Астрономия - Astronomy

Из Википедии, бесплатной энциклопедии

Астрономия (от греческого : ἀστρονομία , что буквально означает наука, изучающая законы звезд) - это естественная наука , изучающая небесные объекты и явления . Он использует математику , физику и химию , чтобы объяснить их происхождение и эволюцию . Интересующие объекты включают планеты , луны , звезды , туманности , галактики и кометы . Соответствующие явления включают взрывы сверхновых , всплески гамма-излучения , квазары , блазары , пульсары и космическое микроволновое фоновое излучение . В более общем плане астрономия изучает все, что происходит за пределами атмосферы Земли . Космология - это раздел астрономии, изучающий Вселенную в целом.

Астрономия - одна из древнейших естественных наук. Ранние цивилизации в письменной истории проводили методические наблюдения за ночным небом . К ним относятся вавилоняне , греки , индийцы , египтяне , китайцы , майя и многие древние коренные народы Америки . В прошлом астрономия включала в себя такие разные дисциплины, как астрометрия , астрономия , наблюдательная астрономия и создание календарей . В наши дни профессиональную астрономию часто называют астрофизикой .

Профессиональная астрономия делится на наблюдательную и теоретическую . Наблюдательная астрономия ориентирована на получение данных из наблюдений за астрономическими объектами. Затем эти данные анализируются с использованием основных принципов физики. Теоретическая астрономия ориентирована на разработку компьютерных или аналитических моделей для описания астрономических объектов и явлений. Эти два поля дополняют друг друга. Теоретическая астрономия пытается объяснить результаты наблюдений, а наблюдения используются для подтверждения теоретических результатов.

Астрономия - одна из немногих наук, в которой любители играют активную роль . Это особенно верно для обнаружения и наблюдения переходных событий . Астрономы-любители помогли со многими важными открытиями, такими как открытие новых комет.

Этимология

XIX век, Австралия (1873 г.)
Астрономическая обсерватория Кито XIX века расположена в 12 минутах к югу от экватора в Кито , Эквадор .

Астрономия (от греческого ἀστρονομία от ἄστρον Астрона , «звезда» и -νομία -nomia от νόμος номоса , «право» или «культура») означает «закон о звездах» (или «культура звезд» в зависимости от перевода) . Астрономию не следует путать с астрологией , системой убеждений, которая утверждает, что человеческие дела соотносятся с положением небесных объектов. Хотя эти два поля имеют общее происхождение, теперь они полностью различны.

Использование терминов «астрономия» и «астрофизика»

«Астрономия» и «астрофизика» - синонимы. Исходя из строгих словарных определений, «астрономия» относится к «изучению объектов и материи за пределами атмосферы Земли и их физических и химических свойств», в то время как «астрофизика» относится к разделу астрономии, имеющему отношение к «поведению, физическим свойствам, и динамические процессы небесных объектов и явлений ". В некоторых случаях, как во введении во вводный учебник «Физическая вселенная » Фрэнка Шу , «астрономия» может использоваться для описания качественного изучения предмета, тогда как «астрофизика» используется для описания ориентированной на физику версии предмета. . Однако, поскольку большинство современных астрономических исследований связано с предметами, связанными с физикой, современную астрономию на самом деле можно назвать астрофизикой. Некоторые области, такие как астрометрия, относятся скорее к чисто астрономии, чем к астрофизике. Различные отделы, в которых ученые проводят исследования по этому предмету, могут использовать термины «астрономия» и «астрофизика», отчасти в зависимости от того, был ли факультет исторически связан с физическим факультетом, и многие профессиональные астрономы имеют степени скорее по физике, чем по астрономии. Некоторые названия ведущих научных журналов в этой области включают The Astronomical Journal , The Astrophysical Journal и Astronomy & Astrophysics .

История

Карта звездного неба XVII века голландского картографа Фредерика де Вит.

Древние времена

В ранние исторические времена астрономия заключалась только в наблюдении и предсказании движений объектов, видимых невооруженным глазом. В некоторых местах ранние культуры собирали массивные артефакты, которые, возможно, имели какое-то астрономическое назначение. В дополнение к их церемониальному использованию, эти обсерватории могут использоваться для определения времен года, что является важным фактором в знании того, когда сажать зерновые культуры и в понимании продолжительности года.

До того, как были изобретены такие инструменты, как телескоп, раннее изучение звезд проводилось невооруженным глазом. По мере развития цивилизаций, особенно в Месопотамии , Греции , Персии , Индии , Китае , Египте и Центральной Америке , были собраны астрономические обсерватории и начали развиваться идеи о природе Вселенной. Самая ранняя астрономия заключалась в нанесении на карту положений звезд и планет - науке, ныне известной как астрометрия . На основе этих наблюдений были сформированы ранние представления о движении планет, а природа Солнца, Луны и Земли во Вселенной была исследована философски. Считалось, что Земля является центром Вселенной, вокруг которой вращаются Солнце, Луна и звезды. Это известно как геоцентрическая модель Вселенной или система Птолемея , названная в честь Птолемея .

Suryaprajnaptisūtra, астрономический текст джайнов 6-го века до нашей эры, хранящийся в коллекции Schoyen в Лондоне. Вверху: рукопись ок.  1500 г. н.э.

Особенно важным ранним развитием было начало математической и научной астрономии, начатое вавилонянами , заложившими основы более поздних астрономических традиций, развившихся во многих других цивилизациях. В вавилонянах обнаружили , что лунные затмения повторялись в повторяющемся цикле , известный как сарос .

Греческие экваториальные солнечные часы , Александрия на Оксе , современный Афганистан, III – II века до нашей эры.

Вслед за вавилонянами значительные успехи в астрономии были сделаны в Древней Греции и эллинистическом мире. Греческая астрономия с самого начала характеризуется поиском рационального, физического объяснения небесных явлений. В 3 веке до нашей эры Аристарх Самосский оценил размер и расстояние до Луны и Солнца и предложил модель Солнечной системы, в которой Земля и планеты вращаются вокруг Солнца, теперь называемая гелиоцентрической моделью. Во 2 веке до нашей эры Гиппарх открыл прецессию , рассчитал размер и расстояние до Луны и изобрел самые ранние известные астрономические устройства, такие как астролябия . Гиппарх также создал исчерпывающий каталог из 1020 звезд, и большинство созвездий северного полушария происходят из греческой астрономии. Механизм Antikythera (ок. 150–80 до н. Э.) Был ранним аналоговым компьютером, предназначенным для расчета местоположения Солнца , Луны и планет на заданную дату. Технологические артефакты подобной сложности не появлялись снова до XIV века, когда в Европе появились механические астрономические часы .

Средний возраст

В средневековой Европе проживал ряд важных астрономов. Ричард Валлингфордский (1292–1336) внес важный вклад в астрономию и часовое дело, включая изобретение первых астрономических часов, Rectangulus, которые позволяли измерять углы между планетами и другими астрономическими телами, а также экваториума под названием Альбион, который может использоваться для астрономических расчетов, таких как лунная , солнечная и планетная долгота, и может предсказывать затмения . Николь Орем (1320–1382) и Жан Буридан (1300–1361) впервые обсудили доказательства вращения Земли, кроме того, Буридан также разработал теорию импульса (предшественницу современной научной теории инерции ), которая смогла показать планеты были способны двигаться без вмешательства ангелов. Георг фон Пейербах (1423–1461) и Региомонтан (1436–1476) помогли сделать астрономический прогресс инструментом для разработки Коперником гелиоцентрической модели десятилетия спустя.

Астрономия процветала в исламском мире и других частях света. Это привело к появлению первых астрономических обсерваторий в мусульманском мире к началу 9 века. В 964 году галактика Андромеды , самая большая галактика в Местной группе , была описана персидским мусульманским астрономом Абд ар-Рахманом ас-Суфи в его Книге неподвижных звезд . SN 1006 сверхновых , самая яркая видимая величина события звездным в истории человечества , наблюдали египетского арабского астронома Али ибн Ридвана и китайскими астрономами в 1006. Некоторые из видных исламских ( в основном персидских и арабских) астрономов , которые внесли значительный вклад в науку включают Аль-Баттани , Зибит , Абд аль-Рахман ас-Суфи , Бируни , Абу Исхак Ибрахим аз-Заркали , Аль-Бирджанди , а также астрономов обсерваторий Мараге и Самарканда . В то время астрономы ввели множество арабских имен, которые сейчас используются для отдельных звезд .

Также считается, что в руинах Большого Зимбабве и Тимбукту, возможно, размещались астрономические обсерватории. В постклассической Западной Африке астрономы изучали движение звезд и их связь с временами года, создавая карты неба, а также точные диаграммы орбит других планет, основанные на сложных математических расчетах. Историк из Сонгая Махмуд Кати задокументировал метеоритный дождь в августе 1583 года. Европейцы ранее полагали, что в Африке к югу от Сахары в доколониальное средневековье не проводились астрономические наблюдения , но современные открытия показывают обратное.

На протяжении более шести веков (от восстановления древних знаний в период позднего средневековья до эпохи Просвещения) Римско-католическая церковь оказывала больше финансовой и социальной поддержки изучению астрономии, чем, вероятно, все другие учреждения. Среди мотивов церкви было определение даты Пасхи.

Научная революция

Наброски и наблюдения Галилея за Луной показали, что поверхность была гористой.
Астрономическая карта из ранней научной рукописи, ок. 1000

В эпоху Возрождения , Коперник предложил гелиоцентрическую модель солнечной системы. Его работу защищал Галилео Галилей и расширял Иоганн Кеплер . Кеплер был первым, кто изобрел систему, которая правильно описывала детали движения планет вокруг Солнца. Однако Кеплеру не удалось сформулировать теорию, лежащую в основе записанных им законов. Именно Исаак Ньютон с его изобретением астрономической динамики и своим законом всемирного тяготения , наконец, объяснил движение планет. Ньютон также разработал телескоп-рефлектор .

Улучшения в размере и качестве телескопа привели к дальнейшим открытиям. Английский астроном Джон Флемстид каталогизировал более 3000 звезд. Более обширные каталоги звезд составил Николя Луи де Лакайль . Астроном Уильям Гершель составил подробный каталог туманностей и скоплений, а в 1781 году открыл планету Уран , первую найденную новую планету.

В течение 18-19 веков, изучение проблемы трех тел по Леонарду Эйлеру , Алексис Клод Клеро , и Д'Аламбер привело к более точным прогнозам относительно движения Луны и планета. Эта работа была дополнительно усовершенствована Жозефом-Луи Лагранжем и Пьером Симоном Лапласом , что позволило оценить массы планет и лун по их возмущениям.

Значительный прогресс в астрономии произошел с появлением новых технологий, включая спектроскоп и фотографию . Йозеф фон Фраунгофер открыл около 600 полос в спектре Солнца в 1814–1815 годах, которые в 1859 году Густав Кирхгоф приписал присутствию различных элементов. Было доказано, что звезды похожи на собственное Солнце Земли, но имеют широкий диапазон температур , масс и размеров.

Существование галактики Земли, Млечного Пути , как отдельной группы звезд, было доказано только в 20 веке вместе с существованием «внешних» галактик. Наблюдаемое разбегание этих галактик привело к открытию расширения Вселенной . Теоретическая астрономия привела к предположениям о существовании таких объектов, как черные дыры и нейтронные звезды , которые использовались для объяснения таких наблюдаемых явлений, как квазары , пульсары , блазары и радиогалактики . В 20 веке физическая космология добилась огромных успехов. В начале 1900-х годов была сформулирована модель теории Большого взрыва , что убедительно подтверждается космическим микроволновым фоновым излучением , законом Хаббла и космологическим содержанием элементов . Космические телескопы позволили проводить измерения в тех частях электромагнитного спектра, которые обычно блокируются или размываются атмосферой. В феврале 2016 года, было выявлено , что LIGO проект был обнаружены свидетельства о гравитационных волнах в сентябре прошлого года.

Наблюдательная астрономия

Основным источником информации о небесных телах и других объектах является видимый свет или, в более общем смысле, электромагнитное излучение . Наблюдательную астрономию можно разделить на категории в соответствии с соответствующей областью электромагнитного спектра, в которой производятся наблюдения. Некоторые части спектра можно наблюдать с поверхности Земли, в то время как другие части можно наблюдать только с больших высот или за пределами атмосферы Земли. Конкретная информация по этим подполям приведена ниже.

Радиоастрономия

В радиоастрономии используется излучение с длиной волны более одного миллиметра за пределами видимого диапазона. Радиоастрономия отличается от большинства других видов наблюдательной астрономии тем, что наблюдаемые радиоволны можно рассматривать как волны, а не как дискретные фотоны . Следовательно, относительно легче измерить как амплитуду, так и фазу радиоволн, тогда как это не так легко сделать на более коротких длинах волн.

Хотя некоторые радиоволны излучаются непосредственно астрономическими объектами, являясь продуктом теплового излучения , большая часть наблюдаемого радиоизлучения является результатом синхротронного излучения , которое возникает, когда электроны вращаются вокруг магнитных полей . Кроме того, ряд спектральных линий, создаваемых межзвездным газом , в частности спектральная линия водорода на 21 см, можно наблюдать в радиоволнах.

На радиоволнах можно наблюдать множество других объектов, включая сверхновые , межзвездный газ, пульсары и активные ядра галактик .

Инфракрасная астрономия

Обсерватория
ALMA - одна из самых высоких обсерваторий на Земле. Атакама, Чили.

Инфракрасная астрономия основана на обнаружении и анализе инфракрасного излучения, длина волны которого больше, чем у красного света, и находится за пределами диапазона нашего зрения. Инфракрасный спектр полезен для изучения объектов, которые слишком холодны для излучения видимого света, таких как планеты, околозвездные диски или туманности, свет которых блокируется пылью. Более длинные волны инфракрасного излучения могут проникать в облака пыли, которые блокируют видимый свет, что позволяет наблюдать молодые звезды, заключенные в молекулярные облака и ядра галактик. Наблюдения с помощью широкоугольного инфракрасного обозревателя (WISE) оказались особенно эффективными при обнаружении многочисленных протозвезд Галактики и их родительских звездных скоплений . За исключением инфракрасных длин волн, близких к видимому свету, такое излучение сильно поглощается атмосферой или маскируется, поскольку сама атмосфера производит значительное инфракрасное излучение. Следовательно, инфракрасные обсерватории должны располагаться на высоких и сухих местах на Земле или в космосе. Некоторые молекулы сильно излучают в инфракрасном диапазоне. Это позволяет изучать химию космоса; точнее, он может обнаруживать воду в кометах.

Оптическая астрономия

Субару телескоп (слева) и Кек обсерватории ( в центре) на Мауна Кеа , оба примера обсерватории , который работает в ближней инфракрасной и видимой длины волны. Телескоп irtf (справа) является примером телескопа , который работает только в ближнем инфракрасном диапазоне.

Исторически оптическая астрономия, также называемая астрономией видимого света, является самой старой формой астрономии. Изображения наблюдений изначально рисовались вручную. В конце 19 века и большей части 20 века изображения были сделаны с помощью фотооборудования. Современные изображения создаются с помощью цифровых детекторов, в частности, с использованием устройств с зарядовой связью (ПЗС) и записываются на современные носители. Хотя сам видимый свет проходит от приблизительно 4000 Å до 7000 Å (400 нм до 700 нм), то же самое оборудование можно использовать для наблюдения некоторые ближней ультрафиолетовой и ближней инфракрасной радиации.

Ультрафиолетовая астрономия

Ультрафиолетовая астрономия использует ультрафиолетовые волны с длинами волн примерно от 100 до 3200 Å (от 10 до 320 нм). Свет на этих длинах волн поглощается атмосферой Земли, поэтому наблюдения на этих длинах волн должны проводиться из верхних слоев атмосферы или из космоса. Ультрафиолетовая астрономия лучше всего подходит для изучения теплового излучения и спектральных эмиссионных линий горячих голубых звезд ( OB-звезд ), которые очень ярки в этом диапазоне волн. Сюда входят голубые звезды в других галактиках, которые были объектами нескольких ультрафиолетовых обзоров. Другие объекты, обычно наблюдаемые в ультрафиолетовом свете, включают планетарные туманности , остатки сверхновых и активные ядра галактик. Однако, поскольку ультрафиолетовый свет легко поглощается межзвездной пылью , необходима корректировка ультрафиолетовых измерений.

Рентгеновская астрономия

Рентгеновский джет, сделанный из сверхмассивной черной дыры, обнаруженной рентгеновской обсерваторией Чандра НАСА, которая стала видимой в свете из ранней Вселенной.

В рентгеновской астрономии используются длины волн рентгеновского излучения . Обычно рентгеновское излучение создается синхротронным излучением (результатом движения электронов по орбите силовых линий магнитного поля), тепловым излучением тонких газов с температурой выше 10 7 (10 миллионов) кельвинов и тепловым излучением толстых газов с температурой выше 10 7 кельвинов. Поскольку рентгеновские лучи поглощаются атмосферой Земли , все рентгеновские наблюдения должны выполняться с высотных аэростатов , ракет или рентгеновских астрономических спутников . Известные источники рентгеновского излучения включают рентгеновские двойные системы , пульсары , остатки сверхновых , эллиптические галактики , скопления галактик и активные ядра галактик .

Гамма-астрономия

Гамма-астрономия наблюдает за астрономическими объектами на самых коротких волнах электромагнитного спектра. Гамма-лучи можно наблюдать напрямую с помощью спутников, таких как Гамма-обсерватория Комптона, или с помощью специализированных телескопов, называемых атмосферными черенковскими телескопами . Телескопы Черенкова не обнаруживают гамма-лучи напрямую, а вместо этого обнаруживают вспышки видимого света, возникающие при поглощении гамма-лучей атмосферой Земли.

Большинство гамма- излучающих источников фактически гамма-всплески , объекты , которые производят только гамма - излучение в течение нескольких миллисекунд до тысячи секунд , прежде чем угасание. Только 10% источников гамма-излучения являются непереходными источниками. Эти устойчивые излучатели гамма-излучения включают пульсары, нейтронные звезды и кандидаты в черные дыры, такие как активные ядра галактик.

Поля, не основанные на электромагнитном спектре

Помимо электромагнитного излучения, с Земли можно наблюдать еще несколько событий, происходящих с больших расстояний.

В нейтринной астрономии астрономы используют сильно экранированные подземные установки, такие как SAGE , GALLEX и Kamioka II / III, для обнаружения нейтрино . Подавляющее большинство нейтрино, протекающих через Землю, исходит от Солнца , но 24 нейтрино были также зарегистрированы от сверхновой 1987A . Космические лучи , которые состоят из частиц очень высоких энергий (ядер атомов), которые могут распадаться или поглощаться при входе в атмосферу Земли, приводят к появлению каскада вторичных частиц, которые могут быть обнаружены современными обсерваториями. Некоторые будущие детекторы нейтрино также могут быть чувствительны к частицам, образующимся при попадании космических лучей в атмосферу Земли.

Гравитационно-волновая астрономия - это развивающаяся область астрономии, в которой используются детекторы гравитационных волн для сбора данных наблюдений за далекими массивными объектами. Было построено несколько обсерваторий, например, гравитационная обсерватория с лазерным интерферометром LIGO . LIGO сделал свое первое обнаружение 14 сентября 2015 года, наблюдая гравитационные волны от двойной черной дыры . Вторая гравитационная волна была обнаружена 26 декабря 2015 года, и дополнительные наблюдения должны продолжаться, но гравитационные волны требуют чрезвычайно чувствительных инструментов.

Комбинация наблюдений, сделанных с использованием электромагнитного излучения, нейтрино или гравитационных волн, и другой дополнительной информации, известна как астрономия с несколькими мессенджерами .

Астрометрия и небесная механика

Звездное скопление Pismis 24 с туманностью

Одна из старейших областей астрономии и всей науки - измерение положения небесных объектов. Исторически сложилось так, что точное знание положения Солнца, Луны, планет и звезд было необходимо в астрономической навигации (использование небесных объектов для навигации) и в создании календарей .

Тщательное измерение положения планет привело к твердому пониманию гравитационных возмущений и способности определять прошлое и будущее положения планет с большой точностью - в этой области, известной как небесная механика . В последнее время отслеживание объектов, сближающихся с Землей , позволит прогнозировать близкие встречи или потенциальные столкновения Земли с этими объектами.

Измерение звездного параллакса близлежащих звезд обеспечивает фундаментальную основу для лестницы космических расстояний, которая используется для измерения масштаба Вселенной. Измерения параллакса близлежащих звезд обеспечивают абсолютную основу для свойств более далеких звезд, поскольку их свойства можно сравнивать. Измерения лучевой скорости и собственного движения звезд позволяют астрономам изобразить движение этих систем через галактику Млечный Путь. Результаты астрометрии являются основой, используемой для расчета распределения предполагаемой темной материи в галактике.

В течение 1990-х годов измерения звездного колебания близлежащих звезд использовались для обнаружения больших внесолнечных планет, вращающихся вокруг этих звезд.

Теоретическая астрономия

Теоретические астрономы используют несколько инструментов , в том числе аналитических моделей и вычислительных численного моделирования ; у каждого есть свои преимущества. Аналитические модели процесса лучше подходят для более широкого понимания сути происходящего. Численные модели показывают существование явлений и эффектов, которые иначе не наблюдались бы.

Теоретики астрономии стремятся создавать теоретические модели и на основе результатов предсказывать наблюдательные последствия этих моделей. Наблюдение за явлением, предсказываемым моделью, позволяет астрономам выбирать между несколькими альтернативными или противоречащими друг другу моделями как наиболее подходящими для описания явления.

Теоретики также пытаются создавать или модифицировать модели, чтобы учесть новые данные. В случае несоответствия между данными и результатами модели общая тенденция состоит в том, чтобы попытаться внести минимальные изменения в модель, чтобы она давала результаты, соответствующие данным. В некоторых случаях большой объем противоречивых данных с течением времени может привести к полному отказу от модели.

Явления, моделируемые астрономами-теоретиками, включают: звездную динамику и эволюцию ; формирование галактики ; крупномасштабное распределение в материи во Вселенной ; происхождение космических лучей ; общая теория относительности и физическая космология , включая космологию струн и физику астрономических частиц . Астрофизическая теория относительности служит инструментом для оценки свойств крупномасштабных структур, для которых гравитация играет значительную роль в исследуемых физических явлениях, а также в качестве основы для физики черных дыр ( астро ) и изучения гравитационных волн .

Некоторые широко принятые и изучаемые теории и модели в астрономии, которые теперь включены в модель Lambda-CDM, - это Большой взрыв , темная материя и фундаментальные теории физики .

Несколько примеров этого процесса:

Физический процесс Экспериментальный инструмент Теоретическая модель Объясняет / предсказывает
Гравитация Радиотелескопы Самогравитирующая система Возникновение звездной системы
Термоядерная реакция Спектроскопия Звездная эволюция Как сияют звезды и как образовывались металлы
Большой взрыв Космический телескоп Хаббла , COBE Расширяющаяся вселенная Возраст Вселенной
Квантовые флуктуации Космическая инфляция Проблема плоскостности
Гравитационный коллапс Рентгеновская астрономия Общая теория относительности Черные дыры в центре галактики Андромеды
Цикл CNO в звездах Доминирующий источник энергии для массивной звезды.

Наряду с космической инфляцией , темная материя и энергия темно в настоящее время являются ведущей тему в астрономии, так как их открытие и полемика возникли при изучении галактик.

Конкретные подполя

Астрофизика

Астрофизика применяет физику и химию, чтобы понять измерения, производимые астрономией. Представление наблюдаемой Вселенной, которое включает изображения с
телескопа Хаббла и других телескопов .

Астрофизика - это отрасль астрономии, которая использует принципы физики и химии «для выяснения природы астрономических объектов , а не их положения или движения в пространстве». Среди изучаемых объектов - Солнце , другие звезды , галактики , внесолнечные планеты , межзвездная среда и космический микроволновый фон . Их излучения исследуются во всех частях электромагнитного спектра , и исследуемые свойства включают светимость , плотность , температуру и химический состав. Поскольку астрофизики являются очень широкой темой, астрофизика , как правило , применяет много дисциплин физики, включая механику , электромагнетизм , статистическую механику , термодинамики , квантовую механику , теорию относительность , ядерную и физику элементарных частиц , а также атомную и молекулярную физику .

На практике современные астрономические исследования часто включают в себя значительный объем работы в области теоретической физики и физики наблюдений. Некоторые области исследований для астрофизиков включают их попытки определить свойства темной материи , темной энергии и черных дыр ; возможно ли путешествие во времени , могут образовываться червоточины или существует мультивселенная ; и происхождение и окончательная судьба вселенной . Темы, которые также изучаются астрофизиками-теоретиками, включают образование и эволюцию Солнечной системы ; звездная динамика и эволюция ; формирование и эволюция галактик ; магнитогидродинамика ; крупномасштабная структура из материи во Вселенной; происхождение космических лучей ; общая теория относительности и физическая космология , включая космологию струн и физику астрономических частиц .

Астрохимия

Астрохимия - это изучение количества и реакций молекул во Вселенной , а также их взаимодействия с излучением . Дисциплина представляет собой пересечение астрономии и химии . Слово «астрохимия» может применяться как к Солнечной системе, так и к межзвездной среде . Изучение содержания элементов и соотношений изотопов в объектах Солнечной системы, таких как метеориты , также называется космохимией , а изучение межзвездных атомов и молекул и их взаимодействия с излучением иногда называют молекулярной астрофизикой. Образование, атомный и химический состав, эволюция и судьба облаков молекулярного газа представляют особый интерес, потому что именно из этих облаков образуются солнечные системы.

Исследования в этой области способствуют пониманию формирования Солнечной системы , происхождения и геологии Земли, абиогенеза и происхождения климата и океанов.

Астробиология

Астробиология - это междисциплинарная научная область, изучающая происхождение , раннюю эволюцию , распространение и будущее жизни во Вселенной . Астробиология рассматривает вопрос о том, существует ли внеземная жизнь и как люди могут ее обнаружить, если она существует. Термин экзобиология похож.

Астробиология использует молекулярную биологию , биофизику , биохимию , химию , астрономию, физическую космологию , экзопланетологию и геологию, чтобы исследовать возможность жизни в других мирах и помочь распознать биосферы, которые могут отличаться от земных. Происхождение и ранняя эволюция жизни - неотъемлемая часть астробиологии. Астробиология занимается интерпретацией существующих научных данных , и хотя спекуляции используются для создания контекста, астробиология в первую очередь занимается гипотезами, которые прочно укладываются в существующие научные теории .

Эта междисциплинарная область включает исследования происхождения планетных систем , происхождения органических соединений в космосе , взаимодействия горных пород, воды и углерода, абиогенеза на Земле, обитаемости планет , исследования биосигнатур для обнаружения жизни и исследования потенциала жизни для адаптации к ней. проблемы на Земле и в космосе .

Физическая космология

Космологию (от греческого κόσμος ( космос ) «мир, вселенная» и λόγος ( логос ) «слово, исследование» или буквально «логика») можно рассматривать как изучение Вселенной в целом.

Наблюдения за крупномасштабной структурой Вселенной , раздел, известный как физическая космология , обеспечили глубокое понимание формирования и эволюции космоса. В основе современной космологии лежит хорошо принятая теория Большого взрыва , согласно которой наша Вселенная возникла в один момент времени, а затем расширилась в течение 13,8 миллиардов лет до нынешнего состояния. Идея Большого взрыва восходит к открытию микроволнового фонового излучения в 1965 году.

В ходе этого расширения Вселенная прошла несколько этапов эволюции. Предполагается, что в самые ранние моменты Вселенная испытала очень быструю космическую инфляцию , которая гомогенизировала начальные условия. После этого нуклеосинтез произвел изобилие элементов ранней Вселенной. (См. Также нуклеокосмохронология .)

Когда первые нейтральные атомы сформировались из моря первичных ионов, пространство стало прозрачным для излучения, высвободив энергию, которая сегодня рассматривается как микроволновое фоновое излучение. Затем расширяющаяся Вселенная пережила Темный век из-за отсутствия звездных источников энергии.

Иерархическая структура материи начала формироваться из мельчайших изменений плотности массы пространства. Материя накапливалась в самых плотных областях, образуя облака газа и самые ранние звезды, звезды Населения III . Эти массивные звезды запустили процесс реионизации и, как полагают, создали многие из тяжелых элементов в ранней Вселенной, которые в результате ядерного распада создают более легкие элементы, позволяя циклу нуклеосинтеза продолжаться дольше.

Гравитационные скопления собирались в нити, оставляя пустоты в зазорах. Постепенно газовые и пылевые организации объединились и образовали первые примитивные галактики. Со временем они втягивали в себя больше материи и часто объединялись в группы и скопления галактик, а затем в более крупномасштабные сверхскопления.

Различные области физики имеют решающее значение для изучения Вселенной. Междисциплинарные исследования связаны поля квантовой механики , физики элементарных частиц , физики плазмы , физики конденсированных сред , статистической механики , оптики и ядерной физики .

В основе структуры Вселенной лежит существование темной материи и темной энергии . Сейчас считается, что они являются его доминирующими компонентами, составляющими 96% массы Вселенной. По этой причине прилагаются большие усилия, чтобы попытаться понять физику этих компонентов.

Внегалактическая астрономия

На этом изображении показаны несколько синих петлеобразных объектов, которые представляют собой несколько изображений одной и той же галактики, дублированных эффектом гравитационной линзы скопления желтых галактик около середины фотографии. Линза создается гравитационным полем кластера, которое отклоняет свет, чтобы увеличивать и искажать изображение более удаленного объекта.

Изучение объектов за пределами нашей галактики - это раздел астрономии, связанный с образованием и эволюцией галактик , их морфологией (описанием) и классификацией , наблюдением активных галактик и, в более широком масштабе, групп и скоплений галактик . Наконец, последнее важно для понимания крупномасштабной структуры космоса .

Большинство галактик имеют различные формы, которые позволяют использовать схемы классификации. Обычно их делят на спиральные , эллиптические и неправильные галактики.

Как следует из названия, эллиптическая галактика имеет форму эллипса в поперечном сечении . Звезды движутся по случайным орбитам без определенного направления. Эти галактики содержат мало или совсем не содержат межзвездной пыли, несколько областей звездообразования и более старые звезды. Эллиптические галактики чаще встречаются в ядрах скоплений галактик и, возможно, образовались в результате слияния больших галактик.

Спиральная галактика состоит из плоского вращающегося диска, обычно с выступающей выпуклостью или перемычкой в ​​центре и яркими рукавами, уходящими по спирали наружу. Рукава - это пыльные области звездообразования, внутри которых массивные молодые звезды имеют голубой оттенок. Спиральные галактики обычно окружены ореолом из старых звезд. И Млечный Путь, и одна из наших ближайших соседей галактики, Галактика Андромеды , являются спиральными галактиками.

Неправильные галактики хаотичны по внешнему виду и не являются ни спиральными, ни эллиптическими. Около четверти всех галактик имеют неправильную форму, и необычная форма таких галактик может быть результатом гравитационного взаимодействия.

Активная галактика - это образование, которое излучает значительную часть своей энергии из других источников, кроме звезд, пыли и газа. Он питается от компактной области в ядре, которая считается сверхмассивной черной дырой, испускающей излучение падающего материала.

Радиогалактика является активной галактикой , которая очень светящаяся в радио части спектра, и излучает огромные султаны или долю газа. К активным галактикам, излучающим более короткочастотное и высокоэнергетическое излучение, относятся сейфертовские галактики , квазары и блазары . Квазары считаются наиболее часто светящимися объектами в известной Вселенной.

Крупномасштабная структура космоса представлена группами и скоплениями галактик. Эта структура организована в виде иерархии групп, крупнейшими из которых являются суперкластеры . Коллективная материя формируется в виде волокон и стенок, оставляя между собой большие пустоты .

Галактическая астрономия

Наблюдаемая структура спиральных рукавов Млечного Пути

В Солнечной системы орбиты в пределах Млечного Пути , в спиральная галактика с перемычкой , которая является видным членом Местной группы галактик. Это вращающаяся масса газа, пыли, звезд и других объектов, удерживаемая вместе за счет взаимного гравитационного притяжения. Поскольку Земля расположена в пыльных внешних рукавах, есть большие части Млечного Пути, которые не видны.

В центре Млечного Пути находится ядро, выпуклость в форме стержня с тем, что считается сверхмассивной черной дырой в центре. Он окружен четырьмя первичными рукавами, которые спирально отходят от ядра. Это область активного звездообразования, в которой находится много более молодых звезд населения I. Диск окружен сфероидным гало из более старых звезд населения II , а также относительно плотных скоплений звезд, известных как шаровые скопления .

Между звездами находится межзвездная среда , область разреженной материи. В плотных областях, молекулярные облака из молекулярного водорода и других элементов создают звездообразные формирования областей. Они начинаются как компактное предзвездное ядро или темные туманности , которые концентрируются и схлопываются (в объемах, определяемых длиной Джинса ), образуя компактные протозвезды.

По мере появления более массивных звезд они превращают облако в область H II (ионизированный атомарный водород) светящегося газа и плазмы. В звездном ветре и взрывы сверхновых из этих звезд в конечном итоге привести облако разойтись, часто оставляя позади одного или более молодых скоплений звезд. Эти скопления постепенно расходятся, и звезды присоединяются к населению Млечного Пути.

Кинематические исследования вещества в Млечном Пути и других галактиках показали, что масса больше, чем может быть объяснена видимым веществом. Гало темной материи , кажется, доминируют в массы, хотя природа этого темной материи остается неопределенным.

Звездная астрономия

Mz 3 , которую часто называют планетарной туманностью Муравей. Выброс газа из умирающей центральной звезды показывает симметричные узоры, в отличие от хаотических узоров обычных взрывов.

Изучение звезд и звездной эволюции имеет фундаментальное значение для нашего понимания Вселенной. Астрофизика звезд была определена посредством наблюдений и теоретического понимания; и из компьютерного моделирования интерьера. Звездообразование происходит в плотных областях пыли и газа, известных как гигантские молекулярные облака . При дестабилизации фрагменты облака могут схлопнуться под действием силы тяжести и образовать протозвезду . Достаточно плотная и горячая область ядра вызовет ядерный синтез , создав таким образом звезду главной последовательности .

Почти все элементы тяжелее водорода и гелия были созданы внутри ядер звезд.

Характеристики полученной звезды зависят в первую очередь от ее стартовой массы. Чем массивнее звезда, тем больше ее светимость и тем быстрее она превращает свое водородное топливо в гелий в своем ядре. Со временем это водородное топливо полностью превращается в гелий, и звезда начинает эволюционировать . Для синтеза гелия требуется более высокая внутренняя температура. Звезда с достаточно высокой температурой ядра будет выталкивать внешние слои наружу, увеличивая при этом плотность ядра. Образовавшийся красный гигант, образованный расширяющимися внешними слоями, имеет короткую продолжительность жизни, прежде чем гелиевое топливо в активной зоне, в свою очередь, израсходуется. Очень массивные звезды также могут пройти ряд эволюционных фаз, поскольку они соединяют все более тяжелые элементы.

Окончательная судьба звезды зависит от ее массы: звезды, масса которых примерно в восемь раз превышает массу Солнца, становятся сверхновыми при коллапсе ядра ; в то время как звезды меньшего размера срывают свои внешние слои и оставляют после себя инертное ядро ​​в виде белого карлика . Выброс внешних слоев образует планетарную туманность . Остаток сверхновой - это плотная нейтронная звезда или черная дыра , если звездная масса была как минимум в три раза больше массы Солнца . Близко вращающиеся двойные звезды могут следовать более сложным эволюционным путям, таким как перенос массы на белого карлика-компаньона, который потенциально может вызвать сверхновую. Планетарные туманности и сверхновые звезды распределяют " металлы ", образовавшиеся в звезде в результате слияния, в межзвездную среду; без них все новые звезды (и их планетные системы) были бы сформированы только из водорода и гелия.

Солнечная астрономия

Ультрафиолетовое изображение активного Солнца фотосферы , если смотреть на TRACE космического телескопа. Фото НАСА
Солнечная обсерватория Lomnický štít ( Словакия ), построенная в 1962 году.

На расстоянии примерно восемь световых минут, наиболее часто изучали звездами является Солнце , типичный главной последовательность карликом из звездного класса G2 V, и около 4,6 миллиарда лет (Gyr) старых. Солнце не считается переменной звездой , но оно претерпевает периодические изменения активности, известные как цикл солнечных пятен . Это 11-летнее колебание числа солнечных пятен . Солнечные пятна - это области с температурами ниже средних, которые связаны с интенсивной магнитной активностью.

Светимость Солнца постоянно увеличивалась на 40% с тех пор, как оно впервые стало звездой главной последовательности. Солнце также претерпевало периодические изменения яркости, которые могут оказать значительное влияние на Землю. Минимум Маундер , например, как полагают, причиной малого ледникового периода явление во время Средневековья .

Видимая внешняя поверхность Солнца называется фотосферой . Выше этого слоя находится тонкая область, известная как хромосфера . Он окружен переходной областью быстро растущих температур и, наконец, перегретой короной .

В центре Солнца находится область ядра, объем с достаточной температурой и давлением для ядерного синтеза . Над ядром находится зона излучения , где плазма передает поток энергии посредством излучения. Выше находится зона конвекции, в которой газовый материал переносит энергию в основном за счет физического вытеснения газа, известного как конвекция. Считается, что движение массы в зоне конвекции создает магнитную активность, которая порождает солнечные пятна.

Солнечный ветер, состоящий из частиц плазмы, постоянно течет от Солнца, пока на самой внешней границе Солнечной системы не достигнет гелиопаузы . Когда солнечный ветер проходит над Землей, он взаимодействует с магнитным полем Земли ( магнитосферой ) и отклоняет солнечный ветер, но захватывает некоторые из них, создавая радиационные пояса Ван Аллена, которые охватывают Землю. В аврора создаются , когда частицы солнечного ветра направляются магнитным потоком линий в полярных областях Земли , где линии затем спускающихся в атмосферу .

Планетарная наука

Черное пятно наверху - это пыльный дьявол, взбирающийся на стену кратера на Марсе . Этот движущийся, закрученный столб марсианской атмосферы (сравнимый с земным торнадо ) создал длинную темную полосу.

Планетарная наука - это изучение совокупности планет , лун , карликовых планет , комет , астероидов и других тел, вращающихся вокруг Солнца, а также внесолнечных планет. Солнечная система была относительно хорошо изучены, сначала через телескопы , а потом космическими аппаратами. Это дало хорошее общее представление о формировании и эволюции планетной системы Солнца, хотя многие новые открытия все еще делаются.

Солнечная система разделена на внутреннюю Солнечную систему (подразделяется на внутренние планеты и пояс астероидов ), внешнюю Солнечную систему (подразделяется на внешние планеты и кентавры ), кометы, транснептуновую область (подразделяется на пояс Койпера , и рассеянный диск ) и самые далекие области (например, границы гелиосферы и Облака Оорта , которое может простираться до светового года). Внутренние планеты земной группы состоят из Меркурия , Венеры , Земли и Марса . Внешние планеты - гиганты - это газовые гиганты ( Юпитер и Сатурн ) и ледяные гиганты ( Уран и Нептун ).

Планеты образовались 4,6 миллиарда лет назад в протопланетном диске , окружавшем раннее Солнце. Благодаря процессу, который включал гравитационное притяжение, столкновение и аккрецию, диск образовал сгустки вещества, которые со временем превратились в протопланеты. Давление излучения от солнечного ветра , то исключило большую часть unaccreted материи, а только те планеты с достаточной массой сохранили свою газовую атмосферу. Планеты продолжали сметать или выбрасывать оставшееся вещество в период интенсивной бомбардировки, о чем свидетельствуют многочисленные ударные кратеры на Луне. В течение этого периода, возможно, столкнулись некоторые из протопланет, и одно такое столкновение могло сформировать Луну .

Когда планета достигает достаточной массы, материалы разной плотности разделяются внутри во время планетарной дифференциации . Этот процесс может образовывать каменное или металлическое ядро, окруженное мантией и внешней корой. Ядро может включать твердые и жидкие области, а некоторые ядра планет создают собственное магнитное поле , которое может защитить их атмосферу от разрыва солнечного ветра.

Внутреннее тепло планеты или луны образуется в результате столкновений, в результате которых образовалось тело, распада радиоактивных материалов ( например, урана , тория и 26 Al ) или приливного нагрева, вызванного взаимодействием с другими телами. Некоторые планеты и луны накапливают достаточно тепла, чтобы управлять геологическими процессами, такими как вулканизм и тектоника. Те, которые накапливают или удерживают атмосферу, также могут подвергаться поверхностной эрозии от ветра или воды. Тела меньшего размера без приливного нагрева быстрее остывают; и их геологическая активность прекращается, за исключением кратера от удара.

Междисциплинарные исследования

Астрономия и астрофизика установили значительные междисциплинарные связи с другими крупными научными областями. Археоастрономия - это изучение древних или традиционных астрономий в их культурном контексте с использованием археологических и антропологических данных. Астробиология - это исследование появления и эволюции биологических систем во Вселенной, с особым акцентом на возможности внеземной жизни. Астростатистика - это приложение статистики к астрофизике для анализа огромного количества наблюдательных астрофизических данных.

Изучение химических веществ, обнаруженных в космосе, включая их образование, взаимодействие и разрушение, называется астрохимией . Эти вещества обычно находятся в молекулярных облаках , хотя они также могут появляться в низкотемпературных звездах, коричневых карликах и планетах. Космохимия - это изучение химических веществ, обнаруженных в Солнечной системе, включая происхождение элементов и вариации в соотношении изотопов . Обе эти области представляют собой пересечение дисциплин астрономии и химии. В качестве « судебной астрономии », наконец, методы астрономии использовались для решения проблем права и истории.

Любительская астрономия

Астрономы-любители могут создавать собственное оборудование и проводить звездные вечеринки и собрания, такие как Stellafane .

Астрономия - одна из наук, в которую любители могут внести наибольший вклад.

Коллективно астрономы-любители наблюдают за различными небесными объектами и явлениями, иногда с помощью оборудования, которое они строят сами . Обычные цели астрономов-любителей включают Солнце, Луну, планеты, звезды, кометы, метеорные потоки и различные объекты дальнего космоса, такие как звездные скопления, галактики и туманности. Астрономические клубы расположены по всему миру, и многие из них имеют программы, помогающие своим членам создавать и выполнять программы наблюдений, в том числе программы по наблюдению за всеми объектами в каталогах Мессье (110 объектов) или Herschel 400 достопримечательностей ночного неба. Один из разделов любительской астрономии, любительская астрофотография , включает фотографирование ночного неба. Многим любителям нравится специализироваться на наблюдении за конкретными объектами, типами объектов или типами событий, которые их интересуют.

Большинство любителей работают с видимыми длинами волн, но небольшое меньшинство экспериментирует с длинами волн вне видимого спектра. Это включает использование инфракрасных фильтров на обычных телескопах, а также использование радиотелескопов. Пионером любительской радиоастрономии был Карл Янский , который начал наблюдать за небом в радиоволнах в 1930-х годах. Ряд астрономов - любителей использовать либо самодельные телескопы или использовать радиотелескопы , которые первоначально были построены для исследования астрономии , но которые теперь доступны для любителей ( например One-Mile телескоп ).

Астрономы-любители продолжают вносить научный вклад в область астрономии, и это одна из немногих научных дисциплин, в которую любители все еще могут внести значительный вклад. Любители могут проводить измерения затенения, которые используются для уточнения орбит малых планет. Они также могут открывать кометы и проводить регулярные наблюдения переменных звезд. Улучшения в цифровых технологиях позволили любителям добиться впечатляющих успехов в области астрофотографии.

Нерешенные проблемы астрономии

Хотя научная дисциплина астрономия достигла огромных успехов в понимании природы Вселенной и ее содержимого, некоторые важные вопросы остаются без ответа. Ответы на них могут потребовать создания новых наземных и космических приборов и, возможно, новых достижений в теоретической и экспериментальной физике.

  • Каково происхождение звездного спектра масс? То есть, почему астрономы наблюдают одно и то же распределение звездных масс - начальную функцию масс - по- видимому, независимо от начальных условий? Необходимо более глубокое понимание образования звезд и планет.
  • Есть ли во Вселенной другая жизнь ? В частности, есть ли другая разумная жизнь? Если да, то каково объяснение парадокса Ферми ? Существование жизни в другом месте имеет важные научные и философские последствия. Солнечная система нормальная или нетипичная?
  • Какова природа темной материи и темной энергии ? Они определяют эволюцию и судьбу космоса, но их истинная природа остается неизвестной.
  • Какова будет окончательная судьба Вселенной ?
  • Как образовались первые галактики? Как образовались сверхмассивные черные дыры?
  • Что создает космические лучи сверхвысокой энергии ?
  • Почему содержание лития в космосе в четыре раза ниже, чем предсказывает стандартная модель Большого взрыва ?
  • Что на самом деле происходит за горизонтом событий ?

Смотрите также

Рекомендации

Библиография

Внешние ссылки