Pregrado
  1. Mecánica clásica  1.1. dinámica  1.1.1. Movimiento en una dimensión  1.1.2. Movimiento en dos dimensiones  1.1.3. projectile motion  1.1.4. Velocidad relativa  1.1.5. Movimiento circular uniforme  1.1.6. Movimiento circular no uniforme  1.1.7. Sistemas de referencia y transformaciones  1.2. Newton's Laws of Motion  1.2.1. Primera ley del movimiento  1.2.2. Segunda ley del movimiento  1.2.3. Tercera Ley del Movimiento  1.2.4. Aplicaciones de las leyes de Newton  1.2.5. Fricción y sus tipos  1.2.6. Diagrama de Cuerpo Libre  1.2.7. Restricciones y pseudo-fuerzas  1.3. Trabajo y energía  1.3.1. Trabajo realizado por la fuerza  1.3.2. Teorema trabajo-energía  1.3.3. Energía cinética  1.3.4. Energía potencial en la mecánica clásica  1.3.5. Fuerzas conservativas y no conservativas  1.3.6. Conservación de la Energía  1.3.7. Poder y eficiencia  1.4. Velocidad y colisiones  1.4.1. Momento lineal  1.4.2. Conservación del momento  1.4.3. Impulso y fuerza de impacto  1.4.4. Colisión elástica e inelástica  1.4.5. Centro de masa y velocidad  1.4.6. Propulsión de Cohetes  1.5. Movimiento rotacional  1.5.1. Torque y Momento Angular  1.5.2. Momento de inercia  1.5.3. Cinemática Rotacional  1.5.4. Energía Rotacional  1.5.5. Movimiento de rodadura  1.5.6. Precesión y movimiento giroscópico  1.6. Fuerza gravitacional  1.6.1. La ley de la gravitación universal de Newton  1.6.2. Energía potencial gravitatoria  1.6.3. Mecánica orbital  1.6.4. Leyes del movimiento planetario de Kepler  1.6.5. Campo y potencial gravitatorio  1.7. Mecánica de fluidos  1.7.1. Presión y el Principio de Pascal  1.7.2. Flotabilidad y el principio de Arquímedes  1.7.3. Dinámica de Fluidos y el Principio de Bernoulli  1.7.4. Viscosidad y la ley de Poiseuille  1.7.5. Tensión superficial y capilaridad  1.8. Oscilaciones y ondas  1.8.1. Movimiento Armónico Simple  1.8.2. Oscilaciones amortiguadas y forzadas  1.8.3. Oscilaciones acopladas y modos comunes  1.8.4. Propiedades y tipos de ondas  1.8.5. Ondas Sonoras y el Efecto Doppler  1.8.6. Interferencia de ondas y superposición
  2. Electromagnetismo  2.1. Electrostática  2.1.1. Carga eléctrica y propiedades  2.1.2. Ley de Coulomb  2.1.3. Electric field and electric potential  2.1.4. La Ley de Gauss  2.1.5. Capacitancia y Dieléctrico  2.1.6. Dipolo eléctrico y energía potencial  2.2. Circuitos eléctricos  2.2.1. Corriente y Resistencia  2.2.2. Ley de Ohm  2.2.3. Leyes de Kirchhoff  2.2.4. Circuito RC  2.2.5. Circuitos de CA y Reactancia  2.2.6. Electricidad y energía eléctrica  2.3. Magnetismo  2.3.1. Campos y Fuerzas Magnéticas  2.3.2. La Ley de Ampere  2.3.3. Momento dipolar magnético  2.3.4. Ley de Biot-Savart  2.3.5. Materiales Magnéticos y Histeresis  2.4. Inducción electromagnética  2.4.1. Ley de Faraday  2.4.2. La ley de Lenz  2.4.3. Autoinducción y mutua inducción  2.4.4. Transformadores y Circuitos Inductivos  2.5. Ecuaciones de Maxwell  2.5.1. La ley de Gauss para la electricidad  2.5.2. Ley de Gauss para el magnetismo  2.5.3. La ley de inducción de Faraday  2.5.4. Ley de Ampere-Maxwell  2.5.5. Ondas electromagnéticas
  3. Termodinámica  3.1. Leyes de la Termodinámica  3.1.1. Ley cero de la termodinámica  3.1.2. Primera ley de la termodinámica  3.1.3. Segunda Ley  3.1.4. Tercera Ley  3.2. Calor y trabajo  3.2.1. Transferencia de calor (conducción, convección, radiación)  3.2.2. Expansión térmica  3.2.3. Motores térmicos y refrigeradores  3.2.4. Ciclo de Carnot y eficiencia  3.3. Mecánica estadística  3.3.1. Distribución de Maxwell–Boltzmann  3.3.2. Entropía y Probabilidad  3.3.3. Función de partición  3.3.4. Estadísticas de Fermi–Dirac y Bose–Einstein
  4. Óptica  4.1. Óptica Geométrica  4.1.1. Reflexión y refracción  4.1.2. Espejos y lentes  4.1.3. Instrumentos Ópticos  4.1.4. El principio de Fermat  4.2. Óptica de ondas  4.2.1. Interferencia en la óptica de ondas  4.2.2. Difracción  4.2.3. Polarización  4.2.4. Coherencia y holografía
  5. Mecánica cuántica  5.1. Dualidad onda-partícula  5.1.1. Radiación de cuerpo negro en la dualidad onda-partícula en la mecánica cuántica  5.1.2. Efecto fotoeléctrico  5.1.3. Dispersión Compton  5.1.4. Longitud de onda de De Broglie  5.2. Ecuación de Schrödinger  5.2.1. Ecuación de Schrödinger independiente del tiempo  5.2.2. Partícula en una caja  5.2.3. Efecto túnel cuántico  5.2.4. Pozos de potencial y obstáculos  5.3. Estados Cuánticos  5.3.1. Función de onda  5.3.2. Operadores cuánticos  5.3.3. Principio de incertidumbre de Heisenberg  5.3.4. Momento angular y espín
  6. Relatividad  6.1. Relatividad especial  6.1.1. Transformaciones de Lorentz  6.1.2. Expansión del tiempo y contracción de la longitud  6.1.3. Energía y momento relativista  6.2. Relatividad general  6.2.1. Principio de Equivalencia  6.2.2. Métrica de Schwarzschild  6.2.3. Ondas gravitacionales  6.2.4. Agujeros negros y horizontes de eventos
  7. Física del estado sólido  7.1. Estructura cristalina  7.1.1. Redes de Bravais  7.1.2. Difracción de rayos X  7.1.3. Teoría de bandas  7.1.4. Fonones y vibraciones de red  7.2. Propiedades Eléctricas y Magnéticas  7.2.1. Conductores, Semiconductores e Aislantes  7.2.2. Superconductividad  7.2.3. Efecto Hall
  8. Física nuclear y de partículas  8.1. Estructura Atómica  8.1.1. Modelo Atómico  8.1.2. Energía de enlace nuclear  8.2. Radiactividad  8.2.1. Desintegración alfa, beta, gamma  8.2.2. Vida media  8.2.3. Fisión y Fusión Nuclear  8.3. Física de partículas  8.3.1. Modelo Estándar  8.3.2. Quarks y Leptones  8.3.3. antimateria  8.3.4. Interacciones fundamentales
  9. Astrofísica y cosmología  9.1. Evolución estelar  9.1.1. Formación estelar  9.1.2. Agujeros negros y estrellas de neutrones  9.1.3. Enanas blancas y supernovas  9.2. Cosmología  9.2.1. La Teoría del Big Bang  9.2.2. Materia oscura y energía oscura  9.2.3. Fondo cósmico de microondas

Pregrado ↓


Astrofísica y cosmología


La astrofísica y la cosmología son campos de la física que exploran el vasto universo más allá de nuestro planeta Tierra. Estos incluyen la comprensión de estrellas, galaxias, agujeros negros, el comienzo del universo y mucho más. En esta lección, discutiremos estos temas en profundidad, desglosándolos en conceptos comprensibles.

¿Qué es la astrofísica?

La astrofísica es la rama de la astronomía que estudia la física del universo. Incluye las propiedades físicas de los objetos celestes y los procesos que los controlan. La astrofísica examina el ciclo de vida de las estrellas, la formación de planetas y el comportamiento de la materia en condiciones extremas como los agujeros negros y las estrellas de neutrones.

Entendiendo las estrellas

Las estrellas son cuerpos celestes masivos compuestos principalmente de hidrógeno y helio que producen luz y calor a partir de la fusión nuclear que ocurre en sus núcleos. La vida de una estrella se puede describir aproximadamente como un ciclo.

Las estrellas comienzan como nubes de polvo y gas. Cuando estas nubes colapsan debido a su propia gravedad, forman una protoestrella. Si esta protoestrella reúne suficiente masa, comienza la fusión nuclear. Es entonces cuando los átomos de hidrógeno se fusionan para formar helio, liberando energía en forma de luz y calor.

Aquí hay una ilustración simplificada de una estructura de protoestrella:

La energía producida contrarresta la fuerza de la gravedad, haciendo que la estrella se vuelva estable. Eventualmente, la estrella agotará su combustible nuclear, causando su muerte. Dependiendo del tamaño de la estrella, puede convertirse en una enana blanca, una estrella de neutrones, o incluso colapsar en un agujero negro.

Ciclo de vida de las estrellas

El ciclo de vida de las estrellas consta de diferentes fases, y cada fase dura millones o miles de millones de años:

  • Secuencia principal: La mayoría de las estrellas, incluido nuestro Sol, permanecen en esta etapa más larga, donde queman hidrógeno en helio.
  • Gigantes rojas o supergigantes: Después de que se agota el hidrógeno, las estrellas se expanden y enfrían, convirtiéndose en gigantes rojas o supergigantes.
  • Etapa final: Las estrellas pequeñas pierden sus capas exteriores para convertirse en enanas blancas. Las estrellas masivas explotan como supernovas, produciendo potencialmente agujeros negros o estrellas de neutrones.

Física de las estrellas

Las estrellas son grandes sistemas físicos donde ocurren varios procesos físicos. Discutamos dos procesos importantes: la fusión nuclear y el equilibrio gravitacional.

Fusión nuclear: La temperatura y presión extremas en el centro de una estrella hacen que los núcleos de hidrógeno colisionen y se fusionen para formar helio. Esto se ilustra de la siguiente manera:

4 H -> He + Energía

Este proceso libera enormes cantidades de energía, lo que mantiene la estrella viva durante millones de años.

Equilibrio gravitacional: También conocido como equilibrio hidrostático, es el balance entre la atracción gravitacional hacia adentro y la presión hacia afuera de la fusión nuclear. Esto es crucial para la estabilidad de una estrella. La presión de la fusión en el núcleo debe contrarrestar las fuerzas gravitacionales que intentan comprimirla.

¿Qué es la cosmología?

La cosmología es el estudio de todo el universo. Intenta entender el origen, la evolución, la estructura y el destino final del universo. Los cosmólogos exploran preguntas como cómo comenzó el universo, por qué se ve como lo hace y qué le pasará en el futuro.

La teoría del Big Bang

La teoría más prominente en cosmología es la teoría del Big Bang. Propone que el universo comenzó como un estado extremadamente caliente y denso hace unos 13.800 millones de años y ha estado expandiéndose desde entonces.

Para entender este concepto, piensa en el universo como un globo. Cuando lo inflas, el globo (universo) se expande. Las galaxias dentro del globo se alejan unas de otras, al igual que los puntos en la superficie de un globo cuando se infla.

A medida que el universo se expande, la distancia entre las galaxias aumenta, pero las galaxias mismas permanecen intactas. Esto explica el corrimiento al rojo visto en la luz de galaxias distantes, un fenómeno que apoya la expansión del universo.

Materia oscura y energía oscura

Hay dos cosas misteriosas en el universo: la materia oscura y la energía oscura. Juntas, constituyen aproximadamente el 95% de la fracción total de masa-energía del universo.

Materia oscura: Aunque no se puede ver directamente con telescopios, la materia oscura ejerce una fuerza gravitacional. Ayuda a mantener unidas las galaxias y afecta su rotación. A diferencia de la materia ordinaria, la materia oscura no emite, absorbe ni refleja luz.

Energía oscura: Esta es la fuerza que se piensa es responsable de la aceleración de la expansión del universo. A diferencia de la materia oscura, que actúa a gran escala dentro de las galaxias, la energía oscura actúa a una escala cósmica, afectando a todo el universo.

Observaciones clave en cosmología

  • Radiación Cósmica de Fondo (CMB): Esta es la radiación que quedó del Big Bang, proporcionando una instantánea del universo recién nacido unos 380,000 años después de su comienzo.
  • Corrimiento al rojo de las galaxias: El corrimiento al rojo observado de la luz de galaxias distantes es un soporte importante para la teoría de un universo en expansión. Cuanto mayor es el desplazamiento, más rápido se aleja la galaxia.
  • Distribución de galaxias: La estructura a gran escala del universo alinea las galaxias en enormes filamentos y cúmulos, separados por vacíos. Esta distribución refleja la influencia tanto de la materia oscura como de la energía oscura.

Interrelación de astrofísica y cosmología

La astrofísica y la cosmología están estrechamente vinculadas, porque comprender diferentes fenómenos astronómicos nos ayuda a entender la evolución y estructura del universo. Por ejemplo, al estudiar la formación de estrellas y supernovas, aprendemos sobre la creación y dispersión de elementos. Este conocimiento es importante para los modelos cosmológicos que predicen cómo evoluciona el universo a lo largo del tiempo.

Conceptos importantes y sus interrelaciones

  • Nucleosíntesis en estrellas y el Big Bang: Mientras que la nucleosíntesis del Big Bang produjo solo elementos más ligeros (hidrógeno, helio y pequeñas cantidades de otros), las estrellas producen elementos más pesados a través de la fusión nuclear. Comprender estos procesos ayuda a describir la composición química del universo.
  • Agujeros negros y el destino del universo: Los agujeros negros, que surgen al final del ciclo de vida de las estrellas masivas, nos hacen pensar sobre el destino del universo debido a su capacidad para distorsionar el espacio-tiempo y acumular potencialmente masa.

Fórmulas y modelos utilizados en astrofísica y cosmología

Se utilizan varios modelos matemáticos y ecuaciones para describir y predecir fenómenos astrofísicos y cosmológicos:

Para la dinámica estelar, las leyes del movimiento de Newton y la ley de gravitación universal son importantes:

F = G * (m1 * m2) / r^2

Donde F es la fuerza gravitacional, G es la constante gravitacional, m1 y m2 son las masas, y r es la distancia entre ellas.

En cosmología, las ecuaciones de Friedmann describen la expansión del universo:

(dot{a}/a)^2 = 8πGρ/3 - kc^2/a^2 + Λc^2/3

donde a es el factor de escala, ρ es la densidad de materia, k es la constante de curvatura, Λ es la constante cosmológica, y c es la velocidad de la luz.

Conclusión

La astrofísica y la cosmología juntas nos ayudan a entender la vasta escala y los misterios del universo. Estas ciencias nos permiten trazar la historia del universo, desde el nacimiento de las estrellas hasta el universo que vemos hoy, enseñándonos sobre las fuerzas y elementos fundamentales que forman todo lo que nos rodea. Al estudiar estos campos, obtenemos perspectivas necesarias no solo por curiosidad científica, sino para entender nuestro propio lugar en la vasta extensión del universo.


Pregrado → 9


U
username
0%
completado en Pregrado

← Anterior (8.3.4)
Interacciones fundamentales
Siguiente (9.1) →
Evolución estelar

Comentarios 



Astrofísica y cosmología

https://www.physicsflow.com/ug/9?pfal=es