Астрофизика: Природа небесных тел и применение физики в астрономии.

Введение

Раздел астрономии, использующий физику для определения природы астрономических объектов. Астрофизика – это наука, применяющая методы и принципы физики и химии в изучении астрономических объектов и явлений. Как сказал один из основателей этой дисциплины, Джеймс Килер, астрофизика «стремится установить природу небесных тел, а не их положение или движение в пространстве – что они собой представляют, а не где они находятся». Среди изучаемых объектов – Солнце (солнечная физика), другие звезды, галактики, экзопланеты, межзвездная среда и космический микроволновый фон. Излучение от этих объектов исследуется во всех диапазонах электромагнитного спектра, при этом изучаются такие свойства, как светимость, плотность, температура и химический состав. Поскольку астрофизика – чрезвычайно широкая область, астрофизики применяют концепции и методы из различных областей физики, включая классическую 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. К областям исследований астрофизиков относятся попытки определить свойства темной материи, темной энергии, черных дыр и других небесных тел, а также происхождение и конечную судьбу Вселенной. В XVII веке естествоиспытатели, такие как Галилей, Декарт и Ньютон, стали утверждать, что небесные и земные области состоят из схожих материалов и подчиняются одним и тем же законам природы. На протяжении большей части XIX века астрономические исследования были сосредоточены на рутинной работе по измерению положений и вычислению движений астрономических объектов. Новая астрономия, вскоре получившая название астрофизики, начала формироваться, когда Уильям Хайд Волластон и Йозеф фон Фраунгофер независимо друг от друга обнаружили, что при разложении солнечного света в спектре наблюдается множество темных линий (областей с меньшей или отсутствующей освещенностью). К 1860 году физик Густав Кирхгоф и химик Роберт Бунзен показали, что темные линии в солнечном спектре соответствуют ярким линиям в спектрах известных газов, причем конкретные линии соответствуют уникальным химическим элементам. Кирхгоф предположил, что темные линии в солнечном спектре вызваны поглощением химическими элементами в солнечной атмосфере. Таким образом было доказано, что химические элементы, обнаруженные на Солнце и звездах, также присутствуют на Земле. Норман Локьер, расширивший изучение солнечных и звездных спектров, в 1868 году обнаружил в солнечных спектрах как излучающие, так и темные линии. Работая с химиком Эдвардом Франклендом над исследованием спектров элементов при различных температурах и давлениях, он не смог соотнести желтую линию в солнечном спектре с каким-либо известным элементом. В результате он предположил, что эта линия представляет новый элемент, названный гелием в честь греческого бога Солнца – Гелиоса. В 1885 году Эдвард К. Пикеринг начал масштабную программу спектральной классификации звезд в обсерватории Гарвардского колледжа, в которой группа женщин-вычислительниц, в частности Уильямина Флеминг, Антония Мори и Энни Джамп Каннон, классифицировала спектры, зарегистрированные на фотографических пластинах. К 1890 году был подготовлен каталог, содержащий данные более чем о 10 000 звезд, сгруппированных по тринадцати спектральным типам. Продолжая работу Пикеринга, к 1924 году Каннон расширила каталог до девяти томов, включив более четверти миллиона звезд, и разработала Гарвардскую систему классификации, которая была принята для всемирного использования в 1922 году. В 1895 году Джордж Эллери Хейл и Джеймс Э. Килер вместе с группой из десяти редакторов из Европы и США основали журнал «The Astrophysical Journal: An International Review of Spectroscopy and Astronomical Physics». Предполагалось, что журнал заполнит пробел между журналами по астрономии и физике, предоставив площадку для публикации статей о применении спектроскопии в астрономии, о лабораторных исследованиях, тесно связанных с астрофизикой (включая определение длин волн металлических и газообразных спектров и эксперименты по излучению и поглощению), о теориях Солнца, Луны, планет, комет, метеоров и туманностей, а также об инструментах для телескопов и лабораторий. В то время источник звездной энергии оставался полной загадкой; Эддингтон правильно предположил, что источником является термоядерный синтез водорода в гелий, высвобождающий огромное количество энергии в соответствии с уравнением Эйнштейна E = mc². Это было особенно замечательным открытием, поскольку в то время сам термоядерный синтез и термоядерная энергия, а также тот факт, что звезды в основном состоят из водорода (см. металличность), еще не были открыты. В 1925 году Сесилия Хелена Пейн (впоследствии Сесилия Пейн-Гапочкин) написала влиятельную докторскую диссертацию в Радклифском колледже, в которой применила теорию ионизации Сахи к звездным атмосферам, чтобы установить связь между спектральными классами и температурой звезд. Наиболее важным ее открытием стало то, что водород и гелий являются основными компонентами звезд, а не Земли. Несмотря на предположение Эддингтона, это открытие было настолько неожиданным, что научные руководители диссертации (включая Рассела) убедили ее изменить вывод перед публикацией. Однако последующие исследования подтвердили ее открытие. К концу XX века изучение астрономических спектров расширилось и охватило диапазоны длин волн от радиоволн до оптического, рентгеновского и гамма-излучения. В XXI веке оно еще больше расширилось, включив наблюдения, основанные на гравитационных волнах.

Subfield of astronomy
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.

Наблюдательная астрофизика

Наблюдательная астрономия — это раздел астрономической науки, занимающийся записью и интерпретацией данных, в отличие от теоретической астрофизики, которая в основном сосредоточена на определении измеримых следствий физических моделей. Это практика наблюдения небесных объектов с использованием телескопов и другого астрономического оборудования. Большинство астрофизических наблюдений проводятся с использованием электромагнитного спектра. Радиоастрономия изучает излучение с длиной волны более нескольких миллиметров. Примерами областей исследования являются радиоволны, обычно излучаемые холодными объектами, такими как межзвездный газ и пылевые облака; космическое микроволновое фоновое излучение, представляющее собой красное смещение света от Большого взрыва; пульсары, которые впервые были обнаружены в микроволновом диапазоне. Для изучения этих волн требуются очень большие радиотелескопы. Инфракрасная астрономия изучает излучение с длиной волны, слишком большой для видимости невооруженным глазом, но меньшей, чем у радиоволн. Инфракрасные наблюдения обычно проводятся с помощью телескопов, аналогичных привычным оптическим телескопам. Объекты, более холодные, чем звезды (например, планеты), обычно изучаются в инфракрасном диапазоне. Оптическая астрономия была самым ранним видом астрономии. Наиболее распространенными инструментами являются телескопы, оснащенные ПЗС-матрицами или спектроскопами. Атмосфера Земли несколько искажает оптические наблюдения, поэтому для получения максимально возможного качества изображения используются адаптивная оптика и космические телескопы. В этом диапазоне длин волн звезды хорошо видны, и можно наблюдать множество химических спектров для изучения химического состава звезд, галактик и туманностей. Ультрафиолетовая, рентгеновская и гамма-лучевая астрономия изучают высокоэнергетические процессы, такие как двойные пульсары, черные дыры, магнетары и многие другие. Эти виды излучения плохо проникают сквозь атмосферу Земли. Для наблюдения этой части электромагнитного спектра используются два метода: космические телескопы и наземные изобразительные телескопы Черенкова (IACT). Примерами обсерваторий первого типа являются RXTE, рентгеновская обсерватория Chandra и гамма-лучевая обсерватория Compton. Примерами IACT являются Высокоэнергетическая стереоскопическая система (H.E.S.S.) и телескоп MAGIC. Помимо электромагнитного излучения, с Земли можно наблюдать лишь немногие явления, происходящие на больших расстояниях. Было построено несколько обсерваторий гравитационных волн, но обнаружение гравитационных волн чрезвычайно сложно. Также построены нейтринные обсерватории, в основном для изучения Солнца. Космические лучи, состоящие из частиц очень высокой энергии, могут достигать атмосферы Земли. Наблюдения могут различаться по временному масштабу. Большинство оптических наблюдений занимают от нескольких минут до нескольких часов, поэтому явления, изменяющиеся быстрее, чем это, трудно наблюдать. Однако существуют исторические данные по некоторым объектам, охватывающие века или тысячелетия. С другой стороны, радио наблюдения могут изучать события в миллисекундном масштабе (миллисекундные пульсары) или объединять данные, накопленные в течение многих лет (исследования замедления пульсаров). Информация, полученная в этих разных временных масштабах, существенно различается. Изучение Солнца занимает особое место в наблюдательной астрофизике. Благодаря огромному расстоянию до всех остальных звезд, Солнце можно наблюдать с такой детализацией, которая недоступна ни для одной другой звезды. Понимание Солнца служит ориентиром для понимания других звезд. Вопрос об изменении звезд, или звездной эволюции, часто моделируется путем размещения различных типов звезд в соответствующих позициях на диаграмме Герцшпрунга — Рассела, которую можно рассматривать как отражение состояния звездного объекта от рождения до гибели.

Observational astronomy is a division of the astronomical science that is concerned with recording and interpreting data, in contrast with theoretical astrophysics, which is mainly concerned with finding out the measurable implications of physical models. It is the practice of observing celestial objects by using telescopes and other astronomical apparatus. The majority of astrophysical observations are made using the electromagnetic spectrum. Radio astronomy studies radiation with a wavelength greater than a few millimeters. Example areas of study are radio waves, usually emitted by cold objects such as interstellar gas and dust clouds; the cosmic microwave background radiation which is the redshifted light from the Big Bang; pulsars, which were first detected at microwave frequencies. The study of these waves requires very large radio telescopes. Infrared astronomy studies radiation with a wavelength that is too long to be visible to the naked eye but is shorter than radio waves. Infrared observations are usually made with telescopes similar to the familiar optical telescopes. Objects colder than stars (such as planets) are normally studied at infrared frequencies. Optical astronomy was the earliest kind of astronomy. Telescopes paired with a charge coupled device or spectroscopes are the most common instruments used. The Earth's atmosphere interferes somewhat with optical observations, so adaptive optics and space telescopes are used to obtain the highest possible image quality. In this wavelength range, stars are highly visible, and many chemical spectra can be observed to study the chemical composition of stars, galaxies, and nebulae. Ultraviolet, X ray and gamma ray astronomy study very energetic processes such as binary pulsars, black holes, magnetars, and many others. These kinds of radiation do not penetrate the Earth's atmosphere well. There are two methods in use to observe this part of the electromagnetic spectrum—space based telescopes and ground based imaging air Cherenkov telescopes (IACT). Examples of Observatories of the first type are RXTE, the Chandra X ray Observatory and the Compton Gamma Ray Observatory. Examples of IACTs are the High Energy Stereoscopic System (H. E. S. S.) and the MAGIC telescope. Other than electromagnetic radiation, few things may be observed from the Earth that originate from great distances. A few gravitational wave observatories have been constructed, but gravitational waves are extremely difficult to detect. Neutrino observatories have also been built, primarily to study the Sun. Cosmic rays consisting of very high energy particles can be observed hitting the Earth's atmosphere. Observations can also vary in their time scale. Most optical observations take minutes to hours, so phenomena that change faster than this cannot readily be observed. However, historical data on some objects is available, spanning centuries or millennia. On the other hand, radio observations may look at events on a millisecond timescale (millisecond pulsars) or combine years of data (pulsar deceleration studies). The information obtained from these different timescales is very different. The study of the Sun has a special place in observational astrophysics. Due to the tremendous distance of all other stars, the Sun can be observed in a kind of detail unparalleled by any other star. Understanding the Sun serves as a guide to understanding of other stars. The topic of how stars change, or stellar evolution, is often modeled by placing the varieties of star types in their respective positions on the Hertzsprung–Russell diagram, which can be viewed as representing the state of a stellar object, from birth to destruction.

Теоретическая астрофизика

Теоретические астрофизики используют широкий спектр инструментов, включающий аналитические модели (например, политропы для приближенного описания поведения звезды) и вычислительные численные симуляции. Каждый подход имеет свои преимущества. Аналитические модели процесса, как правило, лучше позволяют понять суть происходящего. Численные модели способны выявить явления и эффекты, которые иначе остались бы незамеченными. Теоретики-астрофизики стремятся создавать теоретические модели и определять их наблюдательные следствия. Это помогает наблюдателям искать данные, которые могут опровергнуть модель или помочь в выборе между несколькими альтернативными или противоречивыми моделями. Теоретики также пытаются разрабатывать или модифицировать модели с учетом новых данных. В случае несоответствия, общая тенденция – вносить минимальные изменения в модель для достижения соответствия с данными. Однако, накопление большого объема противоречивых данных со временем может привести к полному отказу от модели. К темам, изучаемым теоретическими астрофизиками, относятся звездная динамика и эволюция; образование и эволюция галактик; магнитогидродинамика; крупномасштабная структура материи во Вселенной; происхождение космических лучей; общая теория относительности и физическая космология, включая струнную космологию и астрочастичную физику. Релятивистская астрофизика служит инструментом для оценки свойств крупномасштабных структур, в которых гравитация играет значительную роль в исследуемых физических явлениях, а также является основой для (астрофизики) черных дыр и изучения гравитационных волн. Некоторые широко признанные и изучаемые теории и модели в астрофизике, теперь включенные в ΛCDM-модель, включают Большой взрыв, космическую инфляцию, темную материю, темную энергию и фундаментальные теории физики.

Популяризация

Корни астрофизики лежат в XVII веке, когда сформировалась единая физика, в рамках которой одни и те же законы действовали как в небесной, так и в земной сферах. Именно ученые, владевшие как физикой, так и астрономией, заложили прочный фундамент современной астрофизики. В наши дни студентов по-прежнему привлекает астрофизика благодаря ее популяризации Королевским астрономическим обществом и выдающимся педагогам, таким как известные профессора Лоуренс Краусс, Субрахманьян Чандрасекар, Стивен Хокинг, Хьюберт Ривз, Карл Саган и Патрик Мур. Усилия ученых прошлых лет, современников и предшественников продолжают привлекать молодежь к изучению истории и науки астрофизики. Телевизионный комедийный сериал "Теория Большого взрыва" популяризировал астрофизику среди широкой публики, представив таких известных ученых, как Стивен Хокинг и Нил де Грасс Тайсон.