Astronomía

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Nota de desambiguación.svg Desambiguación : si está buscando otros significados, consulte Astronomía (desambiguación) .
Alegoría de la astronomía en la sala de las artes liberales y los planetas , de Gentile da Fabriano (1412, Palazzo Trinci en Foligno )

La astronomía es la ciencia que se ocupa de la observación y explicación de los eventos celestes . Estudia los orígenes y evolución, las propiedades físicas , químicas y temporales de los objetos que forman el universo y que se pueden observar en la esfera celeste .

Es una de las ciencias más antiguas y muchas civilizaciones arcaicas de todo el mundo han estudiado el cielo y los eventos astronómicos de una manera más o menos sistemática: egipcios y griegos en la zona mediterránea , babilonios , indios y chinos en Oriente y finalmente los mayas. y los incas en las Américas . Estos antiguos estudios astronómicos se orientaron hacia el estudio de las posiciones de las estrellas ( astrometría ), la periodicidad de los eventos y la cosmología y por tanto, en particular para este último aspecto, la astronomía antigua casi siempre está fuertemente ligada a los aspectos religiosos . Sin embargo, en el siglo XXI, la investigación astronómica moderna es prácticamente sinónimo de astrofísica .

La astronomía no debe confundirse con la astrología , una pseudociencia que afirma que los movimientos aparentes del Sol y los planetas en el zodíaco influyen de alguna manera en los eventos humanos, personales y colectivos. Aunque las dos disciplinas tienen un origen común, son totalmente diferentes: los astrónomos han adoptado el método científico desde la época de Galileo , a diferencia de los astrólogos.

La astronomía es una de las pocas ciencias en las que el trabajo de investigación del aficionado y aficionado (el astrónomo aficionado) puede jugar un papel relevante, proporcionando datos sobre estrellas variables o descubriendo cometas , nueves , supernovas , asteroides u otros objetos.

Una foto en mosaico de la Nebulosa del Cangrejo , un remanente de supernova , tomada por el Telescopio Espacial Hubble

Etimología

Una región de formación de estrellas en la Gran Nube de Magallanes .

Etimológicamente, la palabra "astronomía" proviene del latín astronomĭa , que a su vez proviene del griego ἀστρονομία ('astronomía' compuesta por ἄστρον 'astron' "estrella" y νόμος 'nomos' "ley, norma"). [1] La mayoría de las ciencias usan el sufijo griego λογία ('logy' 'tratado, estudio'), como cosmología y biología . De hecho, "astronomía" podría haber tomado el nombre de astrología , pero esta denominación se atribuyó a lo que se considera una pseudociencia , pero que en las creencias de muchos pueblos se pretendía predecir el futuro a través del estudio del cielo [2] . Aunque ambos comparten un origen común, son muy diferentes: mientras que la astronomía es una ciencia que aplica el método científico , la astrología moderna es una pseudociencia que sigue un sistema de creencias sin fundamento.

Uso de los términos "astronomía" y "astrofísica"

Fotografía tomada por HST en enero de 2002 , que representa nubes de gas alrededor de una estrella variable. ( V838 Monocerotis )

Generalmente, los términos "astronomía" o " astrofísica " pueden usarse para referirse al mismo tema. [3] [4] [5] Según las definiciones del diccionario, el término "astronomía" se refiere al "estudio de la materia y los objetos fuera de la atmósfera terrestre y sus propiedades físicas y químicas" [6] mientras que "astrofísica" se refiere a la rama de la astronomía que se ocupa de "el comportamiento, las propiedades físicas y los procesos dinámicos de los objetos celestes y otros fenómenos". [7] En algunos casos, como en la introducción al tratado Universe Body (The Physical Universe) por Frank Shu , se nos dice que '"astronomía" puede usarse para describir el estudio cualitativo del tema, donde la' 'Astrofísica "se utiliza para describir la versión orientada a la física. [8] Sin embargo, dado que la investigación astronómica más moderna se ocupa de temas relacionados con la física, la astronomía moderna podría llamarse astrofísica. Varios departamentos que investigan este tema pueden usar "astronomía" y "astrofísica" dependiendo de si el departamento está históricamente asociado con un departamento de física, [4] y muchos astrónomos profesionales tienen títulos en física. [5] Una de las revistas científicas líderes en el campo se llama Astronomy and Astrophysics .

Historia

Icono de lupa mgx2.svg El mismo tema en detalle: Historia de la Astronomía , Arqueoastronomía , Astronomía Griega y Orientación Astronómica en la Navegación en la Edad Clásica .
Urania, la musa griega, patrona de la astronomía y las ciencias naturales
Astrónomos estudiando un eclipse , pintura sobre lienzo, de Antoine Caron desde 1571 .

Al comienzo de su historia, la astronomía se preocupaba únicamente por la observación y predicción de los movimientos de los objetos celestes que podían ser observados a simple vista por el hombre y su origen. En algunos lugares, las primeras civilizaciones construyeron enormes artefactos que probablemente tuvieran fines astronómicos, además de ser utilizados con fines ceremoniales. Estos observatorios pueden haber sido utilizados para determinar las estaciones , factor indispensable para la organización de la vida social y agrícola , así como para comprender la duración del año . [9]

Antes de la invención del telescopio, los primeros estudios de las estrellas se realizaban a simple vista , al igual que las civilizaciones que vivían en Mesopotamia , Grecia , Persia , India , China , Egipto y América Central en particular, quienes construyeron observatorios que los astrónomos comenzaron a explorar. naturaleza del universo. En realidad, la astronomía de esa época consistía principalmente en mapear la posición de estrellas y planetas, ciencia que se llama astrometría . A partir de estas observaciones, se formaron las primeras teorías sobre los movimientos de los planetas y la naturaleza del Sol, la Luna y la Tierra, que inicialmente se pensó que estaba en el centro del universo. Esta concepción del universo se conoció como el sistema geocéntrico , o sistema ptolemaico, llamado así por el astrónomo griego Claudio Ptolomeo . [10]

De particular importancia fue la aplicación de las matemáticas a la astronomía, que comenzó con los babilonios , quienes sentaron las bases de las tradiciones retomadas posteriormente por otras civilizaciones, [11] descubriendo entre otras cosas que los eclipses lunares se repetían según un ciclo repetitivo conocido como el saros , [12] mientras que la mejora del calendario se debe a la astronomía egipcia .

Un reloj de sol ecuatorial griego en Alejandría en el Oxus .

Después de los babilonios, se produjeron avances astronómicos significativos en Grecia y el mundo helenístico , con la astronomía griega buscando una explicación física racional para los fenómenos celestes. [13] En el siglo III a. C. , Aristarco de Samos estimó el tamaño y la distancia de la Luna y el Sol, y fue el primero en proponer un modelo heliocéntrico del sistema solar , [14] mientras que en el siglo II a. C. , Hiparco descubrió la precesión de los equinoccios , calculó el tamaño y la distancia de la Luna e inventó uno de los primeros instrumentos astronómicos, el astrolabio . [15] Hiparco también creó un catálogo completo de 1020 estrellas, y la mayoría de las constelaciones del hemisferio norte fueron definidas por la astronomía griega. [16] La máquina de Antikythera (c. 150-80 aC) era una computadora mecánica diseñada para conocer la posición del Sol, la Luna y los planetas en una fecha determinada. Los artefactos de esta complejidad no se volverán a ver hasta el siglo XIV , cuando aparecieron los relojes astronómicos mecánicos en Europa . [17]

Uno de los primeros manuscritos astronómicos, alrededor del año 1000.

La astronomía, en su mayoría estancada en la Europa medieval , floreció en el mundo islámico y en otros lugares, lo que llevó al nacimiento de los primeros observatorios astronómicos entre los pueblos musulmanes, a partir del siglo IX . [18] [19] [20]
En 964 , el astrónomo persa Azophi describió por primera vez la Galaxia de Andrómeda , la galaxia más grande del Grupo Local , en su Libro de estrellas fijas . [21] La supernova SN 1006 , el objeto estelar más brillante de la historia, fue estudiada por el astrónomo árabe egipcio Ali ibn Ridwan y astrónomos chinos en 1006 . Algunos astrónomos islámicos que hicieron contribuciones significativas a la astronomía fueron Al-Battani , Thebit , Azophi, Albumasar , Biruni , Arzachel , Al-Birjandi y los astrónomos de los observatorios Maragheh y Samarkand . Los astrónomos de ese período dieron muchos nombres árabes tradicionales a las estrellas, que todavía están en uso; [22] [23] se cree que las ruinas de Gran Zimbabwe y Tombuctú [24] pueden haber albergado un observatorio astronómico. [25] Hasta hace poco, sin embargo, en Europa se pensaba que no había habido observaciones astronómicas en la era precolonial en el África subsahariana . [26] [27] [28] [29]

La Iglesia Católica Romana brindó apoyo económico y social para el estudio de la astronomía durante más de seis siglos, con la principal motivación para encontrar la fecha de la Pascua . [30]

Revolución astronómica

Icono de lupa mgx2.svg El mismo tema en detalle: Revolución astronómica .
Los dibujos de Galileo de sus observaciones de la Luna , que revelaron que su superficie era montañosa.

Durante el Renacimiento comenzó el punto de inflexión conocido como la revolución astronómica , a partir de la obra de Niccolò Copernico , partidario del sistema heliocéntrico , aunque no fue el primero en proponer un modelo con el Sol en el centro, pero sin duda el primero en argumentar en un científico su teoría. Su trabajo fue defendido, desarrollado y corregido por Galileo Galilei y Kepler . Este último fue el primer astrónomo en proporcionar leyes que describían correctamente los detalles del movimiento de los planetas alrededor del Sol , incluso si no entendía las causas físicas de sus descubrimientos, [31] aclarado más tarde por Newton, quien elaboró ​​los principios de la ciencia celeste. mecánica y la ley de la gravitación universal , eliminando por completo la distinción entre fenómenos terrestres y celestes. Entre otras cosas, Newton también inventó el telescopio reflector . [32]

El astrónomo británico John Flamsteed catalogó más de 3.000 estrellas, [33] mientras que otros descubrimientos siguieron con mejoras en la calidad de los telescopios. Lacaille y William Herschel compilaron catálogos de estrellas más grandes, quienes compilaron un catálogo detallado de nebulosas y cúmulos antes de descubrir el planeta Urano en 1781. [34] La primera estimación de la distancia de una estrella se produjo en 1838, cuando Friedrich Bessel midió la paralaje de 61 Cygni . [35]

Durante los siglos XVIII y XIX , el estudio del problema de los tres cuerpos de Euler , Clairaut y D'Alembert llevó a obtener predicciones más precisas sobre los movimientos de la Luna y los planetas, y este estudio fue posteriormente perfeccionado por Lagrange y Laplace , permitiendo para obtener las masas de los planetas y la Luna a partir de las perturbaciones que ejercen. [36]

Se produjeron avances significativos en astronomía con la introducción de nuevas tecnologías, como la espectroscopia y la astrofotografía . Se descubrió que las estrellas eran objetos muy distantes y demostraron ser similares al Sol , pero diferentes en masa , temperatura y tamaño. Con el advenimiento de la espectroscopia fue posible estudiar la naturaleza física de las estrellas, lo que llevó a la astrofísica , o la física aplicada al estudio de los cuerpos celestes. Fraunhofer descubrió unas 600 líneas en el espectro del Sol en 1814-1815, atribuibles a diferentes elementos químicos, como más tarde, en 1859, describió el físico alemán Kirchhoff . [37]

La existencia de nuestra galaxia , la Vía Láctea , y la comprensión de que se trataba de un cúmulo de estrellas aislado en comparación con el resto del Universo, se demostró recién en el siglo XX , junto con el descubrimiento de la existencia de otras galaxias. Muy pronto, gracias al uso de la espectroscopia, se advirtió que muchos objetos tenían corrimiento al rojo , es decir, un corrimiento del espectro hacia el rojo en comparación con lo esperado. Esto solo se podía explicar con el efecto Doppler , que se interpretó como una diferencia en el movimiento negativo, es decir, una distancia de nuestro planeta. Luego se formuló la teoría de la expansión del Universo . [38] La astronomía teórica llevó a especulaciones sobre la existencia de objetos como agujeros negros y estrellas de neutrones , que se utilizaron para explicar algunos fenómenos observados, como quásares , púlsares , blazares y radiogalaxias .

La cosmología, una disciplina que tiene grandes campos en común con la astronomía, avanzó a pasos agigantados en el siglo XX, con el modelo del Big Bang , respaldado por evidencia experimental proporcionada por la astronomía y la física, como la existencia y las propiedades de la radiación cósmica de fondo , la de Hubble. Ley y estudio de la abundancia cosmológica de elementos químicos . Los telescopios espaciales han hecho posible observar partes del espectro electromagnético normalmente bloqueadas o parcialmente protegidas por la atmósfera terrestre.

Astronomía de observación

Icono de lupa mgx2.svg El mismo tema en detalle: Astronomía observacional .
Ilustración logarítmica del universo observable . Los principales objetos celestes observados por astronomía están etiquetados.

En astronomía, el método principal para obtener información requiere la detección y análisis de radiación electromagnética . Una división tradicional de la astronomía se da siguiendo las diferentes regiones del espectro electromagnético que se observan. Algunas partes del espectro se pueden observar desde la superficie de la Tierra, mientras que otras partes son observables solo a grandes altitudes o fuera de la atmósfera terrestre , como el análisis desde la Tierra de diferentes tipos de radiación (infrarrojos, rayos X, rayos gamma, etc.) se ve penalizado por la absorción atmosférica. Sin embargo, incluso en el vacío es difícil separar la señal del "ruido de fondo", es decir, de la enorme emisión de infrarrojos producida por la Tierra o por los propios instrumentos. Cualquier objeto que se encuentre por encima del cero absoluto (0 K, -273,15 ° C) emite señales electromagnéticas y, por tanto, todo lo que rodea a los instrumentos produce radiación de fondo. Hacer una termografía de un cuerpo celeste sin conocer la temperatura a la que se encuentra el instrumento es muy difícil: además de utilizar películas fotográficas especiales, los instrumentos se refrigeran continuamente criogénicamente con helio líquido e hidrógeno .

Astrometría y mecánica celeste

Icono de lupa mgx2.svg Mismo tema en detalle: Astrometría , Astronomía Esférica y Mecánica Celeste .
La Osa Mayor es una constelación utilizada tradicionalmente como punto de referencia celeste para la orientación tanto marítima como terrestre.

Una de las ramas más antiguas de la astronomía y de toda la ciencia es la medición de las posiciones de los objetos celestes en el cielo. Históricamente, el conocimiento preciso de las posiciones del Sol , la Luna , los planetas y las estrellas ha sido fundamental en la navegación astronómica (el uso de objetos celestes como guía para la navegación) y en la elaboración de calendarios .

La medición precisa de las posiciones de los planetas ha llevado a una comprensión notable de las perturbaciones gravitacionales, y la capacidad de determinar las posiciones pasadas y futuras de los planetas con gran precisión ha llevado al nacimiento de la rama conocida como mecánica celeste . En las últimas décadas, la monitorización de objetos cercanos a la Tierra ha permitido predecir cada vez más meticulosamente encuentros cercanos o posibles colisiones con objetos como asteroides o cometas. [39]

La medición del paralaje estelar de estrellas cercanas proporciona una base fundamental para definir la escala de distancias cósmicas y se utiliza para medir la escala de todo el Universo. El estudio de las estrellas cercanas también proporciona una base para estudiar las propiedades físicas de las estrellas distantes, haciendo posible las comparaciones entre objetos muy distantes. Las mediciones de la velocidad radial y el movimiento adecuado de las estrellas permiten a los astrónomos rastrear el movimiento de estos sistemas a través de la Vía Láctea . Los datos astrométricos también se utilizan para calcular la distribución de la materia oscura que se cree que existe en la Galaxia. [40]

En la década de 1990, el uso de la espectroscopia Doppler para medir la velocidad radial de las estrellas cercanas se utilizó para detectar grandes exoplanetas orbitando algunos de ellos. [41]

Astronomía óptica

Icono de lupa mgx2.svg El mismo tema en detalle: Astronomía óptica .
Galaxy M87 emite señales electromagnéticas en todos los espectros conocidos.

El telescopio fue el primer instrumento para observar el cielo. Aunque su invento se atribuye a Hans Lippershey , el primero en utilizarlo para uso astronómico fue Galileo Galilei , quien decidió construir uno él mismo. Desde entonces, los avances tecnológicos de este instrumento han sido continuos, gracias sobre todo a la mejora de las ópticas y sistemas de puntería.

El más grande es el formado por cuatro espejos de 8,2 metros de diámetro en el Observatorio Europeo Austral (ESO), que juntos forman el Very Large Telescope (VLT).

Astronomía radial

Icono de lupa mgx2.svg El mismo tema en detalle: Radioastronomía .

La radioastronomía se basa en la observación de objetos celestes a través de radiotelescopios, antenas paraboloides que recogen y registran ondas de radio en una longitud de onda superior a 1 milímetro . [42]

La radioastronomía ha permitido un aumento importante en el conocimiento astronómico, con el descubrimiento de muchas clases de nuevos objetos, pulsares , cuásares , galaxias activas , de radio galaxias y blazares . [42] Esto se debe al hecho de que la radiación electromagnética permite "ver" objetos que no se pueden detectar con la astronomía óptica. Estos objetos constituyen algunos de los procesos físicos más extremos y enérgicos del universo .

Este método de observación está en constante desarrollo y con un potencial aún inexplorado.

Diferencia entre la luz visible e infrarroja de la Galaxia Sombrero , o Messier 104.

Astronomía infrarroja

Icono de lupa mgx2.svg El mismo tema en detalle: Astronomía infrarroja .

Gran parte de la radiación procedente del espacio (situada entre 1 y 1000 μm ) es absorbida por la atmósfera terrestre; con este propósito, los telescopios infrarrojos actuales se construyen en montañas muy altas, o se colocan en planos especiales y también en satélites lanzados a la órbita alrededor de la Tierra. La detección y el estudio de la radiación infrarroja es particularmente útil para objetos que son demasiado fríos para irradiar luz visible, como planetas, discos circunestelares o nebulosas cuya luz está bloqueada por polvo oscuro. En longitudes de onda infrarrojas es posible detectar protoestrellas dentro de nubes moleculares o núcleos galácticos . [43] [44] Algunas moléculas irradian fuertemente en el infrarrojo y pueden detectarse estudiando en esta banda, como el agua en los cometas [45] .

Astronomía ultravioleta

Icono de lupa mgx2.svg El mismo tema en detalle: Astronomía ultravioleta .
Imagen que ofrece una observación ultravioleta de los anillos de Saturno . Imagen obtenida de la sonda Cassini-Huygens .

La astronomía ultravioleta basa su actividad en la detección y estudio de la radiación ultravioleta en la longitud de onda entre 10 y 320 nm . [42] Este campo de estudio cubre todos los campos de la astronomía; Las observaciones realizadas mediante este método son muy precisas y han permitido avances significativos en cuanto al descubrimiento de la composición del medio interestelar e intergaláctico , el entorno de las estrellas , la evolución e interacciones en sistemas de estrellas dobles y las propiedades físicas de los quásares y otras estrellas activas. sistemas . En observaciones realizadas con el satélite artificial International Ultraviolet Explorer , los científicos descubrieron que la Vía Láctea está envuelta en un aura de gas a alta temperatura. Con este sistema también se midió el espectro ultravioleta de una supernova que nació en la Gran Nube de Magallanes en 1987. Esta banda del espectro electromagnético se utiliza normalmente para el estudio de estrellas azules calientes, tipo O y B , para nebulosas planetarias y restos. de supernova . [42]

Astronomía de rayos x

Icono de lupa mgx2.svg El mismo tema en detalle: astronomía de rayos X.

Se cree que las emisiones de rayos X provienen de fuentes que contienen materia a temperaturas muy altas; a menudo, las fuentes experimentan emisiones de gas con temperaturas del orden de 10 millones de kelvin . [42] El descubrimiento en 1962 de la primera fuente de rayos X del espacio se convirtió en una sorpresa. Esta fuente llamada Escorpio X-1 se encuentra en la constelación de Escorpio en dirección al centro de la Vía Láctea . Por este descubrimiento, Riccardo Giacconi fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 2002. [46] Las fuentes de rayos X pueden ser X binario , púlsares , remanentes de supernovas , galaxias activas , galaxias elípticas y cúmulos de galaxias . [42]

Astronomía de rayos gamma

Icono de lupa mgx2.svg El mismo tema en detalle: Astronomía de rayos gamma .
El Observatorio Espacial Swift está diseñado específicamente para detectar radiación gamma.

Los rayos gamma son radiaciones emitidas por objetos celestes involucrados en procesos energéticos extremadamente violentos. Algunas estrellas emiten explosiones de rayos gamma , considerados los fenómenos físicos más brillantes del universo, produciendo una enorme cantidad de energía en un tiempo relativamente corto, que puede durar desde unos pocos milisegundos hasta unas pocas horas. Aquellos que duran más de dos segundos a menudo son causados ​​por explosiones de supernovas , estrellas de neutrones , agujeros negros y galaxias activas; [42] el estudio en esta longitud de onda se utiliza para la detección del fondo cósmico de microondas y para aclarar el origen del Big Bang . [47]

Otros campos de estudio

Icono de lupa mgx2.svg El mismo tema en detalle: Astronomía de neutrinos y Astronomía de ondas gravitacionales .
En la imagen, el resto en expansión de SN 1987A , una gran fuente de neutrinos. NASA

Todas las disciplinas mencionadas anteriormente se basan en la detección de fotones , pero también es posible obtener información detectando rayos cósmicos y neutrinos .

En la astronomía de neutrinos , se utilizan estructuras subterráneas blindadas para detectar neutrinos. La mayoría de estas partículas que se han detectado provienen del Sol, sin embargo algunas también se han detectado del remanente de supernova de SN 1987a , en la Gran Nube de Magallanes . Los rayos cósmicos , que consisten en partículas de alta energía, pueden descomponerse o ser absorbidos cuando ingresan a la atmósfera de la Tierra, lo que resulta en una cascada de partículas secundarias que pueden ser detectadas por los observadores. [48] Algunos detectores de neutrinos del futuro pueden ser sensibles a las partículas producidas cuando los rayos cósmicos golpean la atmósfera de la Tierra. [42]

La astronomía de ondas gravitacionales es un campo emergente de la astronomía que emplea detectores de ondas gravitacionales para recopilar datos sobre objetos masivos y distantes. Se han construido algunos observatorios específicos, como el LIGO (Observatorio Gravitacional del Interferómetro Láser), que el 14 de septiembre de 2015 observó ondas gravitacionales de un agujero negro binario . [49] Se detectaron ondas gravitacionales posteriores el 26 de diciembre de 2015 y 4 de enero de 2017 [50] y se espera que se detecten otras en el futuro, a pesar de la extrema sensibilidad requerida de los instrumentos para este tipo de observación. [51] [52]

Subdisciplinas

Teniendo en cuenta la diversidad de objetos y fenómenos celestes en el universo, los astrónomos profesionales se especializan en el estudio de disciplinas astronómicas específicas, y un astrónomo difícilmente puede tratar con más de una de estas subdisciplinas.

Astronomía solar

Una imagen ultravioleta de la fotosfera solar tomada por el telescopio espacial TRACE . Foto de la NASA
El observatorio solar Lomnický štít ( Eslovaquia ) construido en 1962.

La estrella más estudiada es el Sol, la estrella madre del sistema solar , ubicada a una distancia de tan solo 8 minutos luz . El Sol es una estrella típica de secuencia principal G2 V (también llamada enana amarilla ), de aproximadamente 4.600 millones de años. Aunque no se considera una estrella variable , también sufre variaciones periódicas en su actividad: este es el ciclo de once años de actividad solar , durante el cual las manchas solares , regiones con temperaturas por debajo de la media y asociadas con la actividad magnética, varían en número . [53]

El brillo del sol aumenta constantemente; da quando divenne una stella di sequenza principale la sua luminosità è aumentata del 40%, e nel corso della sua storia ha subito variazioni periodiche di luminosità che possono aver avuto un impatto significativo sulla Terra. [54] Il minimo di Maunder , per esempio, si pensa che abbia causato il fenomeno della piccola era glaciale durante il Medioevo . [55]

La superficie esterna visibile del Sole è chiamata fotosfera , sopra alla quale è presente una sottile regione nota come cromosfera , la quale è circondata da una regione di transizione caratterizzata da un rapido aumento delle temperature, fino ad arrivare alla caldissima corona . Al centro del Sole si trova il nucleo , nel quale temperatura e pressione sono sufficientemente alte per consentire la fusione nucleare . Al di sopra del nucleo vi è la zona radiativa , dove il plasma convoglia il flusso di energia tramite l' irraggiamento , e sopra ad esso vi è la zona convettiva , dove l'energia viene invece espulsa verso l'esterno con lo spostamento fisico della materia. Si ritiene che sia il movimento della materia all'interno della zona di convezione a creare l'attività magnetica che genera le macchie solari. [53]

Il vento solare , costituito da flussi di particelle di plasma, viene irradiato costantemente verso l'esterno del sistema solare, fino a quando, al limite più esterno, raggiunge l' eliopausa . Quando il vento solare arriva nei pressi della Terra, interagisce con il campo magnetico terrestre e ne viene deviato, tuttavia alcune particelle vengono intrappolate creando le fasce di Van Allen che avvolgono la Terra. Le aurore polari si generano quando le particelle del vento solare sono spinte dal flusso magnetico verso i poli magnetici terrestri, dove interagiscono con la ionosfera . [56]

Scienza planetaria

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Planetologia .
Immagine multispettrale ad alta risoluzione di Plutone con i colori risaltati per mostrare le differenze di composizione della superficie. L'immagine è stata scatta dal telescopio Ralph montato a bordo della sonda New Horizons .

La scienza planetaria, o planetologia, è lo studio delle proprietà fisiche di pianeti , satelliti , pianeti nani , comete , asteroidi e altri corpi in orbita attorno al Sole, così come dei pianeti extrasolari . Il sistema solare è stato relativamente ben studiato, inizialmente tramite i telescopi e successivamente dai veicoli spaziali. Questo ha fornito una buona comprensione della formazione e dell'evoluzione del sistema solare, anche se avvengono continuamente nuove scoperte. [57]

La formazione di un pianeta in un'animazione.

Il sistema solare è suddiviso in pianeti interni , la fascia degli asteroidi e pianeti esterni . I pianeti terrestri interni sono Mercurio , Venere , la Terra e Marte , mentre i pianeti esterni giganti gassosi sono Giove , Saturno , Urano e Nettuno . [58] Al di là di Nettuno si trova la fascia di Kuiper , e infine, la nube di Oort , che può estendersi fino a un anno luce. I pianeti si sono formati 4,6 miliardi di anni fa nel disco protoplanetario che circondava il neonato Sole, attraverso un processo che ha portato, col tempo, alla nascita dei protopianeti . Solo i pianeti con massa sufficiente hanno mantenuto la loro atmosfera gassosa. [59]

Una volta che un pianeta raggiunge una massa sufficiente, i materiali di diversa densità vengono segregati all'interno, durante il processo che porta alla differenziazione planetaria , e che può formare un nucleo roccioso o metallico, circondato da un mantello e una crosta esterna . Il nucleo può includere regioni di materia solida e liquida, e alcuni nuclei planetari possono essere in grado generare il proprio campo magnetico , in grado di proteggere le loro atmosfere dal vento solare, come avvenuto per la Terra. [60]

Il calore interno di un corpo planetario viene prodotto dalle collisioni che lo hanno creato, oppure dal decadimento di materiali radioattivi (ad esempio uranio ), o dal riscaldamento mareale causato da interazioni con altri corpi. Alcuni pianeti e satelliti accumulano sufficiente calore per generare processi geologici come il vulcanismo e la tettonica a placche . Quelli che mantengono un'atmosfera possono anche subire l' erosione della superficie causata da vento o acqua. I corpi più piccoli, senza riscaldamento mareale, si raffreddano più velocemente; e la loro attività geologica cessa completamente, con l'eccezione della craterizzazione causata da impatti .[61]

Astronomia stellare

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Astronomia stellare e Stella .
Immagine della Nebulosa Formica , che mostra dei lobi simmetrici causati dall'esplosione della stella centrale, a differenza di altri casi dove l'espulsione della materia di una supernova è avvenuta in modo caotico.

Lo studio delle stelle e della loro evoluzione è fondamentale per la nostra comprensione dell'Universo. L'astrofisica delle stelle è stata determinata attraverso osservazioni e simulazioni teoriche. La formazione stellare si verifica nelle regioni dense di polvere e gas, note come nubi molecolari giganti , che quando vengono destabilizzate possono collassare per gravità formando delle protostelle, all'interno delle quali, se i nuclei sono sufficientemente densi e caldi, si attiverà la fusione nucleare , creando così una stella di sequenza principale . [62]

Quasi tutti gli elementi più pesanti dell'idrogeno e dell'elio sono stati creati all'interno dei nuclei delle stelle. Le caratteristiche della stella risultante dipendono principalmente dalla sua massa iniziale: più massiccia è la stella, maggiore sarà la sua luminosità, e più rapidamente terminerà la riserva di idrogeno interno da trasformare in elio . Nel corso del tempo, quando l'idrogeno si è completamente trasformato in elio, la stella inizia ad evolversi, poiché la fusione dell'elio richiede una temperatura interna superiore. Una stella con una temperatura interna sufficientemente alta spingerà verso la superficie i suoi strati esterni, aumentando la densità del nucleo. La gigante rossa risultante formata dagli strati esterni in espansione avrà vita breve, prima che anche l'elio venga totalmente consumato. Le stelle molto massicce possono avere diverse fasi evolutive, fondendo via via elementi sempre più pesanti. [63]

Il destino finale della stella dipende dalla sua massa; nelle stelle di massa superiore a circa otto volte il Sole avviene il collasso del nucleo che porta all'esplosione della stella morente in supernova , mentre le stelle più piccole espellono i loro strati esterni lasciando come residuo una inerte e densa nana bianca , con gli strati espulsi che formano una nebulosa planetaria . I resti delle supernove sono invece le stelle di neutroni , ancora più dense delle nane bianche, oppure, in caso di stelle particolarmente massicce, dei buchi neri . [63] Stelle di sistemi binari possono seguire percorsi evolutivi più complessi, come il trasferimento di massa verso compagne nane bianche che possono portare anch'essi all'esplosione in supernove. Le nebulose planetarie e le supernove arricchiscono il mezzo interstellare dei " metalli " prodotti dalla stella durante la sua esistenza; senza di esse, tutte le nuove stelle (ei loro sistemi planetari) sarebbero formate solo da idrogeno ed elio. [64] Per questo motivo le vecchie stelle che si sono formate agli albori dell'universo sono solitamente povere di metalli, al contrario di stelle formatesi in tempi successivi.

Astronomia galattica

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Astronomia galattica .
La struttura dei bracci a spirale della Via Lattea .

Il nostro sistema solare orbita all'interno della Via Lattea , una galassia a spirale barrata importante membro del Gruppo Locale di galassie. Si tratta di una massa rotante di gas, polvere, stelle e altri oggetti, tenuta assieme dalla reciproca attrazione gravitazionale. Ampie porzioni della Via Lattea che sono oscurate alla vista, e la stessa Terra si trovano in uno dei bracci densi di polvere che la costituiscono.

Nel centro della Via Lattea vi è il nucleo, un rigonfiamento a forma di barra nel quale si trova il buco nero supermassiccio Sagittarius A* . Il nucleo è circondato da quattro bracci a spirale principali, regioni ad alta formazione stellare e di conseguenza ricca di giovani stelle di popolazione I . Il disco galattico è circondato da un alone popolato da stelle più vecchie e da dense concentrazioni di stelle conosciute come ammassi globulari . [65]

Tra le stelle si trova il mezzo interstellare e nelle regioni più dense, nubi molecolari di idrogeno e altri elementi creano regioni di intensa formazione stellare; quando si formano stelle massicce, trasformano la nube in una regione H II (idrogeno ionizzato) illuminando il gas e il plasma presenti. I venti stellari e le esplosioni di supernove di queste stelle possono causare la dispersione della nube, formando uno o più giovani ammassi aperti di stelle. [66]

Studi cinematici sulla Via Lattea e altre galassie hanno dimostrato che vi è una considerevole quantità di materia oscura che predomina sulla materia visibile ei cui effetti gravitazionali sono evidenti, anche se la natura di questa materia resta ancora poco conosciuta. [67]

Astronomia extragalattica

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Astronomia extragalattica .
Immagine che mostra un chiaro effetto di lente gravitazionale : gli oggetti blu a forma di anello sono più immagini della stessa galassia, duplicati dal campo gravitazionale dell' ammasso di galassie di colore giallo posto al centro dell'immagine, che si trova più vicino a noi

Lo studio degli oggetti al di fuori della nostra galassia è una branca dell'astronomia che si occupa della formazione ed evoluzione delle galassie , della loro morfologia e classificazione , dell'osservazione delle galassie attive , e dei gruppi e ammassi di galassie ; inoltre è importante per la comprensione della struttura su larga scala del cosmo .

La maggior parte delle galassie sono classificate secondo la loro forma in tre classi distinte: a spirale , ellittiche e irregolari , a loro volta divise in sottoclassi. [68] Come suggerisce il nome, una galassia ellittica ha la forma di un' ellisse e le stelle al suo interno si muovono lungo orbite casuali senza una direzione preferenziale. Queste galassie contengono poca polvere interstellare e poche regioni di formazione stellare, e sono quindi composte da stelle relativamente vecchie. Si trovano generalmente al centro di ammassi di galassie, e si pensa che si siano formate da fusioni di grandi galassie.

Una galassia a spirale ha la forma di un disco rotante, solitamente rigonfio al centro, con bracci luminosi a spirale che si snodano verso l'esterno. Le braccia sono generalmente regioni di formazione stellare dove giovani e calde stelle massicce contribuiscono a dare ai bracci un colore azzurrognolo. In genere sono circondati da un alone di stelle più vecchie. Sia la Via Lattea che una delle nostre più importanti vicine, la Galassia di Andromeda , sono galassie a spirale.

Le galassie irregolari sono in apparenza caotiche, senza nessuna somiglianza con quelle ellittiche oa spirale. Sono circa un quarto di tutte le galassie presenti nell'universo e quelle di forma peculiare sono probabilmente il risultato di qualche interazione gravitazionale .

Una galassia attiva è una galassia che emette, soprattutto dal suo nucleo, una notevole quantità di energia non generata da stelle, polveri e gas, ma probabilmente da materiale in caduta verso un buco nero supermassiccio posto nel centro.

Una radiogalassia è una galassia molto luminosa nella banda dello spettro delle onde radio , che spesso emette grandi pennacchi e lobi di gas. Le galassie attive che emettono radiazioni ad alta energia a frequenze più brevi sono le galassie di Seyfert , i quasar , ei blazar . I quasar sono ritenuti essere gli oggetti più luminosi dell'universo conosciuto. [69] Su più larga scala gruppi e ammassi di galassie costituiscono i superammassi, che a loro volta costituiscono dei complessi di superammassi, legati tra loro da filamenti , che connettono queste strutture separate tra loro da grandi spazi vuoti. [70]

Cosmologia

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Cosmologia (astronomia) .
Il campo ultra profondo di Hubble è un'immagine ad altissima risoluzione realizzata con centinaia di esposizioni del telescopio spaziale Hubble. Si stima che in questa immagine siano presenti oltre 10 000 galassie, le più vecchie delle quali viste com'erano 13 miliardi di anni fa, poche centinaia di milioni di anni dopo il Big Bang .
Homo SapiensEsplosione cambrianaRiproduzione sessuataVita pluricellulareOssigenoFotosintesiOrganismo unicellulareAcquaSistema solareNGC 188Universo in accelerazioneVia LatteaGalassia di AndromedaOmega CentauriEspansione metrica dello spazioGN-z11Gravità

Scala in miliardi di anni

La cosmologia è la scienza che studia l'Universo nel suo complesso. Le osservazioni della struttura su larga scala dell'Universo, un ramo noto come cosmologia fisica, hanno fornito una profonda comprensione della formazione ed evoluzione del cosmo. Fondamentale per la cosmologia moderna è la teoria ben accettata del Big Bang , che prevede che il nostro Universo si sia formato da un'unica singolarità gravitazionale nel tempo e nello spazio, e si sia espanso nel corso dei successivi 13,8 miliardi di anni, arrivando alle condizioni attuali. [71] Il concetto del Big Bang nacque quando si scoprì la radiazione di fondo nel 1965. [72]

Nel corso di questa espansione, l'Universo ha subito diverse fasi evolutive. Si pensa che nei primissimi momenti l'Universo abbia subito un processo di inflazione cosmica molto rapida, che omogeneizzò le condizioni di partenza e che successivamente la nucleosintesi abbia prodotto l'abbondanza degli elementi primordiali. [72] Quando i primi atomi stabili si formarono, lo spazio divenne trasparente alla radiazione, rilasciando l'energia vista come radiazione di fondo a microonde. L'Universo in espansione passò poi per un'età oscura a causa della mancanza di fonti energetiche stellari. [73]

Da piccole variazioni (o increspature) nella densità della materia nello spazio iniziarono a formarsi le prime strutture: la materia accumulata nelle regioni più dense formò nubi di gas e nacquero le prime stelle, la popolazione III . Queste stelle massicce innescarono il processo di reionizzazione creando molti degli elementi pesanti nell'universo primordiale, che, attraverso il decadimento nucleare, crearono elementi più leggeri, permettendo alla nucleosintesi di continuare più a lungo. [74]

Poco a poco, le strutture di gas e polveri si fusero per formare le prime galassie, e nel corso del tempo, queste si raggrupparono in ammassi di galassie , e poi in superammassi . [75] Fondamentale per la struttura dell'Universo è l'esistenza della materia oscura e dell' energia oscura , che si pensa siano i componenti dominanti dell'universo, formando il 96% della massa totale. Per questo motivo, numerosi sforzi sono stati fatti nel tentativo di comprendere la fisica di questi componenti. [76]

Studi interdisciplinari

Vi sono altre discipline, inoltre, che, sebbene non possano essere considerate branche dell'astronomia, si interessano di argomenti fortemente correlati con essa. Queste sono:

  • Archeoastronomia - lo studio delle conoscenze astronomiche dei popoli antichi e degli orientamenti architettonici. È studiata da storici, archeologi ed etnologi, oltre che da astronomi, utilizzando evidenze archeologiche e antropologiche ; [77]
  • Astrobiologia - scienza che si occupa dell'origine, dell'evoluzione, della distribuzione e del futuro della vita al di fuori della Terra sia della vita dell'essere umano che della vita extraterrestre . [78] Affronta in particolar modo la questione sulla possibile diffusione di altre forme di vita su altri pianeti e di come fare per rilevarle, cercando di risolvere le due opposte ipotesi della rarità della Terra e del principio copernicano . Esobiologia è quasi un sinonimo, tuttavia essa si occupa specificatamente di ambienti extraterrestri e dei loro effetti sulla vita biologica; [79]
  • Astrochimica - lo studio della chimica del mezzo interstellare, in particolare delle nubi molecolari di gas; [80]
  • Astrofotografia - per lo studio e lo sviluppo di metodi per l'ottenimento di immagini astronomiche.
  • Autocostruzione : per lo studio e la progettazione di metodi per l'autocostruzione di telescopi e strumenti per l'astronomia da parte degli astrofili.
  • Astronautica - Coniata dal termine " aeronautica " si occupa nella costruzione di strumenti utili nell'osservazione, come ad esempio i satelliti , e nell'esplorazione del Cosmo [81] .
  • Astronomia nautica - parte dell'astronomia che studia la risoluzione dei problemi di posizione e direzione, in mare o in volo, utilizzando i principi dell'astronomia sferica;
  • Astronomia digitale - branca dell'astronomia che studia i metodi, i software e gli strumenti per l'ottenimento di immagini digitali.
  • Fisica astroparticellare - Utilizza conoscenze e metodi di fisica delle particelle (detta anche fisica delle alte energie ) per studiare fenomeni celesti estremamente energetici o, viceversa, utilizza la volta celeste ed i fenomeni estremamente energetici che vi si verificano come luogo privilegiato di osservazione per ottenere risultati sul Modello Standard e sulle sue eventuali estensioni.

Astronomia amatoriale

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Astronomia amatoriale .
Gli astrofili possono costruirsi la propria attrezzatura e organizzano spesso riunioni e convegni a tema astronomico, come Stellafane.

L'astronomia è una di quelle scienze alla quale i dilettanti possono contribuire maggiormente. Gli astrofili osservano una varietà di oggetti celesti e fenomeni con apparecchiature talvolta costruite da loro stessi. Obiettivi comuni per gli astrofili sono la Luna, i pianeti, le stelle, le comete, gli sciami meteorici , e una varietà di oggetti del cielo profondo, come ammassi stellari, galassie e nebulose.

Associazioni e circoli astronomici si trovano in tutto il mondo ei loro membri svolgono solitamente programmi di osservazione di diversi oggetti celesti, come quelli del Catalogo di Messier (110 oggetti) o del catalogo Herschel 400 o altre categorie particolari di oggetti. Un ramo dell'astronomia amatoriale è l' astrofotografia amatoriale, che prevede l'acquisizione di foto del cielo notturno. Molti dilettanti si specializzano nell'osservazione di una certa categoria di oggetti o eventi che più gli interessano. [82] [83]

La maggior parte dilettanti lavora nelle lunghezze d'onda visibili , tuttavia una piccola parte si dedica anche ad osservazioni al di fuori dello spettro visibile, ad esempio mediante l'uso di filtri infrarossi su telescopi convenzionali, e talvolta anche con l'uso di radiotelescopi, come il pioniere della radioastronomia amatoriale, Karl Jansky , che iniziò a osservare il cielo alle lunghezze delle onde radio nel 1930. Un certo numero di astrofili utilizza telescopi fatti in casa oppure radiotelescopi originariamente costruiti per la ricerca astronomica, ma che sono in seguito divenuti disponibili per i dilettanti (come l' One-Mile Telescope ). [84] [85]

Gli astrofili continuano a dare contributi scientifici significativi in campo astronomico: in caso di occultazioni stellari da parte di pianeti minori possono effettuare misurazioni che possono aiutare ad affinare le orbite degli stessi pianetini. Gli astrofili possono scoprire nuove comete e supernove , [86] asteroidi e altri corpi minori del sistema solare, effettuare osservazioni regolari di stelle variabili per meglio definirne i picchi di luce alla massima e minima luminosità. I miglioramenti della tecnologia digitale hanno permesso ai dilettanti di fare notevoli progressi nel campo dell'astrofotografia, [87] [88] [89] inoltre, tramite il programma Planet Hunters che ha reso pubblici i dati del telescopio spaziale Kepler , nel 2012 è stato scoperto Kepler-64 b , il primo esopianeta scoperto da parte di astronomi dilettanti. [90]

Foto

Bianco e nero

  • Lockyer - Astronomia, 1904 (page 150 crop).png
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Colorate

  • SAT 79HC432.jpg

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