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.

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 

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 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.

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 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 
W Polsce istnieje kilkanaście ośrodków badań astrofizycznych; odpowiednie instytuty, katedry i zakłady ma część polskich wydziałów fizyki i astronomii:
 Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego (FUW), konkretniej Obserwatorium Astronomiczne;
 Wydział Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej Uniwersytetu Jagiellońskiego (FAIS UJ); prowadzi on osobne studia w kierunku astrofizyki i kosmologii;
 Wydział Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu (FAIS UMK);
 Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej Uniwersytetu Łódzkiego (FIS UŁ);
 Wydział Fizyki Uniwersytetu w Białymstoku;
 Wydział Fizyki i Astronomii Uniwersytetu Zielonogórskiego (WFA UZ);
 Wydział Fizyki i Astronomii Uniwersytetu Wrocławskiego (WFiA UWr), konkretniej Instytut Astronomiczny;
 Wydział Matematyki, Fizyki i Informatyki Uniwersytetu Gdańskiego;
 Wydział Matematyczno-Fizyczny Uniwersytetu Szczecińskiego;
 Wydział Fizyki Uniwersytetu Kazimierza Wielkiego w Bydgoszczy;
 Wydział Matematyki, Fizyki i Informatyki Uniwersytetu Opolskiego, konkretniej Instytut Fizyki.

Astrofizykę rozwijają też:
 Centrum Astronomiczne im. Mikołaja Kopernika Polskiej Akademii Nauk (CAMK PAN); ma m.in. swój oddział astrofizyczny w Toruniu;
 Narodowe Centrum Badań Jądrowych.

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 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

Linki zewnętrzne 

 
 Grupa dyskusyjna pl.sci.kosmos (FAQ)
 Grupa dyskusyjna pl.sci.fizyka (FAQ)