¿Cómo miden los físicos el universo, las galaxias, los planetas o las estrellas sin ir allí?

A diferencia de muchas otras ciencias, los astrónomos y astrofísicos no son capaces de realizar experimentos en laboratorios para estudiar las cosas que observan en el universo. En cambio, se basan principalmente en la observación para estudiar el universo, que complementan con simulaciones por computadora, una variedad de métodos estadísticos y algunos experimentos relevantes aquí en la Tierra.

Hay muchos métodos inteligentes que utilizan estos científicos para realizar mediciones de objetos en el universo, sin tener que ir allí. Algunos métodos son relativamente directos, pero muchos métodos se basan en métodos indirectos para realizar mediciones, por lo que las mediciones de incertidumbre son notoriamente grandes en astronomía y astrofísica. Aquí hay algunos simples:

Paralaje

Esta es la técnica que usan los científicos para medir las distancias a los objetos cercanos, y se basa en la trigonometría simple para calcular directamente la distancia:

Redshift

Así es como los científicos miden la velocidad de un objeto, de manera similar a cómo puede medir la velocidad de una ambulancia si mide el cambio en la frecuencia de su sirena a medida que pasa. El método que usan los científicos es un poco diferente, donde en cambio están midiendo el cambio en la frecuencia de la luz emitida por un objeto.

Muy útil para estudiar cosas como la rotación de galaxias o el movimiento general de las galaxias a través del universo.

Buscando planetas

Se puede encontrar un gran resumen de los métodos utilizados en el artículo de la Sociedad Planetaria sobre Cómo buscar exoplanetas.

Un método consiste en medir el cambio en la luz de una estrella a medida que un planeta se mueve frente a ella (desde nuestro punto de vista). Otro método consiste en medir el desplazamiento al rojo de la estrella, a partir del cual se puede inferir que debe haber un planeta orbitando alrededor de esa estrella para que la estrella se mueva (por ejemplo, todos los planetas del Sistema Solar realmente hacen que el Sol gire alrededor un eje, el Sol no es realmente un punto muerto en el Sistema Solar).

Usando ambos métodos, puede calcular la masa de los planetas en órbita, e incluso cuántos planetas están en órbita alrededor de una estrella. El único inconveniente es que este método está sesgado hacia grandes planetas, aproximadamente del tamaño de Júpiter, que orbitan cerca de sus estrellas madre.

Espectroscopia

Otra herramienta extremadamente poderosa es la espectroscopia, que permite a los científicos estudiar la composición de estrellas distantes, planetas, nubes de gas, medios interestelares.

Ondas gravitacionales

Una de las mayores emociones de este año proviene del descubrimiento de las ondas gravitacionales. Parte de la razón por la cual este descubrimiento es tan emocionante es porque los científicos ahora tienen otra herramienta poderosa en su arsenal para observar el universo. Es como si recibieran algún tipo de lente especial de ‘ondas gravitacionales’ (ya que ya tienen lentes de rayos X).

Hay una serie de métodos que se superponen que se pueden utilizar para determinar distancias astronómicas.

El primero es paralaje, que es el desplazamiento angular de los objetos más cercanos cuando se mueve el punto de observación. Las estrellas son fotografiadas cuando la Tierra está en lados opuestos del sol, y la distancia se calcula con trigonometría.

Otra clase de métodos se denominan métodos de “vela estándar”. Si sabemos qué tan brillante es un objeto, es posible calcular qué tan lejos está, por la ley del cuadrado inverso.

El primer método de vela estándar descubierto es el período de luminosidad de las estrellas variables cefeidas, descubierto por el astrónomo Henrietta Leavitt a principios del siglo XX. Esto funciona porque el período de fluctuación de brillo de una clase de estrellas varía con el brillo promedio real.

El siguiente gran descubrimiento es el método cosmológico de corrimiento al rojo descubierto por Edwin Hubble. Hubble pudo resolver “nebulosas espirales” en estrellas usando el telescopio Hale de 200 pulgadas, identificar estrellas variables cefeidas y calcular la distancia a estos objetos. Hubble demostró que las nebulosas espirales eran grandes masas de estrellas (otras galaxias) y que el universo es mucho más grande de lo que se pensaba originalmente.

Hubble también descubrió el desplazamiento al rojo cosmológico, el cambio al rojo de todas las líneas en los espectros de las estrellas, conocido como “ley de Hubble”, que fue el siguiente avance importante en la medición de la distancia astronómica, y que también es la evidencia que el universo se está expandiendo

Más recientemente se ha descubierto un nuevo método de vela estándar. Hay ciertas supernovas que tienen un brillo máximo predecible asociado con la decadencia del brillo. Este método permitió a los astrónomos Perlmuttet, Reiss y Schmidt mostrar que la expansión del universo se está acelerando.

Ah, la escalera de distancia cósmica. Uno de los temas más interesantes (y subestimados) en astronomía. Lo que estoy a punto de escribir es de ~ 20 años, y medio recordado, así que estoy seguro de que estoy equivocando algunos detalles, pero esto es lo que recuerdo.

Cuando era un estudiante de astronomía de cara nueva, las velas estándar (en forma de variables cefeidas) eran lo que nos enseñaron. Las variables cefeidas tienen una conocida relación período-luminosidad, es decir, su brillo fluctúa en una escala muy conocida (se han estudiado mucho). Usando modelos de detección de emisión, podemos estimar la cantidad de luz perdida en un detector por una estrella de cierto tamaño, emitiendo una cierta cantidad de luz. Sabiendo cuán brillante es una Variable Cefeida particular en su emisión máxima y en su emisión más baja, podemos estimar cuánta luz se pierde entre nosotros y la estrella, en función de lo que sabemos y nuestros modelos.

Utilizando la espectroscopia de esa estrella y comparándola con otras cercanas, podemos descubrir qué “cosas” atraviesa la luz de esa estrella (medio interestelar, polvo, gas, etc.). Esto nos permite refinar modelos para determinar qué más podría estar ocultando la luz de esa estrella y extrapolar la distancia desde ese refinamiento. A partir de ahí, puede observar las Cefeidas en galaxias y cúmulos cercanos, tratar de establecer relaciones de luminosidad en otras galaxias, etc. Luego, avanza hacia las distancias. Esto se llama un método de “vela estándar” y tiene sus problemas.

Por supuesto, hay otros métodos que involucran paralaje y cúmulos galácticos, pero no estoy tan familiarizado con ellos.

En su mayor parte, al observar los detalles de la radiación electromagnética que emiten los objetos, que van desde ondas de radio a través de la luz óptica infrarroja Andy hasta rayos X y rayos gamma .

Para los planetas de nuestro sistema solar, podemos enviar sondas e incluso colocar rovers en Marte, etc. para obtener una vista mucho más cercana, y en el caso de los rovers, muestrear directamente los materiales en ubicaciones seleccionadas.

También detectamos rayos cósmicos , partículas energéticas que llegan directamente a la Tierra. Y ahora estamos comenzando a ser capaces de detectar neutrinos y ondas gravitacionales también de objetos extraterrestres.