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PROGRAMA DE ASIGNATURA





ASIGNATURA: ESPECIALIDAD II: “TEORÍA Y OBSER-VACIÓN DE LOS ESPECTROS DE LÍNEAS“

AÑO: 2014

CARÁCTER: Especialidad

CARRERA: Licenciatura en Astronomía

RÉGIMEN: Cuatrimestral

CARGA HORARIA: 120 hs.

UBICACIÓN en la CARRERA: Quinto año - Primer cuatrimestre




FUNDAMENTACIÓN Y OBJETIVOS

La Astrofísica es el estudio de la física del universo. Tanto el análisis como la interpretación de los espectros de los cuerpos celestes ha contribuido (y contribuye) fuertemente al entendimiento del origen, evolución y composición de cada uno de ellos.

Por lo tanto, para el futuro astrónomo resulta crucial la comprensión de todos los fenómenos y modelos físicos que contribuyen a determinar cada uno de los rasgos característicos que aparecen en dichos espectros, con independencia del particular objeto celeste de estudio.

Para llevar adelante esta formación se proponen cumplimentar los siguientes objetivos:

- Identificar los distintos números cuánticos establecidos por la Mecánica Cuántica y su influencia en las diversas transiciones que aparecen en las diferentes especies atómicas y moleculares, que dan origen a las líneas espectrales y a las bandas moleculares.

- Interpretar los diferentes fenómenos físicos que intervienen en los coeficientes de absorción y emisión del campo radiativo, y la forma en que éstos afectan a las líneas espectrales.

- Generalizar la ecuación del transporte radiativo incluyendo las líneas espectrales, planteando su resolución en variadas condiciones astrofísicas.

- Identificación de las diferentes líneas espectrales y el posterior análisis de las mismas para la obtención de información astrofísica relevante, utilizando metodologías específicas.

- Revisar las variadas técnicas e instrumental utilizados para la obtención de los espectros en los diversos rangos de frecuencias.

- Determinar magnitudes astrofísicas específicas que caracterizan a variados cuerpos celestes.

- Saber aplicar técnicas espectroscópicas específicas de acuerdo al tipo de cuerpo celeste o fenómeno astrofísico de estudio.






CONTENIDO

Unidad I: Introducción General

Astrofísica atómica y espectroscopía. Propiedades físicas y químicas de los elementos. El espectro electromagnético y los observatorios astronómicos. Plasmas astrofísicos y plasmas de laboratorio. Distribución de partículas. Estadísticas cuánticas. Espectroscopía y fotometría. Notación espectroscópica. Unidades, dimensiones y constantes atómicas.


Unidad II: Elementos de Espectroscopia Atómica y Molecular

Modelos atómicos de Thomson, Rutherford, Bohr y Sommerfeld. Principio de correspondencia. Teoría de Schrödinger de la Mecánica Cuántica: generalidades. Átomos con un electrón. Átomo de H e hidrogenoides. Momentos magnéticos dipolares orbitales. Spin. Interacción spin-órbita. Momento angular total. Razones de Transición. Reglas de Selección. Átomos Multielectrónicos. Principio de Exclusión. Átomo de He. Fuerzas de intercambio. Teoría de Hartree: generalidades. Átomos Alcalinos. Átomos con varios electrones ópticamente activos. Acoplamientos LS y jj. Reglas de Hund. Efectos Zeeman, Paschen-Back y Stark. Estructura hiperfina. Sistemas atómicos multielectrónicos. Espectroscopía molecular.


Unidad III: Procesos Atómicos y Transiciones Radiativas

Estados ligados, continuos y de resonancia. Procesos atómicos radiativos y colisionales. Aproximaciones teóricas y aproximadas. Coeficientes de Einstein. Movimiento de un electrón en un campo electromagnético. Métodos matriciales y de expansión multipolar. Aproximaciones dipolar eléctrica y de campo central. Colisiones electrón-ion. Fotoionización. Recombinaciones electrón-ion


Unidad IV: Coeficiente de absorción de una línea espectral

Coeficiente de absorción continua: revisión. Coeficiente de absorción de línea: generalidades. Oscilador clásico y oscilador cuántico. Absorción atómica natural y amortiguada. Aproximación de Impacto: teoría clásica aproximaciones de Weisskopf y de Lindholm. Limitaciones del modelo de impacto. Teoría de ensanchamiento de líneas espectrales por efecto estadístico. Aproximación del vecino más cercano. Teoría de Holtsmark. Cálculo de las constantes de amortiguamiento. Ensanchamiento iónico y electrónico de las líneas de Hidrógeno. Ensanchamiento térmico: efecto Doppler, movimientos turbulentos. Coeficiente de absorción combinado. Perfiles de Voight y de Hjerting. Coeficiente másico de absorción. Otros mecanismos de ensanchamiento de líneas.


Unidad V: Ecuación de transporte radiativo en una línea espectral

Ecuación del transporte radiativo: revisión general del caso continuo. Ecuación del transporte para una línea: caracterización del problema. Tratamiento clásico. Modelo de Milne-Eddington: líneas de scattering y de absorción, oscurecimiento al limbo, mecanismo de Schuster. Función fuente para una línea. Niveles de población. Perfiles de líneas en ETL. Funciones de contribución y profundidad de formación de líneas espectrales. Ancho equivalente: definición, cálculo, dependencia con la temperatura, la presión y la abundancia química. Comparación entre la teoría y las observaciones. Ecuaciones del transporte en NETL: generalidades, átomo de 2 niveles y de multiniveles. Formación de líneas con redistribución parcial en frecuencias. Transporte radiativo en medios en movimiento.


Unidad VI: Análisis químico de las líneas espectrales

Uso de datos experimentales y tablas. Identificación de líneas espectrales. Curvas de crecimiento teóricas y empíricas. Efectos de la gravedad y la temperatura. Saturación de curvas de crecimiento. Determinación de abundancia de elementos químicos. Análisis diferencial. Síntesis espectral. Estimas de índices fotométricos de abundancias. Aplicaciones a estrellas de abundancias peculiares. Aplicaciones cosmológicas.


Unidad VII: Técnicas Espectroscópicas Astronómicas

Espectrógrafos: revisión. Redes de difracción. Redes de reflexión con blaze. Cámaras espectrográficas. Espectrógrafos de ranura: magnificación y pureza espectral. Espectroscopios de primas y de grismas. Espectrógrafos Echelle. Interferometría. Etalones de Fabry-Pérot. Espectroscopios de Fourier. Técnicas espectroscópicas. Espectrógrafos de alta resolución. Perfiles instrumentales. Procesos de reconstrucción del espectro. Ruidos. Transformadas discretas de Fourier. Correcciones por luz dispersada. Espectroscopía de baja resolución. Espectroscopía infrarroja. Espectroscopía Ultra-Violeta. Espectroscopía en Rayos X y en Altas Energías. Espectroscopía 3D: principios básicos, aplicación en grandes telescopios, espectrómetros de Fabry-Perot, espectroscopía de campo integral, aplicación de la espectroscopía de Fourier.


Unidad VIII: Espectroscopía de Fuentes Astronómicas

Clasificación espectral: revisión. Velocidades radiales: aproximación tradicional, espectros de prismas objetivos, espectros automáticos, método de Griffin, identificación de líneas. Espectrofotometría: calibración espectral, intensidad de líneas, ensanchamiento de líneas Doppler y por presión, campos magnéticos, etc. Estrellas: determinación de distancia, temperatura, composición química, radio, presión fotosférica, gravedad superficial, rotación, campos de velocidades, micro y macroturbulencia, granularidad, vientos, variabilidad, etc. Espectroscopía de planetas, cuerpos menores del sistema solar y exoplanetas. Nebulosas y el medio interestelar: espectroscopía convencional e instrumentación específica, gas y polvo interestelar. Regiones HII. Objetos extragalácticos: determinación de distancias, espectros, edades, tamaños, radiación de fondo. AGNs y cuásares. Cosmología.


Unidad IX: Técnicas de Reducción de Espectros

Revisión general de la reducción de imágenes astronómicas.





BIBLIOGRAFÍA

BÁSICA:



  • “Atomic Astrophysics and Spectroscopy” (A.K. Pradhan & S.N. Nahar)

2011, Cambridge University Press.

  • “El Espectro Continuo de las Atmósferas Estelares” (J.J. Claría & H. Levato),

2008, Edit. Comunicarte.

  • “Espectro de Líneas en las Atmósferas Estelares” (J.J. Clariá),

1979, Instituto de Física (UFRGS).

  • “Física Cuántica” (R. Eisberg & R. Resnick),

1996, Limusa Noriega Editores.

  • “Lectures on Spectral-Line Análisis: F, G, and K Stars” (D.F. Gray),

1988, The Publisher, Canada.

  • “Stellar Atmospheres” (D. Mihalas) 2nd edit.,

1978, W.H. Freeman & Co.

  • “The Observation and Analysis of Stellar Photospheres” (D.F. Gray),

1976 (1st edit: John Wiley & Sons); 1992, 2005 (2nd,3rd edit.:Cambridge

University Press).

COMPLEMENTARIA:


  • “A Beginner’s Guide to Using IRAF” (J. Barnes), NOAO

1993, NOAO.

(http://www.astro.washington.edu/courses/astro480/To_CCD/beginners_guide_IRAF.pdf)



  • “Astrophysics of the Diffuse Universe” (M. Dopita & R. Sutherland),

2003, Springer.

  • “Atomic and Molecular Data for Space Astronomy” (P. Smith & W.. Wiese eds.),

1992, Lecture Notes in Physics, 407, Springer-Verlag.

  • “Atomic Energy Levels” (C. Moore),

1949 (Vol. I), 1952 (Vol. II) y Vol. III (1958), National Bureau of Standard.

  • “Atomic Physics” (M. Born) 7th edit.,

1965, Blackie & Son Ltd.

  • “Atomic Spectra and Atomic Structure” (G. Herzberg),

1944, Dover Publications, Inc.

  • “Atomic Spectra and Radiative Transitions” (I. Sobleman),

1979, Springer-Velag.

  • “Física Atómica y Nuclear” (H. Semat),

1971, Edit. Aguilar.

  • “M.A.S.S.-Model Atmospheres and Spectrum Synthesis”,

1996, 5th Viena Workshop, A.S.P. Conf. Ser., 108.

  • “Optical Astronomical Spectroscopy” (C.R. Kitchin),

1995, Institute of Physics Publishing.

  • “Óptica” (E. Hecht),

2000, Edit. Addisson Wesley Iberoamericana, Cap. 3 Sec. 5.

  • “Radiative Transport in Spectral Lines” (G. Athay),

1972, D. Reidel Publishing Co.

  • “Reducción Espectroscópica en IRAF” (S. Bruzzone)

Instituto de Física (Fac. de Ciencias), Uruguay.

(http://www.fisica.edu.uy/~sbruzzone/FlexPaper_1.4.2_flash/EspectrosIRAF.pdf)



  • “Reducción de Datos Astronómicos usando IRAF” (J. Acosta Pulido/A. Pérez García)

2001, Instituto de Astrofísica de Canarias.

(http://www.iac.es/galeria/jap/IRAF_notes/)



  • “Stellar Atmospheres: Beyond Classical Models” (L.Crivellari, I. Hubeny & D.G. Hummer, edits.),

1991, NATO ASI Series, Math. Phys. Sci., 341.

  • “Stellar Atmospheres” (J.L. Greenstein, edit.),

1960, Stars and Stellar Systems VI, The University of Chicago Press.

  • “The Theory of Stellar Spectra” (Ch. R. Cowley),

1970, Gordon & Breach Sci. Publishers, Inc.

  • “The Opacity Project”

1995: Vol. 1 (M. Seaton, ed.); 1997, Vol. 2: (K. Berrington, ed.),

Institute of Physics Publishing.



  • “Theory of the Pressure Broadening and Shift of Spectral Lines” (G. Peach),

1981, Adv. Phys., 30 (3), 367-474.

  • “Tridimensional Optical Spectroscopy Methods in Astrophysics” (G. Comte & M. Marcelin edits.)

1994, IAU Colloquim 149, Astr. Soc. of the Pacific Conf. Ser. Vol. 71.

  • Temas varios de rotación estelar, magnetismo y granulación estelar, campos de velocidades rotacionales, efecto Zeeman, espectrógrafos, entre otros, en la página web del Prof. David Gray: http://www.astro.uwo.ca/~dfgray/home.html







METODOLOGÍA DE TRABAJO

Las clases teóricas serán expositivas y participativas, en las cuales el alumno aportará también conceptos afines a las temáticas desarrolladas, los cuales fueron aprendidas en asignaturas previas, como así también temas de particular interés de acuerdo a sus intereses futuros. Estas clases se desarrollarán en formato tradicional (tiza y pizarrón), como así también utilizando presentaciones multimediales.


Las actividades prácticas versarán sobre los contenidos desarrollados, proponiéndose trabajos en donde los alumnos apliquen metodologías específicas y saquen conclusiones en función de los resultados obtenidos.



EVALUACIÓN


FORMAS DE EVALUACIÓN


  • Resolución de 4 (cuatro) trabajos prácticos a entregar en fechas a convenir.

  • Preparación y exposición de un tema a designar.

  • El examen final será una evaluación oral sobre contenidos teóricos-prácticos de la asignatura.


CONDICIONES PARA OBTENER LA REGULARIDAD


  1. ASISTENCIA

Cobertura del 70% de la totalidad de las horas previstas, tanto teóricas como

prácticas.





  1. TRABAJOS PRÁCTICOS Y DE LABORATORIO

Entrega de los trabajos prácticos realizados en las fechas convenidas, y aprobar

al menos el 60% de los mismos.


CORRELATIVIDADES
Para cursar:

  • Astrofísica General (regularizada)


Para rendir:

  • Astrofísica General (aprobada)







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