Астрофизика — раздел астрономии¶

Астрофизика — раздел астрономии, изучающий физическую природу небесных тел и космических процессов: их химический состав, температуру, плотность, внутреннее строение, излучение и эволюцию. Астрофизика опирается на законы физики — механики, электродинамики, термодинамики, квантовой механики, ядерной и релятивистской теории, — применяя их к наблюдаемым явлениям Вселенной.

¶История

¶Формирование как самостоятельной дисциплины

До XIX века астрономия ограничивалась преимущественно кинематикой — изучением положений и движений небесных тел. Появление спектроскопии в 1860-х годах (работы Густава Кирхгофа и Роберта Бунзена) позволило определять химический состав вещества по линиям спектра. В 1868 году Джозеф Локьер и Пьер Жансен независимо обнаружили в спектре Солнца линию, соответствующую неизвестному на Земле элементу — гелию (от греч. helios — Солнце).

Ключевую роль в становлении астрофизики сыграл Джозеф Локьер, основавший в 1869 году в Гринвиче солнечную обсерваторию, и Джордж Эллери Хейл, создавший в 1897 году Йеркскую обсерваторию с крупнейшим в мире рефрактором. В России пионером астрофизики был А. А. Белопольский, внедривший спектральные исследования в Пулковской обсерватории.

¶Астрофизика XX века

XX век превратил астрофизику в ведущий раздел астрономии. Развитие квантовой механики и теории относительности Эйнштейна (1915) дало инструментарий для описания звёздных недр, чёрных дыр и расширяющейся Вселенной. В 1920-х годах Артур Эддингтон объяснил источник энергии звёзд термоядерным синтезом, а Субрахманьян Чандрасекар в 1930-х определил предельную массу белых карликов (предел Чандрасекара, ≈1,4 массы Солнца).

В СССР астрофизика развивалась в рамках Академии наук: А. А. Фридман теоретически обосновал динамическую модель Вселенной (1922), Л. Д. Ландау развил теорию строения плотных звёзд, Я. Б. Зельдович — теорию ядерных процессов в звёздах и физику чёрных дыр. Московская и Ленинградская школы астрофизиков сформировали отечественную научную традицию.

¶Методы исследования

Основной источник астрофизических данных — электромагнитное излучение. Спектральный анализ позволяет определить химический состав, температуру, давление и скорость движения объекта (по доплеровскому смещению линий). Фотометрия измеряет блеск объектов, аstromетрия — положения и собственные движения.

Дополнительные каналы информации:

• Радиоастрономия (с 1930-х годов) — наблюдения в радиодиапазоне, открытие пульсаров (1967) и квазаров.
• Нейтринная астрофизика — регистрация солнечных нейтрино (эксперименты Р. Дэвиса с 1960-х), подтвердившая модели термоядерного синтеза.
• Гравитационно-волновая астрономия — с 2015 года детекторы LIGO и Virgo фиксируют возмущения пространства-времени от слияния чёрных дыр и нейтронных звёзд.
• Космические обсерватории — телескопы вне атмосферы («Хаббл», «Чандра», «Спиджер»), снимающие ограничения земной атмосферы.

¶Основные разделы

¶Космология

Развитие астрофизики привело к формированию современной космологической картины. Открытие Эдвином Хабблом в 1929 году закономерности удаления галактик и пропорциональности красного смещения расстоянию (закон Хаббла) подтвердило расширение Вселенной. Реликтовое излучение, обнаруженное А. Пензиасом и Р. Уилсоном в 1965 году, стало свидетельством горячего раннего состояния космоса. Современная стандартная модель космологии (ΛCDM) описывает Вселенную, состоящую примерно на 5 % из обычной материи, на 27 % — из тёмной материи и на 68 % — из тёмной энергии.

¶Астрофизика в России

В России астрофизика представлена рядом научных центров и инструментов. Крупнейшие обсерватории — БАО в Зеленчуке (Северный Кавказ), специальная астрофизическая обсерватория РАН, а также инструменты Крымской и Пулковской обсерваторий. Радиотелескоп РАТАН-600 в Карачаево-Черкесии имеет антенну кольцевого типа диаметром 576 метров. Проект «Спектр-РГ» (запущен в 2019 году) — орбитальный рентгеновский обзор всего неба, созданный под руководством МГУ и ИКИ РАН.

¶Значение

Астрофизика служит естественной лабораторией для проверки физических законов в условиях, недоступных земным экспериментам: сверхвысоких плотностей, температур и гравитационных полей. Многие явления — нейтронные звёзды, чёрные дыры, космические лучи — стимулировали развитие физики в целом. Астрофизические методы лежат в основе поиска планет за пределами Солнечной системы и оценки условий их пригодности для существования жизни.

Источники:

• Зельдович Я. Б., Новиков И. Д. Релятивистская астрофизика
• Ландау Л. Д., Лившиц Е. М. Теоретическая физика. Том 3. Квантовая механика. Нерелятивистская теория
• Чандрасекар С. Введение в изучение структуры звёзд
• Шкловский И. С. Физика Солнца
• Хаббл Э. Вселенная расширяется
• Курс лекций по астрофизике МГУ им. М. В. Ломоносова