Chernín A.D. La naturaleza física de las estrellas

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Chernín Artur Davídovich, doctor en ciencias físico-matemáticas, Colaborador científico principal del Instituto Astronómico Estatal "P.K.Shternberg". Áreas de interés científico – cosmología, formación estelar, estructura de las galaxias. Divulgador de la astronomía y su historia.

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Prólogo
Capítulo 1.	Universo estelar
	1.	El Sol y la Galaxia
	2.	Nebulosas
	3.	Metagalaxia
	4.	Historia del universo
	5.	Nacimiento de las galaxias
	6.	Evolución de las estrellas
	7.	Cuántas estrellas hay en el universo
Capítulo 2.	Bursters
	1.	Astronomía de rayos X
	2.	Destellos
	3.	Distancia
	4.	Luminosidad y energía
	5.	Espectro
	6.	Estrella compañera
	7.	Acreción
	8.	Explosiones termonucleares
	9.	Bursters dentro de cúmulos
Capítulo 3.	Pulsares
	1.	Descubrimiento
	2.	Interpretación: estrellas de neutrones
	3.	Pulsares de rayos X
	4.	Radiopulsares
	5.	Fuente de energía
	6.	Radiación magnética dipolar
	7.	Magnetosfera
	8.	Nebulosa del Cangrejo
	9.	Pulsares y rayos cósmicos
Capítulo 4.	Una estrella doble asombrosa
	1.	Espectro de emisión
	2.	Efecto Doppler
	3.	Líneas móviles
	4.	Precesión de los chorros
	5.	Sistema binario
Capítulo 5.	Coronas galácticas
	1.	Disco galáctico
	2.	Dinámica del halo
	3.	Masas de las galaxias
	4.	Masas oscuras
Capítulo 6.	Cuásares
	1.	Corrimiento al rojo
	2.	Variabilidad y dimensión
	3.	Galaxias y cuásares
	4.	Regiones radiantes
	5.	Sistema estelar ultradenso
	6.	Estrella hipermasiva
	7.	Agujero negro hipermasivo
Capítulo 7.	Radiación de fondo
	1.	Espectro de cuerpo negro
	2.	Comienzo caliente
	3.	Nuevo éter
	4.	Efecto Siuniáev–Zieldóvich
	5.	Grandes números
Epílogo
Índice de materias
Índice de autores

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En toda la historia de la más antigua de las ciencias, la astronomía, no hubo tiempos tan ricos en grandes descubrimientos como nuestros días. Especialmente satisfactorios han resultado los últimos decenios, a partir del descubrimiento de los cuásares en el año 1963. Dos años después (en 1965) fue descubierta la radiación de fondo o de relicto, y al cabo de otros dos años más (en 1967) se hicieron conocidos los pulsares. Más tarde, en la década de los 70 y principios de los años 80, se descubrieron las estrellas de neutrones en los sistemas binarios compactos, las coronas galácticas invisibles y los movimientos "superlumínicos" visibles en los cuásares.

En este libro se exponen los descubrimientos astronómicos más recientes, las ideas físicas e hipótesis astrofísicas acerca de los impresionantes misterios de la física del universo que aún están por descubrir. Además de los inevitables datos experimentales y descripciones generales de los fenómenos astronómicos, el lector hallará también elementos de astrofísica teórica.

La astrofísica se apoya en las leyes físicas universales que, aunque establecidas en experimentos de laboratorio, son igualmente válidas en las condiciones (a veces totalmente extraordinarias e inesperadas) del mundo de las estrellas y las galaxias. Los principios fundamentales de la mecánica, la termodinámica y el electromagnetismo permiten buscar y hallar exitosamente la explicación física de muchos fenómenos astronómicos.

Para leer y comprender este libro no es necesario tener una preparación especial que salga del marco de los programas de física y matemática de la enseñanza media. Todas las fórmulas utilizadas son muy simples, pero siempre detrás de ellas está la física, la cual exige un trato serio (y merecido).

El presente libro no contiene cálculos difíciles ni voluminosos. Con frecuencia se realizan cálculos aproximados. Uno de los métodos más utilizados es el de estimación aproximada del orden de magnitud. El orden de magnitud es el valor de la magnitud a excepción de un factor del orden de la unidad, y se expresa, evidentemente, mediante una potencia del número diez. Por ejemplo, el orden de magnitud del número 0,8923x10⁵ es 10⁵. Así pues, con una precisión del orden de magnitud, dicho número es igual, por ejemplo, al número 2,317x10⁵. Cuando se estiman los órdenes de magnitud no interesan los coeficientes numéricos del orden de la unidad (tales como 0,8923 у 2,317). El uso de este tipo de estimación es muy conveniente cuando se desconocen los valores exactos de las magnitudes de partida o cuando, para resolver el problema, no es necesario conocer el valor exacto de la magnitud a calcular. Es absurdo realizar un cálculo con un error, por ejemplo, de hasta la sexta cifra significativa si de los datos iniciales sólo se conoce el orden de magnitud (y esto suele ocurrir con frecuencia en astrofísica). Asimismo, no es necesario calcular seis cifras significativas en una magnitud del orden de 10^-7 si en el problema solamente se pide comprobar si dicho valor supera o no a la unidad.

Otro de los métodos extendido y útil de estimaciones cuantitativas aproximadas utiliza el concepto de [magnitud característica]magnitud característica. Supongamos, por ejemplo, que es necesario estimar el volumen de un cuerpo amorfo que no es tan plano como una placa ni tan alargado como un hilo. Las dimensiones del cuerpo son diferentes para direcciones distintas, sin embargo no difieren mucho una de la otra y tienen aproximadamente la misma magnitud (por ejemplo, 1 m). En este caso se puede suponer que el volumen del cuerpo es más o menos igual al volumen de una esfera de 1 m de diámetro y constituye aproximadamente 4/3\pi(D/2)³   4(D/2)³=0,5D³=0,5 m³, donde la magnitud D=1 m es la dimensión característica del cuerpo, la magnitud característica de su sección transversal. En lugar de varias magnitudes que no difieren mucho entre sí (las cuales se obtendrían durante las distintas mediciones del cuerpo) se introduce una única magnitud que caracteriza la dimensión del cuerpo en su totalidad y, además, su volumen. En el libro el lector encontrará longitudes características, masas características, intervalos de tiempo característicos, etc.

El capítulo es introductor: en él se expone el cuadro astrofísico actual del universo. El material fundamental está contenido en los capítulos 2–7. La exposición no sigue el orden histórico de los acontecimientos acaecidos en la astronomía; más bien éstos se presentan según crece su complejidad: desde lo ya comprendido (y, por lo tanto, más simple) hasta lo investigado en menor grado o que aún sigue siendo un misterio. Los capítulos – están dedicados a las diversas manifestaciones astrofísicas de las estrellas de neutrones. En el capítulo se habla de la dinámica estelar y de las masas oscuras que componen las coronas invisibles alrededor de las galaxias. En el capítulo se exponen los procesos activos que tienen lugar dentro de los núcleos de las galaxias y cuásares. El objeto del capítulo es la radiación de fondo y el universo como un todo.

Este libro es el compendio de las conferencias impartidas por el autor en el IPE "A.I.Guertsen" de Leningrado, en las Escuelas de Invierno del Instituto Físico–Técnico "A.F.Ioffe" y en el Planetario de Leningrado.

Aprovecho la ocasión para expresar mis agradecimientos a mis colegas de la sección teórica del IFM de la AC de la URSS y de la Cátedra de Física Teórica y Astronomía del IPEL por los múltiples debates sobre los diversos problemas físicos y astronómicos objetos de este libro.

Estoy muy agradecido a E.V.Ergm, A.S.Zentsova, A.S.Zilbergleit, L.P.Osipkov, E.A.Tropp y A.I.Tsigán por la atenta lectura del manuscrito del libro y por sus consiguientes e importantes observaciones.

Conservo mi más sincero reconocimiento a mi maestro Liev Emmanuílovich Guriévich.

A.D.Chernín

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Con toda razón nuestros días se denominan siglo de oro de la astrofísica, pues los admirables y generalmente inesperados descubrimientos en el mundo de las estrellas se suceden uno tras otro. En el libro se habló de los descubrimientos astronómicos de los últimos años y de las nuevas ideas físicas relacionadas con ellos. Sin embargo, a modo de conclusión, hablaremos aunque sea muy brevemente sobre una idea que surgió no a partir de los recientes éxitos de la astronomía, sino como resultado de las meditaciones continuas durante muchos años sobre la pregunta planteada en los años 20 por A.A.Fridman y E.Hubble: ?`por qué el universo se expande?

Ésta es la pregunta sobre el mecanismo físico de la Gran Explosión.

En 1929, en una de sus intervenciones A.Einstein dijo: "Hablando honradamente, nosotros no sólo deseamos saber cómo está construida la naturaleza..., sino también, en lo posible, alcanzar un objetivo utópico y audaz a primera vista: comprender por qué la naturaleza es precisamente así... En esto consiste el elemento prometeico de la creación científica".

La pregunta de Fridman y Hubble es uno de los "por qué" más importantes de la física y la astronomía.

Más de veinte años atrás I.G.Dímnikova, E.B.Glíner y L.E.Guriévich del Instituto Físico–Técnico de la AC de la URSS plantearon la hipótesis de que el estado inicial del universo era el vacío. El vacío físico no es un vacío simple (como bromeaban los físicos de los años 30, este vacío está lleno de un profundo contenido físico). El vacío físico es un estado especial del medio, el cual se caracteriza por la mínima energía posible. A tal medio se le atribuyen determinados valores (distintos de cero) de la densidad de energía \varepsilon y de la presión p.

Una de las propiedades obligatorias del vacío es que respecto a éste el movimiento y el reposo son indistinguibles. En otras palabras, cualquiera que sea el movimiento de los cuerpos uno respecto a otro, éstos siempre se encuentran en estado de reposo respecto al vacío. La teoría demuestra que esta propiedad se asegura si las magnitudes \varepsilon y p cumplen la condición p=–\varepsilon. Si la densidad de energía es positiva, entonces la presión, igual a ella en valor absoluto, es negativa. Esto, por supuesto, es bastante extraordinario. Mas no debemos olvidar que estamos hablando del vacío y no de un medio "ordinario".

Sin embargo, la propiedad más extraordinaria del vacío físico es la. Esto significa que el vacío provoca la repulsión de dos partículas materiales sumergidas en él. Las partículas tienden a unirse gracias a la atracción mutua de sus propias masas, pero el vacío que se encuentra entre ellas es capaz de superar su atracción y obligarlas a alejarse una de la otra.

La antigravedad ya figuraba en el primer modelo cosmológico de Einstein (1917); en aquel entonces ella fue introducida con el fin de compensar la atracción de la materia "ordinaria", lo cual debería conducir en dicho modelo a un estado estacionario (invariable en el tiempo) del universo. Después de los trabajos de Fridman y Hubble, Einstein adoptó el punto de vista de éstos y negó la idea del universo estacionario y del medio antigravitatorio.

Y resulta que ahora el vacío antigravitatorio se utiliza para explicar la causa de la expansión cosmológica. Pues, en efecto, éste obliga a que todas las partículas se dispersen con un movimiento acelerado.

Cierto es que aún no está completamente claro de donde se toma la materia en el estado de vacío inicial del mundo, ni adonde va a parar después dicho vacío. Es posible que la materia surja espontáneamente del vacío: esto está permitido por las leyes generales de la física. Y una vez que ha surgido, a la materia no le queda más remedio que expandirse.

Esta idea está siendo desarrollada enérgicamente por A.Guth en EE.UU., A.D.Linde en Rusia y muchos otros físicos. Ellos ya han hecho mucho. Pero para que esté a un mismo nivel con la teoría del mundo no estacionario de Fridman o con la hipótesis del universo caliente de Gámov, la idea del vacío inicial antigravitatorio no sólo debe explicar lo que se conoce del universo, sino también pronosticar algo completamente nuevo y demostrable mediante observaciones directas. Y que luego ese "algo" sea realmente comprobado y confirmado por los futuros descubrimientos astronómicos.

Mientras tanto, continúa el torrente de descubrimientos de observación en la cosmología. El más notable de ellos es el descubrimiento reciente (1998) del vacío físico, el vacío antigravitatorio mencionado muchos años atrás por Einstein. Su densidad supera dos veces la densidad media de las masas oscuras, lo cual implica que en lo referente a la densidad el vacío predomina en el universo actual. El efecto dinámico del vacío provoca una aceleración de la expansión cosmológica en la época contemporánea de la evolución del mundo.

Pero la densidad observada del vacío es cien órdenes (!) menor que la supuesta en la hipótesis del vacío inicial capaz de generar la expansión cosmológica. ?`No será este vacío observado un pequeño "resto" del vacío inicial? Ésta es sólo una de las tantas preguntas nuevas e interesantes surgidas tras este notable descubrimiento. La investigación de estas preguntas se encuentra en sus inicios, mas no se excluye que al final de la jornada el descubrimiento del vacío físico resulte ser un suceso tan importante en la ciencia del universo como lo fueron el descubrimiento de la expansión cosmológica y el de la radiación de fondo.

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