Download Astrofísica

Astrofísica
Asignatura optativa, 6 ECTS
Licenciatura de Física, UM
Profesor: Javier Bussons Gordo
apuntes basados en la asignatura de Astronomía General
de la Universidad de Cantabria (Francisco Carrera) y
en “Astronomía fundamental” (V.J.Martínez,
J.A.Miralles, E.Marco, D.Galadí – Universidad de
Valencia)
Programa
•
•
•
•
•
•
•
•
Introducción: Objetivos e Historia
Astronomía de posición y mecánica celeste
Procesos Físicos en Astronomía
Observables e Instrumentación
El Sol y el Sistema Solar
Estrellas
Galaxias y Galaxias Activas
Astrobiología: vida en el Universo
1. Introducción
• ¿Qué tiene que explicar la Astronomía?
– Movimientos de los astros →Astronomía
– Composición, propiedades físicas... →Astrofísica
– Origen... → Cosmología
• ¿Cómo lo ha ido explicando a lo largo del
tiempo?
→ Historia de la Astronomía
Movimientos de los astros
• A simple vista:
– Estrellas: movimiento diurno
– Sol: movimiento diurno y anual
– Luna: movimiento diurno, periódico y fases
– Planetas (errantes): Mercurio, Venus,
Marte, Júpiter, Saturno
– Cometas, metoros...
Astronomía antigua
• Utilidad primordial: predecir
estaciones, medir tiempo y
posiciones
• También eclipses...
• Stonehenge (2000 A.C.):
alineaciones
• Egipto (3000 A.C.): inundaciones del Nilo, orientación pirámides
• Mesopotamia (2000 A.C.-): sistema de numeración en base 12
→ horas del día
→ constelaciones del Zodíaco
→ división de los ángulos en 60
– Registro de datos durante muchos años
Astronomías china y maya
• Astronomía china (1300 A.C.-):
– Datos recopilados durante ~2600 años
•
•
•
•
Cometas (Halley ≥466 A.C.!)
Novas y supernovas
Eclipses
Medida de la duración del año, precesión y predicción eclipses
– Muy ligada a la Astrología
– En decadencia a partir de la Edad Media
• Mayas (0-1000 DC):
– duración del año con mucha exactitud
– importancia de Venus
Astronomía griega
•
•
Muy extendida en el tiempo, influencia egipcia y
mesopotámica
Nace la Astronomía como Ciencia:
– racionalidad
– geometría
•
Pitágoras, Eudoxus,Aristóteles:
–
–
–
–
•
Tierra esférica
Luna brilla por la luz del Sol
Modelos matemáticos con esferas
Dos mundos: supralunar perfecto y sublunar
Aristarco,Eratóstenes: geometría
– Distancia Tierra-Sol y Tierra-Luna
– Diámetro Tierra
•
Hiparco de Nicea:
– Sistema de magnitudes
– Catálogo de 850 estrellas
– Precesión de los equinoccios (~45”/año)
•
Ptolomeo:
– Escribió el Almagesto en 13 vols.
– Amplió el catálogo de Hiparco
– Modelo ptolemaico
Modelos
geocéntricos
• Todos los astros giran alrededor de la Tierra
(~)
• Las estrellas en la esfera celeste
• Astros son perfectos
• Modelo geocéntrico “puro” no podía explicar
movimiento retrógrado de planetas
• Modelo Ptolemaico:
– Combinación de movimientos circulares
– Bastante complejo:
¡La Tierra no está en el centro!
¡El movimiento no es circular y uniforme!
– Modelo Ptolemaico usado durante casi 1500
años
• Problemas con modelo heliocéntrico:
– Ausencia de paralaje estelar
– Ausencia de sensación de movimiento
Astronomía en la Edad Media
• Los conocimientos de los griegos fueron
heredados, aumentados y transmitidos
por los árabes:
– Navegación
– Oblicuidad de la eclíptica, precesión
– Nombres de estrellas: Betelgeuse, Mizar,
Alcor, Algol, Deneb, Altair, Aldebarán...
• Siglo XI, Azarquiel: Tablas toledanas
• Siglo XII, Escuela de Toledo (Alfonso X):
– Traducción del Almagesto al latín
– Tablas Alfonsinas, referencia obligada
posterior
El nacimiento de la
Astronomía moderna
• Contacto con los árabes y con Bizancio
• Siglo XIII:
– Universidades establecidas
– Empezaba a darse importancia a la
experimentación sobre la tradición (R. Bacon)
• Nuevas observaciones en desacuerdo
con el modelo ptolemaico
• Renacimiento:
– intercambio de ideas
– confianza en las capacidades humanas
Copérnico (1473-1543)
• Primer modelo heliocéntrico
completo
De revolutionibus Orbium Celestium
– Sol en el centro y planetas en órbitas
circulares uniformes
– explicación natural del movimiento
retrógrado
– planetas interiores y exteriores,
distancias
– todavía con epiciclos
• No fue generalmente aceptado:
– paralaje...
Tycho Brahe (1546-1601)
• El mejor observador pre-telescópico
• Observatorio y taller (Uraniborg,
Dinamarca)
• Instrumentos de gran tamaño y fijos →
precisión de 1’ (3% diámetro Luna)
• Observaciones continuas
• Observó nova y cometa (celestes)
• Ausencia de paralaje estelar (y medida
diámetro?!)
→ Rechazo del modelo heliocéntrico
→ Modelo de Tycho: Sol, Luna alrededor Tierra,
los demás alrededor del Sol
•
Al final de su vida se mudó a Praga→
Encontró a Kepler al que legó datos de 30
años de observaciones
Johannes Kepler (1571-1629)
• Análisis de la órbita de Marte:
– Modelo órbitas circulares >8’ datos
• Tres leyes de Kepler (1609,1619):
– Los planetas se mueven alrededor del Sol en
órbitas elípticas, con el Sol en un foco
– La línea que une el planeta con el Sol barre áreas
iguales en tiempos iguales
– El cociente entre el cuadrado del período y el cubo
del semieje mayor es el mismo para todos los
planetas
Galileo Galilei (1564-1642)
• El primero en observar sistemáticamente
el cielo con un telescopio (1609):
–
–
–
–
–
–
La Vía Láctea formada por muchas estrellas
Manchas solares y rotación del Sol
Luna tiene cráteres y montañas
Fases de Venus
Anillos de Saturno
Satélites de Júpiter (Io, Ganímedes, Europa y
Calixto) que giran alrededor de Júpiter
Galileo Galilei (1564-1642)
• Modelos/teorías:
• Observaciones:
– Las estrellas son puntuales
– Manchas solares y rotación del
Sol
– Luna tiene cráteres y montañas
– Fases de Venus
– Satélites de Júpiter (Io,
Ganímedes, Europa y Calixto)
que giran alrededor de Júpiter
– Medida diámetro estelar
– Objetos celestes esferas
perfectas
– Venus orbita alrededor de la
Tierra
• Consecuencias:
– Estrellas muy lejos
– Cuerpos celestes pueden rotar
– La Tierra y la Luna son cuerpos
celestes
– Venus gira alrededor del Sol
– La Tierra no tiene que ser el
centro de todos los movimientos
El modelo heliocéntrico
• Después de los trabajos de Copérnico, Galileo y
Kepler, el modelo heliocéntrico acabó imponiéndose:
– simple
– elegante
– preciso
• Sin prueba directa definitiva hasta mediados del s.
XVIII
Isaac Newton
(1643-1727)
• Philosophia naturalis principia
mathematica (1687)
• Ley de la gravitación Universal:
– F=GMm/r2
– Mismos principios físicos en la Tierra
y en los cuerpos celestes
– Explicación física de las leyes de
Kepler
• Estudio de la luz:
– Descomposición en colores de la luz
(aberración cromática)
– Desarrollo de telescopios reflectores,
que son los que se usan ahora
Desarrollo de la Astronomía observacional
• Edmond Halley (1656-1742), cometa (P=76 a.) y catálogo
de 3000 estrellas (iniciado por Flamsteed)
– Movimientos propios de las estrellas
• James Bradley (1693-1762):
– aberración de la luz (movimiento Tierra y c)
– nutación eje rotación Tierra
• F.W. Bessel (1784-1846), catálogo:
– paralaje anual de una estrella 61 Cygni (1/3”)
• W. Herschel (1738-1822):
–
–
–
–
1781 planeta Urano:
Aplicación de la estadística a la Astronomía
Forma de la Galaxia
Luz infrarroja
• C. Messier (1730-1817): catálogo nebulosas
• J. Le Verrier (1811-1877): Neptuno (1846)
• C. Tombaugh (1906-1997): Plutón (1930)
Nacimiento de la Astrofísica
• J. Fraunhofer (1787-1826):
– espectro constituido por líneas oscuras
• G. Kirchhoff (1824-1887)/R. Bunsen
(1811-1899)
– Relación entre espectro y composición
• A.J. Ånsgtröm (1814-1874):
– H en espectro del Sol
→ Composición astros=composición Tierra
→ Espectroscopía es una herramienta
astrofísica
Nacimiento de la
Astrofísica
• A. Secchi (1818-1878):
– Analizó espectro 4000 estrellas
→ Clasificación estelar
• E. Hertzprung (1873-1967)/H.N. Russell
(1877-1957)
– Diagrama color-magnitud
→ Desarrollo teorías evolución estelar
Nacimiento de la Cosmología
• H. Leavitt (1868-1921):
– Relación P-L de estrellas Cefeidas
→ Distancia a otras galaxias
• H. Shapley (1885-1972):
• Sol no en centro Galaxia
• E. Hubble (1889-1953):
• 1924: M31 es otra galaxia como Vía Láctea
• 1929: v ∝ D
→ Expansión del Universo
• A. Einstein (1879-1955): teoría de la gravitación
→ Estructura y evolución estelar
→ Evolución del Universo
• A. Eddington (1882-1944):
• Comprobación teoría de la Relatividad General
• Relación masa-luminosidad de las estrellas
Cosmología moderna
• 1962 M. Schmidt:
– Descubrimiento del primer cuásar
→ Fuentes altísima luminosidad ~cte
→ Agujeros negros supermasivos
• 1964: Penzias y Wilson:
– Fondo Cósmico de Microondas
→ Big Bang
• 1980s CfA:
– Estructura a gran escala: paredes y
vacíos