La astronomía es una ciencia natural que estudia los objetos celestes y los fenómenos que ocurren en el cosmos. Utiliza las matemáticas , la física y la química para explicar su origen y su evolución general . Los objetos de interés incluyen planetas , lunas , estrellas , nebulosas , galaxias , meteoroides , asteroides y cometas . Los fenómenos relevantes incluyen explosiones de supernovas , estallidos de rayos gamma , cuásares , blazares , púlsares y radiación cósmica de fondo de microondas . De manera más general, la astronomía estudia todo lo que se origina más allá de la atmósfera de la Tierra . La cosmología es una rama de la astronomía que estudia el universo en su conjunto.
La astronomía es una de las ciencias naturales más antiguas. Las primeras civilizaciones de la historia documentada realizaron observaciones metódicas del cielo nocturno . Entre ellas se encuentran los egipcios , los babilonios , los griegos , los indios , los chinos , los 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 .
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, que luego se analizan utilizando principios básicos de la física. La astronomía teórica se orienta al desarrollo de modelos informáticos o analíticos para describir objetos y fenómenos astronómicos. Estos dos campos se complementan entre sí. La astronomía teórica busca explicar los resultados de las observaciones y las observaciones se utilizan para confirmar los resultados teóricos.
La astronomía es una de las pocas ciencias en las que los aficionados desempeñan un papel activo . Esto es especialmente cierto en el descubrimiento y la observación de fenómenos transitorios . Los astrónomos aficionados han contribuido a muchos descubrimientos importantes, como el hallazgo de nuevos cometas.
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" dependiendo de la traducción). La astronomía no debe confundirse con la astrología , el sistema de creencias que afirma que los asuntos humanos están correlacionados con las posiciones de los objetos celestes. [2] Aunque los dos campos comparten un origen común, ahora son completamente distintos. [3]
"Astronomía" y " astrofísica " son sinónimos. [4] [5] [6] Según 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", [7] mientras que "astrofísica" se refiere a la rama de la astronomía que trata "el comportamiento, las propiedades físicas y los procesos dinámicos de los objetos y fenómenos celestes". [8] 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 orientada a la física del tema. [9] Sin embargo, dado que la mayoría de la investigación astronómica moderna trata temas relacionados con la física, la astronomía moderna en realidad podría llamarse astrofísica. [4] Algunos campos, como la astrometría , son puramente astronomía en lugar de también astrofísica. Varios departamentos en los que los científicos realizan investigaciones sobre este tema pueden utilizar "astronomía" y "astrofísica", dependiendo en parte de si el departamento está históricamente afiliado a un departamento de física, [5] y muchos astrónomos profesionales tienen títulos en física en lugar de astronomía. [6] Algunos títulos de las principales revistas científicas en este campo incluyen The Astronomical Journal , The Astrophysical Journal y Astronomy & Astrophysics .
En los primeros tiempos históricos, la astronomía consistía únicamente en la observación y predicción de los movimientos de objetos visibles a simple vista. En algunos lugares, las culturas primitivas reunieron artefactos enormes que pudieron haber tenido algún propósito astronómico. Además de sus usos ceremoniales, estos observatorios podían emplearse para determinar las estaciones, un factor importante para saber cuándo plantar cultivos y comprender la duración del año. [10]
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 Egipto , Mesopotamia , Grecia , Persia , India , China y América Central , se montaron observatorios astronómicos y comenzaron a desarrollarse ideas sobre la naturaleza del Universo. La mayor parte de la astronomía primitiva consistió 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 . [11]
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. [13] Los babilonios descubrieron que los eclipses lunares recurrían en un ciclo repetitivo conocido como saros . [14]
Después de los babilonios, se produjeron avances significativos en 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. [15] En el siglo III a. C., Aristarco de Samos estimó el tamaño y la distancia de la Luna y el Sol , y propuso un modelo del Sistema Solar donde la Tierra y los planetas giraban alrededor del Sol, ahora llamado modelo heliocéntrico . [16] 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 . [17] Hiparco también creó un catálogo completo de 1020 estrellas, y la mayoría de las constelaciones del hemisferio norte derivan de la astronomía griega. [18] El mecanismo de Anticitera ( 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. Artefactos tecnológicos de complejidad similar no reaparecieron hasta el siglo XIV, cuando aparecieron en Europa los relojes astronómicos mecánicos. [19]
La Europa medieval albergó a varios astrónomos importantes. Ricardo de Wallingford (1292-1336) realizó importantes contribuciones a la astronomía y la horología , incluida la invención del primer reloj astronómico, el Rectangulus , que permitió la medición de ángulos entre planetas y otros cuerpos astronómicos, así como un ecuador llamado Albion que podía usarse para cálculos astronómicos como longitudes lunares , solares y planetarias y podía 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 demostrar que los planetas eran capaces de moverse sin la intervención de ángeles. [20] Georg von Peuerbach (1423-1461) y Regiomontanus (1436-1476) contribuyeron a que el progreso astronómico fuera decisivo para el desarrollo del modelo heliocéntrico por parte de Copérnico décadas más tarde.
La astronomía floreció en el mundo islámico y otras partes del mundo. Esto llevó a la aparición de los primeros observatorios astronómicos en el mundo musulmán a principios del siglo IX. [21] [22] [23] 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 las estrellas fijas . [24] La supernova SN 1006 , el evento estelar de magnitud aparente más brillante en la historia registrada, fue observado por el astrónomo árabe egipcio Ali ibn Ridwan y astrónomos chinos en 1006. El erudito iraní Al-Biruni observó que, al contrario de Ptolomeo , el apogeo del Sol (el punto más alto en los cielos) era móvil, no fijo. [25] Algunos de los astrónomos islámicos (en su mayoría persas y árabes) más destacados 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 utilizan para estrellas individuales . [26] [27]
También se cree que las ruinas de Gran Zimbabue y Tombuctú [28] pueden haber albergado observatorios astronómicos. [29] En el África occidental posclásica , los astrónomos estudiaron el movimiento de las estrellas y su relación con las estaciones, elaborando mapas de los cielos, así como 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. [30] [31] Los europeos habían creído anteriormente que no había habido observación astronómica en el África subsahariana durante la Edad Media precolonial, pero los descubrimientos modernos muestran lo contrario. [32] [33] [34] [35]
Durante más de seis siglos (desde la recuperación de los conocimientos antiguos a finales de la 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. Uno de los motivos de la Iglesia fue encontrar la fecha de la Pascua . [36]
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Durante el Renacimiento , Nicolás Copérnico propuso un modelo heliocéntrico del sistema solar. Su trabajo fue defendido por Galileo Galilei y ampliado 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. [37] Fue Isaac Newton , con su invención de la dinámica celeste y su ley de la gravitación , quien finalmente explicó los movimientos de los planetas. Newton también desarrolló el telescopio reflector . [38]
Las mejoras en el tamaño y la calidad del telescopio llevaron a nuevos descubrimientos. El astrónomo inglés John Flamsteed catalogó más de 3000 estrellas. [39] Nicolas Louis de Lacaille elaboró catálogos de estrellas más extensos . El astrónomo William Herschel realizó un catálogo detallado de nebulosidad y cúmulos, y en 1781 descubrió el planeta Urano , el primer planeta nuevo descubierto. [40]
Durante los siglos XVIII y XIX, el estudio del problema de los tres cuerpos por parte de 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. [41]
Los avances significativos en astronomía se produjeron con la introducción de nueva tecnología, incluyendo 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 eran similares al propio Sol de la Tierra, pero con un amplio rango de temperaturas , masas y tamaños. [26]
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 . [42] 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 enormes avances durante el siglo XX. A principios de la década de 1900 se formuló el modelo de la teoría del Big Bang , ampliamente evidenciado por la radiación de fondo de microondas cósmica , la ley de Hubble y las abundancias cosmológicas de elementos . Los telescopios espaciales han permitido realizar mediciones en partes del espectro electromagnético normalmente bloqueadas o borrosas por la atmósfera. [43] En febrero de 2016, se reveló que el proyecto LIGO había detectado evidencia de ondas gravitacionales en el septiembre anterior. [44] [45]
La principal fuente de información sobre los cuerpos celestes y otros objetos es la luz visible o, de forma más general, la radiación electromagnética . [46] La astronomía observacional puede clasificarse según la región correspondiente del espectro electromagnético en la que se realizan las observaciones. Algunas partes del espectro pueden observarse desde la superficie de la Tierra, mientras que otras partes solo son observables desde grandes altitudes o fuera de la atmósfera terrestre. A continuación se ofrece información específica sobre estos subcampos.
La radioastronomía utiliza radiación con longitudes de onda mayores a aproximadamente un milímetro, fuera del rango visible. [47] La radioastronomía es diferente de la mayoría de las otras 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. [47]
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 . [47] Además, una serie de líneas espectrales producidas por el gas interestelar , en particular la línea espectral del hidrógeno a 21 cm, son observables en longitudes de onda de radio. [9] [47]
Se pueden observar una amplia variedad de otros objetos en longitudes de onda de radio, incluidas supernovas , gas interestelar, púlsares y núcleos galácticos activos . [9] [47]
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 alcance 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 nubes de polvo que bloquean la luz visible, lo que permite la observación de estrellas jóvenes incrustadas en nubes moleculares y los núcleos de las galaxias. Las observaciones del Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE) han sido particularmente efectivas para revelar numerosas protoestrellas galácticas y sus cúmulos estelares anfitriones . [49] [50] Con la excepción de las longitudes de onda infrarrojas cercanas a la luz visible, dicha radiación es absorbida en gran medida por la atmósfera, o enmascarada, ya que la atmósfera misma produce una emisión infrarroja significativa. En consecuencia, los observatorios infrarrojos tienen que estar ubicados en lugares altos y secos en la Tierra o en el espacio. [51] Algunas moléculas irradian fuertemente en el infrarrojo. Esto permite el estudio de la química del espacio; más específicamente, puede detectar agua en los cometas. [52]
Históricamente, la astronomía óptica, también llamada astronomía de luz visible, es la forma más antigua de astronomía. [53] Las imágenes de las observaciones se dibujaban originalmente a mano. A finales del siglo XIX y la mayor parte del siglo XX, las imágenes se hacían utilizando equipos fotográficos. Las imágenes modernas se hacen utilizando detectores digitales, en particular dispositivos acoplados a carga (CCD) y se graban en un medio moderno. Aunque la luz visible se extiende aproximadamente desde 4000 Å hasta 7000 Å (400 nm a 700 nm), [53] ese mismo equipo se puede utilizar para observar cierta radiación cercana al ultravioleta y al infrarrojo cercano .
La astronomía ultravioleta emplea longitudes de onda ultravioleta entre aproximadamente 100 y 3200 Å (10 a 320 nm). [47] 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 las 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 el objetivo de varios estudios ultravioleta. Otros objetos observados comúnmente en luz ultravioleta incluyen nebulosas planetarias , remanentes de supernovas y núcleos galácticos activos. [47] Sin embargo, como la luz ultravioleta es fácilmente absorbida por el polvo interestelar , es necesario un ajuste de las mediciones ultravioleta. [47]
La astronomía de rayos X utiliza longitudes de onda de rayos X. Normalmente, la radiación de rayos X se produce por emisión de sincrotrón (el resultado de los electrones que orbitan líneas de campo magnético), emisión térmica de gases delgados por encima de 10 7 (10 millones) kelvins y emisión térmica de gases espesos por encima de 10 7 Kelvin. [47] Dado que los rayos X son absorbidos por la atmósfera de la Tierra , todas las observaciones de rayos X deben realizarse desde globos de gran altitud , cohetes o satélites de astronomía de rayos X. Las fuentes de rayos X notables incluyen sistemas binarios de rayos X , púlsares , remanentes de supernovas , galaxias elípticas , cúmulos de galaxias y núcleos galácticos activos . [47]
La astronomía de rayos gamma observa objetos astronómicos en las longitudes de onda más cortas del espectro electromagnético. Los rayos gamma pueden observarse directamente mediante satélites como el Observatorio de Rayos Gamma Compton o mediante telescopios especializados llamados telescopios atmosféricos Cherenkov . [47] 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 terrestre. [54]
La mayoría de las fuentes emisoras de rayos gamma son en realidad explosiones de rayos gamma , objetos que solo producen radiación gamma durante unos pocos milisegundos o 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. [47]
Además de la radiación electromagnética, desde la Tierra se pueden observar otros fenómenos 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 . [47] Los rayos cósmicos , que consisten en partículas de energía muy alta (núcleos atómicos) que pueden desintegrarse o ser absorbidas cuando entran en la atmósfera de la Tierra, dan lugar a una cascada de partículas secundarias que pueden ser detectadas por los observatorios actuales. [55] Algunos futuros detectores de neutrinos también pueden ser sensibles a las partículas producidas cuando los rayos cósmicos golpean la atmósfera de la Tierra. [47]
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 por Interferometría Láser ( LIGO) . LIGO realizó su primera detección el 14 de septiembre de 2015, al observar ondas gravitacionales de un agujero negro binario . [56] Se detectó una segunda onda gravitacional el 26 de diciembre de 2015 y se deberían continuar realizando observaciones adicionales, pero las ondas gravitacionales requieren instrumentos extremadamente sensibles. [57] [58]
La combinación de observaciones realizadas mediante radiación electromagnética, neutrinos u ondas gravitacionales y otra información complementaria, se conoce como astronomía de múltiples mensajeros . [59] [60]
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 . [61] : 39
La medición cuidadosa de las posiciones de los planetas ha permitido comprender mejor las perturbaciones gravitacionales y 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. [62]
La medición de la paralaje estelar de las estrellas cercanas proporciona una base fundamental en la escala de distancias cósmicas que se utiliza para medir la escala del Universo. Las mediciones de paralaje de estrellas cercanas proporcionan una base absoluta para las propiedades de estrellas más distantes, ya que sus propiedades se pueden comparar. 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 galaxia, la Vía Láctea. Los resultados astrométricos son la base utilizada para calcular la distribución de la materia oscura especulada en la galaxia. [63]
Durante la década de 1990, la medición del bamboleo estelar de estrellas cercanas se utilizó para detectar grandes planetas extrasolares que orbitaban esas estrellas. [64]
Los astrónomos teóricos utilizan varias herramientas, entre ellas los modelos analíticos y las simulaciones numéricas computacionales ; cada una de ellas tiene sus ventajas particulares. Los modelos analíticos de un proceso son mejores para ofrecer una visión más amplia de lo que está sucediendo. Los modelos numéricos revelan la existencia de fenómenos y efectos que de otro modo no se observarían. [65] [66]
Los teóricos de la astronomía se esfuerzan por crear modelos teóricos basados en observaciones existentes y en la física conocida, y por predecir las consecuencias observacionales de esos modelos. La observación de fenómenos predichos por un modelo permite a los astrónomos seleccionar entre varios modelos alternativos o conflictivos. Los teóricos también modifican los modelos existentes para tener en cuenta nuevas observaciones. En algunos casos, una gran cantidad de datos observacionales que no son consistentes con un modelo puede llevar a abandonarlo en gran medida o por completo, como en el caso de la teoría geocéntrica , la existencia del éter luminífero y el modelo de estado estable de la evolución cósmica.
Los fenómenos modelados por los astrónomos teóricos incluyen:
La astronomía teórica moderna refleja avances espectaculares en la observación desde la década de 1990, incluidos estudios del fondo cósmico de microondas , supernovas distantes y corrimientos al rojo de las galaxias , que han llevado al desarrollo de un modelo estándar de cosmología . Este modelo requiere que el universo contenga grandes cantidades de materia oscura y energía oscura cuya naturaleza actualmente no se entiende bien, pero el modelo proporciona predicciones detalladas que concuerdan perfectamente con muchas observaciones diversas. [67]
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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". [68] [69] Entre los objetos estudiados están el Sol , otras estrellas , galaxias , planetas extrasolares , el medio interestelar y el fondo cósmico de microondas . [70] [71] 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 generalmente aplican 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 es posible o no viajar en el tiempo , si se pueden formar agujeros de gusano o si existe el multiverso ; y el origen y el destino final del universo . [70] Los temas que también estudian los astrofísicos teóricos incluyen la formación y evolución del Sistema Solar ; la dinámica y evolución estelar ; la formación y evolución de galaxias ; la magnetohidrodinámica ; la estructura a gran escala de la materia en el universo; el origen de los rayos cósmicos ; la relatividad general y la cosmología física , incluida la cosmología de cuerdas y la física de astropartículas .
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 isotópicas en los objetos del Sistema Solar, como los meteoritos , también se llama cosmoquímica , mientras que el estudio de los átomos y moléculas interestelares y su interacción con la radiación a veces se llama astrofísica molecular. La formación, la composición atómica y química, la evolución y el destino de las nubes de gas molecular son 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. [72]
La astrobiología es un campo científico interdisciplinario que estudia los orígenes , la evolución temprana , la distribución y el futuro de la vida en el universo . La astrobiología estudia la cuestión de si existe vida extraterrestre y cómo los humanos pueden detectarla si así fuera. [73] El término exobiología es similar. [74]
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 la de la Tierra. [75] El origen y la evolución temprana de la vida es una parte inseparable de la disciplina de la astrobiología. [76] 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 biofirmas para la detección de vida y estudios sobre el potencial de la vida para adaptarse a los desafíos en la Tierra y en el espacio exterior . [77] [78] [79]
La cosmología (del griego κόσμος ( kosmos ) "mundo, universo" y λόγος ( logos ) "palabra, estudio" o literalmente "lógica") podría considerarse el estudio del Universo en su conjunto.
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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 , según la cual nuestro Universo comenzó en un único punto en el tiempo y luego se expandió a lo largo de 13.800 millones de años [80] hasta su condición actual. [81] El concepto del Big Bang se remonta al descubrimiento de la radiación de fondo de microondas en 1965. [81]
En el curso de esta expansión, el Universo atravesó varias etapas evolutivas. Se cree que en los primeros momentos del Universo experimentó una inflación cósmica muy rápida , que homogeneizó las condiciones iniciales. A partir de entonces, la nucleosíntesis produjo la abundancia elemental del Universo primitivo. [81] (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 conocemos como radiación de fondo de microondas. El Universo en expansión atravesó entonces una Edad Oscura debido a la falta de fuentes de energía estelares. [82]
A partir de pequeñas variaciones en la densidad de masa del espacio se empezó a formar una estructura jerárquica de la materia. 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 desintegración nuclear, crean elementos más ligeros, lo que permite que el ciclo de nucleosíntesis continúe durante más tiempo. [83]
Las agregaciones gravitacionales se agruparon en filamentos, dejando huecos en los huecos. Gradualmente, las organizaciones de gas y polvo se fusionaron para formar las primeras galaxias primitivas. Con el tiempo, estas atrajeron más materia y a menudo se organizaron en grupos y cúmulos de galaxias, y luego en supercúmulos de mayor escala. [84]
La existencia de materia oscura y energía oscura es fundamental para la estructura del Universo . Actualmente se cree que son sus componentes dominantes y que forman el 96% de la masa del Universo. Por este motivo, se dedican muchos esfuerzos a tratar de comprender la física de estos componentes. [85]
El estudio de los 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 . [61]
La mayoría de las galaxias están organizadas en formas distintas que permiten esquemas de clasificación. Se dividen comúnmente en galaxias espirales , elípticas e irregulares . [86]
Como sugiere su nombre, una galaxia elíptica tiene la forma de una elipse en su sección transversal . 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. [61] : 877–878 Las galaxias elípticas pueden haberse formado por la fusión de otras galaxias. [61] : 939
Una galaxia espiral está organizada en un disco plano y giratorio, generalmente con un bulto o barra prominente en el centro y detrás de él unos brazos brillantes que se extienden 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. [61] : 875
Las galaxias irregulares tienen una apariencia caótica y no son espirales ni elípticas. [61] : 879 Aproximadamente una cuarta parte de todas las galaxias son irregulares, y las formas peculiares de dichas galaxias pueden ser el resultado de la interacción gravitacional. [87]
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 alimentada por una región compacta en el núcleo, que se cree que es un agujero negro supermasivo que emite radiación del material que cae hacia él. [61] : 907 Una radiogalaxia es una galaxia activa que es muy luminosa en la porción de radio del espectro y emite inmensos penachos o lóbulos de gas. Las galaxias activas que emiten radiación de alta energía y frecuencia más corta incluyen las galaxias Seyfert , los cuásares y los blazares . Se cree que los cuásares son los objetos más consistentemente luminosos del universo conocido. [88]
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 está formada por filamentos y paredes, dejando grandes huecos entre ellos. [89]
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 rotatoria de gas, polvo, estrellas y otros objetos, unidos por la atracción gravitatoria mutua. Como la Tierra está ubicada dentro de los brazos exteriores polvorientos, hay grandes porciones de la Vía Láctea que están ocultas a la vista. [61] : 837–842, 944
En el centro de la Vía Láctea se encuentra el núcleo, un bulto 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 se forman en espiral desde el núcleo. Esta es una región de formación estelar activa que contiene muchas estrellas más jóvenes de población I. El disco está rodeado por un halo esferoide de estrellas más viejas de población II , así como por concentraciones relativamente densas de estrellas conocidas como cúmulos globulares . [90]
Entre las estrellas se encuentra el medio interestelar , una región de materia escasa. En las regiones más densas, nubes moleculares de hidrógeno molecular y otros elementos crean regiones de formación estelar. Estas 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. [91]
A medida que aparecen estrellas más masivas, transforman la nube en una región H II (hidrógeno atómico ionizado) de gas y plasma brillantes. El viento estelar y las explosiones de supernovas de estas estrellas acaban dispersando la nube, que a menudo deja tras sí uno o más cúmulos abiertos de estrellas jóvenes. Estos cúmulos se dispersan gradualmente y las estrellas se suman a la población de la Vía Láctea. [92]
Los estudios cinemáticos de la materia en la Vía Láctea y otras galaxias han demostrado que hay más masa de la que se puede atribuir a la materia visible. Un halo de materia oscura parece dominar la masa, aunque la naturaleza de esta materia oscura sigue sin determinarse. [93]
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 ordenador del interior. [94] La formación de estrellas se produce 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 suficientemente densa y caliente desencadenará la fusión nuclear , creando así una estrella de secuencia principal . [91]
Casi todos los elementos más pesados que el hidrógeno y el helio se crearon dentro de los núcleos de las estrellas. [94]
Las características de la estrella resultante dependen principalmente de su masa inicial. Cuanto 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 del helio requiere una temperatura central más alta. Una estrella con una temperatura central lo suficientemente alta empujará sus capas externas hacia afuera mientras aumenta su densidad central. La gigante roja resultante formada por las capas externas en expansión disfruta de una vida útil breve, antes de que el combustible de helio en el núcleo se consuma a su vez. Las estrellas muy masivas también pueden atravesar una serie de fases evolutivas, a medida que fusionan elementos cada vez más pesados. [95]
El destino final de la estrella depende de su masa, y las estrellas con una masa mayor que aproximadamente ocho veces la del Sol se convierten en supernovas de colapso de núcleo ; [96] mientras que las estrellas más pequeñas expulsan 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 . [97] 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 . [98] 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. [99] 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 solo a partir de hidrógeno y helio. [100]
A una distancia de unos ocho minutos luz, la estrella estudiada con más frecuencia es el Sol , una típica estrella enana de secuencia principal de clase estelar G2 V, y de unos 4.600 millones de años (Gyr) de edad. El Sol no se considera una estrella variable , pero experimenta cambios periódicos en su actividad conocidos como ciclo de manchas solares . Se trata de 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. [101]
El Sol ha aumentado de forma constante su luminosidad en un 40% desde que se convirtió en una estrella de la secuencia principal. El Sol también ha experimentado cambios periódicos de luminosidad que pueden tener un impacto significativo en la Tierra. [102] Se cree, por ejemplo, que el mínimo de Maunder causó el fenómeno de la Pequeña Edad de Hielo durante la Edad Media . [103]
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 transmite el flujo de energía por medio de la radiación. Por encima de ésta se encuentra 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. [101] La superficie exterior visible del Sol se llama fotosfera . Por encima de esta capa hay una región delgada conocida como cromosfera . Está rodeada por una región de transición de temperaturas que aumentan rápidamente y, finalmente, por la corona supercalentada . [61] : 498–502
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 una parte 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 luego descienden a la atmósfera . [104]
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 planetas extrasolares. El Sistema Solar ha sido relativamente bien estudiado, inicialmente a través de telescopios y luego más tarde mediante 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. [105]
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 los centauros ), los cometas, la región transneptuniana (subdividida en el cinturón de Kuiper y el disco disperso ) y las regiones más lejanas (por ejemplo, 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 ). [106]
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 gravitatoria, 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 acrecentada, y solo aquellos 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 . [107]
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 rocoso 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 desgaste por el viento solar. [108]
El calor interior de un planeta o luna se produce a partir de las colisiones que crearon el cuerpo, por la desintegración de materiales radiactivos ( por ejemplo , uranio , torio y 26 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 de las mareas, se enfrían más rápidamente; y su actividad geológica cesa con la excepción de la formación de cráteres por impacto. [109]
La astronomía y la astrofísica han desarrollado vínculos interdisciplinarios importantes 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 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 observacionales. [110]
El estudio de las sustancias químicas que se encuentran en el espacio, incluyendo su formación, interacción y destrucción, se denomina astroquímica . Estas sustancias se encuentran habitualmente en nubes moleculares , aunque también pueden aparecer en estrellas de baja temperatura, enanas marrones y planetas. La cosmoquímica es el estudio de las sustancias químicas que se encuentran dentro del Sistema Solar, incluyendo los orígenes de los elementos y las variaciones en las proporciones isotópicas . Ambos campos representan una superposición de las disciplinas de la astronomía y la química. Como " astronomía forense ", finalmente, se han utilizado métodos procedentes de la astronomía para resolver problemas de historia del arte [111] [112] y ocasionalmente de derecho. [113]
La astronomía es una de las ciencias a las que más pueden contribuir los aficionados. [114]
En conjunto, los astrónomos aficionados observan una variedad de objetos y fenómenos celestes, a veces con equipos de nivel de consumidor o equipos que construyen ellos mismos . Los objetivos comunes de los astrónomos aficionados incluyen el Sol, la Luna, los planetas, las estrellas, los cometas, las lluvias de meteoros 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 establecer 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 , implica 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. [115] [116]
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 One-Mile Telescope ). [117] [118]
Los astrónomos aficionados siguen realizando contribuciones científicas al campo de la astronomía y es una de las pocas disciplinas científicas en las que los aficionados aún pueden hacer contribuciones significativas. Los aficionados pueden realizar mediciones de ocultación que se utilizan para refinar las órbitas de 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. [119] [120] [121]
En el siglo XXI quedan importantes preguntas sin respuesta en astronomía. Algunas son de alcance cósmico: por ejemplo, ¿qué son la materia oscura y la energía oscura ? Estas dominan la evolución y el destino del cosmos, pero su verdadera naturaleza sigue siendo desconocida. [122] ¿Cuál será el destino final del universo ? [123] ¿Por qué la abundancia de litio en el cosmos es cuatro veces menor que la predicha por el modelo estándar del Big Bang ? [124] Otras pertenecen a clases más específicas de fenómenos. Por ejemplo, ¿el Sistema Solar es normal o atípico? [125] ¿Cuál es el origen del espectro de masas estelares? Es decir, ¿por qué los astrónomos observan la misma distribución de masas estelares (la función de masa inicial ) aparentemente independientemente de las condiciones iniciales? [126] Del mismo modo, quedan preguntas sobre la formación de las primeras galaxias , [127] el origen de los agujeros negros supermasivos , [128] la fuente de los rayos cósmicos de energía ultraalta , [129] y más.
¿Existe otra vida en el universo ? En particular, ¿existe 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. [130] [131]
[La astrofísica] está estrechamente relacionada, por un lado, con la astronomía, de la que puede clasificarse adecuadamente como una rama, y, por otro lado, con la química y la física.… Busca determinar la naturaleza de los cuerpos celestes, más que sus posiciones o movimientos en el espacio:
qué
son, más que
dónde
están.… Lo que quizás sea más característico de la astrofísica es la especial prominencia que le da al estudio de la radiación.
La astronomía ha sido tradicionalmente uno de los campos más fértiles para los aficionados serios [...]
Esto plantea un desafío a estos modelos, porque [...]
