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Astrofísica y Cosmología
- Prácticas de Aula/Semina (14 Hours)
- Tutorías Grupales (4 Hours)
- Clases Expositivas (42 Hours)
Esta asignatura pertenece a la materia Estructura de la Materia y además de proporcionar un conocimiento básico de los fenómenos astrofísicos y de la estructura del universo, resulta muy útil para aprovechar los conocimientos adquiridos con las demás asignaturas que forman el bloque Estructura de la Materia. Determinados temas tratados en la asignatura tienen una relación muy estrecha con las asignaturas de Teoría de la Relatividad General y de Física Atómica y Molecular.
El objetivo principal de la asignatura que, cabe recordarlo, es la única del plan de estudios que esté directamente relacionada con las así llamadas Ciencias del espacio y el estudio del universo, es proporcionar al alumno un conocimiento básico, fundamentado en las leyes físicas más relevantes en cada caso, sobre los principales cuerpos celestes que se observan (estrellas, galaxias, cúmulos, etc.) y las estructuras a más gran escala que se observan en el cosmos. Se presentan y se discuten las explicaciones físicas actuales de los fenómenos astrofísicos más relevantes. Además se pretende proporcionar una introducción al debate actual en cosmología presentando, en forma crítica, el modelo estándar del “Hot Big Bang”. Se discutirán los datos fundamentales que lo apoyan, los problemas principales que quedan abiertos y algunas observaciones recientes que resultan críticas y de más difícil encaje.
Se consideran requisitos previos recomendables los conocimientos adquiridos con las materias de Fundamentos de Física Moderna y de Mecánica y Ondas. Además, se necesita un buen conocimiento de los contenidos de las materias de Electromagnetismo y Óptica, de Termodinámica y Mecánica Estadística y de las asignaturas de Estructura de la Materia que se hayan cursado previamente. Sería importante, aunque no imprescindible, que el alumno cursara también la asignatura optativa Teoría de la Relatividad General.
Se espera que durante el desarrollo de esta asignatura el estudiante adquiera las competencias transversales de capacidad de análisis y síntesis (CT1), capacidad de organización y planificación (CT2), comunicación oral y escrita (CT3), capacidad de gestión de la información (CT5), resolución de problemas (CT6), razonamiento crítico (CT8), aprendizaje autónomo (CT9), fomentando su creatividad (CT10) e iniciativa (CT11). Las competencias específicas incluirán no sólo el conocimiento y comprensión de los fenómenos y de las teorías físicas más importantes (CE1) y la capacidad de estimar órdenes de magnitud para interpretar fenómenos diversos (CE2), sino también, mediante la aplicación de conocimientos matemáticos básicos adquiridos en los cursos anteriores (UCE3.2: capacidad de profundizar en la aplicación de los conocimientos matemáticos en el contexto general de la física), la capacidad de modelado de fenómenos complejos, trasladando un problema físico al lenguaje matemático (CE5). Finalmente, la exposición de un trabajo permitirá comprobar la capacidad de transmitir conocimientos de forma clara tanto en ámbitos docentes como no docentes (CE7).
Estas competencias están asociadas a los siguientes resultados de aprendizaje:
- Relacionar las características de la radiación observada con las propiedades del objeto astrofísico que lo emite o/y absorbe.
- Entender los fundamentos físicos de la estructura y de la evolución estelar.
- Comprender las diferentes escalas y estructuras en el Universo.
- Entender las bases del modelo cosmológico estándar y las evidencias observacionales que lo apoyan.
- Adquirir la base necesaria para abordar los nuevos avances teóricos y experimentales u observacionales.
Bloque 1: Lo observable en astrofísica
Introducción
Breve repaso histórico. Órdenes de magnitud. Metodología de la astrofísica. “Zoología”
de los objetos astrofísicos
Datos observables
Medidas de distancias: Definiciones. Métodos geométricos/indirectos. “Velas estándares”.
Medidas de edades. Luminosidad. Espectrometría. Otros datos: radio, campos magnéticos,
composición química …
Radiación electromagnética: Mecanismos de emisión
Cuerpo negro. Transiciones bb, bf, ff. Radiación sincrotrón. Compton y Compton inverso.
Bremsstrahlung. Otros procesos
De la emisión a la observación
Ensanchamiento de líneas. Absorción en el medio interestelar/intergaláctico.
Enrojecimiento. Efectos relativistas. Efectos de la atmósfera. Observación.
Otros tipos de radiación
Rayos cósmicos. Estallidos Gamma. Neutrinos. Ondas gravitacionales
Bloque 2: Física de las estrellas
Ecuaciones de estructura
Equilibrio hidrostático. Producción y transporte de energía. Teorema del virial
Propiedades de la materia estelar
Ecuaciones de estado. Regímenes clásico/cuántico/relativista. Ecuación de Saha.
Fusión termonuclear: la ventana de Gamow. Principales procesos de nucleosíntesis.
Transporte radiativo/convectivo/difusivo. Opacidades.
Soluciones a las ecuaciones de estructura
Análisis dimensional. Relaciones masa-radio. Perfiles de densidad y temperatura.
Limite de Eddington. Transporte radiativo y convectivo. Línea de Hayashi.
Estrellas compactas: estrellas de neutrones, enanas blancas
Evolución de las estrellas
Recorrido en el plano Log(rho)-Log(T). Zonas inestables.
Medio interestelar. Formación de estrellas. Estrellas T-Tauri. Enanas marrones. La ZAMS.
Evolución de estrellas con M < 8 M_sol. Gigantes rojas, rama horizontal, rama asintótica
gigante. Nebulosas planetarias.
Evolución de estellas con M > 8 M_sol. Estrellas Wolf-Rayet. Supergigantes. Supernovas SN-II
Estrellas binarias compactas
Evolución con transferencia de masa. Emisión relacionada con la acreción. Binarias X y
variables cataclísmicas. Supernovas SN-Ia
Astrosismologia y estrellas pulsantes
Bloque 3: Galaxias y Núcleos Galácticos Activos (AGN)
Galaxias
Introducción histórica. El Gran Debate: ¿una galaxia o muchas? El corrimiento al rojo y las galaxias externas. La Vía Láctea y Andrómeda: características principales. Estructura interna de nuestra Galaxia. Cinemática: rotación diferencial y órbitas en el disco Galáctico. movimiento epiciclico de las estrellas. Clasificación de las galaxias: diagrama de Hubble. Propiedades fotométricas y espectrales. Espectro sintéticos.
Núcleos Galácticos Activos (AGNs)
Definición, observación y clasificación de los AGNs. Quasars, galaxias de Seyfert, radiogalaxias, blazars, ULIRG, etc. El espectro contínuo de los AGNs en todas las bandas electromagnéticas. Estructura interna de los AGNs y el modelo Unificado. Energías y masas límite en los AGNs. Explosiones de rayos gamma.
Bloque 4: Estructura a gran escala y cosmología
Estructura a gran escala
Introducción histórica. Primeras hipótesis y observaciones sobre la estructura a gran escala. El grupo local de galaxias y el cúmulo de Virgo. Teorema “Virial” en astronomía y cálculo de las masas de los cúmulos de galaxias. Catálogos de galaxias y de cúmulos. Principales “surveys” de galaxias. Funciones de luminosidad y de masa. Análisis estadístico de la distribución de galaxias. Funciones de correlación. Cuentas del número de galaxias en un Universo "euclidiano" y en un Universo en expansión. Funciones de luminosidad ("l.l.f."s) de fuentes extragalácticas en distintas bandas e.m. y evolución cosmológica de las mismas fuentes. Interpretación de las observaciones. Radiación de fondo cósmica de origen astrofísico.
El modelo cosmológico estándar (Hot Big Bang)
Cosmografía: el universo observado y las observaciones cosmológicas básicas. Espectro y anisotropías de la radiación cósmica del fondo de microondas (CMB). La geometría del espacio-tiempo. Distancias y horizontes en un universo en expansión. Ecuaciones de la dinámica de Friedman. Los modelos cosmológicos de Friedman-Robertson-Walker. Modelos de pura materia, de radiación y con constante cosmológica. Parámetros cosmológicos. Nucleosíntesis primigenia.
El temario de todos los bloques se presentará en las clases expositivas. Se usarán presentaciones por ordenador para las exponer las ideas directrices y se detallarán algunos cálculos en la pizarra. Los ficheros de las presentaciones por ordenador se pondrán a disposición del alumnado en el Campus Virtual.
Las prácticas de aula estarán dedicadas a la exposición de trabajos, uno por cada grupo, que profundizarán en unos de los temas propuestos por los profesores de la asignatura. Además, se utilizarán dos PAs para la realización de dos micro-pruebas (de 50 minutos cada una), fijadas en fechas adecuadas, para verificar los conocimientos adquiridos en las clases expositivas. De forma excepcional, si las condiciones sanitarias lo requieren, se podrán incluir actividades de docencia no presencial. En cuyo caso se informará al estudiantado de los cambios efectuados.
Las tutorías grupales estarán dedicadas a la aclaración de dudas sobre el temario y a presentar unos ejercicios sencillos que los alumnos tendrán que entregar en las fechas fijadas por el profesor. El volumen de trabajo que se estima necesario para alcanzar los objetivos marcados se recoge en las siguientes tablas:
MODALIDADES | Horas | % | Totales | |
Presencial | Clases expositivas | 39 | 26.1 | 40% |
Práctica de aula / Seminarios / Talleres | 13 | 8.5 | ||
Tutorías grupales | 4 | 2.7 | ||
Sesiones de evaluación | 4 | 2.7 | ||
No presencial | Trabajo en grupo | 15 | 10 | 60% |
Trabajo Individual | 75 | 50 | ||
Total | 150 |
Temas | Horas totales | Clases Expositivas | Prácticas de aula /Seminarios/ Talleres | Tutorías grupales | Sesiones de Evaluación | Total | Trabajo grupo | Trabajo autónomo | Total |
Bloque 1: Lo observable en astrofísica | 29 | 9 | 1 | 1 | - | 11 | 3 | 15 | 18 |
Bloque 2: Física de las estrellas | 57 | 13 | 6 | 1 | - | 21 | 6 | 30 | 36 |
Bloque 3: Galaxias y Núcleos Galácticos Activos (AGN) | 17 | 7 | 2 | - | - | 8 | 1 | 8 | 9 |
Bloque 4: Estructura a gran escala y Cosmología | 43 | 10 | 4 | 2 | - | 16 | 5 | 22 | 27 |
Examen | 4 | - | - | - | 4 | 4 | - | - | - |
Total | 150 | 39 | 13 | 4 | 4 | 60 | 15 | 75 | 90 |
Como ya comentado previamente, de forma excepcional, si las condiciones sanitarias lo requieren, se podrán incluir actividades de docencia no presencial. En cuyo caso se informará al estudiantado de los cambios efectuados.
Convocatorias ordinarias:
La evaluación se realizará principalmente mediante la realización de un trabajo (50% de la nota final). Los estudiantes escogerán un tema entre los propuestos por los profesores. Cada estudiante (o en grupos de dos alumnos) tendrá que redactar una breve memoria, original, de unas 15-20 páginas. Cada grupo podrá exponer, voluntariamente, los puntos relevantes de la memoria con una exposición oral de 15-20 minutos (máximo) al final de la asignatura, en las horas dedicadas a prácticas de aula. La exposición oral puede proporcionar una corrección, o mejora relativa, de la nota conseguida con la memoria escrita, pero nunca va a proporcionar la posibilidad de corregir una nota de suspenso en la memoria. El estudiante necesitará obtener una nota mínima de 5.0 en el trabajo para poder aprobar la asignatura.
Además, un 10% de la nota final corresponderá a la llamada evaluación continua, por medio de la valoración de la participación activa del estudiante y de los ejercicios entregados después de cada sesión de tutoría grupal, y otro 40%, de la misma nota final, a 2 micro-exámenes (de 50 minutos, aproximadamente, cada uno) con preguntas teórico-prácticas básicas y fijados en fechas adecuadas a lo largo del curso, dependiendo del calendario académico, pero programados al comienzo del curso. Se ruega asistir con regularidad (se aplicará un coeficiente moderador a la nota de evaluación continua en el caso contrario). Se necesitará obtener una nota mínima de 4.0, calculada come la media de las notas conseguidas en los 2 micro-exámenes, para poder aprobar la asignatura. Además, el estudiante tendrá que alcanzar una nota mínima de 3.0 en cada uno de los dos micro-exámenes, para que se puedan considerar superados. Si el estudiante no alcanzara esta nota mínima de 3.0 en cada uno de los dos micro-exámenes y de 4.0 en la media de los dos, perderá la evaluación continua (ejercicios + micro-exámenes, correspondientes al 50% de la nota final) y tendrá que presentarse al examen final, fijado en la fecha oficial de examen por la Facultad de Ciencias, para poder aprobar la asignatura. La nota del examen final de enero, si este resultase necesario para poder aprobar la asignatura, constituirá, por tanto, un 50% de la nota total final. De forma excepcional, si las condiciones sanitarias lo requieren, se podrán utilizar métodos de evaluación no presencial. En cuyo caso se informará al estudiantado de los cambios efectuados.
Convocatorias extraordinarias:
Como en las convocatorias ordinarias, se pide la realización de una memoria sobre un tema entre los propuestos. La exposición oral sigue siendo voluntaria, como en la convocatoria ordinaria. El estudiante necesitará obtener una nota mínima de 5.0 (sobre 10.0 puntos) en el trabajo (50% de la nota final), que seguirá siendo sobre los temas propuestos por los profesores y con las características expuestas anteriormente. El estudiante podrá conservar la nota de evaluación continua obtenida a lo largo del año. Los alumnos que no hayan realizado o superado la evaluación continua deberán superar una prueba escrita en las fechas oficiales de examen y obtener una nota mínima de 5.0 sobre 10.0 puntos (50% de la nota final) en la misma, para aprobar la asignatura. De forma excepcional, si las condiciones sanitarias lo requieren, se podrán utilizar métodos de evaluación no presencial. En cuyo caso se informará al estudiantado de los cambios efectuados..
Repetidores:
Los profesores podrán habilitar un procedimiento para evaluar el 50% de la nota correspondiente a las pruebas de calificación que no sean el trabajo escrito con presentación oral voluntaria.
No presenciales:
Sólo en casos debidamente justificados (según BOPA no 125, 1-6-2010)
Bibliografía básica:
Maoz, D.: “Astrophysics in a Nutshell”, Princeton University Press, 2007
Ryden, B.: Peterson, B.: “Foundations of Astrophysics“, Addison-Wesley, 2010
Sparke, B.: Gallagher, J.: “Galaxies in the Universe”, Cambridge University Press, 2000.
Ryden, B.: “Introduction to Cosmology“, Addison-Wesley, 2003.
Schneider, P.: "Extragalactic Astronomy and Cosmology", Springer, 2006
Bibliografía complementaria:
Bradt, H. “Astrophysics Processes”, Cambridge University Press, 2008
Hansen, C., Kawaler, S., Trimble V.: “Stellar Interiors“, Springer-Verlag, 2004
B.W. Carroll, D.A. Ostlie, ”Introduction to Modern Astrophysics”, Benjamin Cummings, 2006
Longair, M.: “Galaxy Formation“, Springer-Verlag, 2007
Peacock, J.: “Cosmological Physics”, Cambridge University Press, 1998
Martínez, V., Saar, E.; “Statistics of the Galaxy Distribution”, Chapman & Hall, 2002
Los apuntes de clase así como material docente adicional estarán puestos a disposición de los alumnos en el campus virtual http://www.campusvirtual.uniovi.es/