Astrofyzika

Astrofyzika (z gréčtiny: astro – hviezda a physis – príroda) je časť astronómie (alebo veda na rozhraní fyziky a astronómie), ktorá sa zaoberá fyzikou vo vesmíre, pokrýva fyzikálne vlastnosti nebeských objektov a aj ich správanie a vzájomné pôsobenie.^[1] Medzi objekty skúmané astrofyzikou patria galaxie, hviezdy, planéty, exoplanéty, medzihviezdne médium a kozmické mikrovlnné pozadie. Skúma celé elektromagnetické spektrum vyžarovania týchto objektov a ich vlastnosti ako svietivosť, hustota, teplota a chemické zloženie. Pretože astrofyzika je veľmi rozsiahla veda, astrofyzici bežne využívajú mnoho fyzikálnych disciplín vrátane mechaniky, elektromagnetizmu, štatistickej mechaniky, termodynamiky, kvantovej mechaniky, relativity, jadrovej a časticovej fyziky. Moderný astronomický výskum v praxi zahŕňa podstatnú časť fyziky. Astrofyzici môžu získať tituly bakalár, magister a PhD. na fakultách vesmírneho inžinierstva, fyziky a astronómie na mnohých univerzitách.

Aj keď astronómia je staroveká veda, tak nebola spájaná s fyzikou. V Aristotelovskom svetonázore nebeský svet smeroval k dokonalosti – telesá na oblohe sa javili ako dokonalé gule, ktoré sa pohybovali po dokonalých kružnicových dráhach – zatiaľ čo pozemský svet bol odsúdený k nedokonalosti, tieto dva svety vôbec neboli príbuzné.

Aristarchos zo Samosu (310 – 250 pred Kr.) ako prvý predstavil myšlienku, že pohyb nebeských telies sa dá vysvetliť za predpokladu, že Zem a ostatné planéty obiehajú okolo Slnka. Nanešťastie, v dobe geocentrického pohľadu, bola táto teória považovaná za kacírstvo. Tento názor, založený zdanlivo na zdravom rozume, pretrvával bez väčších pochybností celé storočia až po vznik Kopernikovského heliocentrizmu v 16. storočí vďaka dominancii geocentrického modelu od Ptolemaia (83 – 161), popísaného v jeho rozprave Almagest.

Jediným známym podporovateľom Aristarcha bol Seleucus, babylonský astronóm, ktorý rozumne dokázal heliocentrický model v 2. storočí pred Kr. Začiatkom 11. storočia arab Ibn al-Haytham (Alhazen) okolo roku 1021 napísal Maqala fi daw al-qamar (Vo svetle Mesiaca). Jeho záver bol, že Mesiac vyžaruje svetlo z tých častí povrchu, ktoré sú osvetlené Slnkom.

Po oživení heliocentrizmu Mikulášom Kopernikom v 16. storočí objavil roku 1610 Galileo Galilei 4 najjasnejšie mesiace Jupitera a zdokumentoval ich obežné dráhy okolo planéty. To sa nezhodovalo s geocentrickým názorom Katolíckej cirkvi a Galileo sa vyhol vážnemu trestu len vďaka vyhláseniu, že jeho astronómia bola prácou matematiky a nie prírodnej filozofie (fyziky) a preto bola čisto abstraktná.

Dostupnosť presných údajov vďaka pozorovaniam (hlavne od Tycha Brahe) viedli k výskumu teoretických vysvetlení pozorovaného správania. Najskôr boli objavené iba empirické pravidlá, ako napr. Keplerove zákony planetárneho pohybu, objavené začiatkom 17. storočia. Neskôr Isaac Newton objavil, že rovnaké zákony platia pre dynamiku objektov na Zemi a pre pohyb planét a mesiacov, a tak doplnil medzeru medzi Keplerovými zákonmi a Gallileiho dynamikou. Použitie Newtonovskej gravitácie a Newtonových zákonov na vysvetlenie Keplerových zákonov bolo prvým zjednotením astronómie a fyziky.

Publikovaním svojej knihy Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica transformoval Newton námornú navigáciu. Okolo roku 1670 začalo meranie celého sveta pomocou moderných nástrojov zemepisnej šírky a najlepších dostupných hodín. Potreby navigácie boli motorom stále presnejších astronomických pozorovaní a nástrojov, čo vedcom poskytovalo stále viac údajov.

Koncom 19. storočia objavili pri rozklade slnečného svetla množstvo spektrálnych čiar. Experimenty s horúcimi plynmi preukázali, že rovnaké čiary boli pozorované v spektrách plynov, boli to špecifické čiary zodpovedajúce rôznym chemickým prvkom. Týmto spôsobom bolo dokázané, že rovnaké prvky sa nachádzajú na Slnku a aj na Zemi.^[2]

Väčšina astrofyzikálnych pozorovaní využíva elektromagnetické spektrum.

• Rádiová astronómia skúma žiarenie s vlnovou dĺžkou väčšou ako niekoľko milimetrov. Napríklad rádiové vlny, zvyčajne vyžarované chladnými objektami ako medzihviezdne médium a mračná prachu, alebo kozmické mikrovlnné pozadie, čo je žiarenie z Veľkého tresku s červeným posunom, alebo pulzary, ktoré boli najskôr objavené v mikrovlnnom spektre. Štúdium týchto vĺn vyžaduje veľmi veľké rádioteleskopy.
• Infračervená astronómia skúma žiarenie s väčšou dĺžkou ako dokáže zachytiť ľudské oko ale kratšie ako rádiové žiarenie. Infračervené pozorovania využívajú teleskopy podobné známym optickým teleskopom. Skúma objekty chladnejšie ako hviezdy, napr. planéty.
• Optická astronómia je najstarším druhom astronómie. Teleskopy spolu so zariadeniami na meranie náboja alebo spektroskopmi sú najpoužívanejšími nástrojmi. Zemská atmosféra sťažuje optické pozorovania a na získanie obrázkov v najvyššej kvalite sa použiva adaptívna optika alebo vesmírne teleskopy. V týchto vlnových dĺžkach sú viditeľné hviezdy a mnoho chemických spektier, ktorými sa skúma chemické zloženie hviezd, galaxií a hmlovín.
• Astronómia využívajúca ultrafialové, röntgenové a gama žiarenie skúma vysoko energetické procesy ako dvojité pulzary, čierne diery, magnetary a mnoho ďalších. Toto žiarenie neprechádza zemskou atmosférou. Na pozorovania v týchto častiach spektra existujú dve metódy – vesmírne teleskopy alebo atmosférické zobrazovacie Cherenkovove teleskopy (IACT). Príkladmi vesmírnych teleskopov sú RXTE, Chandra alebo Compton Gamma Ray Observatory. Príklady IACT: Vysoko Energetický Stereoskopický systém (H.E.S.S.) a teleskop MAGIC.

Okrem elektromagnetického žiarenia je možné zo Zeme pozorovať len málo vecí, ktoré pochádzajú z veľkých vzdialeností. Existuje pár observatórií gravitačných vĺn, ale gravitačné vlny sa pozorujú ťažko. Pôvodne na štúdium Slnka vznikli neutrínové observatóriá. Pozorovať sa dá tiež kozmické žiarenie pozostávajúce z extrémne energetických častíc.

Pozorovania sa tiež líšia svojou dĺžkou. Väčšina optických pozorovaní trvá minúty až hodiny, takže javy, ktoré sa menia rýchlejšie sa pozorovať nedajú. Na druhej strane rádio pozorovania dokážu sledovať udalosti rádovo v milisekundách (milisekundové pulzary) a kombinujú dáta získane počas mnoho rokov (štúdie spomaľovania pulzarov).

Štúdium Slnka má v pozorovaniach špeciálne miesto. Pre obrovské vzdialenosti iných hviezd môžeme Slnko pozorovať tak detailne ako žiadnu inú hviezdu. To, ako rozumieme nášmu Slnku, slúži ako návod pre porozumenie iným hviezdam.

Téma zmien hviezd, alebo vývoja hviezd, často predstavuje umiestňovanie hviezd na správne pozície v Hertzsprung-Russellovom diagrame, tie reprezentujú stav hviezdneho objektu od zrodu po zničenie. Materiálové zloženie astronomických objektov sa skúma pomocou:

• Spektroskopie
• Rádiovej astronómie
• Neutrínovej astronómie

Teoretická astrofyzika využíva širokú paletu nástrojov vrátane analytických modelov a počítačových simulácií. Každý z nich má svoje výhody. Analytické modely procesov sú vo všeobecnosti lepšie pre poskytovanie pohľadu do srdca toho čo sa deje. Číselné modely môžu odhaliť javy a efekty, ktoré by boli inak neviditeľné.^[3][4]

Teoretickí astrofyzici sa pokúšajú vytvoriť teoretické modely a zistiť pozorovateľné následky týchto modelov.

Teoretici tiež vytvárajú alebo upravujú modely tak, aby zodpovedali novým údajom. V prípade nezhôd sa pokúšajú zapracovať dáta do modelu pri minimálnych úpravách. Niekedy môže množstvo konfliktných dát viesť k opusteniu modelu.

Témy študované teoretickou astrofyzikou sú: hviezdna dynamika a vývoj, formovanie galaxií, magnetohydrodynamika, veľké štruktúry hmoty vo vesmíre, pôvod kozmického žiarenia, všeobecná relativita a fyzická kozmológia vrátane strunovej kozmológie a fyziky astročastíc, astrofyzika čiernych dier a štúdium gravitačných vĺn.

Niektoré široko prijímané a skúmané teórie a modely astrofyziky momentálne zahrnuté v Lambda-CDM modeli sú Veľký tresk, kozmická inflácia, tmavá hmota a energia a základné fyzikálne teórie. Červie diery sú príkladom hypotéz, ktoré sa ešte len musia potvrdiť.

• Urýchľovač častíc
• Astrodynamika
• Astrochémia
• Brzdné žiarenie

Fyzikálny portál Astronomický portál

• International Journal of Modern Physics D from World Scientific
• Cosmic Journey: A History of Scientific Cosmology Archivované 2008-10-21 na Wayback Machine from the American Institute of Physics
• Prof. Sir Harry Kroto, NL, Astrophysical Chemistry Lecture Series. 8 Freeview Lectures provided by the Vega Science Trust.
• Stanford Linear Accelerator Center, Stanford, California
• Institute for Space Astrophysics and Cosmic Physics
• Astrophysical Journal Archivované 1997-06-19 na Wayback Machine
• Astronomy and Astrophysics, a European Journal
• List and directory of peer-reviewed Astronomy / Astrophysics Journals
• Master of Science in Astronomy and Astrophysics
• Ned Wright's Cosmology Tutorial, UCLA
• Philippe Stee's homepage: Hot and Active Stars Research