Educación Universitaria
Rigor completo: EDOs, cálculo variacional, tensores y métodos numéricos.
8 módulos 33 lecciones
Astronomía esférica y tiempo
Matemáticas: Trigonometría esférica, matrices de rotación
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Trigonometría esférica y coordenadas celestes
Fórmulas de los cosenos y de los senos, el triángulo de posición, la transformación ecuatorial → horizontal, el tiempo sidéreo, ortos y ocasos, y la proyección estereográfica de un planisferio.
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Escalas de tiempo
UT1, UTC, TAI, TT y TDB; segundos intercalares y ΔT; día juliano y fecha juliana modificada; ángulo de rotación de la Tierra y tiempo sidéreo (fórmula IAU 2006 y fórmula clásica), con un ejemplo resuelto verificado contra los boletines del IERS.
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Precesión, nutación, aberración y refracción
Las cuatro correcciones que separan las coordenadas de catálogo de la dirección en que hay que apuntar: precesión general (IAU 2006), nutación (término de 18.6 años), aberración anual (κ = 20.49552″) y refracción atmosférica (Bennett y Saemundsson), con la reducción completa de una estrella como ejemplo.
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Mecánica celeste
Matemáticas: EDOs, mecánica hamiltoniana, perturbaciones
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El problema de dos cuerpos
Reducción a un cuerpo, integrales de energía y momento angular, vector de Laplace–Runge–Lenz y ecuación de la órbita (Binet), verificado sobre el vector de estado de Marte de JPL Horizons en J2000.
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La ecuación de Kepler y su resolución numérica
Del problema de dos cuerpos a la ecuación trascendente M = E − e sin E: deducción geométrica, Newton–Raphson con análisis de convergencia y de condicionamiento, versiones hiperbólica y parabólica, y verificación con las anomalías de Marte en J2000 (JPL Horizons).
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Elementos orbitales y conversión estado ↔ elementos
Los seis elementos keplerianos, el sistema perifocal y las matrices de rotación R₃(−Ω)R₁(−i)R₃(−ω); algoritmos de conversión en ambos sentidos con casos degenerados, verificados sobre el vector de estado de Marte en J2000 (JPL Horizons).
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El problema restringido de tres cuerpos y los puntos de Lagrange
Ecuaciones en el marco rotante, integral de Jacobi, curvas de velocidad cero de Hill, cálculo de L1–L5 y estabilidad lineal de los puntos triangulares (criterio de Routh), con aplicaciones a los troyanos de Júpiter, el sistema Tierra–Luna y la órbita del JWST en Sol–Tierra L2.
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Teoría de perturbaciones y el achatamiento de la Tierra
Elementos osculadores, ecuaciones planetarias de Gauss y de Lagrange, función perturbadora promediada del armónico J₂ y sus consecuencias: regresión nodal, inclinación crítica y órbitas heliosíncronas, con valores verificados para la ISS, GPS, Landsat 8 y Sentinel-2.
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Resonancias y caos
Resonancias de movimiento medio y el modelo del péndulo, los huecos de Kirkwood y la resonancia 3:2 Plutón–Neptuno, el mapa estándar de Chirikov como laboratorio del caos hamiltoniano (puntos fijos, solapamiento de resonancias, exponente de Lyapunov) y el enunciado del teorema KAM.
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Transferencias de Hohmann y asistencias gravitatorias
Maniobras impulsivas: la transferencia de Hohmann y su optimalidad, la bielíptica, escape y captura con cónicas empalmadas, ventanas de lanzamiento Tierra–Marte (periodo sinódico, ángulo de fase, tiempo de espera) y la asistencia gravitatoria, con Δv calculados a partir de datos de JPL y NASA.
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Métodos numéricos en astrofísica
Matemáticas: Integradores simplécticos, estabilidad, error
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Integradores simplécticos y caos en el problema de N cuerpos
Por qué el leapfrog conserva la energía durante tiempos largos y RK4 no, y cómo medir la sensibilidad a las condiciones iniciales con el exponente de Lyapunov, en la figura en ocho y en el problema pitagórico.
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Runge–Kutta y paso adaptativo
De Euler a RK4 y a los pares encajados RKF45 y Dormand–Prince: orden, error local y global, control automático del paso y su aplicación a una órbita muy excéntrica, con tablas de error medidas.
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N cuerpos a gran escala y el árbol de Barnes–Hut
Por qué la suma directa cuesta O(N²) y cómo el árbol de octantes con criterio de apertura θ la reduce a O(N log N); suavizado gravitatorio de Plummer y su error; el teorema del virial como diagnóstico de una simulación.
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Astrofísica estelar
Matemáticas: EDOs acopladas, Lane–Emden, transferencia radiativa
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Las ecuaciones de estructura estelar
Equilibrio hidrostático, continuidad de masa, conservación de energía y transporte: el sistema de cuatro EDOs que describe una estrella, sus condiciones de contorno y lo que el análisis dimensional ya predice sobre el centro del Sol.
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Politropos y la ecuación de Lane–Emden
Del equilibrio hidrostático y la ecuación de Poisson a la ecuación de Lane–Emden, sus soluciones exactas, su resolución numérica y la relación masa–radio que conduce a la masa de Chandrasekhar.
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Transporte radiativo y convectivo
De la difusión de fotones al gradiente radiativo, la opacidad media de Rosseland y la ley de Kramers; el criterio de Schwarzschild y la teoría de la longitud de mezcla aplicados a la zona convectiva del Sol.
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Nucleosíntesis estelar y neutrinos solares
Cadena protón–protón (ramas I–III) y ciclo CNO con energías verificadas; derivación del factor de Gamow y del pico de Gamow; dependencia ε ∝ ρT^ν; y la confirmación experimental con los neutrinos solares de Borexino.
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El límite de Chandrasekhar
Del gas de electrones degenerados a los politropos n = 3/2 y n = 3; derivación de la masa de Chandrasekhar, relación masa–radio de las enanas blancas y contraste con Sirio B.
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Dinámica galáctica
Matemáticas: Ecuación de Boltzmann sin colisiones, potenciales
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Potenciales galácticos: Poisson, Plummer, Hernquist, isotermo y NFW
De la ecuación de Poisson a los pares potencial–densidad con que se modelan cúmulos, bulbos y halos de materia oscura, con sus masas encerradas y curvas de rotación.
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Curvas de rotación y materia oscura
Qué miden las curvas de rotación, por qué las de Rubin, Ford y Thonnard no caen como predice Kepler, cómo se descompone la de la Vía Láctea en bulbo, disco y halo, y cuánto vale la velocidad circular del Sol.
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Boltzmann sin colisiones, ecuaciones de Jeans y teorema del virial
Por qué una galaxia es un fluido sin colisiones, cómo sus momentos dan las ecuaciones de Jeans y el teorema del virial, y cómo Zwicky dedujo en 1933 la materia oscura del cúmulo de Coma.
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Relatividad general y objetos compactos
Matemáticas: Geometría diferencial, geodésicas
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Geodésicas de Schwarzschild: órbitas y luz alrededor de un agujero negro
De la métrica de Schwarzschild a la precesión de Mercurio, la ISCO, la desviación de la luz y la sombra de un agujero negro, con integración numérica de las geodésicas.
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La precesión del perihelio de Mercurio
Derivación perturbativa de Δφ = 6πGM/[c²a(1−e²)], los 42.98″ por siglo, la historia de Le Verrier a Einstein y el presupuesto completo de la precesión observada con datos de MESSENGER.
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Desviación de la luz y lentes gravitacionales
Derivación del ángulo 4GM/(c²b) = 1.75″ en el limbo solar, el eclipse de 1919 con sus cautelas historiográficas, el radio de Einstein y las lentes fuertes y débiles, y las medidas VLBI y Cassini del parámetro γ.
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Ondas gravitacionales: del cuadrupolo a GW150914
La fórmula del cuadrupolo, la potencia radiada por una binaria, la masa de chirp y el chirrido, el púlsar de Hulse–Taylor (Weisberg & Huang 2016) y la primera detección directa, GW150914 (Abbott et al. 2016).
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Cosmología
Matemáticas: Ecuaciones de Friedmann, integrales de distancia
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Las ecuaciones de Friedmann
De la métrica FLRW a la dinámica del factor de escala a(t), con soluciones analíticas, edad del universo, desaceleración y distancias cosmológicas.
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Distancias cosmológicas
Distancia comóvil, de luminosidad y de diámetro angular en FLRW: derivación desde la métrica, integrales en ΛCDM, el máximo de la distancia de diámetro angular, cálculo numérico con Planck 2018 y el diagrama de Hubble de supernovas Ia.
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Fondo cósmico de microondas y nucleosíntesis primordial
Termodinámica del CMB (T₀ = 2.72548 K), recombinación con la ecuación de Saha y desacoplamiento en z ≈ 1090, espectro de potencias y picos acústicos, y nucleosíntesis primordial: Y_p, D/H y el cociente bariones/fotones η confrontados con PDG 2025 y Planck 2018.
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Inflación cósmica
Los problemas del horizonte y de la planitud derivados cuantitativamente, la inflación como fase de expansión acelerada, el campo escalar en rodadura lenta, los ≈ 60 e-folds necesarios, y las predicciones n_s y r confrontadas con Planck 2018 y BICEP/Keck 2021.
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Exoplanetas y astrofísica observacional
Matemáticas: Estadística bayesiana, series temporales, Fourier
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Tránsitos y curvas de luz
Geometría del tránsito en órbita circular: T₁₄ y T₂₃, área de intersección de dos círculos, oscurecimiento al limbo, densidad estelar, degeneraciones, probabilidad geométrica y relación señal/ruido.
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El método de la velocidad radial
Derivación de la curva de velocidad radial y de la semiamplitud K, función de masa y masa mínima m sin i, el caso de 51 Pegasi b (Mayor & Queloz 1995), presupuesto de errores y límites instrumentales de HARPS y ESPRESSO.
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Periodogramas de Lomb–Scargle
Búsqueda de periodicidades en series con muestreo irregular: del periodograma clásico al de Lomb–Scargle por mínimos cuadrados, ventana espectral y alias, rejilla de frecuencias, probabilidad de falsa alarma (Baluev, bootstrap) y un ejemplo computacional con una serie tipo 51 Peg.
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Inferencia bayesiana y MCMC
Teorema de Bayes, verosimilitud gaussiana y priors; el algoritmo de Metropolis–Hastings con demostración del balance detallado; diagnósticos de convergencia (Gelman–Rubin, autocorrelación, tamaño efectivo); emcee; ejemplo completo ajustando una curva de velocidad radial.
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