¿Qué es la astrofísica? Introducción a la astrofísica PDF Imprimir E-mail
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Miércoles, 07 de Mayo de 2008 19:34

La Astrofísica estudia el origen, estructura y evolución de los objetos celestes para lo cual recurre a su investigación cuantitativa y a las leyes físicas que los gobiernan. Pero su lejanía y la naturaleza de los fenómenos estudiados confieren a esta disciplina un carácter singular en relación con otras ramas de la Física. Exceptuando los planetas y otros objetos del sistema solar, que constituyen una fracción insignificante y poco representativa del Universo, no podemos elegir el instante y lugar de observación ni influir, modificar propiedades y obtener muestras de un astro para realizar análisis directos en laboratorio. Todo lo que conocemos acerca de ellos proviene de su observación pasiva, del estudio detallado de la radiación que emiten, observada primero a simple vista y luego mediante telescopios de diferentes tipos y tamaños, instalados en tierra y en satélites artificiales.

Otras características diferenciales de la investigación astrofísica son las escalas de magnitudes de los fenómenos que estudia, cuyo rango supera de lejos el de las experiencia realizadas en los laboratorios terrestres. La unidad de distancia es el parsec (1 pc = 3.086 x 10^13 km = 3.26 años luz) pero en el universo extragaláctico es utilizado el megaparsec (1 Mpc = 106 pc). El tamaño de las estructuras puede variar entre 2x10-5 cm ( granos de polvo interestelar) a 1022 km (supercúmulos de galaxias), las temperaturas entre 10 K en la regiones de hidrógeno neutro (HI) y 109 K en la explosión de supernovas; las densidades pasan de 10-26 g/cm3 (regiones H I) a 1016 g/cm3 ( agujeros negros) y los campos magnéticos son de 10-10 teslas en el medio interestelar y alcanzan las 108 teslas en las estrellas de neutrones. Rangos que pueden ser todavía más amplios si incluimos las condiciones físicas presentes en las diversas etapas del universo primigenio. Es fácil comprender entonces el importante papel que puede desempeñar la Astrofísica para el control de teorías en condiciones físicas imposibles de conseguir en los laboratorios terrestres.

Antecedentes históricos

La Astrofísica tiene su origen en la Astronomía, la más antigua de las ciencias. Desde la más remota antigüedad surgen testimonios mostrando la importancia que el hombre atribuía a los fenómenos celestes y la información recopilada con el fin de establecer un calendario, medir el tiempo y obtener ayudas en la navegación. Y es que la observación más simple permite descubrir la regularidad del movimiento aparente de los astros: las salidas y puestas del Sol y de la Luna, las distintas fases de ésta, los eclipses de ambos, la trayectorias de los planetas, la posición del Sol en el Zodíaco y el retorno de las estaciones. EI cielo proporcionaba referencias a los pueblos migradores e indicaciones a los sedentarios sobre las épocas más convenientes para la siembra y recogida de las cosechas.

Esta astronomía primitiva estuvo estrechamente relacionada con aspectos mágicos, mitológicos e ideas religiosas y filosóficas. La existencia de una indudable relación entre algunos fenómenos astronómicos y el desarrollo de la vida en la Tierra, fundamentaría probablemente una primera idea acerca de la unidad de la naturaleza, singularizando sucesos como los eclipses y la presencia de los cometas, que tendrían un significado excepcional. Es comprensible que se imputara a los objetos celestes la posibilidad de condicionar el destino de los hombres y que, consecuentemente, ello diera lugar a verdaderos cultos astrolátricos. Así por ejemplo, los caldeos tenían siete divinidades: EI Sol, la Luna y los cinco planetas observables a simple vista. Los babilonios adoraban al Sol, y también los egipcios bajo el nombre de Ra. Estos últimos atribuían dos identidades a Venus y consideraban la Vía Láctea como el Nilo celeste.

El estudio del cielo, en el sentido actual del término, comienza en la antigua Grecia, donde fue planteado de manera más original y precisa. Allí consiguieron medir distancias sobre la Tierra y posiciones de cuerpos celestes proporcionando, con ayuda de la geometría, las primeras estimaciones realistas de las distancias y tamaños de los objetos externos, la descripción de las órbitas de la Luna y algunos planetas, de los que llegaron a predecir con antelación sus posiciones. Platón presentaría en sus Diálogos, preferentemente en Timeo, una teoría astronómica inspirada en la escuela de Pitágoras: la Tierra, inmóvil, está en el centro de un universo cerrado y dividido en nueve esferas concéntricas, de las cuales la última contiene las estrellas, que están fijas en ella, y gira de Este a Oeste alrededor del eje de la Tierra. Cada una de las esferas interiores comprende la Luna, el Sol y los planetas visibles. Todas rotan uniformemente alrededor de un eje perpendicular al plano de la eclíptica. La inmovilidad de la Tierra, el antropocentrismo, los movimientos circulares de los cuerpos celestes, la ausencia de la noción de vacío, el espacio comprendido entre la Tierra y la esfera solar estaba ocupado por el éter, son las bases de los sistemas astronómicos elaborados posteriormente, que sólo serán desechados tras los trabajos de Copérnico y Kepler.

La astronomía griega alcanza su culminación con Ptolomeo de Alejandría ( 150 DC) quien a partir de trabajos anteriores de Hiparco y utilizando los postulados físicos de Aristóteles, elabora un sistema articulado en el Almagesto (en árabe, el más grande), que sería utilizado por todos los astrónomos hasta el siglo XVI. Este tratado, en trece volúmenes, incluía también un catálogo estelar con las posiciones y magnitudes (en una escala de 1 a 6) de 1022 estrellas.

La Astronomía moderna inicia su desarrollo con Nicolás Copérnico (1473-1543) quien el año de su muerte publica un trabajo de importancia capital, De revolutionibus orbium caelestium. La Tierra ya no permanece inmóvil en el centro del universo, sino que está animada de un doble movimiento: de rotación sobre ella misma, en 24 horas, y de revolución alrededor del Sol, en un año. También establece movimientos similares para los planetas y satélites, configurando un sistema más simple que el de Ptolomeo, aunque mantiene como él los movimientos circulares.

Una aportación fundamental en el desarrollo de la nueva astronomía es debida a Tycho Brahe (1546-1601) cuya importancia es debida, más que a sus trabajos teóricos, a los observacionales, realizados metódica y sistemáticamente, a diferencia de sus antecesores, que registraban únicamente posiciones notables de la Luna, del Sol y de los planetas. La labor de Tycho Brahe, que pasaría a la historia de la astronomía, sentó las bases que facilitarían a su discípulo Johannes Kepler (1571-1630), el descubrimiento de las famosas leyes que rigen el movimiento de los planetas. Los trabajos de éste, Astronomía Nova y Epitome, publicados en 1609 y 1618, respectivamente, marcan el abandono de las órbitas circulares y la ruptura definitiva con unos conceptos tradicionales que estaban profundamente arraigados. Kepler aplicó también sus teorías a los satélites de Júpiter, descubiertos por Galileo Galilei con ayuda de un pequeño anteojo, cuya introducción en la observación astronómica constituye uno de los hitos de la astronomía moderna. AI defender las tesis de Copérnico, tanto Kepler como Galileo padecieron en diferentes grados las consecuencias de la desaprobación de sus jerarquías religiosas, Iuterana y católica respectivamente.

La publicación de los Principia en 1685 por Isaac Newton ( 1643-1727) marca uno de los puntos culminantes de la ciencia moderna, las leyes de Kepler quedan incluidas en un sistema físico que explica una serie de fenómenos naturales como las estaciones del año, las mareas, los movimientos de los astros, mediante un conjunto consistente de leyes de carácter general que podían ser probadas en un laboratorio.

En este punto la Astronomía y la Astrología inician caminos diferentes y desde entonces no tienen ningún punto común. Mientras que la primera busca una explicación mecanicista de los fenómenos naturales aplicando leyes formuladas consistentemente y controladas en laboratorio, la Astrología tiene como objetivos la realización de predicciones sobre la personalidad de los individuos y de los sucesos, basándose en las posiciones relativas de los astros. Los controles experimentales y análisis estadísticos efectuados sobre éstos y otros aspectos englobados en lo que actualmente recibe el nombre de Astrología, permiten afirmar que ésta no solamente carece de bases científicas, sino que su difusión fomenta la irracionalidad y el oscurantismo.

Durante el siglo XVIII tienen lugar aportaciones importantes en el campo de la astronomía observacional que constituyeron la base observacional para el estudio del Universo a gran escala. Charles Messier, presentó en la Academia de Ciencias de Francia en 1771, el primer catálogo de nebulosas y asociaciones de cúmulos estelares, descubiertas u observadas por él. Trece años más tarde publicaría una revisión incluyendo otras 103 nebulosas o cúmulos. Todavía en la actualidad los astrónomos nombran estos objetos con una M inicial, de Messier, seguida por el número que ocupan en el antiguo catálogo. En la misma época, Willian Herschel, astrónomo del rey Jorge V, inspirado en este trabajo, inicia la observación sistemática de nebulosas, con ayuda de un telescopio de 45 cm. En 1786 publica el primer catálogo con 1000 nebulosas y cúmulos, anunciando además las resolución en estrellas de muchos de los objetos que habían sido descubiertos por Messier. Desde entonces y hasta 1802, Herschel publicó, dos listas suplementarias de nebulosas y asociaciones estelares, elevando hasta 2500 el número de objetos descubiertos. Este astrónomo mantenía la hipótesis de que las nebulosas, no resolubles en estrellas, eran sistemas estelares análogos a la Vía Lactea y muy lejanos. Consideraba que la nebulosa Andrómeda (M31) era la más próxima y su distancia dos mil veces mayor que Sirius.

Estos trabajos fueron ampliados por William Parsons con la ayuda de un telescopio de 1.85 m fabricado por él. Resultados destacables son el descubrimiento entre 1845 y 1848, de la estructura espiral de muchas nebulosas, en particular M51, M33, M74 y M101. También identificó gran número de nebulosas débiles. Parsons tenía la idea de que con grandes telescopios todas las nebulosas podrían resolverse en estrellas. S. Alexander, por la misma época, llevó a cabo por vez primera un estudio taxonómico de galaxias, cuyo significado físico sigue siendo todavía materia de investigación. Fue él quien denomino a las nebulosas que no eran espirales. En 1864 aparece el primer "General Catalogue". Contenía más de 5000 objetos descubiertos por Herschel y su hijo.

Los trabajos citados anteriormente consistían principalmente en catálogos de coordenadas y descripciones puramente morfológicas de los objetos listados. Aun cuando existía la sospecha de que muchos de ellos eran muy lejanos, la información disponible no permitía calcular su distancia.

En 1888 Dreyer publica el "New General Catalogue" de nebulosas y asociaciones, que comprendía mas de 7800 objetos y que fué seguido de dos "Index Catalogue", que elevarían hasta 13000 el número de objetos conocidos. Confirmando la existencia de asociaciones que más tarde serían identificadas como cúmulos y supercúmulos, de galaxias. Aparecía en estos catálogos un llamativo exceso de objetos brillantes en el Hemisferio Norte galáctico, que más tarde fue identificado como el supercúmulo Virgo o supercúmulo Local.

El estudio de la estructura física de los objetos celestes, y del conocimiento del Universo, fue facilitada por la experiencia de Newton, en 1656, al descomponer la luz solar con la ayuda de un prisma, en una banda continua de colores que denominó espectro. El paso siguiente no tiene lugar hasta 1802, cuando Wollanston detecta siete líneas oscuras en el espectro solar.

Desgraciadamente este descubrimiento pasó desapercibido a la comunidad científica de la época. Incluso el mismo Wollanston consideró su descubrimiento poco relevante al interpretar estas líneas como límites que separaban las bandas de colores. Una década más tarde, Fraunhoffer, observó y midió cuidadosamente las posiciones de más de 500 líneas obscuras, pero no pudo proporcionar una explicación acerca de su verdadera naturaleza. Fueron los trabajos de Kirchhoff al obtener en laboratorio los espectros de cuerpos sólidos y gases y estudiarlos cuidadosamente, los que permitieron atribuir estas líneas obscuras a transiciones específicas de los átomos excitados facilitando de esta forma, la rápida identificación de muchos elementos químicos en la atmósfera del Sol y en consecuencia la determinación su composición química cualitativa y la naturaleza gaseosa de la región emisora.

El descubrimiento de la fotografía y el progreso en la elaboración de emulsiones fotográficas, produjo un rápido avance en la aplicación de la espectroscopía a la astronomía. En 1863, Huggins obtiene los primeros espectros estelares abriendo una nueva era en la Astronomía. También identificó en Andrómeda, la presencia de un espectro continuo que consideró podría estar originado por estrellas, proporcionando de esta forma consistencia a la teoría de los "universos islas" popularizada por Humboldt en "Cosmos"(1845-1850). En 1899, Scheiner obtiene un espectrograma del centro de la galaxia Andrómeda que tenía muchas características similares al observado en el Sol. De su análisis dedujo que esta galaxia, conocida entonces como una nebulosa, era en realidad una agrupación inmensa de estrellas no resueltas. Este resultado fue confirmado por Richtey, quien consiguió resolver imágenes estelares en los brazos espirales de Andrómeda y otras grandes galaxias cercanas.

A fines del siglo XIX, existían ya miles de espectros fotografiados y clasificados. En 1896 tiene lugar la publicación del catálogo Henry Draper, que contenía información espectral sobre unos 500.000 objetos, y que aun es utilizado en la actualidad. Los trabajos de Planck, en 1900, fueron un paso decisivo para la consecución de una interpretación cuantitativa de los espectros y las distribuciones de energía estelares, cuyo estudio detallado pudo llevarse a cabo una década más tarde. Estos resultados han facilitado el conocimiento de la estructura y composición química de los objetos celestes y la descripción detallada del Universo local.

El primer espectrograma de una galaxia, M 31, susceptible de ser utilizado para la determinación de velocidades radiales por desplazamiento Doppler de las líneas espectrales, fue tomado por Slipher(1912) quien derivó una velocidad de aproximación de -300 km/s. Posteriormente fueron observadas también galaxias con velocidades radiales positivas, encontrándose valores del orden de 1100 km/s. Estos resultados sirvieron de base para establecer que si una nebulosa es un sistema estelar, las grandes velocidades observadas implican distancias del orden de un millón de años luz.

Sin embargo en 1917 todavía era cuestionada la naturaleza extragaláctica de las nebulosas espirales, hasta el punto de que la National Academy de Washigton, consideró necesario organizar un debate acerca de la naturaleza de estos objetos: ¿Eran universos islas parecidos a nuestra Galaxia, u objetos peculiares localizados en nuestra propia Galaxia?.

Las primeras aportaciones destacadas de Hubble se produjeron en 1923-1924, al demostrar que las curvas características de las cefeidas descubiertas en objetos extragalácticos, obedecían a la relación periodo-luminosidad encontrada por Leavitt en 1912, para las Nubes de Magallanes. Uno de los resultados más destacables fue la determinación de la distancia a la Pequeña Nube de Magallanes, para la que encontró un valor de 930.00 años luz, que la situaba netamente fuera de la Vía Láctea. Los trabajos de Baade y otros, probaron luego que esta distancia era en realidad un poco mayor. No obstante permanecía inalterada la principal conclusión de Hubble: las nebulosas espirales están fuera de la Galaxia y cuando su distancia es suficientemente grande todas parecen alejarse de nosotros a una velocidad es proporcional a su distancia.

Posteriormente Humanson, en 1935, incrementó hasta 200 el número de galaxias con velocidades radiales conocidas, ampliando el universo observable a distancias correspondientes a velocidades de 42000 km/s.

Desde finales del siglo XIX y principios del XX la Física pasa a desempeñar un papel decisivo en la interpretación de los fenómenos astronómicos. La Astrofísica adquiere una progresiva importancia sobre la astronomía clásica. Actualmente los términos Astronomía y Astrofísica son en general, sinónimos, y así serán considerados en lo que sigue, si bien en algunos casos el primero queda reservado a la observación y estudio de cuestiones de Astrometría y Mecánica Celeste, concernidas con la determinación y análisis de la posición y movimiento de los astros.

 

Última actualización el Jueves, 08 de Mayo de 2008 16:40