Astronomía

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A astronomía é a ciencia que se ocupa da observación e explicación dos acontecementos celestes . Estuda as orixes e a evolución, as propiedades físicas , químicas e temporais dos obxectos que forman o universo e que se poden observar na esfera celeste .

É unha das ciencias máis antigas e moitas civilizacións arcaicas de todo o mundo estudaron o ceo e os acontecementos astronómicos dun xeito máis ou menos sistemático: exipcios e gregos na zona mediterránea , babilonios , indios e chineses no leste e finalmente os maias. e os incas nas Américas . Estes antigos estudos astronómicos orientáronse cara ao estudo das posicións das estrelas ( astrometría ), a periodicidade dos acontecementos e a cosmoloxía e, polo tanto, en particular para este último aspecto, a astronomía antiga case sempre está fortemente relacionada cos aspectos relixiosos . No século XXI, con todo, a investigación astronómica moderna é practicamente sinónimo de astrofísica .

Non se debe confundir a astronomía coa astroloxía , unha pseudociencia que afirma que os movementos aparentes do Sol e dos planetas do zodíaco inflúen dalgún xeito nos acontecementos humanos, persoais e colectivos. Aínda que as dúas disciplinas teñen unha orixe común, son totalmente diferentes: os astrónomos adoptaron o método científico desde a época de Galileo , a diferenza dos astrólogos.

A astronomía é unha das poucas ciencias nas que o traballo de investigación do afeccionado e afeccionado (o astrónomo afeccionado) pode desempeñar un papel relevante, proporcionando datos sobre estrelas variables ou descubrindo cometas , nove , supernovas , asteroides ou outros obxectos.

Unha foto en mosaico da nebulosa do cangrexo , un remanente de supernova , tomada polo telescopio espacial Hubble

Etimoloxía

Etimoloxicamente, a palabra "astronomía" procede do latín astronomĭa , que á súa vez provén do grego ἀστρονομία ('astronomía' composta por ἄστρον ' astron ' "estrela" e νόμος 'nomos' "lei, norma"). [1] A maioría das ciencias empregan o sufixo grego λογία (tratado "estudo", " cosmoloxía e bioloxía") . De feito, "astronomía" podería ter tomado o nome de astroloxía , pero esta denominación atribuíuse ao que se considera unha pseudociencia , pero que nas crenzas de moitos pobos pretendía predicir o futuro a través do estudo do ceo [2] . Aínda que ambos comparten unha orixe común, son moi diferentes: aínda que a astronomía é unha ciencia que aplica o método científico , a astroloxía moderna é unha pseudociencia que segue un sistema de crenzas sen fundamento.

Uso dos termos "astronomía" e "astrofísica"

Fotografía tomada por HST en xaneiro de 2002 , que representa nubes de gas ao redor dunha estrela variable. ( V838 Monocerotis )

Xeralmente, os termos "astronomía" ou " astrofísica " poden usarse para referirse ao mesmo tema. [3] [4] [5] Segundo as definicións do dicionario, o termo "astronomía" refírese ao "estudo da materia e obxectos fóra da atmosfera terrestre e as súas propiedades físicas e químicas" [6] mentres que a "astrofísica" fai referencia a a rama da astronomía que trata sobre "o comportamento, as propiedades físicas e os procesos dinámicos dos obxectos celestes e outros fenómenos". [7] Nalgúns casos, como na introdución ao tratado Universe Body (O universo físico) de Frank Shu , dinos que se pode usar "" astronomía "para describir o estudo cualitativo do tema, onde a Astrofísica "úsase para describir a súa versión orientada á física. [8] Non obstante, dado que a investigación astronómica máis moderna trata de temas relacionados coa física, a astronomía moderna podería denominarse astrofísica. Varios departamentos que investigan sobre este tema poden usar "astronomía" e "astrofísica" dependendo de se o departamento está historicamente asociado a un departamento de física [4] e moitos astrónomos profesionais teñen licenciatura en física. [5] Unha das revistas científicas líderes no campo chámase Astronomía e Astrofísica .

Historia

Icona de lupa mgx2.svg O mesmo tema en detalle: Historia da astronomía , arqueoastronomía , astronomía grega e orientación astronómica na navegación na era clásica .
Urania, a musa grega, mecenas da astronomía e das ciencias naturais
Astrónomos estudando unha eclipse , pintando sobre lenzo, de Antoine Caron desde 1571 .

A principios da súa historia, a astronomía preocupábase unicamente pola observación e predición dos movementos dos obxectos celestes que o home e a súa orixe podían observar a simple vista . Nalgúns lugares, as primeiras civilizacións construíron enormes artefactos que probablemente tiñan propósitos astronómicos, ademais de seren usados ​​con fins cerimoniais. É posible que estes observatorios se utilizasen para determinar as estacións , un factor indispensable para a organización da vida social e agrícola , así como para comprender a duración do ano . [9]

Antes da invención do telescopio, os primeiros estudos de estrelas realizábanse a simple vista , do mesmo xeito que as civilizacións que viven en Mesopotamia , Grecia , Persia , India , China , Exipto e Centroamérica , que construíron observatorios astrónomos que comezaron a explorar o natureza do universo. En realidade, a astronomía daqueles tempos consistía principalmente en mapear a posición das estrelas e dos planetas, unha ciencia que se chama astrometría . A partir destas observacións, formáronse as primeiras teorías sobre os movementos dos planetas e a natureza do Sol, a Lúa e a Terra, que inicialmente se pensou que estaba no centro do universo. Esta concepción do universo coñeceuse como o sistema xeocéntrico , ou sistema ptolemaico, que leva o nome do astrónomo grego Claudio Ptolomeo . [10]

Foi de especial importancia a aplicación das matemáticas á astronomía, que comezou cos babilonios , que fundaron a base para as tradicións posteriormente asumidas por outras civilizacións, [11] descubrindo entre outras cousas que os eclipses de lúa se repetían segundo un ciclo repetitivo coñecido como saros , [12] mentres que a mellora do calendario débese á astronomía exipcia .

Un reloxo de sol ecuatorial grego en Alexandría no Oxus .

Despois dos babilonios, producíronse importantes avances astronómicos en Grecia e no mundo helenístico , coa astronomía grega buscando unha explicación física racional para os fenómenos celestes. [13] No século III a.C. , Aristarco de Samos estimou o tamaño e a distancia da Lúa e do Sol, e foi o primeiro en propor un modelo heliocéntrico do sistema solar , [14] mentres que no século II a. C. Hiparco descubriu a precesión dos equinoccios , calculou o tamaño e a distancia da Lúa e inventou un dos primeiros instrumentos astronómicos, o astrolabio . [15] Hiparco tamén creou un catálogo completo de 1020 estrelas, e a maioría das constelacións do hemisferio norte foron definidas pola astronomía grega. [16] A máquina Antikythera (c. 150-80 a.C.) era unha computadora mecánica deseñada para coñecer a posición do Sol, a Lúa e os planetas nunha data determinada. Artefactos desta complexidade non se volverán ver ata o século XIV , cando apareceron reloxos astronómicos mecánicos en Europa . [17]

Un dos primeiros manuscritos astronómicos, arredor do ano 1000.

A astronomía, sobre todo estancada na Europa medieval , floreceu no mundo islámico e noutros lugares, o que deu lugar ao nacemento dos primeiros observatorios astronómicos entre os pobos musulmáns a partir do século IX . [18] [19] [20]
En 964 , o astrónomo persa Azophi describiu por primeira vez a galaxia de Andrómeda , a galaxia máis grande do grupo local , no seu libro de estrelas fixas . [21] A supernova SN 1006 , o obxecto estelar máis brillante da historia, foi estudada polo astrónomo árabe exipcio Ali ibn Ridwan e astrónomos chineses no 1006 . Algúns astrónomos islámicos que fixeron importantes contribucións á astronomía foron Al-Battani , Thebit , Azophi, Albumasar , Biruni , Arzachel , Al-Birjandi e os astrónomos dos observatorios de Maragheh e Samarcanda . Os astrónomos dese período deron moitos nomes árabes tradicionais ás estrelas, que aínda se usan; [22] [23] crese que as ruínas de Gran Zimbabue e Tombuctú [24] puideron albergar un observatorio astronómico. [25] Con todo, ata hai pouco, en Europa pensábase que non había observacións astronómicas na era precolonial na África subsahariana . [26] [27] [28] [29]

A Igrexa Católica Romana deu apoio financeiro e social ao estudo da astronomía durante máis de seis séculos, sendo a principal motivación atopar a data da Semana Santa . [30]

Revolución astronómica

Icona de lupa mgx2.svg O mesmo tema en detalle: Revolución Astronómica .
Os debuxos de Galileo das súas observacións sobre a Lúa , que revelaron que a súa superficie era montañosa.

Durante o Renacemento comezou o momento decisivo coñecido como revolución astronómica , comezando polo traballo de Niccolò Copernico , partidario do sistema heliocéntrico , aínda que non foi o primeiro en propor un modelo co Sol no centro, pero sen dúbida o primeiro en argumentar nun científico a súa teoría. O seu traballo foi defendido, desenvolvido e corrixido por Galileo Galilei e Kepler . Este último foi o primeiro astrónomo en proporcionar leis que describían correctamente os detalles do movemento dos planetas ao redor do Sol , aínda que non entendese as causas físicas dos seus descubrimentos, [31] máis tarde aclarado por Newton que elaborou os principios do celeste. a mecánica e a lei da gravitación universal , eliminando completamente a distinción entre fenómenos terrestres e celestes. Entre outras cousas, Newton tamén inventou o telescopio reflectante . [32]

O astrónomo británico John Flamsteed catalogou máis de 3.000 estrelas, [33] mentres que outros descubrimentos seguiron con melloras na calidade dos telescopios. Catálogos de estrelas máis grandes foron compilados por Lacaille e William Herschel , que compilaron un catálogo detallado de nebulosas e cúmulos antes de descubrir o planeta Urano en 1781. [34] A primeira estimación da distancia dunha estrela chegou en 1838, cando Friedrich Bessel mediu a paralaxe de 61 Cygni . [35]

Durante os séculos XVIII e XIX , o estudo do problema de tres corpos de Euler , Clairaut e D'Alembert levou a obter predicións máis precisas sobre os movementos da Lúa e dos planetas, e este estudo foi perfeccionado posteriormente por Lagrange e Laplace , permitindo para obter as masas dos planetas e da Lúa a partir das perturbacións que exerceron. [36]

Avances significativos en astronomía producíronse coa introdución de novas tecnoloxías, como a espectroscopia e a astrofotografía . As estrelas atopáronse obxectos moi afastados e demostraron ser similares ao Sol , pero diferentes en masa , temperatura e tamaño. Coa chegada da espectroscopia foi de feito posible estudar a natureza física das estrelas, o que levou á astrofísica ou á física aplicada ao estudo dos corpos celestes. Fraunhofer descubriu preto de 600 liñas no espectro do Sol entre 1814-1815, atribuíbles a diferentes elementos químicos, como máis tarde, en 1859, describiu o físico alemán Kirchhoff . [37]

A existencia da nosa galaxia , a Vía Láctea e a comprensión de que era un cúmulo illado de estrelas en comparación co resto do Universo, só se demostrou no século XX , xunto co descubrimento da existencia doutras galaxias. Moi pronto, grazas ao uso da espectroscopia, deuse conta de que moitos obxectos tiñan un cambio de vermello , é dicir, un desprazamento do espectro cara ao vermello en comparación co esperado. Isto só se explicaba co efecto Doppler , que foi interpretado como unha diferenza de movemento negativo, é dicir, a unha distancia do noso planeta. Formulouse entón a teoría da expansión do Universo . [38] A astronomía teórica levou a especulacións sobre a existencia de obxectos como buratos negros e estrelas de neutróns , que se empregaron para explicar algúns fenómenos observados, como cuásares , púlsares , blazares e radio galaxias .

A cosmoloxía, unha disciplina que ten grandes campos en común coa astronomía, fixo grandes avances no século XX, co modelo do Big Bang , apoiado por probas experimentais proporcionadas pola astronomía e a física, como a existencia e as propiedades da radiación de fondo cósmica , a de Hubble. A lei e o estudo da abundancia cosmolóxica de elementos químicos . Os telescopios espaciais permitiron observar partes do espectro electromagnético normalmente bloqueadas ou parcialmente protexidas pola atmosfera terrestre.

Astronomía observacional

Icona de lupa mgx2.svg O mesmo tema en detalle: astronomía observacional .
Ilustración logarítmica do universo observable . Os principais obxectos celestes observados pola astronomía están etiquetados.

En astronomía, o método principal para obter información require a detección e análise da radiación electromagnética . Unha división tradicional da astronomía dáse seguindo as distintas rexións do espectro electromagnético que se observan. Algunhas partes do espectro pódense observar desde a superficie terrestre, mentres que outras partes só se poden observar a altas altitudes ou fóra da atmosfera terrestre , como a análise desde a Terra de diferentes tipos de radiación (infravermellos, raios X, raios gamma, etc.) está penalizado pola absorción atmosférica. Non obstante, incluso no baleiro é difícil separar o sinal do "ruído de fondo", é dicir, da enorme emisión de infravermellos producida pola Terra ou polos propios instrumentos. Calquera obxecto que estea por riba do cero absoluto (0 K, -273,15 ° C) emite sinais electromagnéticos e, polo tanto, todo o que rodea os instrumentos produce radiación de fondo. Facer unha termografía dun corpo celeste sen coñecer a temperatura á que se atopa o instrumento é moi difícil: ademais de empregar películas fotográficas especiais, os instrumentos refrixéranse continuamente crioxenicamente con helio líquido e hidróxeno .

Astrometría e mecánica celeste

Icona de lupa mgx2.svg O mesmo tema en detalle: Astrometría , Astronomía esférica e Mecánica celeste .
A Osa Maior é unha constelación empregada tradicionalmente como punto de referencia celeste tanto para a orientación marítima como terrestre.

Unha das ramas máis antigas da astronomía e de toda a ciencia é a medición das posicións dos obxectos celestes no ceo. Historicamente, o coñecemento preciso das posicións do Sol , a Lúa , os planetas e as estrelas foi esencial na navegación astronómica (o uso de obxectos celestes como guía para a navegación) e na elaboración de calendarios .

A medición precisa das posicións dos planetas levou a unha notable comprensión das perturbacións gravitacionais e a capacidade de determinar as posicións pasadas e futuras dos planetas con gran precisión levou ao nacemento da rama coñecida como mecánica celeste . Nas últimas décadas, o seguimento de obxectos próximos á Terra permitiu predicir cada vez máis meticulosamente encontros próximos ou posibles colisións con obxectos como asteroides ou cometas. [39]

A medición da paralaxe estelar das estrelas próximas proporciona unha base fundamental para definir a escala de distancias cósmicas e úsase para medir a escala de todo o Universo. O estudo de estrelas próximas tamén proporciona unha base para estudar as propiedades físicas de estrelas distantes, facendo posibles comparacións entre obxectos moi distantes. As medidas da velocidade radial e o movemento axeitado das estrelas permiten aos astrónomos rastrexar o movemento destes sistemas a través da Vía Láctea . Os datos astrométricos tamén se usan para calcular a distribución da materia escura que se pensa que existe na Galaxia. [40]

Na década de 1990, o uso da espectroscopía Doppler para medir a velocidade radial das estrelas próximas empregouse para detectar grandes exoplanetas que orbitan algúns deles. [41]

Astronomía óptica

Icona de lupa mgx2.svg Mesmo tema en detalle: astronomía óptica .
O Galaxy M87 emite sinais electromagnéticos en todos os espectros coñecidos.

O telescopio foi o primeiro instrumento para observar o ceo. Aínda que o seu invento atribúese a Hans Lippershey , o primeiro en usalo para uso astronómico foi Galileo Galilei , que decidiu construír un mesmo. Desde entón, os avances tecnolóxicos deste instrumento foron continuos, grazas sobre todo á mellora da óptica e dos sistemas de puntería.

O máis grande é o composto por catro espellos de 8,2 metros de diámetro no Observatorio Europeo do Sur (ESO), que xuntos forman o Very Large Telescope (VLT)

Radioastronomía

Icona de lupa mgx2.svg Mesmo tema en detalle: radioastronomía .

A radioastronomía baséase na observación de obxectos celestes a través de radiotelescopios, antenas paraboloides que recollen e rexistran ondas de radio a unha lonxitude de onda superior a 1 milímetro . [42]

A radioastronomía permitiu un importante aumento do coñecemento astronómico, co descubrimento de moitas clases de novos obxectos, incluíndo púlsares , cuásares , galaxias activas , radio galaxias e blazares . [42] Isto débese ao feito de que a radiación electromagnética permite "ver" obxectos que non se poden detectar coa astronomía óptica. Estes obxectos constitúen algúns dos procesos físicos máis extremos e enerxéticos do universo .

Este método de observación está en constante desenvolvemento e cun potencial aínda inexplorado.

Diferenza entre a luz visible e a infravermella da galaxia Sombrero ou Messier 104.

Astronomía infravermella

Icona de lupa mgx2.svg Mesmo tema en detalle: astronomía infravermella .

Unha gran parte da radiación procedente do espazo (situada entre 1 e 1000 μm ) é absorbida pola atmosfera terrestre; con este propósito os telescopios infravermellos actuais están construídos en montañas moi altas, ou situados en planos especiais e tamén en satélites lanzados á órbita arredor da Terra. A detección e estudo da radiación infravermella é especialmente útil para obxectos demasiado fríos para irradiar luz visible, como planetas, discos circunstelares ou nebulosas cuxa luz está bloqueada polo po escuro. Nas lonxitudes de onda infravermella é posible detectar protoestrelas dentro de nubes moleculares ou núcleos galácticos . [43] [44] Algunhas moléculas irradian fortemente no infravermello e pódense detectar estudando nesta banda, como a auga nos cometas [45] .

Astronomía ultravioleta

Icona de lupa mgx2.svg O mesmo tema en detalle: a astronomía ultravioleta .
Imaxe que ofrece unha observación ultravioleta dos aneis de Saturno . Imaxe obtida da sonda Cassini-Huygens .

A astronomía ultravioleta basea a súa actividade na detección e estudo da radiación ultravioleta na lonxitude de onda comprendida entre 10 e 320 nm . [42] Este campo de estudo abrangue todos os campos da astronomía; as observacións feitas empregando este método son moi precisas e permitiron un progreso significativo no descubrimento da composición do medio interestelar e intergaláctico , a contorna das estrelas , a evolución e as interaccións nos sistemas de estrelas dobres e as propiedades físicas dos cuásares e doutras estrelas activas. sistemas . Nas observacións feitas co satélite artificialInternational Ultraviolet Explorer , os científicos descubriron que a Vía Láctea está envolta nunha aura de gas a alta temperatura. Con este sistema tamén se mediu o espectro ultravioleta dunha supernova que naceu na Gran Nube de Magallanes en 1987. Esta banda do espectro electromagnético úsase normalmente para o estudo de estrelas azuis quentes, tipo O e B , para nebulosas planetarias e restos de supernova . [42]

Astronomía de raios X

Icona de lupa mgx2.svg Mesmo tema en detalle: astronomía de raios X.

Crese que as emisións de raios X proceden de fontes que conteñen materia a temperaturas moi altas; a miúdo as fontes experimentan emisións de gases con temperaturas da orde de 10 millóns de kelvins . [42] O descubrimento en 1962 da primeira fonte de raios X desde o espazo converteuse nunha sorpresa. Esta fonte chamada Escorpio X-1 está situada na constelación de Escorpión en dirección ao centro da Vía Láctea . Por este descubrimento Riccardo Giacconi foi galardoado co Premio Nobel de Física en 2002. [46] As fontes de raios X poden ser binarios X , púlsares , restos de supernovas , galaxias activas, galaxias elípticas e cúmulos de galaxias . [42]

Astronomía de raios gamma

Icona de lupa mgx2.svg O mesmo tema en detalle: astronomía de raios gamma .
O Observatorio Espacial Swift está deseñado especificamente para detectar a radiación gamma.

Os raios gamma son radiacións emitidas por obxectos celestes implicados en procesos de enerxía extremadamente violentos. Algunhas estrelas emiten estalidos de raios gamma , considerados os fenómenos físicos máis brillantes do universo, producindo unha enorme cantidade de enerxía nun tempo relativamente curto, que pode durar desde uns milisegundos ata unhas horas. As que duran máis de dous segundos adoitan ser causadas por explosións de supernovas , estrelas de neutróns , buratos negros e galaxias activas; [42] o estudo desta lonxitude de onda utilízase para a detección do fondo cósmico de microondas e para aclarar a orixe do Big Bang . [47]

Outros campos de estudo

Icona de lupa mgx2.svg O mesmo tema en detalle: Astronomía de neutrinos e Astronomía de ondas gravitacionais .
Na imaxe, o resto en expansión de SN 1987A , unha gran fonte de neutrinos. NASA

Todas as disciplinas mencionadas anteriormente están baseadas na detección de fotóns , pero tamén é posible obter información detectando raios cósmicos e neutrinos .

Na astronomía de neutrinos , as estruturas subterráneas blindadas úsanse para detectar neutrinos. A maioría destas partículas que foron detectadas proceden do Sol, con todo algunhas tamén foron detectadas do resto de supernova do SN 1987a , na Gran Nube de Magallanes . Os raios cósmicos , que consisten en partículas de alta enerxía, poden decaer ou ser absorbidos cando entran na atmosfera terrestre, dando lugar a unha fervenza de partículas secundarias que os observadores poden detectar. [48] Algúns futuros detectores de neutrinos poden ser sensibles ás partículas producidas cando os raios cósmicos chocan contra a atmosfera terrestre. [42]

A astronomía de ondas gravitacionais é un campo emerxente da astronomía que emprega detectores de ondas gravitacionais para recompilar datos sobre obxectos masivos e distantes. Construíronse algúns observatorios específicos, como o LIGO (Laser Interferometer Gravitational Observatory), que o 14 de setembro de 2015 observou ondas gravitacionais desde un burato negro binario . [49] As ondas gravitacionais posteriores detectáronse o 26 de decembro de 2015 e o 4 de xaneiro de 2017 [50] e espérase que se detecten outras no futuro, a pesar da extrema sensibilidade requirida polos instrumentos para este tipo de observación. [51] [52]

Subdisciplinas

Tendo en conta a diversidade de obxectos e fenómenos celestes no universo, os astrónomos profesionais especialízanse no estudo de disciplinas astronómicas específicas e un astrónomo dificilmente pode tratar con máis dunha destas subdisciplinas.

Astronomía solar

Unha imaxe ultravioleta da fotosfera solar tomada polo telescopio espacial TRACE . Foto da NASA

A estrela máis estudada é o Sol, a estrela nai do sistema solar , situada a unha distancia de tan só 8 minutos luz . O Sol é unha estrela de secuencia principal G2 V (tamén chamada anana amarela ), de aproximadamente 4.600 millóns de anos. Aínda que non se considera unha estrela variable , tamén experimenta variacións periódicas na súa actividade: este é o ciclo de actividade solar de once anos , durante o cal as manchas solares , rexións con temperaturas inferiores á media e asociadas á actividade magnética, varían en número . [53]

O brillo do 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

Colorate

Note

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  • M. Hoskin, Storia dell'astronomia , BUR Biblioteca Univ. Rizzoli, 2009, ISBN 88-17-02867-3 .

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