Astrofizyka

Astrofizyka – nauka z pogranicza fizyki i astronomii, czasem uznawana za dział tej drugiej, 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 – dział zajmujący się tą skalą to kosmologia fizyczna.

Pulsar Kraba – przykładowy przedmiot badań astrofizyki

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

Znaczący astrofizycy – w kolejnych wierszach:

• Albert Einstein,
• Willem de Sitter,
• Aleksandr Friedman,
• Georges Lemaître,
• Czesław Białobrzeski,
• Arthur Eddington,
• Hans Bethe,
• Cecilia Payne-Gaposchkin,
• Fred Hoyle,
• Bohdan Paczyński,
• Roger Penrose,
• Stephen Hawking.

Einstein, Bethe i Penrose zostali noblistami w dziedzinie fizyki; dwaj ostatni właśnie za prace astrofizyczne.

Przed XX wiekiem

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.

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. Najwcześniejsze poświadczone użycie terminu astrofizyka pochodzi z 1865 roku, kiedy użył go Johann Karl Friedrich Zöllner.

XX wiek

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

• teoria względności umożliwiła dokładniejszy opis ruchu ciał; przykładowo ogólna teoria względności Einsteina wyjaśniła orbitę Merkurego i umożliwiła konstrukcję pierwszych modeli kosmologicznych; przewidziała też istnienie nowych obiektów jak czarne dziury i zjawisk jak soczewkowanie grawitacyjne i fale czasoprzestrzeni;
• mechanika kwantowa jako fundament fizyki atomowej, molekularnej i materii skondensowanej wyjaśniła widma różnych substancji; spektroskopia pozwoliła na jeszcze dokładniejsze badania składu ciał. Fizyka kwantowa umożliwiła też opis reakcji jądrowych zachodzących w gwiazdach i w Wielkim Wybuchu, a także przemian cząstek elementarnych.

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.

XXI wiek

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

Astrofizyka obserwacyjna

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.

• radioastronomia
• podczerwień
• astronomia optyczna
• ultrafiolet
• astronomia rentgenowska
• astronomia gamma

Astrofizyka teoretyczna

Astrofizyka teoretyczna jest dyscypliną starającą się wyjaśnić zjawiska obserwowane przez astronomów za pomocą teorii fizycznych. 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

W Polsce istnieje kilkanaście ośrodków badań astrofizycznych – odpowiednie instytuty, katedry i zakłady ma część polskich wydziałów fizyki i astronomii oraz innych instytucji.

Na uczelniach

• Uniwersytet Gdański – Wydział Matematyki, Fizyki i Informatyki;
• Uniwersytet Jagielloński – Wydział Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej (FAIS UJ); prowadzi on osobne studia w kierunku astrofizyki i kosmologii;
• Uniwersytet Kazimierza Wielkiego w Bydgoszczy – Wydział Fizyki;
• Uniwersytet Łódzki – Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej (FIS UŁ);
• Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu – Wydział Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej (FAIS UMK);
• Uniwersytet Opolski – Wydział Matematyki, Fizyki i Informatyki, konkretniej Instytut Fizyki.
• Uniwersytet Szczeciński – Wydział Matematyczno-Fizyczny;
• Uniwersytet Warszawski – Wydział Fizyki (FUW), konkretniej Obserwatorium Astronomiczne;
• Uniwersytet Wrocławski – Wydział Fizyki i Astronomii (WFiA UWr), konkretniej Instytut Astronomiczny;
• Uniwersytet w Białymstoku – Wydział Fizyki;
• Uniwersytet Zielonogórski – Wydział Fizyki i Astronomii (WFA UZ);

Poza uczelniami

Astrofizykę rozwijają też:

• Polska Akademia Nauk – Centrum Astronomiczne im. Mikołaja Kopernika (CAMK PAN); obejmuje m.in. Zakład Astrofizyki w Toruniu;
• Narodowe Centrum Badań Jądrowych (NCBJ).

Popularyzacja

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:

• Fred Hoyle;
• Roger Penrose;
• Stephen Hawking, autor książek, w tym docenionej przez rynek Krótkiej historii czasu;
• Neil deGrasse Tyson.

Po polsku astrofizykę, w tym kosmologię, upowszechniali:

• Michał Heller,
• Marek Demiański,
• Jean-Pierre Lasota-Hirszowicz,
• Stanisław Bajtlik,
• Krzysztof Meissner,
• Tadeusz Pabjan,
• 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.

Linki zewnętrzne

• AstroNET – Polski Portal Astronomiczny. news.astronet.pl. [zarchiwizowane z tego adresu (2005-03-30)].
• 100 lat astrofizyki, kanał Astronarium na YouTube, 12 lipca 2020 [dostęp 2023-11-09].
• Grupa dyskusyjna pl.sci.kosmos (FAQ)
• Grupa dyskusyjna pl.sci.fizyka (FAQ)