena Payne (más tarde Cecilia Payne-Gaposchkin ) escribió una influyente tesis doctoral en Radcliffe College , en la que aplicó la teoría de la ionización a atmósferas estelares para relacionar las clases espectrales con la temperatura de las estrellas. [25] Lo más significativo es que descubrió que el hidrógeno y el helio eran los componentes principales de las estrellas. A pesar de la sugerencia de Eddington, este descubrimiento fue tan inesperado que los lectores de su tesis la convencieron de modificar la conclusión antes de su publicación. Sin embargo, investigaciones posteriores confirmaron su descubrimiento. [26]
A fines del siglo XX, los estudios de espectros astronómicos se habían expandido para cubrir longitudes de onda que se extienden desde ondas de radio hasta longitudes de onda ópticas, de rayos X y gamma. [27] En el siglo XXI se expandió aún más para incluir observaciones basadas en ondas gravitacionales .
Astrofísica observacional
La astronomía observacional es una división de la ciencia astronómica que se ocupa de registrar e interpretar datos, en contraste con la astrofísica teórica , que se ocupa principalmente de descubrir las implicaciones mensurables de los modelos físicos . Es la práctica de observar objetos celestes usando telescopios y otros aparatos astronómicos.
La mayoría de las observaciones astrofísicas se realizan utilizando el espectro electromagnético .
- La radioastronomía estudia la radiación con una longitud de onda superior a unos pocos milímetros. Ejemplos de áreas de estudio son las ondas de radio , generalmente emitidas por objetos fríos como gas interestelar y nubes de polvo; la radiación cósmica de fondo de microondas, que es la luz corrida al rojo del Big Bang ; púlsares , que se detectaron por primera vez en frecuencias de microondas . El estudio de estas ondas requiere radiotelescopios muy grandes .
- La astronomía infrarroja estudia la radiación con una longitud de onda demasiado larga para ser visible a simple vista, pero más corta que las ondas de radio. Las observaciones infrarrojas generalmente se realizan con telescopios similares a los telescopios ópticos familiares . Los objetos más fríos que las estrellas (como los planetas) normalmente se estudian en frecuencias infrarrojas.
- La astronomía óptica fue el tipo más antiguo de astronomía. Los telescopios combinados con un dispositivo de carga acoplada o espectroscopios son los instrumentos que se utilizan con más frecuencia. La atmósfera de la Tierra interfiere un poco con las observaciones ópticas, por lo que se utilizan ópticas adaptativas y telescopios espaciales para obtener la mayor calidad de imagen posible. En este rango de longitud de onda, las estrellas son muy visibles y se pueden observar muchos espectros químicos para estudiar la composición química de estrellas, galaxias y nebulosas .
- La astronomía ultravioleta , de rayos X y de rayos gamma estudia procesos muy energéticos como púlsares binarios , agujeros negros , magnetares y muchos otros. Este tipo de radiación no penetra bien en la atmósfera terrestre. Hay dos métodos en uso para observar esta parte de los electromagnéticas espectro- telescopios espaciales y terrestres telescopios de aire de formación de imágenes Cherenkov (IACT). Ejemplos de observatorios del primer tipo son RXTE , el observatorio de rayos X Chandra y el observatorio de rayos gamma de Compton . Ejemplos de IACT son el sistema estereoscópico de alta energía (HESS) y el telescopio MAGIC .
Aparte de la radiación electromagnética, se pueden observar pocas cosas de la Tierra que se originen desde grandes distancias. Se han construido algunos observatorios de ondas gravitacionales , pero las ondas gravitacionales son extremadamente difíciles de detectar. También se han construido observatorios de neutrinos , principalmente para estudiar nuestro Sol. Se pueden observar rayos cósmicos que consisten en partículas de muy alta energía golpeando la atmósfera de la Tierra.
Las observaciones también pueden variar en su escala de tiempo. La mayoría de las observaciones ópticas toman de minutos a horas, por lo que los fenómenos que cambian más rápido que esto 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 observar eventos en una escala de tiempo de milisegundos ( púlsares de milisegundos ) o combinar años de datos ( estudios de desaceleración de púlsares ). La información obtenida de estas diferentes escalas de tiempo es muy diferente.
El estudio de nuestro propio Sol tiene un lugar especial en la astrofísica observacional. Debido a la tremenda distancia de todas las demás estrellas, el Sol se puede observar con una especie de detalle incomparable con cualquier otra estrella. Nuestra comprensión de nuestro propio Sol sirve como guía para nuestra comprensión de otras estrellas.
El tema de cómo cambian las estrellas, o evolución estelar, a menudo se modela colocando las variedades de tipos de estrellas en sus respectivas posiciones en el diagrama de Hertzsprung-Russell , que puede verse 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, polítropos para aproximar los comportamientos de una estrella) y simulaciones numéricas computacionales . Cada uno tiene algunas ventajas. Los modelos analíticos de un proceso generalmente son mejores para dar una idea del corazón de lo que está sucediendo. Los modelos numéricos pueden revelar la existencia de fenómenos y efectos que de otro modo no se verían. [28] [29]
Los teóricos de la astrofísica se esfuerzan por crear modelos teóricos y descubrir las consecuencias observacionales de esos modelos. Esto ayuda a que los observadores busquen datos que puedan refutar un modelo o ayudar a elegir entre varios modelos alternativos o en conflicto.
Los teóricos también intentan generar o modificar modelos para tener en cuenta nuevos datos. En el caso de una inconsistencia, la tendencia general es intentar hacer modificaciones mínimas al modelo para ajustar 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 estelar y la evolución; formación y evolución de galaxias; magnetohidrodinámica; estructura de la materia a gran escala en el universo; origen de los rayos cósmicos; relatividad general y cosmología física, incluida la cosmología de cuerdas y la física de astropartículas. La relatividad astrofísica sirve como una herramienta para medir las propiedades de estructuras a gran escala para las cuales la gravitación juega un papel importante en los fenómenos físicos investigados y como base para la física de los agujeros negros ( astro ) 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.
Popularización
Las raíces de la astrofísica se pueden encontrar en el surgimiento de una física unificada en el siglo XVII, en la que las mismas leyes se aplicaron a los reinos celeste y terrestre. [10] Hubo científicos calificados tanto en física como en astronomía que sentaron las bases firmes de la ciencia actual de la astrofísica. En los tiempos modernos, los estudiantes continúan atraídos por la astrofísica debido a su popularización por parte de la Royal Astronomical Society y educadores notables como los profesores prominentes Lawrence Krauss , Subrahmanyan Chandrasekhar , Stephen Hawking , Hubert Reeves , Carl Sagan , Neil deGrasse Tyson y Patrick Moore . Los esfuerzos de los científicos tempranos, tardíos y actuales continúan atrayendo a los jóvenes a estudiar la historia y la ciencia de la astrofísica. [30] [31] [32]
Ver también
- Astroquímica
- Observatorios astronómicos
- Espectroscopía astronómica
- Física de astropartículas
- Astronomía de ondas gravitacionales
- Diagrama de Hertzsprung-Russell
- Astronomía de alta energía
- Publicaciones importantes en astrofísica
- Lista de astrónomos (incluye astrofísicos)
- Astronomía de neutrinos (perspectivas de futuro)
- Cronología de la física gravitacional y la relatividad.
- Cronología del conocimiento sobre galaxias, cúmulos de galaxias y estructura a gran escala.
- Cronología de enanas blancas, estrellas de neutrones y supernovas
Referencias
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La gran mayoría de los astrónomos que trabajaban a principios del siglo XIX no estaban interesados en las estrellas como objetos físicos. Lejos de ser cuerpos con propiedades físicas por investigar, las estrellas se vieron como marcadores medidos con el fin de construir un fondo exacto, detallado y preciso contra el cual se podrían trazar los movimientos solares, lunares y planetarios, principalmente para aplicaciones terrestres.
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Otras lecturas
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- Artículos de expertos en Astrofísica Scholarpedia
enlaces externos
- Revista Internacional de Física Moderna D de World Scientific
- Viaje cósmico: una historia de la cosmología científica del Instituto Americano de Física
- Prof. Sir Harry Kroto, NL , ciclo de conferencias de química astrofísica. 8 conferencias Freeview proporcionadas por Vega Science Trust.
- Centro acelerador lineal de Stanford, Stanford, California
- Instituto de Astrofísica Espacial y Física Cósmica
- Diario astrofísico
- Astronomía y astrofísica, una revista europea
- Lista y directorio de revistas de astronomía / astrofísica revisadas por pares
- Maestría en Ciencias en Astronomía y Astrofísica
- Tutorial de cosmología de Ned Wright, UCLA
- Departamento de Astronomía y Astrofísica de la UNLV
- Hot and Active Stars Research , página de inicio del astrofísico Philippe Stee