Guía docente de Radioastronomía (M53/56/3/5)

• Técnicas observacionales e instrumentación astronómica (telescopios, instrumentos, detectores).

• Peculiaridades en función del rango espectral, desde el infrarrojo a los rayos gamma ultraenergéticos.

• Procesos físicos de emisión y absorción.

• Campañas observacionales (preparación y obtención de datos). Manejo de archivos astronómicos. Tratamiento de datos.

El alumno sabrá/comprenderá:

• Los fundamentos teóricos y técnicos de la radioastronomía

• Las técnicas observacionales en radioastronomía, tanto con antena única como con interferómetros

• La función que desempeñan la resolución angular y la sensibilidad en las observaciones astronómicas.

• Los distintos mecanismos de emisión de ondas de radio en el cosmos.

• Los escenarios astrofísicos donde la radioastronomía tiene un papel relevante: medio interestelar, radio-supernovas, púlsares, agujeros negros, núcleos de galaxias activas.

El alumno será capaz de:

• Resolver casos prácticos de obtención de parámetros físicos a partir de resultados de observaciones de Radioastronomía

• Procesar datos sencillos de antenas únicas e interferómetros.

• Preparar propuestas de observación a radiotelescopios

1. Introducción a la astrofísica de ondas de radio

• El espectro electromagnético.
• Aspectos diferenciales de la observación en ondas de radio en comparación con otros rangos.
• Historia de la Radioastronomía.
• Principales logros científicos.

2. Radiotelescopios

• Observables en Radioastronomía. Patrón del haz, intensidad, densidad de flujo, temperatura de brillo, temperatura de antena.
• El radiotelescopio de antena única. Antenas, poder de resolución, temperatura de sistema, calibración, métodos de observación.
• Receptores. Amplificadores de bajo ruido, heterodinaje, bolómetros.
• Espectrómetros.
• Interferometría. Función de visibilidad, teorema de van Citter-Zernike, haz primario, muestreo de visibilidades, desconvolución, calibración.
• Interferometría de muy larga base.

3. Procesos radiativos en Radioastronomía

• Transporte radiativo. Ecuación del transporte radiativo. Coeficientes de emisión y de absorción. Temperatura de brillo. Temperatura de excitación. Perfil de líneas espectrales. Equilibrio termodinámico local. Coeficientes de Einstein. Opacidad y densidad columnar. Transiciones colisionales. Termalización.
• Procesos térmicos
  • Emisión de continuo libre-libre. Coeficiente de absorción. Medida de emisión. Espectro de una región HII homogénea. Tasa de fotones ionizantes y esfera de Strömgren. Cálculo de parámetros físicos de una región HII homogénea. Espectro de vientos estelares ionizados.
  • La transición de 21 cm del HI. Obtención de parámetros físicos de nubes de HI.
  • Emisión térmica de los granos de polvo en el medio interestelar. Opacidad en el rango mm-submm. Cálculo de masas.
  • Transiciones moleculares.
  • Aproximación de Born-Oppenheimer. Transiciones electrónicas, vibracionales y rotacionales. Transiciones rotacionales de moléculas diatómicas. La molécula de CO. Obtención de parámetros físicos de nubes moleculares a partir del CO.
• Procesos no térmicos
  • Emisión máser. Concepto. Especifidad y utilidad respecto a otros tipos de emisión. Inversión de población. Amplificación. Regímenes y condiciones. Fuentes de emisión máser.
  • Radiación sincrotrón. Radiación sincrotrón de una partícula cargada. Radiación sincrotrón de una distribución de particulas cargadas. Espectro sincrotrón.
  • Radiación Compton e inverso Compton. Espectro Inverso Compton. Evolución del espectro de una fuente emisora no-térmica.

4. Escenarios astrofísicos para la Radioastronomía

• Medio interestelar
  • Nuestra Galaxia. Componentes del medio interestelar.
  • El gas atómico de la Galaxia. Distribución y propiedades de las nubes de HI.
  • Regiones HII. Tipos de regiones HII. Distribución y propiedades.
  • Emisión de polvo en torno a objetos estelares en formación.
  • Moléculas en el medio interestelar. Distribución y propiedades de las nubes moleculares en la Galaxia.
  • Formación estelar en nubes moleculares. Etapas de la formación estelar. Modelos de colapso y formación estelar. Discos protoplanetarios. Formación de estrellas masivas.
  • Estrellas evolucionadas. Nebulosas planetarias.
• Radio supernovas. Tipos de supernovas. Radio supernovas. Radio Supernovas de Colapso Nuclear. Radio emisión de las supernovas termonucleares. Espectro y evolución de las radio supernovas. Remanentes de supernova.
• Púlsares y radioestrellas. Radio Estrellas. Mecanismos de Emisión. Tipos de Radio Estrellas. Púlsares. Mecanismos de emisión. Púlsares binarios. Púlsares dobles. Púlsares como laboratorios de Física Fundamental.
• Fast Radio Bursts (FRBs) y magnetars.
• Galaxias: formación estelar y núcleos activos. Galaxias starburst. Tasa de formación estelar. Función inicial de masas. Radio supernovas como trazadores de formación estelar. Galaxias áctivas (AGN). Agujeros negros supermasivos. Jets relativistas. Acrecimiento versus formación estelar. AGNs de baja luminosidad. El Centro Galáctico.
• Evolución de Galaxias. Observaciones radio de galaxias de alto corrimiento al rojo.
• Sistema Solar. Componentes de la emisión en radio del Sol. Emisión de radio de planetas y cometas.

• Métodos de reconstrucción de imágenes en radio.
• Observación y reducción de datos.
• Acceso a bases de datos.
• Preparación de propuestas.

Condon, J. J., Ransom, S. M., 2016, "Essential Radio Astronomy", Princeton University Press

Estalella, R., Anglada, G., 2008, "Introducción a la física del medio interestelar", Edicions Universitat de Barcelona

Wilson, T. L., Rohlfs, K., Huttemeister, S., 2013, “Tools of Radio Astronomy”, Springer

Lorimer, D. R., Kramer, M., 2012, "Handbook of Pulsar Astronomy", Cambridge University Press 

Burke, B. F., Graham-Smith, F., 1997, "An introduction to Radio Astronomy", Cambridge University Press

Kraus, J. D., 1986, “Radio Astronomy”, Cygnus-Quasar Books

Rybicki, G. B., Lightman A.P., 1979, "Radiative Processes in Astrophysics", John Wiley & Sons

Spitzer, L., 1978, "Physical processes in the interstellar medium", John Wiley & Sons

Thompson, A. R., Moran, J. M., Swenson, G. W., 2001, “Interferometry and Synthesis in Radio Astronomy”, Wiley & Sons

Verschuur, G. L., Kellermann, K. I. (editors), 1991, “Galactic and Extragalactic Radio Astronomy”, Springer

https://science.nrao.edu/opportunities/courses/era

http://www2.jpl.nasa.gov/radioastronomy/

http://partner.cab.inta-csic.es/index.php?Section=Formacion_Profesorado

https://github.com/onsala-space-observatory/APSYNSIM

• Valoración de las pruebas, ejercicios, prácticas o problemas realizados individualmente o en grupo a lo largo del curso. 30%

• Realización, exposición y defensa final de informes, trabajos, proyectos y memorias realizadas de forma individual o en grupo. 30%

• Valoración de la asistencia y participación del alumno en clase y en los seminarios, y sus aportaciones en las actividades desarrolladas. 40%

• Valoración de pruebas, ejercicios, prácticas o problemas realizados individualmente o en grupo a lo largo del curso. 30%

• Realización, exposición y defensa final de informes, trabajos, proyectos y memorias realizadas de forma individual. 30%

• Valoración de la asistencia y participación del alumno en clase y en los seminarios, y sus aportaciones en las actividades desarrolladas. 40%

• Pruebas, ejercicios, prácticas o problemas realizados individualmente. 30%

• Realización, exposición y defensa final de informes, trabajos, proyectos y memorias realizadas de forma individual. 30%

• Examen de contenidos del temario. 40%