Astronomía

La astronomía (del griego: ἀστρονομία, que significa literalmente la ciencia que estudia las leyes de las estrellas) es una ciencia natural que estudia los objetos y fenómenos celestes. Utiliza las matemáticas, la física y la química para explicar su origen y evolución. Los objetos de interés incluyen planetas, lunas, estrellas, nebulosas, galaxias y cometas. Los fenómenos relevantes incluyen explosiones de supernovas, estallidos de rayos gamma, cuásares, blazares, púlsares y radiación cósmica de fondo de microondas. En términos más generales, la astronomía estudia todo lo que se origina más allá de la atmósfera terrestre. La cosmología es una rama de la astronomía que estudia el universo como un todo.

La astronomía es una de las ciencias naturales más antiguas. Las primeras civilizaciones en la historia registrada hicieron observaciones metódicas del cielo nocturno. Estos incluyen a los babilonios, griegos, indios, egipcios, chinos, mayas y muchos pueblos indígenas antiguos de las Américas. En el pasado, la astronomía incluía disciplinas tan diversas como la astrometría, la navegación celeste, la astronomía observacional y la elaboración de calendarios. Hoy en día, a menudo se dice que la astronomía profesional es lo mismo que la astrofísica.

La astronomía profesional se divide en ramas observacionales y teóricas. La astronomía observacional se centra en la adquisición de datos a partir de observaciones de objetos astronómicos. Luego, estos datos se analizan utilizando los principios básicos de la física. La astronomía teórica está orientada hacia el desarrollo de modelos informáticos o analíticos para describir objetos y fenómenos astronómicos. Estos dos campos se complementan. La astronomía teórica busca explicar los resultados observacionales y las observaciones se utilizan para confirmar los resultados teóricos.

La astronomía es una de las pocas ciencias en las que los aficionados juegan un papel activo. Esto es especialmente cierto para el descubrimiento y la observación de eventos transitorios. Los astrónomos aficionados han ayudado con muchos descubrimientos importantes, como encontrar nuevos cometas.

Etimología

Astronomía (del griego ἀστρονομία de ἄστρον astron, "estrella" y -νομία -nomia de νόμος nomos, "ley" o "cultura") significa "ley de las estrellas" (o "cultura de las estrellas" según la traducción). La astronomía no debe confundirse con la astrología, el sistema de creencias que afirma que los asuntos humanos están relacionados con las posiciones de los objetos celestes. Aunque los dos campos comparten un origen común, ahora son completamente distintos.

Uso de los términos "astronomía" y "astrofísica"

"Astronomía" y "astrofísica" son sinónimos. Basado en definiciones estrictas del diccionario, "astronomía" se refiere al "estudio de objetos y materia fuera de la atmósfera de la Tierra y de sus propiedades físicas y químicas", mientras que "astrofísica" se refiere a la rama de la astronomía que se ocupa del "comportamiento, propiedades físicas, y procesos dinámicos de objetos y fenómenos celestes". En algunos casos, como en la introducción del libro de texto introductorio The Physical Universe de Frank Shu, "astronomía" puede usarse para describir el estudio cualitativo del tema, mientras que "astrofísica" se usa para describir la versión del tema orientada a la física..Sin embargo, dado que la mayoría de las investigaciones astronómicas modernas se ocupan de temas relacionados con la física, la astronomía moderna en realidad podría llamarse astrofísica. Algunos campos, como la astrometría, son puramente astronomía y no también astrofísica. Varios departamentos en los que los científicos llevan a cabo investigaciones sobre este tema pueden usar "astronomía" y "astrofísica", en parte dependiendo de si el departamento está históricamente afiliado a un departamento de física, y muchos astrónomos profesionales tienen títulos en física en lugar de astronomía. Algunos títulos de las revistas científicas líderes en este campo incluyen The Astronomical Journal, The Astrophysical Journal y Astronomy & Astrophysics.

Historia

Tiempos antiguos

En los primeros tiempos históricos, la astronomía solo consistía en la observación y predicciones de los movimientos de los objetos visibles a simple vista. En algunos lugares, las primeras culturas ensamblaron artefactos masivos que posiblemente tenían algún propósito astronómico. Además de sus usos ceremoniales, estos observatorios podrían emplearse para determinar las estaciones, un factor importante para saber cuándo plantar cultivos y comprender la duración del año.

Antes de que se inventaran herramientas como el telescopio, los primeros estudios de las estrellas se realizaban a simple vista. A medida que se desarrollaron las civilizaciones, sobre todo en Mesopotamia, Grecia, Persia, India, China, Egipto y América Central, se ensamblaron observatorios astronómicos y comenzaron a desarrollarse ideas sobre la naturaleza del Universo. La mayor parte de la astronomía temprana consistía en mapear las posiciones de las estrellas y los planetas, una ciencia que ahora se conoce como astrometría. A partir de estas observaciones, se formaron las primeras ideas sobre los movimientos de los planetas y se exploró filosóficamente la naturaleza del Sol, la Luna y la Tierra en el Universo. Se creía que la Tierra era el centro del Universo con el Sol, la Luna y las estrellas girando a su alrededor. Esto se conoce como el modelo geocéntrico del Universo, o el sistema Ptolemaico, llamado así por Ptolomeo.

Un desarrollo temprano particularmente importante fue el comienzo de la astronomía matemática y científica, que comenzó entre los babilonios, quienes sentaron las bases para las tradiciones astronómicas posteriores que se desarrollaron en muchas otras civilizaciones. Los babilonios descubrieron que los eclipses lunares se repetían en un ciclo repetitivo conocido como saros.

Siguiendo a los babilonios, se hicieron avances significativos en astronomía en la antigua Grecia y el mundo helenístico. La astronomía griega se caracteriza desde un principio por buscar una explicación racional y física de los fenómenos celestes. En el siglo III a. C., Aristarco de Samos estimó el tamaño y la distancia entre la Luna y el Sol, y propuso un modelo del Sistema Solar en el que la Tierra y los planetas giraban alrededor del Sol, ahora llamado modelo heliocéntrico. En el siglo II a. C., Hiparco descubrió la precesión, calculó el tamaño y la distancia de la Luna e inventó los primeros dispositivos astronómicos conocidos, como el astrolabio. Hipparchus también creó un catálogo completo de 1020 estrellas, y la mayoría de las constelaciones del hemisferio norte derivan de la astronomía griega.El mecanismo de Antikythera (c. 150-80 a. C.) fue una computadora analógica temprana diseñada para calcular la ubicación del Sol, la Luna y los planetas para una fecha determinada. Los artefactos tecnológicos de complejidad similar no reaparecieron hasta el siglo XIV, cuando aparecieron en Europa los relojes astronómicos mecánicos.

Edad media

La Europa medieval albergó a varios astrónomos importantes. Ricardo de Wallingford (1292-1336) hizo importantes contribuciones a la astronomía y la relojería, incluida la invención del primer reloj astronómico, el Rectángulo, que permitía medir los ángulos entre los planetas y otros cuerpos astronómicos, así como un ecuador llamado Albión, que podría usarse para cálculos astronómicos como longitudes lunares, solares y planetarias y podría predecir eclipses. Nicole Oresme (1320–1382) y Jean Buridan (1300–1361) discutieron por primera vez la evidencia de la rotación de la Tierra; además, Buridan también desarrolló la teoría del ímpetu (predecesora de la teoría científica moderna de la inercia) que pudo mostrar los planetas eran capaces de moverse sin la intervención de los ángeles.Georg von Peuerbach (1423-1461) y Regiomontanus (1436-1476) ayudaron a que el progreso astronómico fuera fundamental para el desarrollo del modelo heliocéntrico de Copérnico décadas después.

La astronomía floreció en el mundo islámico y en otras partes del mundo. Esto condujo a la aparición de los primeros observatorios astronómicos en el mundo musulmán a principios del siglo IX. En 964, la Galaxia de Andrómeda, la galaxia más grande del Grupo Local, fue descrita por el astrónomo musulmán persa Abd al-Rahman al-Sufi en su Libro de estrellas fijas.La supernova SN 1006, el evento estelar de magnitud aparente más brillante en la historia registrada, fue observada por el astrónomo árabe egipcio Ali ibn Ridwan y astrónomos chinos en 1006. Algunos de los astrónomos islámicos prominentes (en su mayoría persas y árabes) que hicieron contribuciones significativas a la ciencia incluyen a Al-Battani, Thebit, Abd al-Rahman al-Sufi, Biruni, Abū Ishāq Ibrāhīm al-Zarqālī, Al-Birjandi y los astrónomos de los observatorios de Maragheh y Samarcanda. Los astrónomos de esa época introdujeron muchos nombres árabes que ahora se usan para estrellas individuales.

También se cree que las ruinas de Great Zimbabwe y Tombuctú pueden haber albergado observatorios astronómicos. En el África occidental posclásica, los astrónomos estudiaron el movimiento de las estrellas y la relación con las estaciones, elaborando mapas de los cielos y diagramas precisos de las órbitas de los otros planetas basados ​​en cálculos matemáticos complejos. El historiador songhai Mahmud Kati documentó una lluvia de meteoritos en agosto de 1583. Anteriormente, los europeos creían que no había habido ninguna observación astronómica en el África subsahariana durante la Edad Media precolonial, pero los descubrimientos modernos muestran lo contrario.

Durante más de seis siglos (desde la recuperación del aprendizaje antiguo durante la Baja Edad Media hasta la Ilustración), la Iglesia Católica Romana brindó más apoyo financiero y social al estudio de la astronomía que probablemente todas las demás instituciones. Entre los motivos de la Iglesia estaba encontrar la fecha de la Pascua.

Revolución científica

Durante el Renacimiento, Nicolás Copérnico propuso un modelo heliocéntrico del sistema solar. Su obra fue defendida por Galileo Galilei y ampliada por Johannes Kepler. Kepler fue el primero en idear un sistema que describía correctamente los detalles del movimiento de los planetas alrededor del Sol. Sin embargo, Kepler no logró formular una teoría detrás de las leyes que escribió. Fue Isaac Newton, con su invento de la dinámica celeste y su ley de la gravitación, quien finalmente explicó los movimientos de los planetas. Newton también desarrolló el telescopio reflector.

Las mejoras en el tamaño y la calidad del telescopio condujeron a nuevos descubrimientos. El astrónomo inglés John Flamsteed catalogó más de 3000 estrellas. Nicolas Louis de Lacaille produjo catálogos de estrellas más extensos. El astrónomo William Herschel hizo un catálogo detallado de nebulosidades y cúmulos, y en 1781 descubrió el planeta Urano, el primer planeta nuevo encontrado.

Durante los siglos XVIII y XIX, el estudio del problema de los tres cuerpos realizado por Leonhard Euler, Alexis Claude Clairaut y Jean le Rond d'Alembert condujo a predicciones más precisas sobre los movimientos de la Luna y los planetas. Este trabajo fue refinado aún más por Joseph-Louis Lagrange y Pierre Simon Laplace, lo que permitió estimar las masas de los planetas y las lunas a partir de sus perturbaciones.

Se produjeron avances significativos en astronomía con la introducción de nueva tecnología, incluido el espectroscopio y la fotografía. Joseph von Fraunhofer descubrió alrededor de 600 bandas en el espectro del Sol en 1814-15, que, en 1859, Gustav Kirchhoff atribuyó a la presencia de diferentes elementos. Se demostró que las estrellas son similares al propio Sol de la Tierra, pero con una amplia gama de temperaturas, masas y tamaños.

La existencia de la galaxia de la Tierra, la Vía Láctea, como su propio grupo de estrellas solo se demostró en el siglo XX, junto con la existencia de galaxias "externas". La recesión observada de esas galaxias condujo al descubrimiento de la expansión del Universo.La astronomía teórica condujo a especulaciones sobre la existencia de objetos como agujeros negros y estrellas de neutrones, que se han utilizado para explicar fenómenos observados como cuásares, púlsares, blazares y radiogalaxias. La cosmología física hizo grandes avances durante el siglo XX. A principios de la década de 1900 se formuló el modelo de la teoría del Big Bang, fuertemente evidenciado por la radiación de fondo de microondas cósmica, la ley de Hubble y las abundancias cosmológicas de los elementos. Los telescopios espaciales han permitido realizar mediciones en partes del espectro electromagnético normalmente bloqueadas o borrosas por la atmósfera. En febrero de 2016, se reveló que el proyecto LIGO había detectado evidencia de ondas gravitacionales en septiembre anterior.

Astronomía observacional

La principal fuente de información sobre los cuerpos celestes y otros objetos es la luz visible, o más generalmente la radiación electromagnética. La astronomía observacional puede clasificarse según la región correspondiente del espectro electromagnético en el que se realizan las observaciones. Algunas partes del espectro se pueden observar desde la superficie de la Tierra, mientras que otras partes solo se pueden observar desde grandes altitudes o fuera de la atmósfera terrestre. A continuación se proporciona información específica sobre estos subcampos.

Astronomía radial

La radioastronomía utiliza radiación con longitudes de onda superiores a aproximadamente un milímetro, fuera del rango visible. La radioastronomía se diferencia de la mayoría de las demás formas de astronomía observacional en que las ondas de radio observadas pueden tratarse como ondas en lugar de fotones discretos. Por lo tanto, es relativamente más fácil medir tanto la amplitud como la fase de las ondas de radio, mientras que esto no es tan fácil de hacer en longitudes de onda más cortas.

Aunque algunas ondas de radio son emitidas directamente por objetos astronómicos, producto de la emisión térmica, la mayor parte de la emisión de radio que se observa es el resultado de la radiación de sincrotrón, que se produce cuando los electrones orbitan campos magnéticos. Además, una serie de líneas espectrales producidas por el gas interestelar, en particular la línea espectral de hidrógeno a 21 cm, son observables en longitudes de onda de radio.

Se puede observar una amplia variedad de otros objetos en longitudes de onda de radio, incluidas supernovas, gas interestelar, púlsares y núcleos galácticos activos.

Astronomía infrarroja

La astronomía infrarroja se basa en la detección y análisis de la radiación infrarroja, longitudes de onda más largas que la luz roja y fuera del rango de nuestra visión. El espectro infrarrojo es útil para estudiar objetos que son demasiado fríos para irradiar luz visible, como planetas, discos circunestelares o nebulosas cuya luz está bloqueada por el polvo. Las longitudes de onda más largas del infrarrojo pueden penetrar las nubes de polvo que bloquean la luz visible, lo que permite la observación de estrellas jóvenes incrustadas en nubes moleculares y en los núcleos de las galaxias. Las observaciones del Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE) han sido particularmente efectivas para descubrir numerosas protoestrellas galácticas y sus cúmulos estelares anfitriones. Con la excepción de las longitudes de onda infrarrojas cercanas a la luz visible, dicha radiación es fuertemente absorbida por la atmósfera, o enmascarada, ya que la atmósfera misma produce una emisión infrarroja significativa. En consecuencia, los observatorios infrarrojos deben ubicarse en lugares altos y secos en la Tierra o en el espacio. Algunas moléculas irradian fuertemente en el infrarrojo. Esto permite el estudio de la química del espacio; más específicamente, puede detectar agua en los cometas.

Astronomía óptica

Históricamente, la astronomía óptica, también llamada astronomía de luz visible, es la forma más antigua de astronomía. Las imágenes de las observaciones se dibujaron originalmente a mano. A finales del siglo XIX y la mayor parte del siglo XX, las imágenes se realizaban con equipos fotográficos. Las imágenes modernas se hacen usando detectores digitales, particularmente usando dispositivos acoplados por carga (CCD) y se graban en medios modernos. Aunque la luz visible en sí misma se extiende desde aproximadamente 4000 Å a 7000 Å (400 nm a 700 nm), ese mismo equipo se puede usar para observar algo de radiación ultravioleta cercana e infrarroja cercana.

Astronomía ultravioleta

La astronomía ultravioleta emplea longitudes de onda ultravioleta entre aproximadamente 100 y 3200 Å (10 a 320 nm). La luz en esas longitudes de onda es absorbida por la atmósfera de la Tierra, lo que requiere que las observaciones en estas longitudes de onda se realicen desde la atmósfera superior o desde el espacio. La astronomía ultravioleta es más adecuada para el estudio de la radiación térmica y las líneas de emisión espectral de estrellas azules calientes (estrellas OB) que son muy brillantes en esta banda de ondas. Esto incluye las estrellas azules en otras galaxias, que han sido objeto de varios estudios ultravioleta. Otros objetos comúnmente observados en luz ultravioleta incluyen nebulosas planetarias, remanentes de supernovas y núcleos galácticos activos. Sin embargo, como la luz ultravioleta es fácilmente absorbida por el polvo interestelar, es necesario un ajuste de las mediciones ultravioleta.

Astronomía de rayos x

La astronomía de rayos X utiliza longitudes de onda de rayos X. Por lo general, la radiación de rayos X se produce por emisión de sincrotrón (el resultado de electrones que orbitan líneas de campo magnético), emisión térmica de gases delgados por encima de 10 (10 millones) Kelvin y emisión térmica de gases espesos por encima de 10 Kelvin. Dado que los rayos X son absorbidos por la atmósfera terrestre, todas las observaciones de rayos X deben realizarse desde globos, cohetes o satélites astronómicos de rayos X a gran altitud. Las fuentes de rayos X notables incluyen binarios de rayos X, púlsares, remanentes de supernovas, galaxias elípticas, cúmulos de galaxias y núcleos galácticos activos.

Astronomía de rayos gamma

La astronomía de rayos gamma observa objetos astronómicos en las longitudes de onda más cortas del espectro electromagnético. Los rayos gamma pueden ser observados directamente por satélites como el Observatorio de Rayos Gamma de Compton o por telescopios especializados llamados telescopios Cherenkov atmosféricos. Los telescopios Cherenkov no detectan los rayos gamma directamente, sino que detectan los destellos de luz visible producidos cuando los rayos gamma son absorbidos por la atmósfera terrestre.

La mayoría de las fuentes emisoras de rayos gamma son en realidad ráfagas de rayos gamma, objetos que solo producen radiación gamma durante unos pocos milisegundos a miles de segundos antes de desvanecerse. Solo el 10% de las fuentes de rayos gamma son fuentes no transitorias. Estos emisores constantes de rayos gamma incluyen púlsares, estrellas de neutrones y candidatos a agujeros negros, como núcleos galácticos activos.

Campos no basados ​​en el espectro electromagnético

Además de la radiación electromagnética, desde la Tierra se pueden observar algunos otros eventos que se originan a grandes distancias.

En la astronomía de neutrinos, los astrónomos utilizan instalaciones subterráneas fuertemente protegidas como SAGE, GALLEX y Kamioka II/III para la detección de neutrinos. La gran mayoría de los neutrinos que atraviesan la Tierra se originan en el Sol, pero también se detectaron 24 neutrinos de la supernova 1987A. Los rayos cósmicos, que consisten en partículas de muy alta energía (núcleos atómicos) que pueden desintegrarse o ser absorbidos cuando ingresan a la atmósfera terrestre, dan como resultado una cascada de partículas secundarias que pueden ser detectadas por los observatorios actuales. Algunos futuros detectores de neutrinos también pueden ser sensibles a las partículas producidas cuando los rayos cósmicos golpean la atmósfera terrestre.

La astronomía de ondas gravitacionales es un campo emergente de la astronomía que emplea detectores de ondas gravitacionales para recopilar datos de observación sobre objetos masivos distantes. Se han construido algunos observatorios, como el Observatorio Gravitacional de Interferómetro Láser LIGO. LIGO hizo su primera detección el 14 de septiembre de 2015, observando ondas gravitacionales de un agujero negro binario. Se detectó una segunda onda gravitacional el 26 de diciembre de 2015 y deberían continuar las observaciones adicionales, pero las ondas gravitacionales requieren instrumentos extremadamente sensibles.

La combinación de observaciones realizadas utilizando radiación electromagnética, neutrinos u ondas gravitacionales y otra información complementaria, se conoce como astronomía multi-mensajeros.

Astrometría y mecánica celeste

Uno de los campos más antiguos de la astronomía, y de toda la ciencia, es la medición de las posiciones de los objetos celestes. Históricamente, el conocimiento preciso de las posiciones del Sol, la Luna, los planetas y las estrellas ha sido esencial en la navegación celeste (el uso de objetos celestes para guiar la navegación) y en la elaboración de calendarios.

La medición cuidadosa de las posiciones de los planetas ha llevado a una sólida comprensión de las perturbaciones gravitacionales y la capacidad de determinar las posiciones pasadas y futuras de los planetas con gran precisión, un campo conocido como mecánica celeste. Más recientemente, el seguimiento de objetos cercanos a la Tierra permitirá predicciones de encuentros cercanos o posibles colisiones de la Tierra con esos objetos.

La medición de la paralaje estelar de estrellas cercanas proporciona una línea de base fundamental en la escala de distancia cósmica que se utiliza para medir la escala del Universo. Las mediciones de paralaje de estrellas cercanas proporcionan una línea de base absoluta para las propiedades de estrellas más distantes, ya que se pueden comparar sus propiedades. Las mediciones de la velocidad radial y el movimiento propio de las estrellas permiten a los astrónomos trazar el movimiento de estos sistemas a través de la Vía Láctea. Los resultados astrométricos son la base utilizada para calcular la distribución de la materia oscura especulada en la galaxia.

Durante la década de 1990, la medición del bamboleo estelar de las estrellas cercanas se utilizó para detectar grandes planetas extrasolares que orbitaban alrededor de esas estrellas.

Astronomía teórica

Nucleosíntesis
Nucleosíntesis estelarNucleosíntesis del Big BangNucleosíntesis de supernovasEspalación de rayos cósmicos
Temas relacionados
AstrofísicaFusión nuclearproceso RS-procesoFisión nuclear
vtmi

Los astrónomos teóricos utilizan varias herramientas, incluidos modelos analíticos y simulaciones numéricas computacionales; cada uno tiene sus ventajas particulares. Los modelos analíticos de un proceso son mejores para dar una visión más amplia del corazón de lo que está sucediendo. Los modelos numéricos revelan la existencia de fenómenos y efectos que de otro modo no serían observados.

Los teóricos de la astronomía se esfuerzan por crear modelos teóricos y, a partir de los resultados, predecir las consecuencias observacionales de esos modelos. La observación de un fenómeno predicho por un modelo permite a los astrónomos seleccionar entre varios modelos alternativos o en conflicto como el que mejor describe los fenómenos.

Los teóricos también intentan generar o modificar modelos para tener en cuenta nuevos datos. En el caso de una inconsistencia entre los datos y los resultados del modelo, la tendencia general es tratar de hacer modificaciones mínimas al modelo para que produzca resultados que se ajusten 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 fenómenos modelados por astrónomos teóricos incluyen: dinámica y evolución estelar; formación de galaxias; distribución 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 relatividad astrofísica sirve como herramienta para medir las propiedades de estructuras a gran escala en las que la gravitación juega un papel importante en los fenómenos físicos investigados y como base para la (astro)física de los agujeros negros y el estudio de las ondas gravitacionales.

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

Algunos ejemplos de este proceso:

Proceso físico	herramienta experimental	Modelo teórico	Explica/predice
Gravitación	Radiotelescopios	Sistema de autogravitación	Aparición de un sistema estelar
Fusión nuclear	Espectroscopia	Evolución estelar	Cómo brillan las estrellas y cómo se formaron los metales
El Big Bang	Telescopio espacial Hubble, COBE	Universo en expansión	Edad del Universo
Fluctuaciones cuánticas		inflación cósmica	Problema de planitud
Colapso gravitatorio	astronomía de rayos x	Relatividad general	Agujeros negros en el centro de la galaxia de Andrómeda
Ciclo CNO en estrellas			La fuente dominante de energía para una estrella masiva.

Junto con la inflación cósmica, la materia oscura y la energía oscura son los temas principales en la actualidad en astronomía, ya que su descubrimiento y controversia se originaron durante el estudio de las galaxias.

Subcampos específicos

Astrofísica

La astrofísica es la rama de la astronomía que emplea los principios de la física y la química "para determinar la naturaleza de los objetos astronómicos, en lugar de sus posiciones o movimientos en el espacio". Entre los objetos estudiados se encuentran el Sol, otras estrellas, galaxias, planetas extrasolares, el medio interestelar y el fondo cósmico de microondas. Sus emisiones 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 suelen aplicar muchas disciplinas de la física, incluidas la mecánica, 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 y los agujeros negros; si el viaje en el tiempo es posible o no, si se pueden formar agujeros de gusano o si existe el multiverso; 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 y evolución estelar; 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.

Astroquímica

La astroquímica es el estudio de la abundancia y las reacciones de las moléculas en el Universo, y su interacción con la radiación. La disciplina es una superposición de la astronomía y la química. La palabra "astroquímica" puede aplicarse tanto al Sistema Solar como al medio interestelar. El estudio de la abundancia de elementos y proporciones de isótopos en los objetos del Sistema Solar, como los meteoritos, también se denomina cosmoquímica, mientras que el estudio de los átomos y moléculas interestelares y su interacción con la radiación a veces se denomina astrofísica molecular. La formación, composición atómica y química, evolución y destino de las nubes de gas molecular es de especial interés, porque es a partir de estas nubes que se forman los sistemas solares.

Los estudios en este campo contribuyen a la comprensión de la formación del Sistema Solar, el origen y la geología de la Tierra, la abiogénesis y el origen del clima y los océanos.

Astrobiología

La astrobiología es un campo científico interdisciplinario que se ocupa de los orígenes, la evolución temprana, la distribución y el futuro de la vida en el universo. La astrobiología considera la cuestión de si existe vida extraterrestre y cómo los humanos pueden detectarla si existe. El término exobiología es similar.

La astrobiología hace uso de la biología molecular, la biofísica, la bioquímica, la química, la astronomía, la cosmología física, la exoplanetología y la geología para investigar la posibilidad de vida en otros mundos y ayudar a reconocer biosferas que podrían ser diferentes a las de la Tierra. El origen y evolución temprana de la vida es una parte inseparable de la disciplina de la astrobiología. La astrobiología se ocupa de la interpretación de los datos científicos existentes, y aunque se entretiene la especulación para dar contexto, la astrobiología se ocupa principalmente de las hipótesis que encajan firmemente en las teorías científicas existentes.

Este campo interdisciplinario abarca la investigación sobre el origen de los sistemas planetarios, los orígenes de los compuestos orgánicos en el espacio, las interacciones roca-agua-carbono, la abiogénesis en la Tierra, la habitabilidad planetaria, la investigación sobre firmas biológicas para la detección de vida y estudios sobre el potencial de la vida para adaptarse a desafíos en la Tierra y en el espacio exterior.

Cosmología física

Cronología de la naturaleza
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(hace mil millones de años)

La cosmología (del griego κόσμος (kosmos) "mundo, universo" y λόγος (logos) "palabra, estudio" o literalmente "lógica") podría considerarse el estudio del Universo como un todo.

Las observaciones de la estructura a gran escala del Universo, una rama conocida como cosmología física, han proporcionado una comprensión profunda de la formación y evolución del cosmos. Fundamental para la cosmología moderna es la teoría bien aceptada del Big Bang, en la que nuestro Universo comenzó en un solo punto en el tiempo y luego se expandió en el transcurso de 13.800 millones de años hasta su condición actual. El concepto del Big Bang se remonta al descubrimiento de la radiación de fondo de microondas en 1965.

En el curso de esta expansión, el Universo pasó por varias etapas evolutivas. En los primeros momentos, se teoriza que el Universo experimentó una inflación cósmica muy rápida, que homogeneizó las condiciones de partida. A partir de entonces, la nucleosíntesis produjo la abundancia elemental del Universo primitivo. (Véase también nucleocosmocronología).

Cuando los primeros átomos neutros se formaron a partir de un mar de iones primordiales, el espacio se volvió transparente a la radiación, liberando la energía que hoy se considera radiación de fondo de microondas. El Universo en expansión luego pasó por una Edad Oscura debido a la falta de fuentes de energía estelar.

Una estructura jerárquica de materia comenzó a formarse a partir de variaciones mínimas en la densidad de masa del espacio. La materia se acumuló en las regiones más densas, formando nubes de gas y las primeras estrellas, las estrellas de Población III. Estas estrellas masivas desencadenaron el proceso de reionización y se cree que crearon muchos de los elementos pesados ​​del Universo primitivo que, a través de la descomposición nuclear, crean elementos más livianos, lo que permite que el ciclo de nucleosíntesis continúe por más tiempo.

Las agregaciones gravitatorias se agruparon en filamentos, dejando vacíos en los espacios. Gradualmente, las organizaciones de gas y polvo se fusionaron para formar las primeras galaxias primitivas. Con el tiempo, estos atrajeron más materia y, a menudo, se organizaron en grupos y cúmulos de galaxias, y luego en supercúmulos de mayor escala.

Varios campos de la física son cruciales para estudiar el universo. Los estudios interdisciplinarios involucran los campos de la mecánica cuántica, la física de partículas, la física del plasma, la física de la materia condensada, la mecánica estadística, la óptica y la física nuclear.

Fundamental para la estructura del Universo es la existencia de materia oscura y energía oscura. Ahora se cree que estos son sus componentes dominantes, formando el 96% de la masa del Universo. Por esta razón, se dedica mucho esfuerzo a tratar de comprender la física de estos componentes.

Astronomía extragaláctica

El estudio de objetos fuera de nuestra galaxia es una rama de la astronomía que se ocupa de la formación y evolución de las galaxias, su morfología (descripción) y clasificación, la observación de galaxias activas y, a mayor escala, los grupos y cúmulos de galaxias. Finalmente, esto último es importante para la comprensión de la estructura a gran escala del cosmos.

La mayoría de las galaxias están organizadas en formas distintas que permiten esquemas de clasificación. Comúnmente se dividen en galaxias espirales, elípticas e irregulares.

Como sugiere el nombre, una galaxia elíptica tiene la forma de sección transversal de una elipse. Las estrellas se mueven a lo largo de órbitas aleatorias sin una dirección preferida. Estas galaxias contienen poco o nada de polvo interestelar, pocas regiones de formación estelar y estrellas más viejas. Las galaxias elípticas se encuentran más comúnmente en el núcleo de los cúmulos galácticos y pueden haberse formado a través de fusiones de grandes galaxias.

Una galaxia espiral se organiza en un disco giratorio plano, generalmente con una protuberancia o barra prominente en el centro, y brazos brillantes que se arrastran en espiral hacia afuera. Los brazos son regiones polvorientas de formación estelar dentro de las cuales las estrellas jóvenes masivas producen un tinte azul. Las galaxias espirales suelen estar rodeadas por un halo de estrellas más viejas. Tanto la Vía Láctea como una de nuestras galaxias vecinas más cercanas, la Galaxia de Andrómeda, son galaxias espirales.

Las galaxias irregulares tienen una apariencia caótica y no son ni espirales ni elípticas. Aproximadamente una cuarta parte de todas las galaxias son irregulares, y las formas peculiares de tales galaxias pueden ser el resultado de la interacción gravitatoria.

Una galaxia activa es una formación que emite una cantidad significativa de su energía desde una fuente distinta a sus estrellas, polvo y gas. Está alimentado por una región compacta en el núcleo, que se cree que es un agujero negro supermasivo que emite radiación del material que cae.

Una radiogalaxia es una galaxia activa que es muy luminosa en la parte de radio del espectro y emite inmensas columnas o lóbulos de gas. Las galaxias activas que emiten radiación de alta energía y frecuencia más corta incluyen galaxias Seyfert, Quasars y Blazars. Se cree que los cuásares son los objetos luminosos más consistentes del universo conocido.

La estructura a gran escala del cosmos está representada por grupos y cúmulos de galaxias. Esta estructura está organizada en una jerarquía de agrupaciones, siendo las más grandes los supercúmulos. La materia colectiva se forma en filamentos y paredes, dejando grandes vacíos entre ellos.

Astronomía galáctica

El Sistema Solar orbita dentro de la Vía Láctea, una galaxia espiral barrada que es un miembro destacado del Grupo Local de galaxias. Es una masa giratoria de gas, polvo, estrellas y otros objetos, unidos por atracción gravitatoria mutua. Como la Tierra se encuentra dentro de los polvorientos brazos exteriores, hay grandes porciones de la Vía Láctea que están ocultas a la vista.

En el centro de la Vía Láctea se encuentra el núcleo, una protuberancia en forma de barra con lo que se cree que es un agujero negro supermasivo en su centro. Está rodeado por cuatro brazos primarios que giran en espiral desde el núcleo. Esta es una región de formación estelar activa que contiene muchas estrellas jóvenes de población I. El disco está rodeado por un halo esferoide de estrellas más antiguas de la población II, así como por concentraciones relativamente densas de estrellas conocidas como cúmulos globulares.

Entre las estrellas se encuentra el medio interestelar, una región de materia escasa. En las regiones más densas, las nubes moleculares de hidrógeno molecular y otros elementos crean regiones de formación estelar. Estos comienzan como un núcleo preestelar compacto o nebulosas oscuras, que se concentran y colapsan (en volúmenes determinados por la longitud de Jeans) para formar protoestrellas compactas.

A medida que aparecen las estrellas más masivas, transforman la nube en una región H II (hidrógeno atómico ionizado) de gas y plasma resplandecientes. El viento estelar y las explosiones de supernovas de estas estrellas finalmente hacen que la nube se disperse, a menudo dejando atrás uno o más cúmulos abiertos de estrellas jóvenes. Estos cúmulos se dispersan gradualmente y las estrellas se unen a la población de la Vía Láctea.

Los estudios cinemáticos de la materia en la Vía Láctea y otras galaxias han demostrado que hay más masa de la que puede explicarse por la materia visible. Un halo de materia oscura parece dominar la masa, aunque la naturaleza de esta materia oscura sigue sin determinarse.

Astronomía estelar

El estudio de las estrellas y la evolución estelar es fundamental para nuestra comprensión del Universo. La astrofísica de las estrellas se ha determinado a través de la observación y la comprensión teórica; y de simulaciones por computadora del interior. La formación de estrellas ocurre en regiones densas de polvo y gas, conocidas como nubes moleculares gigantes. Cuando se desestabilizan, los fragmentos de nubes pueden colapsar bajo la influencia de la gravedad para formar una protoestrella. Una región central lo suficientemente densa y caliente desencadenará la fusión nuclear, creando así una estrella de secuencia principal.

Casi todos los elementos más pesados ​​que el hidrógeno y el helio se crearon dentro de los núcleos de las estrellas.

Las características de la estrella resultante dependen principalmente de su masa inicial. Cuanto más masiva es la estrella, mayor es su luminosidad y más rápidamente fusiona su combustible de hidrógeno en helio en su núcleo. Con el tiempo, este combustible de hidrógeno se convierte completamente en helio y la estrella comienza a evolucionar. La fusión de helio requiere una temperatura central más alta. Una estrella con una temperatura central lo suficientemente alta empujará sus capas externas hacia afuera mientras aumenta la densidad de su núcleo. La gigante roja resultante formada por las capas externas en expansión disfruta de una breve vida útil, antes de que el combustible de helio en el núcleo se consuma a su vez. Las estrellas muy masivas también pueden pasar por una serie de fases evolutivas, a medida que fusionan elementos cada vez más pesados.

El destino final de la estrella depende de su masa, con estrellas de masa superior a unas ocho veces la del Sol convirtiéndose en supernovas de colapso del núcleo; mientras que las estrellas más pequeñas se desprenden de sus capas exteriores y dejan atrás el núcleo inerte en forma de enana blanca. La eyección de las capas exteriores forma una nebulosa planetaria. El remanente de una supernova es una estrella de neutrones densa o, si la masa estelar era al menos tres veces la del Sol, un agujero negro. Las estrellas binarias que orbitan de cerca pueden seguir caminos evolutivos más complejos, como la transferencia de masa a una compañera enana blanca que potencialmente puede causar una supernova.Las nebulosas planetarias y las supernovas distribuyen los "metales" producidos en la estrella por fusión al medio interestelar; sin ellos, todas las estrellas nuevas (y sus sistemas planetarios) se formarían únicamente a partir de hidrógeno y helio.

Astronomía solar

A una distancia de unos ocho minutos luz, la estrella estudiada con más frecuencia es el Sol, una estrella enana típica de la secuencia principal de la clase estelar G2 V, y de unos 4600 millones de años (Gyr) de edad. El Sol no se considera una estrella variable, pero sufre cambios periódicos en la actividad conocidos como el ciclo de las manchas solares. Esta es una oscilación de 11 años en el número de manchas solares. Las manchas solares son regiones de temperaturas inferiores a la media que se asocian con una intensa actividad magnética.

El Sol ha aumentado constantemente su luminosidad en un 40% desde que se convirtió por primera vez en una estrella de la secuencia principal. El Sol también ha sufrido cambios periódicos en la luminosidad que pueden tener un impacto significativo en la Tierra. Se cree que el mínimo de Maunder, por ejemplo, causó el fenómeno de la Pequeña Edad de Hielo durante la Edad Media.

La superficie exterior visible del Sol se llama fotosfera. Por encima de esta capa hay una región delgada conocida como cromosfera. Esto está rodeado por una región de transición de temperaturas que aumentan rápidamente y, finalmente, por la corona sobrecalentada.

En el centro del Sol se encuentra la región del núcleo, un volumen de temperatura y presión suficientes para que se produzca la fusión nuclear. Por encima del núcleo se encuentra la zona de radiación, donde el plasma transporta el flujo de energía por medio de la radiación. Por encima de eso está la zona de convección donde el material gaseoso transporta energía principalmente a través del desplazamiento físico del gas conocido como convección. Se cree que el movimiento de masa dentro de la zona de convección crea la actividad magnética que genera las manchas solares.

Un viento solar de partículas de plasma sale constantemente del Sol hasta que, en el límite exterior del Sistema Solar, alcanza la heliopausa. A medida que el viento solar pasa por la Tierra, interactúa con el campo magnético de la Tierra (magnetosfera) y desvía el viento solar, pero atrapa algo creando los cinturones de radiación de Van Allen que envuelven la Tierra. Las auroras se crean cuando las partículas del viento solar son guiadas por las líneas de flujo magnético hacia las regiones polares de la Tierra, donde las líneas descienden a la atmósfera.

Ciencia planetaria

La ciencia planetaria es el estudio del conjunto de planetas, lunas, planetas enanos, cometas, asteroides y otros cuerpos que orbitan alrededor del Sol, así como los planetas extrasolares. El Sistema Solar ha sido relativamente bien estudiado, inicialmente a través de telescopios y luego por naves espaciales. Esto ha proporcionado una buena comprensión general de la formación y evolución del sistema planetario del Sol, aunque todavía se están realizando muchos descubrimientos nuevos.

El Sistema Solar se divide en el Sistema Solar interior (subdividido en los planetas interiores y el cinturón de asteroides), el Sistema Solar exterior (subdividido en los planetas exteriores y centauros), los cometas, la región transneptuniana (subdividida en el cinturón de Kuiper, y el disco disperso) y las regiones más lejanas (p. ej., los límites de la heliosfera y la Nube de Oort, que puede extenderse hasta un año luz). Los planetas terrestres interiores consisten en Mercurio, Venus, la Tierra y Marte. Los planetas gigantes exteriores son los gigantes gaseosos (Júpiter y Saturno) y los gigantes de hielo (Urano y Neptuno).

Los planetas se formaron hace 4.600 millones de años en el disco protoplanetario que rodeaba al Sol primitivo. A través de un proceso que incluía atracción gravitacional, colisión y acreción, el disco formó cúmulos de materia que, con el tiempo, se convirtieron en protoplanetas. La presión de radiación del viento solar expulsó entonces la mayor parte de la materia no acumulada, y sólo los planetas con suficiente masa conservaron su atmósfera gaseosa. Los planetas continuaron barriendo, o expulsando, la materia restante durante un período de intenso bombardeo, evidenciado por los numerosos cráteres de impacto en la Luna. Durante este período, algunos de los protoplanetas pueden haber chocado y una de esas colisiones puede haber formado la Luna.

Una vez que un planeta alcanza la masa suficiente, los materiales de diferentes densidades se segregan en su interior, durante la diferenciación planetaria. Este proceso puede formar un núcleo pétreo o metálico, rodeado por un manto y una corteza exterior. El núcleo puede incluir regiones sólidas y líquidas, y algunos núcleos planetarios generan su propio campo magnético, que puede proteger sus atmósferas del viento solar.

El calor interior de un planeta o luna se produce a partir de las colisiones que crearon el cuerpo, por la descomposición de materiales radiactivos (p. ej., uranio, torio y Al) o por el calentamiento de las mareas causado por interacciones con otros cuerpos. Algunos planetas y lunas acumulan suficiente calor para impulsar procesos geológicos como el vulcanismo y la tectónica. Aquellos que acumulan o retienen una atmósfera también pueden sufrir erosión superficial por el viento o el agua. Los cuerpos más pequeños, sin calentamiento por marea, se enfrían más rápidamente; y su actividad geológica cesa con la excepción de la formación de cráteres de impacto.

Estudios Interdisciplinarios

La astronomía y la astrofísica han desarrollado importantes vínculos interdisciplinarios con otros campos científicos importantes. La arqueoastronomía es el estudio de la astronomía antigua o tradicional en su contexto cultural, utilizando evidencia arqueológica y antropológica. La astrobiología es el estudio del advenimiento y la evolución de los sistemas biológicos en el Universo, con especial énfasis en la posibilidad de vida no terrestre. La astroestadística es la aplicación de la estadística a la astrofísica para el análisis de una gran cantidad de datos astrofísicos de observación.

El estudio de las sustancias químicas que se encuentran en el espacio, incluida su formación, interacción y destrucción, se denomina astroquímica. Estas sustancias suelen encontrarse en nubes moleculares, aunque también pueden aparecer en estrellas de baja temperatura, enanas marrones y planetas. La cosmoquímica es el estudio de los productos químicos que se encuentran dentro del Sistema Solar, incluidos los orígenes de los elementos y las variaciones en las proporciones de isótopos. Ambos campos representan una superposición de las disciplinas de la astronomía y la química. Como "astronomía forense", finalmente, los métodos de la astronomía se han utilizado para resolver problemas de derecho e historia.

Astronomía aficionada

La astronomía es una de las ciencias a las que más pueden contribuir los aficionados.

En conjunto, los astrónomos aficionados observan una variedad de objetos y fenómenos celestes, a veces con equipos de nivel de consumidor o equipos que ellos mismos construyen. Los objetivos comunes de los astrónomos aficionados incluyen el Sol, la Luna, los planetas, las estrellas, los cometas, las lluvias de meteoritos y una variedad de objetos del cielo profundo, como cúmulos de estrellas, galaxias y nebulosas. Los clubes de astronomía están ubicados en todo el mundo y muchos tienen programas para ayudar a sus miembros a configurar y completar programas de observación, incluidos aquellos para observar todos los objetos en los catálogos Messier (110 objetos) o Herschel 400 de puntos de interés en el cielo nocturno. Una rama de la astronomía amateur, la astrofotografía, involucra la toma de fotografías del cielo nocturno. A muchos aficionados les gusta especializarse en la observación de objetos particulares, tipos de objetos o tipos de eventos que les interesan.

La mayoría de los aficionados trabajan en longitudes de onda visibles, pero muchos experimentan con longitudes de onda fuera del espectro visible. Esto incluye el uso de filtros infrarrojos en telescopios convencionales y también el uso de radiotelescopios. El pionero de la radioastronomía amateur fue Karl Jansky, quien comenzó a observar el cielo en longitudes de onda de radio en la década de 1930. Varios astrónomos aficionados utilizan telescopios caseros o utilizan radiotelescopios que se construyeron originalmente para la investigación astronómica pero que ahora están disponibles para los aficionados (por ejemplo, el Telescopio de una milla).

Los astrónomos aficionados continúan haciendo contribuciones científicas al campo de la astronomía y es una de las pocas disciplinas científicas en las que los aficionados todavía pueden hacer contribuciones significativas. Los aficionados pueden realizar mediciones de ocultación que se utilizan para refinar las órbitas de los planetas menores. También pueden descubrir cometas y realizar observaciones periódicas de estrellas variables. Las mejoras en la tecnología digital han permitido a los aficionados realizar avances impresionantes en el campo de la astrofotografía.

Problemas no resueltos en astronomía.

Aunque la disciplina científica de la astronomía ha logrado grandes avances en la comprensión de la naturaleza del Universo y su contenido, quedan algunas preguntas importantes sin respuesta. Las respuestas a estos pueden requerir la construcción de nuevos instrumentos terrestres y espaciales, y posiblemente nuevos desarrollos en física teórica y experimental.

• ¿Cuál es el origen del espectro de masas estelar? Es decir, ¿por qué los astrónomos observan la misma distribución de masas estelares, la función de masa inicial, aparentemente independientemente de las condiciones iniciales? Se necesita una comprensión más profunda de la formación de estrellas y planetas.
• ¿Hay otra vida en el Universo? Especialmente, ¿hay otra vida inteligente? Si es así, ¿cuál es la explicación de la paradoja de Fermi? La existencia de vida en otros lugares tiene importantes implicaciones científicas y filosóficas. ¿Es el Sistema Solar normal o atípico?
• ¿Cuál es la naturaleza de la materia oscura y la energía oscura? Estos dominan la evolución y el destino del cosmos, pero su verdadera naturaleza sigue siendo desconocida.
• ¿Cuál será el destino final del universo?
• ¿Cómo se formaron las primeras galaxias? ¿Cómo se formaron los agujeros negros supermasivos?
• ¿Qué está creando los rayos cósmicos de ultra alta energía?
• ¿Por qué la abundancia de litio en el cosmos es cuatro veces menor que la predicha por el modelo estándar del Big Bang?
• ¿Qué sucede realmente más allá del horizonte de sucesos?