Что такое астрофизика?

В этой области исследуются такие темы, как рождение, жизнь и смерть звезд, планет, галактик, туманностей и других объектов во Вселенной. У нее есть две родственные науки, астрономия и космология, хотя границы между этими разделами могут размываться. Астрофизика создает физические теории объектов и структур малого и среднего размера во Вселенной. Астрономия измеряет положение, яркость, движение и другие характеристики небесных объектов. Космология охватывает крупнейшие структуры космоса и Вселенную в целом. На практике эти три поля образуют сплоченную семью.

Спросите о положении туманности или о том, какой свет она излучает, и астроном может ответить первым. Спросите, из чего состоит туманность и как она образовалась, и астрофизик сможет ответить. Спросите, как эти данные согласуются с формированием Вселенной, и космолог, вероятно, вмешается. Или они все могут вмешаться, чтобы изучить все три вопроса. Астрофизики стремятся понять Вселенную и наше место в ней.

В НАСА цели его астрофизической работы заключаются в том, чтобы «выяснить, как устроена Вселенная, исследовать, как она возникла и развивалась, и искать жизнь на планетах вокруг других звезд». НАСА заявляет, что его астрофизическая работа связана с тремя основными вопросами. В то время как астрономия является одной из старейших наук, теоретическая астрофизика началась с Исаака Ньютона.

До Ньютона астрономы описывали движение «небесных тел», как их тогда называли, используя сложные математические модели без физической основы. Ньютон показал, что единая теория, описывающая то, что мы теперь знаем как гравитацию, одновременно объясняет орбиты лун и планет в космосе и траекторию пушечного ядра на Земле. Это добавило массу доказательств для (тогда) поразительного вывода о том, что «небеса» и Земля подчиняются одним и тем же физическим законам.

Однако, возможно, что больше всего отличало модель Ньютона от предыдущих концепций, так это то, что его теория была как предсказательной, так и описательной. Основываясь на аберрациях на орбите Урана, астрономы предсказали положение новой планеты, которая затем была замечена и названа Нептуном. Мы не можем напрямую взаимодействовать с удаленными космическими объектами, но мы можем наблюдать свет, который они излучают, и большая часть астрофизики связана со светом и работой над объяснением механизмов, лежащих в его основе.

Первые идеи о природе звезд появились в середине 19 века в результате расцвета науки спектрального анализа, важнейшей основы космических наук, которая означает наблюдение за определенными частотами света, которые поглощают и излучают определенные вещества при нагревании. Ранняя спектроскопия предоставила первые доказательства того, что звезды содержат вещества, также присутствующие на Земле. Спектроскопия показала, что некоторые туманности являются чисто газообразными, в то время как другие содержат звезды. Это позже помогло закрепить идею о том, что некоторые туманности вовсе не были туманностями — это были другие галактики!

В начале 1920-х годов американский астроном и астрофизик Сесилия Пейн обнаружила с помощью спектроскопии, что звезды состоят преимущественно из водорода (по крайней мере, до их преклонного возраста). Изучая спектры звезд, астрофизики также смогли определить скорость, с которой они движутся к Земле или удаляются от Нее. Звук, издаваемый транспортным средством, отличается независимо от того, движется ли оно к нам или от нас, и свет оказывает аналогичный эффект из-за так называемого доплеровского сдвига, при котором спектры звезд меняются независимо от того, движутся ли они к нам или от нас. В 1930-х годах, объединив доплеровский сдвиг и общую теорию относительности Эйнштейна, Эдвин Хаббл предоставил убедительные доказательства того, что Вселенная расширяется. Это также предсказывается теорией Эйнштейна и вместе составляет основу теории Большого взрыва.

В середине 19 века физики Лорд Кельвин (Уильям Томсон) и Густав фон Гельмгольц предположили, что гравитационный коллапс может привести в действие Солнце, но в конце концов поняли, что энергии, полученной таким образом, хватит только на 100 000 лет. Пятьдесят лет спустя знаменитое уравнение Эйнштейна E=mc2 дало астрофизикам первый ключ к пониманию того, чем может быть этот источник энергии (хотя оказывается, что гравитационный коллапс действительно играет важную роль).

По мере развития областей ядерной физики, квантовой механики и физики элементарных частиц в первой половине 20-го века стало возможным сформулировать теории о том, как ядерный синтез может приводить в действие звезды. Эти теории описывают, как звезды формируются, живут и умирают, и они успешно объяснили наблюдаемое распределение различных типов звезд, их спектры, яркость, возраст и другие характеристики.

Согласно теории Большого взрыва, первые звезды были почти полностью водородными. Процесс ядерного синтеза, который заряжает их энергией, сталкивает атомы водорода, образуя более тяжелый элемент гелий. В 1957 году команда астрономов мужа и жены Маргарет и Джеффри Бербидж вместе с физиками Уильямом Альфредом Фаулером и Фредом Хойлом показали, как по мере старения звезды производят все более тяжелые элементы, которые они передают последующим поколениям звезд во все больших количествах.

Только на завершающих стадиях жизни более поздних звезд образуются элементы, составляющие Землю, такие как железо (32,1 процента), кислород (30,1 процента) и кремний (15,1 процента). Другим из этих элементов является углерод, который вместе с кислородом составляет основную массу всех живых существ, включая нас. Вот почему вы, возможно, слышали, как астрофизики говорят, что все мы сделаны из звездной пыли, поскольку мы являемся формами жизни на основе углерода.

Если вы мечтаете изучать звезды, знайте, что для того, чтобы стать астрофизиком, требуются годы наблюдений, обучения и работы. Но вы можете начать в любом возрасте, например, вступая в астрономический клуб, посещая местные астрономические мероприятия, посещая бесплатные онлайн-курсы по астрономии и астрофизике и следя за новостями в этой области. Астрофизики могут работать на правительство, в университетских лабораториях и, иногда, в частных организациях.