Когда Бессель смог определить расстояние до звезды 61 Лебедя, он уже знал, что такое скорость света. Она была определена примерно двумя столетиями ранее, в 1676 году, датским астрономом Олафом Рёмером. До этого момента ученые спорили о том, есть ли у света скорость. Многие философы считали, что свет движется мгновенно.
Через тернии – к звездам: как мы осваивали космос?
На протяжении тысячелетий человечество исследовало тайну «великого вселенского порядка». Почему солнце всходит и заходит? Как был создан мир? И каково место человека в ней? В поисках ответов на эти вопросы человек всегда обращал свое внимание на небеса.
Сегодня науку о Вселенной и пространстве вокруг Земли принято называть астрономией. Однако в действительности люди наблюдали за звездами с древнейших времен. За много веков до Христа эта практика была известна в Вавилоне, одном из важнейших центров Месопотамии. Изучая небо, древние астрономы обнаружили определенные закономерности, а также научились предсказывать различные явления, такие как солнечные или лунные затмения.
Не менее важным было объяснение того, что происходило на их глазах. Одна из самых интересных интерпретаций Вселенной встречается в культуре Древнего Египта. В центре мира, согласно египетской мифологии, находился бог Геб, кормилец и защитник человечества. Над землей было небо, которое представляла сестра Геба, богиня-звезда Нуте. Сын Гета, Ра, каждый день поднимался и опускался на небосвод на своем корабле, отсюда восход и заход солнца. Центральное место занимало коленопреклоненное божество Суэ. Его главной целью было обеспечение целостности и гармонии мира.
Древняя Греция, заложившая основы современной научной мысли, дала исследователям гораздо больше знаний о Вселенной. Ставший уже привычным термин «вселенная», который означает «порядок», происходит от греческой цивилизации. По мнению древних философов, появлению мира предшествовал «хаос», то есть беспорядок, отсутствие формы. До сегодняшнего дня исследователи противопоставляют «хаос» порядку и красоте «Вселенной».
Все знания, полученные в результате наблюдения за небесами, были объединены в первую глобальную, всеобъемлющую картину мира. Его автором был Аристотель (384-322 гг. до н.э.), знаменитый греческий философ и учитель Александра Македонского. Аристотель поместил землю, самый тяжелый элемент во Вселенной, в центр мира. Философ отделил мир «земных» явлений от мира «небесных» явлений, который жил по своим законам. Впервые Земля и Вселенная предстали как два совершенно разных мира. Природу космических законов предстояло определить последующим поколениям исследователей.
Аристотель создал первую универсальную картину мира
Хотя древние астрономы считали Землю центром мира, были и скептики. Самым известным из них был Аристарх (ок. 310-250 гг. до н.э.). Астроном с острова Самос изучил размеры небесных тел и пришел к выводу, что солнце намного больше земли и поэтому не может вращаться вокруг человеческого мира. Потребовалось более ста лет, чтобы доказать тезис, выдвинутый Аристархом.
Коперник, Кеплер, Галилей
Ренессанс, начавшийся в XIV-XV веках, не только возродил любовь к античной литературе, поэзии и философии. В это время постепенно начали меняться методы понимания мира. Было ясно, что человек — не только творение Божье, но и свободное человеческое существо, способное учиться и творить самостоятельно. Это был рассвет эпохи Разума, в которой достижения древних астрономов не могли появиться в более подходящее время.
Революция в изучении Вселенной началась с Николая Коперника (1473-1543): В своей работе «О вращении небесных тел», опубликованной в последний год жизни польского астронома, Коперник представил свою гелиоцентрическую теорию. В нем говорилось, что в центре Вселенной находится Солнце, вокруг которого вращаются планеты.
«Кто остановил Солнце. Двигал Землю». Николай Коперник
Коперник не просто заставил Землю «вращаться». У польского астронома было еще одно достижение: впервые человечество смогло вычислить истинные размеры Солнечной системы. Коперник обнаружил, что Земля находится на огромных расстояниях от звезд, что не позволяет наблюдателям перемещать ее. Однако использованная астрономом круговая система не дала желаемого результата — расчеты планетарных движений оставались неточными.
Решение этой проблемы было найдено Иоганном Кеплером (1571-1630). Революция немецкого астронома заключалась в выведении трех законов движения планет. Кеплер опроверг существующие правила и установил, что орбита планет Солнечной системы представляет собой не круговой путь, а эллипс. После смерти немецкого ученого его идеи легли в основу ньютоновской механики, которая покорила научный мир.
Иоганн Кеплер считал, что каждая планета в Солнечной системе движется по эллипсу
Современником Кеплера был Галилео Галилей (1564-1642), чье имя не случайно стало синонимом научных открытий. Хотя Галилей сегодня наиболее известен тем, что подтвердил теорию Коперника и открыл в телескоп новые небесные тела — луны Юпитера, его вклад в научные знания был гораздо более сложным.
Галилей впервые показал, что динамика, то есть движение, перемещение и изменение тел (включая небесные тела), может лежать в основе процессов на Земле и за ее пределами. Проще говоря, Вселенная возникла как механизм, работу которого необходимо было изучить.
От небесной механики к астрофизике
Идеи Галилея и Кеплера были впоследствии развиты Исааком Ньютоном (1643-1725) и легли в основу новой области знаний — небесной механики. Последнее позволило задавать всевозможные новые вопросы. Какова форма Земли? Какова форма Земли? Какой формы солнце?
Каковы другие планеты Земли? Впервые со времен античности у Солнечной системы появился новый полный представитель. Ранее другой англичанин, Эдмунд Галлей (1656-1742), предсказал, что движение комет не хаотично и имеет определенную закономерность. Поэтому одно из небесных тел, которое возвращается к Солнцу примерно каждые 75 лет, было названо в честь знаменитого астронома.
Двадцатый век, укрепивший примат «точного» знания в научном мировоззрении, открыл еще одну важную область для изучения космоса — астрофизику. Последняя тесно сочетала методы одной из важнейших дисциплин того времени с изучением космических явлений.
Однако наука не была исключительным путем к пониманию мира. Его чувственное восприятие выражалось через литературу и искусство. Многие ученые выдвигали совершенно фантастические для своего времени идеи: плавающие подводные аппараты, летающие железные птицы, переселение на другие планеты.
Такое сочетание научного исследования и литературного произведения заставило ученого задуматься:
«Планета — это колыбель духа, но вы не можете жить в этой колыбели вечно. Человечество не останется на Земле навсегда».
Остаток сверхновой LMC N 63A можно увидеть в рентгеновском (синий), оптическом (зеленый) и радиодиапазонах (красный). Рентгеновский свет исходит от материала, нагретого до температуры около десяти миллионов градусов Цельсия ударной волной взрыва сверхновой.
Наблюдательная астрономия — это отрасль астрономической науки, занимающаяся сбором и интерпретацией данных, в отличие от теоретической астрофизики, которая в первую очередь занимается выяснением измеримых результатов физической модели. Она включает в себя наблюдение за небесными объектами с помощью телескопов и других астрономических инструментов.
Большинство астрофизических наблюдений проводится с использованием электромагнитного спектра.
- Радиоастрономия изучает излучение с помощью длина волны больше нескольких миллиметров. Примеры областей обучения: радиоволны, обычно испускается холодными объектами, такими как межзвездный газ и пылевые облака; космическое микроволновое фоновое излучение, которое красное смещение свет от Большой взрыв; пульсары, которые впервые были обнаружены в микроволновая печь частоты. Изучение этих волн требует очень большого радиотелескопы.
- Инфракрасная астрономия изучает излучение с длиной волны, которая слишком велика, чтобы быть видимой невооруженным глазом, но короче радиоволн. Инфракрасные наблюдения обычно производятся с помощью телескопов, подобных знакомым. оптический телескопы. Объекты холоднее звезд (например, планеты) обычно изучаются в инфракрасном диапазоне.
- Оптическая астрономия был самым ранним видом астрономии. Телескопы в паре с устройство с зарядовой связью или спектроскопы являются наиболее часто используемыми инструментами. Земли атмосфера несколько мешает оптическим наблюдениям, поэтому адаптивная оптика и космические телескопы используются для получения максимально возможного качества изображения. В этом диапазоне длин волн звезды хорошо видны, и можно наблюдать многие химические спектры для изучения химического состава звезд, галактик и других объектов. туманности.
- Ультрафиолетовый, Рентгеновский и гамма-астрономия изучать очень энергичные процессы, такие как двойные пульсары, черные дыры, магнетары, и многие другие. Эти виды излучения плохо проникают в атмосферу Земли. Для наблюдения за этой частью электромагнитного спектра используются два метода:космические телескопы и наземные съемка воздушных черенковских телескопов (Я ДЕЙСТВУЮ). Примеры Обсерватории первого типа RXTE, то Рентгеновская обсерватория Чандра и Гамма-обсерватория Комптона. Примеры IACT: Стереоскопическая система высокой энергии (H.E.S.S.) и МАГИЯ телескоп.
Помимо электромагнитного излучения, существует целый ряд вещей, которые можно наблюдать с Земли на больших расстояниях. Было построено несколько гравитационно-волновых обсерваторий, но гравитационные волны чрезвычайно трудно обнаружить. Также были построены нейтринные обсерватории, в основном для изучения нашего Солнца. Космические лучи, состоящие из очень энергичных частиц, можно наблюдать, когда они входят в атмосферу Земли.
Наблюдения также могут меняться по шкале времени. Большинство оптических наблюдений длятся от нескольких минут до нескольких часов, поэтому явления, которые изменяются быстрее, не могут быть легко наблюдаемы. Однако для некоторых объектов существуют исторические даты, охватывающие столетия или тысячелетия. С другой стороны, радионаблюдения позволяют изучать события в миллисекундном диапазоне (миллисекундные пульсары) или объединять данные за годы (исследования медленно движущихся пульсаров). Информация, полученная с помощью этих различных временных шкал, сильно отличается.
Теоретическая астрофизика
Астрофизики-теоретики используют широкий спектр инструментов, включая аналитические модели (например, мультимодальные модели для аппроксимации поведения звезды) и численные компьютерные модели. Каждый из них имеет свои преимущества. Аналитические модели процессов, как правило, лучше для понимания происходящего. Численные модели могут выявить существование явлений и эффектов, которые в противном случае были бы незаметны. 28 29
Астрофизики-теоретики пытаются разработать теоретические модели и прояснить последствия этих моделей для наблюдений. Это помогает наблюдателям искать данные, которые могут опровергнуть модель или выбрать между несколькими альтернативными или противоречивыми моделями.
Теоретики также пытаются создать или изменить модели, чтобы учесть новые данные. В случае несоответствий общая тенденция заключается в том, чтобы попытаться внести минимальные изменения в модель, чтобы она соответствовала данным. В некоторых случаях большое количество противоречивых данных с течением времени может привести к тому, что от модели придется полностью отказаться.
Темы, изучаемые астрофизиками, включают динамику и эволюцию звезд, формирование и эволюцию галактик, магнитогидродинамику, структуру материи во Вселенной в больших масштабах, происхождение космических лучей, общую относительность и физическую космологию, включая струнную космологию и астрономическую физику частиц. Астрофизическая относительность служит инструментом для оценки свойств крупномасштабных структур, где гравитация играет важную роль в изучаемых физических явлениях, а также основой для физики черных дыр (астро) и изучения гравитационных волн.
Некоторые широко принятые и изученные теории и модели в астрофизике, которые теперь включены в модель Lambda-CDM, — это Большой взрыв, космическая инфляция, темная материя, темная энергия и фундаментальные теории физики.
Популяризация
Корни астрофизики лежат в возникновении единой физики в семнадцатом веке, когда одни и те же законы применялись к небесной и земной сферам. 10 Были ученые, сведущие как в физике, так и в астрономии, которые создали прочный фундамент для современной науки астрофизики. Популяризация астрофизики Королевским астрономическим обществом и влиятельными преподавателями, такими как известные профессора Лоуренс Краусс, Субраманиан Чандрасекар, Стивен Хокинг, Хьюберт Ривз, Карл Саган, Нил деГрасс Тайсон и Патрик Мур, продолжает привлекать студентов и сегодня. Усилия ранних, более поздних и нынешних ученых помогают вдохновить молодежь на изучение истории и науки астрофизики. 30 31 32
- Физический портал
- Астрохимия
- Астрономические обсерватории
- Астрономическая спектроскопия
- Физика астрономических частиц
- Гравитационно-волновая астрономия
- Диаграмма Герцшпрунга – Рассела
- Астрономия высоких энергий
- Важные публикации по астрофизике
- Список астрономов (включая астрофизиков)
- Нейтринная астрономия (будущие перспективы)
- Хронология гравитационной физики и теории относительности
- Хронология знаний о галактиках, скоплениях галактик и крупномасштабной структуре
- Хронология белых карликов, нейтронных звезд и сверхновых
Все началось с Ньютона
Хотя астрономия является одной из самых древних наук, теоретическая астрофизика началась с Исаака Ньютона. До Ньютона астрономы описывали движения небесных тел с помощью сложных математических моделей, не имевших физической основы. Ньютон показал, что одна и та же теория может одновременно объяснить и орбиты лун и планет в космосе, и траекторию пушечного ядра на Земле. Это добавило замечательный вывод к совокупности доказательств. Оказалось, что небо и земля подчиняются одним и тем же законам физики.
Советы по чтению «Звездных врат» для контакта с инопланетянами
Модель Ньютона отличалась от более ранних теорий тем, что она была предсказательной и описательной. На основании отклонений орбиты Урана астрономы предсказали местоположение новой планеты, которая затем была открыта и названа Нептуном.
Вехи в астрофизике
Единственный способ изучения удаленных объектов — наблюдение за излучением, которое они производят. Поэтому большая часть астрофизики занимается разработкой теорий, объясняющих механизмы, которые производят это излучение.
Астрофизика дает ученым идеи о том, как извлечь из нее наиболее полезную информацию. Первые гипотезы о природе звезд появились в середине девятнадцатого века. Это произошло во время развития зарождавшейся тогда науки спектрального анализа. Он проводит наблюдения за конкретными частотами света, которые поглощают и испускают отдельные вещества при нагревании. Спектральный анализ все еще очень жив в триумвирате космических наук сегодня. Он используется как для исследований, так и для проверки новых теорий.
Ранняя спектроскопия дала первые доказательства того, что звезды содержат материю, которая существует и на Земле. Спектроскопия показала, что некоторые туманности были полностью газообразными и содержали несколько звезд. Впоследствии это помогло укрепить идею о том, что некоторые туманности вовсе не являются туманностями. Это были другие галактики!
Теория большого взрыва
В начале 1920-х годов астроном Сесилия Пейн с помощью спектроскопии обнаружила, что звезды (по крайней мере, до тех пор, пока они не стали очень старыми) состоят в основном из водорода. Используя спектры звезд, астрофизики также смогли определить скорость, с которой они двигались к Земле. Подобно тому, как звук, издаваемый автомобилем, меняется по частоте в зависимости от того, движется он к нам или от нас, спектры звезд также меняются соответствующим образом из-за доплеровского сдвига частоты.
В 1930-х годах, объединив доплеровский сдвиг с общей теорией относительности Эйнштейна, Эдвин Хаббл смог убедительно доказать, что Вселенная расширяется. Это также было предсказано теорией Эйнштейна, и вместе они составляют основу теории Большого взрыва.
Читать книгу Черные дыры и предел Чандрасекара
В середине 19 века физики лорд Кельвин (Уильям Томсон) и Густав фон Гельмгольц предположили, что гравитационное сжатие может увеличить энергию Солнца. В конце концов, однако, они обнаружили, что энергии, полученной таким образом, хватит только на 100 000 лет. Пятьдесят лет спустя знаменитая формула Эйнштейна E = mc 2 дала астрофизикам ключ к ответу на вопрос, откуда на самом деле берется энергия звезд. Однако оказалось, что гравитационное сжатие также играет важную роль в этом процессе.
С развитием ядерной физики, квантовой механики и физики частиц в первой половине 20-го века стало возможным теоретизировать о том, как ядерный синтез может повлиять на жизнь звезды. Эти теории описывают, как формируются, живут и умирают звезды. И они успешно объясняют наблюдаемое распределение типов звезд, спектров, светимостей, возрастов и других характеристик.
