Что такое астрофизика: определение и значение
Любителям космоса, привет!
Всякий раз, когда вы смотрите на Вселенную и записываете то, что видите, вы занимаетесь одной из древнейших наук: астрономией.
Точно так же всякий раз, когда вы исследуете, как работает физическое явление во Вселенной — в квантовом, классическом или космическом масштабе — в том числе путем выяснения или применения законов, которые им управляют, вы занимаетесь научной физикой.
Каждое из этих месторождений, которым уже тысячи лет, долгое время считалось независимым друг от друга.
В то время как физика применима только к обыденным наблюдениям и экспериментам, которые мы можем проводить на Земле, астрономия вместо этого исследовала царство небесное.
Однако сегодня мы в целом признаем, что правила, управляющие Вселенной, не меняются от одного места к другому — они такие же на Земле, как и повсюду, а также всегда во Вселенной.
Какими бы способами мы их ни измеряли, законы природы кажутся одинаковыми во всех точках времени и пространства и, похоже, не меняются.
Таким образом, астрофизика — это совпадение астрономии с физикой: мы изучаем всю Вселенную и все, что в ней, применяя к ним всю мощь законов физики.
В каком-то смысле это основной способ, с помощью которого мы — существа, рожденные в этой Вселенной, — можем учиться и узнавать, откуда мы все произошли.
Вот история о том, что такое астрофизика.
Одной из величайших загадок 1500-х годов было то, как планеты двигались по-видимому ретроградно. Это можно объяснить либо с помощью геоцентрической модели Птолемея (слева), либо с помощью гелиоцентрической модели Коперника (справа). Однако получить детали с произвольной точностью никто не мог.
На протяжении тысячелетий люди наблюдали за небом, пытаясь отслеживать различные объекты, их ежедневные и годовые (и не только) движения, одновременно ища закономерности, в которые они могли бы вписаться.
Однако не было никакой связи с физическими законами, которые мы открывали здесь, на Земле, от вавилонян, древних греков, персов, римлян, османов и других народов.
Даже Галилею, прославившемуся как своими физическими экспериментами, так и астрономическими наблюдениями, так и не удалось связать их воедино.
Когда дело доходило до движения небесных объектов, это в основном рассматривалось как философская, теологическая или идеологическая проблема, а не научная.
Йоханнес Кеплер (Johannes Kepler) подошел вплотную, поскольку он пришел к наиболее точному описанию движения тел в пределах нашей Солнечной системы.
Три закона Кеплера, которые:
- планеты вращаются вокруг Солнца по эллипсам, в одном из фокусов которых находится Солнце;
- если вы заштриховали область, очерченную планетой, находящейся на орбите вокруг Солнца, она всегда очертила равные площади за равное время,
- и что период орбиты планеты, возведенный в квадрат, пропорционален ее большой полуоси, возведенной в куб,
были получены эмпирическим путем, а это означает, что они были получены на основе только наблюдений, а не имели за собой более глубокого смысла.
Несмотря на успехи в описании движения планет, достижения Кеплера не были основаны на физических законах, управляющих Вселенной.
Тихо Браге (Tycho Brahe) провел одни из лучших наблюдений Марса до изобретения телескопа, и работа Кеплера во многом использовала эти данные. Здесь наблюдения Браге за орбитой Марса, особенно во время ретроградных эпизодов, предоставили изысканное подтверждение теории эллиптической орбиты Кеплера.
Астрофизика как наука родилась только с приходом Исаака Ньютона (Isaac Newton).
К тому времени, когда Ньютон приобрел известность, движение объектов на Земле под воздействием гравитации, вызывающей ускорение нашей планеты, изучалось уже около столетия.
Однако огромный прогресс, достигнутый Ньютоном, заметно отличал его от всех его современников и предшественников: сформулированное им «правило» о том, как объекты притягиваются друг к другу — закон всемирного тяготения Ньютона — не просто применимо к объектам на Земле.
Скорее, они универсально применялись ко всем объектам, независимо от их свойств.
Когда Эдмонд Галлей (Edmond Halley) подошел к Ньютону и спросил о типе орбиты, которую мог бы очертить объект, подчиняющийся силовому закону обратных квадратов, он был потрясен, обнаружив, что Ньютон знал ответ — эллипс — сразу из головы.
Ньютон методично и кропотливо находил ответ в течение нескольких лет, изобретая попутно исчисление как математический инструмент, помогающий решать проблемы.
Его результаты позволили Галлею понять периодическую природу комет, что позволило ему предсказать их возвращение.
Наука астрофизика никогда еще не казалась такой многообещающей.
Этот 20-летний временной промежуток звезд вблизи центра нашей галактики взят из ESO, опубликованного в 2018 году. Обратите внимание, как разрешение и чувствительность объектов становятся более четкими и улучшаются ближе к концу, и все они вращаются вокруг (невидимой) центральной сверхмассивной черной дыры нашей галактики. Та же физика, которая удерживает планеты и кометы на орбите вокруг Солнца, также удерживает звезды на орбите вокруг центра галактики.
Два учёных, современники Ньютона, Христиан Гюйгенс (Christiaan Huygens) и Оле Рёмер (Ole Rømer), помогли продемонстрировать раннюю мощь применения законов физики к Большой Вселенной.
Гюйгенс, интересующийся расстоянием до звезд, сделал предположение, которое делали другие до него: звезды на небе похожи на наше Солнце, но просто находятся очень далеко.
Гюйгенс, прославившийся как своим часовым мастерством, так и экспериментами со светом и волнами, знал, что если источник света поместить на расстоянии вдвое большем, чем раньше, он будет казаться только на четверть ярче.
Гюйгенс попытался определить расстояние до звезд, просверлив ряд отверстий в латунном диске и поднеся диск к Солнцу в течение дня.
Если он достаточно значительно уменьшит яркость, рассуждал он, пропущенный свет будет таким же ярким, как звезда на небе.
И все же, независимо от того, насколько маленькими он просверлил свои отверстия, крошечный лучик солнечного света, проникавший сквозь него, значительно затмевал даже самую яркую звезду.
Только когда он вставил светоблокирующую стеклянную бусину в самое маленькое из просверленных отверстий, ему удалось сопоставить уменьшенную яркость Солнца с самой яркой звездой ночного неба: Сириусом (Sirius).
Чтобы воспроизвести то, что он увидел, когда посмотрел на Сириус, потребовалось полное уменьшение яркости Солнца в 800 миллионов раз.
Он пришел к выводу, что Солнце, если бы оно было расположено примерно в 28 000 раз дальше, чем сейчас (около половины светового года), выглядело бы таким же ярким, как Сириус.
Сотни лет спустя мы теперь знаем, что Сириус примерно в 20 раз дальше, но также и то, что Сириус примерно в 25 раз ярче Солнца.
Гюйгенс, который не мог этого знать, действительно достиг чего-то выдающегося.
Когда один из спутников Юпитера проходит за самой большой планетой Солнечной системы, он попадает в тень планеты, становясь темным. Когда солнечный свет снова начинает падать на Луну, мы видим его не сразу, а спустя много минут: время, необходимое свету, чтобы пройти от этой луны до наших глаз. Здесь Ио снова появляется из-за Юпитера — то же явление, которое Оле Рёмер впервые использовал для измерения скорости света.
Тем временем Оле Рёмер осознал, что он может использовать огромные расстояния между Солнцем, планетами и их спутниками для измерения скорости света.
Когда галилеевы спутники Юпитера вращались позади планеты-гиганта, они входили в тень Юпитера и выходили из него.
Поскольку Земля вращается по собственной орбите, мы можем видеть, как эти спутники либо входят в тень Юпитера, либо выходят из нее в разное время в течение года.
Измеряя изменения времени, которое требуется свету для перемещения:
- от солнца,
- на один из спутников Юпитера,
- а затем с этой луны обратно на Землю,
Рёмер впервые смог с максимальной точностью своих измерений определить скорость света.
Астрофизика заключается не только в применении законов природы, которые мы открываем на Земле, к большей Вселенной в целом, но и в использовании наблюдений, доступных нам в «лаборатории Вселенной», чтобы рассказать нам о самих законах и свойствах самой природы.
Ближайшие к Земле звезды будут периодически смещаться относительно более удаленных звезд по мере того, как Земля движется в пространстве по орбите вокруг Солнца. Несмотря на то, что люди искали звездный параллакс на протяжении веков, только в 1830-х годах был измерен самый первый параллакс.
Однако астрофизике потребуются столетия, чтобы выйти за рамки идей конца 1600-х годов.
Действительно, эти идеи и приложения охватывали всю астрофизику на следующие 200 лет, вплоть до середины XIX века.
В этот момент произошли два дополнительных достижения: открытие астрономического параллакса, дающего нам расстояние до звезды за Солнцем, и открытие астрономического парадокса, указывающего на проблему с возрастом Солнца и Земли.
Идея параллакса проста: по мере того, как Земля движется по своей орбите вокруг Солнца, кажется, что ближайшие к нам объекты со временем смещаются относительно фона более удаленных объектов.
Когда вы держите большой палец на расстоянии вытянутой руки и закрываете один глаз, вы видите большой палец в определенном положении относительно объектов на заднем плане.
Когда вы затем открываете этот глаз и закрываете другой, кажется, что ваш большой палец смещается.
Параллакс — это та же концепция, за исключением:
- Земля в двух разных положениях в течение года заменяет каждый из двух ваших глаз,
- ближайшая звезда, параллакс которой вы измеряете, занимает место вашего большого пальца,
- фон более отдаленных астрономических объектов заменяет тот фон, который вы видели,
- и величина, на которую смещается звезда, ничтожна по сравнению с величиной, на которую смещается ваш большой палец, что требует чрезвычайно продвинутых астрономических инструментов.
Только из-за такого большого расстояния до звезд — лучше всего измеряемого в световых годах — было так сложно обнаружить это явление путем наблюдений.
Поперечное сечение купола Уэлдена (Wealden Dome) на юге Англии, на разрушение которого потребовались сотни миллионов лет. Отложения мела по обеим сторонам, отсутствующие в центре, свидетельствуют о невероятно длительном геологическом периоде времени, необходимом для образования этой структуры.
Но на самом деле это был парадокс, который действительно открыл дверь в современную астрофизику.
В конце 1800-х годов возраст Земли оценивался как минимум в сотни миллионов лет, а более вероятно, в миллиарды лет, что объясняло различные геологические образования, а также эволюцию и разнообразие жизни на Земле.
Например, Чарльз Дарвин (Charles Darwin), сам в большей степени «натуралист», чем тот, кого мы считаем современным биологом, подсчитал, что для выветривания Уилда, двустороннего мелового месторождения на юге Англии, потребовалось по меньшей мере 300 миллионов лет, чтобы произошел один только процесс эрозии.
Однако физик по имени Уильям Томсон (William Thomson), который позже стал известен под своим титульным именем Лорд Кельвин (Lord Kelvin), объявил выводы Дарвина абсурдными.
В конце концов, теперь мы знали массу Солнца из орбитальной механики и могли измерить выходную энергию Солнца.
Предполагая, что выход энергии Солнца был постоянным на протяжении всей истории Земли, Кельвин рассчитал различные способы, которыми Солнце могло производить энергию.
Он рассматривал сжигание топлива — он рассматривал возможность питания комет и астероидов — он рассматривал гравитационное сжатие.
Но даже при этом последнем варианте самая длинная жизнь Солнца, которую он мог себе представить, составляла всего лишь 20–40 миллионов лет.
Наука астрофизика обнаружила парадокс: либо наш возраст космических объектов был совершенно неправильным, либо существовал источник солнечной энергии, который в то время был совершенно неизвестен Кельвину.
На этом разрезе показаны различные области поверхности и внутренней части Солнца, включая ядро, где происходит ядерный синтез. Со временем область ядра, где происходит ядерный синтез, расширяется, в результате чего выработка энергии Солнца увеличивается. Аналогичный процесс происходит и внутри всех звезд.
Конечно, теперь мы знаем, что во Вселенной действует нечто большее, чем гравитация и горение.
По всей Вселенной, в том числе в ядрах звезд, происходят ядерные реакции, в том числе термоядерные реакции и деления.
Существуют атомные и даже субатомные переходы и взаимодействия, которые происходят в областях звездообразования, в межзвездных газах и плазме, а также в протопланетных дисках, где впервые собираются звездные системы.
В глубинах космоса наблюдаются электромагнитные явления, в том числе суммарные заряды, электрические токи и сильные магнитные поля.
А в самых экстремальных условиях существуют даже естественные лазеры и частицы, разогнанные до 99,999999999999%+ скорости света.
Везде, где у вас есть физическая система в космосе, везде, где физическое явление порождает потенциально наблюдаемую сигнатуру, или везде, где вы можете сделать наблюдение, проливающее свет на физические свойства какого-либо аспекта Вселенной, у вас есть потенциал заниматься астрофизикой с ее помощью.
Не вся физика является астрофизикой, и не вся астрономия является астрофизикой, но везде, где пересекаются эти две области — наука о наблюдениях в астрономии и лабораторная наука в физике — вы можете заниматься астрофизикой с ее помощью.
На этой анимации показана черная дыра меньшей массы, пробивающая аккреционный диск, образовавшийся вокруг более крупной сверхмассивной черной дыры. Когда меньшая черная дыра пересекает диск, возникает вспышка.
Сегодня существует четыре основных направления современной астрофизики, все из которых работают вместе, чтобы научить нас фундаментальным истинам о Вселенной.
- Есть теоретическая астрофизика, где мы берем установленные законы природы и применяем их к условиям, обнаруженным в различных местах Вселенной, что позволяет нам вычислить наблюдаемые признаки, которые, как мы ожидаем, возникнут.
- Существует наблюдательная астрофизика, где мы проводим наблюдения за различными объектами, обнаруженными во Вселенной, чтобы записать их свойства на различных длинах волн света и, где это применимо, другими способами, например, путем обнаружения космических частиц и/или гравитационных волн.
- Есть инструментальная астрофизика, где мы создаем, оптимизируем и используем различные инструменты для измерения Вселенной: от телескопов до камер, детекторов частиц, калориметров для измерения энергии, интерферометров и многого другого.
- А за последние несколько десятилетий появилась и четвертая область: вычислительная астрофизика. От астрофизического моделирования до обработки больших наборов данных и новых инструментов, таких как машинное обучение и искусственный интеллект, вычислительная астрофизика часто может помочь преодолеть разрыв между теорией и наблюдением, особенно когда наши традиционные методы анализа больше не служат нам хорошо.
Расширяющаяся Вселенная, полная галактик и сложной структуры, которую мы наблюдаем сегодня, возникла из меньшего, более горячего, плотного и однородного состояния. Но даже это первоначальное состояние имело свое происхождение, а космическая инфляция была основным кандидатом на то, откуда все это взялось.
Вопросы, которые когда-то считались выходящими за рамки научных исследований, теперь попали в область астрофизики, и во многих случаях мы даже нашли ответы.
Тысячи и тысячи лет наши предки удивлялись необъятности Вселенной, ставя перед ними загадки, которые они не могли решить.
- Вечна ли Вселенная или она возникла когда-то? Если да, то сколько ей лет?
- Действительно ли пространство бесконечно, или существует предел тому, как далеко мы можем зайти, и что определяет этот предел?
- Что составляет Вселенную и сколько звезд и галактик мы могли бы увидеть?
- Откуда возникла Вселенная, какая она сегодня, как она стала такой и какова ее окончательная судьба?
Из поколения в поколение людей это были вопросы для философов, богословов и поэтов — это были идеи, над которыми стоит задуматься, но ответов на них не предвиделось.
Сегодня на все эти вопросы ответила наука астрофизика, и они открыли еще более глубокие вопросы, на которые мы надеемся ответить единственным способом, которым астрофизики знают, как на них ответить: задав вопрос самой Вселенной.
Исследуя лабораторию глубокого космоса с помощью правильных инструментов и правильных методов, мы можем впервые в истории действительно понять наше место в космосе.
Если у вас остались вопросы или вы хотите оставить комментарий по этой статье - напишите его в разделе комментариев ниже.
До скорых встреч! Заходите!
