Astrofísica: historia y concepto
La astrofísica es una disciplina de la astronomía enfocada en investigar cómo surgen, evolucionan y terminan los cuerpos y sistemas celestes, tomando como base las leyes físicas que los gobiernan. Para ello, los expertos analizan las emisiones de radiación electromagnética de estos objetos a lo largo de todo el espectro, así como los cambios que estas señales experimentan con el tiempo (consulta el término Espectroscopia).
Posteriormente, esta información se interpreta mediante modelos teóricos, que buscan describir los procesos responsables de la generación y emisión de radiación en o alrededor de cada objeto estudiado. Dichas observaciones permiten determinar la distribución energética y las características de los átomos presentes en el objeto, así como calcular propiedades como su temperatura y presión utilizando principios termodinámicos.
Índice de contenidos
El estudio de las estrellas
Los modelos de objetos celestes en estado de equilibrio se construyen considerando el balance de fuerzas que actúan sobre y dentro de ellos. Por otro lado, los eventos catastróficos se entienden como situaciones donde estas fuerzas han perdido su balance.
Las estrellas son algunos de los objetos celestes más estudiados y comprendidos. Al analizar la luz que emiten y descomponerla en su espectro, se obtiene información clave sobre su naturaleza. La intensidad de las diferentes longitudes de onda permite calcular la temperatura de la superficie de la estrella, utilizando las leyes que rigen la radiación térmica.
Conociendo la distancia de una estrella, se puede determinar su luminosidad al sumar las intensidades medidas en todo el rango de longitudes de onda. A partir de este dato, es posible estimar su tamaño, dado que la luminosidad es el resultado de la energía emitida por cada unidad de superficie (que depende de la temperatura) y la superficie total del astro.
Los espectros de alta resolución revelan líneas oscuras en ciertas longitudes de onda, que corresponden a la absorción de luz en las capas superiores más frías de la estrella. Comparando estas líneas con las obtenidas en laboratorio mediante gases conocidos, se identifican los elementos presentes en la estrella. Esto también permite calcular la temperatura, presión y la abundancia relativa de sus componentes químicos. Un ejemplo clásico de estas líneas son las llamadas Líneas de Fraunhofer.
La mayoría de las estrellas están en la “secuencia principal”, una etapa de su ciclo vital donde la luminosidad y la temperatura aumentan con la masa. Existen excepciones notables: las gigantes rojas, más brillantes y grandes que las estrellas de la secuencia principal de igual temperatura, y las enanas blancas o estrellas de neutrones, que son mucho más pequeñas y menos luminosas en comparación.
Los modelos de los interiores estelares se basan en el equilibrio entre dos fuerzas principales: la gravedad, que tiende a colapsar la estrella, y la presión de los gases calientes, que provoca su expansión. Las altísimas temperaturas de las estrellas generan un flujo de calor hacia su superficie. Este calor debe ser compensado por la energía producida en las reacciones nucleares internas para mantener el equilibrio. Cuando el combustible nuclear se agota, la estrella atraviesa un proceso de evolución en el que su núcleo se comprime progresivamente hasta alcanzar densidades extremas.
En las estrellas de baja masa, este proceso culmina con la expulsión gradual de sus capas externas, que forman una nebulosa planetaria. El núcleo restante se enfría y se convierte en una enana blanca. Por el contrario, en las estrellas masivas, la evolución provoca inestabilidad. Su núcleo colapsa repentinamente, formando una estrella de neutrones o un agujero negro. Este evento genera una liberación de energía tan intensa que las capas exteriores son expulsadas violentamente, dando lugar a una explosión espectacular conocida como supernova.
El estudio de las galaxias
Las galaxias son enormes sistemas estelares separados por vastas distancias. Además de estrellas, contienen gas interestelar, partículas de polvo y débiles campos magnéticos que atrapan partículas cargadas de alta energía conocidas como rayos cósmicos.
Existen distintos tipos de galaxias. Las elípticas tienen una forma esferoidal y contienen muy poca materia interestelar. Por otro lado, las galaxias espirales son discos aplanados en rotación que albergan grandes cantidades de gas y polvo, además de estrellas masivas y otras más pequeñas, similares a las de las galaxias elípticas. El material en los discos de estas galaxias suele formar brazos espirales bien definidos.
Algunas galaxias, conocidas como galaxias activas, presentan núcleos que emiten partículas de alta velocidad cercanas a la velocidad de la luz. Estas partículas generan radiación en forma de ondas de radio, rayos X y luz visible. Este fenómeno se observa tanto en galaxias espirales como elípticas, y alcanza su máxima intensidad en los quásares, objetos cuya luminosidad puede ser hasta 100 veces mayor que la de todas las estrellas de su galaxia combinadas (consulta Radioastronomía para más información).
Los modelos teóricos que explican la formación y evolución de las galaxias consideran las interacciones entre las estrellas y el material interestelar. Inicialmente, las galaxias estaban compuestas solo de gas, y con el tiempo este gas dio origen a las primeras estrellas. Las supernovas, al estallar, enriquecen el medio interestelar con elementos pesados, que luego son utilizados para formar nuevas generaciones estelares. En las galaxias elípticas, este proceso ha culminado, dejando una cantidad mínima de materia interestelar.
En contraste, las galaxias espirales aún contienen abundante material interestelar, y la formación de estrellas es más activa en los brazos espirales que en el núcleo. Se cree que las ondas de densidad en espiral comprimen el gas y el polvo, creando nubes densas que eventualmente colapsan para formar nuevas estrellas.
El estudio del universo
La cosmología se dedica a estudiar la estructura y evolución del Universo. Una de las bases de la cosmología moderna es el descubrimiento realizado en 1929 por Edwin Hubble, quien observó que las galaxias se alejan unas de otras a velocidades proporcionales a sus distancias. Anteriormente, en 1922, el astrónomo ruso Alexandr Friedmann propuso que el Universo, en promedio, tiene una densidad uniforme de materia.
Usando la teoría de la relatividad general de Einstein, Friedmann calculó que este sistema debió originarse en un estado de densidad infinita, conocido como el Big Bang, y expandirse desde allí, algo que las observaciones de Hubble confirmaron posteriormente. Hoy en día, la mayoría de los astrónomos adoptan el modelo del Big Bang, perfeccionado en la década de 1980 con la teoría inflacionaria, que intenta explicar las condiciones previas a este evento.
En 1965, el hallazgo de la radiación de fondo de microondas, un débil brillo uniforme presente en todo el Universo, respaldó la predicción de este modelo al confirmar que la radiación del Big Bang aún persiste.
Aún no se sabe con certeza si el Universo continuará expandiéndose para siempre. La cuestión radica en la cantidad de masa presente en el cosmos, ya que las mediciones actuales no concuerdan completamente con las predicciones del modelo del Big Bang.
Según estas mediciones, la fuerza gravitacional no sería suficiente para frenar la expansión. Sin embargo, algunos científicos apoyan la hipótesis de un universo oscilante, que requeriría más masa de la que se ha detectado hasta ahora. Proponen que esta “masa perdida” podría estar en regiones intergalácticas o en agujeros negros.
Otra teoría sugiere que los neutrinos, partículas subatómicas que se creían sin masa, en realidad tienen una pequeña masa. Como el Universo está lleno de neutrinos, su masa acumulada podría ser suficiente para provocar un ciclo continuo de expansión y contracción del Universo.
¿Cuáles son las ramas de la astrofísica?
La astrofísica se divide en varias ramas especializadas que permiten estudiar distintos aspectos del universo. Estas son las principales:
- Astrofísica Estelar
Analiza las propiedades físicas y químicas de las estrellas, su formación, evolución y muerte. Estudia fenómenos como supernovas, enanas blancas, estrellas de neutrones y agujeros negros.
- Astrofísica Galáctica
Se centra en la estructura, composición y dinámica de las galaxias, incluyendo su interacción con otras galaxias y los procesos de formación estelar dentro de ellas.
- Astrofísica Extragaláctica
Explora los objetos y estructuras más allá de nuestra galaxia, como cúmulos de galaxias, quásares y la expansión del universo.
- Astrofísica de Altas Energías
Estudia fenómenos extremos que producen emisiones de alta energía, como rayos X y rayos gamma. Esto incluye púlsares, agujeros negros y explosiones de rayos gamma.
- Astrofísica Relativista
Se basa en la teoría de la relatividad general de Einstein para investigar objetos masivos y densos, como agujeros negros y ondas gravitacionales.
- Astrofísica Planetaria
Investiga los planetas, lunas, asteroides y cometas dentro y fuera del sistema solar. Incluye el estudio de exoplanetas y la búsqueda de condiciones habitables.
- Astrofísica del Medio Interestelar
Analiza el gas, el polvo y los campos magnéticos presentes en el espacio entre las estrellas, cruciales para la formación estelar.
- Cosmología
Estudia el universo como un todo, incluyendo su origen, evolución, estructura a gran escala y destino final, apoyándose en modelos como el del Big Bang.
- Astrofísica Nuclear
Investiga las reacciones nucleares que ocurren en el interior de las estrellas, responsables de la generación de energía y la formación de elementos químicos.
- Astrofísica Observacional y Experimental
Se basa en la recopilación de datos a través de telescopios y otros instrumentos, utilizando el espectro electromagnético y partículas como neutrinos o rayos cósmicos.
Cada una de estas ramas contribuye al entendimiento integral del universo, abordando fenómenos desde distintas perspectivas físicas y teóricas.