Кіріспе
Астрономияның кіші саласы – астрономиялық объектілердің табиғатын анықтау үшін физиканы қолдану. Астрофизика – астрономиялық объектілер мен құбылыстарды зерттеуде физика және химияның әдістері мен принциптерін қолданатын ғылым. Бұл пәннің негізін қалаушылардың бірі Джеймс Килер айтқандай, астрофизика "аспан денелерінің орнын немесе қозғалысын емес, олардың табиғатын анықтауға тырысады – олар қайда екеніне емес, не екеніне". Зерттелетін тақырыптардың арасында Күн (күн физикасы), басқа жұлдыздар, галактикалар, күннен тыс планеталар, жұлдызаралық орта және ғарыштық микротолқындық фон бар. Бұл объектілерден шығатын сәулелену электромагниттік спектрдің барлық бөліктерінде зерттеледі, ал зерттелетін қасиеттерге жарқырау, тығыздық, температура және химиялық құрам кіреді. Астрофизика өте кең тақырып болғандықтан, астрофизиктер физиканың көптеген салаларынан тұжырымдамалар мен әдістерді қолданады, соның ішінде классикалық механика, электромагнетизм, статистикалық механика, термодинамика, кванттық механика, салыстырмалылық, ядролық және бөлшектік физика, атомдық және молекулалық физика. Іс жүзінде, қазіргі заманғы астрономиялық зерттеулер теориялық және байқау физикасы саласында көп жұмыс істеуді қажет етеді. Астрофизиктер үшін зерттеудің кейбір салаларына қара материяның, қара энергияның, қара тесіктердің және басқа аспан денелерінің қасиеттерін анықтау, сондай-ақ ғаламның пайда болуы мен соңғы тағдыры кіреді. 17 ғасырда Галилей, Декарт және Ньютон сияқты табиғат зерттеушілері аспан және жердің материалы ұқсас және табиғат заңдары бірдей деп санай бастады. 19 ғасырдың көп бөлігінде астрономиялық зерттеулер астрономиялық объектілердің орнын өлшеу және олардың қозғалысын есептеудің күнделікті жұмысына бағытталған. Уильям Хайд Волластон және Йозеф фон Фраунгофер күн сәулесін бөлшектеген кезде спектрде көптеген қара сызықтарды (жарық аз немесе мүлдем жоқ аймақтар) байқағанда, жаңа астрономия, кейін астрофизика деп аталатын, пайда бола бастады. 1860 жылы физик Густав Кирхгофф және химик Роберт Бунзен күн спектріндегі қара сызықтар белгілі газдардың спектріндегі жарық сызықтарына сәйкес келетінін көрсетті, бұл сызықтар ерекше химиялық элементтерге сәйкес келеді. Кирхгофф Күн спектріндегі қара сызықтардың Күн атмосферасындағы химиялық элементтердің сіңіруінен туындайтынын тұжырымдады. Осылайша, Күн мен жұлдыздарда кездесетін химиялық элементтердің Жерде де кездесетіндігі дәлелденді. Күн мен жұлдыз спектрлерін зерттеуді кеңейткендердің арасында 1868 жылы күн спектрінде сәулелі және қара сызықтарды анықтаған Норман Локкьер болды. Химияшы Эдвард Франкландпен бірге әртүрлі температура мен қысымдағы элементтердің спектрлерін зерттеген ол, күн спектріндегі сары сызықты белгілі бір элементтермен байланыстыра алмады. Ол бұл сызықтың жаңа элементті білдіретінін мәлімдеді және оны грек тіліндегі Күннің персонификациясы Гелиос есімімен гелий деп атады. 1885 жылы Эдвард К. Пикеринг Гарвард колледжінің обсерваториясында жұлдыздық спектрлік жіктелудің амбициялық бағдарламасын бастады, онда Уильямина Флеминг, Антония Мори және Энни Джамп Каннон сияқты әйел-компьютерлер тобы фотосуреттік тақталардағы спектрлерді жіктеді. 1890 жылға қарай 10 000-нан астам жұлдызды 13 спектрлік типке жіктейтін каталог дайындалды. Пикерингтің көзқарасын ұстанған Кэннон 1924 жылға қарай каталогты тоғыз томға және 250 000-нан астам жұлдызға дейін кеңейтіп, 1922 жылы әлемдік қолдануға қабылданған Гарвард классификациялық схемасын жасады. 1895 жылы Джордж Эллери Хейл және Джеймс Э. Килер, сондай-ақ Еуропа мен АҚШ-тан келген он редактор тобы "Астрофизикалық журнал: спектроскопия және астрономиялық физиканың халықаралық шолуы" журналын құрды. Журнал астрономия және физика журналдары арасындағы олқылықты толтыруды көздеді, спектроскоптың астрономиялық қолданысы туралы мақалаларды жариялауға мүмкіндік берді; металл және газдық спектрлердің толқын ұзындығын анықтау және сәулелену мен сіңіру бойынша тәжірибелерді қоса алғанда, астрономиялық физикаға тығыз байланысты зертханалық зерттеулер; Күн, Ай, планеталар, кометалар, метеорлар және тұмандықтар теориялары; телескоптар мен зертханаларға арналған құралдар. Сол кезде жұлдыз энергиясының көзі толықтай құпия болды; Эддингтон сутегінің гелийге қосылуы энергияның көзі екенін дұрыс болжады, бұл Эйнштейннің E = mc2 теңдеуіне сәйкес зор энергияны босатады. Бұл осы кезде қосылу және термоядролық энергия, тіпті жұлдыздардың басым бөлігі сутегінен тұрады (металлдарды қараңыз) ашылмағандықтан, ерекше дамыған жағдай еді. 1925 жылы Сесилия Хелена Пейн (кейін Сесилия Пейн Гапошкин) Радклиф колледжіндегі докторлық диссертациясында Саханың иондану теориясын жұлдыздық атмосфераға қолданып, спектрлік сыныптарды жұлдыздардың температурасымен байланыстырды. Ең маңыздысы, ол сутегі мен гелий жұлдыздардың негізгі құрауыштар екенін, Жердің құрамы емес екенін анықтады. Эддингтонның ұсынысына қарамастан, бұл ашылу күтілмеген болғандықтан, оның диссертациялық кеңесшілері (Расселді қоса) оны жарияламас бұрын қорытындыны өзгертуге көндірді. Алайда, кейінгі зерттеулер оның ашылуын растады. 20 ғасырдың соңына қарай астрономиялық спектрлерді зерттеу радиотолқындардан оптикалық, рентген және гамма-толқындарға дейінгі толқын ұзындықтарын қамту үшін кеңейді. 21 ғасырда ол гравитациялық толқындарға негізделген байқауларды қамту үшін одан әрі кеңейді.
the use of physics to determine the nature of astronomical objects
Astrophysics is a science that employs the methods and principles of physics and chemistry in the study of astronomical objects and phenomena. As one of the founders of the discipline, James Keeler, said, Astrophysics "seeks to ascertain the nature of the heavenly bodies, rather than their positions or motions in space–what they are, rather than where they are." Among the subjects studied are the Sun (solar physics), other stars, galaxies, extrasolar planets, the interstellar medium and the cosmic microwave background. Emissions from these objects are examined across all parts of the electromagnetic spectrum, and the properties examined include luminosity, density, temperature, and chemical composition. Because astrophysics is a very broad subject, astrophysicists apply concepts and methods from many disciplines of physics, including classical mechanics, electromagnetism, statistical mechanics, thermodynamics, quantum mechanics, relativity, nuclear and particle physics, and atomic and molecular physics. In practice, modern astronomical research often involves a substantial amount of work in the realms of theoretical and observational physics. Some areas of study for astrophysicists include their attempts to determine the properties of dark matter, dark energy, black holes, and other celestial bodies; and the origin and ultimate fate of the universe. During the 17th century, natural philosophers such as Galileo, Descartes, and Newton began to maintain that the celestial and terrestrial regions were made of similar kinds of material and were subject to the same natural laws. For much of the nineteenth century, astronomical research was focused on the routine work of measuring the positions and computing the motions of astronomical objects. A new astronomy, soon to be called astrophysics, began to emerge when William Hyde Wollaston and Joseph von Fraunhofer independently discovered that, when decomposing the light from the Sun, a multitude of dark lines (regions where there was less or no light) were observed in the spectrum. By 1860 the physicist, Gustav Kirchhoff, and the chemist, Robert Bunsen, had demonstrated that the dark lines in the solar spectrum corresponded to bright lines in the spectra of known gases, specific lines corresponding to unique chemical elements. Kirchhoff deduced that the dark lines in the solar spectrum are caused by absorption by chemical elements in the Solar atmosphere. In this way it was proved that the chemical elements found in the Sun and stars were also found on Earth. Among those who extended the study of solar and stellar spectra was Norman Lockyer, who in 1868 detected radiant, as well as dark lines in solar spectra. Working with chemist Edward Frankland to investigate the spectra of elements at various temperatures and pressures, he could not associate a yellow line in the solar spectrum with any known elements. He thus claimed the line represented a new element, which was called helium, after the Greek Helios, the Sun personified. In 1885, Edward C. Pickering undertook an ambitious program of stellar spectral classification at Harvard College Observatory, in which a team of woman computers, notably Williamina Fleming, Antonia Maury, and Annie Jump Cannon, classified the spectra recorded on photographic plates. By 1890, a catalog of over 10,000 stars had been prepared that grouped them into thirteen spectral types. Following Pickering's vision, by 1924 Cannon expanded the catalog to nine volumes and over a quarter of a million stars, developing the Harvard Classification Scheme which was accepted for worldwide use in 1922. In 1895, George Ellery Hale and James E. Keeler, along with a group of ten associate editors from Europe and the United States, established The Astrophysical Journal: An International Review of Spectroscopy and Astronomical Physics. It was intended that the journal would fill the gap between journals in astronomy and physics, providing a venue for publication of articles on astronomical applications of the spectroscope; on laboratory research closely allied to astronomical physics, including wavelength determinations of metallic and gaseous spectra and experiments on radiation and absorption; on theories of the Sun, Moon, planets, comets, meteors, and nebulae; and on instrumentation for telescopes and laboratories. At that time, the source of stellar energy was a complete mystery; Eddington correctly speculated that the source was fusion of hydrogen into helium, liberating enormous energy according to Einstein's equation E = mc2. This was a particularly remarkable development since at that time fusion and thermonuclear energy, and even that stars are largely composed of hydrogen (see metallicity), had not yet been discovered. In 1925 Cecilia Helena Payne (later Cecilia Payne Gaposchkin) wrote an influential doctoral dissertation at Radcliffe College, in which she applied Saha's ionization theory to stellar atmospheres to relate the spectral classes to the temperature of stars. Most significantly, she discovered that hydrogen and helium were the principal components of stars, not the composition of Earth. Despite Eddington's suggestion, discovery was so unexpected that her dissertation readers (including Russell) convinced her to modify the conclusion before publication. However, later research confirmed her discovery. By the end of the 20th century, studies of astronomical spectra had expanded to cover wavelengths extending from radio waves through optical, x ray, and gamma wavelengths. In the 21st century, it further expanded to include observations based on gravitational waves.
Бақылау астрофизикасы
Байқау астрономиясы – астрономиялық ғылымның бір саласы, ол деректерді жазу және интерпретациялаумен айналысады, ал теориялық астрофизика физикалық модельдердің өлшенетін салдарларын табумен негізінен шұғылданады. Бұл телескоптар және басқа астрономиялық құралдарды қолданып, аспан денелерін бақылау практикасы. Астрофизикалық байқаулардың көп бөлігі электромагниттік спектрді пайдалану арқылы жүзеге асырылады. Радиоастрономия бірнеше миллиметрден асатын толқын ұзындығына ие сәулеленуді зерттейді. Зерттеу салаларының мысалдары: радио толқындар, көбінесе жұлдызаралық газ және шаң бұлттары сияқты суық денелерден шығарылады; Ұлы жарылыстан қалған, қызылға ығысқан жарық болып табылатын ғарыштық микротолқындық фондық сәулелену; микротолқындық жиіліктерде алғаш рет анықталған пульсарлар. Бұл толқындарды зерттеу үшін өте үлкен радиотелескоптар қажет. Инфрақызыл астрономия радио толқындарынан ұзын, бірақ жалаң көзбен көруге мүмкін емес, бірақ одан қысқа толқын ұзындығына ие сәулеленуді зерттейді. Инфрақызыл байқаулар көбінесе таныс оптикалық телескоптарға ұқсас телескоптармен жасалады. Жұлдыздардан суық денелер (мысалы, планеталар) әдетте инфрақызыл жиіліктерде зерттеледі. Оптикалық астрономия астрономияның ең ерте түрі болды. Зарядты құрылғымен немесе спектроскоппен жұптасқан телескоптар ең көп қолданылатын құралдар болып табылады. Жер атмосферасы оптикалық байқауларға белгілі бір деңгейде кедергі келтіреді, сондықтан ең жоғары сапалы сурет алу үшін адаптивтік оптика және ғарыш телескоптары қолданылады. Бұл толқын ұзындығы диапазонында жұлдыздар жақсы көрінеді және жұлдыздардың, галактикалардың және тұмандықтардың химиялық құрамын зерттеу үшін көптеген химиялық спектрлерді байқауға болады. Күлдірауық, рентген және гамма сәулелері астрономиясы екілік пульсарлар, қара тесіктер, магнетарлар және тағы да басқалар сияқты өте жоғары энергетикалық процестерді зерттейді. Бұл сәулеленудің бұл түрлері Жер атмосферасын жақсы өтпейді. Электромагниттік спектрдің осы бөлігін бақылау үшін екі әдіс қолданылады: ғарышқа орналасқан телескоптар және жердегі бейнелеу әуе Черенков телескоптары (IACT). Бірінші типтегі обсерваториялардың мысалдары: RXTE, Chandra рентгендік обсерваториясы және Compton гамма сәулелік обсерваториясы. IACT-ке мысал ретінде жоғары энергиялы стереоскопиялық жүйе (H.E.S.S.) және MAGIC телескобын келтіруге болады. Электромагниттік сәулеленуден басқа, Жерден алыс қашықтықтан шыққан бірнеше нәрсені байқауға болады. Бірнеше гравитациялық толқын обсерваториялары салынды, бірақ гравитациялық толқындарды анықтау өте қиын. Нейтрино обсерваториялары да негізінен Күнді зерттеу үшін салынды. Жер атмосферасына соқтығысатын өте жоғары энергиялы бөлшектерден тұратын ғарыш сәулелерін байқауға болады. Байқаулардың уақыт шкаласы да әртүрлі болуы мүмкін. Көптеген оптикалық байқаулар минуттардан сағаттарға дейін созылады, сондықтан одан жылдам өзгеретін құбылыстарды байқау қиын. Алайда, кейбір денелер туралы ғасырлар немесе мыңжылдықтарды қамтитын тарихи деректер бар. Екінші жағынан, радиобайқаулар оқиғаларды миллисекундтық уақыт шкаласында (миллисекундтық пульсарлар) қарастыруы немесе жылдар бойы жиналған деректерді біріктіруі мүмкін (пульсардың баяулауын зерттеу). Осы уақыт аралығындағы ақпарат мүлдем өзгеше. Күнді зерттеу бақылау астрофизикасында ерекше орын алады. Барлық басқа жұлдыздардың орасан зор қашықтығына байланысты, Күнді басқа жұлдыздармен салыстыру мүмкін емес деңгейде егжей-тегжейлі түрде байқауға болады. Күнді түсіну басқа жұлдыздарды түсінуге көмектеседі. Жұлдыздардың қалай өзгеретіні немесе жұлдыздық эволюция тақырыбы көбінесе жұлдыз түрлерінің әртүрлілігін Герцспрунг-Рассел диаграммасындағы тиісті орындарына орналастыру арқылы модельдеу жүргізіледі, оны жұлдыздық дененің туылғаннан жойылғанға дейінгі күйін көрсететін модель ретінде қарастыруға болады.
Теориялық астрофизика
Теориялық астрофизиктер көптеген құралдарды қолданады, соның ішінде аналитикалық модельдер (мысалы, жұлдыздың мінез-құлқын шамалау үшін политроптар) және есептеулік сандық симуляциялар. Әрқайсысының өз артықшылығы бар. Процестің аналитикалық модельдері, әдетте, не болып жатқанының мәнін түсіну үшін жақсырақ. Сандық модельдер, басқа жағдайда көрінбейтін құбылыстар мен әсерлердің бар екенін аша алады. Астрофизика теоретиктері теориялық модельдерді жасауға және сол модельдердің байқау нәтижелерін анықтауға тырысады. Бұл бақылаушыларға модельді жоққа шығаратын немесе бірнеше баламалы немесе қарама-қайшы модельдердің арасында таңдау жасауға көмектесетін деректерді іздеуге мүмкіндік береді. Теориялық зерттеушілер жаңа деректерді есепке алу үшін модельдерді жасауға немесе өзгертуге тырысады. Егер деректер мен модель арасында қайшылық туындаса, жалпы тенденция – деректерге сәйкес келетіндей минималды өзгерістер енгізуге тырысу. Кейбір жағдайларда, уақыт өте келе жиналған қайшылықты деректердің көп болуы модельді толыққанды тастауға әкелуі мүмкін. Теориялық астрофизиктер зерттейтін тақырыптарға жұлдыздық динамика және эволюция; галактиканың пайда болуы мен эволюциясы; магнитогидродинамика; ғаламдағы материяның ірі масштабтағы құрылымы; ғарыштық сәулелердің пайда болуы; жалпы салыстырмалылық теориясы және физикалық космология, соның ішінде саптық космология және астробөлшектер физикасы жатады. Релятивистік астрофизика, ауырлық күші зерттелетін физикалық құбылыстарда маңызды рөл атқаратын ірі масштабтағы құрылымдардың қасиеттерін бағалау құралы ретінде, сондай-ақ қара тесіктердің (астро) физикасын және гравитациялық толқындарды зерттеудің негізі ретінде қызмет етеді. Астрофизикадағы кеңінен қабылданған және зерттелген теориялар мен модельдер, қазіргі Lambda CDM моделіне енгендері – Үлкен жарылыс, ғарыштық инфляция, қараңғы материя, қараңғы энергия және физиканың негізгі теориялары.
Халыққа танымал ету
Астрофизиканың тамыры XVII ғасырдағы біртұтас физиканың пайда болуында, онда аспан және жерлік құбылыстарға бірдей заңдар қолданылған. Физика мен астрономия саласында білімі бар ғалымдар қазіргі астрофизика ғылымының берік негізін қалады. Қазіргі кезде студенттер Корольдік астрономиялық қоғамның және Лоренс Краус, Субрахманян Чандрасекар, Стивен Хокинг, Хьюберт Ривз, Карл Саган және Патрик Мур сияқты көрнекті профессорлардың насихаты арқасында астрофизикаға қызығушылық танытуда. Ертедегі, кейінгі және қазіргі ғалымдардың еңбектері жастарды астрофизиканың тарихын және ғылымын оқуға ынталандыруда. "Үлкен жарылыс теориясы" телесериалы астрофизика саласын жалпы жұртшылыққа кеңінен таныстырып, Стивен Хокинг және Нил де Грасс Тайсон сияқты белгілі ғалымдарды көрсетті.