Астрофизика — это наука, которая использует методы и принципы физики и химии для изучения астрономических объектов и явлений. [1] [2] Как сказал один из основателей дисциплины Джеймс Килер , астрофизика «стремится выяснить природу небесных тел, а не их положение или движение в пространстве — то, чем они являются, а не где они находятся», [3] что изучает небесная механика .
Среди изучаемых предметов - Солнце ( физика Солнца ), другие звезды , галактики , экзопланеты , межзвездная среда и космический микроволновый фон . [4] [5] Излучения от этих объектов изучаются во всех частях электромагнитного спектра , а исследуемые свойства включают светимость , плотность , температуру и химический состав. Поскольку астрофизика является очень широким предметом, астрофизики применяют концепции и методы из многих дисциплин физики, включая классическую механику , электромагнетизм , статистическую механику , термодинамику , квантовую механику , теорию относительности , ядерную физику и физику элементарных частиц , а также атомную и молекулярную физику .
На практике современные астрономические исследования часто включают в себя значительный объем работы в областях теоретической и наблюдательной физики. Некоторые области исследований для астрофизиков включают их попытки определить свойства темной материи , темной энергии , черных дыр и других небесных тел ; а также происхождение и конечную судьбу Вселенной . [4] Темы , также изучаемые теоретическими астрофизиками, включают формирование и эволюцию Солнечной системы ; звездную динамику и эволюцию ; формирование и эволюцию галактик ; магнитогидродинамику ; крупномасштабную структуру материи во Вселенной; происхождение космических лучей ; общую теорию относительности , специальную теорию относительности , квантовую и физическую космологию (физическое исследование крупнейших масштабных структур Вселенной), включая космологию струн и физику астрочастиц .
Астрономия — древняя наука, давно отделенная от изучения земной физики. В аристотелевском мировоззрении тела на небе представлялись неизменными сферами , единственным движением которых было равномерное движение по окружности, в то время как земной мир был областью, которая претерпевала рост и упадок и в которой естественное движение было по прямой линии и заканчивалось, когда движущийся объект достигал своей цели . Следовательно, считалось, что небесная область состояла из принципиально иного вида материи, чем та, что находилась в земной сфере: либо из Огня , как утверждал Платон , либо из Эфира , как утверждал Аристотель . [6] [7] В 17 веке натурфилософы, такие как Галилей , [8] Декарт , [9] и Ньютон [10], начали утверждать, что небесные и земные области состояли из схожих видов материи и подчинялись одним и тем же естественным законам . [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 положений и вычислению движений астрономических объектов. [13] [14] Новая астрономия, вскоре названная астрофизикой, начала возникать, когда Уильям Хайд Волластон и Йозеф фон Фраунгофер независимо друг от друга обнаружили, что при разложении света от Солнца в спектре наблюдается множество темных линий (областей, где света было меньше или совсем не было) . [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, определенным линиям, соответствующим уникальным химическим элементам . [16] Кирхгоф пришел к выводу, что темные линии в солнечном спектре вызваны поглощением химическими элементами 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 с какими-либо известными элементами. 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 Гарвардской обсерватории , в которой команда женщин-компьютеров , в частности Уильямина Флеминг , Антония Мори и Энни Джамп Кэннон , классифицировала спектры, записанные на фотопластинках. К 1890 году был подготовлен каталог из более чем 10 000 звезд, сгруппировав их в тринадцать спектральных типов. Следуя замыслу Пикеринга, к 1924 году Кэннон расширил каталог до девяти томов и более четверти миллиона звезд, разработав Гарвардскую схему классификации , которая была принята для использования во всем мире в 1922 году. [20]
В 1895 году Джордж Эллери Хейл и Джеймс Э. Килер вместе с группой из десяти помощников редакторов из Европы и Соединенных Штатов [21] основали The Astrophysical Journal: An International Review of Spectroscopy and Astronomical Physics . [22] Предполагалось, что журнал заполнит пробел между журналами по астрономии и физике, предоставив площадку для публикации статей по астрономическим применениям спектроскопа; по лабораторным исследованиям, тесно связанным с астрономической физикой, включая определение длин волн металлических и газовых спектров и эксперименты по излучению и поглощению; по теориям Солнца, Луны, планет, комет, метеоров и туманностей; и по приборам для телескопов и лабораторий. [21]
Около 1920 года, 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 в соответствии с уравнением Эйнштейна E = mc2 . Это было особенно примечательное достижение, поскольку в то время синтез и термоядерная энергия, и даже то, что звезды в основном состоят из водорода (см. металличность ), еще не были открыты. [25]
В 1925 году Сесилия Хелена Пейн (позже Сесилия Пейн-Гапошкин ) написала влиятельную докторскую диссертацию в колледже Рэдклиффа , в которой она применила теорию ионизации Саха к звездным атмосферам, чтобы связать спектральные классы с температурой звезд. [26] Самое важное, она обнаружила, что водород и гелий являются основными компонентами звезд, а не составом Земли. Несмотря на предположение Эддингтона, открытие было настолько неожиданным, что читатели ее диссертации (включая Рассела ) убедили ее изменить заключение перед публикацией. Однако более поздние исследования подтвердили ее открытие. [27] [28]
К концу 20-го века исследования астрономических спектров расширились и стали охватывать длины волн от радиоволн до оптических, рентгеновских и гамма-волн. [29] В 21-м веке они еще больше расширились, включив наблюдения, основанные на гравитационных волнах .
Наблюдательная астрономия — это раздел астрономической науки, который занимается регистрацией и интерпретацией данных, в отличие от теоретической астрофизики , которая в основном занимается выявлением измеримых следствий физических моделей . Это практика наблюдения за небесными объектами с помощью телескопов и других астрономических приборов.
Большинство астрофизических наблюдений проводятся с использованием электромагнитного спектра .
Помимо электромагнитного излучения, с Земли можно наблюдать немного вещей, которые исходят с больших расстояний. Было построено несколько обсерваторий гравитационных волн , но гравитационные волны чрезвычайно трудно обнаружить. Также были построены нейтринные обсерватории, в первую очередь для изучения Солнца. Можно наблюдать космические лучи, состоящие из частиц очень высокой энергии, попадающие в атмосферу Земли.
Наблюдения также могут различаться по временной шкале. Большинство оптических наблюдений занимают от нескольких минут до нескольких часов, поэтому явления, которые изменяются быстрее, не могут быть легко обнаружены. Однако исторические данные по некоторым объектам доступны, охватывая столетия или тысячелетия . С другой стороны, радионаблюдения могут рассматривать события в миллисекундной шкале времени ( миллисекундные пульсары ) или объединять годы данных ( исследования замедления пульсара ). Информация, полученная из этих различных временных шкал, сильно различается.
Изучение Солнца занимает особое место в наблюдательной астрофизике. Благодаря огромному расстоянию всех других звезд, Солнце можно наблюдать в детализации, не сравнимой ни с одной другой звездой. Понимание Солнца служит руководством к пониманию других звезд.
Тема изменения звезд, или звездная эволюция, часто моделируется путем размещения разновидностей звездных типов в соответствующих положениях на диаграмме Герцшпрунга-Рассела , которую можно рассматривать как отображение состояния звездного объекта от рождения до разрушения.
Теоретические астрофизики используют широкий спектр инструментов, которые включают аналитические модели (например, политропы для аппроксимации поведения звезды) и вычислительные численные симуляции . У каждого есть свои преимущества. Аналитические модели процесса, как правило, лучше подходят для понимания сути происходящего. Численные модели могут выявить существование явлений и эффектов, которые в противном случае не были бы видны. [30] [31]
Теоретики в астрофизике стремятся создать теоретические модели и выяснить наблюдательные последствия этих моделей. Это позволяет наблюдателям искать данные, которые могут опровергнуть модель или помочь в выборе между несколькими альтернативными или конфликтующими моделями.
Теоретики также пытаются создавать или модифицировать модели, чтобы учитывать новые данные. В случае несоответствия общая тенденция заключается в том, чтобы попытаться внести минимальные изменения в модель, чтобы она соответствовала данным. В некоторых случаях большой объем несоответствующих данных с течением времени может привести к полному отказу от модели.
Темы, изучаемые астрофизиками-теоретиками, включают звездную динамику и эволюцию; формирование и эволюцию галактик; магнитогидродинамику; крупномасштабную структуру материи во Вселенной; происхождение космических лучей; общую теорию относительности и физическую космологию, включая струнную космологию и астрофизику частиц. Релятивистская астрофизика служит инструментом для оценки свойств крупномасштабных структур, для которых гравитация играет значительную роль в изучаемых физических явлениях, а также основой для физики черных дыр ( астро ) и изучения гравитационных волн .
Некоторые широко принятые и изученные теории и модели в астрофизике, которые теперь включены в модель Лямбда-CDM , включают Большой взрыв , космическую инфляцию , темную материю, темную энергию и фундаментальные теории физики.
Корни астрофизики можно найти в появлении в семнадцатом веке единой физики, в которой одни и те же законы применялись к небесным и земным сферам. [11] Были ученые, которые были квалифицированы как в физике, так и в астрономии, которые заложили прочную основу для современной науки астрофизики. В наше время студенты продолжают привлекаться к астрофизике из-за ее популяризации Королевским астрономическим обществом и известными педагогами, такими как выдающиеся профессора Лоуренс Краусс , Субрахманьян Чандрасекар , Стивен Хокинг , Хьюберт Ривз , Карл Саган и Патрик Мур . Усилия ранних, поздних и современных 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 Деграсс Тайсон .
{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )Подавляющее большинство астрономов, работавших в начале девятнадцатого века, не интересовались звездами как физическими объектами. Звезды были далеки от того, чтобы быть телами с физическими свойствами, которые нужно исследовать, они рассматривались как маркеры, измеряемые для построения точного, подробного и точного фона, на котором можно было бы картировать солнечные, лунные и планетарные движения, в первую очередь для земных 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 может быть долгожданный процесс, который производит энергию в звездах! Это была вдохновенная догадка, тем более примечательная, что структура ядра и механизмы этих реакций не были полностью поняты.
