EH 28B: Historia de la Astronom

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EH 28B Historia de la Astronomía II2.01 William
Herschel

• Profesor José Maza Sancho
• 24 Julio 2006

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2.01.2. Astronomía Planetaria de Herschel

• Correspondió a William Herschel el privilegio de
  descubrir un nuevo planeta del sistema solar,
  Urano.
• Desde tiempos prehistóricos se conocían los
  planetas visibles a simple vista y se pensaba que
  constituían la totalidad del sistema solar.
• El descubrimiento hecho por Galileo de cuatro
  satélites de Júpiter con el posterior
  descubrimiento de cinco satélites de Saturno por
  parte de Huygens (Titán) y Cassini (cuatro más)
  había hecho crecer la familia solar en miembros
  pequeños.

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• Transcurrieron 97 años entre el último
  descubrimiento de Cassini y el descubrimiento de
  Urano.
• Durante más de tres generaciones el número de
  objetos del sistema solar había permanecido fijo,
  por lo cual el descubrimiento de William Herschel
  asombró a todos.
• Urano está en el límite de visibilidad del ojo
  humano sin la ayuda de un telescopio, llegando a
  magnitud cinco en su máximo brillo
• las estrellas visibles a simple vista van desde
  magnitud 1 para las más brillantes hasta la
  magnitud 6 para las más débiles, sólo
  perceptibles en lugares oscuros en noches sin
  Luna y por personas de gran agudeza visual.

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• Se pudo establecer que Urano había sido observado
  con anterioridad.
• Flamsteed lo observó en 1690, 1712, y 1715
• Bradley en 1748, 1750 y 1753,
• Mayer en 1756 y Pierre Lemonnier, profesor
  francés, en 1750 lo observó cuatro veces, en 1768
  dos veces, en 1769 seis veces y en 1771 una vez.
• Si este astrónomo hubiese transcrito con
  regularidad sus observaciones es indudable que le
  hubiese arrebatado a Herschel su descubrimiento,
  pero poseía tal desorden en sus notas y apuntes
  que se ha encontrado en el Observatorio de París
  una de las observaciones de Urano escrita en una
  bolsa de papel que había contenido polvo para
  pelucas.

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Imagen de Urano obtenido con el telescopio
espacial Hubble se aprecia un anillo débil que
rodea al planeta, muy débil para ser visto desde
la Tierra.
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• Se encontró que Urano dista del Sol unos 2.871
  millones de kilómetros en promedio (19,2 Unidades
  Astronómicas, U.A.), contra 1.427 millones de
  Saturno (9,54 U.A.).
• Esto amplió al doble el tamaño del sistema solar.
  Está tan alejado del Sol que demora 84 años en
  completar una revolución en torno a él.
• Es de gran tamaño, siendo su radio ecuatorial de
  25.400 kilómetros unas 4,0 veces mayor que el
  radio terrestre.

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• Su masa es sólo 14,5 veces mayor que la masa
  terrestre lo que lo hace un planeta de muy baja
  densidad (1,3 gr/cm3, mientras que la densidad
  media de la Tierra es de 5,5 gr/cm3).
• Urano es un mundo extremadamente frío y donde el
  Hidrógeno es el elemento químico más abundante.
• Si en la Tierra 1 centímetro cuadrado recibe 2
  calorías del Sol por minuto, en Urano recibe 368
  veces menos, esto es 0,3 caloría por centímetro
  cuadrado, por hora,
• la temperatura de unos 210 grados Celsius bajo
  cero.

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• Herschel descubrió posteriormente, en 1787, dos
  satélites de Urano Oberón y Titania.
• Luego descubrió dos nuevos satélites de Saturno,
  en 1789 Enceladus y Mimas.
• Para algunos Herschel logró la inmortalidad
  gracias a su descubrimiento de Urano.
• El descubrimiento de Urano le trajo fama y
  fortuna.
• Sin embargo el gran mérito de la obra astronómica
  de William Herschel radica en sus estudios
  estelares.
• Estudiando la Vía Láctea Herschel abrió un área
  de estudio que ha ocupado a cientos de astrónomos
  del siglo XIX y XX.

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2.01.3. Estudio de la Vía Láctea

• En 1811, hacia el final de su carrera Herschel
  dijo
• El conocimiento de la construcción del cielo ha
  sido siempre el fin último de mis observaciones.
• Efectivamente, dedicó un gran esfuerzo a entender
  la estructura del sistema estelar que habitamos.

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• Por muchos siglos, desde tiempos prehistóricos,
  la preocupación del hombre por el cielo se centró
  en el conocimiento de la posición del Sol, la
  Luna y los planetas, contra ese telón de fondo
  que constituyen las estrellas.
• Los esfuerzos dirigidos a las estrellas fueron
  meramente para conocer su posición en la esfera
  celeste, para lo cual basta con suponer que todas
  las estrellas están a igual distancia de la
  Tierra.

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• Flamsteed, Bradley y Lacaille habían determinado
  posiciones con gran precisión.
• Las estrellas eran consideradas hitos de
  referencia para calcular las posiciones precisas
  de los planetas y la Luna pero no constituían en
  sí mismas objetos de investigación astronómica.
• Herschel hizo de la distribución espacial de las
  estrellas el objetivo principal de su
  investigación, iniciando una rama de la
  Astronomía que hoy se conoce como Estructura
  Galáctica.

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• Para su estudio Herschel sabía que lo ideal era
  disponer del paralaje de cada estrella, es decir,
  su distancia al Sol.
• En vista de los fracasos en ese terreno tanto de
  Bradley como de él mismo, Herschel diseñó en 1784
  un método de recuento de estrellas
  (star?gauging).
• Si miramos en dos direcciones distintas del cielo
  y contamos el número de estrellas visibles en
  áreas de una extensión angular fija, nos
  encontraremos con resultados muy distintos según
  donde dirijamos nuestro telescopio.

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• En una región podemos contar diez veces más
  estrellas que en otra.
• Esto se puede interpretar de dos maneras
  pensando que la densidad de estrellas es mayor en
  aquellas direcciones en que vemos más estrellas o
  suponer que la densidad espacial es
  aproximadamente la misma en todas direcciones
  pero el sistema estelar tiene una mayor extensión
  en la dirección que presenta mayor número de
  estrellas.

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• Herschel adoptó este segundo punto de vista y
  suponiendo que en promedio todas las estrellas
  tienen un brillo absoluto similar, mediante el
  recuento de las estrellas se puede determinar la
  extensión de nuestro sistema estelar en esa
  dirección.
• Utilizando su telescopio de 20 pies de distancia
  focal, Herschel contó estrellas en zonas de 15
  minutos de arco en diámetro.

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• Para evitar irregularidades accidentales, el
  contaba en varios campos vecinos y tomaba el
  promedio.
• En 1785 publicó el resultado de sus cuentas de
  683 regiones del cielo, agregando luego otras 400
  regiones que no pensó que fuese necesario
  publicar.
• Mientras en algunas regiones sólo veía una
  estrella en otras el número llegaba a las 600.

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• El resultado general de su trabajo fue que las
  estrellas son mucho más abundantes cerca de la
  Vía Láctea, esa franja blanquecina que divide el
  cielo en dos partes.
• De acuerdo con eso Herschel encontró que el
  sistema estelar tiene la forma de un disco o una
  piedra esmeril (como una aspirina), en donde el
  diámetro es, según sus cifras, unas cinco veces
  su espesor.
• En una cierta porción del cielo encontró que la
  Vía Láctea se dividía en dos ramas, dejando entre
  ellas una zona relativamente libre de estrellas.

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(No Transcript)
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• Esto lo interpretó como una hendidura en su
  piedra esmeril.
• La teoría de la piedra esmeril para representar a
  la Vía Láctea había sido propuesta por el inglés
  Thomas Wright (1711?1786) en su libro An
  Original Theory or New Hypothesis of the
  Universe, en 1750.
• Allí Wright plantea que la distribución de
  estrellas está limitada por dos planos, estando
  el Sol en el centro del sistema.

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(No Transcript)
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• La idea fue desarrollada cinco años más tarde por
  el gran filósofo alemán Inmanuel Kant (1724?1804)
  en su libro Historia Natural Universal y Teoría
  del Cielo, de 1755.
• Kant propuso que el Sol junto con miles de
  millones de estrellas constituyen un sistema
  estelar achatado, la Vía Láctea.
• La gravitación universal haría que un cuerpo
  semejante colapsara hacia su centro de masas a
  menos que el sistema se encontrara en rotación

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• dicha rotación estaría íntimamente ligada con el
  achatamiento (el eje menor correspondería al eje
  de rotación).
• Kant fue más lejos diciendo que la Vía Láctea
  sería una galaxia y que existirían en el Universo
  muchos miles de galaxias, sistemas estelares
  lejanos, que constituirían Universos?islas.
• La intuición de Kant era correcta, siendo
  necesarios 170 años para que su hipótesis fuera
  confirmada por las observaciones del astrónomo
  norteamericano Edwin Hubble.

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• Por último, cabe citar a Johann Heinrich Lambert
  (1728?1777) como precursor de Herschel en su
  modelo de nuestra galaxia.
• Lambert escribió en 1761 en sus Cartas
  Cosmológicas, que cada estrella era un Sol,
  rodeado de planetas, constituyendo un sistema de
  primer orden.
• Un millón y medio de soles constituían un sistema
  de segundo orden, unidos por la fuerza
  gravitatoria.

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• A su vez, un gran número de estos conjuntos
  constituyen la Vía Láctea, sistema de tercer
  orden, donde los sistemas de segundo orden se
  distribuyen en forma discoidal.
• Es posible, concluye Lambert, que un conjunto de
  Vías Lácteas, constituya un sistema de cuarto
  orden.
• Esta es una anticipación notable a los cúmulos de
  galaxias, descubiertos en el siglo XX.

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• Incluso Lambert anticipa por extrapolación los
  super cúmulos de galaxias, estructuras que
  agrupan varios cúmulos y que se cree que
  constituyen las estructuras más grandes del
  universo.
• Grande es el mérito de Wright, Kant y Lambert
  sin embargo fue William Herschel el primero que
  abordó el problema desde el punto de vista
  cuantitativo y obtuvo detalles de la estructura
  de la Vía Láctea.
• Herschel estaba consciente de la limitación de la
  hipótesis de uniformidad en la distribución
  espacial de las estrellas.

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• El mismo descubrió muchos cientos de cúmulos
  estelares que representan agrupaciones de
  estrellas con una densidad mayor que el promedio.
• La presencia de un cúmulo en una dirección, según
  su hipótesis de uniformidad se traduciría en una
  punta protuberante del sistema estelar en esa
  dirección para explicar el mayor número de
  estrellas.
• De igual modo un número más bajo de estrellas por
  unidad de volumen se vería reflejado como una
  hendidura en su modelo en esa dirección. Así, en
  1811, admite ese problema

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• Debo confesar hidalgamente que continuando mis
  barridos del cielo mi opinión de la distribución
  de las estrellas ... ha experimentado un cambio
  gradual ... Por ejemplo, una dispersión uniforme
  de estrellas puede ser admitida en ciertos
  cálculos pero cuando examinamos la Vía Láctea, o
  los cúmulos estelares más densos, de los cuales
  mis catálogos han registrado tantos ejemplos,
  esta supuesta igualdad de dispersión debe ser
  abandonada.

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• Herschel empleó telescopios de distinto tamaño
  para contar estrellas.
• El límite de visibilidad en un telescopio depende
  del área recolectora de luz, es decir, es
  proporcional al cuadrado de su diámetro.
• Suponiendo que todas las estrellas brillan con
  igual intensidad, la luz que recibimos de una
  estrella dependerá del cuadrado de su distancia.

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• Por ejemplo si a una estrella se le aumentase su
  distancia en un factor 2 recibiríamos 4 veces
  menos luz y necesitaríamos 4 veces más área de
  telescopio, es decir un telescopio del doble de
  diámetro.
• Así el diámetro se relaciona directamente con la
  distancia un telescopio de 10 veces más diámetro
  verá, en principio, 10 veces más lejos.

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• Con su telescopio de 20 pies de distancia focal
  hizo sus cuentas y creyó haber alcanzado el
  límite del sistema.
• Hacia el final de su vida se dio cuenta que con
  su telescopio de 40 pies de distancia focal podía
  ver estrellas que su telescopio menor no
  mostraba, por lo cual perdió la seguridad de
  haber llegado con sus observaciones al borde del
  sistema estelar.

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• Estudios posteriores han mostrado que Herschel en
  verdad estaba examinando algo como un 10 de la
  galaxia.
• Herschel expresó las dimensiones de la Vía Láctea
  en unidades de la distancia SolSirio (Sirio es
  la estrella que se ve más brillante en el cielo y
  Herschel suponía la más cercana)
• La Vía Láctea de Herschel tiene la forma de una
  lenteja, 900 unidades en su diámetro y 200 en el
  espesor de su parte central el Sol queda en ese
  modelo situado muy cerca del centro.

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• Como la distancia a Sirio es de aproximadamente
  10 añosluz, la Vía Láctea de Herschel tiene un
  diámetro de 10.000 añosluz, como un 10 del
  valor que hoy se considera válido.
• A pesar de sus limitaciones el trabajo de William
  Herschel en materia de la estructura de la
  galaxia es pionero en un campo que un siglo más
  tarde fecundarían Kapteyn, Shapley, Lindblad y
  Oort.