Tema 1. Introducción: Historia de la Astronomía

Introducción

¿Qué es la Astronomía?

Es la Ciencia que estudia el Universo, la estructura, movimiento, origen y evolución de los cuerpos celestes y sus agrupaciones.

Ramas de la Astronomía

• Astrometría y Mecánica Celeste: posición y

movimientos de los astros en el cielo.

• Astrofísica: estelar, medio interestelar,

galáctica, extragaláctica,…

• Cosmología: origen y evolución del Universo.

• Heliofísica

• Planetología, Astrobiología, Cosmogonía,

Astrogeología.

• Historia de la Astronomía, Arqueoastronomía.

Ventanas de observación astronómica

El efecto de la atmósfera terrestre

• Agua (H2O)

• Oxígeno (O2)

• Nitrógeno (N2)

• Ozono (O3)

• Dióxido de Carbono (CO2)

• Otras especies menores

ISS

Everest

Keck

Telescopios convencionales

Radioastronomía

Astrofísica de altas energías

Astronomía infrarroja

+ Astrofísica de partículas

+ Ondas gravitatorias (?)

+ ????

Estructura y dimensiones del Universo conocido

R ~ 6400 km

d ~ 385000 km

d ~ 150000000 km = 1 UA

d ~ 5.2 UA

d ~ 20 UA

d ~ 40 UA

R ~ 696000 km

Radio estelar típico ~ 0.5 – 100 Rsol

Distancia Proxima Centauri ~ 4 x 1013 km = 4.22 años-luz = 1.3 pc

D típica estrellas cercanas ~ 1 – 40 pc

R ~ 30 kpc

D ~ 10 kpc

D ~ 60 kpc

D ~ 800 kpc

R ~ 1.2 Mpc

D ~ 1000 Mpc

D ~ 4000 Mpc

¿Qué interacciones controlan el Universo?

Grandes

Intermedias

Núcleos (10-17 m)

Núcleos (10-15 m)

GRAVITATORIA

ELECTROMAGNÉTICA

DÉBIL

FUERTE

Masa

Carga

Leptones / Mesones

Quarks

ORIGEN DISTANCIAS

En la actualidad…

En el pasado…

FUERZAS UNIFICADAS (?)

Fuerza gravitatoria

2ˆ

MmF G r

r

��������������Formulación clásica de Newton:

Es una acción a distancia que depende de una propiedad intrínseca de la materia: la masa.

AtractivaCentral

Inverso cuadrado

La perspectiva de Einstein:

La teoría de la Relatividad General viene a indicar que no

podemos distinguir una fuerza de la curvatura del espacio-tiempo,

transformando la gravedad en un problema geométrico.

Fuerza electromagnética

20

1ˆ

4

QqF r

r

��������������

Las ecuaciones de Maxwell

1.Ley de Gauss para el campo eléctrico

           1.Ley de Gauss para el campo magnético           1.Ley de Faraday-Henry

                  1.Ley de Ampère-Maxwell

                            

• La ley de Coulomb para la electrostática sería el análogo de la ley de Newton para la gravedad.

• La versión cuántica de la teoría electromagnética es la Electrodinámica cuántica.

Interacción nuclear débil

Interacción nuclear fuerte

• ¿Qué mantiene a los núcleos unidos pese a estar formados por cargas del mismo signo (protones) y neutras (neutrones)?

• La interacción nuclear fuerte mantiene ligados los quarks para formar hadrones y la interacción nuclear fuerte residual liga entre sí los nucleones.

• La descripción cuántica se denomina cromodinámica cuántica.

• ¿Por qué algunos átomos son inestables y decaen en formas más ligeras, transformándose incluso en otros elementos?

• El modelo electrodébil incorpora esta interacción en la cromodinámica cuántica.

• Es una fuerza atractiva.

Estas interacciones son fundamentales para entender el Universo tal y como es hoy en día.

Historia de la Astronomía

Astronomía Antigua: 3000 – 600 AC

• Todas las culturas antiguas (centroamericanas, celtas, mesopotámicas, orientales, egipcias,…) muestran interés por la astrología (forma primitiva de la astronomía) especialmente en lo referente a los movimientos de los astros en el cielo (asociada a la predicción) y a la confección de calendarios.

• Una rama de la Historia de la Astronomía se dedica exclusivamente a los vestigios más antiguos: arqueoastronomía.

Astronomía en Mesopotamia

• Abarca una serie de civilizaciones (sumerios, babilonios, acadios, seléucidas) desde 2000 A.C. hasta el 200 A.C., aproximadamente.

• El uso de tablillas de barro ha permitido la conservación de estos restos.

• Numeración en base 60 heredado en la actualidad en las medidas de tiempo y ángulos.

• Los babilonios documentaron 17/18 constelaciones zodiacales.

• Muchas de las constelaciones que ellos trazaron son similares a las actuales.

• Muchas de sus constelaciones fueron posteriormente adoptadas por los griegos.

• Aritmética frente a geometría.

Tablas de Mul-Apin, período asirio (700 A.C.) Actualidad

Astronomía Antigua: 600 AC - 200 DC

• La astronomía más influyente en nuestra cultura es helénica.

• Geocentrismo: Ptolomeo

• Heliocentrismo: Pitágoras

• Forma y tamaño de la Tierra: Eratóstenes

• Cosmogonía y caos: Aristóteles

Tomando medidas al Universo

• Aristarco de Samos (siglos II-III A.C.) fue el primer proponente de la teoría heliocéntrica.

• Ideó un método (perfectamente correcto) y fue el primero en medir la distancia al Sol y el tamaño y distancia a la Luna.

• Desgraciadamente sus mediciones no fueron tan buenas como sus ideas: concluyó que el Sol se encuentra 20 veces más lejos que la Luna (en realidad, 390 veces).

• Para la Luna se acercó algo más: estimó una circunferencia de 14.000 kilómetros, cuando en realidad posee una circunferencia de 11.000 kilómetros.

• Algunas de las ideas atribuidas a Hipatia de Alejandría (s. IV) en la película Ágora, pertenecen en realidad al propio Aristarco de Samos.

• Aunque ninguna de sus obras se ha conservado, obras posteriores la citan como una eminente e influyente astrónoma.

El movimiento de los astros

Ptolomeo Brahe Copérnico

• El método científico exige, entre otras cosas, economía de hipótesis de partida.

• Cuando la teoría científica tiene problemas para explicar nuevas observaciones, se requiere una mejora significativa o, en ocasiones, una revolución completa.

• La nueva teoría debe idealmente responder satisfactoriamente las mismas cuestiones que la teoría original e incorporar las nuevas, a ser posible de una forma más sencilla y elegante.

• El modelo de Brahe es cinemáticamente equivalente al de Copérnico.

• La historia de la ciencia es una historia de error y mejora.

Astronomía Árabe: siglos IX - XIII

• Fueron depositarios de la cultura griega durante gran parte de la Edad Media.

• Tratados de astronomía (Al Fargani).

• Álgebra, geometría y tablas de cálculo.

• Construcción de astrolabios y brújulas.

• Catálogos de estrellas y construcción de observatorios (Margheh, astrónomos chinos!).

• El Cairo, Damasco, Toledo, …

• Avicena: “la inutilidad de la adivinación astrológica”.

Astronomía Clásica: siglos XVI - XVII

• Copérnico: heliocentrismo (1543).

• Brahe: observaciones precisas (1576).

• Kepler: leyes movimiento planetario.

• Galileo: anteojo astronómico.

• Newton: ley de la gravitación, telescopio reflector, …

• Fundación de observatorios de Greenwich, París, … (1670)

Astronomía Clásica: siglos XVII - XIX

• Desarrollo del cálculo matemático: Euler, Bessel, Lagrange, Laplace, Gauss, …

• Descubrimiento Urano (1781), Asteroides (1801), Neptuno (1846)

• Catálogos estelares y de otros objetos (Messier)

• Estudio de distancias por paralaje.

El Catálogo Messier

• Los catálogos estelares más antiguos datan de los siglos I-II A.C. (Hiparco de Nicea).

• Charles Messier era un astrónomo francés del s. XVIII cuya principal tarea consistía en cazar cometas.

• El primer objeto que catalogó fue M1 (la Nebulosa del Cangrejo) para evitar confundirla con el cometa Halley, que se encontraba buscando. Su primer descubrimiento fue M3 (cúmulo globular en Canes Venatici).

• Su catálogo contiene un total de 110 objetos en principio fáciles de ser confundidos con cometas.

• La noche del 15 al 16 de Marzo de 2010 será posible observar TODOS los objetos del catálogo.

Astrofísica: 1850 - 1950

• Avances en la instrumentación astrónomica (Yerkes, Mt Wilson, fotografía, …)

• Enorme desarrollo de la Física (Termodinámica, Electromagnetismo, Relatividad, …)

• Astrofísica estelar (Luminosidad, masa estelar, composíción, diagrama HR 1913, …)

• Astrofísica galáctica (1920 Ley de Hubble, estructura de la galaxia,…)

• “Canales” de Marte, descubrimiento de Plutón (1930), composición atmósferas planetarias, …

Astrofísica: Otras ventanas de observación 1930 -

• Radioastronomía (1932)

• Rayos cósmicos (1912)

• Neutrinos (1956)

• Astronomía infrarroja (1965)

• Astronomía ultravioleta (1968)

• Ondas gravitatorias (1960)

Astrofísica: Grandes Telescopios

• Telescopios de 5m (Mt Palomar, 1954)

• Telescopios de 10 m (~ 1990)

• Telescopio Espacial Hubble

• Desarrollo de la tecnología CCD (~ 1980)

Los Telescopios de próxima generación

• Unos de los proyectos más ambiciosos que existen actualmente es el European Extremely Large Telescope, con una abertura de 39m y planeado para entrar en funcionamiento a partir de 2020.

• El espejo principal estará compuesto por 800 segmentos, cada uno de ellos de 1.4m, incluyendo métodos de óptica adaptativa para poder aprovechar la abertura del instrumento.

• Finalmente se construirá en Chile, aunque se barajaron lugares como España, Argentina o Marruecos.

• Entre sus objetivos científicos se encuentra la búsqueda de planetas extrasolares de tipo Tierra y el estudio de las etapas tempranas de formación de las galaxias.

• Otros proyectos barajados han sido la construcción del Overwhelmingly Large Telescope, con una apertura de 100m, sin embargo, debido a los costes y dificultades, se recomendó en primer lugar construir telescopios algo más pequeños como el E-ELT.

• El próximo gran telescopio espacial será el James Webb Space Telescope con una abertura de 6.5m que espera ser lanzado en 2018.

Astrofísica: la nueva cosmología

• Hipótesis del Big Bang ( ~ 1950)

• Quimiosíntesis primordial

• Expansión del Universo

• Anisotropía del fondo de microondas

• Observación del Universo joven

La carrera espacial: 1960 -

• Lanzamiento del Sputnik (1957)

• Llegada del hombre a la Luna (1969)

• Satélites militares, científicos y civiles

• Exploración del Sistema Solar

Las últimas misiones espaciales… buscando nuevas Tierras

COROT

Convection Rotation and Planetary Transits.

30 cm

Lanzado en 2006

GAIA

Global Astrometric Interferometer for Astrophysics

Estudiará 109 estrellas

Lanzamiento previsto en 2013

PLANCK

Estudia el fondo cósmico de microondas

1.5 m

Lanzado en 2009