Астрофизика. Что изучает эта наука?

Астрофизики стремятся понять Вселенную и наше место в ней

Фото: NASA
0

Астрофизика — это отрасль космической науки. Она применяет законы физики и химии для того, чтобы объяснить рождение, жизнь и смерть космических объектов. Таких, как звезды, планеты, галактики, туманности и других. Две родственные астрофизике науки — астрономия и космология. Грани между этими науками размыты.

В самом общем смысле особенности этих наук таковы:

    • Астрономия измеряет позиции, светимости, движения и другие характеристики космических объектов;
    • Астрофизика создает физические теории малых и средних структур во Вселенной;
    • Космология делает все это в отношении самых больших структур и Вселенной в целом.

На практике все эти три направления науки образуют сплоченную семью. На вопрос о положении туманности или о том, какой свет она излучает астроном ответит первым. Задайте вопрос, из чего состоит туманность и как она сформировалась, и астрофизик будет рад ответить вам. Спросите, как данные будут соответствовать формированию Вселенной, и космолог, вероятно, превзойдет их всех. Но будьте осторожны — по любому из этих вопросов двое или трое могут начать говорить одновременно!

Астрофизика и ее цели

Астрофизики стремятся понять Вселенную и наше место в ней. В НАСА так определяют цели астрофизики — «узнать, как работает Вселенная, исследовать то, как она началась и как эволюционировала, и искать жизнь на планетах вокруг других звезд», — говорится на веб-сайте агентства.

НАСА заявляет, что эти цели порождают три общих вопроса:

  • Как работает Вселенная?
  • Как мы здесь оказались?
  • Мы одни?

Все началось с Ньютона

Хотя астрономия — одна из старейших наук, теоретическая астрофизика началась с Исаака Ньютона. До Ньютона астрономы описывали движения небесных тел с использованием сложных математических моделей без физической основы. Ньютон показал, что одна и та же теория может одновременно объяснить и орбиты лун и планет в пространстве, и траекторию пушечного ядра на Земле. Это добавило к совокупности доказательств потрясающий вывод. Оказалось, что небеса и Земля подчиняются одним и тем же физическим законам.

Полностью отделило модель Ньютона от предыдущих теорий то, что она являлась прогностической и описательной. Основываясь на аберрациях орбиты Урана, астрономы предсказали положение новой планеты, которая впоследствии была обнаружена и получила название Нептун.

Вехи в астрофизике

Единственный способ изучения удаленных объектов — это наблюдение излучения, которое они производят. Поэтому большая часть астрофизики связана с построением теорий, объясняющих механизмы, производящие это излучение.

Астрофизика дает ученым идеи о том, как извлечь из этого максимально полезную информацию. Первые гипотезы о природе звезд возникли в середине XIX века. Это произошло в ходе развития появившейся тогда науки о спектральном анализе. Она производит наблюдение определенных частот света, которые отдельные вещества поглощают и выделяют при нагревании. Спектральный анализ остается и сейчас весьма существенным для триумвирата космических наук. Он используется как для исследований, так и для тестирования новых теорий.

Ранняя спектроскопия представила первые доказательства того, что звезды содержат вещества, также присутствующие и на Земле. Спектроскопия показала, что некоторые туманности являются полностью газообразными, а некоторые из них содержат звезды. Это позже помогло укрепить идею о том, что некоторые туманности вообще не были туманностями. Это были другие галактики!

Теория большого взрыва

В начале 1920-х годов астроном Сесилия Пейн, используя спектроскопию, обнаружила, что звезды состоят преимущественно из водорода (по крайней мере, до своей старости). Спектры звезд также позволили астрофизикам определить скорость, с которой они двигаются в сторону Земли. Подобно тому, как звук, который излучает автомобиль, отличается по частоте в зависимости от того, двигается ли он к нам или от нас, из-за допплеровского сдвига частоты спектры звезд будут меняться соответственно

В 1930-х годах, объединив допплеровский сдвиг и теорию общей теории относительности Эйнштейна, Эдвин Хаббл получил убедительные доказательства того, что Вселенная расширяется. Это также было предсказано теорией Эйнштейна и вместе составляет основу теории Большого Взрыва.

Также в середине 19-го века физики лорд Кельвин (Уильям Томсон) и Густав фон Гельмгольц предположили, что гравитационное сжатие может привести к усилению энергетики Солнца. Но в конце концов они поняли, что энергии, произведенной таким образом, хватит только на 100 000 лет. Пятьдесят лет спустя знаменитая формула Энштейна E = mc дала астрофизикам ключ к тому, каков истинный источник энергии звезд. Хотя, как оказалось, гравитационное сжатие также играет в этом процессе важную роль.

Когда ядерная физика, квантовая механика и физика частиц возникли в первой половине 20-го века, стало возможным сформулировать теории о том, как ядерный синтез может влиять на жизнь звезды. Эти теории описывают, как звезды формируются, живут и умирают. И успешно объясняют наблюдаемое распределение типов звезд, их спектров, светимостей, возрастов и других особенностей.

Физика звезд

Астрофизика — это физика звезд и других отдаленных тел во Вселенной. Но она также может работать и «близко к дому». Согласно теории Большого Взрыва, первые звезды почти полностью состояли из водорода. Процесс ядерного синтеза, который активировал их, заставил атомы водорода создать более тяжелый элемент — гелий. В 1957 году астрономическая группа Джеффри и Маргарет Бербидж вместе с физиками Уильямом Альфредом Фаулером и Фредом Хойлом показала, как по мере старения звезд они производят все более тяжелые и тяжелые элементы. Эти элементы передаются более поздним поколениям звезд во все большем количестве.

На заключительных этапах жизни старых звезд образуются элементы, обнаруженные на Земле. Такие как железо (32,1%), кислород (30,1%), кремний (15,1%). Одним из этих элементов является углерод. Он вместе с кислородом составляет основную массу всей живой материи, включая нас.

Таким образом, астрофизика говорит, что хотя мы не все являемся звездами, все мы — звездная пыль.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Комментировать

Войти с помощью: 

Этот сайт использует куки. Вы можете отказаться, если хотите Принять Прочитать больше

Живой космос cможет принять любую посещаемость благодаря кешированию WP Super Cache

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: