Guía Astronómica: astrofísica. GDE

Espectros de galaxias lejanas. European Southern Observatory, ESO

GuíA Astronómica

Gonzalo Duque-Escobar

Universidad Nacional de Colombia

Sede Manizales

2002

GUÍA Nº 8

ELEMENTOS DE ASTROFISICA

8.1. PARTICULAS ELEMENTALES

Dalton a principios del siglo XIX, propuso como bloque elemental de la materia los átomos. A principios del siglo XX, Rutherford descubre que el átomo posee electrones en torno a un núcleo, atados por fuerzas electromagnéticas. Para investigar el núcleo se construyen los aceleradores de protones y las colisiones ponen en evidencia partículas elementales, que a mediados de los 60 se dan a conocer. Ellas tienen propiedades como masa, spin y estabilidad.

La masa puede ser cero; masa y energía también pueden ser intercambiables. Por eso en los procesos de creación de masa a partir de energía, se pueden generar partículas donde antes no había ninguna. Las masas se miden normalmente en giga- electronvoltios (GeV), unidad correspondiente a 10⁹ veces la energía necesaria para mover un electrón a través de un voltio. La masa del protón es algo inferior a un GeV. Tal unidad también sirve para medir energía.

El spin es una propiedad análoga a la rotación de la Tierra sobre su eje. A nivel cuántico, esa rotación no tiene un período tan libre como el de los planetas. Las partículas sólo pueden girar a ciertas velocidades bien definidas. Cabe el término de velocidad de rotación básica como unidad fundamental. Tal velocidad se puede calcular, y la del protón, por ejemplo, es 10²² revoluciones completas por segundo. Es que las velocidades de rotación son ciertos múltiplos definidos de esa unidad fundamental. Por ejemplo, el doble o la mitad de rápido, y no tres cuartos o dos tercios de esa velocidad. Si para el protón este número es ½, para la Tierra es del orden de 10⁶¹, En otras palabras el protón gira precisamente a la mitad de la velocidad de rotación básica que la mecánica cuántica le asigna.

La estabilidad tiene pocas excepciones en las partículas elementales. Al final casi todas se desintegran dando lugar a otras partículas más ligeras. Por ejemplo, un neutrón libre desaparecerá tarde o temprano para dar origen a un protón, un electrón y una partícula sin masa llamada neutrino. Si el anterior proceso es lento (más de 10 minutos), otros son tan cortos como 10^-23 seg.

Se han descubierto cientos de partículas casi todas inestables, algunas elementales, otras no porque esperando pueden desintegrarse. Organizar y clasificar partículas tiene una especie de imagen especular de la clasificación en las antipartículas, y supone utilizar una de las propiedades señaladas. Pueden clasificarse por el spin, por los productos de desintegración o por la interacción.

Por el spin, si es semientero tenemos fermiones (protón, electrón, neutrón, neutrinos, etc.), si es entero o cero se llaman bosones. No se ha observado interacción entre fermiones y bosones.

Esperando un tiempo suficiente, para dejar que los productos de desintegración se desintegren, por último llegamos a un conjunto de partículas estables con dos posibilidades, en cuanto al número de protones y antiprotones: o predomina uno de ellos o no hay exceso de uno de los conjuntos. En el primer caso la partícula original se llama barión, en el segundo mesón.

Desde el punto de vista de las interacciones hay tres clases: Leptones (no interaccionan fuertemente), Quarks (pueden tener tres colores), Bosones (transmiten interacciones). El número de partículas y antipartículas es 48.

8.1.1 Leptones

Son el electrón y los mesones muón y del tau, con sus correspondientes neutrinos: electrónico, muónico y del tau. Todos tienen espín ½ tomando como unidad la constante h de Planck. En las tres primeras la carga es -1 y en los neutrinos es 0, tomando como base la carga del protón. Las masas son en su orden: e = 0.511; μ = 105.7; τ = 1780; V_e < 10^-5; V_μ < 0.65; V_τ < 250, tomando los valores en MeV, o sea en millones de electronvoltios. De todos, el electrón es estable, las partículas μ y τ no son estables y los neutrinos V_e, V_μ, V_τ, parecen ser estables. El espín mide la rotación intrínseca de la partícula. Además cada una de las partículas tiene su antipartícula con carga contraria.

8.1.2 Los Quarks

Se necesitan tres para formar un protón o un neutrón. Ellos son: u (arriba), d (abajo), c (encantado), s (extraño), t (cima), b (fondo). Si los seis tienen espín ½, en los quarks u, c y t la carga es 2/3 y en d, s y b es -1/3. Las masas son u = 4?, d = 8?, c = 1150?, t =?, b = 4500? Si los cuatro últimos son inestables y el d sólo en los protones, el u resulta estable.

Los quarks constituyen los hadrones agrupándose en tríos; los ocho hadrones son el protón, el neutrón, sigma neutro, sigma positivo, sigma negativo, Xi neutro, Xi negativo, y Lambda. Los mesones se constituyen por un quark y un antiquark. De los mesones tenemos el Pion (+), el Pion (-), el Kaon neutro, el Kaon (+), el Antikaón neutro. Los colores de los quarks: azul, amarillo o rojo, no son color propiamente dicho, sino un tipo de carga diferente de la carga eléctrica dada para cada uno.

8.1.3 Bosones

Los bosones son el fotón, el gravitón, los gluones y las partículas W y Z. Si a los quarks y leptones se les llama fermiones por tener espín ½, los bosones tienen espín "no fragmentario", así: fotón = 1; W = 1; Z = 1; gluón (8 tipos) = 1; gravitón = 2. El intercambio de bosones virtuales entre dos fermiones produce las cuatro fuerzas de la naturaleza: el electromagnetismo (fotón), la gravedad (gravitón), la fuerza débil (W y Z), la fuerza fuerte (gluón). A excepción de la partícula W cuya carga es -1, los otros cuatro mensajeros no tienen carga. Sólo el fotón y el gravitón son estables y no tienen masa, la masa de W = 80000?, de Z = 90000? y los 8 gluones parece que no tienen masa. El gravitón, el fotón y Z son ellos su misma antipartícula.

8.2. LAS FUERZAS FUNDAMENTALES

En la actualidad hay cuatro fuerzas fundamentales conocidas. Las fuerzas de la gravedad y del electromagnetismo son familiares a la humanidad gracias a que su alcance es infinito. Las dos restantes fuerzas escapan a nuestros sentidos por operar a nivel subatómico. Estas son la interacción fuerte y la débil, responsables, la primera de mantener unidos los protones en el núcleo, pese a su idéntica carga, y la segunda de gobernar la desintegración de los elementos radioactivos. Por su intensidad, la primera es la interacción fuerte, le sigue la fuerza electromagnética, luego la interacción débil y por último la gravedad. Si Newton demostró que la fuerza que rige la caída de las manzanas y el movimiento de los astros, es la misma, Maxwell unió la electricidad y el magnetismo en una sola fuerza.

¿Cuándo aparecen las fuerzas? La gravedad aparece a los 10^-43 seg de ocurrido el Big Bang, la nuclear fuerte aparece a los 10^-35 seg y las dos restante, electromagnética y nuclear débil, a los 10^-10 seg se separan.

El principio de incertidumbre indica que es posible la creación de una partícula, siempre que la partícula en cuestión sea reabsorbida inmediatamente, antes de que sea factible la medición que detecte la violación a la ley de conservación de la energía. Es que los físicos modernos consideran las fuerzas fundamentales como un intercambio de partículas, lo que aparentemente se prohíbe en esta ley de la Termodinámica, ya que se requeriría que la energía de la masa de la partícula intercambiada, se creara a partir de la nada.

Según el principio de exclusión, un sólo fermión puede viajar por el espacio en una determinada dirección, con una determinada energía. Esta restricción no rige para los bosones, quienes pueden ir en gran cantidad con la misma dirección y energía formando ondas coherentes. Si la radiación es gravitatoria o electromagnética es porque hay movimiento acelerado de masas o cargas, respectivamente.

8.3. VARIABLES ESTELARES

Según vimos si un haz de luz solar pasa por un diafragma en forma de rendija e incide sobre un prisma, la luz se descompondrá en distintos colores, es decir, en un espectro. Son muchas las variables físicas que pueden conseguirse a través del análisis espectral y de la medición de algunas variables estelares, como la distancia por métodos geodésicos. Estas variables van resultando interrelacionadas, si se hace uso de una herramienta tan poderosa como el diagrama H-R.

Figura 8.1. Rango las variables estelares: dominio de variación de las magnitudes de estado de las estrellas en comparación con el valor del Sol.

Figura 8.2. Análisis de la luz de una estrella: a la derecha, con luz no descompuesta se evaléan velocidad radial y angular, composición, y campo magnético; y a la izquierda con luz descompuesta, espectrográficamente: movimientos, tamaño e inestabilidad estelar.

8.4. ESTRELLAS NOTABLES

8.4.1 Las 10 estrellas más próximas

Paralaje mayor que 0.30".

Cuadro 8.1 Las 10 estrellas más próximas

NOMBRE	PARALAJE	MAGNITUD APARENTE
Próxima Centauro	0.762"	10.7^m
α Centauro	0.751	0.3
Estrella de Barnard	0.545	9.5
Lobo 359	0.425	13.7
Lalande 21 185	0.392	7.5
L 726-8	0.385	12.4
Sirio	0.375	-1.5
Ross 154	0.351	10.6
Ross 248	0.316	12.2
ε Eridano	0.303	3.7

8.4.2. Las estrellas más luminosas

Cuadro 8.2 Las estrellas más luminosas

Estrella(constelación)	Mg visual	Dist a.l	Brillo(sol=1)	Color	Temp °C
Sirio (Perro Mayor)	-1.44	8.8	22	amarillo blanq	8000 a 12000
Canopus (Quilla de Barco) -	0.77	550	8600	blanco amarillo	6000 a 8000
α Centauri (Centauro) -	0.27	4.3	1.3	amarillo	5000 a 6000
Arturo (Boyero) -	0.05	36	200	amarillo rojizo	3500 a 5000
Vega (Lira)	0.03	26	50	amarillo blanq	8000 a12000
Capella (Auriga)	0.09	45	120	amarillo	5000 a 8000
Rigel (Orión)	0.11	880	>100000	blanco	12000 a 15000
Proción (Perro Menor)	0.36	11	5	blanco amarillo	6000 a 8000
Achernar (Eridano)	0.55	115	210	blanco	12000 a15000
Centauri (Centauro)	0.69	430	1200	blanco	12000 a15000
Betelgeuse (Orión)²	0.4-1.3	600	> 10000	rojo amarillento	3000 a 3500
Altair (Aguila)	0.77	16	10	amarillo blanquecino	8000 a12000
Aldebarán (Tauro)	0.80	68	> 100	amarillo rojizo	3500 a 5000
Crucis (Cruz del Sur)	0.81	265	1300	blanco	12000 a 15000
Antares (Escorpión)²	0.9-1.8	420	>10000	rojo amarillento	3000 a 3500

Fuente: Diccionario Rioduero Física del Espacio y otros

8.5. ESTRELLAS DOBLES

Estrellas dobles: son dobles ópticas si estando separadas, sólo coinciden con la visual y dobles físicas si se mueven alrededor de un centro de gravedad común.

Como ejemplo de estrellas dobles ópticas, donde las estrellas no se corresponden espacialmente, sino que sólo por casualidad están en la misma dirección de observación, tenemos: Alkor y Mizar, en la constelación de la Osa Mayor.

Las estrellas dobles físicas, pueden ser físicas ópticas o espectroscópicas, según puedan verse ópticamente o si sólo se puede reconocer su naturaleza a partir de las variaciones de las líneas espectrales, aplicando la teoría del desplazamiento Doppler. En éste segundo caso se denominarán estrellas dobles fotométricas, pues es la fotometría, aplicada al estudio de los brillos de las estrellas binarias, la que identifica estrellas tan próximas que parecen ser una sola, incluso al observarla con los telescopios más potentes.

Un 25% de las estrellas fijas son sistemas múltiples como los sistemas dobles físicos. Se trata de varios astros que se mueven alrededor de un centro de gravedad común.

Se deducen la mayoría de los datos sobre las masas, radios y densidades de las estrellas, aplicando el problema de los dos cuerpos, planteado en la guía 3, fig. 3.8, el cual tiene solución en la mecánica celeste; del movimiento sistemático de algunas estrellas dobles se deducen acompañantes invisibles semejantes a planetas, por el problema de los tres y más cuerpos, el cual admite varias soluciones.

Figura 8.3. Espectros de un sistema de estrellas dobles: se observan las relaciones de los movimientos en una estrella doble espectroscópica. En las posiciones 1 y 3, las líneas espectrales están en su posición normal. En la posición 2, las líneas se han desplazado hacia el rojo y en 4, hacia el violeta (doblamiento de líneas).