Física Extragaláctica

FÍSICA EXTRAGALÁCTICA Jordi Cepa Departamento de Astrofísica Universidad de La Laguna

Universidad de La Laguna Facultad de Física

Física Extragaláctica PRÓLOGO

El autor es profesor titular del Departamento de Astrofísica de la Universidad de La Laguna e investigador del Instituto de Astrofísica de Canarias, con más de veinte años de experiencia investigadora en el campo de la Astrofísica Extragaláctica. Estos apuntes son el resultado de varios años de docencia semianual de la asignatura de Física Extragaláctica, tanto a nivel de grado como de postgrado (Máster), en el Departamento de Astrofísica de la Universidad de La Laguna. El texto que aquí se presenta constituye el embrión de un libro de texto, pendiente de publicación. Aunque en este documento se pretende cubrir la mayor parte de los campos de la Astrofísica Extragaláctica, ésta es una asignatura particularmente difícil, dado que engloba una temática muy amplia, abarcando especialidades demasiado distintas como para que un mismo autor pueda cubrirlas con el mismo grado de profundidad y conocimiento. Por este motivo, algunos aspectos están más desarrollados que otros, fruto de los gustos personales y de la especialidad del autor. En varios capítulos se hace referencia directa a mi libro “Cosmología Física” para cubrir la docencia de determinados aspectos que considero que un “extragaláctico” debería conocer: el desplazamiento al rojo y su causa e implicaciones, la medida de distancias, diferencia entre distancias de luz y de ángulo, determinación de volúmenes propios, corrección K, etc. Considero que todos ellos son importantes para el estudio de galaxias lejanas, grandes cartografiados extragalácticos y la formación y evolución de las galaxias. No es en modo alguno un documento terminado, algunos apartados están todavía en apuntes tomados a mano, pendientes de incluir aquí. Por ejemplo, las órbitas en la aproximación epicíclica, o la masa de Jeans. Otros temas deben desarrollarse más (se hallarán algunas anotaciones en el texto destinadas a servir de referencia para el autor). Finalmente, algunos temas y varias figuras deben actualizarse. En particular, temas especialmente competitivos como la evolución de las galaxias, están sujetos a un rápido cambio y es laborioso mantenerlos al día. A pesar de sus limitaciones, espero que pueda ser útil a profesores y alumnos de esta asignatura o incluso de asignaturas que incluyan algunos temas de la Física Extragaláctica.

Jordi Cepa

Departamento de Astrofísica

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Física Extragaláctica ÍNDICE

1

INTRODUCCIÓN INTRODUCCIÓN GENERAL.............................. GENERAL............................................... ............................... ............................ ............................ ............................. ............................... ....................... ....... 6 1.1

LA INFORMACIÓN DEL ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO ............................. ........................................... .............................. .............................. ...........................6 .............6

1.1.1 1.1.2 1.1.3

Clasificación en longitud de onda..................................... onda................................................... ............................ ............................. ............................... ..............................6 ..............6 Clasificación espectral.................................. espectral................................................ ............................. ............................. .............................. .............................. ............................. .................... ..... 7 Interpretación de la información espectral .......................... .......................................... ............................... ............................. ............................ ......................... ........... 8 1.2 LAS TÉCNICAS DE OBSERVACIÓN ............................. ........................................... ............................ .............................. ............................... ............................. ............................ .................. 13 1.2.1 Imagen............................. Imagen........................................... .............................. .............................. ............................. ............................. .............................. .............................. ............................. .................. ... 13 1.2.2 Espectroscopía ............................ .......................................... ............................... ............................... ............................ ............................ ............................. ............................... ..................... ..... 13 1.2.3 Radioastronomía....................................... Radioastronomía......................... ............................... ............................... ............................ ............................ ............................. ............................... ..................... ..... 13 1.3 U NIDADES DE MEDIDA EXTRAGALÁCTICAS............................ .......................................... ............................... ............................... ............................ ............................ .................. 13

2

INTRODUCCIÓN INTRODUCCIÓN A LA FÍSICA EXTRAGALÁCTICA EXTRAGALÁCTICA ............................. ............................................ ............................. ............................ ....................... ......... 15 2.1 2.2

HACIA UNA DEFINICIÓN DE GALAXIA............................ .......................................... ............................. ............................. .............................. .............................. ......................... ...........15 15 PROPIEDADES MORFOLÓGICAS DE LAS GALAXIAS............................. ........................................... ............................ ............................. ............................... ..................... ..... 15

2.2.1 2.2.2

Componentes morfológicas........................ morfológicas........................................ .............................. ............................ ............................ ............................. ............................... ..................... ..... 18 Clasificaciones morfológicas. Catálogos...................... Catálogos.................................... ............................... ............................... ............................ ............................ ................ .. 18 2.3 MASAS, TAMAÑOS Y DISTANCIAS............................. ........................................... ............................ .............................. ............................... ............................. ............................ .................. 20 2.3.1 Masas y tamaños................ tamaños ............................... ............................. ............................ ............................ ............................... ............................... ............................ ............................ ................ .. 20 2.3.2 Frecuencias de tipos morfológicos.................. morfológicos................................ ............................ .............................. ............................... ............................. ............................ ................ .. 21 2.3.3 Distancias...................... Distancias.................................... ............................. ............................... .............................. ............................ ............................. ............................. .............................. ..................... ..... 21 2.4 DISTRIBUCIÓN ESPACIAL............................ .......................................... ............................ ............................ ............................... ............................... ............................ ............................ .................. 21 2.4.1 Agrupaciones de galaxias ............................. ........................................... ............................. ............................. .............................. .............................. ............................. .................. ... 21 2.4.2 Estructura a gran escala........................................ escala...................................................... .............................. ............................... ............................. ............................ ....................... ......... 23 2.5 PROPIEDADES FOTOMÉTRICAS............................ ............................................ .............................. ............................ ............................ ............................. ............................... ..................... ..... 24 2.5.1 Perfiles radiales de brillo........................... brillo........................................... .............................. ............................ ............................ ............................. ............................... ..................... ..... 24 2.5.2 Perfil vertical ............................ ........................................... ............................. ............................ .............................. ............................... ............................. ............................ ....................... ......... 28 2.5.3 Diagramas color-magnitud........................................ color-magnitud........................ .............................. ............................ ............................ ............................. ............................... ..................... ..... 29 2.5.4 Función de luminosidad. l uminosidad. Función de Schechter ............................... ............................................. .............................. .............................. ......................... ........... 29 2.6 LAS POBLACIONES ESTELARES EN GALAXIAS............................. ........................................... ............................ ............................. ............................... ............................30 ............30 2.6.1 Clasificación de poblaciones ............................ ............................................ .............................. ............................ ............................. ............................... ............................30 ............30 2.6.2 D istribución según morfología........................ morfología...................................... ............................ ............................... ............................... ............................ ............................ ................ .. 31 2.6.3 Síntesis de poblaciones ............................ .......................................... ............................ .............................. ............................... ............................. ............................ ....................... ......... 31 2.7 LA COMPONENTE DIFUSA: GAS Y POLVO .............................. ............................................. ............................. .............................. .............................. ............................. .................. ... 31 2.7.1 Hidrógeno atómico...................... atómico..................................... ............................... .............................. ............................ ............................ ............................. ............................... ..................... ..... 31 2.7.2 Gas ionizado ............................. ............................................ ............................. ............................ .............................. ............................... ............................. ............................ ....................... ......... 34 2.7.3 Gas molecular ........................... .......................................... ............................. ............................ .............................. ............................... ............................. ............................ ....................... ......... 35 2.8 GALAXIAS ACTIVAS Y CUÁSARES............................. ........................................... ............................ .............................. ............................... ............................. ............................ .................. 37 2.8.1 Clasificación y características........................ características...................................... ............................ ............................... ............................... ............................ ............................ ................ .. 37 2.8.2 Modelo unificado ............................ .......................................... ............................ ............................. ............................. .............................. .............................. ............................. .................. ... 39 2.9 CÚMULOS DE GALAXIAS ............................ .......................................... ............................ ............................ ............................... ............................... ............................ ............................ .................. 43 2.9.1 Definición............................... Definición............................................... .............................. ............................ ............................. ............................. .............................. .............................. ......................... ........... 43 2.9.2 Catálogos ........................... .......................................... ............................. ............................ ............................ ............................... ............................... ............................ ............................ ................ .. 44 2.9.3 Clasificaciones morfológicas e interpretación......................... interpretación....................................... ............................ .............................. ............................... .................... ..... 45 2.9.4 Correlaciones con el tipo morfológico de las galaxias ............................ ............................................ .............................. ............................. .................. ... 47 2.9.5 Componente difusa................................... difusa................................................. ............................ .............................. ............................... ............................. ............................ ....................... ......... 48 2.9.6 Deficiencia de hidrógeno atómico ............................. ........................................... ............................ ............................ ............................. ............................... ..................... ..... 49 2.9.7 Ejemplos: Coma y Virgo ............................ ............................................ .............................. ............................ ............................ ............................. ............................... ..................... ..... 50 2.9.8 Efecto Butcher-Oemler.................... Butcher-Oemler.................................. ............................ ............................. ............................. .............................. .............................. ............................. .................. ... 52

3

CINEMÁTICA CINEMÁTICA INTERNA INTERNA DE LAS GALAXIAS .............................. ............................................ ............................ ............................. ............................... ..................... ..... 53 3.1 3.1

DETERMINACIÓN DE LA CINEMÁTICA DEL MATERIAL DE LAS GALAXIAS...........................................................53 CURVAS DE ROTACIÓN DE GALAXIAS ESPIRALES .............................. ............................................ ............................ ............................. ............................... ..................... ..... 56

Jordi Cepa


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Física Extragaláctica

3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4

Definición y obtención ............................. ........................................... ............................ .............................. ............................... ............................. ............................ ....................... ......... 56 Componentes n o circulares y distorsiones.......................... distorsiones........................................ ............................ .............................. .............................. ......................... ........... 61 Relación de Tully-Fisher. Aplicaciones. .................................... .................................................. .............................. .............................. ............................. .................. ... 63 Orbitas en potenciales axisimétricos. Epiciclos....................................... Epiciclos....................................................... .............................. ............................. .................. ... 63 3.2 MATERIA OSCURA ............................. ............................................ ............................. ............................ .............................. ............................... ............................. ............................ ....................... ......... 64 3.3 DISPERSIÓN DE VELOCIDADES EN GALAXIAS ELÍPTICAS............................. ........................................... .............................. .............................. ......................... ...........64 64 3.3.1 Introducción .............................. ............................................. ............................. ............................ .............................. ............................... ............................. ............................ ....................... ......... 64 3.1.1 Velocidades de rotación........................... rotación......................................... ............................ .............................. ............................... ............................. ............................ ....................... ......... 65 3.1.2 Forma tridimensional.................... tridimensional.................................... .............................. ............................. ............................. .............................. .............................. ............................. .................. ... 67 3.1.3 P lano fundamental. Aplicaciones............................... Aplicaciones............................................. ............................ ............................ ............................. ............................... ..................... ..... 70

4

FORMACIÓN ESTELAR ESTELAR EN GALAXIAS GALAXIAS ........................... .......................................... ............................. .............................. .............................. ............................. .................. ... 73 4.1

DE LAS NUBES MOLECULARES A LAS REGIONES HII............................. HII.............................................. ............................... ............................ ............................ .................. 73

4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4 4.1.5

Evidencias de la formación estelar ............................ .......................................... ............................ ............................ ............................. ............................... ..................... ..... 73 Nubes moleculares ............................ .......................................... ............................ ............................ ............................... ............................... ............................ ............................ ................ .. 74 El CO como trazador del H 2 ............................. ............................................. .............................. ............................ ............................. ............................... ............................74 ............74 Propiedades de las nubes moleculares .................................... .................................................. ............................ ............................. ............................... ..................... ..... 75 Otras moléculas ............................ ............................................ .............................. ............................. ............................. .............................. .............................. ............................. .................. ... 76 4.2 TRAZADORES .......................................... ............................... ............................... ............................ ............................ .................. 76 RAZADORES DE LA FORMACIÓN ESTELAR ............................ 4.2.1 Trazadores locales ............................ .......................................... ............................ ............................ ............................... ............................... ............................ ............................ ................ .. 76 4.2.2 Trazadores globales ........................... .......................................... ............................... .............................. ............................ ............................. ............................... ............................77 ............77 4.3 PRINCIPIOS ELEMENTALES DE LA FORMACIÓN ESTELAR ............................. ........................................... .............................. .............................. ......................... ...........78 78 4.3.1 Planteo del problema ............................. ........................................... ............................. ............................. ............................ .............................. .............................. ......................... ........... 78 4.3.2 Ecuaciones básicas ............................ ........................................... ............................... .............................. ............................ ............................. ............................... ............................78 ............78 4.3.3 Crecimiento lineal de fluctuaciones de densidad.............. densidad ............................ ............................ ............................. ............................... ............................78 ............78 4.3.4 Longitud y masa de d e Jeans ............................. ........................................... ............................. ............................. .............................. .............................. ............................. .................. ... 78 4.4 PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS ............................. ........................................... ............................ .............................. ............................... ............................. ............................ .................. 78 4.4.1 Tasa de formación estelar.......................... estelar.......................................... .............................. ............................ ............................ ............................. ............................... ..................... ..... 78 4.4.2 Función inicial de masas........................ masas...................................... ............................. ............................. ............................ .............................. .............................. ......................... ........... 79 4.4.3 Eficiencia de formación estelar....................... estelar..................................... ............................ ............................... ............................... ............................ ............................ ................ .. 80 4.4.4 Algunas puntualizaciones....................... puntualizaciones..................................... ............................. ............................. ............................ .............................. .............................. ......................... ........... 80 4.4.5 Estimadores empíricos.............. empíricos ............................. ............................. ............................ .............................. ............................... ............................. ............................ ....................... ......... 81 4.5 LA FORMACIÓN ESTELAR EN BRAZOS ESPIRALES .............................. ............................................ ............................ ............................. ............................... ..................... ..... 82 4.5.1 Características de las espirales. Dilema d el arrollamiento....................................... arrollamiento..................................................... ............................ ................ .. 82 4.5.2 Teoría de Ondas de Densidad....................... Densidad..................................... ............................. ............................. .............................. .............................. ............................. .................. ... 87 4.5.3 Teoría de autopropagación aleatoria ............................... ............................................. ............................ ............................. ............................... ............................93 ............93 4.5.4 Modelo mixto........................ mixto...................................... ............................. ............................... .............................. ............................ ............................. ............................... ............................96 ............96 4.5.5 Evidencias de la existencia de ondas de densidad ............................ .......................................... .............................. .............................. ......................... ........... 96 4.5.6 Brazos espirales y formación estelar ....................................... ..................................................... ............................ ............................. ............................... ..................... ..... 98 4.5.7 Resumen ............................. ............................................ ............................. ............................ ............................ .............................. ............................... ............................. ............................103 ..............103 4.6 FORMACIÓN ESTELAR EN GALAXIAS ELÍPTICAS............................ .......................................... ............................ .............................. .............................. ....................... .........103 103 4.6.1 Evidencias ............................ .......................................... ............................. ............................... .............................. ............................ ............................. ............................... ..........................1 ..........1 04 4.6.2 Origen del gas ........................... .......................................... ............................. ............................ .............................. ............................... ............................. ............................ ..................... ....... 105 4.6.3 Mecanismo de ionización......................... ionización....................................... ............................ .............................. ............................... ............................. ............................ ..................... ....... 106

5

DETERMINACIÓN DE DISTANCIAS Y ESTRUCTURA A GRAN ESCALA...........................................107 5.1

MÉTODOS DE MEDIDA DE D ISTANCIAS ............................ .......................................... .............................. ............................... ............................. ............................ ..................... ....... 107

5.1.1 5.1.2 5.1.3

La escalera de distancias .............................. ............................................ ............................. ............................. .............................. .............................. ............................. ................. 107 Indicadores primarios, secundarios y terciarios........................ terciarios...................................... .............................. .............................. ............................. ................. 107 Indicadores secundarios de gran alcance. Supernovas tipo Ia......................................... Ia....................................................... ..................... ....... 107 5.2 EL DESPLAZAMIENTO AL ROJO ............................ ............................................ .............................. ............................ ............................ ............................. ............................... ................... ... 107 5.2.1 H istoria y propiedades....................... propiedades...................................... ............................... .............................. ............................ ............................. ............................... ..........................1 ..........1 07 5.2.2 Interpretación. La expansión del Universo......................... Universo....................................... ............................ .............................. .............................. ....................... .........107 107 5.2.3 Anisotropías en el flujo f lujo de Hubble ............................. ........................................... ............................ ............................ ............................. ............................... ................... ... 107 5.2.4 Determinación de la constante de Hubble ........................... ........................................... ............................... ............................. ............................ ..................... ....... 107

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5.2.5

La expansión acelerada ............................. ............................................. .............................. ............................ ............................ ............................. ............................... ................... ... 107 5.3 COSMOMETRÍA ........................... .......................................... ............................. ............................ ............................ ............................... ............................... ............................ ............................107 ..............107 5.3.1 La métrica como medida de distancias. La métrica de Robertson-Walker ............................ ........................................... ................. 108 5.3.2 La Relatividad General y las ecuaciones de Friedmann...................................... Friedmann..................................................... ............................... ................... ... 108 5.3.3 La ecuación de estado............ estado ............................ .............................. ............................. ............................. ............................ .............................. .............................. ....................... .........108 108 5.3.4 Parámetros cosmológicos ............................. ........................................... ............................. ............................. .............................. .............................. ............................. ................. 108 5.3.5 La expansión del Universo. Expansión acelerada y energía oscura...................................... oscura..................................................... ................. 108 5.3.6 Modelos de Universo. El modelo concordante..................... concordante..................................... ............................... ............................. ............................ ..................... ....... 108 5.3.7 El tiempo retrospectivo y la edad del Universo .......................... .......................................... ............................... ............................. ............................108 ..............108 5.3.8 Distancias propias y comóviles, angulares, y luz............................ luz.......................................... ............................. ............................... ..........................1 ..........1 08 5.3.9 Medida de volúmenes........................ volúmenes...................................... ............................ ............................ ............................... ............................... ............................ ............................108 ..............108 5.3.10 Corrección K.......................................... K........................................................ ............................ ............................. ............................. .............................. .............................. ....................... .........108 108

6

EVOLUCIÓN EVOLUCIÓN DE GALAXIAS ............................ .......................................... ............................ .............................. ............................... ............................. ............................ ..................... ....... 109 6.1 6.2 6.3

I NTRODUCCIÓN : EVIDENCIAS EVOLUTIVAS ............................ .......................................... ............................... ............................... ............................ ............................109 ..............109 R ESUMEN .......................................... ............................. ............................... ................... ... 110 ESUMEN DEL PROCESO DE FORMACIÓN DE ESTRUCTURAS ............................ TEORÍAS EVOLUTIVAS............................ ............................................ .............................. ............................. ............................. .............................. .............................. ............................. ................. 112

6.3.1 6.3.2

F ormación de espirales................................. espirales............................................... ............................. ............................. .............................. .............................. ............................. ................. 112 F ormación de elípticas........................... elípticas......................................... ............................. ............................. ............................ .............................. .............................. ....................... .........112 112 6.4 COSMOCARTOGRAFÍA............................ ............................................ .............................. ............................. ............................. .............................. .............................. ............................. ................. 113 6.4.1 Principios ........................... .......................................... ............................. ............................ ............................ ............................... ............................... ............................ ............................113 ..............113 6.4.2 Tipos de cartografiados y sesgos más comunes .............................. ............................................ ............................. ............................... ..........................1 ..........1 14 6.4.3 Distribución de fuentes ............................ .......................................... ............................ .............................. ............................... ............................. ............................ ..................... ....... 114 6.4.4 La función de luminosidad y su evolución ............................... ............................................. ............................ ............................. ............................... ................... ... 114 6.4.5 La prueba de Schmidt o del volumen máximo...................................... máximo..................................................... ............................. ............................ ..................... ....... 114 6.4.6 Cartografiados actuales y futuros. GTC y HERSCHEL........................... HERSCHEL........................................... .............................. ............................. ................. 114 6.5 GALAXIAS DISTANTES............................ ............................................ .............................. ............................. ............................. .............................. .............................. ............................. ................. 114 6.5.1 Regímenes de desplazamiento al rojo ............................... ............................................. ............................ ............................. ............................... ..........................1 ..........1 14 6.5.2 Evolución de la densidad de formación estelar en el Universo ................................... ................................................... ..........................1 ..........1 15 6.5.3 Galaxias de alto desplazamiento al rojo: métodos de detección y propiedades ........................... .................................... .........117 117 6.5.4 Sistemas de absorbentes a alto z. El bosque de Lyman ............................ ............................................ .............................. ............................. ................. 125

7

RESUMEN................. RESUMEN............................... .............................. ............................... ............................. ............................ .............................. ............................... ............................. ............................ ..................... ....... 130

8

EJERCICIOS EJERCICIOS .............................. ............................................ ............................. ............................... .............................. ............................ ............................ ............................. ............................... ................... ... 131

9

PRÁCTICAS PRÁCTICAS DE ORDENADOR..................... ORDENADOR..................................... ............................... ............................. ............................ .............................. .............................. ....................... .........134 134 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6

10

PRELIMINARES ............................ ........................................... ............................. ............................ ............................ .............................. ............................... ............................. ............................134 ..............134 IMAGEN Y ESPECTROSCOPÍA ........................................... ............................ .............................. ............................... ............................. ............................ ..................... ....... 134 ESPECTROSCOPÍA ............................. LA GALAXIA Y LAS DEMÁS GALAXIAS ............................ .......................................... .............................. ............................... ............................. ............................ ..................... ....... 134 LASIFICACIÓN MORFOLÓGICA.............................. CLASIFICACIÓN ............................................ ............................. ............................. .............................. .............................. ............................. ................. 135 ESPECTROS DE GALAXIAS ........................... .......................................... ............................... .............................. ............................ ............................. ............................... ..........................135 ..........135 DISPERSIÓN DE VELOCIDADES EN CÚMULOS DE GALAXIAS........................... .......................................... ............................. ............................ ..................... ....... 136 BIBLIOGRAFÍA........ BIBLIOGRAFÍA....................... ............................. .............................. .............................. ............................. ............................. .............................. .............................. ............................. ................. 137

10.1.1 10.1.2 10.1.3 10.1.4

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Referencias................................................. Referencias.................................. ............................... .............................. ............................ ............................ ............................. ............................... ................... ... 137 Textos recomendados. ............................ .......................................... ............................. ............................. ............................ .............................. .............................. ....................... .........141 141 Textos para ampliación a mpliación de conocimientos ........................... ........................................... ............................... ............................. ............................ ..................... ....... 142 Enlaces útiles ............................ ........................................... ............................. ............................ .............................. ............................... ............................. ............................ ..................... ....... 142


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1 Introducción general 1.1

La información del espectro electromagnético

Los Astrofísicos solamente pueden obtener datos acerca de los fenómenos físicos que ocurren en los astros a partir de observaciones, no de experimentos. Por este motivo las Astrofísica no es propiamente una ciencia experimental sino observacional. Lo que los Astrofísicos observan es la radiación electromagnética (o las partículas en el caso de los rayos cósmicos) procedente de los cuerpos celestes. Esta radiación proporciona distinta información dependiendo de la longitud de onda y del espectro de la fuente. 1.1.1 Clasificación en en longitud de onda

La siguiente tabla muestra la clasificación de d e los distintos rangos espectrales en función de d e la longitud de onda, bajo nomenclatura astronómica. Denominación Rango λ Gamma 1 pm a 10 pm Duros: de 10 a 100 pm Rayos X Blandos: de 100 pm a 10 nm Lejano: de 10 nm a 200 nm UV Próximo: de 200 nm a 380 nm Óptico

Infrarrojo Radio

Comentarios 1.24 Mev a 124 kEv Solamente observable desde el 124 a 12.4 kEv espacio 12.4 kEv a 124 Ev Solamente observable desde el espacio La atmósfera de la Tierra es opaca a λ<330 nm Visible al ojo humano solamente desde 380 a 740 nm con un máximo en 550 nm (verde)). 330 a 1.000 nm (1 µm) Por eso UV óptico desde 330 a 380 nm e infrarrojo óptico desde 740 a 1.000 nm. Próximo (NIR): de 0.75 a 2.5 µm Ventanas atmosféricas. Difícil desde Tierra. Ventanas atmosféricas. Medio (MIR): de 2.5 a 10 µm Solamente desde el espacio. Lejano (FIR): de 10 a 200 µm Submilimétrico: de 0.2 a 1 mm Difícil desde tierra. Milimétrico: de 1 a 10 mm Centimétrico: de 1 cm a 10 cm

Tal y como se indica, no todos los rangos son visibles desde Tierra, como muestra la Figura 1.1.

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Figura 1.1.1.1.- Transmisión atmosférica en función de la longitud de onda. La atmósfera terrestre no permite el paso de las longitudes de onda más cortas que el UV óptico (330 nm), lo que incluye los rayos gamma, X y ultravioleta. Es bastante transparente en el denominado dominio espectral óptico (de 330 a 1000 nm). Existen algunas “ventanas” que permiten el paso de radiación en el infrarrojo cercano y medio, vuelve a ser opaca en el infrarrojo lejano, a partir de 40 micrómetros y se vuelve transparente a partir del dominio de longitudes de onda submilimétrica, hasta llegar a unas pocas docenas de cm en que se vuelve opaca una vez más. El ojo humano solamente es sensible a un pequeño rango espectral dentro del dominio óptico.

1.1.2 Clasificación espectral

Asimismo, el espectro de objetos astronómicos puede constar de: • • •

Continuo (índice espectral) producido por la emisión estelar (óptica) o del polvo (FIR) Líneas de absorción superpuestas al continuo Líneas de emisión superpuestas al continuo (también pueden superponerse a líneas de absorción, lo que dificulta su medida).

Una de las características más importantes a tener en cuenta es que cada elemento de la imagen o el espectro de una galaxia engloba millones de estrellas y grandes cantidades de gas. Por este motivo lo que se observa es la superposición de los flujos o espectros de todas estas estrellas o nubes de gas sobre la línea de visión, cada uno de ellos desplazado por efecto Doppler debido a su velocidad dentro de la galaxia en cuestión.

Figura 1.2.1.2.- Distribución espectral de energía de distintos tipos de galaxia desde el UV a milimétricas. Se observan el límite de Lyman (91.1nm), bandas de emisión (PAH 1) y de absorción (estelares). El máximo de las distribuciones (a un desplazamiento al rojo 0) está a unos 100 micrómetros para galaxias normales y por debajo para galaxias con estallidos de formación estelar o ultraluminosas en el infrarrojo. 1

Del Inglés “Polycyclic Aromatic Hidrocarbons”

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1.1.3 Interpretación Interpretació n de la información espectral

Atendiendo únicamente a la información a utilizar en este curso: Rango Rayos Gamma

∆λ ∆ λ (µm)

Rayos X

1pm10pm 10pm10nm

Espectro Continuo Continuo Continuo

Óptico

0.33-1

Líneas de absorción

Líneas de emisión Continuo

NIR

MIR

1-2.5 Líneas de emisión

2.5-10

Bandas de emisión Continuo

FIR

10-200 Líneas de emisión Continuo mm

Radio

Continuo cm

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Líneas de emisión Líneas de emisión

Mecanismo físico Colisiones de rayos cósmicos con H, GRBs Sincrotón Libre-libre Redistribución de fotones en estrellas Material más frío en la línea de visión. Línea característica del elemento y su estado de ionización. Transiciones atómicas.

Información Astrofísica Estudio de rayos cósmicos y fenómenos energéticos Temperaturas, densidades columna de electrones. Tipo espectral de las estrellas. En gas interestelar: abundancias de elementos, dispersión de velocidades y cinemática del gas. En una estrella, además de abundancias de elementos y tipo espectral, gravedad y temperatura en la superficie. Transiciones atómicas de recombinación Abundancias de elementos, dispersión de de material ionizado. Línea velocidades, cinemática del gas, característica del elemento y su estado temperatura, grado de ionización, dureza de ionización. de la radiación, etc. Redistribución de fotones en estrella o Tipo espectral de las estrellas, presencia de en polvo circundante polvo muy caliente. Transiciones atómicas de Abundancias de elementos, dispersión de recombinación. Transiciones velocidades, cinemática del gas, moleculares vibracionales excitadas por temperatura electrónica. colisiones (por ejemplo: H2) PAH

Formación estelar

Temperatura del polvo. Máximo a unas Emisión por polvo caliente de la energía 100 µm. Traza la cantidad de estrellas que absorbida en el óptico/UV calientan el polvo PAH y transiciones atómicas de Temperaturas y densidades del gas estructura fina (como [CII] λ158µm) y rotacionales. Radiación de frenado Temperatura Transiciones moleculares vibracionales Abundancias de moléculas, dispersión de y rotacionales excitadas por colisiones. velocidades, cinemática del material, Por ejemplo: CO (rotacional) temperatura y densidad del gas molecular. Radiación de frenado Temperatura Transiciones atómicas de niveles altos Temperatura electrónica, dispersión de del H y He incluyendo transiciones velocidades, cinemática del gas neutro. hiperfinas como la del H a 21 cm


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Figura 1.3.1.3.- Espectros de distintos tipos espectrales de estrellas. La emisión del continuo de una galaxia es una superposición de los tipos espectrales de millones de estrellas por elemento de resolución espacial.

Jordi Cepa


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Figura 1.4.1.4.- Líneas de emisión ópticas típicas de una nebulosa planetaria. Las galaxias presentan espectros en emisión similares. De combes et al. 1991.

Figura 1.5.1.5.- Líneas de emisión del hidrógeno. Se muestra el límite de Lyman.

Jordi Cepa


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Física Extragaláctica

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