Астрофизика

Астрофизика - наука, занимающаяся исследованием далеких космических объектов и явлений физическими методами и считающаяся одним из ключевых разделов одновременно и современной астрономии, и современной физики. Астрофизика нацелена на создание физической картины окружающего мира, на изучение происхождения и эволюции, как отдельных классов астрономических объектов, так и Вселенной как единого целого в рамках известных физических законов. Она основана на наблюдениях, из которых важнейшую роль играет анализ излучения космических источников, и, прежде всего, их спектров. Интерпретация результатов наблюдений базируется на знании механизмов излучения электромагнитных волн и их взаимодействия с веществом различной плотности на пути к наблюдателю. Таким образом, предметом астрофизики является строение, физические свойства и химический состав небесных объектов. Астрофизика, в свою очередь, подразделяется на наблюдательную астрофизику, в которой разрабатываются и применяются практические методы и инструментарий астрофизических исследований, а также теоретическую астрофизику, в которой на основе фундаментальных законов физики, строятся теоретические модели, объясняющие наблюдаемые физические явления.

↑История возникновения

Исторически астрофизика выделилась в самостоятельное научное направление с появлением в конце XIX в. спектрального анализа, который открыл возможность дистанционного исследования химического состава и физического состояния не только лабораторных, но и астрономических источников света. Наблюдения спектров звезд окончательно доказали, что астрономические тела состоят из атомов известных на Земле элементов, подчиняющихся тем же физическим законам. Химическое «единство» природы особенно наглядно было подтверждено открытием гелия - сначала (по спектру) в атмосфере Солнца, а только затем - в некоторых минералах на Земле. Современные методы астрофизических исследований позволяют по спектральным особенностям излучения не только узнать физическое состояние среды, ее температуру и плотность, но и измерить лучевые скорости источников и скорости внутренних движений в них, оценить расстояние до них, выяснить механизм излучения, определить индукцию магнитных полей и многие другие характеристики.

↑Основы современной астрофизики

Гигантский прогресс астрофизики за более чем столетний период ее существования был связан как с быстрым развитием различных направлений классической, квантовой и релятивистской физики, с одной стороны, так и с созданием крупных телескопов, появлением новых приемников излучения и компьютерных методов обработки наблюдений, - с другой. Очень важный скачок в астрофизических исследованиях произошел с появлением методов активного изучения космических объектов за пределами оптического диапазона спектра, сначала в ближней инфракрасной и радио- областях (конец 30-х годов XX в.), а в более позднее время, уже с помощью космической техники, в далеком инфракрасном, далеком ультрафиолетовом (УФ), рентгеновском и гамма-диапазонах (60–80-е годы XX в.). «Многокрасочность» Вселенной обернулась более глубоким пониманием природы давно известных космических тел, а также открытием новых типов астрономических объектов, неизвестных ранее. Позднее началось развитие и нейтринной астрономии, основанной на регистрации и анализе нейтринного излучения из космоса, хотя до сих пор зарегистрировано нейтринное излучение только от двух космических объектов: от Солнца и от сверхновой звезды, вспыхнувшей в соседней галактике (1987 г.). На очереди стоит астрономия гравитационных волн.

Важной особенностью астрофизики является то, что она исследует процессы, как правило, не воспроизводимые в физических лабораториях. К примеру, термоядерные реакции в плазме, удерживаемой от расширения собственным гравитационным полем, - это не экзотический, а самый распространенный источник энергии наблюдаемых звезд. Только в астрофизике исследуются среды с экстремально низкой плотностью - менее 10 ^-27 г/см³ (разреженный межгалактический газ), излучение которых, тем не менее, может приниматься благодаря большим объемам, занимаемым газом. С другой стороны, исследуются экстремально высокие плотности вещества (от нескольких тысяч г/см³ в звездах из вырожденного газа до 10¹⁴ −10¹⁵ г/см³ в нейтронных звездах), температуры в миллиарды градусов (внутренние области аккреционных дисков), едва обнаружимые или, наоборот, предельно сильные гравитационные поля, элементарные частицы космического происхождения с ультравысокими энергиями, не достижимыми даже для современных коллайдеров. Изучается даже невидимая «темная» материя, не обнаружимая по излучению электромагнитных волн - используя наблюдения гравитационного воздействию на тела, наблюдаемые непосредственно.

↑Астрофизика и фундаментальная физическая наука

Все это делает астрофизические исследования неоценимыми для решения фундаментальных физических проблем. Не удивительно, что почти все фундаментальные физические теории - от классической механики и ньютоновской гравитации до теории относительности и физики элементарных частиц - прошли или проходят астрономическую (астрофизическую) проверку.

Очевидно, что астрофизика неотделима от физики, так что четкой границы между ними не существует. Однако астрофизика обладает важной особенностью, заключающейся не столько в специфичном характере космических объектов или в необычных пространственных масштабах явлений, сколько в изучении формирования и эволюции астрономических тел и систем по их наблюдаемому состоянию. По словам крупнейшего отечественного астрофизика И.С. Шкловского, «едва ли не основным результатом многолетних исследований астрономических объектов является утверждение о том, что все они эволюционируют». Основной силой, определяющей характер эволюции и взаимодействия астрономических объектов, является гравитация, которая в физике «земных» явлений, как правило, не имеет решающего значения или воспринимается только как наличие силы тяжести. Поэтому в астрофизике очень большое внимание уделяется изучению гравитационного взаимодействия и самогравитации космических тел.

Таким образом, объяснение природы и наблюдаемых особенностей космических объектов, а также их происхождения и эволюции - это два основных и взаимосвязанных аспекта современной астрофизики.