miniaturadeimagen|390x390px|La nube de Oort, uno de los modelos teóricos más exitosos sobre el sistema solar La astronomía teórica es el uso de modelos analíticos y computacionales basados en principios de la física y la química para describir y explicar los objetos y fenómenos astronómicos. Los teóricos de la astronomía se esfuerzan por crear modelos teóricos y, a partir de los resultados, predecir las consecuencias observacionales de esos modelos. La observación de un fenómeno predicho por un modelo permite a los astrónomos seleccionar entre varios modelos alternativos o contradictorios el que mejor describe los fenómenos.
El Almagesto de Ptolomeo, aunque es un brillante tratado de astronomía teórica combinado con un manual práctico para el cálculo, incluye sin embargo concesiones para conciliar observaciones discordantes con un modelo geocéntrico. Se suele considerar que la astronomía teórica moderna comenzó con la obra de Johannes Kepler (1571-1630), en particular con las leyes de Kepler. La historia de los aspectos descriptivos y teóricos del sistema solar abarca principalmente desde finales del siglo XVI hasta finales del .
La astronomía teórica se basa en el trabajo de la astronomía observacional, la astrometría, la astroquímica y la astrofísica. La astronomía fue pionera en la adopción de técnicas computacionales para modelar la formación estelar y galáctica y la mecánica celeste. Desde el punto de vista de la astronomía teórica, la expresión matemática no solo debe ser razonablemente precisa, sino que, preferiblemente, debe existir en una forma que se preste a un análisis matemático más profundo cuando se utilice en problemas específicos. La mayor parte de la astronomía teórica utiliza la teoría newtoniana de la gravitación, considerando que los efectos de la relatividad general son débiles para la mayoría de los objetos celestes. La astronomía teórica no intenta predecir la posición, el tamaño y la temperatura de todos los objetos del universo, sino que, en general, se ha centrado en analizar los movimientos aparentemente complejos pero periódicos de los objetos celestes.
Integración de la astronomía y la física
«Contrariamente a la creencia generalizada entre los físicos de laboratorio, la astronomía ha contribuido al avance de nuestro conocimiento de la física». La física ha ayudado a esclarecer los fenómenos astronómicos, y la astronomía ha ayudado a esclarecer los fenómenos físicos:
El descubrimiento de la ley de la gravedad provino de la información proporcionada por el movimiento de la Luna y los planetas, La viabilidad de la fusión nuclear, tal y como se demuestra en el Sol y las estrellas, y que aún no se ha reproducido en la Tierra de forma controlada.
La integración de la astronomía con la física implica: Interacción físicaFenómenos astronómicosElectromagnetismo:observación mediante el espectro electromagnéticoRadiación del cuerpo negroradiación estelarRadiación sincrotrónfuentes de radio y rayos XDispersión Compton inversafuentes astronómicas de rayos XAceleración de partículas cargadaspúlsares y rayos cósmicosAbsorción/dispersiónpolvo interestelarStrong and weak interaction:nucleosíntesis en las estrellasrayos cósmicossupernovasuniverso primitivoGravedad:movimiento de planetas, satélites y estrellas binarias, estructura y evolución estelar, movimientos de N cuerpos en cúmulos de estrellas y galaxias, agujeros negros y el universo en expansión. El objetivo de la astronomía es comprender la física y la química del laboratorio que hay detrás de los acontecimientos cósmicos, con el fin de enriquecer nuestra comprensión del cosmos y de estas ciencias.
Integración de la astronomía y la química
La astroquímica, la intersección entre las disciplinas de la astronomía y la química, es el estudio de la abundancia y las reacciones de los elementos químicos y las moléculas en el espacio, así como su interacción con la radiación. La formación, la composición atómica y química, la evolución y el destino de las nubes de gas moleculares revisten especial interés, ya que es a partir de estas nubes que se forman los sistemas solares.
La astronomía infrarroja, por ejemplo, ha revelado que el medio interestelar contiene un conjunto de compuestos de carbono en fase gaseosa complejos llamados hidrocarburos aromáticos, a menudo abreviados (PAH o PAC). Se dice que estas moléculas, compuestas principalmente por anillos fusionados de carbono (ya sea en estado neutro o ionizado), son la clase más común de compuestos de carbono en la galaxia. También son la clase más común de moléculas de carbono en los meteoritos y en el polvo cometario y asteroidal (polvo cósmico). Estos compuestos, al igual que los aminoácidos, las bases nucleicas y muchos otros compuestos presentes en los meteoritos, contienen deuterio (2H) e isótopos de carbono, nitrógeno y oxígeno que son muy raros en la Tierra, lo que demuestra su origen extraterrestre. Se cree que los HAP se forman en entornos circumestelares calientes (alrededor de estrellas gigantes rojas moribundas ricas en carbono).
La escasez del espacio interestelar e interplanetario da lugar a una química inusual, ya que las reacciones prohibidas por la simetría no pueden producirse excepto en escalas de tiempo muy largas. Por esta razón, las moléculas y los iones moleculares que son inestables en la Tierra pueden ser muy abundantes en el espacio, por ejemplo, el ion H3+. La astroquímica se solapa con la astrofísica y la física nuclear en la caracterización de las reacciones nucleares que se producen en las estrellas, las consecuencias para la evolución estelar y las «generaciones» estelares. De hecho, las reacciones nucleares en las estrellas producen todos los elementos químicos que se encuentran en la naturaleza. A medida que avanzan las «generaciones» estelares, aumenta la masa de los elementos recién formados. Una estrella de primera generación utiliza hidrógeno elemental (H) como fuente de combustible y produce helio (He). El hidrógeno es el elemento más abundante y es el componente básico de todos los demás elementos, ya que su núcleo solo tiene un protón. La atracción gravitatoria hacia el centro de una estrella genera enormes cantidades de calor y presión, lo que provoca la fusión nuclear. A través de este proceso de fusión de masa nuclear, se forman elementos más pesados. El litio, el carbono, el nitrógeno y el oxígeno son ejemplos de elementos que se forman en la fusión estelar. Después de muchas generaciones estelares, se forman elementos muy pesados (por ejemplo, hierro y plomo).
Herramientas de astronomía teórica Los astrónomos teóricos utilizan una amplia variedad de herramientas, entre las que se incluyen modelos analíticos (por ejemplo, politropos para aproximar el comportamiento de una estrella) y simulaciones numéricas computacionales. Cada uno tiene sus ventajas. Los modelos analíticos de un proceso suelen ser mejores para comprender en profundidad lo que está sucediendo. Los modelos numéricos pueden revelar la existencia de fenómenos y efectos que de otro modo no se verían.
Los teóricos de la astronomía se esfuerzan por crear modelos teóricos y averiguar las consecuencias observacionales de esos modelos. Esto ayuda a los observadores a buscar datos que puedan refutar un modelo o ayudar a elegir entre varios modelos alternativos o contradictorios.
Los teóricos también tratan de generar o modificar modelos para tener en cuenta los nuevos datos. En consonancia con el enfoque científico general, en caso de inconsistencia, la tendencia general es tratar de realizar modificaciones mínimas en el modelo para ajustarlo a los datos. En algunos casos, una gran cantidad de datos inconsistentes a lo largo del tiempo puede llevar al abandono total de un modelo.
Temas de astronomía teórica Los temas estudiados por los astrónomos teóricos incluyen:
dinámica y evolución estelar; formación de galaxias; estructura a gran escala de la materia en el universo; origen de los rayos cósmicos; relatividad general y cosmología física, incluyendo la cosmología de cuerdas y la física de astropartículas.
La relatividad astrofísica sirve como herramienta para medir las propiedades de las estructuras a gran escala en las que la gravedad desempeña un papel significativo en los fenómenos físicos investigados, y como base para la física (astro) de los agujeros negros y el estudio de las ondas gravitacionales.
Modelos astronómicos Algunas teorías y modelos ampliamente aceptados y estudiados en astronomía, ahora incluidos en el modelo Lambda-CDM, son el Big Bang, la inflación cósmica, la materia oscura y las teorías fundamentales de la física.
Algunos ejemplos de este proceso: Proceso físicoHerramienta experimentalModelo teóricoExplica/prediceGravitaciónRadiotelescopiosSistema autogravitatorioAparición de un sistema estelarFusión nuclearEspectroscopiaEvolución estelarCómo brillan las estrellas y cómo se formaron los metalesBig BangTelescopio espacial Hubble, COBEUniverso en expansiónEdad del universoFluctuaciones cuánticasInflación cósmicaProblema de planitudColapso gravitacionalAstronomía de rayos XRelatividad generalAgujeros negros en el centro de la galaxia de AndrómedaCiclo CNO en las estrellas
Temas destacados en astronomía teórica La materia oscura y la energía oscura son los temas más importantes actualmente en astronomía, ya que su descubrimiento y controversia se originaron durante el estudio de las galaxias.
Astrofísica teórica Entre los temas abordados con las herramientas de la física teórica, a menudo se presta especial atención a las fotosferas estelares, las atmósferas estelares, la atmósfera solar, las atmósferas planetarias, las nebulosas gaseosas, las estrellas no estacionarias y el medio interestelar. Se presta especial atención a la estructura interna de las estrellas.
Principio de equivalencia débil La observación de una explosión de neutrinos en las tres horas siguientes a la explosión óptica asociada de la supernova 1987A en la Gran Nube de Magallanes (LMC) brindó a los astrofísicos teóricos la oportunidad de comprobar que los neutrinos y los fotones siguen las mismas trayectorias en el campo gravitatorio de la galaxia.
Termodinámica para agujeros negros estacionarios Una forma general de la primera ley de la termodinámica para agujeros negros estacionarios puede derivarse de la integral funcional microcanónica para el campo gravitatorio. Los datos de contorno:
el campo gravitatorio descrito con un sistema microcanónico en una región espacialmente finita y la densidad de estados expresada formalmente como una integral funcional sobre métricas lorentzianas y como una funcional de los datos geométricos de contorno que están fijados en la acción correspondiente,
Son las variables termodinámicas extensivas, incluyendo la energía y el momento angular del sistema. Para el caso más simple de la mecánica no relativista, como se observa a menudo en los fenómenos astrofísicos asociados con el horizonte de sucesos de un agujero negro, la densidad de estados puede expresarse como una integral funcional en tiempo real y, posteriormente, utilizarse para deducir la integral funcional en tiempo imaginario de Feynman para la función de partición canónica.
Astroquímica teórica Las ecuaciones de reacción y las grandes redes de reacción son una herramienta importante en la astroquímica teórica, especialmente cuando se aplican a la química de gas y granos del medio interestelar. La astroquímica teórica ofrece la posibilidad de poder establecer restricciones en el inventario de compuestos orgánicos para su entrega exógena a la Tierra primitiva.
Compuestos orgánicos interestelares