Astrofísica

¿Qué es la astrofísica?

La astrofísica es el estudio de los objetos y fenómenos celestes aplicando los enfoques de la física. Le interesa la formación, evolución, composición y comportamiento de planetas, astros, galaxias, etc. Figura como una rama de la astronomía y es parte de las ciencias relacionadas con el estudio del Universo.

Parte del objeto de estudio tiene que ver con entender el origen de la vida en el Universo y la función o rol de los seres humanos dentro de él. Por ejemplo, intenta descubrir cómo se desarrollan los entornos con condiciones favorables para el desarrollo de la vida en un sistema planetario.

Objeto de estudio de la astrofísica

La astrofísica tiene como objeto de estudio explicar el orígen y la naturaleza de los cuerpos astronómicos. Algunos de los factores que analiza son la densidad, la temperatura, la  composición química y la luminosidad.

Se vale del espectro electromagnético como principal fuente de información de cualquier objetivo astronómico del Universo. Se estudian los planetas, las estrellas y las galaxias, entre otros. Hoy en día, además, se enfoca en objetivos más complejos o lejanos, como los agujeros negros, la materia oscura o la energía oscura.

Mucha de la tecnología moderna implementada en la astrofísica permite obtener información a través de la luz. Con el estudio del espectro electromagnético, esta disciplina es capaz de conocer tanto los cuerpos astronómicos visibles como los invisibles al ojo humano. 

Historia de la astrofísica

El surgimiento de la astrofísica como rama de la astronomía se da durante el siglo XIX. Su historia está llena de antecedentes relevantes en los cuales se relaciona estrechamente la química con las observaciones ópticas. La espectroscopia figura como la técnica de estudio más importante para el desarrollo de la ciencia y analiza la interacción entre la luz y la materia. 

La espectroscopia, así como el establecimiento de la química como ciencia, fueron elementos que influyeron notablemente en el avance de la astrofísica. En 1802 William Hyde Wollaston, químico y físico inglés, descubrió algunos rastros oscuros en el espectro solar.

Posteriormente, el físico alemán Joseph von Fraunhofer notó por su cuenta que estos rastros del espectro óptico del Sol se repiten en estrellas y planetas como Venus. A partir de aquí dedujo que era una propiedad inherente a la luz. El Análisis espectral de la luz, elaborado por Fraunhofer, fue uno de los patrones a seguir por diversos astrónomos. 

Otro científico significativo fue el astrónomo William Huggins. En 1864, con un espectroscopio que había armado en su observatorio, pudo descubrir que se podía determinar la composición química y obtener algunos parámetros físicos de las nebulosas.

Por ejemplo, podía hallarse la temperatura y la densidad. La observación de Huggins fue realizada para estudiar la nebulosa NGC6543, mejor conocida como “Ojo de gato”. 

Huggins se basó en los estudios de Fraunhofer para aplicar el análisis espectral de la luz del Sol y emplearlo de igual forma en estrellas y nebulosas. Además, Huggins y el profesor de química del King’s College de Londres, William Miller, invirtieron mucho tiempo en realizar estudios de espectroscopia en elementos terrestres para identificarlos en los estudios de los astros.

Para el siglo XX, la calidad de los descubrimientos se vieron frenados por las limitaciones técnicas. Esto hizo que se comenzara a construir equipos mejorados que permitieron los progresos más significativos hasta la actualidad.

Teorías para el estudio de la astrofísica

• Teoría inflacionaria del Universo. La teoría inflacionaria fue postulada por el físico y cosmólogo Alan H. Guth en 1981. Tiene como objetivo explicar el origen y la expansión del Universo. La idea de “inflación” sugiere la existencia de un período de expansión exponencial que aconteció en el mundo durante sus primeros instantes de formación. La propuesta inflacionaria contradice la teoría del Big Bang, una de las más aceptadas para explicar el origen del Universo. Mientras el Big Bang propone que la expansión del Universo ha reducido su velocidad luego de la explosión, la teoría inflacionaria afirma lo contrario. La “inflación” sugiere una expansión acelerada y exponencial del Universo que permitiría grandes distanciamientos entre los objetos y una distribución homogénea de la materia.
• Teoría electromagnética de Maxwell. Uno de los aportes más interesantes en la historia de las ciencias físicas son las ecuaciones de Maxwell en su teoría electromagnética. En 1865, James Clerk Maxwell, especializado en física matemática, publicó Una teoría dinámica del campo electromagnético, donde expuso las ecuaciones que revelan el trabajo conjunto entre la electricidad y el magnetismo, una relación que se especulaba desde el siglo XVIII. Las ecuaciones abarcan las distintas leyes que se asocian a la electricidad y el magnetismo, como la ley de Ampère, Faraday o la ley de Lorentz. Maxwell detectó la relación existente entre la fuerza de gravedad, la atracción magnética y la luz. Anteriormente, en la astrofísica se evaluaban solo propiedades como la gravedad o la inercia. Luego del aporte de Maxwell, se introdujo el estudio de los fenómenos electromagnéticos.

Métodos de recolección de información en astrofísica

• Espectrómetro. E físico Gustav Kirchhoff y el químico Robert Bunsen, ambos alemanes, fueron los creadores del primer espectrómetro. En 1859 demostraron que cada sustancia en su estado puro es capaz de transmitir un espectro específico. Los espectrómetros son instrumentos ópticos que permiten medir la luz de una parte concreta de algún espectro electromagnético y posteriormente identificar materiales. La medida usual se realiza al determinar la intensidad de la luz. Los primeros espectrómetros fueron prismas básicos con gradaciones. En la actualidad son dispositivos automáticos que pueden controlarse de forma computarizada.
• Fotometría astronómica. En la astrofísica, es importante la aplicación de la fotometría, ya que gran parte de la información proviene de la luz. Se encarga de medir la intensidad de la luz que provenga de un objeto astronómico. Utiliza como instrumento un fotómetro, o puede estar integrada en un telescopio. La fotometría ayuda a determinar, por ejemplo, la posible magnitud de un objeto celeste.
• Astrofotografía. Es la fotografía de sucesos y objetos astronómicos, también incluye zonas del cielo en horas nocturnas. Una de las cualidades de la astrofotografía es poder traducir en imágenes aquellos elementos lejanos, como galaxias o nebulosas.

Ramas de la astrofísica observacional

Esta disciplina se enfoca en la recolección de datos mediante la observación de los objetos celestes. Se sirve de instrumentos astronómicos y del estudio del espectro electromagnético. Gran parte de la información que se obtiene de cada rama de la astrofísica observacional tiene que ver con la radiación electromagnética. 

• Radioastronomía. Estudia los objetos celestes capaces de emitir ondas de radio. Pone atención en los fenómenos astronómicos que usualmente son invisibles o están ocultos en otras porciones del espectro electromagnético. Para las observaciones se utiliza un radiotelescopio, instrumento diseñado para percibir actividades de ondas de radio.
• Astronomía infrarroja. Estudia y detecta la radiación infrarroja proveniente de objetos celestes. Esta rama es bastante amplia, ya que todos los objetos son capaces de emitir radiación infrarroja, lo cual significa que abarca todos los objetos existentes en el Universo. La astronomía infrarroja también es capaz de detectar objetos fríos que no pueden percibirse con instrumentos ópticos que trabajen con luz visible. Estrellas, nubes de partículas, nebulosas y demás, son algunos de los objetos espaciales que puede percibir.
• Astronomía óptica. Conocida comoastronomía de luz visible, es el método de estudio más antiguo. Los instrumentos más utilizados son el telescopio y los espectrómetros, que trabajan dentro del rango de la luz visible. Esta disciplina se diferencia de las anteriores porque no estudia los objetos de luz invisible. 

• Astronomía de rayos gamma. Estudia fenómenos u objetos astronómicos capaces de generar rayos gamma, radiaciones de altísima frecuencia, mayor a los rayos X, y tienen como fuente un objeto radiactivo. Los rayos gamma pueden localizarse en sistemas astrofísicos de energía muy elevada, como agujeros negros, estrellas enanas o restos de supernova, entre otros.

Conceptos relevantes en astrofísica

• Espectro electromagnético. Rango de distribución energética relacionado con las ondas electromagnéticas. En relación con un objeto específico, se define como la radiación electromagnética capaz de emitir o absorber cualquier objeto o sustancia tanto en la Tierra como en el espacio. El espectro incluye la luz visible por el ojo humano, y aquella que es invisible.
• Objeto astronómico. Es cualquier entidad, conjunto o composición física que se encuentra de forma natural en la parte observable del Universo. Los objetos astronómicos pueden ser planetas, estrellas, lunas, nebulosas, sistemas planetarios, galaxias, asteroides y otros.
• Radiación. Es la energía que puede provenir de una fuente y viajar a través del espacio, e incluso ser capaz de penetrar en otros materiales. Algunos tipos de radiación conocidos son las ondas de radio y la luz. Otro tipo de radiación familiar es la “radiación ionizante”, que se genera a través de fuentes que emiten partículas cargadas o iones.

Referencias

1. Types of Astronomical Spectra. Recuperado de atnf.csiro.au.
2. Astronomical object. Recuperado de en.wikipedia.org.
3. Espectrómetros. Recuperado de espectometría.com.
4. Visible-light astronomy. Recuperado de en.wikipedia.org.
5. Gamma-ray astronomy. Recuperado de britannica.com.