Астрофизика — наука, использующая методы и принципы физики и химии при изучении астрономических объектов и явлений. [1] [2] Как сказал один из основателей этой дисциплины Джеймс Килер , астрофизика «стремится выяснить природу небесных тел, а не их положение или движение в пространстве – что они собой представляют, а не то, где они находятся». ." [3] Среди изучаемых предметов - Солнце ( физика Солнца ), другие звезды , галактики , внесолнечные планеты , межзвездная среда и космический микроволновый фон . [4] [5] Излучения этих объектов исследуются во всех частях электромагнитного спектра , а изучаемые свойства включают светимость , плотность , температуру и химический состав. Поскольку астрофизика — очень широкий предмет, астрофизики применяют концепции и методы из многих дисциплин физики, включая классическую механику , электромагнетизм , статистическую механику , термодинамику , квантовую механику , теорию относительности , физику ядра и элементарных частиц , а также атомную и молекулярную физику .
На практике современные астрономические исследования часто включают значительный объем работы в области теоретической и наблюдательной физики. Некоторые области исследований астрофизиков включают попытки определить свойства темной материи , темной энергии , черных дыр и других небесных тел ; а также происхождение и окончательная судьба вселенной . [4] Темы, также изучаемые астрофизиками-теоретиками, включают формирование и эволюцию Солнечной системы ; звездная динамика и эволюция ; формирование и эволюция галактик ; магнитогидродинамика ; крупномасштабная структура материи во Вселенной; происхождение космических лучей ; общая теория относительности , специальная теория относительности , квантовая и физическая космология , включая струнную космологию и физику астрочастиц .
Астрономия — древняя наука, давно отделившаяся от изучения физики Земли. В аристотелевском мировоззрении небесные тела представлялись неизменными сферами , единственным движением которых было равномерное движение по кругу, тогда как земной мир был царством, которое подвергалось росту и упадку и в котором естественное движение было прямолинейным и заканчивалось, когда движущийся объект достиг своей цели . Следовательно, считалось, что небесная область состоит из материи, принципиально отличной от той, что находится в земной сфере; либо Огонь , как утверждает Платон , либо Эфир, как утверждает Аристотель . [6] [7] В 17 веке натурфилософы, такие как Галилей , [8] Декарт , [9] и Ньютон [10] начали утверждать, что небесные и земные регионы состоят из одинаковых видов материала и подвержены воздействию те же законы природы . [11] Их проблема заключалась в том, что еще не были изобретены инструменты, с помощью которых можно было бы доказать эти утверждения. [12]
На протяжении большей части девятнадцатого века астрономические исследования были сосредоточены на рутинной работе по измерению положения и вычислению движений астрономических объектов. [13] [14] Новая астрономия, которая вскоре будет называться астрофизикой, начала возникать, когда Уильям Хайд Волластон и Йозеф фон Фраунгофер независимо друг от друга обнаружили, что при разложении света Солнца появляется множество темных линий (областей, где было меньше или отсутствие света) наблюдались в спектре . [15] К 1860 году физик Густав Кирхгоф и химик Роберт Бунзен продемонстрировали, что темные линии в солнечном спектре соответствуют ярким линиям в спектрах известных газов, причем конкретные линии соответствуют уникальным химическим элементам . [16] Кирхгоф пришел к выводу, что темные линии в солнечном спектре вызваны поглощением химических элементов в солнечной атмосфере. [17] Таким образом было доказано, что химические элементы, обнаруженные на Солнце и звездах, также обнаружены на Земле.
Среди тех, кто расширил изучение солнечных и звездных спектров, был Норман Локьер , который в 1868 году обнаружил лучистые, а также темные линии в солнечных спектрах. Работая с химиком Эдвардом Франклендом над исследованием спектров элементов при различных температурах и давлениях, он не смог связать желтую линию в солнечном спектре ни с одним известным элементом. Таким образом, он утверждал, что линия представляет собой новый элемент, который был назван гелием , в честь греческого Гелиоса , олицетворяющего Солнце. [18] [19]
В 1885 году Эдвард К. Пикеринг предпринял амбициозную программу звездной спектральной классификации в обсерватории Гарвардского колледжа , в рамках которой группа женщин-компьютеров , в частности Уильямина Флеминг , Антония Мори и Энни Джамп Кэннон , классифицировала спектры, записанные на фотографических пластинках. К 1890 году был составлен каталог из более чем 10 000 звезд, сгруппировавший их по тринадцати спектральным классам. Следуя замыслу Пикеринга, к 1924 году Кэннон расширил каталог до девяти томов и более четверти миллиона звезд, разработав Гарвардскую классификационную схему , которая была принята для использования во всем мире в 1922 году .
В 1895 году Джордж Эллери Хейл и Джеймс Э. Килер вместе с группой из десяти помощников редакторов из Европы и США [21] основали «Астрофизический журнал: Международное обозрение спектроскопии и астрономической физики» . [22] Предполагалось, что журнал заполнит пробел между журналами по астрономии и физике, предоставив место для публикации статей по астрономическому применению спектроскопа; на лабораторных исследованиях, тесно связанных с астрономической физикой, включая определение длин волн металлических и газовых спектров и эксперименты по излучению и поглощению; о теориях Солнца, Луны, планет, комет, метеоров и туманностей; и по приборам для телескопов и лабораторий. [21]
Примерно в 1920 году, после открытия диаграммы Герцшпрунга-Рассела , которая до сих пор используется в качестве основы для классификации звезд и их эволюции, Артур Эддингтон в своей статье «Внутреннее строение звезд» предвосхитил открытие и механизм процессов ядерного синтеза в звездах . [23] [24] В то время источник звездной энергии был полной загадкой; Эддингтон правильно предположил, что источником был синтез водорода в гелий, высвобождающий огромную энергию согласно уравнению Эйнштейна E = mc 2 . Это было особенно примечательное событие, поскольку в то время еще не были открыты термоядерная энергия и термоядерная энергия, и даже тот факт, что звезды в основном состоят из водорода (см. Металличность ). [25]
В 1925 году Сесилия Хелена Пейн (позже Сесилия Пейн-Гапошкин ) написала влиятельную докторскую диссертацию в Рэдклифф-колледже , в которой она применила теорию ионизации Саха к звездным атмосферам, чтобы связать спектральные классы с температурой звезд. [26] Самое главное, она обнаружила, что водород и гелий являются основными компонентами звезд, а не составом Земли. Несмотря на предложение Эддингтона, открытие было настолько неожиданным, что читатели ее диссертации (включая Рассела ) убедили ее изменить вывод перед публикацией. Однако более поздние исследования подтвердили ее открытие. [27] [28]
К концу 20-го века исследования астрономических спектров расширились и охватили длины волн, от радиоволн до оптических, рентгеновских и гамма-волн. [29] В XXI веке оно расширилось и включило наблюдения, основанные на гравитационных волнах .
Наблюдательная астрономия — это раздел астрономической науки, который занимается записью и интерпретацией данных, в отличие от теоретической астрофизики , которая в основном занимается выяснением измеримых значений физических моделей . Это практика наблюдения небесных объектов с помощью телескопов и других астрономических приборов.
Большинство астрофизических наблюдений проводится с использованием электромагнитного спектра .
Помимо электромагнитного излучения, с Земли можно наблюдать лишь немногие вещи, исходящие с больших расстояний. Было построено несколько обсерваторий гравитационных волн , но гравитационные волны чрезвычайно трудно обнаружить. Построены также нейтринные обсерватории, прежде всего для изучения Солнца. Космические лучи, состоящие из частиц очень высоких энергий, можно наблюдать, попадая в атмосферу Земли.
Наблюдения также могут различаться по временному масштабу. Большинство оптических наблюдений занимают минуты или часы, поэтому явления, которые меняются быстрее, не могут быть легко обнаружены. Однако по некоторым объектам доступны исторические данные, охватывающие столетия или тысячелетия . С другой стороны, радионаблюдения могут рассматривать события в миллисекундном масштабе времени ( миллисекундные пульсары ) или объединять данные за годы ( исследования замедления пульсаров ). Информация, полученная в этих разных временных масштабах, сильно различается.
Изучение Солнца занимает особое место в наблюдательной астрофизике. Из-за огромного расстояния до всех других звезд Солнце можно наблюдать с такой детализацией, которая не имеет аналогов ни у одной другой звезды. Понимание Солнца служит руководством к пониманию других звезд.
Тема изменения звезд, или звездная эволюция, часто моделируется путем размещения разновидностей типов звезд в соответствующих положениях на диаграмме Герцшпрунга-Рассела , которую можно рассматривать как представление состояния звездного объекта от рождения до разрушения.
Астрофизики-теоретики используют широкий спектр инструментов, включая аналитические модели (например, политропы для аппроксимации поведения звезды) и вычислительное численное моделирование . У каждого есть некоторые преимущества. Аналитические модели процесса обычно лучше дают представление о сути происходящего. Численные модели могут выявить существование явлений и эффектов, которые иначе невозможно было бы увидеть. [30] [31]
Теоретики астрофизики стремятся создать теоретические модели и выяснить последствия этих моделей для наблюдений. Это помогает наблюдателям искать данные, которые могут опровергнуть модель или помочь в выборе между несколькими альтернативными или противоречивыми моделями.
Теоретики также пытаются создавать или модифицировать модели с учетом новых данных. В случае несоответствия общая тенденция состоит в том, чтобы попытаться внести минимальные изменения в модель, чтобы она соответствовала данным. В некоторых случаях большой объем противоречивых данных с течением времени может привести к полному отказу от модели.
Темы, изучаемые астрофизиками-теоретиками, включают звездную динамику и эволюцию; формирование и эволюция галактик; магнитогидродинамика; крупномасштабная структура материи во Вселенной; происхождение космических лучей; общая теория относительности и физическая космология, включая струнную космологию и физику астрочастиц. Релятивистская астрофизика служит инструментом для измерения свойств крупномасштабных структур, для которых гравитация играет значительную роль в исследуемых физических явлениях, а также основой для ( астро )физики черных дыр и изучения гравитационных волн .
Некоторые широко принятые и изученные теории и модели в астрофизике, которые теперь включены в модель Lambda-CDM , — это Большой взрыв , космическая инфляция , темная материя, темная энергия и фундаментальные теории физики.
Корни астрофизики можно найти в возникновении в семнадцатом веке единой физики, в которой одни и те же законы применялись к небесному и земному царству. [11] Были ученые, обладающие квалификацией как в физике, так и в астрономии, которые заложили прочный фундамент современной науки астрофизики. В наше время студентов продолжает привлекать астрофизика благодаря ее популяризации Королевским астрономическим обществом и известными педагогами , такими как выдающиеся профессора Лоуренс Краусс , Субраманьян Чандрасекхар , Стивен Хокинг , Хьюберт Ривз , Карл Саган и Патрик Мур . Усилия ранних, поздних и нынешних ученых продолжают привлекать молодых людей к изучению истории и науки астрофизики. [32] [33] [34] Телевизионный ситком «Теория большого взрыва» популяризировал область астрофизики среди широкой публики и показал некоторых известных ученых, таких как Стивен Хокинг и Нил де Грасс Тайсон .
{{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )Подавляющее большинство астрономов, работавших в начале девятнадцатого века, не интересовались звездами как физическими объектами. точный фон, на котором можно было бы нанести на карту движение Солнца, Луны и планет, прежде всего для наземных приложений.
Эддингтон понял, что произойдет потеря массы, если четыре атома водорода объединятся в один атом гелия. Эквивалентность массы и энергии Эйнштейна привела непосредственно к предположению, что это мог быть тот долгожданный процесс, который производит энергию в звездах! Это была вдохновенная догадка, тем более примечательная, что строение ядра и механизмы этих реакций до конца не были изучены.
