Астрофи́зика (от др.-греч. ἀστήρ — «звезда, светило» и φυσικά — «природа») — раздел астрономии , использующий принципы физики и химии , который изучает физические процессы в астрономических объектах, таких как звёзды , галактики , экзопланеты и т. д. Физические свойства материи в самых больших масштабах и возникновение Вселенной изучает космология .

Астрофизика — учение о строении небесных тел. Астрофизика занимается изучением физических свойств и (наряду с космохимией ) химического состава Солнца , планет, комет или звёзд и туманностей . Главные экспериментальные методы астрофизики: спектральный анализ , фотография и фотометрия вместе с обыкновенными астрономическими наблюдениями. Спектроскопический анализ составляет область, которую принято называть астрохимией или химией небесных тел , так как главные указания, даваемые спектроскопом, касаются химического состава изучаемых астрономических объектов . Фотометрические и фотографические исследования выделяются иногда в особые области астрофотографии и астрофотометрии . Само название астрофизики существует с 1865 года и предложено Цёлльнером .

В практике, современные астрономические исследования часто включают значительную работу в области теоретической и наблюдательной физики. Некоторые области изучения астрофизики включают в себя попытки описать свойства тёмной материи , тёмной энергии , чёрных дыр и других астрономических объектов; определить, возможны путешествия во времени или нет, существуют ли кротовые норы и мультивселенные ; узнать происхождение и будущее Вселенной .

Астроспектроскопия

Астроспектроскопия — раздел астрофизики, который состоит из приложения спектрального анализа к изучению небесных тел.

Первые исследования спектра Солнца были предприняты одним из изобретателей спектрального анализа, Кирхгофом , в 1859 г. Результатом этих исследований был рисунок солнечного спектра , из которого можно было определить уже с большой точностью химический состав солнечной атмосферы . Раньше Кирхгофа высказывались только иногда отдельные предположения о возможности анализа солнечной атмосферы посредством спектроскопа и в особенности о существовании на Солнце натрия вследствие найденной в спектре его тёмной линии D натрия. Такие предположения высказывались, напр., Фуко в Париже, Стоксом в Кембридже. Между тем ещё незадолго до этого Огюст Конт высказал в своей «Положительной философии» убеждение в невозможности когда бы то ни было узнать химический состав небесных тел, хотя уже в 1815 г. Фраунгофер знал о существовании тёмных линий в спектре Солнца и о существовании характеристических спектров у некоторых отдельных звёзд: Сириуса , Капеллы , Бетельгейзе , Проциона , Поллукса . После первых исследований Кирхгофа спектральным анализом небесных тел занялись с большим усердием несколько астрофизиков, которые вскоре представили чрезвычайно обстоятельные исследования спектров Солнца и неподвижных звёзд. Ангстром изготовил чрезвычайно точный атлас солнечного спектра, Секки произвёл обозрение большого числа звёзд посредством спектроскопа и установил четыре типа звёздных спектров, Хаггинс начал ряд исследований над спектрами отдельных ярких звёзд. Область применения спектроскопа постепенно расширялась. Хаггинсу удалось наблюдать спектр некоторых туманностей и подтвердить уже неопровержимым образом предположение о существовании двух типов туманностей — звёздных, состоящих из куч звёзд, которые при достаточной оптической силе инструмента могут быть разложены на звёзды, и газообразных, действительных туманностей, относительно которых можно предполагать, что они находятся в фазе образования отдельных звёзд путём постепенного сгущения их вещества. С середины 60-х годов XIX века изучение поверхности Солнца посредством спектроскопа во время затмений и вне их вошло в состав непрерывных наблюдений, производящихся в настоящее время во многих обсерваториях. Хаггинс , Локьер в Англии , Жансен во Франции , Фогель в Германии , в Италии , в России и др. дали обширные исследования, уяснившие строение верхних слоёв солнечной атмосферы (см. Солнце ). В то же время с 1868 года по мысли Хаггинса спектроскоп был применён и к исследованию собственных движений звёзд по направлению луча зрения посредством измерения перемещений линий их спектров, которые в настоящее время также производятся систематически в Гринвичской обсерватории . Принцип Доплера , лежащий в основании этих измерений, был уже несколько раз проверен экспериментально измерениями перемещений солнечного спектра и послужил Локьеру в его измерениях к установлению его гипотезы о сложности химических элементов. Спектры комет, падающих звёзд, метеоритов, исследованные разными астрономами, а в последнее время в особенности Локьером, дали уже много весьма важных фактов в руки астроному, и в значительной степени послужили уяснению происхождения и развития звёзд и солнечной системы. Тем не менее, время существования этой области знания не позволяет пока делать точные выводы о долговременных эволюционных изменениях химического состава материи в масштабе галактики, поскольку факторы влияния (смены поколений звёзд — выгорания термоядерного топлива) не описаны количественно.

Наблюдательная астрофизика

Основная часть данных в астрофизике получается по наблюдению объектов в электромагнитных лучах . Исследуются как прямые изображения, полученные на различных длинах волн , так и электромагнитные спектры принимаемого излучения .

• Радиоастрономия изучает излучения в диапазоне длин волн от 0.1 мм до 100 м . Радиоволны испускаются, например: такими холодными объектами как межзвёздный газ и пылевые облака ; Реликтовым излучением , являющимся отголоском Большого Взрыва ; Пульсарами , впервые обнаруженными в микроволновом диапазоне; Далёкими радиогалактиками и квазарами . Для наблюдений в радиодиапазоне требуются телескопы очень больших размеров. Зачастую наблюдения проводятся с использованием интерферометров и сетей РСДБ .
• Инфракрасная астрономия изучает излучение на волнах, находящихся в промежутке между радиоизлучением и видимым светом. Наблюдения в этой области спектра обычно производятся на телескопах , подобных обычным оптическим телескопам . Наблюдаемые объекты обычно холоднее звёзд : планеты , межзвёздная пыль .
• Оптическая астрономия является старейшей областью астрофизики. На сегодняшний день основными инструментами являются телескопы с ПЗС-матрицами в качестве приёмников изображения. Так же часто производятся наблюдения с помощью спектрографов . Ограничение на наблюдения в оптическом диапазоне накладывает дрожание земной атмосферы , мешающее наблюдениям на больших телескопах. Для устранения этого эффекта и получения максимально чёткого изображения используются различные методы, такие как адаптивная оптика , спекл-интерферометрия , а также выведение телескопов в космическое пространство за пределы атмосферы . В этом диапазоне хорошо видны звёзды и планетарные туманности , что позволяет изучать в том числе их расположение и химическое строение .
• Ультрафиолетовая астрономия , рентгеновская астрономия и гамма-астрономия (астрофизика) изучают объекты, в которых происходят процессы с образованием высокоэнергетических частиц . К таким объектам относятся двойные пульсары , чёрные дыры , магнетары и многие другие объекты. Для излучения в этой части спектра земная атмосфера является непрозрачной. Поэтому существуют два метода наблюдения — наблюдения с космических телескопов (обсерватории RXTE , Chandra и CGRO ) и наблюдения черенковского эффекта в земной атмосфере ( H.E.S.S. , телескоп MAGIC ).

Другие типы излучения также могут наблюдаться с Земли. Было создано несколько обсерваторий в попытках наблюдения гравитационных волн. Созданы нейтринные обсерватории , позволившие прямыми наблюдениями доказать наличие термоядерных реакций в центре Солнца. С помощью этих детекторов также изучались удалённые объекты, такие как сверхновая SN1987a. Исследования высокоэнергетических частиц производятся по наблюдениям их столкновений с земной атмосферой, порождающих ливни элементарных частиц.

Наблюдения также могут различаться по продолжительности. Большинство оптических наблюдений производится с выдержками порядка минут или часов. Однако, в некоторых проектах, таких как Tortora, производятся наблюдения с выдержкой менее секунды. Тогда как в других общее время экспозиции может составлять недели (например, такая выдержка использовалась при наблюдении глубоких хаббловских полей). Более того, наблюдения пульсаров могут производиться с временем экспозиции в миллисекунды, а наблюдения эволюции некоторых объектов могут занимать сотни лет, включая изучение исторических материалов.

Изучению Солнца отводится отдельное место. Из-за огромных расстояний до других звёзд, Солнце является единственной звездой, которая может быть изучена в мельчайших деталях. Изучение Солнца даёт основу для изучения других звёзд.

Теоретическая астрофизика

Теоретическая астрофизика использует как аналитические методы , так и численное моделирование для изучения различных , построения их моделей и теорий . Подобные модели, построенные из анализа наблюдательных данных, могут быть проверены с помощью сравнения теоретических предсказаний и вновь полученных данных. Также наблюдения могут помочь в выборе одной из нескольких альтернативных теорий.

Некоторые широко изучаемые теории астрофизики сейчас включены в модель Лямбда-CDM ( Большой взрыв , инфляционная модель Вселенной , тёмная материя, тёмная энергия и фундаментальные физические теории).

Объектом исследований теоретической астрофизики являются, например:

• Формирование и эволюция Солнечной системы
• Звёздная динамика и эволюция
• Возникновение и эволюция галактик
• Магнитная гидродинамика
• Масштабная структура вселенной
• Происхождение космических лучей
• Общая теория относительности
• Физическая космология , включая теорию струн и физику астрочастиц .

Литература

• Фильченков М. Л., Копылов С. В., Евдокимов В. С. Курс общей физики: дополнительные главы.
• Мартынов Д. Я. Курс общей астрофизики. — М.: Наука, 1988. — 640 с.
• (2006), , Cambridge: Cambridge University Press, ISBN 978-0-521-47436-8
• Штерн Б. Е. , Рубаков В. А. Астрофизика. Троицкий вариант. — М.: АСТ, 2020. — 368 с. — ISBN 978-5-17-111648-4 .

Ссылки

• // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб. , 1890—1907.
• Иванов В. В . от 3 марта 2022 на Wayback Machine