Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено из Теоретической астрофизики )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Эта статья об использовании физики для определения природы астрономических объектов. Об использовании физики для определения их положения и движений см. Небесная механика . Для физического изучения крупномасштабных структур Вселенной см. Физическая космология . Для журнала см. Астрофизика (журнал) .

Астрофизика - это наука, использующая методы и принципы физики для изучения астрономических объектов и явлений. [1] [2] Среди изучаемых предметов - Солнце , другие звезды , галактики , внесолнечные планеты , межзвездная среда и космический микроволновый фон . [3] [4] 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 . [3] 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 [ править ]

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 . [5][6] В 17 веке натурфилософы, такие как Галилей , [7] Декарт , [8] и Ньютон [9], начали утверждать, что небесные и земные области сделаны из одинаковых видов материалов и подвержены одним и тем же естественным воздействиям. законы . [10] Их проблема заключалась в том, что еще не были изобретены инструменты, с помощью которых можно было бы доказать эти утверждения. [11]

На протяжении большей части девятнадцатого века астрономические исследования были сосредоточены на рутинной работе по измерению положения и вычислению движения астрономических объектов. [12] [13] 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 образуется множество темных линий (областей, где было меньше или отсутствие света) в спектре не наблюдались . [14] К 1860 году физик Густав Кирхгоф и химик Роберт Бунзен продемонстрировали, что темные линиив солнечном спектре соответствовали ярким линиям в спектрах известных газов, специфическим линиям, соответствующим уникальным химическим элементам . [15] Кирхгофа вывод , что темные линии в солнечном спектре вызваны поглощением с помощью химических элементов в атмосфере Солнца. [16] 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. [17] [18]

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 [19].

В 1895 году Джордж Эллери Хейл и Джеймс Э. Киллер вместе с группой из десяти младших редакторов из Европы и США [20] учредили «Астрофизический журнал: международный обзор спектроскопии и астрономической физики» . [21] 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. [20]

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 . [22] [23] В то время источник звездной энергии был полной загадкой; Эддингтон правильно предположил, что источником был синтез водорода в гелий, высвобождающий огромную энергию в соответствии с уравнением Эйнштейна E = 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. [24]

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. [25] Что наиболее важно, она обнаружила, что водород и гелий были основными 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. [26]

К концу 20-го века исследования астрономических спектров расширились, чтобы охватить длины волн, простирающиеся от радиоволн до оптических, рентгеновских и гамма-волн. [27] В 21 веке он расширился и стал включать наблюдения, основанные на гравитационных волнах .

Наблюдательная астрофизика [ править ]

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 .

  • Радиоастрономия изучает излучение с длиной волны более нескольких миллиметров. Примеры областей исследования: радиоволны , обычно излучаемые холодными объектами, такими как межзвездные газовые и пылевые облака; космическое микроволновое фоновое излучение, которое представляет собой красный смещенный свет от Большого взрыва ; пульсары , которые впервые были обнаружены на микроволновых частотах. Для изучения этих волн требуются радиотелескопы очень большого размера .
  • Инфракрасная астрономия изучает излучение с длиной волны, которая слишком велика, чтобы быть видимой невооруженным глазом, но короче радиоволн. Инфракрасные наблюдения обычно производятся с помощью телескопов, похожих на известные оптические телескопы. Объекты холоднее звезд (например, планеты) обычно изучаются в инфракрасном диапазоне.
  • Оптическая астрономия была самым ранним видом астрономии. Чаще всего используются телескопы в сочетании с устройством с зарядовой связью или спектроскопы . Земная атмосфера мешает несколько с оптическими наблюдениями, так адаптивная оптика и космические телескопы используются для получения максимально возможного качества изображения. В этом диапазоне длин волн звезды хорошо видны, и можно наблюдать многие химические спектры для изучения химического состава звезд, галактик и туманностей .
  • Ультрафиолетовая , рентгеновская и гамма-астрономия изучает очень энергичные процессы, такие как двойные пульсары , черные дыры , магнетары и многие другие. Эти виды излучения плохо проникают в атмосферу Земли. Для наблюдения за этой частью электромагнитного спектра используются два метода - космические телескопы и наземные воздушные черенковские телескопы для получения изображений (IACT). Примерами обсерваторий первого типа являются RXTE , рентгеновская обсерватория Чандра и гамма-обсерватория Комптона . Примеры IACT:Стереоскопическая система высоких энергий (HESS) и телескоп MAGIC .

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 высокой энергии, 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 нашего собственного Солнца служит руководством к нашему 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 [ править ]

Смотрите также: Теоретическая астрономия

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. [28] [29]

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 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 [ править ]

Корни астрофизики можно найти в появлении в семнадцатом веке единой физики, в которой одни и те же законы применялись к небесной и земной сферам. [10] 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 иПатрик Мур . Усилия ранних, поздних и нынешних ученых продолжают привлекать молодых людей к изучению истории и науки астрофизики. [30] [31] [32]

См. Также [ править ]

  • Астрохимия
  • Астрономические обсерватории
  • Астрономическая спектроскопия
  • Физика астрономических частиц
  • Гравитационно-волновая астрономия
  • Диаграмма Герцшпрунга – Рассела
  • Астрономия высоких энергий
  • Важные публикации по астрофизике
  • Список астрономов (включая астрофизиков)
  • Нейтринная астрономия (перспективы на будущее)
  • Хронология гравитационной физики и теории относительности
  • Хронология знаний о галактиках, скоплениях галактик и крупномасштабной структуре
  • Хронология белых карликов, нейтронных звезд и сверхновых

Ссылки [ править ]

  1. ^ Маоз, Дэн. Астрофизика в двух словах . Издательство Принстонского университета. п. 272.
  2. ^ «астрофизика» . Merriam-Webster, Incorporated. Архивировано 10 июня 2011 года . Проверено 22 мая 2011 .
  3. ^ a b "Основные направления - наука НАСА" . nasa.gov .
  4. ^ «астрономия» . Британская энциклопедия .
  5. ^ Ллойд, Германия (1968). Аристотель: рост и структура его мысли . Кембридж: Издательство Кембриджского университета. С.  134–135 . ISBN 978-0-521-09456-6.
  6. ^ Корнфорд, Фрэнсис Макдональд (ок. 1957) [1937]. «Космология Платона»: « Тимей Платона» переведен с постоянным комментарием . Индианаполис: Bobbs Merrill Co., стр. 118.
  7. ^ Галилей, Галилей (1989-04-15), Ван Хелден, Альберт (редактор), Сидереус Нунций или Сидерический вестник , Чикаго: University of Chicago Press (опубликовано в 1989 году), стр 21, 47, ISBN 978-0-226-27903-9
  8. ^ Эдвард Словик (2013) [2005]. «Физика Декарта» . Стэнфордская энциклопедия философии . Проверено 18 июля 2015 .
  9. ^ Westfall, Ричард С. (1983-04-29), Never at Rest: Биография Исаака Ньютона , Кембридж: Cambridge University Press (опубликовано в 1980 г.), стр.  731-732 , ISBN 978-0-521-27435-7
  10. ^ a b Burtt, Эдвин Артур (2003) [Впервые опубликовано в 1924 г.], Метафизические основы современной науки (второе исправленное издание), Mineola, NY: Dover Publications, стр. 30, 41, 241–2, ISBN 978-0-486-42551-1
  11. ^ Ладислав Kvasz (2013). «Галилей, Декарт и Ньютон - основатели языка физики» (PDF) . Институт философии Академии наук Чешской Республики . Проверено 18 июля 2015 . Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  12. ^ Случай, Стивен (2015), « „ Наземные знаки вселенной“: Джон Гершель на фоне позиционной астрономии», Анналы науки , 72 (4): 417-434, Bibcode : 2015AnSci..72..417C , DOI : 10,1080 / 00033790.2015.1034588 , PMID 26221834 , Подавляющее большинство астрономов, работавших в начале девятнадцатого века, не интересовались звездами как физическими объектами. Звезды не были телами с физическими свойствами, которые нужно было исследовать, они рассматривались как маркеры, измеряемые с целью построения точного, подробного и точного фона, на котором можно было бы нанести на карту движения Солнца, Луны и планет, в первую очередь для наземных приложений.
  13. ^ Доннелли, Кевин (сентябрь 2014), «О скуке науки: астрометрии в девятнадцатом веке» , Британский журнал по истории науки , 47 (3): 479-503, DOI : 10,1017 / S0007087413000915
  14. ^ Hearnshaw, JB (1986). Анализ звездного света . Кембридж: Издательство Кембриджского университета. С. 23–29. ISBN 978-0-521-39916-6.
  15. ^ Кирхгоф, Густав (1860), "Ueber die Fraunhofer'schen Linien" , Annalen der Physik , 185 (1): 148–150, Bibcode : 1860AnP ... 185..148K , doi : 10.1002 / andp.18601850115
  16. ^ Кирхгофа, Густав (1860), "Ueber дас Verhältniss Zwischen дем Emissionsvermögen унд дем Absorptionsvermögen дер Körper für Wärme унд Licht" , Annalen дер Physik , 185 (2): 275-301, Bibcode : 1860AnP ... 185..275K , DOI : 10.1002 / andp.18601850205
  17. ^ Cortie, AL (1921), "Сэр Локьер, 1836 - 1920", The Astrophysical Journal , 53 : 233-248, Bibcode : 1921ApJ .... 53..233C , DOI : 10,1086 / 142602
  18. ^ Дженсен, Уильям Б. (2004), «Почему гелий заканчивается в« -ium » » (PDF) , Журнал химического образования , 81 (7): 944–945, Bibcode : 2004JChEd..81..944J , doi : 10.1021 / ed081p944
  19. ^ Hetherington, Norriss S .; McCray, W. Patrick , Weart, Spencer R. (ed.), Spectroscopy and the Birth of Astrophysics , Американский институт физики, Центр истории физики, архивировано с оригинала 7 сентября 2015 г. , получено 19 июля 2015 г.
  20. ^ Б Hale, Джордж Эллери (1895), "The Astrophysical Journal", Астрофизический журнал , 1 (1): 80-84, Bibcode : 1895ApJ ..... 1 ... 80H , DOI : 10,1086 / 140011
  21. ^ Астрофизический журнал . 1 (1).
  22. ^ Эддингтон, AS (октябрь 1920), "Внутренняя Конституция Звезд" , Научная Месячный , 11 (4): 297-303, Bibcode : 1920Sci .... 52..233E , DOI : 10.1126 / science.52.1341 .233 , JSTOR 6491 , PMID 17747682  
  23. Перейти ↑ Eddington, AS (1916). «О радиационном равновесии звезд» . Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 77 : 16–35. Bibcode : 1916MNRAS..77 ... 16E . DOI : 10.1093 / MNRAS / 77.1.16 .
  24. ^ Маккракен, Гарри; Стотт, Питер (01.01.2013). Маккракен, Гарри; Стотт, Питер (ред.). Fusion (Второе изд.). Бостон: Academic Press. п. 13. DOI : 10.1016 / b978-0-12-384656-3.00002-7 . ISBN 978-0-12-384656-3. Эддингтон понял, что если четыре атома водорода объединятся в один атом гелия, произойдет потеря массы. Эквивалентность массы и энергии Эйнштейна напрямую привела к предположению, что это может быть долгожданный процесс, который производит энергию в звездах! Это было вдохновенное предположение, тем более примечательное, что структура ядра и механизмы этих реакций не были полностью изучены.
  25. ^ Пейн, CH (1925), Звездные атмосферы; Вклад в наблюдательное исследование высоких температур в обратных слоях звезд (докторская диссертация), Кембридж, Массачусетс: Колледж Рэдклиффа , Bibcode : 1925PhDT ......... 1P
  26. ^ Haramundanis, Кэтрин (2007), "Пейн-Gaposchkin [Payne], Сесилия Елены" , в хоккей, Томас; Тримбл, Вирджиния ; Уильямс, Томас Р. (ред.), Биографическая энциклопедия астрономов , Нью-Йорк: Спрингер, стр. 876–878, ISBN 978-0-387-30400-7, получено 19 июля 2015 г.
  27. ^ Бирманн, Питер Л .; Фальке, Хейно (1998), «Границы астрофизики: итоги семинара», в Panvini, Robert S .; Вейлер, Томас Дж. (Ред.), « Фундаментальные частицы и взаимодействия: границы современной физики», серия международных лекций и семинаров. Материалы конференции AIP , 423 , Американский институт физики, стр. 236–248, arXiv : astro-ph / 9711066 , Bibcode : 1998AIPC..423..236B , doi : 10.1063 / 1.55085 , ISBN 1-56396-725-1
  28. ^ Рот, H. (1932), "медленно Договаривающийся или расширяющаяся жидкость Сферы и его стабильность", Physical Review , 39 (3): 525-529, Bibcode : 1932PhRv ... 39..525R , DOI : 10,1103 / PhysRev .39,525
  29. ^ Эддингтон, AS (1988) [1926], Внутренняя конституция звезд , Нью-Йорк: Cambridge University Press, ISBN 978-0-521-33708-3, PMID  17747682
  30. ^ Д. Марк Мэнли (2012). «Известные астрономы и астрофизики» . Кентский государственный университет . Проверено 17 июля 2015 .
  31. ^ Команда science.ca (2015). «Хьюберт Ривз - астрономия, астрофизика и космические науки» . Исследовательское общество GCS . Проверено 17 июля 2015 .
  32. ^ "Нил де Грасс Тайсон" . Планетарий Хайдена . 2015 . Проверено 17 июля 2015 .

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Лонгэр, Малкольм С. (2006), Космический век: история астрофизики и космологии , Кембридж: Издательство Кембриджского университета, ISBN 978-0-521-47436-8
  • Статьи экспертов Astrophysics Scholarpedia

Внешние ссылки [ править ]

Библиотечные ресурсы по
астрофизике
  • Интернет-книги
  • Ресурсы в вашей библиотеке
  • Ресурсы в других библиотеках
  • Международный журнал современной физики D от World Scientific
  • Космическое путешествие: история научной космологии от Американского института физики.
  • Профессор сэр Гарри Крото, Н.Л. , Серия лекций по астрофизической химии. 8 бесплатных лекций, предоставленных Vega Science Trust.
  • Стэнфордский центр линейных ускорителей, Стэнфорд, Калифорния
  • Институт космической астрофизики и космической физики
  • Астрофизический журнал
  • Астрономия и астрофизика, европейский журнал
  • Список и каталог рецензируемых журналов по астрономии / астрофизике
  • Магистр наук в области астрономии и астрофизики
  • Учебник по космологии Неда Райта, Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе
  • Отделение астрономии и астрофизики UNLV
  • Hot and Active Stars Research , домашняя страница астрофизика Филиппа Сти