Astrofísica

Astrofísica es una ciencia que emplea los métodos y principios de la física y la química en el estudio de objetos y fenómenos astronómicos. 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 bien que dónde están." Entre los temas estudiados se encuentran el Sol (física solar), 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 física 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 de 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 que también estudian los astrofísicos teóricos incluyen la formación y evolución del Sistema Solar; dinámica estelar y evolución; formación y evolución de galaxias; magnetohidrodinámica; estructura a gran escala de la materia 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 esferas inmutables cuyo único movimiento era un movimiento uniforme en un círculo, mientras que el mundo terrestre era el reino que experimentaba crecimiento y decadencia y en el que el movimiento natural era en línea recta y terminaba cuando el 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, como lo sostiene Platón, o el Éter, como lo sostiene Aristóteles. Durante el siglo XVII, filósofos naturales como Galileo, Descartes y Newton comenzaron a sostener que las regiones celestes y terrestres estaban hechas de tipos similares de materiales 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 llamaría 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 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 demostró que los elementos químicos que se encuentran en el Sol y las estrellas también se encuentran en la Tierra.

Entre quienes ampliaron el estudio de los espectros solar y estelar 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, que se llamó helio, en honor al griego Helios, la personificación del Sol.

En 1885, Edward C. Pickering emprendió un ambicioso programa de clasificación espectral estelar en el Observatorio de la Universidad de Harvard, en el que un equipo de mujeres informáticas, en particular Williamina Fleming, Antonia Maury y Annie Jump Cannon, clasificaron los espectros registrados en placas fotográficas.. En 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 amplió 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, fundaron The Astrophysical Journal: An International Review of Spectroscope and Astronomical Physics. 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 investigaciones de laboratorio estrechamente relacionadas con la física astronómica, incluidas determinaciones de longitudes 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.

Hacia 1920, tras el descubrimiento del diagrama de Hertzsprung-Russell todavía utilizado 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. En aquella época, la fuente de energía estelar era un completo misterio; Eddington especuló correctamente que la fuente era la fusión del hidrógeno en helio, liberando una enorme energía según la ecuación de Einstein E = mc². Este fue un avance particularmente notable ya que en ese momento aún no se habían descubierto la fusión y la energía termonuclear, e incluso que las estrellas están compuestas en gran parte por hidrógeno (ver metalicidad).

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. Lo más significativo fue que descubrió que el hidrógeno y el helio eran los componentes principales de las estrellas. A pesar de la sugerencia de Eddington, el 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 finales del siglo XX, los estudios de los espectros astronómicos se habían ampliado para cubrir longitudes de onda que se extendían desde ondas de radio hasta longitudes de onda ópticas, de rayos X y gamma. En el siglo XXI, se amplió 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 mediante el uso de telescopios y otros aparatos astronómicos.

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

• La astronomía de radio estudia radiación con una longitud de onda superior a unos pocos milímetros. Ejemplos de áreas de estudio son ondas de radio, generalmente emitidas por objetos fríos como gas interestelar y nubes de polvo; la radiación de fondo de microondas cósmico que es la luz rojizada del Big Bang; pulsares, que fueron detectados por primera vez en frecuencias de microondas. El estudio de estas ondas requiere telescopios de radio muy grandes.
• La astronomía infrarroja estudia la radiación con una longitud de onda demasiado larga para ser visible a simple vista pero es más corta que las ondas de radio. Las observaciones infrarrojas se hacen generalmente con telescopios similares a los telescopios ópticos conocidos. Los objetos más fríos que las estrellas (como los planetas) se estudian normalmente en frecuencias infrarrojas.
• La astronomía óptica fue la primera clase de astronomía. Los telescopios emparejados con un dispositivo de carga o espectroscopios son los instrumentos más comunes utilizados. La atmósfera de la Tierra interfiere un poco con observaciones ópticas, por lo que se utilizan ópticas adaptativas y telescopios espaciales para obtener la máxima calidad de imagen posible. En este rango de longitud de onda, las estrellas son altamente visibles, y se pueden observar muchos espectros químicos para estudiar la composición química de estrellas, galaxias y nebulosas.
• Ultravioleta, rayos X y astronomía de rayos gamma estudian procesos muy energéticos como pulsares binarios, agujeros negros, magnetares y muchos otros. Estos tipos de radiación no penetran bien la atmósfera de la Tierra. Existen dos métodos para observar esta parte del espectro electromagnético: telescopios basados en el espacio y telescopios de aire de imagen terrestre Cherenkov (IACT). Ejemplos de Observatorios del primer tipo son RXTE, el Observatorio de rayos X Chandra y el Observatorio de Rayos Compton Gamma. Ejemplos de IACT son el Sistema Estereoscópico de Alta Energía (H.E.S.S.) y el telescopio MAGIC.

Aparte de la radiación electromagnética, pocas cosas se pueden observar desde la Tierra que se originen a 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 el Sol. Se pueden observar rayos cósmicos compuestos de 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 duran de minutos a horas, por lo que los fenómenos que cambian más rápido no pueden observarse 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 púlsar). La información que se obtiene de estas diferentes escalas de tiempo es muy diferente.

El estudio del Sol tiene un lugar especial en la astrofísica observacional. Debido a la enorme distancia de todas las demás estrellas, el Sol se puede observar con un nivel de detalle incomparable con cualquier otra estrella. Comprender el Sol sirve como guía para comprender 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. a la 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 uno tiene algunas ventajas. Los modelos analíticos de un proceso generalmente son mejores para dar una idea del meollo 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 caso de inconsistencia, la tendencia general es intentar 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 estelar y la evolución; formación y evolución de galaxias; magnetohidrodinámica; estructura a gran escala de la materia en el universo; origen de los rayos cósmicos; relatividad general y cosmología física, incluida la cosmología de cuerdas y la física de astropartículas. La astrofísica relativista sirve como herramienta para evaluar las propiedades de estructuras a gran escala en las que la gravitación desempeña 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 en astrofísica ampliamente aceptados y estudiados, 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.

Divulgación

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 aplicaban a los reinos celestial y terrestre. Hubo científicos cualificados tanto en física como en astronomía que sentaron las bases firmes de la ciencia actual de la astrofísica. En los tiempos modernos, los estudiantes siguen sintiéndose atraídos por la astrofísica debido a su popularización por parte de la Royal Astronomical Society y educadores notables como los destacados profesores Lawrence Krauss, Subrahmanyan Chandrasekhar, Stephen Hawking, Hubert Reeves, Carl Sagan y Patrick Moore. Los esfuerzos de los científicos antiguos, tardíos y actuales continúan atrayendo a jóvenes a estudiar la historia y la ciencia de la astrofísica. El programa de televisión The Big Bang Theory popularizó el campo de la astrofísica entre el público en general y contó con la participación de algunos científicos conocidos como Stephen Hawking y Neil deGrasse Tyson.