La astronomía teórica es el uso de modelos analíticos y computacionales basados en principios de la física y la química para describir y explicar objetos astronómicos y fenómenos astronómicos. 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 en conflicto como el que mejor puede describir el fenómeno.
El Almagesto de Ptolomeo , aunque es un brillante tratado sobre astronomía teórica combinado con un manual práctico de computación, incluye compromisos para conciliar observaciones discordantes con un modelo geocéntrico . Generalmente se supone que la astronomía teórica moderna comenzó con el trabajo de Johannes Kepler (1571-1630), particularmente con las leyes de Kepler . La historia de los aspectos descriptivos y teóricos del Sistema Solar se extiende principalmente desde finales del siglo XVI hasta finales del siglo XIX.
La astronomía teórica se basa en el trabajo de la astronomía observacional , la astrometría , la astroquímica y la astrofísica . La astronomía fue una de las primeras en adoptar técnicas computacionales para modelar la formación estelar y galáctica y la mecánica celeste. Desde el punto de vista de la astronomía teórica, la expresión matemática no sólo debe ser razonablemente precisa, sino que debe existir preferiblemente en una forma que sea susceptible de análisis matemático adicional cuando se utilice en problemas específicos. La mayor parte de la astronomía teórica utiliza la teoría newtoniana de la gravitación , considerando que los efectos de la relatividad general son débiles para la mayoría de los objetos celestes. La astronomía teórica no intenta predecir la posición, el tamaño y la temperatura de cada objeto en el universo , sino que en general se ha concentrado en analizar los movimientos aparentemente complejos pero periódicos de los objetos celestes.
"Contrariamente a la creencia generalizada de los físicos de laboratorio, la astronomía ha contribuido al crecimiento de nuestra comprensión de la física". [1] La física ha ayudado en el esclarecimiento de los fenómenos astronómicos, y la astronomía ha ayudado en el esclarecimiento de los fenómenos físicos:
Integrar la astronomía con la física implica
El objetivo de la astronomía es comprender la física y la química desde el laboratorio que está detrás de los acontecimientos cósmicos para enriquecer nuestra comprensión del cosmos y también de estas ciencias. [1]
La astroquímica , la superposición de las disciplinas de la astronomía y la química , es el estudio de la abundancia y las reacciones de elementos y moléculas químicos en el espacio, y su interacción con la radiación. La formación, composición atómica y química, evolución y destino de las nubes de gas molecular es de especial interés porque es a partir de estas nubes que se forman los sistemas solares.
La astronomía infrarroja, por ejemplo, ha revelado que el medio interestelar contiene un conjunto de compuestos complejos de carbono en fase gaseosa llamados hidrocarburos aromáticos, a menudo abreviados ( PAH o PAC). Se dice que estas moléculas compuestas principalmente de anillos de carbono fusionados (ya sea neutros o en estado ionizado) son la clase más común de compuestos de carbono en la galaxia. También son la clase más común de molécula de carbono en los meteoritos y en el polvo de cometas y asteroides ( polvo cósmico ). Estos compuestos, así como los aminoácidos, las nucleobases y muchos otros compuestos de los meteoritos, transportan deuterio ( 2 H) e isótopos de carbono, nitrógeno y oxígeno que son muy raros en la Tierra, lo que atestigua su origen extraterrestre. Se cree que los HAP se forman en ambientes circunestelares calientes (alrededor de estrellas gigantes rojas moribundas ricas en carbono ).
La escasez del espacio interestelar e interplanetario da como resultado una química inusual, ya que las reacciones prohibidas por la simetría no pueden ocurrir excepto en escalas de tiempo más largas. Por este motivo, las moléculas y los iones moleculares inestables en la Tierra pueden ser muy abundantes en el espacio, como por ejemplo el ion H 3 + . La astroquímica se superpone con la astrofísica y la física nuclear a la hora de caracterizar las reacciones nucleares que tienen lugar en las estrellas, las consecuencias para la evolución estelar y las "generaciones" estelares. De hecho, las reacciones nucleares en las estrellas producen todos los elementos químicos que ocurren naturalmente . A medida que avanzan las 'generaciones' estelares, aumenta la masa de los elementos recién formados. Una estrella de primera generación utiliza hidrógeno elemental (H) como fuente de combustible y produce helio (He). El hidrógeno es el elemento más abundante y es el componente básico de todos los demás elementos, ya que su núcleo tiene un solo protón . La atracción gravitacional hacia el centro de una estrella crea cantidades masivas de calor y presión, que provocan la fusión nuclear . A través de este proceso de fusión de masa nuclear, se forman elementos más pesados. El litio , el carbono , el nitrógeno y el oxígeno son ejemplos de elementos que se forman en la fusión estelar. Después de muchas generaciones estelares se forman elementos muy pesados (p. ej., hierro y plomo ).
Los astrónomos teóricos utilizan una amplia variedad de herramientas que incluyen modelos analíticos (por ejemplo, politropos para aproximar el comportamiento de una estrella ) y simulaciones numéricas computacionales . Cada uno tiene algunas ventajas. Los modelos analíticos de un proceso generalmente son mejores para dar una idea del meollo de lo que está sucediendo. Los modelos numéricos pueden revelar la existencia de fenómenos y efectos que de otro modo no se verían. [2] [3]
Los teóricos de la astronomía se esfuerzan por crear modelos teóricos y descubrir las consecuencias observacionales de esos modelos. Esto ayuda a los observadores a buscar datos que puedan refutar un modelo o ayudar a elegir entre varios modelos alternativos o en conflicto. [ cita necesaria ]
Los teóricos también intentan generar o modificar modelos para tener en cuenta nuevos datos. De acuerdo con el enfoque científico general, en caso de inconsistencia, la tendencia general es intentar realizar modificaciones mínimas al modelo para ajustarlo a los datos. En algunos casos, una gran cantidad de datos inconsistentes a lo largo del tiempo puede llevar al abandono total de un modelo. [ cita necesaria ]
Los temas estudiados por los astrónomos teóricos incluyen:
La relatividad astrofísica sirve como herramienta para medir las propiedades de estructuras a gran escala para las cuales la gravitación 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 en astronomía ampliamente aceptados y estudiados, 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:
La materia oscura y la energía oscura son los temas principales actuales en astronomía, [4] ya que su descubrimiento y controversia se originó durante el estudio de las galaxias.
De los temas abordados con las herramientas de la física teórica, a menudo se presta especial atención a las fotosferas estelares, las atmósferas estelares, la atmósfera solar, las atmósferas planetarias, las nebulosas gaseosas, las estrellas no estacionarias y el medio interestelar. Se presta especial atención a la estructura interna de las estrellas. [5]
La observación de una explosión de neutrinos a las 3 h de la explosión óptica asociada de la Supernova 1987A en la Gran Nube de Magallanes (LMC) dio a los astrofísicos teóricos la oportunidad de probar que los neutrinos y los fotones siguen las mismas trayectorias en el campo gravitacional de la galaxia. [6]
Se puede derivar una forma general de la primera ley de la termodinámica para agujeros negros estacionarios a partir de la integral funcional microcanónica del campo gravitacional. [7] Los datos de los límites
son las variables termodinámicas extensivas, incluyendo la energía y el momento angular del sistema. [7] Para el caso más simple de la mecánica no relativista, como se observa a menudo en los fenómenos astrofísicos asociados con el horizonte de sucesos de un agujero negro, la densidad de estados puede expresarse como una integral funcional en tiempo real y posteriormente usarse para deducir la integral funcional en tiempo imaginario de Feynman. para la función de partición canónica. [7]
Las ecuaciones de reacción y las grandes redes de reacción son una herramienta importante en la astroquímica teórica, especialmente en su aplicación a la química de granos de gas del medio interestelar. [8] La astroquímica teórica ofrece la posibilidad de poder imponer restricciones al inventario de compuestos orgánicos para su entrega exógena a la Tierra primitiva.
"Un objetivo importante de la astroquímica teórica es dilucidar qué compuestos orgánicos son de verdadero origen interestelar e identificar posibles precursores interestelares y vías de reacción para aquellas moléculas que son el resultado de alteraciones acuosas". [9] Una de las formas en que se puede lograr este objetivo es mediante el estudio del material carbonoso que se encuentra en algunos meteoritos. Las condritas carbonosas (tales como C1 y C2) incluyen compuestos orgánicos tales como aminas y amidas; alcoholes, aldehídos y cetonas; hidrocarburos alifáticos y aromáticos; ácidos sulfónicos y fosfónicos; ácidos amino, hidroxicarboxílico y carboxílico; purinas y pirimidinas; y material tipo kerógeno . [9] Los inventarios orgánicos de meteoritos primitivos muestran enriquecimientos grandes y variables en deuterio, carbono-13 ( 13 C) y nitrógeno-15 ( 15 N), lo que es indicativo de que conservan una herencia interestelar. [9]
La composición química de los cometas debería reflejar tanto las condiciones de la nebulosa solar exterior de unos 4,5 × 10 9 años como la naturaleza de la nube interestelar natal a partir de la cual se formó el Sistema Solar . [10] Si bien los cometas conservan una fuerte firma de sus orígenes interestelares finales, debe haber ocurrido un procesamiento significativo en la nebulosa protosolar. [10] Los primeros modelos de química del coma demostraron que las reacciones pueden ocurrir rápidamente en el coma interno, donde las reacciones más importantes son las reacciones de transferencia de protones. [10] Tales reacciones pueden potencialmente hacer circular el deuterio entre las diferentes moléculas de coma, alterando las proporciones iniciales D/H liberadas del hielo nuclear y necesitando la construcción de modelos precisos de la química del deuterio cometario, de modo que las observaciones del coma en fase gaseosa puedan realizarse de forma segura. extrapolado para dar relaciones nucleares D / H. [10]
Si bien las líneas de comprensión conceptual entre la astroquímica teórica y la astronomía química teórica a menudo se vuelven borrosas, de modo que los objetivos y las herramientas son los mismos, existen diferencias sutiles entre las dos ciencias. La química teórica aplicada a la astronomía busca encontrar nuevas formas de observar sustancias químicas en los objetos celestes, por ejemplo. Esto a menudo lleva a que la astroquímica teórica tenga que buscar nuevas formas de describir o explicar esas mismas observaciones.
La nueva era de la astronomía química tuvo que esperar a la clara enunciación de los principios químicos de la espectroscopia y la teoría aplicable. [11]
La radiactividad de las supernovas domina las curvas de luz y la química de la condensación del polvo también está dominada por la radiactividad. [12] El polvo suele ser carbono u óxidos, dependiendo de cuál sea más abundante, pero los electrones Compton disocian la molécula de CO en aproximadamente un mes. [12] La nueva astronomía química de los sólidos de supernova depende de la radiactividad de la supernova:
Al igual que la astronomía química teórica, las líneas de comprensión conceptual entre la astrofísica teórica y la astronomía física teórica a menudo son borrosas, pero, nuevamente, existen diferencias sutiles entre estas dos ciencias. La física teórica aplicada a la astronomía busca encontrar nuevas formas de observar fenómenos físicos en los objetos celestes y qué buscar, por ejemplo. Esto a menudo lleva a que la astrofísica teórica tenga que buscar nuevas formas de describir o explicar esas mismas observaciones, con la esperanza de que una convergencia mejore nuestra comprensión del entorno local de la Tierra y el Universo físico .
Los elementos de la matriz nuclear de los operadores relevantes extraídos de datos y de un modelo de capa y aproximaciones teóricas tanto para los modos de desintegración con dos neutrinos como sin neutrinos se utilizan para explicar los aspectos de interacción débil y estructura nuclear de la desintegración doble beta nuclear. [13]
Por primera vez se han producido de forma inequívoca nuevos isótopos ricos en neutrones, 34 Ne, 37 Na y 43 Si, y se han obtenido pruebas convincentes de la inestabilidad de las partículas de otros tres, 33 Ne, 36 Na y 39 Mg. [14] Estos hallazgos experimentales se comparan con predicciones teóricas recientes. [14]
Hasta hace poco todas las unidades de tiempo que nos parecen naturales están causadas por fenómenos astronómicos:
La alta precisión parece problemática:
Algunas de estas escalas estándar de tiempo son el tiempo sideral , el tiempo solar y el tiempo universal .
Del Systeme Internationale (SI) procede el segundo, definido por la duración de 9.192.631.770 ciclos de una determinada transición de estructura hiperfina en el estado fundamental del cesio-133 ( 133 Cs). [15] Para una usabilidad práctica, se requiere un dispositivo que intente producir los segundos SI, como un reloj atómico . Pero no todos estos relojes coinciden. La media ponderada de muchos relojes distribuidos por toda la Tierra define el Temps Atomique International ; es decir, el TAI del Tiempo Atómico. [15] Desde la teoría general de la relatividad, el tiempo medido depende de la altitud en la tierra y de la velocidad espacial del reloj, por lo que TAI se refiere a un lugar al nivel del mar que gira con la Tierra. [15]
Dado que la rotación de la Tierra es irregular, cualquier escala de tiempo derivada de ella como la hora media de Greenwich conducía a problemas recurrentes a la hora de predecir las Efemérides para las posiciones de la Luna , el Sol , los planetas y sus satélites naturales . [15] En 1976, la Unión Astronómica Internacional (IAU) resolvió que la base teórica para el tiempo de efemérides (ET) era totalmente no relativista y, por lo tanto, a partir de 1984 el tiempo de efemérides sería reemplazado por dos escalas de tiempo adicionales con margen para correcciones relativistas. . Sus nombres, asignados en 1979, [16] enfatizaban su naturaleza u origen dinámico, Tiempo Dinámico Baricéntrico (TDB) y Tiempo Dinámico Terrestre (TDT). Ambos se definieron para la continuidad con ET y se basaron en lo que se había convertido en el segundo estándar SI, que a su vez se había derivado del segundo medido de ET.
Durante el período 1991-2006, las escalas temporales TDB y TDT fueron redefinidas y reemplazadas debido a dificultades o inconsistencias en sus definiciones originales. Las escalas de tiempo relativistas fundamentales actuales son el tiempo de coordenadas geocéntricas (TCG) y el tiempo de coordenadas baricéntricas (TCB). Ambos tienen velocidades que se basan en el segundo SI en sus respectivos marcos de referencia (e hipotéticamente fuera del pozo de gravedad relevante), pero debido a efectos relativistas, sus velocidades parecerían ligeramente más rápidas cuando se observaran en la superficie de la Tierra y, por lo tanto, divergirían de las locales. Escalas de tiempo terrestres que utilizan el segundo SI en la superficie de la Tierra. [17]
Las escalas de tiempo IAU actualmente definidas también incluyen el Tiempo Terrestre (TT) (que reemplaza al TDT, y ahora se define como una reescalación de TCG, elegida para darle a TT una velocidad que coincida con el segundo SI cuando se observa en la superficie de la Tierra), [18] y un tiempo dinámico baricéntrico (TDB) redefinido, una reescalación de TCB para darle a TDB una velocidad que coincida con el segundo SI en la superficie de la Tierra.
Para una estrella , la escala de tiempo dinámica se define como el tiempo que le tomaría a una partícula de prueba liberada en la superficie caer bajo el potencial de la estrella hasta el punto central, si las fuerzas de presión fueran insignificantes. En otras palabras, la escala de tiempo dinámica mide la cantidad de tiempo que le tomaría a una determinada estrella colapsar en ausencia de presión interna . Mediante una manipulación adecuada de las ecuaciones de la estructura estelar, se puede encontrar que esto es
donde R es el radio de la estrella, G es la constante gravitacional , M es la masa de la estrella y v es la velocidad de escape . Por ejemplo, la escala de tiempo dinámica del Sol es de aproximadamente 1133 segundos. Tenga en cuenta que el tiempo real que le tomaría a una estrella como el Sol colapsar es mayor porque hay presión interna.
El modo oscilatorio "fundamental" de una estrella será aproximadamente en la escala de tiempo dinámica. Las oscilaciones a esta frecuencia se observan en las variables cefeidas .
Las características básicas de la navegación astronómica aplicada son
La superioridad de los sistemas de navegación por satélite sobre la navegación astronómica es actualmente innegable, especialmente con el desarrollo y uso de GPS/NAVSTAR. [19] Este sistema global de satélites
La astronomía geodésica es la aplicación de métodos astronómicos en redes y proyectos técnicos de geodesia para
Los algoritmos astronómicos son los algoritmos utilizados para calcular efemérides , calendarios y posiciones (como en la navegación celeste o la navegación por satélite ).
Muchos cálculos astronómicos y de navegación utilizan la figura de la Tierra como superficie que representa la Tierra.
El Servicio Internacional de Sistemas de Referencia y Rotación de la Tierra (IERS), anteriormente Servicio Internacional de Rotación de la Tierra, es el organismo responsable de mantener los estándares globales de tiempo y marcos de referencia , en particular a través de sus grupos de Parámetros de Orientación de la Tierra (EOP) y Sistema Internacional de Referencia Celestial (ICRS). .
La Red de Espacio Profundo , o DSN , es una red internacional de grandes antenas e instalaciones de comunicación que respalda misiones de naves espaciales interplanetarias y observaciones astronómicas por radio y radar para la exploración del Sistema Solar y el universo . La red también apoya misiones seleccionadas en órbita terrestre. DSN es parte del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA (JPL).
Un observador se convierte en explorador del espacio profundo al escapar de la órbita de la Tierra. [20] Si bien la Red de Espacio Profundo mantiene la comunicación y permite la descarga de datos desde una embarcación exploratoria, cualquier sondeo local realizado por sensores o sistemas activos a bordo generalmente requiere navegación astronómica, ya que no existe la red circundante de satélites para garantizar un posicionamiento preciso.
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