Astrofysiikka - Astrophysics
Astrofysiikka on tiede, joka käyttää fysiikan menetelmiä ja periaatteita tutkiessaan tähtitieteellisiä esineitä ja ilmiöitä. Kuten yksi kurinalaisuuden perustajista sanoi, astrofysiikka "pyrkii selvittämään taivaankappaleiden luonteen eikä niiden sijainnin tai liikkeen avaruudessa - mitä ne ovat, eikä missä ne ovat". Tutkituista aiheista ovat aurinko , muut tähdet , galaksit , aurinkokunnan ulkopuoliset planeetat , tähtienvälinen aine ja kosminen mikroaaltouuni . Näiden kohteiden päästöjä tutkitaan sähkömagneettisen spektrin kaikissa osissa , ja tutkittavia ominaisuuksia ovat kirkkaus , tiheys , lämpötila ja kemiallinen koostumus. Koska astrofysiikka on hyvin laaja aihe, astrofyysikot soveltavat käsitteitä ja menetelmiä monilta fysiikan aloilta, mukaan lukien klassinen mekaniikka , sähkömagnetismi , tilastollinen mekaniikka , termodynamiikka , kvanttimekaniikka , suhteellisuusteoria , ydin- ja hiukkasfysiikka sekä atomi- ja molekyylifysiikka .
Käytännössä nykyaikaiseen tähtitieteelliseen tutkimukseen liittyy usein huomattava määrä työtä teoreettisen ja havainnointifysiikan aloilla. Jotkut astrofyysikoiden tutkimusalueet sisältävät niiden yritykset määrittää pimeän aineen , pimeän energian , mustien aukkojen ja muiden taivaankappaleiden ominaisuudet ; ja maailmankaikkeuden alkuperä ja lopullinen kohtalo . Myös teoreettisten astrofyysikoiden tutkimia aiheita ovat aurinkokunnan muodostuminen ja kehitys ; tähtien dynamiikka ja kehitys ; galaksin muodostuminen ja kehitys ; magnetohydrodynamiikka ; suuren mittakaavan rakenne on asia maailmankaikkeudessa; kosmisten säteiden alkuperä ; yleinen suhteellisuusteoria , erityinen suhteellisuusteoria , kvantti- ja fysikaalinen kosmologia , mukaan lukien merkkijono -kosmologia ja astropartikkelifysiikka .
Historia
Tähtitiede on ikivanha tiede, joka on pitkään erotettu maanpäällisen fysiikan tutkimuksesta. Vuonna Aristoteleen maailmankuva, elinten taivaalla näytti olevan muuttumaton palloja jonka ainoa liike oli tasaisessa liikkeessä piirissä, kun taas maallinen maailma oli valtakunnassa joille on kasvu ja rappeutuminen ja jossa luonnollinen liike oli suoraviivaisesti ja päättyi, kun liikkuva kohde saavutti tavoitteensa . Näin ollen katsottiin, että taivaallinen alue koostui pohjimmiltaan erilaisesta aineesta kuin maanpäällisellä alueella; joko tuli Platonin ylläpitämänä tai Eether Aristotelesen ylläpitämänä . 1600 -luvun aikana luonnonfilosofit, kuten Galileo , Descartes ja Newton, alkoivat väittää, että taivaalliset ja maanpäälliset alueet on valmistettu samanlaisesta materiaalista ja että ne ovat samojen luonnonlakien alaisia . Heidän haasteensa oli, että työkaluja ei ollut vielä keksitty näiden väitteiden todistamiseksi.
Suuren osan yhdeksästoista vuosisadasta tähtitieteellinen tutkimus keskittyi rutiinityöhön tähtitieteellisten kohteiden sijaintien mittaamiseen ja liikkeiden laskemiseen. Uusi tähtitiede, jota pian kutsuttiin astrofysiikaksi, alkoi syntyä, kun William Hyde Wollaston ja Joseph von Fraunhofer havaitsivat itsenäisesti, että auringon hajottaessa havaittiin monia tummia viivoja (alueita, joissa valoa oli vähemmän tai ei lainkaan) on spektri . Vuoteen 1860 mennessä fyysikko Gustav Kirchhoff ja kemisti Robert Bunsen olivat osoittaneet, että auringon spektrin tummat viivat vastasivat kirkkaita viivoja tunnettujen kaasujen spektreissä, erityisiä viivoja, jotka vastaavat ainutlaatuisia kemiallisia elementtejä . Kirchhoff päätellä, että tummat viivat auringon spektrin aiheuttama absorptio , jonka alkuaineita Solar ilmakehässä. Tällä tavalla osoitettiin, että auringosta ja tähdistä löytyneet kemialliset elementit löytyivät myös Maasta.
Niistä, jotka laajensivat aurinko- ja tähtispektrien tutkimusta, oli Norman Lockyer , joka havaitsi vuonna 1868 auringon spektreissä säteileviä ja tummia viivoja. Työskennellessään kemisti Edward Franklandin kanssa tutkiakseen elementtien spektrejä eri lämpötiloissa ja paineissa hän ei voinut yhdistää keltaista viivaa aurinkospektrissä mihinkään tunnettuun elementtiin. Hän väitti siten, että linja edusti uutta elementtiä, jota kutsuttiin heliumiksi , kreikkalaisen Heliosin , Sunin personoituneena.
Vuonna 1885 Edward C.Pickering ryhtyi tähtitieteelliseen tähtiluokitukseen kunnianhimoisella ohjelmalla Harvard College Observatoriossa , jossa naispuolisten tietokoneiden ryhmä , erityisesti Williamina Fleming , Antonia Maury ja Annie Jump Cannon , luokitteli valokuvalevyille tallennetut spektrit. Vuoteen 1890 mennessä oli laadittu luettelo, jossa oli yli 10000 tähteä, jotka ryhmiteltiin kolmetoista spektrityyppiä. Pickeringin vision mukaisesti Cannon laajensi luettelon yhdeksään tilavuuteen ja yli neljännesmiljoonaan vuoteen 1924 mennessä kehittäen Harvardin luokitusjärjestelmän, joka hyväksyttiin maailmanlaajuiseen käyttöön vuonna 1922.
Vuonna 1895 George Ellery Hale ja James E.Keler perustivat yhdessä kymmenen aputoimittajan kanssa Euroopasta ja Yhdysvalloista The Astrophysical Journal: An International Review of Spectroscopy and Astronomical Physics . Lehden oli tarkoitus täyttää tähtitieteen ja fysiikan aikakauslehtien välinen aukko ja tarjota paikka julkaista artikkeleita spektroskoopin tähtitieteellisistä sovelluksista; tähtitieteelliseen fysiikkaan läheisesti liittyvä laboratoriotutkimus, mukaan lukien metallisten ja kaasumaisten spektrien aallonpituusmääritykset ja säteily- ja absorptiokokeet; Auringon, Kuun, planeettojen, komeettojen, meteorien ja sumujen teorioista; sekä teleskooppien ja laboratorioiden instrumentoinnista.
Noin 1920 jälkeen löytö Hertzsprungin-Russellin kaavio edelleen käyttää perustana luokittelussa tähdet ja niiden kehitys, Arthur Eddington odotettavissa löytämisen ja mekanismi ydinfuusion prosesseja tähdet , hänen paperin sisäinen perustuslaki Stars . Tuolloin tähtienergian lähde oli täydellinen mysteeri; Eddington arveli oikein, että lähde oli fuusio vetyä heliumiksi, vapauttaen valtavaa energiaa Einsteinin yhtälön E = mc 2 mukaan . Tämä oli erityisen merkittävä kehitys, koska tuolloin fuusiota ja ydinvoimaa ja jopa sitä, että tähdet koostuvat suurelta osin vedystä (katso metallisuus ), ei ollut vielä löydetty.
Vuonna 1925 Cecilia Helena Payne (myöhemmin Cecilia Payne-Gaposchkin ) kirjoitti Radcliffe Collegessa vaikutusvaltaisen väitöskirjan , jossa hän sovelsi ionisaatioteoriaa tähtien ilmakehään suhteuttaakseen spektriluokat tähtien lämpötilaan. Mikä tärkeintä, hän huomasi, että vety ja helium olivat tähtien pääkomponentteja. Eddingtonin ehdotuksesta huolimatta tämä löytö oli niin odottamaton, että hänen väitöskirjansa lukijat vakuuttivat hänet muuttamaan päätelmää ennen julkaisua. Myöhemmät tutkimukset kuitenkin vahvistivat hänen löydönsä.
1900-luvun loppuun mennessä tähtitieteellisten spektrien tutkimukset olivat laajentuneet kattamaan aallonpituudet, jotka ulottuvat radioaalloista optisten, röntgen- ja gamma-aallonpituuksien kautta. 2000 -luvulla se laajeni edelleen sisältämään gravitaatioaaltoihin perustuvia havaintoja .
Havainnoiva astrofysiikka
Havaintoastronomia on tähtitieteen osa, joka käsittelee tietojen tallentamista ja tulkintaa, toisin kuin teoreettinen astrofysiikka , joka keskittyy pääasiassa fyysisten mallien mitattavien vaikutusten selvittämiseen . Se on käytännössä tarkkailemalla taivaan kohteita käyttäen kaukoputket ja muut tähtitieteelliset laitteet.
Suurin osa astrofyysisistä havainnoista tehdään sähkömagneettisen spektrin avulla .
- Radioastronomia tutkii säteilyä, jonka aallonpituus on suurempi kuin muutama millimetri. Esimerkkejä tutkimusalueista ovat radioaallot , jotka yleensä lähettävät kylmät esineet, kuten tähtienväliset kaasu- ja pölypilvet; kosminen mikroaaltosäteily, joka on punasiirtynyt valo alkuräjähdyksestä ; pulsaarit , jotka havaittiin ensin mikroaaltojen taajuuksilla. Näiden aaltojen tutkimus vaatii erittäin suuria radioteleskooppeja .
- Infrapuna -tähtitiede tutkii säteilyä, jonka aallonpituus on liian pitkä ollakseen paljaalla silmällä näkyvissä, mutta lyhyempi kuin radioaaltoja. Infrapunahavainnot tehdään yleensä tuttujen optisten kaukoputkien kaltaisilla teleskoopeilla. Tähtiä kylmempiä kohteita (kuten planeettoja) tutkitaan normaalisti infrapunataajuuksilla.
- Optinen tähtitiede oli varhaisin tähtitieteen laji. Yleisimmin käytettyjä instrumentteja ovat teleskoopit, jotka on yhdistetty varauskytkettyyn laitteeseen tai spektroskooppeihin . Maapallon ilmakehä häiritsee jonkin verran optisia havaintoja, joten adaptiivista optiikkaa ja avaruusteleskooppeja käytetään parhaan mahdollisen kuvanlaadun saavuttamiseksi. Tällä aallonpituusalueella tähdet ovat hyvin näkyvissä, ja monia kemiallisia spektrejä voidaan havaita tähtien, galaksien ja sumujen kemiallisen koostumuksen tutkimiseksi .
- Ultravioletti- , röntgen- ja gammasäteilyn tähtitiede tutkii erittäin energisiä prosesseja, kuten binaarisia pulsseja , mustia aukkoja , magneetteja ja monia muita. Tällainen säteily ei tunkeudu hyvin maan ilmakehään. Sähkömagneettisen spektrin tämän osan havaitsemiseen käytetään kahta menetelmää- avaruuspohjaiset teleskoopit ja maanpäälliset kuvantamisilman Cherenkov-teleskoopit (IACT). Esimerkkejä ensimmäisen tyyppisistä observatorioista ovat RXTE , Chandra-röntgensäteilykeskus ja Comptonin gammasäteilykeskus . Esimerkkejä IACT: ista ovat High Energy Stereoscopic System (HESS) ja MAGIC -teleskooppi.
Sähkömagneettisen säteilyn lisäksi Maasta voidaan havaita vain muutamia asioita, jotka ovat peräisin suurilta etäisyyksiltä. Muutamia gravitaatioaaltojen observatorioita on rakennettu, mutta painovoima -aaltoja on erittäin vaikea havaita. Myös Neutrinon observatorioita on rakennettu ensisijaisesti Auringon tutkimiseksi. Maan ilmakehään voidaan havaita kosmisia säteitä, jotka koostuvat erittäin suuren energian hiukkasista.
Havainnot voivat myös vaihdella niiden aika -asteikolla. Useimmat optiset havainnot kestävät minuutteja tai tunteja, joten tätä nopeammin muuttuvia ilmiöitä ei voida havaita helposti. Joidenkin kohteiden historiallisia tietoja on kuitenkin saatavilla vuosisatojen tai vuosituhansien ajalta . Toisaalta radiohavainnot voivat tarkastella tapahtumia millisekunnin aikataulussa ( millisekuntinen pulssi ) tai yhdistää vuosien tiedot ( pulsarihidastuvuustutkimukset ). Näistä eri aikatauluista saadut tiedot ovat hyvin erilaisia.
Auringon tutkimisella on erityinen paikka havainnoivaan astrofysiikkaan. Kaikkien muiden tähtien valtavan etäisyyden vuoksi Aurinko voidaan havaita sellaisessa yksityiskohdassa, jota mikään muu tähti ei ole vertaansa vailla. Ymmärtämyksemme omasta auringostamme toimii oppaana ymmärryksestämme muista tähdistä.
Aihe kuinka tähdet muuttuvat tai tähtien evoluutiota mallinnetaan usein asettamalla tähtityyppien lajikkeet vastaaviin paikkoihinsa Hertzsprung -Russell -kaaviossa , jonka voidaan katsoa edustavan tähtikohteen tilaa syntymästä tuhoamiseen.
Teoreettinen astrofysiikka
Teoreettiset astrofyysikot käyttävät monenlaisia työkaluja, jotka sisältävät analyyttisiä malleja (esimerkiksi polytroopeja tähtien käyttäytymisen arvioimiseksi) ja laskennallisia numeerisia simulaatioita . Jokaisella on joitain etuja. Prosessin analyyttiset mallit ovat yleensä parempia antamaan tietoa tapahtumien ytimestä. Numeeriset mallit voivat paljastaa sellaisten ilmiöiden ja vaikutusten olemassaolon, joita ei muuten näkyisi.
Astrofysiikan teoreetikot pyrkivät luomaan teoreettisia malleja ja selvittämään näiden mallien havainnolliset seuraukset. Tämä auttaa tarkkailijoita etsimään tietoja, jotka voivat kumota mallin tai auttaa valitsemaan useiden vaihtoehtoisten tai ristiriitaisten mallien välillä.
Teoreetikot yrittävät myös luoda tai muokata malleja uusien tietojen huomioon ottamiseksi. Jos epäjohdonmukaisuus ilmenee, yleinen suuntaus on yrittää tehdä pieniä muutoksia malliin tietojen mukaiseksi. Joissakin tapauksissa suuri määrä epäjohdonmukaisia tietoja ajan myötä voi johtaa mallin täydelliseen hylkäämiseen.
Teoreettisten astrofysiikan tutkittuja aiheita ovat tähtien dynamiikka ja evoluutio; galaksin muodostuminen ja kehitys; magnetohydrodynamiikka; suuren mittakaavan aineen rakenne maailmankaikkeudessa; kosmisten säteiden alkuperä; yleinen suhteellisuusteoria ja fysikaalinen kosmologia, mukaan lukien merkkijono -kosmologia ja astropartikkelifysiikka. Astrofysiikan suhteellisuusteoria toimii työkaluna mittaamaan sellaisten suurten rakenteiden ominaisuuksia, joiden painovoimalla on merkittävä rooli tutkituissa fyysisissä ilmiöissä, ja perusta mustan aukon ( astro ) fysiikalle ja gravitaatioaaltojen tutkimukselle .
Joitakin laajalti hyväksyttyjä ja tutkittuja astrofysiikan teorioita ja malleja, jotka nyt sisältyvät Lambda-CDM-malliin , ovat alkuräjähdys , kosminen inflaatio , tumma aine, pimeä energia ja fysiikan perusteoriat.
Suosio
Astrofysiikan juuret löytyvät 1600 -luvulla syntyneestä yhtenäisestä fysiikasta, jossa samat lait pätevät taivaallisiin ja maanpäällisiin maailmoihin. Oli tutkijoita, jotka olivat päteviä sekä fysiikasta että tähtitieteestä ja jotka loivat vankan perustan nykyiselle astrofysiikan tieteelle. Nykyaikana opiskelijat ovat edelleen kiinnostuneita astrofysiikasta, koska Royal Astronomical Society ja sen merkittävät opettajat , kuten merkittävät professorit Lawrence Krauss , Subrahmanyan Chandrasekhar , Stephen Hawking , Hubert Reeves , Carl Sagan , Neil deGrasse Tyson ja Patrick Moore, suosivat astrofysiikkaa . Varhaisten, myöhäisten ja nykyisten tutkijoiden ponnistelut houkuttelevat edelleen nuoria opiskelemaan astrofysiikan historiaa ja tiedettä.
Katso myös
- Astrokemia
- Tähtitieteelliset observatoriot
- Tähtitieteellinen spektroskopia
- Astropartikkelifysiikka
- Gravitaatioaalto tähtitiede
- Hertzsprung -Russell -kaavio
- Korkean energian tähtitiede
- Tärkeitä astrofysiikan julkaisuja
- Luettelo tähtitieteilijöistä (sisältää astrofyysikot)
- Neutrino -tähtitiede (tulevaisuuden näkymät)
- Painovoimafysiikan ja suhteellisuusteorian aikajana
- Aikataulu tietoa galakseista, galaksiryhmistä ja laaja-alaisesta rakenteesta
- Aikajana valkoisista kääpiöistä, neutronitähdistä ja supernovista
Viitteet
Lue lisää
- Longair, Malcolm S. (2006), The Cosmic Century: A History of Astrophysics and Cosmology , Cambridge: Cambridge University Press, ISBN 978-0-521-47436-8
- Astrophysics Scholarpedia Asiantuntija -artikkelit
Ulkoiset linkit
Kirjastoresursseja noin Astrophysics |
- International Journal of Modern Physics D , World Scientific
- Kosminen matka: tieteellisen kosmologian historia American Institute of Physicsista
- Sir Harry Kroto, NL , Astrophysical Chemistry Lecture Series. 8 Freeview -luentoa Vega Science Trustilta.
- Stanfordin lineaarinen kiihdytinkeskus, Stanford, Kalifornia
- Avaruuden astrofysiikan ja kosmisen fysiikan instituutti
- Astrophysical Journal
- Astronomy and Astrophysics , Euroopan lehti
- Luettelo ja hakemisto vertaisarvioiduista Astronomy / Astrophysics Journals -lehdistä
- Maisteri tähtitieteessä ja astrofysiikassa
- Ned Wrightin kosmologian opetusohjelma, UCLA
- UNLV tähtitieteen ja astrofysiikan laitos
- Hot and Active Stars Research , astrofysiikan Philippe Steen kotisivu