Escalera de distancias cósmicas

Escalera de distancias cósmicas

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Se denomina escalera de distancias cósmicas a la sucesión de distintos métodos para realizar medidas a objetos cada vez más lejanos. Cada uno de los métodos se basa en uno a más métodos de medida para distancias menores con lo que se pueden ver como los distintos pasos o peldaños de una escalera. Para avanzar un peldaño en la escalera tendremos que habernos apoyado antes en el peldaño anterior.

Es imposible realizar medidas directas de distancias para objetos a más de 1.000 pc de distancia. A partir de estas distancias tendremos que asumir ciertos modelos físicos como base para los sistemas de medida. Los primeros modelos, para distancias ligeramente superiores, deben ser calibrados con los métodos directos. A partir de aquí cada método se va apoyando en los anteriores aumentándose de esta manera la imprecisión en las medidas.

Métodos geométricos

Algunos métodos de medida hacen uso solamente de la configuración geométrica del objeto astronómico. En general estos métodos requieren la observación de movimientos tangenciales y radiales a la línea de visión. Los movimientos radiales se miden con gran precisión con el desplazamiento Doppler de las líneas espectrales de un objeto. La medida de los movimientos tangenciales es muy complicada debido a la gran distancia a la que se encuentran los objetos. En muchos casos se requieren satélites fuera de nuestra atmósfera o técnicas especiales como la radiointerferometría para alcanzar la suficiente resolución angular.

Paralaje trigonométrico

Artículo principal: paralaje

Para medir la distancia a las estrellas cercanas se usa la paralaje astronómica. La paralaje es el cambio en la posición aparente de una estrella en el cielo debido al movimiento de la Tierra en su órbita alrededor del Sol. Las estrellas más lejanas parecen fijas mientras que las cercanas se mueven en una elipse más o menos excéntrica dependiendo del ángulo relativo de la estrella con la eclíptica. La distancia obtenida con este método viene dada en función del ángulo medido y de la distancia de la Tierra al Sol (Unidad astronómica) así que su precisión depende directamente de la precisión de las dos medidas anteriores. El satélite Hipparcos midió sistemáticamente entre 1989 y 1993 la paralaje de 2,5 millones de estrellas con la que se pudo estimar muchas de sus distancias.

Método del cúmulo móvil

Artículo principal: método del cúmulo móvil

Véase también: Cúmulo abierto

Los cúmulos abiertos son agrupaciones de estrellas que han nacido de forma prácticamente simultánea de una misma nube molecular. Estas agrupaciones se mantienen unidas durante cierto tiempo antes de dispersarse y se mueven con la misma velocidad. Se puede usar un método puramente geométrico usando estas propiedades para determinar su distancia, el método del cúmulo móvil.

Distancia al centro galáctico y a la nebulosa del cangrejo

En la zona cercana al centro de nuestra galaxia se pueden observar maseres de agua en radio. La velocidad radial de estos máseres se puede determinar con mucha precisión a partir del desplazamiento Doppler de la emisión. La velocidad tangencial se mide usando radiointerferometría de muy larga base. Se asume que los máseres se expanden esféricamente desde un punto central común. Con este modelo y las velocidades se pude determinar la distancia. La distancia a la que se estimó que se encontraba el centro de la galaxia usando este método fue de 7.500 ± 1.500 pc (24.000 ± 5.000 años luz). ^[1]

En el caso de la nebulosa del Cangrejo se puede observar el mismo efecto de expansión anterior tanto radial como tangencialmente. Con los datos medidos se estimó una distancia de unos 6.300 años luz. ^[2]

Candelas estándar

Artículo principal: Candela estándar

Cuando no es posible utilizar un método geométrico se usan las denominadas candelas estándar para medir la distancia. Las candelas estándar son objetos astronómicos que tienen una luminosidad o una propiedad conocida que nos permite usarlas para medir su distancia. Estos objetos deben de poder reconocerse a partir de alguna característica como, por ejemplo, una variabilidad temporal específica o alguna característica de su espectro electromagnético. Además dependiendo de la mayor o menor luminosidad de la candela podrá observarse, y por lo tanto permitirnos medir, hasta distancias mayores o menores.

Para poder usar un objeto de luminosidad conocida como candela estándar hay que calibrar su luminosidad intrínseca. Si conocemos el flujo (f) que recibimos del objeto y su distancia (d), por uno de los métodos directos explicados anteriormente, se puede calcular su luminosidad con la siguiente relación:

$L_{candela} = 4\pi f_{candela} d_{candela}^{\,2} \!$

obtenemos la luminosidad, que es una propiedad independiente de la distancia, de esa candela. En algunos objetos usados como candelas estándar la luminosidad varía con el tiempo pero siempre de una forma conocida.

En el caso de que no se pudiera estimar con métodos geométricos la distancia a la candela, se usaría la distancia estimada a partir de una candela de diferente clase. De esta manera se van alcanzando cada vez distancias más grandes.

Ajuste al diagrama de Hertzsprung-Russell

La estrellas se pueden clasificar, según sus propiedades espectrales y de luminosidad, dentro del diagrama de Hertzsprung-Russell. Un grupo de estrellas como, por ejemplo, un cúmulo abierto presenta una distribución de estrellas que encaja en el diagrama anterior. El diagrama se encuentra en luminosidades o magnitudes absolutas, mientras que nosotros observamos la magnitud aparente de las estrellas. La magnitud absoluta (M) se relaciona con la magnitud aparente (m) observada con esta relación:

$5 \log_{10} \frac{D}{\mathrm{kpc}} = m -M -5$

El método consiste en ajustar la distancia promedio para todas las estrellas que hace que la distribución se ajuste al diagrama.

Variables RR Lyrae

Artículo principal: Estrella variable RR Lyrae

Las estrellas variables RR Lyrae son un prototipo de estrellas variables que reciben su nombre genérico de la estrella RR Lyrae. Se suelen encontrar en gran cantidad en cúmulos de estrellas. Su luminosidad (o su magnitud absoluta) se conoce con exactitud. Comparando con la magnitud aparente se puede estimar la distancia a la que se encuentran.

Variables cefeidas

Artículo principal: Estrella variable Cefeida

Las estrellas variables Cefeidas son estrellas variables muy luminosas. Aunque su luminosidad varía cíclicamente, presentan una relación muy precisa entre la Luminosidad y el periodo:

$M_v = -2.81 log(P) - (1.43 \pm 0.1) \!$

siendo P el periodo en días y M_v la magnitud absoluta. ^[3]

Las Cefeidas pueden observarse en algunas galaxias cercanas a la Via Láctea con lo que podemos determinar su distancia.

Candelas estándar extragalácticas

Relaciones de Tully-Fisher y Faber-Jackson

Artículos principales: Relación Tully-Fisher y Relación Faber-Jackson

La relación Tully-Fisher es la relación empírica que se observa en galaxias espirales entre su luminosidad y su curva de rotación. Se suele medir la anchura de la línea de HI en 21 cm ya que muestrea bien la curva de rotación hasta distancias lo suficientemente alejadas del centro. ^[4]

La relación de Faber-Jackson es una relación parecida a la anterior pero que se observa en galaxias elípticas. Se encuentra una relación entre la luminosidad y la dispersión de velocidades de las estrellas. ^[5] La versión mejorada que se usa de esta relación incluye la extensión angular de la galaxia y se denomina D-σ.

Fluctuación del brillo superficial

Las galaxias siguen unos perfiles de brillo superficial bien conocidos. La presencia de estrellas gigantes muy luminosas en la galaxia hace que aparezcan pequeñas fluctuaciones en este brillo superficial. Si se considera una distribución de estrellas más o menos homogenea en la superficie de la galaxia, en una región de superficie angular definida habrá más o menos variación dependiendo del número de estrellas gigantes que caigan dentro. La cantidad de estrellas que caigan dependerá de la distancia a la que se encuentre la galaxia. Usando estadistica de Poisson en las fluctuaciones del brillo superficial se puede estimar el número de estrellas por unidad de superficie y estimar, en función de este número, la distancia a la galaxia.

Funciones de luminosidad

Artículo principal: Función de luminosidad

Con este método se determina la distribución típica de luminosidades de algún tipo de objeto astronómico. Ajustando la luminosidad de la distribución con la magnitud observada obtenemos un indicador de la distancia. En general las funciones de luminosidad más usadas para estimar las distancias son las de nebulosas planetarias, cúmulos globulares y las regiones HII.

Supernovas tipo Ia

Artículo principal: Supernova tipo Ia

Las supernovas de tipo Ia son muy luminosas y pueden observarse en cualquier tipo de galaxia. Tienen una curva de luz muy bien caracterizada con lo que nos permiten estimar la distancia a la galaxia donde se produce la supernova.

Ley de Hubble

Artículo principal: Ley de Hubble

La ley de Hubble indica que el desplazamiento al rojo de la emisión de una galaxia es proporcional a la distancia a la que se encuentra. Este método de medida de distancias debe ser calibrado con los métodos anteriores. Las pequeñas variaciones locales de la velocidad de una galaxia nos llevan a tener cierta incertidumbre cuando usamos este método. Debido a la relativa facilidad para observar espectros de objetos lejanos es el método más universal, y en muchos casos el único, que existe para realizar medidas a objetos lejanos.

Referencias

1. ↑

   Reid, M. J.; Schneps, M. H.; Moran, J. M.; Gwinn, C. R.; Genzel, R.; Downes, D.; Roennaeng, B. (1988). «The distance to the center of the Galaxy - H2O maser proper motions in Sagittarius B2(N)» Astrophysical Journal. Vol. 330. 809-816.

2. ↑ Trimble, Virginia (1973). «The Distance to the Crab Nebula and NP 0532» Publications of the Astronomical Society of the Pacific. Vol. 85. n.º 507. 579.
3. ↑ Feast, M. W.; Catchpole, R. M. (1997). «The Cepheid period-luminosity zero-point from HIPPARCOS trigonometrical parallaxes» Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Vol. 286. n.º 1. L1.
4. ↑ Tully, R. B.; Fisher, J. R. (1977). «A new method of determining distances to galaxies» Astronomy and Astrophysics. Vol. 54. n.º 3. 661.
5. ↑ Faber, S. M.; Jackson, R. E. (1976). «Velocity dispersions and mass-to-light ratios for elliptical galaxies» Astrophysical Journal. Vol. 204. n.º 1. 668.

Bibliografía

• Bradt, Hale (2004). Astronomy Methods. A Physical Approach to Astronomical Observations, 1ª edición, Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-53551-9.

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