Astrofizyka

nauka z pogranicza fizyki i astronomii

Astrofizykanauka z pogranicza fizyki i astronomii, czasem uznawana za dział tej drugiej[1][2][3][4], badająca ciała niebieskie, takie jak gwiazdy, czarne dziury, galaktyki i materia międzygwiazdowa – ich budowę, wzajemne oddziaływanie, prawa nimi rządzące oraz procesy fizyczne w skali kosmicznej. Astrofizyka bada ewolucję zarówno pojedynczych gwiazd, jak i całego Wszechświata[5] – dział zajmujący się tą skalą to kosmologia fizyczna.

Diagram Hertzsprunga-Russella opisujący ewolucję gwiazd – jeden z podstawowych wyników badań astrofizycznych.

Astrofizyka korzysta z szeregu teorii fizycznych, takich jak mechanika klasyczna i kwantowa – w tym szczególna teoria względności, relatywistyczna mechanika kwantowa i mechanika statystyczna – oraz termodynamika i teorie pola, zarówno klasyczne jak i kwantowe. Wiąże się z fizyką cząstek elementarnych, jądrową i materii skondensowanej, zwłaszcza plazmy.

Do sukcesów tej nauki można zaliczyć opis i wyjaśnienie ewolucji gwiazd – zaobserwowano m.in. supernowe, gwiazdy neutronowe, czarne dziury i procesy towarzyszące ewolucji układów podwójnych jak emisja fal czasoprzestrzeni. Wyjaśniono też pochodzenie jąder atomowych – astrofizyka dostarczyła modeli nukleosyntezy, zarówno tej gwiazdowej, jak i pierwotnej, tj. pojawianiu się jąder w Wielkim Wybuchu. Do dalszych wyzwań astrofizyki można zaliczyć sprawdzanie różnych teorii grawitacji oraz modeli kosmologicznych, a także badania ciemnej materii i ciemnej energii o nieznanej naturze.

Dzieje astrofizyki edytuj

Początkowo astronomia rozwijała się niezależnie od fizyki; ciała niebieskie uważano za bóstwa lub za świat rządzący się innymi prawami niż Ziemia i jej najbliższe otoczenie. Arystoteles uważał świat niebieski za zbudowany z eteru, a nie z czterech klasycznych żywiołów jak świat podksiężycowy. Ciała niebieskie miały być doskonałe, a ich ruch miał nie wymagać żadnej siły[potrzebny przypis].

Zastosowanie fizyki do badań nieba wiąże się z przewrotem kopernikańskim. Na początku XVII wieku Johannes Kepler odkrył prawa ruchu planet nazwane od jego nazwiska. Pod koniec tego wieku Isaac Newton wyjaśnił je za pomocą prawa powszechnego ciążenia i mechaniki klasycznej. Tym sposobem ujednolicił fizykę ziemską z astronomią; była to pierwsza unifikacja tego typu. Odtąd mechanika nieba jest oparta na mechanice i teorii pola grawitacyjnego; przyniosło to owoce jak odkrycie Neptuna dzięki wyjaśnieniu anomalii w orbicie Urana. Z drugiej strony badania te natrafiły na trudności; problem trzech ciał okazał się nierozwiązywalny w sposób ścisły, rozważania w skali kosmicznej doprowadziły do paradoksu grawitacyjnego, a orbity Merkurego nie udało się wyjaśnić na gruncie teorii Newtona.

Na początku XIX wieku Joseph von Fraunhofer zaobserwował linie widmowe w promieniowaniu ze Słońca. Eksperymenty z gorącymi gazami pokazały, że takie same linie można obserwować w obserwowanym widmie, linie te są charakterystyczne dla poszczególnych pierwiastków. W ten sposób udowodniono, że pierwiastki występujące w Słońcu występują również na Ziemi. Faktycznie, pierwiastek hel został najpierw odkryty w widmie ze Słońca, a następnie w laboratorium ziemskim (stąd etymologia nazwy pierwiastka). Ten przełomowy moment często uważa się za narodziny astrofizyki jako osobnej gałęzi wiedzy[potrzebny przypis]. Najwcześniejsze poświadczone użycie terminu astrofizyka pochodzi z 1865 roku, kiedy użył go Johann Karl Friedrich Zöllner[6].

XX wiek to czas przełomu w astrofizyce, umożliwiony dzięki zmianie samych fundamentów fizyki:

Pojawiły się też badania na styku obydwu teorii jak termodynamika czarnych dziur i kosmologia kwantowa. Poprawne opisy w tych dziedzinach mogą potrzebować kwantowego modelu grawitacji, a żadna z hipotez tego typu nie została potwierdzona.

Wiek XXI to początek nowej metody obserwacyjnej – po raz pierwszy wykryto fale grawitacyjne. Użyta metoda interferometryczna pozwoliła wykryć proces zlewania się czarnych dziur oraz gwiazd neutronowych.

Dyscypliny edytuj

Astrofizyka obserwacyjna edytuj

Większość procesów astrofizycznych nie może być zrealizowana w ziemskich laboratoriach. Istnieje jednak ogromna liczba obiektów astrofizycznych widzialnych w promieniowaniu elektromagnetycznym. Badanie tych obiektów jest celem obserwacyjnej astrofizyki.

Techniki obserwacji obiektów astrofizycznych wymagają bardzo zaawansowanej technologii i do niedawna były po prostu nieznane.

Większość obserwacji jest robiona przy użyciu promieniowania elektromagnetycznego.

Astrofizyka teoretyczna edytuj

Astrofizyka teoretyczna jest dyscypliną starającą się wyjaśnić zjawiska obserwowane przez astronomów w oparciu o teorie fizyczne. W tym celu astrofizyka teoretyczna buduje modele teoretyczne (abstrakcyjne, jak i numeryczne), które starają się tłumaczyć obserwacje, jak i przewidywać nowe zjawiska.

Teoretyczna astrofizyka używa szerokiego spektrum metod, np. modelowania analitycznego (dla przykładu metoda politrop do modelowania zachowania gwiazdy), metod numerycznych do symulacji układów astrofizycznych. Każda z tych metod ma swoje zalety.

Zainteresowania astrofizyki teoretycznej dotyczą: ewolucji gwiazd, materii (barionowej i ciemnej materii) i promieniowania kosmicznego, kosmologii, formowania się i ewolucji: galaktyk, wielkoskalowych struktur we Wszechświecie.

Instytucje edytuj

W Polsce istnieje kilkanaście ośrodków badań astrofizycznych; odpowiednie instytuty, katedry i zakłady ma część polskich wydziałów fizyki i astronomii:

Astrofizykę rozwijają też:

Popularyzacja edytuj

Najpóźniej od XX wieku astrofizyka jest dziedziną popularyzowaną; niektóre książki na ten temat zostawały bestsellerami, a ich autorom przyznawano nagrody. Przykładowi działacze na tym polu to:

Po polsku astrofizykę, w tym kosmologię, upowszechniali Michał Heller, Marek Demiański, Jean-Pierre Lasota-Hirszowicz, Stanisław Bajtlik, Krzysztof Meissner, Tadeusz Pabjan i Łukasz Lamża; część z nich za tę działalność wyróżniono. Astrofizyka jest też jedną z dziedzin poruszanych przez Karolinę Głowacką – w jej Radiu Naukowym oraz w wywiadach-rzekach z prof. Lasotą.

Przypisy edytuj

  1. astrofizyka, [w:] Encyklopedia PWN [online] [dostęp 2023-04-21].
  2. astronomia, [w:] Encyklopedia PWN [online] [dostęp 2023-04-21].
  3.   astrophysics (ang.), Britannica Online, britannica.com, 12 kwietnia 2023 [dostęp 2023-04-21].
  4.   astronomy (ang.), Britannica Online, britannica.com, 5 stycznia 2023 [dostęp 2023-04-21].
  5.   astrofizyka – definicja, synonimy, przykłady użycia [w]: Słowniki PWN [online].
  6.   astrophysics (ang.), dictionary.obspm.fr [dostęp 2023-04-21].
  7.   Katedra Astrofizyki Teoretycznej, astrouw.edu.pl [dostęp 2023-04-21].
  8.   Astrofizyka i kosmologia, fais.uj.edu.pl [dostęp 2023-04-21].
  9.   O Instytucie Astronomii, astro.umk.pl [dostęp 2023-04-21].
  10.   Wydziały i Jednostki Uniwersytetu Łódzkiego, wfis.uni.lodz.pl [dostęp 2023-04-21].
  11.   Katedra Astrofizyki i Fizyki Teoretycznej, physics.uwb.edu.pl [dostęp 2023-04-21].
  12.   Zakład Astrofizyki, ia.uz.zgora.pl [dostęp 2023-04-21].
  13.   Instytut Astronomiczny U.Wr., astro.uni.wroc.pl [dostęp 2023-04-21].
  14.   Instytut Fizyki Teoretycznej i Astrofizyki, [dostęp 2023-04-21].
  15.   INSTYTUT FIZYKI UNIWERSYTET SZCZECIŃSKI, [dostęp 2023-04-21].
  16.   Katedra Fizyki Teoretycznej i Astrofizyki, fizykateoretyczna.ukw.edu.pl [dostęp 2023-04-21].
  17.   Katedra Astrofizyki i Fizyki Teoretycznej, fizyka.uni.opole.pl [dostęp 2023-04-21].
  18.   Zagadnienia badawcze, camk.edu.pl [dostęp 2023-04-21].
  19.   Zakład Astrofizyki (BP4), ncbj.gov.pl [dostęp 2023-04-21].

Linki zewnętrzne edytuj