Астрофизика - Astrophysics

Астрофизика - это наука, использующая методы и принципы физики для изучения астрономических объектов и явлений. Как сказал один из основателей этой дисциплины, астрофизика «стремится выяснить природу небесных тел, а не их положения или движения в пространстве - то, что они собой представляют, а не где они находятся». Среди изучаемых предметов - Солнце , другие звезды , галактики , внесолнечные планеты , межзвездная среда и космический микроволновый фон . Эмиссия этих объектов исследуется во всех частях электромагнитного спектра , и исследуемые свойства включают светимость , плотность , температуру и химический состав. Поскольку астрофизики является очень широкая тема, астрофизики применять понятия и методы многих дисциплин физики, в том числе классической механики , электромагнетизма , статистической механики , термодинамики , квантовой механики , теории относительности , ядерной и физике элементарных частиц , а также атомной и молекулярной физики .

На практике современные астрономические исследования часто включают в себя значительный объем работы в области теоретической физики и физики наблюдений. Некоторые области исследования астрофизиков включают их попытки определить свойства темной материи , темной энергии , черных дыр и других небесных тел ; и происхождение и окончательная судьба вселенной . Темы, также изучаемые астрофизиками-теоретиками, включают образование и эволюцию Солнечной системы ; звездная динамика и эволюция ; формирование и эволюция галактик ; магнитогидродинамика ; крупномасштабная структура из материи во Вселенной; происхождение космических лучей ; общая теория относительности , специальная теория относительности , квантовая и физическая космология , включая космологию струн и физику астрономических частиц .

История

Начало 1900-х годов: сравнение элементных, солнечных и звездных спектров

Астрономия - древняя наука, давно отделившаяся от изучения физики Земли. В аристотелевском мировоззрении тела в небе казались неизменными сферами , единственное движение которых было равномерным движением по кругу, в то время как земной мир был царством, которое претерпевало рост и распад и в котором естественное движение было прямолинейным и закончилось, когда движущийся объект достиг своей цели . Следовательно, считалось, что небесная область состоит из принципиально иного вида материи, чем та, что находится в земной сфере; либо Огонь, как поддерживал Платон , либо Эфир, как утверждал Аристотель . В течение 17-го века натурфилософы, такие как Галилей , Декарт и Ньютон, начали утверждать, что небесные и земные области состоят из подобных материалов и подчиняются одним и тем же законам природы . Их проблема заключалась в том, что еще не были изобретены инструменты, с помощью которых можно было бы доказать эти утверждения.

На протяжении большей части девятнадцатого века астрономические исследования были сосредоточены на рутинной работе по измерению положения и вычислению движения астрономических объектов. Новая астрономия, которую вскоре назвали астрофизикой, начала появляться, когда Уильям Хайд Волластон и Джозеф фон Фраунгофер независимо друг от друга обнаружили, что при разложении солнечного света наблюдается множество темных линий (областей, где света было меньше или совсем нет). в спектре . К 1860 году физик Густав Кирхгоф и химик Роберт Бунзен продемонстрировали, что темные линии в солнечном спектре соответствуют ярким линиям в спектрах известных газов, специфическим линиям, соответствующим уникальным химическим элементам . Кирхгофа вывод , что темные линии в солнечном спектре обусловлены поглощением на химических элементов в солнечной атмосфере. Таким образом было доказано, что химические элементы, обнаруженные на Солнце и звездах, также были найдены на Земле.

Среди тех, кто расширил изучение солнечных и звездных спектров, был Норман Локьер , который в 1868 году обнаружил как лучистые, так и темные линии в солнечных спектрах. Работая с химиком Эдвардом Франкландом 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 новый элемент, который был назван гелием в честь греческого Гелиоса , олицетворяющего Солнце.

В 1885 году Эдвард С. Пикеринг предпринял амбициозную программу звездной спектральной классификации в обсерватории Гарвардского колледжа , в которой группа женщин-компьютеров , в частности Уильямина Флеминг , Антония Мори и Энни Джамп Кэннон , классифицировала спектры, записанные на фотопластинках. К 1890 году был составлен каталог из более чем 10 000 звезд, в котором они были сгруппированы в тринадцать спектральных классов. Следуя видению 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.

В 1895 году Джордж Эллери Хейл и Джеймс Э. Киллер вместе с группой из десяти младших редакторов из Европы и США основали «Астрофизический журнал: международный обзор спектроскопии и астрономической физики» . Предполагалось, что журнал заполнит пробел между журналами по астрономии и физике, предоставив место для публикации статей по астрономическим приложениям 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.

Примерно в 1920 году, после открытия диаграммы Герцшпрунга – Рассела, которая все еще использовалась 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 . В то время источник звездной энергии оставался полной загадкой; Эддингтон правильно предположил, что источником был синтез водорода в гелий, высвобождающий огромную энергию в соответствии с уравнением Эйнштейна E = mc 2 . Это было особенно выдающимся достижением, поскольку в то время синтез и термоядерная энергия, и даже то, что звезды в основном состоят из водорода (см. Металличность ), еще не были обнаружены.

В 1925 году Сесилия Хелена Пейн (позже Сесилия Пейн-Гапошкин ) написала влиятельную докторскую диссертацию в колледже Рэдклифф , в которой она применила теорию ионизации к звездным атмосферам, чтобы связать спектральные классы с температурой звезд. Что наиболее важно, она обнаружила, что водород и гелий были главными компонентами звезд. Несмотря на предположение Эддингтона, это открытие было настолько неожиданным, что читатели диссертации убедили ее изменить заключение перед публикацией. Однако более поздние исследования подтвердили ее открытие.

К концу 20-го века исследования астрономических спектров расширились, чтобы охватить длины волн, простирающиеся от радиоволн до оптических, рентгеновских и гамма-волн. В 21 веке он расширился и стал включать наблюдения, основанные на гравитационных волнах .

Наблюдательная астрофизика

Остаток сверхновой LMC N 63A получен в рентгеновском (синий), оптическом (зеленый) и радио (красный) диапазонах волн. Рентгеновское свечение исходит от материала, нагретого примерно до десяти миллионов градусов Цельсия ударной волной, порожденной взрывом сверхновой.

Наблюдательная астрономия - это раздел астрономической науки, который занимается записью и интерпретацией данных, в отличие от теоретической астрофизики , которая в основном занимается обнаружением 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 несколько вещей, которые происходят с больших расстояний. Несколько гравитационных волн обсерватории были построены, но гравитационные волны очень трудно обнаружить. Также были построены нейтринные обсерватории, в первую очередь для изучения нашего Солнца. Космические лучи, состоящие из частиц очень высоких энергий, можно наблюдать, попадая в атмосферу Земли.

Наблюдения также могут различаться по шкале времени. Большинство оптических наблюдений занимают от нескольких минут до часов, поэтому явления, которые меняются быстрее, чем это, невозможно легко наблюдать. Однако имеются исторические данные о некоторых объектах, 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 по этим разным временным шкалам, очень различается.

Изучение нашего собственного Солнца занимает особое место в наблюдательной астрофизике. Из-за огромного расстояния до всех других звезд Солнце можно наблюдать с такой детализацией, которой нет ни у одной другой звезды. Наше понимание собственного Солнца служит руководством к пониманию других звезд.

Тема изменения звезд или звездной эволюции часто моделируется путем размещения различных типов звезд в их соответствующих положениях на диаграмме Герцшпрунга – Рассела , которую можно рассматривать как представление состояния звездного объекта от рождения до разрушения.

Теоретическая астрофизика

Теоретические астрофизики используют широкий спектр инструментов, включая аналитические модели (например, политропы для аппроксимации поведения звезды) и вычислительное численное моделирование . У каждого есть свои преимущества. Аналитические модели процесса обычно лучше подходят для понимания сути происходящего. Численные модели могут выявить существование явлений и эффектов, которые в противном случае были бы невидимы.

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 конфликтующими моделями.

Теоретики также пытаются создавать или модифицировать модели, чтобы учесть новые данные. 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; крупномасштабное строение материи во Вселенной; происхождение космических лучей; общая теория относительности и физическая космология, включая космологию струн и физику астрономических частиц. Астрофизическая теория относительности служит инструментом для оценки свойств крупномасштабных структур, для которых гравитация играет значительную роль в исследуемых физических явлениях, а также в качестве основы для физики черных дыр ( астро ) и изучения гравитационных волн .

Некоторые широко принятые и изучаемые теории и модели в астрофизике, теперь включенные в модель Lambda-CDM , включают Большой взрыв , космическую инфляцию , темную материю, темную энергию и фундаментальные теории физики.

Популяризация

Корни астрофизики можно найти в появлении в семнадцатом веке единой физики, в которой одни и те же законы применялись к небесной и земной сферам. Были ученые, обладающие квалификацией как в области физики, так и в астрономии, которые заложили прочный фундамент современной науки астрофизики. В наше время студентов по-прежнему привлекает астрофизика из-за ее популяризации Королевским астрономическим обществом и известными педагогами, такими как видные профессора Лоуренс Краусс , Субраманян Чандрасекхар , Стивен Хокинг , Хьюберт Ривз , Карл Саган , Нил де Грасс Тайсон и Патрик Мур . Усилия ранних, поздних и нынешних ученых продолжают привлекать молодых людей к изучению истории и науки астрофизики.

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

внешние ссылки