Astrofísica - Astrophysics

La astrofísica es una ciencia que emplea los métodos y principios de la física en el estudio de objetos y fenómenos astronómicos . Como dijo uno de los fundadores de la disciplina, la Astrofísica "busca determinar la naturaleza de los cuerpos celestes, en lugar de sus posiciones o movimientos en el espacio, qué son, en lugar de dónde están". Entre los temas estudiados se encuentran el Sol , otras estrellas , galaxias , planetas extrasolares , el medio interestelar y el fondo cósmico de microondas . 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, incluida la mecánica clásica , el electromagnetismo , la mecánica estadística , la termodinámica , la mecánica cuántica , la relatividad , la física nuclear y de partículas , y la 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 . 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 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

Comparación de principios de 1900 de espectros elementales, solares y estelares

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 . Durante el siglo XVII, filósofos de la naturaleza como Galileo , Descartes y Newton comenzaron a sostener que las regiones celeste y terrestre estaban hechas de tipos similares de material y estaban sujetas a las mismas leyes naturales . Su desafío era que aún no se habían inventado las herramientas para probar estas afirmaciones.

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. 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, se observaban una multitud de líneas oscuras (regiones donde había menos o ninguna luz). en el espectro . 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 . Kirchhoff dedujo que las líneas oscuras en el espectro solar son causadas por la absorción de elementos químicos en la atmósfera solar. De esta forma se comprobó 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.

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.

En 1895, George Ellery Hale y James E. Keeler , junto con un grupo de diez editores asociados de Europa y Estados Unidos, establecieron The Astrophysical Journal: An International Review of Spectroscopy and Astronomical Physics . Se pretendía que la revista llenara la brecha 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.

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 . 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.

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. Más significativamente, 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.

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. En el siglo XXI se expandió aún más para incluir observaciones basadas en ondas gravitacionales .

Astrofísica observacional

Remanente de supernova LMC N 63A fotografiado en longitudes de onda de rayos X (azul), ópticas (verde) y de radio (rojo). El resplandor de los rayos X proviene de un 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 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 .

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 el nacimiento hasta la 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.

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 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 herramienta para medir las propiedades de estructuras a gran escala para las que 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 del siglo XVII de una física unificada, en la que las mismas leyes se aplicaron a los reinos celeste y terrestre. 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 primitivos, tardíos y actuales continúan atrayendo a los jóvenes a estudiar la historia y la ciencia de la astrofísica.

Ver también

Referencias

Otras lecturas

enlaces externos