Astronomía
Definición
La Astronomía (del griego: ἀστρονομία ) es una ciencia natural que estudia los objetos y fenómenos celestes. Aplica matemática, física y química, en un esfuerzo por explicar el origen de esos objetos y fenómenos y su evolución. Los objetos de interés incluyen planetas, lunas, estrellas, galaxias y cometas; los fenómenos incluyen explosiones de supernovas, estallidos de rayos gamma y radiación cósmica de fondo de microondas. De manera más general, todos los fenómenos que se originan fuera de la atmósfera de la Tierra están dentro del alcance de la astronomía. Un sujeto relacionado pero distinto, la cosmología física, se ocupa del estudio del Universo como un todo.
La astronomía es una de las más antiguas de las ciencias naturales. Las primeras civilizaciones en la historia registrada, como los babilonios, griegos, indios, egipcios, nubios, iraníes, chinos, mayas y muchos pueblos indígenas antiguos de las Américas realizaron observaciones metódicas del cielo nocturno. Históricamente, la astronomía ha incluido disciplinas tan diversas como la astrometría, la navegación celestial, la astronomía de observación y la creación de calendarios, pero la astronomía profesional ahora se considera sinónimo de astrofísica.
La astronomía profesional se divide en ramas observacionales y teóricas. La astronomía observacional se centra en la adquisición de datos de observaciones de objetos astronómicos, que luego se analiza utilizando los principios básicos de la física. La astronomía teórica está orientada al desarrollo de modelos computacionales o analíticos para describir objetos y fenómenos astronómicos. Los dos campos se complementan entre sí, con la astronomía teórica que busca explicar los resultados observacionales y las observaciones que se utilizan para confirmar los resultados teóricos.
La astronomía es una de las pocas ciencias en la que los aficionados aún juegan un papel activo, especialmente en el descubrimiento y la observación de eventos transitorios. Los astrónomos aficionados han hecho y contribuido a muchos descubrimientos astronómicos 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 se correlacionan con las posiciones de los objetos celestes. Aunque los dos campos comparten un origen común, ahora son completamente distintos.
Uso de términos "astronomía" y "astrofísica"
Generalmente, el término "astronomía" o "astrofísica" puede usarse para referirse a este tema. Con base en definiciones estrictas de diccionario, "astronomía" se refiere al "estudio de objetos y materia fuera de la atmósfera de la Tierra y sus propiedades físicas y químicas" y "astrofísica" se refiere a la rama de la astronomía que trata con "el comportamiento, las 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 por Frank Shu, "astronomía" puede usarse para describir el estudio cualitativo del sujeto, mientras que "astrofísica" se usa para describir la versión orientada a la física del sujeto. Sin embargo, dado que la mayoría de la investigación astronómica moderna se ocupa de temas relacionados con la física, la astronomía moderna en realidad podría llamarse astrofísica. Pocos campos, como la astrometría, son puramente astronómicos en lugar de astrofísicos. 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 más física que astronomía. Algunos títulos de las principales revistas científicas en este campo incluyen The Astronomical Journal , The Astrophysical Journal, y Astronomy and Astrophysics .
Historia
Tiempos antiguos
En los primeros tiempos, la astronomía solo comprendía la observación y las 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, así como para comprender la duración del año.
Antes de que se inventaran herramientas como el telescopio, el estudio temprano de las estrellas se realizó a simple vista. A medida que se desarrollaron las civilizaciones, especialmente en Mesopotamia, Grecia, Persia, India, China, Egipto y América Central, se montaron observatorios astronómicos y se empezaron a explorar ideas sobre la naturaleza del Universo. La mayoría de la astronomía temprana en realidad 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 ideas tempranas 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, que lleva el nombre de Ptolomeo.
Un desarrollo temprano particularmente importante fue el comienzo de la astronomía matemática y científica, que comenzó entre los babilonios, que sentó las bases de las tradiciones astronómicas posteriores que se desarrollaron en muchas otras civilizaciones. Los babilonios descubrieron que los eclipses lunares se producían en un ciclo repetido conocido como saros.
Después de los babilonios, se hicieron avances significativos en la astronomía en la antigua Grecia y el mundo helenístico. La astronomía griega se caracteriza desde el principio por buscar una explicación racional y física para los fenómenos celestes. En el siglo III aC, Aristarco de Samos estimó el tamaño y la distancia de la Luna y el Sol, y propuso un modelo heliocéntrico del sistema solar. En el siglo II a. C., Hipparchus descubrió la precesión, calculó el tamaño y la distancia de la Luna e inventó los primeros dispositivos astronómicos conocidos, como el astrolabio. Hiparco también creó un catálogo completo de 1020 estrellas, y la mayoría de las constelaciones del hemisferio norte se derivan de la astronomía griega. El mecanismo de Antikythera (hacia 150-80 aC) fue una computadora analógica temprana diseñada para calcular la ubicación del Sol, la Luna, y planetas para una fecha dada. Los artefactos tecnológicos de complejidad similar no reaparecieron hasta el siglo XIV, cuando los relojes astronómicos mecánicos aparecieron en Europa.
Edades medias
Durante la Edad Media, la astronomía estaba prácticamente estancada en la Europa medieval, al menos hasta el siglo XIII. Sin embargo, 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 persa Azophi 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 los astrónomos chinos en 1006. Algunos de los prominentes astrónomos islámicos (mayormente persas y árabes) que hicieron contribuciones significativas al la ciencia incluye a Al-Battani, Thebit, Azophi, Albumasar, Biruni, Arzachel, Al-Birjandi y los astrónomos de los observatorios de Maragheh y Samarkanda. Los astrónomos durante ese tiempo introdujeron muchos nombres árabes que ahora se usan para estrellas individuales. También se cree que las ruinas de Great Zimbabwe y Tombuctú pudieron haber albergado un observatorio astronómico. Los europeos habían creído anteriormente que no había habido ninguna observación astronómica en la África pre-sahariana de la Edad Media pre-colonial, pero los descubrimientos modernos muestran lo contrario.
La Iglesia Católica Romana dio más apoyo financiero y social al estudio de la astronomía durante más de seis siglos, desde la recuperación del aprendizaje antiguo durante la Baja Edad Media hasta la Ilustración, que cualquier otra, y probablemente todas las demás instituciones. Entre los motivos de la Iglesia estaba encontrar la fecha de Pascua.
Revolución científica
Durante el Renacimiento, Nicolaus Copernicus propuso un modelo heliocéntrico del sistema solar. Su trabajo fue defendido, ampliado y corregido por Galileo Galilei y Johannes Kepler. Galileo usó telescopios para mejorar sus observaciones.
Kepler fue el primero en idear un sistema que describía correctamente los detalles del movimiento de los planetas con el Sol en el centro. Sin embargo, Kepler no logró formular una teoría detrás de las leyes que anotó. Quedó a la invención de Newton de la dinámica celestial y su ley de gravitación para finalmente explicar los movimientos de los planetas. Newton también desarrolló el telescopio reflector.
El astrónomo inglés John Flamsteed catalogó más de 3000 estrellas. Descubrimientos adicionales fueron paralelos a las mejoras en el tamaño y la calidad del telescopio. Catálogos de estrellas más extensos fueron producidos por Lacaille. El astrónomo William Herschel hizo un catálogo detallado de nebulosidad y cúmulos, y en 1781 descubrió el planeta Urano, el primer planeta nuevo encontrado. La distancia a una estrella se anunció en 1838 cuando Friedrich Bessel midió la paralaje de 61 Cygni.
Durante los siglos XVIII y XIX, el estudio del problema de los tres cuerpos realizado por Euler, Clairaut y D'Alembert condujo a predicciones más precisas sobre los movimientos de la Luna y los planetas. Este trabajo fue refinado por Lagrange y Laplace, permitiendo estimar las masas de los planetas y las lunas a partir de sus perturbaciones.
Se produjeron avances significativos en astronomía con la introducción de nuevas tecnologías, incluidos el espectroscopio y la fotografía. Fraunhofer descubrió alrededor de 600 bandas en el espectro del Sol en 1814-15, que, en 1859, Kirchhoff atribuyó a la presencia de diferentes elementos. Se comprobó 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 un grupo separado de estrellas, solo se demostró en el siglo XX, junto con la existencia de galaxias "externas". La recesión observada de esas galaxias llevó al descubrimiento de la expansión del Universo. La astronomía teórica condujo a especulaciones sobre la existencia de objetos como los agujeros negros y las estrellas de neutrones, que se han utilizado para explicar fenómenos observados como quásares, púlsares, blazars y radiogalaxias. La cosmología física hizo grandes avances durante el siglo XX, con el modelo del Big Bang, que está fuertemente respaldado por la evidencia proporcionada por la radiación cósmica de fondo de microondas, la ley de Hubble y las abundancias cosmológicas de los elementos. Los telescopios espaciales han permitido mediciones en partes del espectro electromagnético normalmente bloqueadas o borradas por la atmósfera. En febrero de 2016, se reveló que el proyecto LIGO había detectado evidencia de ondas gravitacionales en el mes de septiembre anterior.
Astronomía observacional
Nuestra principal fuente de información sobre los cuerpos celestes y otros objetos es la luz visible en general, la radiación electromagnética. La astronomía observacional se puede dividir según la región observada del espectro electromagnético. Algunas partes del espectro se pueden observar desde la superficie de la Tierra, mientras que otras partes solo son observables desde grandes altitudes o fuera de la atmósfera de la Tierra. La información específica sobre estos subcampos se proporciona a continuación.
Astronomía radial
La radioastronomía usa radiación fuera del rango visible con longitudes de onda mayores a aproximadamente un milímetro. La radioastronomía es diferente de la mayoría de las otras formas de astronomía observacional, ya que las ondas de radio observadas se pueden tratar como ondas en lugar de como 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 se realiza tan fácilmente en longitudes de onda más cortas.
Aunque algunas ondas de radio son emitidas directamente por objetos astronómicos, un producto de 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, varias líneas espectrales producidas por gas interestelar, notablemente la línea espectral de hidrógeno a 21 cm, son observables a longitudes de onda de radio.
Una gran variedad de objetos son observables en longitudes de onda de radio, incluyendo supernovas, gas interestelar, púlsares y núcleos galácticos activos.
Astronomía infrarroja
La astronomía infrarroja se basa en la detección y el análisis de la radiación infrarroja, longitudes de onda más largas que la luz roja y fuera del alcance de nuestra visión. El espectro infrarrojo es útil para estudiar objetos 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 nubes de polvo que bloquean la luz visible, lo que permite la observación de estrellas jóvenes incrustadas en las nubes moleculares y los núcleos de las galaxias. Las observaciones del Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE) han sido particularmente efectivas en el descubrimiento de numerosas protoestrellas galácticas y sus cúmulos de estrellas anfitrionas. Con la excepción de 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 de 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 cometas.
Astronomía óptica
Históricamente, la astronomía óptica, también llamada astronomía de luz visible, es la forma más antigua de la astronomía. Las imágenes de las observaciones fueron originalmente dibujadas a mano. A fines del siglo XIX y la mayor parte del siglo XX, las imágenes se realizaron con equipos fotográficos. Las imágenes modernas se hacen usando detectores digitales, particularmente usando dispositivos de carga acoplada (CCD) y grabados en un medio moderno. 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 utilizar para observar algo de radiación casi ultravioleta 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 la 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 onda. Esto incluye las estrellas azules en otras galaxias, que han sido blanco de varias encuestas ultravioleta. Otros objetos comúnmente observados en la luz ultravioleta incluyen nebulosas planetarias, restos de supernova y núcleos galácticos activos. Sin embargo, como la luz ultravioleta es absorbida fácilmente por el polvo interestelar, es necesario un ajuste de las mediciones de ultravioleta.
Astronomía de rayos X
La astronomía de rayos X usa longitudes de onda de rayos X. Típicamente, la radiación de rayos X se produce por la emisión de sincrotrón (el resultado de electrones orbitando las líneas del campo magnético), la emisión térmica de gases delgados por encima de 10 (10 millones) kelvins y la emisión térmica por gases gruesos por encima de 10 Kelvin. Dado que los rayos X son absorbidos por la atmósfera de la Tierra, todas las observaciones de rayos X se deben realizar desde globos de alta altitud, cohetes o satélites de astronomía de rayos X. Las fuentes notables de rayos X incluyen binarios de rayos X, púlsares, restos 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 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 que se producen cuando los rayos gamma son absorbidos por la atmósfera de la Tierra.
La mayoría de las fuentes que emiten rayos gamma son en realidad estallidos 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 de rayos gamma constantes 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, se pueden observar otros pocos eventos que se originan desde grandes distancias desde la Tierra.
En astronomía de neutrinos, los astrónomos usan instalaciones subterráneas fuertemente blindadas como SAGE, GALLEX y Kamioka II / III para la detección de neutrinos. La gran mayoría de los neutrinos que fluyen a través de la Tierra se originan del Sol, pero también se detectaron 24 neutrinos a partir de la supernova 1987A. Los rayos cósmicos, que consisten en partículas de muy alta energía (núcleos atómicos) que pueden descomponerse o absorberse cuando entran en la atmósfera de la Tierra, 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 de la Tierra.
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 del Interferómetro Láser LIGO. LIGO hizo su primera detección el 14 de septiembre de 2015, observando las ondas gravitacionales de un agujero negro binario. Se detectó una segunda onda gravitacional el 26 de diciembre de 2015 y las observaciones adicionales deberían continuar, pero las ondas gravitacionales requieren instrumentos extremadamente sensibles.
La combinación de observaciones hechas usando radiación electromagnética, neutrinos u ondas gravitatorias y otra información complementaria, se conoce como astronomía de múltiples mensajes.
Astrometría y mecánica celeste
Uno de los campos más antiguos en astronomía, y en 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 celestial (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 comprensión sólida de las perturbaciones gravitacionales, y una capacidad para 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 predecir encuentros cercanos o posibles colisiones de la Tierra con esos objetos.
La medición del paralaje estelar de las estrellas cercanas proporciona una línea base fundamental en la escala de distancia cósmica que se usa para medir la escala del Universo. Las mediciones de Parallax de estrellas cercanas proporcionan una referencia absoluta para las propiedades de estrellas más distantes, ya que sus propiedades se pueden comparar. Las mediciones de la velocidad radial y el movimiento adecuado 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 orbitan alrededor de esas estrellas.
Astronomía teórica
Los astrónomos teóricos usan varias herramientas que incluyen modelos analíticos y simulaciones numéricas computacionales; cada uno tiene sus ventajas particulares. Los modelos analíticos de un proceso son generalmente 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 se observarían.
Los teóricos de la astronomía se esfuerzan por crear modelos teóricos y, a partir de los resultados, predicen 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 conflictivos como el mejor capaz de describir los fenómenos.
Los teóricos también intentan generar o modificar modelos para tener en cuenta los datos nuevos. 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 estelar y evolución; 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 una herramienta para medir las propiedades de las estructuras de gran escala para las cuales la gravedad 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 astronomía, ahora incluidos en el modelo Lambda-CDM son el Big Bang, la inflación cósmica, la materia oscura y las teorías fundamentales de la física.
Algunos ejemplos de este proceso:
| Proceso físico | Herramienta experimental | Modelo teórico | Explica / predice |
| Gravitación | Radio telescopios | Sistema de autogravitación | Aparición de un sistema estelar |
| Fusión nuclear | Espectroscopia | Evolución estelar | Cómo brillan las estrellas y cómo se forman los metales |
| El Big Bang | Telescopio espacial Hubble, COBE | Universo en expansión | La edad del universo |
| Fluctuaciones cuánticas | Inflación cósmica | Problema de planitud | |
| Colapso gravitacional | Astronomía de rayos X | Relatividad general | Agujeros negros en el centro de la galaxia de Andrómeda |
| CNO ciclo en estrellas | La fuente de energía dominante para la estrella masiva. |
La materia oscura y la energía oscura son los principales temas actuales de la astronomía, ya que su descubrimiento y controversia se originaron durante el estudio de las galaxias.
Subcampos específicos
Astronomía solar
A una distancia de aproximadamente ocho minutos luz, la estrella estudiada con más frecuencia es el Sol, una estrella enana de secuencia principal típica de la clase estelar G2 V, y unos 4.600 millones de años (Gyr) de edad. El Sol no se considera una estrella variable, pero sufre cambios periódicos en la actividad conocida como ciclo de 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 están asociadas a una intensa actividad magnética.
El Sol ha aumentado constantemente en luminosidad en un 40% desde que se convirtió 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 Hielo durante la Edad Media.
La superficie exterior visible del Sol se llama fotosfera. Sobre esta capa hay una delgada región conocida como la cromosfera. Esto está rodeado por una región de transición de temperaturas que aumentan rápidamente, y finalmente por la corona supercalentada.
En el centro del Sol se encuentra la región central, un volumen de temperatura y presión suficientes para que se produzca la fusión nuclear. Sobre el núcleo se encuentra la zona de radiación, donde el plasma transmite el flujo de energía por medio de la radiación. Encima de eso está la zona de convección donde el material de gas transporta energía principalmente a través del desplazamiento físico del gas conocido como convección. Se cree que el movimiento de la masa dentro de la zona de convección crea la actividad magnética que genera las manchas solares.
Un viento solar de partículas de plasma fluye constantemente hacia afuera desde el 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 a algunos creando los cinturones de radiación de Van Allen que envuelven a 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 ensamblaje de planetas, lunas, planetas enanos, cometas, asteroides y otros cuerpos en órbita alrededor del Sol, así como planetas extrasolares. El Sistema Solar ha sido relativamente bien estudiado, inicialmente a través de telescopios y luego mediante naves espaciales. Esto ha proporcionado una buena comprensión general de la formación y evolución de este sistema planetario, aunque todavía se están haciendo muchos descubrimientos nuevos.
El Sistema Solar se subdivide en los planetas interiores, el cinturón de asteroides y los planetas exteriores. Los planetas terrestres internos consisten en Mercurio, Venus, la Tierra y Marte. Los planetas gigantes gaseosos exteriores son Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno. Más allá de Neptuno se encuentra el Cinturón de Kuiper, y finalmente la Nube de Oort, que puede extenderse hasta un año luz.
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 incluyó la atracción gravitacional, la colisión y la acreción, el disco formó grupos de materia que, con el tiempo, se convirtieron en protoplanetas. La presión de radiación del viento solar luego expulsó la mayor parte de la materia no secretada, y solo aquellos planetas con suficiente masa retuvieron su atmósfera gaseosa. Los planetas continuaron barriendo, o expulsando, la materia restante durante un período de bombardeo intenso, evidenciado por los muchos cráteres de impacto en la Luna. Durante este período, algunos de los protoplanetas pueden haber colisionado y una de esas colisiones pudo haber formado la Luna.
Una vez que un planeta alcanza suficiente masa, los materiales de diferentes densidades se segregan dentro, durante la diferenciación planetaria. Este proceso puede formar un núcleo pedregoso 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 desprendimiento 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 los materiales radiactivos ( por ejemplo , uranio, torio y Al) o el calentamiento de las mareas causado por las 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 calefacción por marea, se enfrían más rápidamente; y su actividad geológica cesa con la excepción de la formación de cráteres de impacto.
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 protostar. Una región del núcleo suficientemente densa y caliente provocará 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 estrellas.
Las características de la estrella resultante dependen principalmente de su masa inicial. Mientras más masiva sea la estrella, mayor será su luminosidad y más rápidamente fusionará 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 exteriores hacia afuera mientras aumenta su densidad central. El gigante rojo resultante formado 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 experimentar una serie de fases evolutivas, ya que fusionan elementos cada vez más pesados.
El destino final de la estrella depende de su masa, con estrellas de masa mayor de aproximadamente ocho veces el Sol convirtiéndose en supernovas de colapso del núcleo; mientras que las estrellas más pequeñas soplan fuera de sus capas externas y dejan atrás el núcleo inerte en forma de una enana blanca. La eyección de las capas externas forma una nebulosa planetaria. El remanente de una supernova es una estrella de neutrones densa, o, si la masa estelar fue al menos tres veces la del Sol, un agujero negro. Las estrellas binarias de órbita cercana pueden seguir trayectorias evolutivas más complejas, como la transferencia de masa a una compañera enana blanca que puede potencialmente 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 nuevas estrellas (y sus sistemas planetarios) estarían formadas solo por hidrógeno y helio.
Astronomía galáctica
Nuestro sistema solar orbita dentro de la Vía Láctea, una galaxia espiral barrada que es un miembro prominente 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 oscurecidas a la vista.
En el centro de la Vía Láctea está el núcleo, una protuberancia en forma de barra con lo que se cree que es un agujero negro supermasivo en su centro. Esto está rodeado por cuatro brazos primarios que salen en espiral del núcleo. Esta es una región de formación estelar activa que contiene muchas estrellas jóvenes I poblacionales. El disco está rodeado por un halo esferoidal de estrellas pobladas más antiguas II, así como concentraciones relativamente densas de estrellas conocidas como cúmulos globulares.
Entre las estrellas se encuentra el medio interestelar, una región de materia dispersa. En las regiones más densas, las nubes moleculares de hidrógeno molecular y otros elementos crean regiones de formación de estrellas. Estos comienzan como un núcleo preeslave 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 resplandeciente. Las explosiones estelares de las estrellas y las supernovas de estas estrellas eventualmente hacen que la nube se disperse, a menudo dejando atrás uno o más grupos de estrellas abiertos 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 ser contabilizada por la materia visible. Un halo de materia oscura parece dominar la masa, aunque la naturaleza de esta materia oscura permanece indeterminada.
Astronomía extragaláctica
El estudio de objetos fuera de nuestra galaxia es una rama de la astronomía relacionada con 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, este último es importante para la comprensión de la estructura a gran escala del cosmos.
La mayoría de las galaxias están organizadas en distintas formas que permiten los esquemas de clasificación. Comúnmente se dividen en espiral, elíptica e irregular.
Como su nombre indica, una galaxia elíptica tiene la forma de sección transversal de una elipse. Las estrellas se mueven a lo largo de órbitas aleatorias sin dirección preferida. Estas galaxias contienen poco o nada de polvo interestelar, pocas regiones de formación estelar y generalmente estrellas más viejas. Las galaxias elípticas se encuentran más comúnmente en el núcleo de los cúmulos galácticos, y pueden haberse formado mediante fusiones de grandes galaxias.
Una galaxia espiral está organizada en un disco plano y giratorio, generalmente con un prominente bulto o barra en el centro, y brazos brillantes que salen en espiral hacia afuera. Los brazos son polvorientas regiones de formación de estrellas dentro de las cuales estrellas jóvenes masivas producen un tinte azul. Las galaxias espirales generalmente están rodeadas por un halo de estrellas más viejas. Tanto la Vía Láctea como uno de nuestros vecinos galácticos más cercanos, la Galaxia de Andrómeda, son galaxias espirales.
Las galaxias irregulares son de apariencia caótica, y no son ni espirales ni elípticas. Alrededor de un cuarto 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 de 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 súper masivo que emite radiación de material en caída.
Una radio galaxia es una galaxia activa que es muy luminosa en la porción de radio del espectro y está emitiendo inmensos penachos o lóbulos de gas. Las galaxias activas que emiten radiación de alta frecuencia y frecuencia más corta incluyen galaxias Seyfert, Quasars y Blazars. Se cree que los cuásares son los objetos más consistentemente luminosos en el 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 superclusters. La materia colectiva se forma en filamentos y paredes, dejando grandes vacíos entre ellos.
Cosmología física Escala del eje: 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 bien aceptada teoría del Big Bang, en la que nuestro Universo comenzó en un solo punto en el tiempo, y luego se expandió a lo largo de 13.800 millones de años hasta su condición actual. El concepto de Big Bang se remonta al descubrimiento de la radiación de fondo de microondas en 1965.
En el curso de esta expansión, el Universo experimentó varias etapas evolutivas. En los primeros momentos, se teorizó que el Universo experimentó una inflación cósmica muy rápida, que homogeneizó las condiciones iniciales. A partir de entonces, la nucleosíntesis produjo la abundancia elemental del Universo temprano. (Ver también nucleocosmochronology.)
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 vista hoy como la radiación de fondo de microondas. El Universo en expansión sufrió una Edad Oscura debido a la falta de fuentes de energía estelar.
Una estructura jerárquica de la materia comenzó a formarse a partir de diminutas variaciones 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 la Población III. Estas estrellas masivas desencadenaron el proceso de reionización y se cree que crearon muchos de los elementos pesados en el Universo temprano, los cuales, a través de la descomposición nuclear, crean elementos más ligeros, lo que permite que el ciclo de nucleosíntesis continúe por más tiempo.
Las agregaciones gravitacionales se agruparon en filamentos, dejando huecos en los huecos. Poco a poco, 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.
Fundamental para la estructura del Universo es la existencia de materia oscura y energía oscura. Ahora se piensa que estos son sus componentes dominantes, formando el 96% de la masa del Universo. Por esta razón, se gasta mucho esfuerzo en tratar de comprender la física de estos componentes.
Estudios Interdisciplinarios
Astronomía y astrofísica han desarrollado importantes vínculos interdisciplinarios con otros campos científicos importantes. La arqueoastronomía es el estudio de las astronomías antiguas o tradicionales 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 énfasis particular en la posibilidad de vida no terrestre. Astrostatistics es la aplicación de estadísticas a la astrofísica para el análisis de una gran cantidad de datos astrofísicos observacionales.
El estudio de los productos químicos que se encuentran en el espacio, incluida su formación, interacción y destrucción, se denomina astroquímica. Estas sustancias se encuentran generalmente en nubes moleculares, aunque también pueden aparecer en estrellas de baja temperatura, enanas marrones y planetas. 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 amateur
La astronomía es una de las ciencias a la cual los aficionados pueden contribuir más.
Colectivamente, los astrónomos aficionados observan una variedad de objetos y fenómenos celestiales a veces con equipos que ellos mismos construyen. Los objetivos comunes de los astrónomos aficionados incluyen el Sol, la Luna, planetas, estrellas, cometas, lluvias de meteoritos y una variedad de objetos de cielo profundo como cúmulos de estrellas, galaxias y nebulosas. Los clubes de astronomía se encuentran en todo el mundo y muchos tienen programas para ayudar a sus miembros a configurar y completar programas de observación que incluyen 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 amateur, consiste en tomar 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 una pequeña minoría experimenta 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 usan telescopios caseros o utilizan radiotelescopios que fueron originalmente construidos para la investigación de la astronomía, pero que ahora están disponibles para los aficionados ( por ejemplo, el Telescopio One-Mile).
Los astrónomos aficionados continúan haciendo contribuciones científicas al campo de la astronomía y es una de las pocas disciplinas científicas donde 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 regulares 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 enormes avances en la comprensión de la naturaleza del Universo y sus contenidos, quedan algunas preguntas importantes sin respuesta. Las respuestas a estos pueden requerir la construcción de nuevos instrumentos basados en el suelo y el espacio, 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 la vida en otra parte tiene importantes implicaciones científicas y filosóficas. ¿El sistema solar es normal o atípico?
- ¿Cuál es la naturaleza de la materia oscura y la energía oscura? Estos dominan la evolución y el destino del cosmos, sin embargo, 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 eventos?