Астрономия: Наука о Вселенной и небесных телах

Введение

Научное изучение небесных объектов.

Астрономия – это естественная наука, изучающая небесные объекты и явления, происходящие в космосе. Она использует математику, физику и химию для объяснения их происхождения и общей эволюции. Объектами изучения являются планеты, спутники, звезды, туманности, галактики, метеороиды, астероиды и кометы. К значимым явлениям относятся взрывы сверхновых, гамма-всплески, квазары, блазары, пульсары и космическое микроволновое фоновое излучение. В более широком смысле, астрономия изучает всё, что находится за пределами атмосферы Земли. Космология – это раздел астрономии, изучающий Вселенную в целом. Астрономия – одна из древнейших естественных наук. Древние цивилизации, зафиксированные в истории, проводили систематические наблюдения ночного неба, включая египтян, вавилонян, греков, индийцев, китайцев, майя и многие древние коренные народы Америки. В прошлом астрономия охватывала такие разнообразные дисциплины, как астрометрия, небесная навигация, наблюдательная астрономия и создание календарей. Профессиональная астрономия разделяется на наблюдательную и теоретическую ветви. Наблюдательная астрономия сосредоточена на сборе данных, полученных в результате наблюдений астрономических объектов, которые затем анализируются с использованием фундаментальных принципов физики. Теоретическая астрономия направлена на разработку компьютерных или аналитических моделей для описания астрономических объектов и явлений. Эти две области взаимодополняют друг друга: теоретическая астрономия стремится объяснить результаты наблюдений, а наблюдения используются для подтверждения теоретических выводов. Астрономия – одна из немногих наук, в которой любители играют активную роль, особенно в обнаружении и наблюдении за переходными событиями. Астрономы-любители внесли значительный вклад во многие важные открытия, например, в обнаружение новых комет.

Этимология

Астрономия (от греческого ἀστρονομία от ἄστρον astron, "звезда" и νομία nomia от νόμος nomos, "закон" или "культура") означает "закон звёзд" (или "культура звёзд", в зависимости от перевода). Астрономию не следует путать с астрологией — системой верований, утверждающей, что судьбы людей связаны с положениями небесных тел. Хотя обе эти области имеют общее происхождение, в настоящее время они полностью различны.

Использование терминов "астрономия" и "астрофизика"

"Астрономия" и "астрофизика" – синонимы. Основываясь на строгих словарных определениях, "астрономия" относится к "изучению объектов и материи за пределами атмосферы Земли, а также их физических и химических свойств", в то время как "астрофизика" относится к разделу астрономии, изучающему "поведение, физические свойства и динамические процессы небесных объектов и явлений". В некоторых случаях, как, например, во введении к учебнику "Физическая Вселенная" Фрэнка Шу, "астрономия" может использоваться для описания качественного изучения предмета, а "астрофизика" – для описания его физически ориентированной версии. Однако, поскольку большинство современных астрономических исследований связаны с физикой, современную астрономию можно по праву назвать астрофизикой. До изобретения таких инструментов, как телескоп, раннее изучение звезд проводилось невооруженным глазом. С развитием цивилизаций, особенно в Египте, Месопотамии, Греции, Персии, Индии, Китае и Центральной Америке, создавались астрономические обсерватории и начали формироваться представления о природе Вселенной. Большая часть ранней астрономии заключалась в составлении карт расположения звезд и планет – науки, которую сейчас называют астрометрией. На основе этих наблюдений возникли первые представления о движении планет, а также философские размышления о природе Солнца, Луны и Земли во Вселенной. Считалось, что Земля является центром Вселенной, а Солнце, Луна и звезды вращаются вокруг нее. Это известно как геоцентрическая модель Вселенной, или Птолемеевская система, названная в честь Птолемея. Особенно важным ранним достижением стало становление математической и научной астрономии, которое началось у вавилонян, заложивших основы для последующих астрономических традиций, развивавшихся во многих других цивилизациях. Вавилоняне обнаружили, что лунные затмения повторяются в цикличном паттерне, известном как сарос. После вавилонян значительные успехи в астрономии были достигнуты в Древней Греции и эллинистическом мире. Греческую астрономию с самого начала отличал поиск рационального, физического объяснения небесных явлений. В III веке до н.э. Аристарх Самосский оценил размеры и расстояния до Луны и Солнца и предложил модель Солнечной системы, в которой Земля и планеты вращаются вокруг Солнца – гелиоцентрическую модель. Во II веке до н.э. Гиппарх открыл прецессию, вычислил размеры и расстояние до Луны и изобрел самые ранние известные астрономические приборы, такие как астролябия. Гиппарх также создал обширный каталог из 1020 звезд, и большинство созвездий северного полушария восходят к греческой астрономии. Антикитерский механизм (ок. 150–80 гг. до н.э.) был ранним аналоговым компьютером, предназначенным для вычисления положения Солнца, Луны и планет на заданную дату. Технологические артефакты подобной сложности вновь появились лишь в XIV веке, когда в Европе стали создавать механические астрономические часы.

"Astronomy" and "astrophysics" are synonyms. Based on strict dictionary definitions, "astronomy" refers to "the study of objects and matter outside the Earth's atmosphere and of their physical and chemical properties", while "astrophysics" refers to the branch of astronomy dealing with "the behavior, physical properties, and dynamic processes of celestial objects and phenomena". In some cases, as in the introduction of the introductory textbook The Physical Universe by Frank Shu, "astronomy" may be used to describe the qualitative study of the subject, whereas "astrophysics" is used to describe the physics oriented version of the subject. However, since most modern astronomical research deals with subjects related to physics, modern astronomy could actually be called astrophysics. Before tools such as the telescope were invented, early study of the stars was conducted using the naked eye. As civilizations developed, most notably in Egypt, Mesopotamia, Greece, Persia, India, China, and Central America, astronomical observatories were assembled and ideas on the nature of the Universe began to develop. Most early astronomy consisted of mapping the positions of the stars and planets, a science now referred to as astrometry. From these observations, early ideas about the motions of the planets were formed, and the nature of the Sun, Moon and the Earth in the Universe were explored philosophically. The Earth was believed to be the center of the Universe with the Sun, the Moon and the stars rotating around it. This is known as the geocentric model of the Universe, or the Ptolemaic system, named after Ptolemy. A particularly important early development was the beginning of mathematical and scientific astronomy, which began among the Babylonians, who laid the foundations for the later astronomical traditions that developed in many other civilizations. The Babylonians discovered that lunar eclipses recurred in a repeating cycle known as a saros. Following the Babylonians, significant advances in astronomy were made in ancient Greece and the Hellenistic world. Greek astronomy is characterized from the start by seeking a rational, physical explanation for celestial phenomena. In the 3rd century BC, Aristarchus of Samos estimated the size and distance of the Moon and Sun, and he proposed a model of the Solar System where the Earth and planets rotated around the Sun, now called the heliocentric model. In the 2nd century BC, Hipparchus discovered precession, calculated the size and distance of the Moon and invented the earliest known astronomical devices such as the astrolabe. Hipparchus also created a comprehensive catalog of 1020 stars, and most of the constellations of the northern hemisphere derive from Greek astronomy. The Antikythera mechanism (c. 150–80 BC) was an early analog computer designed to calculate the location of the Sun, Moon, and planets for a given date. Technological artifacts of similar complexity did not reappear until the 14th century, when mechanical astronomical clocks appeared in Europe.

Средние века

В средневековой Европе жили многие выдающиеся астрономы. Ричард Уоллингфордский (1292–1336) внес значительный вклад в астрономию и часовое дело, включая изобретение первых астрономических часов, «Rectangulus», позволявшего измерять углы между планетами и другими небесными телами, а также экватория под названием «Albion», который можно было использовать для астрономических расчетов, таких как лунные, солнечные и планетарные долготы, и для предсказания затмений. Николь Оресм (1320–1382) и Жан Буридан (1300–1361) первыми обсуждали доказательства вращения Земли, а Буридан также разработал теорию импульса (предшественник современной научной теории инерции), которая показала, что планеты способны к движению без вмешательства ангелов. Георг фон Пейербах (1423–1461) и Региомонтан (1436–1476) способствовали астрономическому прогрессу, который стал основополагающим для разработки Коперником гелиоцентрической модели десятилетиями позже. Астрономия процветала в исламском мире и других регионах. Это привело к появлению первых астрономических обсерваторий в мусульманском мире к началу IX века. В 964 году персидский мусульманский астроном Абд аль-Рахман аль-Суфи описал галактику Андромеды, крупнейшую галактику в Местной группе, в своей «Книге неподвижных звезд». Сверхновая SN 1006, самое яркое звездное событие, зафиксированное в истории, была наблюдаема египетским арабским астрономом Али ибн Ридваном и китайскими астрономами в 1006 году. Иранский ученый Аль-Бируни заметил, что, в отличие от Птолемея, апогей Солнца (наивысшая точка на небе) подвижен, а не фиксирован. Среди выдающихся исламских (в основном персидских и арабских) астрономов, внесших значительный вклад в науку, были Аль-Баттани, Тебит, Абд аль-Рахман аль-Суфи, Бируни, Абу Исхак Ибрахим аль-Заркали, Аль-Биржанди и астрономы обсерваторий Мараге и Самарканда. Астрономы того времени ввели множество арабских названий, которые сейчас используются для обозначения отдельных звезд. Считается также, что руины Великого Зимбабве и Тимбукту могли служить астрономическими обсерваториями. В постклассической Западной Африке астрономы изучали движение звезд и их связь с временами года, составляя звездные карты и точные схемы орбит других планет на основе сложных математических расчетов. Историк Сонгаи Махмуд Кати задокументировал метеорный поток в августе 1583 года. Ранее европейцы полагали, что в Африке к югу от Сахары в доколониальный период Средневековья не проводилось астрономических наблюдений, но современные открытия опровергают это утверждение. На протяжении более шести столетий (от возрождения античного знания в позднем Средневековье до эпохи Просвещения) Римско-католическая церковь оказывала больше финансовой и социальной поддержки изучению астрономии, чем, вероятно, все остальные институты. Одной из целей Церкви было определение даты Пасхи.

Medieval Europe housed a number of important astronomers. Richard of Wallingford (1292–1336) made major contributions to astronomy and horology, including the invention of the first astronomical clock, the Rectangulus which allowed for the measurement of angles between planets and other astronomical bodies, as well as an equatorium called the Albion which could be used for astronomical calculations such as lunar, solar and planetary longitudes and could predict eclipses. Nicole Oresme (1320–1382) and Jean Buridan (1300–1361) first discussed evidence for the rotation of the Earth, furthermore, Buridan also developed the theory of impetus (predecessor of the modern scientific theory of inertia) which was able to show planets were capable of motion without the intervention of angels. Georg von Peuerbach (1423–1461) and Regiomontanus (1436–1476) helped make astronomical progress instrumental to Copernicus's development of the heliocentric model decades later. Astronomy flourished in the Islamic world and other parts of the world. This led to the emergence of the first astronomical observatories in the Muslim world by the early 9th century. In 964, the Andromeda Galaxy, the largest galaxy in the Local Group, was described by the Persian Muslim astronomer Abd al Rahman al Sufi in his Book of Fixed Stars. The SN 1006 supernova, the brightest apparent magnitude stellar event in recorded history, was observed by the Egyptian Arabic astronomer Ali ibn Ridwan and Chinese astronomers in 1006. Iranian scholar Al Biruni observed that, contrary to Ptolemy, the Sun's apogee (highest point in the heavens) was mobile, not fixed. Some of the prominent Islamic (mostly Persian and Arab) astronomers who made significant contributions to the science include Al Battani, Thebit, Abd al Rahman al Sufi, Biruni, Abū Ishāq Ibrāhīm al Zarqālī, Al Birjandi, and the astronomers of the Maragheh and Samarkand observatories. Astronomers during that time introduced many Arabic names now used for individual stars. It is also believed that the ruins at Great Zimbabwe and Timbuktu may have housed astronomical observatories. In Post classical West Africa, Astronomers studied the movement of stars and relation to seasons, crafting charts of the heavens as well as precise diagrams of orbits of the other planets based on complex mathematical calculations. Songhai historian Mahmud Kati documented a meteor shower in August 1583. Europeans had previously believed that there had been no astronomical observation in sub Saharan Africa during the pre colonial Middle Ages, but modern discoveries show otherwise. For over six centuries (from the recovery of ancient learning during the late Middle Ages into the Enlightenment), the Roman Catholic Church gave more financial and social support to the study of astronomy than probably all other institutions. Among the Church's motives was finding the date for Easter.

Научная революция

Во время Возрождения Николай Коперник предложил гелиоцентрическую модель Солнечной системы. Его работу защищал Галилео Галилей и развивал Иоганн Кеплер. Кеплер первым разработал систему, которая правильно описывала детали движения планет вокруг Солнца. Однако Кеплеру не удалось сформулировать теорию, лежащую в основе написанных им законов. Исаак Ньютон, с его изобретением небесной механики и законом всемирного тяготения, окончательно объяснил движения планет. Ньютон также разработал рефлекторный телескоп. Улучшение размеров и качества телескопов привело к новым открытиям. Английский астроном Джон Флэмстид каталогизировал более 3000 звезд, а более обширные звездные каталоги были составлены Николасом Луи де Лакаем. Астроном Уильям Гершель составил подробный каталог туманностей и звездных скоплений и в 1781 году открыл планету Уран – первую новую планету, обнаруженную после древности. В XVIII–XIX веках изучение задачи трех тел Леонардом Эйлером, Алексисом Клодом Клеро и Жаном Лероном д’Аламбером позволило получить более точные предсказания о движении Луны и планет. Эта работа была усовершенствована Жозефом Луи Лагранжем и Пьером Симоном Лапласом, что позволило оценивать массы планет и спутников по их возмущениям. Значительный прогресс в астрономии был достигнут благодаря внедрению новых технологий, включая спектроскоп и фотографию. Иозеф фон Фраунгофер обнаружил около 600 линий в солнечном спектре в 1814–1815 годах, которые в 1859 году Густав Кирхгоф связал с присутствием различных элементов. Было доказано, что звезды подобны Солнцу, но имеют широкий диапазон температур, масс и размеров. Теоретическая астрономия привела к предположениям о существовании таких объектов, как черные дыры и нейтронные звезды, которые используются для объяснения наблюдаемых явлений, таких как квазары, пульсары, блазары и радиогалактики. Физическая космология достигла огромных успехов в XX веке. В начале 1900-х годов была сформулирована теория Большого взрыва, подтверждаемая космическим микроволновым фоновым излучением, законом Хаббла и космологическим содержанием элементов. Космические телескопы позволили проводить измерения в частях электромагнитного спектра, обычно блокируемых или искажаемых атмосферой. В феврале 2016 года было объявлено, что проект LIGO обнаружил свидетельства существования гравитационных волн в сентябре предыдущего года.

During the Renaissance, Nicolaus Copernicus proposed a heliocentric model of the solar system. His work was defended by Galileo Galilei and expanded upon by Johannes Kepler. Kepler was the first to devise a system that correctly described the details of the motion of the planets around the Sun. However, Kepler did not succeed in formulating a theory behind the laws he wrote down. It was Isaac Newton, with his invention of celestial dynamics and his law of gravitation, who finally explained the motions of the planets. Newton also developed the reflecting telescope. Improvements in the size and quality of the telescope led to further discoveries. The English astronomer John Flamsteed catalogued over 3000 stars, More extensive star catalogues were produced by Nicolas Louis de Lacaille. The astronomer William Herschel made a detailed catalog of nebulosity and clusters, and in 1781 discovered the planet Uranus, the first new planet found. During the 18–19th centuries, the study of the three body problem by Leonhard Euler, Alexis Claude Clairaut, and Jean le Rond d'Alembert led to more accurate predictions about the motions of the Moon and planets. This work was further refined by Joseph Louis Lagrange and Pierre Simon Laplace, allowing the masses of the planets and moons to be estimated from their perturbations. Significant advances in astronomy came about with the introduction of new technology, including the spectroscope and photography. Joseph von Fraunhofer discovered about 600 bands in the spectrum of the Sun in 1814–15, which, in 1859, Gustav Kirchhoff ascribed to the presence of different elements. Stars were proven to be similar to the Earth's own Sun, but with a wide range of temperatures, masses, and sizes. Theoretical astronomy led to speculations on the existence of objects such as black holes and neutron stars, which have been used to explain such observed phenomena as quasars, pulsars, blazars, and radio galaxies. Physical cosmology made huge advances during the 20th century. In the early 1900s the model of the Big Bang theory was formulated, heavily evidenced by cosmic microwave background radiation, Hubble's law, and the cosmological abundances of elements. Space telescopes have enabled measurements in parts of the electromagnetic spectrum normally blocked or blurred by the atmosphere. In February 2016, it was revealed that the LIGO project had detected evidence of gravitational waves in the previous September.

Наблюдательная астрономия

Основным источником информации о небесных телах и других объектах является видимый свет или, в более широком смысле, электромагнитное излучение. Наблюдательная астрономия может быть классифицирована в зависимости от соответствующего участка электромагнитного спектра, в котором проводятся наблюдения. Некоторые участки спектра доступны для наблюдения с поверхности Земли, тогда как другие требуют наблюдений с больших высот или за пределами земной атмосферы. Более подробная информация об этих областях астрономии приведена ниже.

Радиоастрономия

Радиоастрономия использует излучение с длиной волны более приблизительно одного миллиметра, вне видимого диапазона. Радиоастрономия отличается от большинства других форм наблюдательной астрономии тем, что наблюдаемые радиоволны можно рассматривать как волны, а не как отдельные фотоны. Следовательно, сравнительно легче измерить амплитуду и фазу радиоволн, в то время как это сложнее сделать на более коротких длинах волн. Инфракрасная астрономия основана на обнаружении и анализе инфракрасного излучения, длины волн которого больше, чем у красного света, и находятся за пределами нашего зрительного диапазона. Инфракрасный спектр полезен для изучения объектов, которые слишком холодны для излучения видимого света, таких как планеты, околозвездные диски или туманности, свет которых блокируется пылью. Более длинные инфракрасные волны могут проникать сквозь облака пыли, блокирующие видимый свет, позволяя наблюдать молодые звезды, находящиеся внутри молекулярных облаков, и ядра галактик. Наблюдения, выполненные с помощью инфракрасного космического телескопа WISE, оказались особенно эффективными для обнаружения многочисленных галактических протозвезд и их звездных скоплений. За исключением инфракрасных длин волн, близких к видимому свету, такое излучение сильно поглощается атмосферой или маскируется, поскольку сама атмосфера производит значительное инфракрасное излучение. Поэтому инфракрасные обсерватории должны располагаться в высоких и сухих местах на Земле или в космосе. Некоторые молекулы сильно излучают в инфракрасном диапазоне. Это позволяет изучать химию космоса, в частности, обнаруживать воду в кометах.

Оптическая астрономия

Исторически сложилось так, что оптическая астрономия, также называемая астрономией видимого света, является старейшей формой астрономии. Изображения наблюдений изначально создавались вручную. В конце XIX века и на протяжении большей части XX века изображения получали с помощью фотооборудования. Современные изображения создаются с использованием цифровых детекторов, в частности приборов с зарядовой связью (ПЗС), и записываются на современные носители. Хотя сам видимый свет простирается примерно от 4000 Å до 7000 Å (400 нм до 700 нм),

большинство источников гамма-излучения на самом деле представляют собой вспышки гамма-лучей – объекты, которые излучают гамма-излучение лишь в течение нескольких миллисекунд до нескольких тысяч секунд, после чего затухают. Лишь 10% источников гамма-лучей являются устойчивыми. Эти стабильные источники гамма-излучения включают пульсары, нейтронные звезды и кандидаты в черные дыры, такие как активные галактические ядра. Некоторые будущие детекторы нейтрино также могут быть чувствительны к частицам, образующимся при взаимодействии космических лучей с атмосферой Земли. Вторая гравитационная волна была зарегистрирована 26 декабря 2015 года, и дальнейшие наблюдения продолжаются, однако для регистрации гравитационных волн требуются исключительно чувствительные приборы. Комбинация наблюдений, выполненных с использованием электромагнитного излучения, нейтрино или гравитационных волн, а также другой дополнительной информации, называется мультимессенджерной астрономией.

Астрометрия и небесная механика

Одной из старейших областей астрономии, и во всей науке, является измерение положений небесных объектов. Исторически точные знания о положении Солнца, Луны, планет и звезд были необходимы для небесной навигации (использования небесных объектов для навигации) и составления календарей. Тщательное измерение положений планет привело к глубокому пониманию гравитационных возмущений и возможности определять прошлые и будущие положения планет с высокой точностью – область, известная как небесная механика. В последнее время отслеживание околоземных объектов позволяет прогнозировать сближения или потенциальные столкновения Земли с этими объектами. Измерение звездного параллакса ближайших звезд обеспечивает фундаментальную основу в космической лестнице расстояний, используемую для определения масштаба Вселенной. Измерения параллакса ближайших звезд предоставляют абсолютную основу для свойств более далеких звезд, с которыми можно сравнивать их характеристики. Измерения радиальной скорости и собственного движения звезд позволяют астрономам строить карты движения этих систем в галактике Млечный Путь. Астрометрические данные служат основой для расчета распределения предполагаемой темной материи в галактике. В 1990-х годах измерение звездного «качания» ближайших звезд было использовано для обнаружения массивных экзопланет, обращающихся вокруг этих звезд.

Астрофизика

Астрофизика — это раздел астрономии, использующий принципы физики и химии для изучения природы астрономических объектов, а не их положения или движения в пространстве. К изучаемым объектам относятся Солнце, другие звезды, галактики, экзопланеты, межзвездная среда и космический микроволновой фон. Их излучение исследуется во всех диапазонах электромагнитного спектра, при этом изучаются такие свойства, как светимость, плотность, температура и химический состав. Поскольку астрофизика — чрезвычайно широкая область, астрофизики обычно применяют различные дисциплины физики, включая механику, электромагнетизм, статистическую механику, термодинамику, квантовую механику, теорию относительности, ядерную и физику частиц, а также атомную и молекулярную физику. На практике современные астрономические исследования часто включают значительную работу в области теоретической и наблюдательной физики. Некоторые направления исследований астрофизиков включают попытки определить свойства темной материи, темной энергии и черных дыр, выяснение возможности путешествий во времени, образования червоточин или существования мультивселенной, а также изучение происхождения и конечной судьбы Вселенной.

Астробиологическая

Астробиология – это междисциплинарная научная область, изучающая происхождение, раннюю эволюцию, распространение и будущее жизни во Вселенной. Астробиология рассматривает вопрос о существовании внеземной жизни и о том, как человечество может её обнаружить. Термин «экзобиология» является близким по значению. Астробиология использует методы молекулярной биологии, биофизики, биохимии, химии, астрономии, физической космологии, экзопланетологии и геологии для исследования возможности существования жизни на других планетах и для выявления биосфер, которые могут отличаться от земных. Происхождение и ранняя эволюция жизни – неотъемлемая часть астробиологии. Астробиология занимается интерпретацией существующих научных данных, и хотя допускаются спекуляции для придания контекста, основное внимание уделяется гипотезам, которые согласуются с существующими научными теориями. Эта междисциплинарная область охватывает исследования происхождения планетарных систем, образования органических соединений в космосе, взаимодействия горных пород, воды и углерода, абиогенеза на Земле, планетарной обитаемости, поиска биосигнатур для обнаружения жизни, а также изучения способности жизни адаптироваться к сложным условиям на Земле и в космосе.

Физическая космология

Космологию (от греческого κόσμος (космос) «мир, вселенная» и λόγος (логос) «слово, изучение» или буквально «логика») можно рассматривать как изучение Вселенной в целом. Наблюдения за крупномасштабной структурой Вселенной, область, известная как физическая космология, обеспечили глубокое понимание формирования и эволюции космоса. Фундаментальной для современной космологии является общепринятая теория Большого взрыва, согласно которой наша Вселенная возникла из единой точки во времени, а затем расширялась в течение 13,8 миллиардов лет, достигнув своего нынешнего состояния. В процессе этого расширения Вселенная прошла через несколько эволюционных стадий. В самые ранние моменты времени предполагается, что Вселенная пережила очень быстрое космическое расширение (инфляцию), которое выровняло начальные условия. Впоследствии, нуклеосинтез создал первоначальное обилие элементов во Вселенной. Иерархическая структура материи начала формироваться из незначительных колебаний плотности массы пространства. Материя накапливалась в наиболее плотных областях, образуя облака газа и самые первые звезды – звёзды III популяции. Эти массивные звёзды инициировали процесс реионизации и, как считается, создали многие тяжёлые элементы в ранней Вселенной, которые, посредством ядерного распада, производят более лёгкие элементы, позволяя циклу нуклеосинтеза продолжаться. Гравитационные скопления объединялись в нити, оставляя между ними пустоты. Постепенно, скопления газа и пыли сливались, формируя первые примитивные галактики. Со временем они притягивали больше материи и часто объединялись в группы и скопления галактик, а затем в более крупные сверхскопления. Фундаментальной для структуры Вселенной является существование тёмной материи и тёмной энергии. В настоящее время считается, что они составляют её доминирующие компоненты, формируя 96% массы Вселенной. По этой причине значительные усилия направлены на понимание физики этих компонентов.

Экстрагалактическая астрономия

Изучение объектов за пределами нашей галактики — это раздел астрономии, посвященный формированию и эволюции галактик, их морфологии (описанию) и классификации, наблюдению активных галактик, а в большем масштабе — группам и скоплениям галактик. В конечном счете, последнее важно для понимания крупномасштабной структуры Вселенной. Как следует из названия, эллиптическая галактика имеет форму эллипса в поперечном сечении. Звезды движутся по случайным орбитам, без какого-либо предпочтительного направления. Эти галактики содержат мало или совсем нет межзвездной пыли, немного областей звездообразования и состоят преимущественно из старых звезд. Активная галактика — это объект, излучающий значительную часть своей энергии из источника, отличного от звезд, пыли и газа. Энергия исходит из компактной области в ядре, которая, как считается, является сверхмассивной черной дырой, излучающей энергию от поглощаемого вещества. Крупномасштабная структура Вселенной представлена группами и скоплениями галактик. Эта структура организована в иерархию группировок, крупнейшими из которых являются сверхскопления. Вещество формирует нити и стену, оставляя между ними обширные пустоты.

Галактическая астрономия

Солнечная система вращается вокруг Млечного Пути, спиральной галактики с перемычкой, являющейся заметным членом Местной группы галактик. Это вращающаяся масса газа, пыли, звёзд и других объектов, удерживаемых вместе взаимным гравитационным притяжением. Поскольку Земля находится в пыльных внешних рукавах, значительные части Млечного Пути скрыты от наблюдения. Между звёздами располагается межзвёздная среда – область разреженной материи. В наиболее плотных областях молекулярные облака молекулярного водорода и других элементов формируют области звездообразования. Они начинаются как компактные предзвёздные ядра или тёмные туманности, которые концентрируются и коллапсируют (в объёмах, определяемых длиной Джинса), образуя компактные протозвёзды. По мере формирования более массивных звёзд, они превращают облако в область H II (ионизированный атомный водород) – светящийся газ и плазму. Звёздный ветер и взрывы сверхновых в конечном итоге приводят к рассеиванию облака, часто оставляя после себя одно или несколько молодых рассеянных звёздных скоплений. Эти скопления постепенно рассеиваются, а звёзды присоединяются к звёздному населению Млечного Пути. Кинематические исследования материи в Млечном Пути и других галактиках показали, что масса превышает массу, объясняемую видимой материей. Гало тёмной материи, по-видимому, составляет основную часть массы, хотя природа этой тёмной материи остаётся невыясненной.

Звездная астрономия

Изучение звезд и звездной эволюции является фундаментальным для нашего понимания Вселенной. Астрофизика звезд была установлена благодаря наблюдениям и теоретическим представлениям, а также компьютерному моделированию их внутреннего строения. Образование звезд происходит в плотных областях пыли и газа, известных как гигантские молекулярные облака. При дестабилизации фрагменты облаков могут коллапсировать под действием гравитации, формируя протозвезду. Достаточно плотная и горячая область ядра запускает ядерный синтез, тем самым создавая звезду главной последовательности. Окончательная судьба звезды зависит от ее массы: звезды с массой более чем в восемь раз превышающей массу Солнца становятся сверхновыми с гравитационным коллапсом ядра, в то время как звезды меньшей массы сбрасывают внешние слои, оставляя после себя инертное ядро в виде белого карлика. Сброс внешних слоев формирует планетарную туманность. Остатком после сверхновой является плотная нейтронная звезда, или, если масса звезды была не менее чем в три раза больше массы Солнца, черная дыра. Тесно связанные двойные звезды могут проходить более сложные этапы эволюции, например, перенос массы на белого карлика-компаньона, что потенциально может привести к взрыву сверхновой. Планетарные туманности и сверхновые рассеивают "металлы", образовавшиеся в звезде в результате ядерного синтеза, в межзвездную среду; без них все новые звезды (и их планетные системы) формировались бы исключительно из водорода и гелия.

Солнечная астрономия

На расстоянии около восьми световых минут наиболее часто изучаемая звезда — Солнце, типичная карликовая звезда главной последовательности звездного класса G2 V, возрастом около 4,6 миллиарда лет (Gyr). Солнце не считается переменной звездой, но оно подвергается периодическим изменениям в активности, известным как цикл солнечных пятен. Это 11-летние колебания числа солнечных пятен. Солнечные пятна — это области с температурой ниже средней, связанные с интенсивной магнитной активностью. С момента своего формирования в качестве звезды главной последовательности яркость Солнца неуклонно увеличилась на 40%. Солнце также претерпевало периодические изменения в светимости, которые могут оказывать значительное влияние на Землю. Например, считается, что минимум Маундера вызвал феномен Малого ледникового периода в Средние века. В центре Солнца находится ядро — область с достаточной температурой и давлением для протекания ядерного синтеза. Над ядром располагается зона излучения, где плазма передает энергетический поток посредством излучения. Выше находится зона конвекции, где газообразное вещество переносит энергию главным образом посредством физического перемещения газа, известного как конвекция. Считается, что движение массы в зоне конвекции создает магнитную активность, генерирующую солнечные пятна.

Планетарная наука

Планетарная наука – это изучение совокупности планет, спутников, карликовых планет, комет, астероидов и других тел, обращающихся вокруг Солнца, а также экзопланет. Солнечная система была относительно хорошо изучена, сначала с помощью телескопов, а затем – космических аппаратов. Это позволило получить хорошее общее представление о формировании и эволюции планетарной системы Солнца, хотя многие новые открытия продолжают делаться. Солнечная система подразделяется на внутреннюю Солнечную систему (в свою очередь, на внутренние планеты и пояс астероидов), внешнюю Солнечную систему (в свою очередь, на внешние планеты и кентавры), кометы, транснептуновую область (в свою очередь, на пояс Койпера и рассеянный диск) и самые дальние области (например, границы гелиосферы и облако Оорта, которое может простираться на расстояние до светового года). Внутренние планеты земной группы состоят из Меркурия, Венеры, Земли и Марса. Внешние гигантские планеты – газовые гиганты (Юпитер и Сатурн) и ледяные гиганты (Уран и Нептун). Планеты сформировались 4,6 миллиарда лет назад в протопланетном диске, окружавшем молодое Солнце. В результате процессов, включавших гравитационное притяжение, столкновения и аккрецию, диск образовал сгустки вещества, которые со временем превратились в протопланеты. Радиационное давление солнечного ветра затем вытеснило большую часть неаккретировавшегося вещества, и только планеты с достаточной массой сохранили свою газовую атмосферу. Планеты продолжали поглощать или выбрасывать оставшееся вещество в период интенсивной бомбардировки, о чём свидетельствуют многочисленные ударные кратеры на Луне. В этот период некоторые протопланеты могли столкнуться, и одно из таких столкновений могло привести к образованию Луны. Когда планета достигает достаточной массы, материалы различной плотности разделяются внутри в процессе планетарной дифференциации. Этот процесс может сформировать каменистое или металлическое ядро, окружённое мантией и внешней корой. Ядро может содержать твёрдые и жидкие области, а ядра некоторых планет генерируют собственное магнитное поле, которое может защищать их атмосферу от сдувания солнечным ветром. Внутреннее тепло планеты или спутника образуется в результате столкновений, которые привели к формированию тела, распада радиоактивных материалов (например, урана, тория и 26Al) или приливного нагрева, вызванного взаимодействием с другими телами. Некоторые планеты и спутники накапливают достаточно тепла для запуска геологических процессов, таких как вулканизм и тектоника. Те, которые накапливают или сохраняют атмосферу, также могут подвергаться эрозии поверхности под воздействием ветра или воды. Меньшие тела, не подверженные приливному нагреву, остывают быстрее, и их геологическая активность прекращается, за исключением образования ударных кратеров.

Planetary science is the study of the assemblage of planets, moons, dwarf planets, comets, asteroids, and other bodies orbiting the Sun, as well as extrasolar planets. The Solar System has been relatively well studied, initially through telescopes and then later by spacecraft. This has provided a good overall understanding of the formation and evolution of the Sun's planetary system, although many new discoveries are still being made. The Solar System is divided into the inner Solar System (subdivided into the inner planets and the asteroid belt), the outer Solar System (subdivided into the outer planets and centaurs), comets, the trans Neptunian region (subdivided into the Kuiper belt, and the scattered disc) and the farthest regions (e. g., boundaries of the heliosphere, and the Oort Cloud, which may extend as far as a light year). The inner terrestrial planets consist of Mercury, Venus, Earth, and Mars. The outer giant planets are the gas giants (Jupiter and Saturn) and the ice giants (Uranus and Neptune). The planets were formed 4.6 billion years ago in the protoplanetary disk that surrounded the early Sun. Through a process that included gravitational attraction, collision, and accretion, the disk formed clumps of matter that, with time, became protoplanets. The radiation pressure of the solar wind then expelled most of the unaccreted matter, and only those planets with sufficient mass retained their gaseous atmosphere. The planets continued to sweep up, or eject, the remaining matter during a period of intense bombardment, evidenced by the many impact craters on the Moon. During this period, some of the protoplanets may have collided and one such collision may have formed the Moon. Once a planet reaches sufficient mass, the materials of different densities segregate within, during planetary differentiation. This process can form a stony or metallic core, surrounded by a mantle and an outer crust. The core may include solid and liquid regions, and some planetary cores generate their own magnetic field, which can protect their atmospheres from solar wind stripping. A planet or moon's interior heat is produced from the collisions that created the body, by the decay of radioactive materials (e. g. uranium, thorium, and 26Al), or tidal heating caused by interactions with other bodies. Some planets and moons accumulate enough heat to drive geologic processes such as volcanism and tectonics. Those that accumulate or retain an atmosphere can also undergo surface erosion from wind or water. Smaller bodies, without tidal heating, cool more quickly; and their geological activity ceases with the exception of impact cratering.

Междисциплинарные исследования

Астрономия и астрофизика развили значительные междисциплинарные связи с другими основными научными областями. Археоастрономия изучает древнюю или традиционную астрономию в ее культурном контексте, используя археологические и антропологические свидетельства. Астробиология – это наука о возникновении и эволюции биологических систем во Вселенной, с особым упором на возможность существования внеземной жизни. Астростатистика – это применение статистических методов к астрофизике для анализа огромных объемов наблюдательных астрофизических данных. Астрохимия – это изучение химических веществ, обнаруженных в космосе, включая их образование, взаимодействие и разрушение. Эти вещества обычно встречаются в молекулярных облаках, хотя они также могут присутствовать в холодных звездах, коричневых карликах и планетах. Космохимия изучает химические вещества, обнаруженные в Солнечной системе, включая происхождение элементов и изменения в соотношениях изотопов. Обе эти области представляют собой сочетание астрономии и химии. Наконец, методы астрономии, как в "судебной астрономии", применяются для решения задач истории искусства и иногда права.

Астрономия любителя

Астрономия – одна из наук, в которой любители могут внести наибольший вклад. Коллективно астрономы-любители наблюдают за разнообразными небесными объектами и явлениями, иногда используя оборудование потребительского уровня или оборудование, которое они изготавливают самостоятельно. Типичные объекты наблюдений астрономов-любителей включают Солнце, Луну, планеты, звезды, кометы, метеорные потоки и различные объекты глубокого космоса, такие как звездные скопления, галактики и туманности. Астрономические клубы существуют по всему миру, и многие из них предлагают программы, помогающие членам организовать и выполнить наблюдательные программы, в том числе программы наблюдения всех объектов каталогов Мессье (110 объектов) или Herschel 400 – каталогов интересных объектов ночного неба. Астрофотография, одна из областей любительской астрономии, включает в себя фотографирование ночного неба. Многие любители предпочитают специализироваться на наблюдении конкретных объектов, типов объектов или интересующих их событий. Большинство любителей работают в видимом диапазоне длин волн, но многие экспериментируют с длинами волн за пределами видимого спектра. Это включает использование инфракрасных фильтров на обычных телескопах, а также использование радиотелескопов. Пионером любительской радиоастрономии был Карл Янский, который начал наблюдения неба в радиодиапазоне в 1930-х годах. Многие астрономы-любители используют либо самодельные телескопы, либо радиотелескопы, изначально построенные для астрономических исследований, но впоследствии ставшие доступными для любителей (например, телескоп One Mile). Астрономы-любители продолжают вносить научный вклад в астрономию, и это одна из немногих научных дисциплин, где любители по-прежнему могут делать значимые открытия. Любители могут проводить измерения оккультации, используемые для уточнения орбит малых планет, открывать кометы и регулярно наблюдать за переменными звездами. Усовершенствования в цифровых технологиях позволили любителям добиться впечатляющих успехов в области астрофотографии.

Нерешенные проблемы в астрономии

В XXI веке в астрономии остаются важные нерешенные вопросы. Некоторые из них носят космический масштаб: например, что такое темная материя и темная энергия? Они определяют эволюцию и судьбу Вселенной, однако их истинная природа остается неизвестной. Какова будет конечная судьба Вселенной? Почему содержание лития во Вселенной в четыре раза меньше, чем предсказывает стандартная модель Большого взрыва? Другие вопросы касаются более конкретных явлений. Например, типична ли Солнечная система или атипична? Каково происхождение спектра масс звезд? То есть, почему астрономы наблюдают одно и то же распределение звездных масс – начальную функцию масс – вне зависимости от начальных условий? Также остаются вопросы о формировании первых галактик, происхождении сверхмассивных черных дыр, источнике ультравысокоэнергетических космических лучей и многого другого. Существует ли жизнь во Вселенной? В особенности, существует ли разумная жизнь? И если да, то как объяснить парадокс Ферми? Существование жизни в других местах имеет важные научные и философские последствия.