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)

Astrofísica

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

• 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

Modelos geocéntricos

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 completoDe 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)

• 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

• Modelos/teorías:– 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)

• 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

Nacimiento de la Astrofísica

• E. Hertzprung (1873-1967)/H.N. Russell (1877-1957)– Diagrama color-magnitud

→Desarrollo teorías evolución estelar

• 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

Nacimiento de la Cosmología

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