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, predecir las consecuencias observacionales de esos modelos. La observación de un fenómeno predicho por un modelo permite a los astrónomos seleccionar entre varios modelos alternativos o conflictivos el que mejor describe el fenómeno.
El Almagesto de Ptolomeo , aunque es un brillante tratado sobre astronomía teórica combinado con un manual práctico para el cálculo, incluye, sin embargo, compromisos para reconciliar observaciones discordantes con un modelo geocéntrico . Se suele suponer que la astronomía teórica moderna comenzó con el trabajo de Johannes Kepler (1571-1630), en particular con las leyes de Kepler . La historia de los aspectos descriptivos y teóricos del Sistema Solar abarca 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, no solo la expresión matemática debe ser razonablemente precisa, sino que preferiblemente debe existir en una forma que sea susceptible de un mayor análisis matemático cuando se utiliza en problemas específicos. La mayor parte de la astronomía teórica utiliza la teoría de la gravitación de Newton , 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 generalmente sostenida por los físicos de laboratorio, la astronomía ha contribuido al crecimiento de nuestra comprensión de la física". [1] La física ha ayudado a dilucidar los fenómenos astronómicos, y la astronomía ha ayudado a dilucidar los fenómenos físicos:
La integración de la astronomía con la física implica:
El objetivo de la astronomía es comprender la física y la química de laboratorio que están detrás de los eventos 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 los elementos químicos y las moléculas en el espacio, y su interacción con la radiación. La formación, la composición atómica y química, la evolución y el 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 como PAH o PAC. Se dice que estas moléculas compuestas principalmente de anillos fusionados de carbono (ya sea neutro o en estado ionizado) son la clase más común de compuesto de carbono en la galaxia. También son la clase más común de molécula de carbono en meteoritos y en el polvo cometario y asteroidal ( polvo cósmico ). Estos compuestos, así como los aminoácidos, nucleobases y muchos otros compuestos en meteoritos, llevan 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 PAH se forman en entornos circunestelares calientes (alrededor de estrellas gigantes rojas ricas en carbono moribundas ).
La escasez del espacio interestelar e interplanetario da lugar a una química inusual, ya que las reacciones prohibidas por la simetría no pueden ocurrir excepto en las escalas de tiempo más largas. Por esta razón, las moléculas y los iones moleculares que son inestables en la Tierra pueden ser muy abundantes en el espacio, por ejemplo el ion H 3 + . La astroquímica se superpone con la astrofísica y la física nuclear en la caracterización de las reacciones nucleares que ocurren en las estrellas, las consecuencias para la evolución estelar , así como las "generaciones" estelares. De hecho, las reacciones nucleares en las estrellas producen todos los elementos químicos naturales . 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 bloque de construcción básico para todos los demás elementos, ya que su núcleo tiene solo un protón . La atracción gravitatoria hacia el centro de una estrella crea cantidades masivas de calor y presión, que causan la fusión nuclear . A través de este proceso de fusión de masas nucleares 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 (por ejemplo, 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 son generalmente mejores para dar una idea 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 conflictivos. [ cita requerida ]
Los teóricos también intentan generar o modificar modelos para tener en cuenta nuevos datos. En consonancia con el enfoque científico general, en caso de inconsistencia, la tendencia general es intentar realizar modificaciones mínimas al modelo para que se ajuste 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 requerida ]
Los temas estudiados por los astrónomos teóricos incluyen:
La relatividad astrofísica sirve como herramienta para medir las propiedades de estructuras a gran escala en las que la gravitación juega un papel importante en los fenómenos físicos investigados y como base para la 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:
La materia oscura y la energía oscura son los temas principales actuales en astronomía, [4] ya que su descubrimiento y controversia se originaron durante el estudio de las galaxias.
Entre los temas abordados con las herramientas de la física teórica, se suele prestar 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 dentro de las 3 horas siguientes a 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]
Una forma general de la primera ley de la termodinámica para agujeros negros estacionarios se puede derivar de la integral funcional microcanónica para el campo gravitacional. [7] Los datos de contorno
son las variables termodinámicas extensivas, incluyendo la energía y el momento angular del sistema. [7] Para el caso más simple de mecánica no relativista como se observa a menudo en fenómenos astrofísicos asociados con un horizonte de eventos de agujero negro, la densidad de estados se puede expresar como una integral funcional en tiempo real y posteriormente usarse para deducir la integral funcional de 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 cuando se aplica a la química de los 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 para 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 (como C1 y C2) incluyen compuestos orgánicos como aminas y amidas; alcoholes, aldehídos y cetonas; hidrocarburos alifáticos y aromáticos; ácidos sulfónicos y fosfónicos; ácidos amino, hidroxicarboxílicos y carboxílicos; purinas y pirimidinas; y material de tipo kerógeno . [9] Los inventarios orgánicos de los meteoritos primitivos muestran enriquecimientos grandes y variables en deuterio, carbono-13 ( 13 C) y nitrógeno-15 ( 15 N), lo que es indicativo de su retención de una herencia interestelar. [9]
La composición química de los cometas debería reflejar tanto las condiciones de la nebulosa solar exterior (unas 4,5 × 10 9 ayr) 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 la química de la coma mostraron que las reacciones pueden ocurrir rápidamente en la coma interna, donde las reacciones más importantes son las de transferencia de protones. [10] Tales reacciones pueden potencialmente ciclar el deuterio entre las diferentes moléculas de la coma, alterando las proporciones iniciales D/H liberadas del hielo nuclear y requiriendo la construcción de modelos precisos de la química del deuterio cometario, de modo que las observaciones de la coma en fase gaseosa puedan extrapolarse con seguridad para dar proporciones D/H nucleares. [10]
Si bien las líneas de entendimiento conceptual entre la astroquímica teórica y la astronomía química teórica suelen desdibujarse, de modo que los objetivos y las herramientas son los mismos, existen diferencias sutiles entre ambas ciencias. La química teórica aplicada a la astronomía busca encontrar nuevas formas de observar las sustancias químicas en los objetos celestes, por ejemplo. Esto a menudo lleva a la astroquímica teórica a tener que buscar nuevas formas de describir o explicar esas mismas observaciones.
La nueva era de la astronomía química tuvo que esperar la enunciación clara 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 estar compuesto de 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 las supernovas depende de la radiactividad de las supernovas:
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 objetos celestes y qué buscar, por ejemplo. Esto a menudo lleva a la astrofísica teórica a tener que buscar nuevas formas de describir o explicar esas mismas observaciones, con la esperanza de que se produzca una convergencia para mejorar nuestra comprensión del entorno local de la Tierra y el Universo físico .
Se utilizan elementos de la matriz nuclear de operadores relevantes extraídos de datos y de un modelo de capas y aproximaciones teóricas tanto para los modos de desintegración de dos neutrinos como para los modos sin neutrinos para explicar los aspectos de interacción débil y estructura nuclear de la desintegración beta doble 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 ha obtenido evidencia convincente de la inestabilidad de 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 Sistema Internacional (SI) proviene el segundo, definido por la duración de 9 192 631 770 ciclos de una transición de estructura hiperfina particular en el estado fundamental del cesio-133 ( 133 Cs). [15] Para su uso práctico se requiere un dispositivo que intente producir el segundo (s) del SI, como un reloj atómico . Pero no todos estos relojes concuerdan. La media ponderada de muchos relojes distribuidos por toda la Tierra define el Temps Atomique International ; es decir, el Tiempo Atómico TAI. [15] De la teoría general de la relatividad, el tiempo medido depende de la altitud en la Tierra y de la velocidad espacial del reloj, de modo que TAI se refiere a una ubicación en el nivel del mar que gira con la Tierra. [15]
Como la rotación de la Tierra es irregular, cualquier escala de tiempo derivada de ella, como el tiempo medio de Greenwich, condujo a problemas recurrentes en la predicción de las efemérides para las posiciones de la Luna , el Sol , los planetas y sus satélites naturales . [15] En 1976, la Unión Astronómica Internacional (UAI) resolvió que la base teórica del 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 más con margen para correcciones relativistas. Sus nombres, asignados en 1979, [16] enfatizaron su naturaleza dinámica u origen, el tiempo dinámico baricéntrico (TDB) y el tiempo dinámico terrestre (TDT). Ambos se definieron para la continuidad con el ET y se basaron en lo que se había convertido en el segundo estándar del SI, que a su vez se había derivado del segundo medido del ET.
Durante el período 1991-2006, las escalas de tiempo 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). Ambas tienen tasas que se basan en el segundo del SI en los respectivos marcos de referencia (e hipotéticamente fuera del pozo gravitatorio relevante), pero debido a los efectos relativistas, sus tasas parecerían ligeramente más rápidas cuando se observan en la superficie de la Tierra y, por lo tanto, divergen de las escalas de tiempo locales basadas en la Tierra que utilizan el segundo del SI en la superficie de la Tierra. [17]
Las escalas de tiempo de la UAI definidas actualmente también incluyen el Tiempo Terrestre (TT) (que reemplaza al TDT, y ahora definido como un reescalamiento del TCG, elegido para dar al TT una tasa que coincida con el segundo del SI cuando se observa en la superficie de la Tierra), [18] y un Tiempo Dinámico Baricéntrico (TDB) redefinido, un reescalamiento del TCB para dar al TDB una tasa que coincida con el segundo del SI en la superficie de la Tierra.
Para una estrella , la escala de tiempo dinámica se define como el tiempo que tardaría una partícula de prueba liberada en la superficie en 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 tardaría una determinada estrella en colapsar en ausencia de cualquier presión interna . Mediante la manipulación adecuada de las ecuaciones de la estructura estelar, se puede determinar que esto es
donde R es el radio de la estrella, G es la constante gravitacional , M es la masa de la estrella, ρ la densidad del gas estelar (aquí se supone constante) y v es la velocidad de escape . Como ejemplo, la escala de tiempo dinámico del Sol es de aproximadamente 1133 segundos. Nótese 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 se dará 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 hoy innegable, especialmente con el desarrollo y uso del GPS/NAVSTAR. [19] Este sistema satelital global
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 marcos de referencia y tiempo , en particular a través de sus grupos de Parámetros de Orientación de la Tierra (EOP) y Sistema Internacional de Referencia Celeste (ICRS).
La Red del Espacio Profundo ( DSN , por sus siglas en inglés) 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 respalda misiones seleccionadas en órbita terrestre. La DSN es parte del Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL, por sus siglas en inglés) de la NASA .
Un observador se convierte en un 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 nave exploratoria, cualquier sondeo local realizado por sensores o sistemas activos a bordo generalmente requiere navegación astronómica, ya que no existe una red de satélites que la encierre para garantizar un posicionamiento preciso.
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