Guía docente de Origen y Evolución de los Elementos Químicos en el Universo (M44/56/3/38)

La Astrofísica y la Cosmología actuales se fundamentan en el desarrollo de instrumentos astronómicos de vanguardia - que proporcionan observaciones con una gran precisión - modelos físicos y simulaciones numéricas con las que contrastar predicciones teóricas y observaciones. En esta asignatura se estudiará el rol jugado por las estrellas en la evolución química de las galaxias, con especial énfasis en los diversos procesos de nucleosíntesis fundamentalmente asociados a la evolución estelar. Esto incluye fenómenos explosivos, como novas, supernovas, estallidos de rayos X y fusión de estrellas de neutrones. Con estas herramientas, las observaciones más recientes en estrellas y medio interestelar y modelos numéricos, se analizará la evolución química de los diversos tipos de galaxias, desde el Big-Bang hasta la actualidad, lo que nos permitirá finalmente, obtener una visión la evolución química del Universo como un todo.

Como requisitos previos se requieren conocimientos básicos de astrofísica, electromagnetismo, física atómica y nuclear, física estadística, física de fluidos y relatividad.

El alumno sabrá/comprenderá el origen y evolución de los elementos químicos, su generación a través de las reacciones nucleares en diferentes escenarios astrofísicos incluyendo:

• El Big-Bang.
• Nucleosíntesis estelar hidrostática y explosiva (estrellas AGBs, supernovas, novas, estallidos de rayos-x, fusión de estrellas de neutrones)
• Reacciones de spallation en el medio interestelar.
• Parámetros que dominan la evolución química de las galaxias.
• Simulaciones numéricas de la evolución química de galaxias.
• Limitaciones de los modelos.

El alumno será capaz de identificar en qué condiciones y objetos astrofísicos puede originarse un determinado elemento y la relevancia que ello puede tener en la evolución química de las galaxias. Interpretar las observaciones y los resultados de las simulaciones numéricas. Determinar las abundancias de elementos en diferentes contextos astrofísicos. Identificar las limitaciones de los modelos teóricos. Aplicar lo aprendido a otros contextos, ampliando y profundizando en los temas propuestos.

• Tema 1. Abundancias químicas en el Universo.  Abundancias observadas en el Sistema Solar: meteoritos y el Sol. Definiciones: metalicidad, poblaciones estelares. Escenarios de nucleosíntesis: el Big-Bang, estrellas y medio interestelar. Elementos primarios y secundarios. Determinación de abundancias en estrellas. Análisis espectral. Abundancias químicas en estrellas del disco delgado, disco grueso y halo de nuestra Galaxia. Implicaciones.
• Tema 2. Formación estelar en  galaxias. Estrellas, gas y polvo. Regiones HII y abundancias de elementos. Formación estelar masiva: estrellas, gas y polvo en la Vía Láctea y en otras galaxias. Regiones HII: propiedades físicas y químicas. Mecanismos de excitación y espectro de emisión. Extinción y emisión térmica del polvo. Determinación de abundancias de elementos en el medio interestelar. Método directo. Métodos empíricos. Gradientes de abundancias químicas en galaxias. Problemas pendientes, ventajas e inconvenientes.
• Tema 3. Estrellas de masa baja e intermedia.  Introducción. La fase AGB y los pulsos térmicos. El proceso-s y las fuentes de neutrones. La pérdida de masa. Relación masa final - masa inicial. Modelos de estrellas AGB. Nucleosíntesis, yields y observaciones de estrellas AGB con distinta metalicidad. Procesos de mezcla no estándar y rotación.
• Tema 4. Estrellas masivas y supernovas de colapso gravitatorio.  Introducción. Neutrinos y fases avanzadas de combustión hidrostática. Colapso gravitatorio y mecanismos de explosión. Combustión explosiva. Supernovas de colapso gravitatorio. Mass-cut, nucleosíntesis y yields en estrellas masivas con distinta metalicidad.  Influencia de la pérdida de masa y de la rotación.
• Tema 5. Sistemas binarios próximos.  Introducción. Novas: nucleosíntesis y yields. Supernovas termonucleares: progenitores,  mecanismos de explosión y nucleosíntesis. Estallidos de rayos X y nucleosíntesis asociada. Fusión de estrellas de neutrones y el proceso-r.
• Tema 6. Modelos de evolución química de galaxias:  Ingredientes básicos. Ecuaciones fundamentales. Parámetros: tiempo de vida y yields estelares, la función inicial de masa, ritmo de formación estelar, flujos de gas. Modelos simples de evolución química: aproximación del reciclaje instantáneo. El problema de las enanas G. Ritmos de supernovas gravitacionales y termonucleares. Modelos multidimensionales, Evolución química de la Vía Láctea y otras espirales. Síntesis de poblaciones. Evolución química de galaxias tempranas. Evolución química de galaxias irregulares. Evolución química del Universo.

Resolución de problemas y cuestiones teóricas sobre la asignatura

• Hansen, C.J., Kawalet S.D., Trimble V. (2005) Stellar Interiors: Physical Principles, Structure and Evolution. Springer Verlag, 2nd editition

• Pagel, B. E. J. Nucleosynthesis and Chemical Evolution of the Galaxies, Cambridge Eds. 1997

• Sparke, L. S., Gallagher III, J.S.: Galaxies in the Universe: An introduction. Cambridge Eds. 2000

• Recchi, S. Chemodynamical Simulations of Dwarf Galaxy Evolution. Advances in Astronomy especial issue “Metals in 3D: A cosmic view form integral field spectroscopy”, Iglesias-Paramo, Vilchez, Papaderos & Roth Eds. 2013.

• Osterbrock, D., Ferland, G., Astrophysics of Gaseous Nebulae and AGNs,

• Arnett, D. (1996): Supernovae and Nucleosynthesi, Princeton Series in Astrophysics 

• Branch, D & Wheeler, C.J. (2017): Supernova Explosions (Astronomy and Astrophysics Library), Springer

• Clayton, D.D. (1968): Principles of Stellar Structure and Nucleosynthesis, Univ of Chicago

• Illiadis, C. (2015): Nuclear Physics of Stars, Wiley - VCH

• Jose, J. (2015): Stellar Explosions: Hydrodynamics and Nucleosynthesis, Taylor & Francis Group

• Kippenhahn, R. Weigert, A. (1990): Stellar structure and evolution. A&A Library

• Maeder, A. (2009): Physics, formation and evolution of rotating stars. A&A library

• Digital library portal for researchers in Astronomy and Physics https://ui.adsabs.harvard.edu/
• Modelos y nucleosíntesis de estrellas de masa baja e intermedia http://fruity.oa-teramo.inaf.it/
• Propiedades fundamentales de galaxias: bases de datos y artículos de referencia. http://ned.ipac.caltech.edu/level5/
• Instituto de Astrofísica de Andalucía: https://www.iaa.es/
• Instituto de Astrofísica de Canarias: https://www.iac.es/
• Sociedad Española de Astronomía: https://www.sea-astronomia.es/
• ESO: https://www.eso.org/public/about-eso/esoglance/
• ESA: https://www.esa.int/
• Web del grupo “Stellar Evolution and Nucleosynthesis”: http://wpd.ugr.es/~fqm292/

 Realización de cuestionarios y ejercicios escritos y evaluación de los resultados de las actividades propuestas por los profesores que se irán entregando de forma continua.: (50 %). Presentación oral de trabajos desarrollados de forma autónoma y participación en los seminarios (50 %).

Se realizará una prueba escrita y otra oral donde el estudiante deberá demostrar que ha adquirido todas las competencias descritas en esta guía docente.

Se realizará una prueba escrita y otra oral donde el estudiante deberá demostrar que ha adquirido todas las competencias descritas en esta guía docente.