Astrofísica
De Freepedia, la enciclopedia libre.
El término astrofísica se refiere al estudio de la física del universo. Si bien se usó originalmente para denominar la parte teórica de dicho estudio, la necesidad de dar explicación física a las observaciones astronómicas ha llevado a que los términos astronomía y astrofísica sean usados en forma equivalente.
Tabla de contenidos |
Historia
Aunque la astronomía es tan antigua como la historia del ser humano, estuvo separada durante mucho tiempo de la física. En el modelo de Aristóteles, lo celestial pertenecía a la perfección—cuerpos celestes perfectamente esféricos moviéndose en órbitas circulares perfectas—mientras que lo terrestre era imperfecto; éstos dos reinos se consideraban como opuestos.
Durante siglos, la visión de aparente sentido común de que el Sol y otros planetas giraban alrededor de la Tierra no se cuestionó, hasta que Nicolás Copérnico sugirió en el siglo XVI que la Tierra y los demás planetas del Sistema Solar orbitaban alrededor del Sol. Galileo Galilei realizó mediciones basadas en la física, pero no fueron significativas como astrofísica dentro del campo de la astronomía.
La disponibilidad de datos observacionales precisos llevó a indagar en teorías que explicasen el comportamiento observado. Al principio sólo se obtuvieron reglas ad-hoc, cómo las leyes de movimiento planetario de Kepler, descubiertas a principios del siglo XVII. Más tarde en ese mismo siglo, Isaac Newton, consiguió unir el vacío entre las leyes de Kepler y la dinámica de Galileo, descubriendo que las mismas leyes que rigen la dinámica de los objetos terrestres era aplicable al movimiento de la Luna y los planetas. La mecánica celeste—la aplicación de la gravedad newtoniana y las leyes de Newton para explicar las leyes de movimiento planetario de Kepler— supuso la primera unificación de astronomía y física.
Tras la publicación de los Principia de Isaac Newton, se transformó la navegación marítima. A partir de 1670 aproximadamente, el mundo entero fue medido utilizando instrumentos modernos de latitud y los mejores relojes disponibles. Los requerimientos de la navegacion supusieron un empuje para el desarrollo progresivo de observaciones astronómicas e instrumentos más precisos, constituyendo una base creciente de datos para los científicos.
A finales del siglo XIX se descubrió que, al descomponer la luz del Sol, se podían observar multitud de líneas de espectro (regiones en las que había poca o ninguna luz]. Experimentos con gases calientes mostraron que las mismas líneas podían ser observadas en el espectro de los gases, líneas específicas correspondientes a diferentes elementos químicos. De ésta manera se demostró que los elementos químicos en el Sol (mayoritariamente hidrógeno) podían encontrarse igualmente en la Tierra. De hecho el helio fue descubierto primero en el espectro del Sol y sólo más tarde se encontró en la Tierra, de ahí su nombre. Durante el siglo XX, la espectrometría (el estudio de las líneas espectrales]] avanzó, en particular como resultado del nacimiento de la física cuántica, necesaria para comprender las observaciones astronómicas y experimentales.
Astrofísica observacional
La mayoría de procesos astrofísicos no pueden ser recreados en los laboratorios de la Tierra. En cualquier caso, existe una gran variedad de objetos astronómicos visibles a lo largo de todo el espectro electromagnético. El estudio de dichos objetos mediante la adquisición pasiva de datos es el objetivo de la astrofísica observacional.
El equipo y las técnicas necesarias para estudiar un fenómeno astrofísico pueden variar muchísimo. Muchos fenómenos astrofísicos de interés sólo pueden ser estudiados mediante el uso de tecnología muy avanzada y simplemente no se conocían hasta muy recientemente.
La mayoría de observaciones astrofísicas se realizan utilizando el espectro electromagnético.
- La radioastronomía estudia radiaciones con una longitud de onda mayor que unos pocos milímetros. Las ondas de radio suelen se originadas por objetos fríos, incluyendo gas interestelar y nubes de polvo. La radiación cósmica de microondas de fondo es la luz del Big Bang con un corrimiento al rojo. Los púlsars fueron detectados por primera vez a través de microondas. el estudio de estas ondas requieren radiotelescopios muy grandes.
- La astronomía infrarroja estudia las radiaciones con longitudes de onda demasiado largas para ser visibles pero más cortas que las ondas de radio. Las observaciones infrarrojas suelen realizarse con telescopios similares a los telescopios ópticos habituales. Objetos más fríos que las estrellas (como planetas) se estudian normalmente a frecuencias infrarrojas.
- La astronomía óptica es el tipo más antiguo de astronomía. Los instrumentos más comunes son telescopios y espectroscopios. La atmósfera terrestre interfiere en mayor o menor medida con las observaciones ópticas, así que se utilizan ópticas adaptativas y telescopios espaciales para obtener la mayor calidad de imagen posible. En este rango, las estrellas son altamente visibles, y pueden observarse espectros químicos para estudiar la composición química de estrellas, galaxias y nebulosas.
- La astronomia con rayos ultravioleta, rayos X y rayos gamma estudian procesos muy energeticos como púlsars binarios, agujeros negros, magnetars y muchos otros. Estos tipos de radiación no atraviesan la atmósfera terrestre, por lo que son estudiados desde telescopios espaciales como RXTE, el Observatorio de Rayos X Chandra y el Observatorio de rayos gamma Compton.
A parte de la radiación electromagnética, pocas cosas originadas a grandes distancias pueden observarse desde la Tierra . Se han construído observatorios de ondas gravitacionales, péro éstas son extremadamente difíciles de detectar. También han sido construídos observatorios de neutrinos, principalmente para el estudio de nuestro propio Sol. Se pueden observar rayos cósmicos, consistentes en partículas de gran energía colisionando con la atmósfera terrestre.
Las observaciones pueden variar también según la escala de tiempo. La mayoría de observaciones ópticas llevan de varios minutos a horas, de manera que los fenómenos que cambian más rápidamente no pueden ser fácilmente observados. De cualquier manera, los datos históricos de algunos objetos están disponibles desde hace siglos o milenios. Por otro lado, las observaciones a través de radio pueden examinar eventos en escalas de milisegundos o combinar años de datos. La información obtenida desde diferentes escalas de tiempo es muy diferente.
El estudio de nuestro Sol ocupa un lugar especial en la astrofísica observacional. Debido a las enormes distanias del resto de estrellas, el Sol puede ser observado desde un lugar privilegiado incomparable al de ninguna otra estrella. La comprensión de nuestro propio Sol sirve de guía para la comprensión de otras estrellas.
La forma en qque cambian las estrellas, o evolución estelar, suele representarse colocando las distintas variedades de estrellas en sus respectivas posiciones del diagrama Hertzsprung-Russell, que muestra los estados de un objeto estelar, desde su nacimiento hasta su muerte. La composición material de los objetos astronómicos puede ser examinada utilizando:
- Espectroscopia
- Radioastronomía
- Observatorios astronómicos
Astrofísica teórica
La astrofísica teórica es la disciplina que busca explicar en términos físicos los fenómenos observados por los astrónomos. Con este propósito, los astrofísicos teóricos crean y evalúan modelos para reproducir y predecir las observaciones. En la mayoría de los casos, intentar entender las implicaciones de modelos físicos no es fácil y exige mucho tiempo y esfuerzo.
Entre los temas estudiados por la astrofísica teórica podemos encontrar:
La astrofísica teórica usa una variada gama de herramientas, que incluyen modelos analíticos y simulaciones numéricas. Cada una tiene sus ventajas. Los modelos analíticos (como por ejemplo los politropos que explican el comportamiento de una estrella) son mejores para obtener un mayor entendimiento de la esencia de un proceso físico. Las simulaciones numéricas se usan para estudiar sistemas descritos por ecuaciones muy complicadas, lo que pude revelar fenómenos que serían imposibles de calcular a priori en forma analítica.
Algunos ejemplos de dichos procesos se pueden ver en la siguiente tabla:
| Proceso físico | Herramienta experimental | Modelo teórico | Explicaciones/Predicciones |
| Gravitación | Radiotelescopios | Sistema auto-gravitatorio | Generación de un sistema estelar |
| Fusión nuclear | Espectroscopia | Evolución estelar | Cómo brillan las estrellas |
| Big Bang | Telescopio Espacial Hubble, COBE | Universo en expansión | Edad del universo |
| Fluctuaciones cuánticas | Inflación cósmica | Problema de la planitud | |
| Colapso gravitacional | Astronomía de rayos-X | Relatividad general | Agujeros negros en el centro de la galaxia Andrómeda |
| Ciclo CNO en las estrellas |
La materia oscura y la energía oscura son temas de actualidad en la astrofísica, debido a su descubrimiento y a la controversia generada durante el estudio de las galaxias.
