Астрофизика

Экспертиза РАН

Проводится экспертиза
Российской Академией Наук

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

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.

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 жёлтых галактик возле центра фотографии. Линза создана гравитационным полем скопления, которое искривляет световые лучи, что ведёт к увеличению и искажению изображения более далёкого объекта.

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, Такини в Италии, Гассельберг 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

Радиотелескоп РТФ-32
РАО «Зеленчукская»
Северный Кавказ

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 астрофизических явлений, 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:

Литература

Алиев, А. С. Фундаментальные проблемы в астрофизике / А. С. Алиев // Современные научные исследования и разработки. – 2018. – № 3(20). – С. 658-664;
Белов, Е. А. Астрофизика : учеб. для астрофизиков : крабовид. туманность, чер. дыра / Е. А. Белов ; Е. А. Белов. – Москва : Компания Спутник+, 2004. – 184 с.;
Избранные вопросы теоретической физики и астрофизики : Сб. науч. тр., посвящ. 70-летию В. Б. Беляева / Объед. ин-т ядер. исслед. Лаб. теорет. физики им. Н. Н. Боголюбова ; [Сост. и ред. А. К. Мотовилов, Ф. М. Пеньков]. – Дубна : Объед. ин-т ядер. исслед., 2003. – 166, [1] с.;
Мартынов Д. Я. Курс общей астрофизики. — М.: Наука, 1988. — 640 с.
Нохрина, Е. Е. Цилиндрические релятивистские и нерелятивистские течения в астрофизике : специальность 01.04.02 "Теоретическая физика" : диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук / Нохрина Елена Евгеньевна. – Москва, 2010. – 86 с.;
Штерн Б. Е., Рубаков В. А. Астрофизика. Троицкий вариант. — М.: АСТ, 2020. — 368 с. — ISBN 978-5-17-111648-4.;
Фильченков М. Л. Гравитация, астрофизика, космология [Текст] : дополнительные главы курса общей физики / М. Л. Фильченков, С. В. Копылов, В. С. Евдокимов. - Изд. 2-е, испр. - Москва : Книжный дом "ЛИБРОКОМ", cop. 2010. - 100, [1] с.
Longair, Malcolm S. (2006), The Cosmic Century: A History of Astrophysics and Cosmology, Cambridge: Cambridge University Press, ISBN 978-0-521-47436-8, <https://archive.org/details/cosmiccenturyhis0000long>

Дополнительная литература

Балабин, И. В. Гравитация и свет, как основа гео- и астрофизики / И. В. Балабин // Инженерная физика. – 2022. – № 12. – С. 3-7;
Бескин, В. С. Гравитация и астрофизика / В. С. Бескин ; В. С. Бескин ; Физический ин-т им. П. Н. Лебедева РАН, Учеб.-науч. комплекс. – Москва : ФИАН, 2006. – 133 с.;
Бескин, В. С. Об ударной волне в основании нерелятивистских струйных выбросов в окрестности молодых звезд / В. С. Бескин, Е. Е. Нохрина // Астрономический журнал. – 2010. – Т. 87, № 8. – С. 800-811;
Джилкибаев, Ж. А. Черенковские детекторы в нейтринной астрофизике высоких энергий / Ж. А. А. М. Джилкибаев, Г. В. Домогацкий, О. В. Суворова // Успехи физических наук. – 2015. – Т. 185, № 5. – С. 531-539;
Закутняя, О. Астрофизика высоких энергий / О. Закутняя // В мире науки. – 2010. – № 3. – С. 87;
Кропотина, Ю. А. Математическое моделирование в астрофизике : учебное пособие в 2 частях / Ю. А. Кропотина. – Санкт-Петербург‌ : санкт, 2023. – 96 с.;
Новиков, И. Д. Многокомпонентная Вселенная и астрофизика кротовых нор / И. Д. Новиков, Н. С. Кардашев, А. А. Шацкий // Успехи физических наук. – 2007. – Т. 177, № 9. – С. 1017-1022;
Пенионжкевич, Ю. Э. Экзотические ядра в астрофизике / Ю. Э. Пенионжкевич // Физика элементарных частиц и атомного ядра. – 2012. – Т. 43, № 4. – С. 876-915;
Смагин, А. Г. Физика, астрофизика, философия / А. Г. Смагин ; А. Г. Смагин. – Москва : Воентехиниздат, 2007. – 90 с.;
Тржасковская, М. Б. Атомные данные для астрофизики / М. Б. Тржасковская, В. К. Никулин, Н. А. Гущина ; М. Б. Тржасковская, В. К. Никулин, Н. А. Гущина. – Гатчина : Изд-во ПИЯФ, 2007. – 20 с. – (Препринт / Российская акад. наук, Петербургский ин-т ядерной физики им. Б. П. Константинова).

Ссылки

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