La astrofísica es una rama de la ciencia espacial que aplica las leyes de la física y la química para explicar el nacimiento, la vida y la muerte de las estrellas, los planetas, las galaxias, las nebulosas y otros objetos en el universo. Tiene dos ciencias entre hermanos, astronomía y cosmología, y las líneas entre ellas se difuminan.
En el sentido más rígido:
- Astronomía mide posiciones, luminosidades, movimientos y otras características.
- La astrofísica crea teorías físicas de estructuras pequeñas a medianas en el universo.
- La cosmología hace esto para las estructuras más grandes y el universo como un todo.
En la práctica, las tres profesiones forman una familia muy unida. Pregunte por la posición de una nebulosa o qué tipo de luz emite, y el astrónomo podría responder primero. Pregúntese de qué está hecha la nebulosa y cómo se formó y el astrofísico tenderá una tubería. Pregunte cómo encajan los datos con la formación del universo, y es probable que el cosmólogo intervenga. Pero cuidado: ¡para cualquiera de estas preguntas, dos o tres pueden comenzar a hablar a la vez!
Objetivos de la astrofísica:
Los astrofísicos buscan comprender el universo y nuestro lugar en él. En la NASA, los objetivos de la astrofísica son «descubrir cómo funciona el universo, explorar cómo comenzó y evolucionó, y buscar vida en planetas alrededor de otras estrellas», según el sitio web de la NASA.
La NASA afirma que esos objetivos producen tres preguntas amplias:
¿Cómo funciona el universo?
¿Cómo llegamos aquí?
¿Estamos solos?
Todo comenzó con Newton
Si bien la astronomía es una de las ciencias más antiguas, la astrofísica teórica comenzó con Isaac Newton. Antes de Newton, los astrónomos describieron los movimientos de los cuerpos celestes utilizando modelos matemáticos complejos sin una base física. Newton demostró que una sola teoría explica simultáneamente las órbitas de las lunas y los planetas en el espacio y la trayectoria de una bala de cañón en la Tierra. Esto se sumó al cuerpo de evidencia para la (entonces) sorprendente conclusión de que los cielos y la Tierra están sujetos a las mismas leyes físicas. [Relacionado: Cómo Isaac Newton cambió el mundo]
Quizás lo que separó por completo el modelo de Newton de los anteriores es que es tanto predictivo como descriptivo. Basado en aberraciones en la órbita newtoniana de Urano, los astrónomos predijeron la posición de un nuevo planeta, que luego fue observado y nombrado Neptuno. Ser predictivo y descriptivo es el signo de una ciencia madura, y la astrofísica se encuentra en esta categoría.
Hitos en astrofísica
Debido a que la única forma en que interactuamos con objetos distantes es observando la radiación que emiten, gran parte de la astrofísica tiene que ver con deducir teorías que explican los mecanismos que producen esta radiación y proporcionar ideas sobre cómo extraer la mayor parte de la información. Las primeras ideas sobre la naturaleza de las estrellas surgieron a mediados del siglo XIX a partir de la ciencia floreciente del análisis espectral, lo que significa observar las frecuencias específicas de luz que las sustancias particulares absorben y emiten cuando se calientan. El análisis espectral sigue siendo esencial para el triunvirato de las ciencias espaciales, tanto guiando como probando nuevas teorías.
La espectroscopia temprana proporcionó la primera evidencia de que las estrellas contienen sustancias también presentes en la Tierra. La espectroscopia reveló que algunas nebulosas son puramente gaseosas, mientras que algunas contienen estrellas. Esto luego ayudó a cimentar la idea de que algunas nebulosas no eran nebulosas en absoluto: ¡eran otras galaxias!
A principios de la década de 1920, Cecilia Payne descubrió, usando la espectroscopia, que las estrellas son predominantemente hidrógeno (al menos hasta su vejez). Los espectros de estrellas también permitieron a los astrofísicos determinar la velocidad a la que se mueven hacia o desde la Tierra. Al igual que el sonido que emite un vehículo es diferente moviéndose hacia nosotros o lejos de nosotros, debido al cambio Doppler, los espectros de las estrellas cambiarán de la misma manera. En la década de 1930, al combinar el desplazamiento Doppler y la teoría de la relatividad general de Einstein, Edwin Hubble proporcionó pruebas sólidas de que el universo se está expandiendo. Esto también es predicho por la teoría de Einstein, y juntos forman la base de la Teoría del Big Bang.
También a mediados del siglo XIX, los físicos Lord Kelvin (William Thomson) y Gustav Von Helmholtz especulaban que el colapso gravitacional podría alimentar al sol, pero finalmente se dieron cuenta de que la energía producida de esta manera solo duraría 100.000 años. Cincuenta años después, la famosa ecuación de E = mc2 de Einstein dio a los astrofísicos la primera pista sobre cuál podría ser la verdadera fuente de energía (aunque resulta que el colapso gravitatorio juega un papel importante). A medida que la física nuclear, la mecánica cuántica y la física de partículas crecieron en la primera mitad del siglo XX, fue posible formular teorías sobre cómo la fusión nuclear podría alimentar a las estrellas. Estas teorías describen cómo las estrellas se forman, viven y mueren, y explican con éxito la distribución observada de los tipos de estrellas, sus espectros, luminosidades, edades y otras características.
La astrofísica es la física de las estrellas y otros cuerpos distantes en el universo, pero también impacta cerca de casa. De acuerdo con la teoría del Big Bang, las primeras estrellas eran casi en su totalidad hidrógeno. El proceso de fusión nuclear que los energiza rompe átomos de hidrógeno para formar el elemento más pesado de helio. En 1957, el equipo de astrónomos marido y mujer de Geoffrey y Margaret Burbidge, junto con los físicos William Alfred Fowler y Fred Hoyle, mostraron cómo, a medida que las estrellas envejecen, producen elementos más pesados y pesados, que transmiten a generaciones posteriores de estrellas en cantidades cada vez mayores. Solo en las etapas finales de las vidas de las estrellas más recientes se producen los elementos que componen la Tierra, como el hierro (32.1 por ciento), el oxígeno (30.1 por ciento) y el silicio (15.1 por ciento). Otro de estos elementos es el carbono, que junto con el oxígeno, constituyen la mayor parte de la masa de todos los seres vivos, incluyéndonos a nosotros. Por lo tanto, la astrofísica nos dice que, si bien no somos todas las estrellas, todos somos polvo de estrellas.