اخترفیزیک

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به: ناوبری، جستجو

فیزیک ستارگان شاخه ای از ستاره شناسی است که اصول فیزیک و شیمی را به کار می برد "برای تعیین ماهیت بدن آسمانی، به جای موقعیت و حرکت آنها در فضا". در میان اشیاء مورد مطالعه، خورشید، ستاره های دیگر، کهکشان ها، سیارات فراخورشیدی، میان ستاره ای و پس زمینه مایکروویو کیهانی است. انتشار آنها در تمام قسمتهای طیف الکترومغناطیسی مورد بررسی قرار گرفته و خواص بررسی شده شامل نوردهی، تراکم، درجه حرارت و ترکیب شیمیایی است. از آنجایی که اخترفیزیک موضوع بسیار وسیع است، اخترفیزیکدانها معمولا از بسیاری از رشته های فیزیک، از جمله مکانیک، الکترومغناطیس، مکانیک آماری، ترمودینامیک، مکانیک کوانتومی، نسبیت، فیزیک هسته ای و ذرات و فیزیک اتمی و مولکولی استفاده می کنند.

در عمل، تحقیقات نجومی مدرن اغلب شامل مقدار قابل توجهی از کار در عرصه فیزیک نظری و مشاهدات است. برخی از حوزه های مطالعاتی که برای اخترفیزیک ها انجام می شود عبارتند از تلاش های آنها برای تعیین: خواص ماده تاریک، انرژی تاریک و سیاه چاله ها؛ آیا زمان سفر امکان پذیر است، کرم چاله ها می توانند شکل بگیرند یا چند نوع وجود داشته باشند؟ و سرنوشت و سرنوشت نهایی جهان. مباحثی که توسط فیزیکدانان ستاره ای نظری مورد مطالعه قرار گرفت عبارتند از: تشکیل و تکامل سیستم خورشیدی؛ دینامیک و تکامل ستارگان؛ شکل گیری و تکامل کهکشان؛ ساختار بزرگ مقیاس ماده در جهان؛ منشاء پرتو کیهانی؛ نسبیت عام و کیهان شناسی فیزیکی، از جمله کیهان شناسی رشته ای و فیزیک ذرات.

تاریخچه[ویرایش]

مقایسه قرن بیست و یکم طیف های عنصری، خورشیدی و ستارگان

اگر چه اخترشناسی به همان اندازه تاریخی است که تاریخ خود را ثبت کرده است، اما از مطالعه فیزیک زمین جدا شده است. در جهان بینی ارسطویی، بدنهای آسمان به نظر میرسید که حوزههای تغییرناپذیری بودند که تنها حرکت یک حرکت یکنواخت در یک دایره بود، در حالی که جهان دنیایی، قلمروی است که تحت رشد و انقراض قرار داشت و در آن حرکت طبیعی در خط مستقیم بود و زمانی که جابجایی به مقصد رسید در نتیجه، تصور می شد که منطقه آسمانی از یک ماده اساسا متفاوت از آنچه در کره زمین پیدا شده بود ساخته شده است؛ یا آتش به عنوان توسط افلاطون، و یا اتر نگهداری شده توسط ارسطو حفظ شده است. در طول قرن 17 میلادی، فیلسوفان طبیعی مانند گالیله، دکارت و نیوتون شروع به تثبیت نمودند که مناطق آسمانی و زمینی از مواد مشابهی ساخته شده و تحت قوانین طبیعی قرار گرفته اند. چالش آنها این بود که ابزار هنوز اختراع نشده بود که بتواند این اظهارات را اثبات کند.

برای بسیاری از قرن نوزدهم، تحقیقات نجومی بر روی کار روزمره اندازه گیری موقعیت ها و محاسبه حرکات اجسام نجومی متمرکز بود. نجوم جدیدی که به زودی به عنوان آستروفیزیک نامیده می شود، هنگامی که ویلیام هاید والستن و یوزف فون فراونهوفر به طور مستقل کشف کردند، هنگامی که تجزیه نور از خورشید آغاز شد، بسیاری از خطوط تاریک (مناطقی که نور کم و یا کم نور وجود دارد) مشاهده شد در طیف تا سال 1860 فیزیکدان گاستاو کیرشهف و شیمیدان رابرت بونسن نشان دادند که خطوط تاریک در طیف خورشید با خطوط روشن در طیفهای گازهای شناخته شده، خطوط خاص مربوط به عناصر شیمیایی منحصر به فرد هستند. کیرشهف دریافت که خطوط تاریک در طیف خورشید توسط جذب عناصر شیمیایی در جو زمین ایجاد شده است. به این ترتیب اثبات شد که عناصر شیمیایی موجود در خورشید و ستارگان نیز بر روی زمین یافت شده است.

در میان کسانی که مطالعه طیف خورشیدی و ستارگانی را گسترش داد، جوزف نورمن لاکیر، که در سال 1868 خطوط روشن و تاریک در طیف خورشیدی را تشخیص داد، گسترش یافت. ادوارد فرانکلند، شیمیدان، برای بررسی طیف عناصر در دمای و فشارهای مختلف، او نمی توانست یک خط زرد در طیف خورشیدی با هیچ عنصر شناخته شده مرتبط کند. بنابراین او ادعا کرد که خط نشان دهنده یک عنصر جدید است، که پس از Helios یونانی، خورشید شخصیت هلیوم نامیده می شود.

در سال 1885، اادوارد چارلز پیکرینگ یک برنامه بلند پروازانه از طبقه بندی طیفی ستاره ای در رصدخانه کالج هاروارد، که در آن یک کامپیوترهای هاروارد، به ویژه آنتونیا مووری، آنتونیا مووری و آنی جامپ کانن، طیفهای ضبط شده بر روی صفحات عکاسی را طبقه بندی کردند. تا سال 1890، یک کاتالوگ از بیش از 10،000 ستاره تهیه شده بود که آنها را به سیزده نوع طیفی تقسیم کرد. به دنبال چشم انداز پیکرینگ، تا سال 1924 کانن این فهرست را به 9 جلد و بیش از یک چهارم یک میلیون ستاره گسترش داد و توسعه مجموعه رده‌بندی ستارگان هاروارد را که برای استفاده های جهانی در سال 1922 پذیرفته شد.

در سال 1895، جرج الری هیل و جیمز ادوارد کیلر همراه با یک گروه از 10 سردبیر مجله از اروپا و ایالات متحده، مجله Astrophysical منتشر شد: بررسی بین المللی طیفی و فیزیک نجومی. در نظر گرفته شده بود که مجله شکاف میان مجلات علمی در نجوم و فیزیک را پر می کند و محل برگزاری نشریات مقالاتی را درباره کاربردهای نجومی اسپکتروسکوپ ارائه می دهد؛ در تحقیقات آزمایشگاهی، نزدیک به فیزیک نجومی، از جمله تعیین طول موج طیف های فلزی و گاز و آزمایشات بر روی تابش و جذب؛ در نظریه های خورشید، ماه، سیارات، ستاره های دنباله دار، شهاب سنگ ها و سحابی ها؛ و در ابزار دقیق برای تلسکوپ و آزمایشگاه ها.

در حدود 1920، پس از کشف نمودار هرتسپرونگ راسل که هنوز هم به عنوان پایه ای برای طبقه بندی ستاره ها و تکامل آنها استفاده می شود، آرتور ادینگتون پیش بینی کرده است که کشف و مکانیزم فرایندهای همجوشی هسته ای در ستارگان، در مقاله خود، "قانون اساسی ستاره ها". در آن زمان منبع انرژی ستاره ای یک رمز کامل بود؛ ادینگتون به درستی حدس زد که منبع همجوشی هیدروژن در هلیوم است و انرژی عظیم را براساس معادله انیشتین E = mc2 آزاد می کند. این پیشرفت بسیار قابل توجهی بود که از زمان همجوشی و انرژی هسته ای ترموکوپل و حتی ستارگان به طور عمده از هیدروژن تشکیل شده بود (هنوز متلاشی شده است) هنوز کشف نشده است.

در سال 1925، سیسیلیا پین گیپچکن یک مقاله دکتری نفوذی در کالج رادکلیف نوشت، که در آن او تئوری یونیزاسیون را به اتمسفرهای ستاره ای اعمال کرد تا کلاس های طیفی را به دمای ستاره ها مرتبط کند. مهمتر از همه، او کشف کرد که هیدروژن و هلیوم جزء اصلی ستاره هستند. با وجود پیشنهاد ادینگتون، این کشف خیلی غیرمنتظره بود که خوانندگان پایان نامه او را متقاعد ساخت تا نتیجه را قبل از انتشار منتشر کند. با این حال، تحقیقات بعدی او را کشف کرد.

در اواخر قرن بیستم مطالعات طیف نجومی برای پوشش دادن طول موج هایی که از امواج رادیویی از طریق طول موج های نوری، اشعه ایکس و گام گسترش می یافت گسترش می یافت. در قرن بیست و یکم، آن را بیشتر گسترش داد تا شامل مشاهدات بر اساس امواج گرانشی باشد.

ستاره شناسی مشاهداتی[ویرایش]

باقی مانده از ابرنواختر LMC N 63A تصویربرداری در اشعه ایکس (آبی)، نور (سبز) و رادیو (قرمز) طول موج. تابش اشعه ایکس از طریق ماده ای که به وسیله موج انفجار ابرنواختر ایجاد می شود تا حدود 10 میلیون درجه سانتیگراد گرم می شود.

ستاره شناسی مشاهداتی، تقسیم علم نجومی است که مربوط به ضبط داده ها است، در مقایسه با استروئی فیزیک نظری که عمدتا مربوط به یافتن معیارهای قابل اندازه گیری از مدل های فیزیکی است. این عمل مشاهده اشیاء آسمانی با استفاده از تلسکوپ و دیگر دستگاه های نجومی است.

اکثریت مشاهدات فیزیک ستازگان با استفاده از طیف الکترومغناطیسی ساخته می شوند.

اخترشناسی رادیویی با طول موج بیشتر از چند میلی متر است. مناطق نمونه مطالعه امواج رادیویی هستند که معمولا توسط اجسام سرد مانند محیط میان‌ستاره‌ای و ابرهای گرد و غبار منتشر می شوند. تابش پس زمینه مایکروویو کیهانی که انتقال به سرخ از انفجار بزرگ است؛ تپنده ها، که برای اولین بار در فرکانس های مایکروویو تشخیص داده شد. مطالعه این امواج به تلسکوپ های رادیویی بسیار بزرگ نیاز دارد.

اشعه مادون قرمز مطالعه تابش با طول موج است که بیش از حد طولانی است که برای چشم غیر مسلح قابل مشاهده است، اما کوتاه تر از امواج رادیویی است. مشاهدات مادون قرمز معمولا با تلسکوپ های مشابه تلسکوپ های نوری آشنا ساخته می شود. اشیاء سردتر از ستارگان (مانند سیارات) معمولا در فرکانس های مادون قرمز مورد مطالعه قرار می گیرند.

نجوم نوری قدیمی ترین نوع نجوم است. تلسکوپ های با دستگاه شارژ همراه یا اسپکتروسکوپ زوج رایج ترین ابزار مورد استفاده هستند. جو زمین، تا حدودی با مشاهدات نوری تأثیر می گذارد، به همین دلیل استفاده از تلسکوپ فضایی و تلسکوپ فضایی برای به دست آوردن بالاترین کیفیت تصویر امکان پذیر است. در این محدوده طول موج، ستارگان بسیار قابل مشاهده هستند و بسیاری از طیف های شیمیایی را می توان برای مطالعه ترکیب شیمیایی ستاره ها، کهکشان ها و سحابی ها مشاهده کرد.

اشعه ماوراء بنفش، اشعه ایکس و اشعه گاما مطالعه فرآیندهای بسیار پر انرژی مثل تلسارهای دوتایی، سیاه چاله ها، مغناطیس ها و بسیاری دیگر است. این نوع تابش به خوبی به جو زمین نفوذ نمی کند. دو روش برای استفاده از این قسمت از تلسکوپ های مبتنی بر طیف الکترومغناطیسی فضایی و چشمه های تلسکوپ فضایی Cherenkov (IACT) وجود دارد. نمونه هایی از مشاهدات از نوع اول RXTE، رصدخانه اشعه X Chandra و رصدخانه گامای کپتون گاما است. نمونه هایی از IACT ها عبارتند از: سیستم استریوسکوپ با انرژی بالا (H.E.S.S.) و تلسکوپ MAGIC.

به غیر از تابش الکترومغناطیسی، ممکن است چند چیز از زمین مشاهده شود که از فاصله های بزرگ حاصل می شود. چند رصدخانه موج گرانشی ساخته شده اند، اما امواج گرانشی برای شناسایی بسیار دشوار است. مشاهدات نوری نظری نیز در درجه اول برای مطالعه خورشید ما ساخته شده است. اشعه کیهانی که از ذرات انرژی بسیار بالایی برخوردار است می تواند به جو زمین برسد.

مشاهدات نیز می توانند در مقیاس زمانی خود متفاوت باشند. مشاهدات نوری بیشتر دقیقه به ساعت می انجامد، بنابراین پدیده هایی که سریعتر از این تغییر می کنند، قابل مشاهده نیستند. با این حال، اطلاعات تاریخی در مورد برخی از اشیاء در دسترس است، قرن ها یا هزاران سال است. از سوی دیگر، مشاهدات رادیویی ممکن است به وقایع در یک دوره زمانی (پولسار میلی ثانیه) نگاهی بیندازد یا سالها داده را ترکیب کند (مطالعات تضعیف پولسار). اطلاعات به دست آمده از این زمان بندی های مختلف بسیار متفاوت است.

مطالعه خورشید بسیار خاص ما در رشته فیزیک مشاهدهی جایگاه ویژهای دارد. با توجه به فاصله فوق العاده ای از تمام ستاره های دیگر، خورشید را می توان در یک نوع جزئیات مشاهده کرد که هیچ یک از ستارگان بی نظیر دیده نمی شود. درک ما از خورشید ما به عنوان راهنما برای درک ما از ستاره های دیگر عمل می کند.

موضوع این که چگونه ستارگان تغییر می کنند یا تکامل ستارگان اغلب با قرار دادن انواع انواع ستاره ها در موقعیت های مربوطه در نمودار هرتزپروانگ-راسل، که می تواند به عنوان نمایندگی از یک حالت ستاره ای، از زمان تولد تا نابودی مشاهده شود، مدل سازی می شود.

اخترفیزیک نظری[ویرایش]

خطوط جریان در این شبیه سازی یک ابرنواختری جریان ماده را در پشت موج ضربه نشان می دهد که سرنخ هایی راجع به منشا تپالارها

استروفی فیزیکدانان نظری از طیف وسیعی از ابزارها استفاده می کنند که شامل مدل های تحلیلی (به عنوان مثال، پلیوتوپ ها برای تقریب رفتار یک ستاره) و شبیه سازی های عددی محاسباتی است. هر کدام دارای مزایایی هستند مدل های تحلیلی یک فرآیند به طور کلی برای ارائه بینش به قلب آنچه اتفاق می افتد بهتر است. مدلهای عددی میتوانند وجود پدیدهها و اثراتی را که در غیر اینصورت دیده نشوند نشان دهند.

نظریه پردازان در اخترفیزیک تلاش می کنند تا مدل های نظری را ایجاد کنند و پیامدهای مشاهداتی این مدل ها را تشخیص دهند. این به ناظران اجازه می دهد اطلاعاتی را جستجو کنند که بتوانند یک مدل را رد کنند یا در انتخاب بین چندین مدل متناوب یا متضاد کمک کنند.

نظریه پردازان نیز سعی می کنند مدل های تولید شده یا اصلاحاتی را که داده های جدید را در نظر گرفته اند، تغییر دهند. در مورد ناسازگاری، تمایل عمومی این است که سعی کنید تغییرات جزئی را در مدل به تناسب داده ها انجام دهید. در برخی موارد، مقدار زیادی داده های متناقض در طول زمان ممکن است منجر به رها شدن کامل یک مدل شود.

موضوعات مورد مطالعه توسط استروفی فیزیکدانان نظری عبارتند از: دینامیک ستاره ای و تکامل؛ شکل گیری و تکامل کهکشان؛ ساختار بزرگ مقیاس ماده در جهان؛ منشاء اشعه کیهانی؛ نسبیت عام و کیهان شناسی فیزیکی، از جمله کیهان شناسی رشته ای و فیزیک ذرات. نسبیت فیزیک ستارگان به عنوان یک ابزار برای سنجش خواص ساختارهای مقیاس بزرگ عمل می کند که گرانش نقش مهمی در پدیده های فیزیکی مورد بررسی قرار می دهد و به عنوان پایه فیزیک سیاه چاله و مطالعه امواج گرانشی شناخته می شود.

برخی از نظریه ها و مدل های مورد مطالعه در اخترفیزیک که در مدل لامبدا CDM نیز موجود است، عبارتند از: انفجار بزرگ، تورم کیهانی، ماده تاریک، انرژی تاریک و نظریه های اساسی فیزیک. کرم ها نمونه هایی از فرضیه هایی هستند که تا کنون اثبات نشده (یا نادرست است).

محبوب شدن[ویرایش]

ریشه های آستروفیزیک را می توان در ظهور قرن هفدهم یک فیزیک متحد یافت، که در آن قوانین مشابه به عرصه های آسمانی و زمین اعمال می شود. دانشمندان بودند که در فیزیک و نجوم بودند که پایه ی پایه ای برای علم جاری آستروفیزیک گذاشته بودند. در زمان های مدرن، دانش آموزان همچنان به اخترفیزیک به دلیل محبوبیت آن توسط انجمن نجوم سلطنتی و مربیان برجسته مانند استادان برجسته، لارونس کراوس ، سوبرامانیان چاندراسخار، استیون هاوکینگ، هیوبرت ریوس، کارل ساگان و نیل دگراس تایسون، به کار گرفته شده اند. تلاش های دانشمندان زود، دیر و حال، جوانان را جذب می کند تا تاریخ و علوم اختر فیزیک را مطالعه کنند.

گرایش‌ها[ویرایش]

جستارهای وابسته[ویرایش]

منابع[ویرایش]

بیشتر خواندن[ویرایش]

پیوند به بیرون[ویرایش]