Guía docente de Origen y Evolución de los Elementos Químicos en el Universo (M44/56/2/38)

Curso 2023/2024
Fecha de aprobación por la Comisión Académica 18/07/2023

Máster

Máster Universitario en Física: Radiaciones, Nanotecnología, Partículas y Astrofísica

Módulo

Física de Partículas y Astrofísica

Rama

Ciencias

Centro Responsable del título

Escuela Internacional de Posgrado

Semestre

Segundo

Créditos

6

Tipo

Optativa

Tipo de enseñanza

Presencial

Profesorado

  • Carlos Antonio Abia Ladrón De Guevara
  • María Inmaculada Domínguez Aguilera
  • José Manuel Vilchez Medina

Horario de Tutorías

Carlos Antonio Abia Ladrón De Guevara

Email
Anual
  • Lunes 9:00 a 11:00 (Despacho 18)
  • Martes 9:00 a 11:00 (Despacho 18)
  • Viernes 9:00 a 11:00 (Despacho 18)

María Inmaculada Domínguez Aguilera

Email
Anual
  • Miércoles 16:00 a 19:00 (Despacho 17)
  • Viernes 11:00 a 14:00 (Despacho 17)

José Manuel Vilchez Medina

Email

Breve descripción de contenidos (Según memoria de verificación del Máster)

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.

Prerrequisitos y/o Recomendaciones

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

Competencias

Competencias Básicas

  • CB6. Poseer y comprender conocimientos que aporten una base u oportunidad de ser originales en desarrollo y/o aplicación de ideas, a menudo en un contexto de investigación.
  • CB7. Que los estudiantes sepan aplicar los conocimientos adquiridos y su capacidad de resolución de problemas en entornos nuevos o poco conocidos dentro de contextos más amplios (o multidisciplinares) relacionados con su área de estudio.
  • CB8. Que los estudiantes sean capaces de integrar conocimientos y enfrentarse a la complejidad de formular juicios a partir de una información que, siendo incompleta o limitada, incluya reflexiones sobre las responsabilidades sociales y éticas vinculadas a la aplicación de sus conocimientos y juicios.
  • CB9. Que los estudiantes sepan comunicar sus conclusiones y los conocimientos y razones últimas que las sustentan a públicos especializados y no especializados de un modo claro y sin ambigüedades.
  • CB10. Que los estudiantes posean las habilidades de aprendizaje que les permitan continuar estudiando de un modo que habrá de ser en gran medida autodirigido o autónomo.

Competencias Generales

  • CG03. Capacidad de trabajo en equipo. El estudiante deberá integrar su trabajo en el interés de un proyecto común. 
  • CG04. Capacidad de expresar y defender en público los resultados y conclusiones obtenidos como resultado del proceso de aprendizaje. Deberá desarrollar y dominar las técnicas de comunicación oral ante cualquier auditorio. Aprender a utilizar sus potencialidades personales para presentar resultados públicamente. Adquisición del convencimiento de que su conocimiento del trabajo realizado le convierte de inmediato en foco de interés y atención. 
  • CG05. Capacidad de generación de propuestas innovadoras y competitivas en la investigación y en la actividad profesional. 

Competencias Específicas

  • CE01. Capacidad de interpretar datos procedentes de la observación experimental o la simulación numérica. 
  • CE02. Capacidad de considerar rigurosamente las limitaciones e incertidumbres en los resultados y de los métodos que pueden aplicarse para minimizarlas. 
  • CE03. Capacidad de profundizar en los distintos campos de la Física y de identificar los aspectos que se encuentran en los límites del conocimiento. 
  • CE04. Capacidad de formular hipótesis, idear experimentos, manejar métodos de cálculo y simulación numérica y desarrollar modelos. 

Competencias Transversales

  • CT01. Capacidad de razonamiento crítico: el estudiante debe ser capaz de distinguir aquellos aspectos de su trabajo o del de otros que suponen innovación y avance. 
  • CT02. Compromiso ético. Tanto en su etapa de alumno como posteriormente en su trabajo profesional, el estudiante debe ser consciente de la absoluta necesidad de realizar sus tareas con absoluto respeto a la honradez, la verdad y el servicio a la sociedad. 
  • CT03. Capacidad de automotivación. Forma parte de la madurez que debe alcanzarse en el proceso formativo a estos niveles: las dificultades han de enfrentarse con decisión y confianza. 
  • CT04. Capacidad de reconocimiento de la diversidad y multiculturalidad. Forma parte de la actitud vital que se supone al graduado: su conciencia social ha de guiar aquellos aspectos de su profesión que involucren a otros miembros de la comunidad. 

Resultados de aprendizaje (Objetivos)

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.

Programa de contenidos Teóricos y Prácticos

Teórico

  • 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.

 

Práctico

Resolución de problemas y cuestiones teóricas sobre la asignatura

Bibliografía

Bibliografía fundamental

  • 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,

Bibliografía complementaria

  • 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

Enlaces recomendados

 

Metodología docente

  • MD01 Lección magistral (Clases teóricas-expositivas). Para transmitir los contenidos de las materias del módulo motivando al alumnado a la reflexión, facilitándole el descubrimiento de las relaciones entre diversos conceptos y formándole una mentalidad crítica. 
  • MD03 Seminarios. Para desarrollar en el alumnado las competencias cognitivas y procedimentales de la materia. 
  • MD04 Tutorías académicas: Para orientar al trabajo autónomo y grupal del alumnado, profundizar en distintos aspectos de la materia y orientar la formación académica integral del estudiante. 
  • MD05 Estudio y trabajo autónomo del alumnado. Para favorecer en el estudiante la capacidad para autorregular su aprendizaje, planificándolo, diseñándolo, evaluándolo y adecuándolo a sus especiales condiciones e intereses. 
  • MD06 Estudio y trabajo en grupo. Para favorecer en los estudiantes la generación e intercambio de ideas, la identificación y análisis de diferentes puntos de vista sobre una temática, la generalización o transferencia de conocimiento y la valoración crítica del mismo. 

Evaluación (instrumentos de evaluación, criterios de evaluación y porcentaje sobre la calificación final.)

Evaluación Ordinaria

 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.: (40 %). Presentación oral de trabajos desarrollados de forma autónoma y participación en los seminarios (60 %).

Evaluación Extraordinaria

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

Evaluación única final

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

Información adicional