астрофизика

Астрофизика – это отрасль космической науки, которая применяет законы физики и химии, для того, чтобы объяснить рождение, жизнь и смерть звезд, планет, галактик, туманностей и других объектов во Вселенной. 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. Спросите, например, о положении туманности или о том, какой свет она излучает, и астроном ответит первым. Спросите, 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!

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 веб-сайте агентства .

НАСА заявляет, что эти цели порождают три общих вопроса:

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

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 о том, 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.

Поскольку единственный способ взаимодействия с удаленными объектами – это наблюдать излучение, которое они производят, большая часть астрофизики связана с построением теорий, объясняющих механизмы, которые производят это излучение, и дает идеи о том, как извлечь из этого максимально полезную информацию. Первые идеи о природе звезд возникли в середине XIX века от процветающей тогда науки о спектральном анализе, производящей наблюдение определенных частот света, которые отдельные вещества поглощают и выделяют при нагревании. Спектральный анализ остается весьма существенным для триумвирата космических наук, как для исследований, так и для тестирования новых теорий.

Ранняя спектроскопия дала первое доказательство того, что звезды содержат вещества, также присутствующие и на Земле. Спектроскопия показала, что некоторые туманности являются чисто газообразными, а некоторые содержат звезды. Это позже помогло укрепить идею о том, что некоторые туманности вообще не были туманностями – это были другие галактики!

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 или наоборот. Подобно тому, как звук, который излучает автомобиль, отличается по частоте в зависимости от того, двигается ли он к нам или от нас 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 дал 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 гравитационный коллапс может привести к усилению Солнца, но в конце концов поняли, что энергии, произведенной таким образом, хватит только на 100 000 лет. Пятьдесят лет спустя знаменитая Энштейновская формула E = mc дала астрофизикам ключ к тому, каков истинный источник энергии звезд (хотя, как оказалось, гравитационный коллапс так же играет в этом важную роль). Поскольку ядерная физика, квантовая механика и физика частиц выросли 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.

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 были 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 показали, как, по мере старения звезд, они производят все более тяжелые и тяжелые элементы, которые 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, который вместе с кислородом составляют основную массу всей живой материи, включая нас. Таким образом, астрофизика говорит нам, что хотя мы не все являемся звездами, все мы – звездная пыль.

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *