130102astronomiateorica

MECÁNICA CELESTE

La mecánica celeste es una rama de la astronomía y la mecánica que tiene por objeto el estudio de los movimientos de los cuerpos en virtud de los efectos gravitatorios que ejercen sobre él otros cuerpos celestes. Se aplican los principios de la física conocidos como mecánica clásica (Ley de la Gravitación Universal de Isaac Newton). Estudia el movimiento de dos cuerpos, conocido como problema de Kepler, el movimiento de los planetas alrededor del Sol, de sus satélites y el cálculo de las órbitas de cometas y asteroides.

Breve historia del desarrollo de la mecánica celeste

Kepler fue el primero en desarrollar las leyes que rigen las órbitas a partir de observaciones empíricas del movimiento de Marte apoyadas, en gran parte, en observaciones astronómicas realizadas por Tycho Brahe. Años después, Newton desarrolló su ley de gravitación basándose en el trabajo de Kepler.

Isaac Newton introdujo la idea de que el movimiento de los objetos en el cielo, como los planetas, el Sol, y la Luna, y el movimiento de objetos en la Tierra, como las manzanas que caen de un árbol, podría describirse por las mismas leyes de la física. En este sentido él unificó la dinámica celeste y terrestre por eso su Ley de gravitación se llama Universal.

Usando la ley de Newton de gravitación, se pueden demostrar las leyes de Kepler para el caso de una órbita circular. Las órbitas elípticas, parabólicas e hiperbólicas involucran cálculos más complejos pero factibles. En el caso de la órbita de dos cuerpos aislados, por ejemplo el Sol y la Tierra, encontrar la situación en un momento posterior, conociendo previamente la posición y velocidad de la Tierra en un momento inicial, se conoce como el problema de los dos cuerpos y está totalmente resuelto, es decir, hay un conjunto de fórmulas que permiten hacer el cálculo.

2cuerposenorbitaselipticas

2cuerposenorbitasconcentricas

Si el número de cuerpos implicados es tres o más el problema no está resuelto. La solución del problema de los n-cuerpos (que es el problema de encontrar, dado las posiciones iniciales, masas, y velocidades de n cuerpos, sus posiciones para cualquier instante) no está resuelto por la mecánica clásica. Sólo determinadas simplificaciones del problema tienen solución general.

Los movimientos de tres cuerpos se pueden resolver en algunos casos particulares. El movimiento de la Luna influido por el Sol y la Tierra refleja la dificultad de este tipo de problemas y ocupó la mente de muchos astrónomos durante siglos.

Determinación de órbitas

La mecánica celeste se ocupa de calcular la órbita de un cuerpo recién descubierto y del que se tienen pocas observaciones; con tres observaciones ya se puede calcular los parámetros orbitales. Calcular la posición de un cuerpo en un instante dado conocida su órbita es un ejemplo directo de mecánica celeste. Calcular su órbita conocidas tres posiciones observadas es un problema mucho más complicado.

La planificación y determinación de órbitas para una misión espacial interplanetaria también es fruto de la mecánica celeste. Uno de las técnicas más usadas es utilizar el tirón gravitatorio para enviar a una nave a otro planeta cuando el combustible del cohete no hubiera permitido tal acción. Se hace pasar a la nave a una corta distancia de un planeta para provocar su aceleración.

Ejemplos de problemas

El problema de tres o más cuerpos no es un problema teórico sino que la naturaleza está llena de ellos, lo que nunca se da en la naturaleza es el problema de dos cuerpos que es una situación irreal que no se produce. Algunos ejemplos:

Movimiento de Alfa Centauri C bajo la acción de la estrella binaria, Alfa Centauri (dos componentes de aproximadamente la misma masa).
Movimiento de una sonda espacial aproximándose a un planeta doble, por ejemplo Plutón con su luna Caronte (la proporción de masa 0,147)
El movimiento de la nave Apollo 11 en su viaje a la Luna, sometida a la atracción de la Tierra y la Luna.
Órbita de un planeta, por ejemplo Mercurio, alrededor del Sol y sometido a la acción de todos los demás planetas.

La teoría de perturbaciones

La teoría de perturbaciones comprende métodos matemáticos que se usan para encontrar una solución aproximada a un problema que no puede resolverse exactamente, empezando con la solución exacta de un problema relacionado. Así, en el caso del planeta alrededor del Sol, se puede considerar que se trata de un problema de dos cuerpos (su movimiento es una elipse) y tratar la acción de los demás cuerpos como perturbaciones a esa elipse encontrada que causarán variaciones de la excentricidad, oscilaciones del plano de la órbita que hará variar la posición del nodo, o el giro del eje mayor de la órbita que hará variar el perihelio.

Para todos los planetas estas variaciones calculadas se adaptaban a las observadas, excepto para el caso de Mercurio donde había un exceso en el giro del perihelio que no tenía explicación. El descubrimiento de esta pequeña desviación en el avance del perihelio de Mercurio se atribuyó inicialmente a un planeta cercano al Sol, hasta que Einstein la explicó con su teoría de la Relatividad.

Perturbaciones inversas

Saber la perturbación que causa un cuerpo conocido sobre otro cuerpo, por ejemplo la acción de Júpiter sobre la órbita de Urano, es un tema de perturbaciones directas. Al aplicar todas las perturbaciones de los cuerpos conocidos a la órbita de Urano, quedaba un residuo sin explicar. Se pensó que se debían a un cuerpo desconocido: en este caso, se veía el efecto, pero se desconocía la masa y posición del causante.

El movimiento extraño de Urano, causado por las perturbaciones de un planeta hasta entonces desconocido, permitió a Le Verrier y Adams descubrir al planeta Neptuno mediante cálculos. Descubrir la órbita, masa y posición del cuerpo que causaba las perturbaciones en la órbita de Urano es un caso de perturbación inversa, y es mucho más complicado que el problema habitual.

Relatividad General

Después de que Einstein explicara la precesión anómala del perihelio de Mercurio, los astrónomos reconocieron que la mecánica newtoniana no proporciona una exactitud más alta.

La nueva visión de la mecánica y de la gravitación de Einstein es utilizada sólo en ciertos problemas específicos de la mecánica celeste dado que, en la mayoría de los problemas que aborda esta disciplina, sigue siendo suficientemente precisa la mecánica newtoniana.

Entre los temas que requieren el concurso de la relatividad general están, por ejemplo, las órbitas de los púlsares binarios, cuya evolución sugiere la existencia la radiación gravitacional. Aunque la teoría de Einstein predice las ondas gravitacionales, esta radiación no se ha observado directamente, pero sí indirectamente, a través del cambio en el período orbital del púlsar binario PSR 1913+16, para el cual la predicción mediante relatividad general difiere en sólo un 1%.

Algunas teorías postulan también la existencia de una partícula, el gravitón, responsable de mediar la fuerza gravitacional, tal como sucede en la física de partículas con las otras tres fuerzas fundamentales.

ASTROFÍSICA

Núcleos activos de galaxias

El término astrofísica se refiere al estudio de la física del universo. Si bien se usó originalmente para denominar la parte teórica de dicho estudio, la necesidad de dar explicación física a las observaciones astronómicas ha llevado a que los términos astronomía y astrofísica sean usados en forma equivalente.

Las ramas de la física implicadas en el estudio son la física nuclear (generación de la energía en el interior de las estrellas) y la física relativista. A densidades elevadas el plasma se transforma en materia degenerada; esto lleva a algunas de sus partículas a adquirir altas velocidades que deberán estar limitadas por la velocidad de la luz, lo cual afectará a sus condiciones de degeneración. Asimismo, en las cercanías de los objetos muy masivos, estrellas de neutrones o agujeros negros, la materia que cae se acelera a velocidades relativistas emitiendo radiación intensa y formando potentes chorros de materia.

Una vez que se comprendió que los elementos que forman los "objetos celestes" eran los mismos que conforman la Tierra, y que las mismas leyes de la física se aplican a ellos, había nacido la astrofísica como una aplicación de la física a los fenómenos observados por la astronomía.

La mayoría de los astrónomos (si no todos) tienen una sólida preparación en física, y las observaciones son siempre puestas en su contexto astrofísico, así que los campos de la astronomía y astrofísica están frecuentemente enlazados.

Historia

La astrofísica nace con la observación, realizada a comienzos del siglo XIX por J. von Fraunhofer (1787-1826) de que la luz del Sol, atravesando un espectroscopio (aparato capaz de descomponer la luz en sus colores fundamentales), da lugar a un espectro continuo sobre el cual se sobreimprimen líneas verticales, que son la huella de algunos de los elementos químicos presentes en la atmósfera solar, por ejemplo el hidrógeno y el sodio. Este descubrimiento introdujo un nuevo método de análisis indirecto, que permite conocer la constitución química de las estrellas lejanas y clasificarlas.

Otros medios de investigación fundamentales para la astrofísica son la fotometría (medida de la intensidad de la luz emitida por los objetos celestes) y la astrofotografía o fotografía astronómica.

La astrofísica es una ciencia tanto experimental, en el sentido que se basa en observaciones, como teórica, porque formula hipótesis sobre situaciones físicas no directamente accesibles. Otra gran zona de investigación de la astrofísica está constituida por el estudio de las características físicas de las estrellas.

La astrofísica también estudia la composición y la estructura de la materia interestelar, nubes de gases y polvo que ocupan amplias zonas del espacio y que en una época eran consideradas absolutamente vacías. Los métodos de investigación astrofísica son también aplicados al estudio de los planetas y cuerpos menores del sistema solar, de cuya composición y estructura, gracias a las investigaciones llevadas a cabo por satélites artificiales y sondas interplanetarias, se ha podido lograr un conocimiento profundo, que en muchos casos ha permitido modificar convicciones muy antiguas.

Cosmología física

La cosmología física, es la rama de la astrofísica, que estudia la estructura a gran escala y la dinámica del Universo. En particular, trata de responder las preguntas acerca del origen, la evolución y el destino del Universo.

(VER COSMOLOGÍA)

ASTROQUÍMICA

Astroquímica

Moléculas detectadas en el medio interestelar

La astroquímica es la ciencia que se ocupa del estudio de la composición química de los astros y el material difuso encontrado en el espacio interestelar, normalmente concentrado en grandes nubes moleculares. La astroquímica representa un campo de unión entre las disciplinas de la astrofísica y de la química. La molécula más abundante en el Universo, el hidrógeno (H2) no presenta un momento dipolar eléctrico, por lo que no es fácilmente detectable. En su lugar es mucho más fácil estudiar el material difuso en moléculas como el CO. Los astroquímicos han conseguido identificar cientos de tipos de moléculas algunas tan complejas como aminoácidos o fulerenos. La investigación moderna en astroquímica incluye también el estudio de la formación e interacción de estas moléculas complejas en medios tan poco densos pudiendo tener implicaciones en la comprensión del origen de la vida en la Tierra.

La astroquímica se solapa fuertemente con la astrofísica ya que esta última describe las reacciones nucleares que ocurren en las estrellas enriqueciendo el medio interestelar en elementos pesados.

Espectroscopía

El análisis detallado del espectro de emisión o de absorción de las estrellas, planetas y del medio interestelar permite identificar su composición química, su temperatura superficial e incluso la aceleración de la gravedad en la superficie de las estrellas. Cada elemento químico posee un espectro de emisión característico que puede ser identificado y predicho basándose en la mecánica cuántica y la física estadística. Esto es así ya que los procesos de emisión de luz están cuantizados, permitiendo estas disciplinas científicas calcular los diferentes niveles de energía (o estados cuánticos) en los que se puede encontrar un elemento y sus transiciones, asociadas a la emisión de luz en longitudes de onda específicas.

En el caso del medio interestelar se utiliza el espectro de emisión en el infrarrojo lejano o en longitudes de onda milimétricas. El análisis del espectro de absorción de la luz de fondo permite inferir datos sobre la cantidad de material en las nubes interestelares.

Las atmósferas de los planetas del sistema solar se investigan utilizando el espectro de reflexión de la luz solar sobre el planeta y el espectro de emisión en el infrarrojo del planeta.

En el análisis de las atmósferas estelares, realizado en longitudes de onda visible y ultravioleta, es necesario considerar efectos de desplazamiento de la longitud de onda (efecto Doppler) asociados al movimiento de la estrella y especialmente a su rotación.

ASTROBIOLOGÍA

Bioquímicas hipotéticas

Complejidad biológica

Habitabilidad planetaria

Panspermia

La astrobiología también llamada exobiología, es una disciplina científica la cual hace uso principalmente de una combinación de las disciplina de astrofísica, biología y geología para el estudio del origen, presencia e influencia de la vida en el Universo, aparte de la Tierra. Si bien su estudio es universal, a la fecha no se cuenta con evidencia de alguna forma de vida generada fuera de la Tierra.

La palabra astrobiología viene del griego astron = estrella, bios = vida y logos = palabra/ciencia); ocasionalmente también es llamada xenobiología (del griego: xenos = foráneo) o exobiología (del griego: exo = exterior), es decir, el significado literal de astrobiología es la ciencia de la vida en el cosmos, la ciencia de la vida exterior o foránea (extraterrestre), ya sea vida del pasado, presente o futuro.

La astrobiología es una ciencia multidisciplinaria que se forma de la especialización y la unión de diversas disciplinas científicas como son la astronomía, la astrofísica, la biología, la química y la geología. Adicionalmente, las principales ciencias auxiliares de la astrobiología son la matemática, la informática y la estadística.

Algunas de las cuestiones que trata de responder la astrobiología son las siguientes: ¿Qué es la vida? ¿Cómo surgió la vida en la Tierra? ¿Cómo evoluciona y se desarrolla? ¿Hay vida en otros lugares del Universo? ¿Cuál es el futuro de la vida en la Tierra y en otros lugares?

Diferentes instituciones científicas y educativas en todo el mundo se dedican seriamente a la búsqueda de otros planetas (por ejemplo: California & Carnegie Planet Search o The Geneva Extrasolar Planet Search Programmes). Para julio de 2007 existían más de 230 exoplanetas descubiertos (su número aumenta mes con mes); sin embargo, ninguno de ellos es como la Tierra. Instituciones como el Centro de Astrobiología (CAB) y el Instituto de astrobiología de la NASA (NAI) empiezan a reforzar los pilares para detectar y entender la vida más allá de la Tierra.

La pregunta de si la vida existe o no en alguna parte del Universo además de la Tierra, es una hipótesis verificable y, por lo tanto, es una línea viable para la investigación científica. La astrobiología no pretende ser una disciplina científica pura, como lo son la física o la biología, sino que representa un esfuerzo multidisciplinario por parte de investigadores de distintas disciplinas para intentar responder preguntas sobre la vida basándose en el conocimiento de distintos campos científicos. Es una disciplina científica que intenta abarcar las más perspectivas posibles. Como sólo se tiene un ejemplo de vida, el conocido en la Tierra, la mayor parte del trabajo se basa en simulaciones y predicciones de las leyes fundamentales de la física y bioquímica o el conocimiento actual de la biología.

Un caso concreto de investigación astrobiológica actual es la búsqueda de vida en Marte. Existe una creciente cantidad de pruebas que sugieren que Marte tuvo antiguamente una importante cantidad de agua líquida en su superficie, siendo esta considerada un precursor esencial al desarrollo de vida.

Misiones específicamente diseñadas para la búsqueda de vida en otros planetas son, por ejemplo, las del programa Viking, o las sondas Beagle 2, ambas dirigidas a Marte. Los resultados del Viking fueron inconcluyentes, y la Beagle 2 falló en transmitir, por lo que se presume que se estrelló. Una misión futura, con un mayor rol de la astrobiología, será el Mars Science Laboratory (MSL), su lanzamiento planeado para el 2009; el 'Mars Science Laboratory' será la primer sonda en Marte después de los Viking, en buscar directamente evidencia de vida pasada o presente.

Objeto de la búsqueda

Principalmente, bacterias u otros organismos microscópicos. Como no se tienen "muestras" de vida extraterrestre, lo que se hace es estudiar algunos de los organismos de la Tierra, conocidos como extremófilos. Algunos extremófilos viven en lugares muy calientes (como Pyrodictium una bacteria que vive en el suelo marino, a una temperatura de 105ºC), mientras que otros viven dentro de las rocas, en sitios muy fríos, o bien se alimentan de azufre o hierro.

Sitios de búsqueda

En la Tierra, se estudia la vida en las fuentes hidrotermales submarinas, los estromatolitos que existen en lugares como Australia, o Cuatro Ciénegas en México. En España, se estudian las bacterias del Río Tinto.

Planetas candidatos a tener vida

Habitabilidad planetaria

Se están estudiando aquellos sitios del Sistema Solar en donde se piensa que hay más probabilidades de encontrar agua líquida en forma estable. Este podría ser el caso del subsuelo de Marte, de Europa, el satélite helado de Júpiter, bajo cuya superficie helada podría existir un océano de agua líquida, de una de las lunas de Saturno, Titán, el único satélite del Sistema Solar con una atmósfera considerable, y el de Encélado, otra luna de Saturno que muestra evidencias de tener agua líquida a pocos metros de la superficie.

Resultados de la investigación

No hay evidencia definitiva de la existencia de vida cuyo origen no sea terrestre. Sin embargo, exámenes del meteorito ALH84001 cuyo supuesto origen es el planeta Marte, sugiere la posibilidad de la existencia de microfósiles extraterrestres, aunque la interpretación de estas supuestas evidencias es aún controvertida.

En el 2004, la señal espectral del metano fue detectada en la atmósfera marciana tanto por telescopios posicionados sobre la superficie terrestre, como por la sonda Mars Express. El metano tiene un período de vida relativamente corto en la atmósfera marciana, por lo que se supone, debe haber una fuente reciente de este gas. Como no se ha detectado actividad volcánica activa sobre la superficie de Marte (lo que podría generar el metano), algunos científicos han especulado que la fuente podría ser vida microbiana.

Mars Express

La nave espacial Phoenix se encuentra analizando muestras del suelo y del hielo polar de Marte, en un esfuerzo de identificar zonas habitables en ese planeta.

Planetas fuera del Sistema Solar

Preguntas secundarias, como la existencia de mundos capaces de acoger vida y sus precursores químicos, han tenido resultados más exitosos. Mediante la utilización de distintos métodos se ha concluido que la existencia de estos planetas es más común de lo que se pensaba anteriormente, aunque éstos son usualmente muy diferentes a la Tierra. Se ha sugerido que el Sistema Solar presenta una diagramación atípica, por lo que otra opinión postula que las búsquedas actuales deben dirigirse hacia diagramas no solares. Métodos de detección mejorados sumados a un tiempo mayor de observación, sin duda servirán para descubrir más sistemas planetarios, y posiblemente, algunos como la Tierra.

El progreso de la astronomía infrarroja y submilimétrica ha incrementado la posibilidad de descubrir nuevos sistemas estelares. Búsquedas infrarrojas han descubierto cinturones de polvo y asteroides alrededor de estrellas distantes. Algunas imágenes infrarrojas contienen, supuestamente, imágenes directas de planetas, aunque esto aún está en discusión. La espectroscopia infrarroja y submilimétrica han identificado un número creciente de sustancias químicas alrededor de estrellas, lo que sostiene el origen y mantenimiento de la vida.

Misiones espaciales

Misión de Interferometría Espacial (Space Interferometry Mission - SIM).

Es un telescopio espacial en desarrollo por parte de la NASA y Northrop Grumman; su objetivo principal es la detección de planetas comparables a la Tierra mediante el uso de inteferometría óptica. El proyecto fue aprobado en 1998 con lanzamiento programado para 2005, pero éste fue demorado cinco veces y ahora se contempla su lanzamiento en 2015.

Buscador de Planetas Terrestres (Terrestrial Planet Finder)

El Terrestrial Planet Finder (TPF) es un proyecto de la NASA para la creación de un sistema de telescopios capaz de detectar planetas extrasolares similares a la Tierra. Su lanzamiento ha sido pospuesto indefinidamente.

Astrobiología y ufología

La astrobiología es una ciencia constituida y auxiliada por múltiples disciplinas científicas y en observaciones y hechos comprobables, mientras que la ufología es una pseudociencia que se basa en el estudio de los ovnis en base al material fotográfico, digital u otras pruebas que pretender darle sustento.

Ciencia ficción

Los términos «exobiología» y «xenobiología» son muy usados en la ciencia ficción. Ambos términos pueden usarse de forma intercambiable, aunque por su uso se implica que un exobiólogo es un teórico que especula sobre las posibles formas de vida extraterrestres, mientras que un xenobiólogo suele referirse a un doctor o biólogo que es experto en la fisiología de formas de vida alienígenas, que se presumen conocidas en el contexto de la narración.

ASTROGEOLOGÍA

Astrogeología, también llamada geología planetaria o exogeología, es una disciplina científica que trata de la geología de los cuerpos celestiales —planetas y sus lunas, asteroides, cometas y meteoritos—. Los científicos astrogeólogos han acuñado el término cuerpo planetario para designar a todos los cuerpos con órbitas alrededor de una estrella y demasiado pequeños para que en su interior se inicien reacciones de fusión nuclear. Esta definición abarca tanto a planetas como a satélites, que son geológicamente iguales.

Eugene Shoemaker, quien introdujo la rama de astrogeología en el Servicio Geológico de los Estados Unidos, realizó importantes contribuciones en el campo y en el estudio de los cráteres de impacto, ciencia lunar, asteroides y cometas.

Valle Marineris de Marte

El envío de sondas espaciales a los diversos cuerpos planetarios de nuestro sistema solar a partir de los años sesenta está proporcionando valiosos datos, de cuyo análisis se deriva una revolución en el conocimiento geológico de nuestro propio planeta, acerca de cómo se formó y cuál será el futuro que le espera. Así, la finalidad de la astrogeología es conocer la evolución de los planetas.

ASTRONOMÍA CERCANA Y LEJANA

La astronomía cercana abarca la exploración de nuestra galaxia, por tanto comprende también la exploración del Sistema Solar. No obstante, el estudio de las estrellas determina si éstas pertenecen o no a nuestra galaxia. El estudio de su clasificación estelar determinará, entre otras variables, si el objeto celeste estudiado es "cercano" o "lejano".

En el Sistema Solar encontramos diversos objetos y nuestro sistema solar forma parte de una galaxia que es la Vía Láctea. Nuestra galaxia se compone de miles de millones de objetos celestes que giran en espiral desde un centro muy denso donde se mezclan varios tipos de estrellas, otros sistemas solares, nubes interestelares o nebulosas, etc. y encontramos objetos como IK Pegasi, Tau Ceti o Gliese 581 que son soles cada uno con determinadas propiedades diferentes.

La estrella más cercana a nuestro sistema solar es Alpha Centauri que se encuentra a 4,3 años luz. Esto significa que la luz procedente de dicha estrella tarda 4,3 años en llegar a ser percibida en La Tierra desde que es emitida.

Estos soles o estrellas forman parte de numerosas constelaciones que son formadas por estrellas fijas aunque la diferencia de sus velocidades de deriva dentro de nuestra galaxia les haga variar sus posiciones levemente a lo largo del tiempo, por ejemplo la estrella polar. Estas estrellas fijas pueden ser o no de nuestra galaxia.

La astronomía lejana comprende el estudio de los objetos visibles fuera de nuestra galaxia, donde encontramos otras galaxias que contienen, como la nuestra, miles de millones de estrellas a su vez. Las galaxias pueden no ser visibles dependiendo de si su centro de gravedad absorbe la materia (agujero negro), son demasiado pequeñas o simplemente son galaxias oscuras cuya materia no tiene luminosidad. Las galaxias a su vez derivan alejándose unas de otras cada vez más, lo que apoya la hipótesis de que nuestro universo actualmente se expande.

Las galaxias más cercanas a la nuestra (aproximadamente 30) son denominadas el grupo local. Entre estas galaxias se encuentran algunas muy grandes como Andrómeda, nuestra Vía Láctea y la Galaxia del Triángulo.

Cada galaxia tiene propiedades diferentes, predomino de diferentes elementos químicos y formas (espirales, elípticas, irregulares, anulares, lenticulares, en forma de remolino, o incluso con forma espiral barrada entre otras más sofisticadas como cigarros, girasoles, sombreros, etc.).

Se denomina astronomía galáctica a la investigación astronómica de nuestra galaxia, la Vía Láctea.

La diferencia entre astronomía galáctica y astronomía extragaláctica sólo se empezó a hacer a principios del siglo pasado, cuando las observaciones de Edwin Hubble mostraron sin lugar a dudas que la nebulosa de Andrómeda era una galaxia similar a la nuestra, y a una considerable distancia de ella.

Los objetos de interés en nuestra galaxia son muchos, incluyendo estrellas, nubes interestelares, que es donde la formación estelar se realiza; nuestro centro galáctico, que estamos casi seguros posee un agujero negro, etc.

Se llama astronomía extragaláctica al estudio de objetos fuera de la Vía Láctea.

La astronomía extragaláctica nació como tal cuando Edwin Hubble descubrió las Cefeidas en la nebulosa de Andrómeda, confirmando que por su distancia debía estar fuera de nuestra galaxia y que por su tamaño debería ser una galaxia comparable o incluso más grande que la nuestra.

Más tarde se encontró que las galaxias no se encuentran aisladas, sino formando grupos de diferentes tamaños. Además, existe una organización jerárquica donde agrupaciones más pequeñas forman parte de agrupaciones mayores.

ASTRONOMÍA ESTELAR

Se llama astronomía o astrofísica estelar al estudio de la física de las estrellas; su formación, evolución y final, así como sus propiedades y distribución.

Una herramienta fundamental en el estudio de las estrellas es el diagrama de Hertzsprung-Russell.

El estudio de las estrellas y de su evolución es imprescindible para avanzar en nuestro conocimiento del universo, puesto que ellas constituyen los módulos básicos que componen el mismo. La astrofísica estelar hace uso de la observación y el entendimiento teórico, así como también de simulaciones numéricas de la composición interna de las estrellas.

Nacimiento y vida de una estrella

La formación de las estrellas se produce en regiones densas de polvo y gas molecular, conocidas como nebulosas interestelares. La fuerza de gravedad acerca a los átomos de hidrógeno hacia el centro de la acumulación, haciéndolo más y más denso. Llega un punto en que sus velocidades son tan grandes que el protón de un núcleo de hidrógeno logra vencer la repulsión eléctrica del núcleo en el que impacta, fusionándose con él y otros más hasta formar un núcleo estable de helio.

Una estrella desde su nacimiento tiene diferentes fases de evolución. En sus primeras etapas como embrión es rodeada por los restos de la nube de gas desde la cual se formó. Esa nube de gas es gradualmente disipada por la radiación que emana de la estrella, posiblemente quedando atrás un sistema de objetos menores como planetas, etc.

Pasada la etapa de la infancia, una estrella entra a su madurez, que se caracteriza por un período largo de estabilidad durante el cual, en su núcleo, el hidrógeno se va convirtiendo en helio, liberando enormes cantidades de energía. A esa etapa de estabilidad de la estrella se la llama secuencia principal.

Las características de la estrella resultante dependerán de la magnitud de su masa. Cuanto más masiva sea la estrella, mayor será su luminosidad y con mayor velocidad agotará el hidrógeno de su núcleo, lo que la hará más luminosa, más grande y más caliente. La rápida fusión de hidrógeno en helio también implica un agotamiento de las reservas del primero más pronto en estrellas masivas que para las de menor tamaño. Para una estrella como el Sol su permanencia en la secuencia principal es de unos 10 mil millones de años; una estrella diez veces más masiva será 10.000 veces más brillante pero durará en la secuencia principal sólo unos 100 millones de años.

Cuando todo el hidrógeno del núcleo de la estrella se haya convertido en helio, ésta comenzará su desarrollo. La fusión del helio requiere una mayor temperatura en el núcleo, por lo que la estrella incrementará tanto su tamaño como la densidad de su núcleo.

Evolución y muerte de una estrella

No todas las estrellas evolucionan del mismo modo. La masa de la estrella es, de nuevo, determinante a la hora de hacer un estudio sobre las distintas fases que experimenta a lo largo de su vida.

Estrellas de masa pequeña

Este tipo de estrellas tienen una vida larga. Nuestro conocimiento sobre su evolución es mera teoría, ya que su etapa en la secuencia principal tiene mayor duración que la actual edad del universo. Los astrofísicos consideran que deberían tener una evolución muy parecida a las estrellas de masa intermedia, a excepción de que en la fase final la estrella se enfriaría convirtiéndose tras un billón de años en una enana negra.

Estrellas de masa intermedia

Nuestro Sol se encuentra dentro de esta división. Son estrellas que durante la fase de la secuencia principal transmutan hidrógeno en helio en su núcleo central, pero el primero, en millones de años, se va agotando hasta llegar a un instante en que las fusiones son insuficientes para generar las presiones necesarias para equilibrar la gravedad. Así, el centro de la estrella se empieza a contraer hasta que llega a una temperatura tan elevada que el helio entra en fusión y convierte en carbono. El remanente de hidrógeno se aloja como una cáscara quemándose y transmutándose en helio y las capas exteriores de la estrella se expanden. Esa expansión convierte a la estrella en una gigante roja más brillante y fría que en su etapa en la secuencia principal.

Durante esta fase, una estrella pierde muchas de sus capas exteriores las cuales son eyectadas hacia el espacio por la radiación que emana. Eventualmente, las estrellas más masivas de este tipo logran encender el carbono para que se transmute en elementos más pesados, pero lo normal es que la estrella se derrumbe hacia su interior debido a la presión de la gravedad transformándose en una enana blanca.

Estrellas de masa mayor y estrellas masivas

Son estrellas de rápida combustión. La corta extensión de sus vidas hace extrañas a las grandes estrellas, pues sólo aquellas formadas en los últimos 30 millones de años -y no todas ellas- existen todavía.

Al principio pasan rápidamente a través de casi las mismas fases que una estrella de masa intermedia, pero las estrellas masivas tienen núcleos tan calientes que transmutan hidrógeno en helio de una manera diferente, usando restos de carbono, nitrógeno y oxígeno. Una vez que la estrella haya agotado el hidrógeno en el núcleo y alojado el remanente de éste como cáscaras, entra a una fase que se conoce como de supergigante roja. Cuando sus núcleos se hayan convertido en helio, la enorme gravedad de las estrellas permite continuar la fusión, convirtiendo el helio en carbono, el carbono en neón, el neón en oxígeno, el oxígeno en silicio, y finalmente el silicio en hierro. Llegado a este punto, como el hierro no se fusiona, el núcleo de la estrella se colapsa, resultando de ello una explosión de supernova.

Se piensa que los restos de una supernova son generalmente una estrella de neutrones. Un púlsar en el centro de la Nebulosa del Cangrejo hoy se identifica con el núcleo de la supernova de 1054. En el caso de que la masa persistente de la estrella es de dos a tres veces la del Sol, la contracción continuará hasta formar un agujero negro.

Las estrellas binarias pueden seguir modelos de evolución mucho más complejos, podrían transferir parte de su masa a su compañera y generar una supernova.

Las nebulosas planetarias y las supernovas son muy necesarias para la distribución de metales a través del espacio, sin ellas, todas las nuevas estrellas (y sus sistemas planetarios) estarían formados exclusivamente de hidrógeno y helio.

ASTRONOMÍA PLANETARIA

Las ciencias planetarias, también llamadas planetología o astronomía planetaria, son el conjunto de materias interdisciplinares implicadas en el estudio de los planetas, o sistemas planetarios, incluyendo al Sistema Solar, de cuyos planetas se tienen más datos, por lo que sus modelos son más elaborados, pero también a los planetas extrasolares. Las ciencias planetarias estudian objetos que van desde el tamaño de un meteorito hasta los gigantes de gas del tamaño de varias veces el planeta Júpiter.

A grandes rangos las ciencias planetarias estudian la formación de los sistemas planetarios y de sus satélites; se ocupan en particular de estudiar su masa, tamaño, gravedad superficial, velocidad de rotación, achatamiento, estructura interna, densidad, antigüedad de su superficie, erosión, evolución, actividad tectónica, vulcanismo, campo magnético, auroras, interacción de la magnetosfera con el viento solar, estaciones del planeta y su atmósfera, velocidad de escape y búsqueda de vida entre otros objetivos de estudio. En cuanto al estudio de la atmósfera se comprende el estudio de su composición, formación, presión superficial, densidad, circulación general, temperaturas, vientos, actividad erosiva de la atmósfera, transporte de energía, perfiles en altura de temperatura, densidad y presión, entre otras.

La planetología es una disciplina de reciente creación. Alimentada por la gran masa de informaciones recogidas en el curso de las exploraciones espaciales, la planetología estudia el origen y la evolución de los planetas de los mecanismos que en el tiempo han modelado sus superficies. Se basa en las ciencias de la Tierra, pero convenientemente generalizadas para incluir las distintas masas, atmósferas, temperaturas, o energía recibida desde el astro central y que es el motor de la máquina planetaria. Naturalmente la astronomía es la ciencia principal pero seguida de una geología planetaria o comparada (Astrogeología), la ciencia de las atmósferas planetarias es una generalización de la meteorología y como ciencia básica de soporte de todas las referidas la física, cuyo objeto de estudio es universal por lo que cabe aplicar a los distintos planetas. Otra disciplina auxiliar es la Astrobiología. Los datos a incluir en la teoría de las ciencias planetarias provienen de la astronomía y la exploración espacial además existe un importante componente teórico que utiliza como herramienta la simulación por computadora.

ASTRONOMÍA DE LOS FENÓMENOS GRAVITATORIOS

El campo gravitatorio del Sol es el responsable de que los planetas giren en torno a este. El influjo de los campos gravitatorios de las estrellas dentro de una galaxia se denomina marea galáctica.

Tal como demostró Einstein en su obra Relatividad general, la gravedad deforma la geometría del espacio-tiempo, es decir, la masa gravitacional de los cuerpos celestes deforma el espacio, que se curva. Este efecto provoca distorsiones en las observaciones del cielo por efecto de los campos gravitatorios, haciendo que se observen juntas galaxias que están muy lejos unas de otras. Esto es debido a que existe materia que no podemos ver que altera la gravedad. A estas masas se las denominó materia oscura.

Encontrar materia oscura no es fácil ya que no brilla ni refleja la luz, así que los astrónomos se apoyan en la gravedad, que puede curvar la luz de estrellas distantes cuando hay suficiente masa presente, muy parecido a cómo una lente distorsiona una imagen tras ella, de ahí el término lente gravitacional o anillo de Einstein. Gracias a las leyes de la física, conocer cuánta luz se curva dice a los astrónomos cuánta masa hay. Cartografiando las huellas de la gravedad, se pueden crear imágenes de cómo está distribuida la materia oscura en un determinado lugar del espacio. A veces se presentan anomalías gravitatorias que impiden realizar estos estudios con exactitud, como las ondas gravitacionales provocadas por objetos masivos muy acelerados.

Los agujeros negros son singularidades de alta concentración de masa que curva el espacio, cuando éstas acumulaciones masivas son producidas por estrellas le les denomina agujero negro estelar; esta curva espacial es tan pronunciada que todo lo que se acerca a su perímetro es absorbido por este, incluso la luz (de ahí el nombre). El agujero negro Q0906+6930 es uno de los más masivos de los observados. Varios modelos teóricos, como por ejemplo el agujero negro de Schwarzschild, aportan soluciones a los planteamientos de Einstein.

ASTRONOMÍA DINÁMICA

La astrodinámica es el estudio de las órbitas, especialmente el de los satélites artificiales y sondas espaciales. El movimiento de los planetas y otros cuerpos naturales es dominio de la mecánica celeste.

VER SECCIÓN ASTRONÁUTICA

ASTRONÁUTICA

La Astronáutica es la rama de la Ingeniería dedicada a diseñar y construir ingenios que operen fuera de la atmósfera de la Tierra, ya sean tripulados o no. Abarca tanto la construcción de los propios vehículos como el diseño de los lanzadores que habrán de ponerlos en órbita.

Se trata de una rama bastante amplia y de gran complejidad, debido a las condiciones difíciles bajo las que deben funcionar los aparatos que se diseñen. En la actualidad, la exploración espacial se ha mostrado como una disciplina de bastante utilidad, en la cual están participando cada vez más países.

VER SECCIÓN ASTRONÁUTICA

ARQUEOASTRONOMÍA

La arqueoastronomía es el estudio de yacimientos arqueológicos relacionados con el estudio de la astronomía por culturas antiguas. También estudia el grado de conocimientos astronómicos poseído por los diferentes pueblos antiguos. Uno de los aspectos de esta disciplina es el estudio del registro histórico de conocimientos astronómicos anterior al desarrollo de la moderna astronomía.

Un ejemplo de este tipo de estudios se encuentran en el extenso registro producido por la antigua astronomía china en busca de referencias a estrellas invitadas, objetos o estrellas observados por los antiguos astrónomos chinos y registrados como objetos pasajeros. Algunos de ellos eran cometas mientras que otros constituyen supernovas cercanas cuya aparición en tiempos históricos permite estudiar en detalle la evolución temporal de estos fenómenos.

Otro tipo de estudios de carácter más cultural estudia los alineamientos de construcciones y monumentos antiguos de acuerdo con las posiciones del Sol y la Luna. Existen numerosas afirmaciones sobre la naturaleza del monumento megalítico de Stonehenge como representante de un antiguo observatorio. Éste y muchos otros monumentos antiguos poseen alineamientos que parecen significativos en los puntos del solsticio y equinoccio.

En los años 1960, Alexander Thom realizó un exhaustivo catálogo de monumentos megalíticos en Gran Bretaña. Como resultado de sus investigaciones sugirió que dichos monumentos constituían una indicación para la elaboración de un antiguo calendario.

Escuelas arqueoastronómicas

Para deducir el conocimiento astronómico que tenían nuestros ancestros, los actuales arqueoastrónomos parten de dos escuelas arqueoastronómicas muy diferentes:

Una escuela, que se podría llamar "Arqueoastronomía Orientacionista", considera como único objetivo a estudiar por esta disciplina, las orientaciones en días determinados del año: en los solsticios o en los equinoccios, con el sol, o con la luna, o con las constelaciones, o con los planetas de los edificios arcaicos, o de los pasillos, o de las puertas de las construcciones sagradas.
Mientras que la escuela de la "Arqueoastronomía Global", considera como objetivo de esta ciencia, tanto el estudio de las obras de arte prehistóricas (esculturas, pinturas, grabados, geoglifos, tumbas, edificios y otras manifestaciones artísticas....), como el estudio de los mitos, así como los nombres de constelaciones y los rituales celebrados por diversos pueblos históricos heredados de la más remota antigüedad, en los que nuestros ancestros han dejado la huella de sus conocimientos astronómicos.

Se basa en el hecho de que desde inicios de la cultura humana, los humanos hicieron observaciones meticulosas de fenómenos (clima) a la par que observaciones muy precisas y sistemáticas de los ocasos y ortos, vespertinos y matutinos de las constelaciones (movimiento cíclico de los astros a lo largo del año). Con esos dos grupos de observaciones definieron una relación. Y en esta relación “científica” mostraron la regularidad de los fenómenos cíclicos asociados a precisas situaciones de constelaciones a lo largo del año, que también eran cíclicos.

O sea que nuestros ancestros descubrieron una regularidad de los fenómenos en coincidencia con la regularidad en los movimientos de los astros: estrellas reunidos en constelaciones que aparecían en el cielo mirando al norte, tras el ocaso del sol, o en “los grupos estelares” que aparecían antes del amanecer / antes de la salida del astro sol, sin fijarse apenas en la posición de los grandes astros: el sol, la luna, o los planetas. Y con esos dos grupos de observaciones definieron una relación “científica”, unas reglas de las que podían sacar inferencias inductivas del clima esperado con cierto grado de probabilidad con determinadas constelaciones vespertinas o matutinas en determinados días del año (los 22 días de fiestas).

Gracias a esta observación astronómica conocían el "tiempo atmosférico asociado a constelaciones". De forma que con ello "adivinaban" cuándo, por ejemplo, era el tiempo más adecuado para sembrar para que germinara las semillas, porque en tal momento sabían que iba a llover; o "adivinaban" cuándo era el momento mejor para la recolección de los frutos porque sabían cuándo iba o no a hacer calor que haría o no madurar los frutos; o "adivinaban" si era el momento para viajar, porque sabían que iba o no a haber tormentas o tempestades, etc.

Y este conocimiento lo codificaron en un lenguaje metafórico y con una explicación religiosa. Por eso a la vez celebraban determinados rituales durante los 22 días de fiestas del año, para convencer a la Madre Naturaleza que cumpliera con su responsabilidad y enviase el fenómeno esperado en ese momento del año. O sea que el fundamento de sus mitos, rituales,... era “científico”, pero tenían la finalidad de pedir a la Divinidad que asegurara de manera "mágica" el alimento y la supervivencia, de acuerdo con el período del año (clima) en los que se encontraban (no pedían que los defendiera de la helada en verano, sino cuando el calendario lo indicaba).