Книга: Популярный звездочет

Астрофизика

Астрофизика

Астрофизика – наука на стыке астрономии и физики, главными предметами изучения являются физические процессы в астрономических объектах, таких как звезды, галактики и т. д. Физические свойства материи на самых больших масштабах и появление Вселенной изучает космология.

Галактика Андромеды в ультрафиолетовых лучах.

Два представления оптического спектра: сверху «естественное» (видимое в спектроскопе), снизу – как зависимость интенсивности от длины волны. Показан комбинированный спектр излучения солнца. Отмечены линии поглощения бальмеровской серии водорода.

Астрофизика – это учение о строении небесных тел. А именно химическом строении и физических свойствах Солнца, планет, комет туманностей. Астрофизика включает в себя спектральный анализ, фотографию и фотометрию (помимо обычных астрономических наблюдений). Спектроскопический анализ составляет область, которую правильнее было бы назвать астрохимией, поскольку в ней изучается химический состав небесных тел. Фотометрия и фотография выделяют собой такие области как астрофотография и астрофотометрия. Астрофизика не является классической астрономией. Также она носит название «небесная механика». Астрофизика – это исследование небесных тел исходя из телескопических наблюдений за этими телами. В 1865 году Целльнером предложено название для этой науки – астрофизика. Астрофизические обсерватории работают пока только в некоторых странах, их немного. Например, знаменитые Потсдамская и Медонская обсерватории. Нас будет интересовать тот раздел астрофизики, который называется астроспектроскопия (приложение спектрального анализа к изучению небесных тел).

Спиральная галактика M 81

Солнечная корона во время солнечного затмения 1999 года

Внегалактическая астрономия: гравитационное линзирование.

Это изображение показывает несколько голубых петлеобразных объектов, которые являются многократными изображениями одной галактики, размноженными из-за эффекта гравитационной линзы от скопления желтых галактик возле центра фотографии. Линза создана гравитационным полем скопления, которое искривляет световые лучи, что ведет к увеличению и искажению изображения более далекого объекта.

Кирхгоф, изобретатель спектрального анализа, еще в 1859 году предпринял исследование спектра Солнца. Результатом этого исследования стал рисунок солнечного спектра, с помощью которого стало возможным определение химического состава солнечной атмосферы. Раньше до Киргхофа высказывались об анализе солнечного атмосферы посредством спектроскопа, а также о присутствии в ней натрия. Эти предположения высказывали Фуко (Париж) и Стоксом (Кембридж). А Огюст Конт вообще выражал мнение, что изучение Солнца с целью выяснения его химического состава невозможны, это было незадолго до исследований Кирхгофа, хотя уже в 1815 году Фраунгофер знал о существовании темных линий в Спектре солнца и некоторых других звезд. Спустя некоторое время после Кирхгофа спектральным анализом занялся ряд других астрономов. Среди них были Ангстром, Секки (установивший четыре типа звездных спектров), Геггинс (которому удалось установить существование двух типов туманностей – звездных, состоящих из куч звезд и газообразных, в отношении которых можно предполагать, что они находятся еще только на стадии образования). Геггинс, Локьер (Англия), Жансен (Франция), Фогель (Германия), Таккини (Италия), Гассельберг и другие астрономы сделали обширные исследования, дающие понять глубже о том, что происходит с химическим составом нашего Солнца и его верхних слоев атмосферы. С 1868 года спектроскоп стал изучать собственное движение звезд (по мысли Геггинса). Эти наблюдения сейчас производятся в Гринвичской обсерватории. Лежащий в основе этих измерений, принцип Доплера, был уже несколько раз проверен экспериментально. Он помог Локьеру установить гипотезу о сложности химических элементов. Эти спектроскопические исследования дали много весьма важных фактов в руку астроному, это помогло уяснить происхождение и развитие звезд и солнечной системы. Астрофизика большими шагами идет вперед, и следует помнить, что благодаря этой науке космогоническая теория станет более точной и правдоподобной.

Радиотелескоп РТФ-32. Обсерватория «Зеленчукская» Северный Кавказ

Астрофизика – это наблюдение объектов в электромагнитных лучах. Исследованию подвергаются как прямые изображения, полученные на различных длинах волн, так и электромагнитные спектры принимаемого излучения.

Радиоастрономия изучает излучения на длинах волн в диапазоне от нескольких миллиметров до десятков метров и далее. Источником радиоволн служат такие холодные объекты, как межзвездный газ, пылевые облака, пульсары (впервые обнаруженные в микроволновом диапазоне), далекие радиогалактики и квазары. Реликтовое излучение также является предметом изучения радиоастрономии. Наблюдения весьма часто проходят с использованием интерферометров.

Инфракрасная астрономия – это изучение на волнах, находящихся в промежутке между радиоизлучением и видимым светом. Обычно такие наблюдения проводятся посредством обычных оптических телескопов. Наблюдаемые объекты обычно являются не очень теплыми телами – планеты, межзвездная пыль.

Оптическая астрономия – это старейшая область астрофизики. В настоящий момент в ней применяются телескопы с ПЗС-матрицами в качестве приемников изображения. Применяются спектрографы. Земная атмосфера накладывает свой отпечаток на изображение, поэтому для устранения этого эффекта используется адаптивная оптика и спекл-интерферометрия, а также выведение телескопов за пределы земной атмосферы в космическое пространство. В этом диапазоне хорошо видны звезды и планетарные туманности, что позволяет изучать их химическое строение и расположение.

Ультрафиолетовая астрономия, рентгеновская астрономия и гамма-астрономия изучают объекты, в которых проходят процессы с образованием высокоэнергетических частиц. Такими объектами являются двойные пульсары, черные дыры, магнетары и многие другие объекты. Земная атмосфера служит помехой для наблюдения в этой части спектра (не является прозрачной). Поэтому наблюдения проходят либо посредством космических телескопов (обсерватории RXTE, Chandra, CGRO) либо земных с наблюдением черенковского эффекта (H.E.S.S., телескоп Magic).

С Земли наблюдаются также и другие типы излучения. Например, это гравитационные волны. Создание нейтринных обсерваторий позволяет наблюдать термоядерные процессы в центре Солнца. Также с помощью этого оборудования стало возможным изучение удаленных объектов, таких как сверхновая SN1987a. Столкновения высокоэнергетических частиц с земной атмосферой становятся объектами наблюдений ученых.

Наблюдения различаются также по продолжительности. Оптические наблюдения в основном проводятся выдержками порядка минут или часов. А в некоторых проектах, таких как Tortora, производится наблюдения с выдержкой менее секунды. А в других проектах наблюдение может продолжаться недели (напр. Глубокие хаббловские поля). Мониторинг пульсаров длится менее секунды, а наблюдение эволюции некоторых объектов может занимать сотни лет.

Солнце звезда особенная. Она ближе всего расположена к Земле и поэтому может быть изучена в мельчайших деталях. Его изучение дает основу для изучения других звезд.

Теоретическая астрофизика включает в себя аналитические методы, численное моделирование для изучения различных астрофизических явлений, построения их моделей и теорий. Полученные данные могут быть перепроверены вновь полученными данными.

Объектом исследований теоретической астрофизики являются, например:

? Физика межзвездной среды

? Эволюция звезд и их строение.

? Физика черных дыр

? Звездная динамика

? Эволюция галактик

? Крупномасштабная структура Вселенной

? Магнитогидродинамика

? Космология (Модель