1 La Física de la Astronom í a Instituto de Astronomía, UNAM F. Javier Sánchez Salcedo

2 Astrof í sica: resultado de la necesidad del hombre de hacerse preguntas: me quiere o no me quiere? “ Todo ’’ el mundo puede ver una estrella, pero nadie un á tomo.

3 La Astrof í sica es la Ingenier í a de todo lo que est á m á s all á.

4 El Grupo Local

5 LOS OBJETOS DE LOS ASTROF Í SICOS B ó veda celeste. F í sica del Sol. Espacio interplanetario. Sistemas protoplanetarios y planetarios. Las estrellas. Sistemas de estrellas (binarias,..). Objetos compactos. Medio interestelar. Nubes de gas. Nebulosas planetarias. Nubes moleculares y de hidr ó geno neutro. Formaci ó n estelar. Los c ú mulos de estrellas y c ú mulos globulares. Las galaxias. Los c ú mulos de galaxias. Filamentos, paredes y voids. El Universo. SI, MUCHOS OBJETOS, PERO, CU Á L ES LA F Í SICA?

6 Tiempos típicos: grandes comparaciones Universo Millones de años 13,600 Edad de la Tierra 4,500 200 Vida total del Sol 8,000 Rotación del Sol alrededor del centro de la Galaxia Vida de una estrella masiva 2 Separación de los continentes Hace 2,000 Desaparición de los dinosaurios Hace 65 Aparición de los Humanos Hace 0.3 Vida media de un Humano 0.00008 Se descubrió el neutrón Hace 0.000065 Vida media del protón 1,600,000,000,000,000,000,000,000,000

7 Tamaños parsecs Cúmulo de galaxias 1,000,000 Radio Vía Láctea20,000 Altura del disco (Vía Láctea) 300 Distancia media entre estrellas 2 Distancia Tierra-Sol 0.000005

8 Din á mica: fuerza gravitacional Newtoniana por la Tierra y por el Sol. Temperatura superficie: radiaci ó n solar (y ligera reflexi ó n de luz terrestre) Relieve: impactos de meteoritos. Formaci ó n: estudios multidisciplinares.

9 Método científico: Experimento ley predicciones teoría No hay testigos oculares. Ej. Geología Teorías diferentes son capaces de explicar lo mismo. A la pregunta: qu é dice la ciencia? La ciencia puede proponer varias hip ó tesis a la vez. Juicio: Pruebaspara dar una sentencia. Inocente hasta que se demuestre lo contrario. Ciencia: Pruebas para dar una hip ó tesis. Cierta hasta que se demuestre lo contrario.

10 Centro galáctico ¿Fís. Clásica? ¿Relatividad general (GR)? ¿Fís. Cuántica? ¿Nueva física?

11 Huracán Isabel Galaxia M 100

12 En muchos casos las condiciones físicas en las que ocurren no se pueden alcanzar en la Tierra ni en laboratorios, pero ¿PODEMOS EXTRAPOLAR NUESTROS CONOCIMIENTOS A ESOS SISTEMAS?

13 Dos focos de una farola en verano. Los ojos de una mosca. Dos galaxias en ¨interacción¨ RAYOS X ¿Siguen las mismas leyes que en la Tierra? Ej. Fuerza grav.¿Es válida para cualquier r?

14 Cosm ó logo (Universo temprano). Astrof í sico. F í sico at ó mico y nuclear (espectros, ionizaci ó n y recombinaci ó n, interiores estelares). F í sico te ó rico y de part í culas. F í sica de altas energ í as (part í culas relativistas). F í sico qu í mico (qu í mica nubes mol). Mmateria oscura

15 Después de un gran debate SE ACEPTARON COMO UNIVERSALES Después de un gran debate SE ACEPTARON COMO UNIVERSALES Aplicada a la Tierra: La mayoría de la energía que se manifiesta Aplicada a la Tierra: La mayoría de la energía que se manifiesta en la Tierra proviene de la RADIACION SOLAR ¿CUÁL ES SU ORIGEN? Aplicada al Universo: La entropía aumenta con el tiempo Aplicada al Universo: La entropía aumenta con el tiempo El Universo morirá cuando toda la energía mecánica El Universo morirá cuando toda la energía mecánica se transforme en calor y todo esté a la misma se transforme en calor y todo esté a la misma temperatura temperatura Leyes de la Termodinámica y de conservación (de la energía) y la formulación en términos de la ENTROPIA

16 Fuerzas de la naturaleza -Electrodébil (electromagnética + débil) -Gravitatoria -Fuerte !No hay más! (aunque hay algunas sutilezas empíricas) Ej. La fuerza gravitatoria no se ha medido a distancias menores a 0.1 mm Leyes de transformación: Galileo Newtoniana Lorentz (relatividad especial) Relatividad General ? ? +Efectos cuánticos (estadística de fermiones y bosones) Ej. Principio de exclusión de Pauli

17 Mirando al SOL 1848 J. R. Mayer Energía liberada por el continuo bombardeo de meteoros (produciría un acortamiento observable del periodo de rotación de la Tierra) (produciría un acortamiento observable del periodo de rotación de la Tierra) 1860 Helmholtz Transformación de energía potencial a calorífica por contracción Otra alternativa: debido a reacciones químicas exotérmicas Otra alternativa: debido a reacciones químicas exotérmicas (Thomson: pero aún cuando en el Sol se dieran las reacciones químicas más (Thomson: pero aún cuando en el Sol se dieran las reacciones químicas más exotérmicas conocidas en la época, sólo podría radiar durante 3,000 años) Con el simple argumento : vida del Sol > vida de la Tierra > vida de la Luna se fue abandonando la idea de transformación de energía potencial a calorífica. 1920 Jeans y Perrin propusieron transformaciones radioactivas. 1939 Van Weizsäcker describe la reacción de fusión de H a He.

18 Mirando a las estrellas Mirando a las estrellas 1814 Fraunhofer describió las líneas espectrales de Sirio, Castor, Capela, Betelgeuse... 1879 Ley de Stefan 1893 Ley de Wien 1900 Schwarzschild detectó variabilidad del brillo 1906 Fórmula de Planck 1900 Von Seeliger: Las estrellas se disponen en un disco Kapteyn: Ese disco tiene una altura de 1 kpc Kapteyn: Ese disco tiene una altura de 1 kpc 1917 Curtis determina la distancia a NGC 6946 1919 Se determina la distancia al cúmulo globular Messier 13 1922 Lindblad: modelo dinámico de la galaxia (MECANICA CLASICA)

19 M101 X UV V V NIR MIR FIR Ra

20 FOTOMETR Í A VERSUS ESPECTROSCOP Í A LOS ESPECTROS NOS DICEN: Velocidad radial, densidad, temperatura, existencia de ondas de choques, composici ó n qu í mica, ionizaci ó n de los á tomos/mol é culas. A veces, del campo magn é tico, los granos de polvo.

21 Hacia lo más compacto (microfísica) 1799 Laplace encuentra inconsistencias al tratar de 1799 Laplace encuentra inconsistencias al tratar de analizar qué le ocurrirá a la luz en un campo gravitacional intenso. analizar qué le ocurrirá a la luz en un campo gravitacional intenso. 1900 Schwarzschild. El Sol se convertiría en un agujero negro 1900 Schwarzschild. El Sol se convertiría en un agujero negro si se contrajera hasta un radio de 3 km. si se contrajera hasta un radio de 3 km. 1925 Principio de exclusión de Pauli. Aplicación a enanas 1925 Principio de exclusión de Pauli. Aplicación a enanas blancas. blancas. 1932 Landau predice la posibilidad de estrellas de neutrones. 1932 Landau predice la posibilidad de estrellas de neutrones. 1960 Se descubren fuentes de emisión MUY energéticas; 1960 Se descubren fuentes de emisión MUY energéticas; sólo compatibles con una maquinaria asociada a un agujero sólo compatibles con una maquinaria asociada a un agujero negro (AGN, cuásares, estallidos de rayos gamma...). negro (AGN, cuásares, estallidos de rayos gamma...).

22 Es la teoría relativista más sencilla que incluye la GRAVEDAD Es la teoría relativista más sencilla que incluye la GRAVEDAD Los efectos son del orden de Los efectos son del orden de –Superficie del Sol –Actualmente: Relatividad General (GR): ¿cuándo? Soldner (1801) calculó la deflexión de la luz CLASICAMENTE Relatividad general Aplicación LENTE GRAVITACIONAL (efecto lente de un cuásar 1979) R parámetro de impacto

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24 ¿Se puede verificar la Relatividad General? ¿Se puede verificar la Relatividad General? Estrellas de neutrones Estrellas de neutrones Oscilaciones en la radiación en binarias. Oscilaciones en la radiación en binarias. Agujeros negros. Lo poco que se sabe observacionalmente Agujeros negros. Lo poco que se sabe observacionalmente está de acuerdo con GR, pero no se descartan otras teorías está de acuerdo con GR, pero no se descartan otras teorías que puedan diferir de la GR. que puedan diferir de la GR. Con binarias de dos estrellas de neutrones. Con binarias de dos estrellas de neutrones. Ondas gravitacionales ¿Desarrollo de la astronomía de Ondas gravitacionales ¿Desarrollo de la astronomía de ondas gravitacionales? ondas gravitacionales?

25 Hoyos negros Evidencias observacionales para Evidencias observacionales para Emisión del gas más allá del radio gravitacional Emisión del gas más allá del radio gravitacional Son MASIVOS en los núcleos de las galaxias (¿por acrecimiento?) Son MASIVOS en los núcleos de las galaxias (¿por acrecimiento?) Las galaxias con núcleos activos tienen que tener un Las galaxias con núcleos activos tienen que tener un hoyo negro central (no se resuelve): hoyo negro central (no se resuelve): Para la Vía Láctea, si Para la Vía Láctea, si mientras que distancia Sol-centro galáctico mientras que distancia Sol-centro galáctico

26 ¿Y en las estrellas de neutrones? Superficie: átomos Zonas internas: neutrones Núcleo de la estrella: ¿quarks? ¿Superfluidez? ¿Superconductividad?

27 ECUACIONES CL Á SICAS EN ASTROF Í SICA Fuerza de Newton, ecuaci ó n de Poisson. Ecuaciones de Jeans. Ecuaciones hidrodin á micas (Euler, Navier-Stokes). Ecuaci ó n de Boltzmann sin colisiones. Ecuaciones de Einstein, ecuaci ó n de Friedman-Robertson- Walker. Ecuaciones de Maxwell, de la magnetohidrodin á mica, dinamo. Ecuaciones de equilibrio termodin á mico. Ecuaciones de equilibrio de ionizaci ó n. Distribuci ó n de cuerpo negro. Ecuaci ó n de transporte radiativo.

28 PROBLEMAS QUE SE ABORDAN CON FISICA CLASICA Formación de estructuras Reionización del Universo Formación de las galaxias Formación de los bulbos de las galaxias Supervivencia de los discos galácticos Origen de los alabeos galácticos Evolución de las galaxias Química de las galaxias Formación, evolución y muerte de la mayoría de las estrellas Campos magnéticos en planetas, estrellas y galaxias (EFECTO DINAMO) Explosiones de supernovas Dinámica del medio interestelar, formación de nubes de gas Discos de acrecimiento alrededor de estrellas jóvenes Evolución de chorros (jets)

29 Problema de din á mica. Aplicaci ó n del oscilador arm ó nico

30 Opci ó n a)

31 Opci ó n b)

32 Opci ó n c) Cu á l es la opci ó n correcta: a)Sigue cayendo hacia abajo. b)Sale por las ant í podas. c)Se queda en el centro. d)Ninguna de las anteriores.

33 Experimentos sin telescopio Qu é movimiento describe una estrella? Anotar por qu é punto del horizonte sale la Luna y a qu é hora. Luces y sombras: Reloj de Luna? Cu á ndo podemos saber que es un montaje? Experimentos sin telescopio Qu é movimiento describe una estrella? Anotar por qu é punto del horizonte sale la Luna y a qu é hora. Luces y sombras: Reloj de Luna? Cu á ndo podemos saber que es un montaje?

34 Cu á nto tarda el Sol en salir por el horizonte? Di á metro angular del Sol: 32 ’ Cu á nto tarda en la Luna? a) Lo mismo. b) 2 minutos. c) 20 minutos. d) 1h 50 min. Problema de trigonometr í a:

35 UN “DIA” EN LA CARA OCULTA DE LA LUNA Sol sobre horizonte: 14 d í as Oscuridad: 14 d í as Amanecer: 1h 50min Nunca ver í amos a la Tierra No sabr í amos que es un eclipse.

36 Problema de geometr í a: Si nos tumbamos en la superficie de la Luna, qu é movimiento describir í a la Tierra en el Cielo a lo largo de 24 horas? Problema de geometr í a: Si nos tumbamos en la superficie de la Luna, qu é movimiento describir í a la Tierra en el Cielo a lo largo de 24 horas?

37 Problema de trigonometr í a: Cu á l es la estrella Polar de J ú piter? Problema de trigonometr í a: Cu á l es la estrella Polar de J ú piter?

38 Problema de unidades Cu á nto tiempo habr í a que dejar al segundero de un reloj para que diera tantas vueltas como ha dado la Tierra alrededor del Sol? a) 40 minutos b) 4 meses c) 2.33 a ñ os d) 8100 a ñ os

39 C ó mo cambian las formas de las constelaciones si me voy a Plut ó n? Y, desde Pr ó xima Centauri?

40 EL SONIDO: SE PROPAGA EN EL MEDIO INTERPLANETARIO? -Las pel í culas en las que se oyen explosiones y disparos entre naves espaciales … -El medio intergal á ctico est á vac í o? Y el medio interestelar? -No decimos que usamos la hidrodin á mica para explicar el medio interestelar?

41 Problema de escalas Si el Sol fuera del tama ñ o de una canica, a qu é distancia estar í a la estrella m á s pr ó xima? a) 1 metro b) 100 metros c) 1 km d) 430 km

42 z Problema de oscilador arm ó nico Se ha visto que la actividad meteor í tica en la Tierra tiene un periodo caracter í stico. Calcular periodo del movimiento vertical del Sol en la Galaxia.

43 Problema de recorrido libre medio y tiempo de vuelo. Calcular el tiempo que hay que esperar para que dos estrellas de la V í a L á ctea colisionen f í sicamente.

44 El efecto del agujero negro central sobre el Sol Velocidad a la que se mueve el Sol alrededor del centro Gal á ctico es de 220 km/s. Velocidad a la que se mover í a el Sol si s ó lo estuviera el agujero negro (3 millones de masas solares). Distancia 8 kpc

45 Problema de densidades Cu á nto habr í a que comprimir al disco de la V í a L á ctea para tener una densidad como la del agua? a)Casi nada, su densidad es casi de 1 g/cm 3. b)Habr í a que reducir su volumen 100 veces. c)Habr í a que reducir su volumen 10000 veces. d) Habr í a que poner toda su masa dentro del sistema Solar, es decir, dentro una esfera con un radio del tama ñ o de la ó rbita de Plut ó n.

46 Teorema del Virial

47 Problema de conservaci ó n de energ í a Andr ó meda chocar á con la V í a L á ctea, calcular radio final:

48 Problema de enrollamiento de los brazos espirales

49 El problema es que no se obseva que esten tan enrollados.

50 MODELOS ESTOC Á STICOS CON PROPAGACI Ó N DE FORMACI Ó N ESTELAR EN GALAXIAS ESPIRALES Gerola, Seiden (1978); Descomponen un disco 2D en anillos conc é ntricos. Cada anillo y secciona en celdas. Los anillos presentan rotaci ó n diferencial. Se inicia con una poblaci ó n espont á nea de estrellas. Cada celda vecina de una celda con estrella tiene una cierta probabilidad de formar una estrella (ISF). Adem á s hay formaci ó n estelar espont á nea. Se puede a ñ adir poblaci ó n de gas … Problema de programaci ó n

51 Centro Galáctico Sol HI HII ? z gas f1 estrellas f2 gas Parametrización de la formación estelar Lugares de inyección de energía= Disco gaseoso autogravitante magnetizado y con forzamiento (turbulento)

52 Estudio dimensional de la inestabilidad de Jeans Cantidades que tenemos con unidades La ú nica combinaci ó n con dimensiones de longitud que se puede construir es

53 Estudio dimensional de la inestabilidad en un disco infinitesimal en rotacion Cantidades que tenemos con unidades Hay dos combinaciones con dimensiones de longitud que se pueden construir es

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55 Problema de N-cuerpos Problema de N-cuerpos Problema de 2 cuerpos Problema de 3 cuerpos Problema de 10-50 cuerpos Problema de 100-1000 cuerpos Problema de muchos cuerpos C ó digos disponibles! S ó lo introducir las posiciones y velocidades iniciales de las part í culas

56 Relajacion violenta Relajacion violenta Estado inicial ligado pero sin virializar (e.g. E c =0) Estado estacionario, ligado y virializado (E c =-W/2)

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59 APLICACIONES -Evoluci ó n de una part í cula masiva en un medio de part í culas ligeras: movimiento Browniano. -Fusi ó n de galaxias. -Destrucci ó n de c ú mulos de estrellas. -Formaci ó n de colas de marea.

60 Galaxia Antena

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