mały|Pulsar Kraba – przykładowy przedmiot badań astrofizyki mały|Diagram Hertzsprunga-Russella opisujący ewolucję gwiazd – jeden z podstawowych wyników badań astrofizycznych.

Astrofizyka – nauka z pogranicza fizyki i astronomii, czasem uznawana za dział tej drugiej astrophysics , Britannica Online, britannica.com, 12 kwietnia 2023 [dostęp 2023-04-21]. astronomy , Britannica Online, britannica.com, 5 stycznia 2023 [dostęp 2023-04-21]., 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

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 astrophysics , dictionary.obspm.fr [dostęp 2023-04-21]..

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 Instytut Fizyki Teoretycznej i Astrofizyki, [dostęp 2023-04-21].; Uniwersytet Jagielloński – Wydział Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej (FAIS UJ); prowadzi on osobne studia w kierunku astrofizyki i kosmologii Astrofizyka i kosmologia, fais.uj.edu.pl [dostęp 2023-04-21].; Uniwersytet Kazimierza Wielkiego w Bydgoszczy – Wydział Fizyki Katedra Fizyki Teoretycznej i Astrofizyki, fizykateoretyczna.ukw.edu.pl [dostęp 2023-04-21].; Uniwersytet Łódzki – Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej (FIS UŁ) Wydziały i Jednostki Uniwersytetu Łódzkiego, wfis.uni.lodz.pl [dostęp 2023-04-21].; Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu – Wydział Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej (FAIS UMK) O Instytucie Astronomii, astro.umk.pl [dostęp 2023-04-21].; Uniwersytet Opolski – Wydział Matematyki, Fizyki i Informatyki, konkretniej Instytut Fizyki Katedra Astrofizyki i Fizyki Teoretycznej, fizyka.uni.opole.pl [dostęp 2023-04-21].. Uniwersytet Szczeciński – Wydział Matematyczno-Fizyczny INSTYTUT FIZYKI UNIWERSYTET SZCZECIŃSKI, [dostęp 2023-04-21].; Uniwersytet Warszawski – Wydział Fizyki (FUW), konkretniej Obserwatorium Astronomiczne Katedra Astrofizyki Teoretycznej, astrouw.edu.pl [dostęp 2023-04-21].; Uniwersytet Wrocławski – Wydział Fizyki i Astronomii (WFiA UWr), konkretniej Instytut Astronomiczny Instytut Astronomiczny U.Wr., astro.uni.wroc.pl [dostęp 2023-04-21].; Uniwersytet w Białymstoku – Wydział Fizyki Katedra Astrofizyki i Fizyki Teoretycznej, physics.uwb.edu.pl [dostęp 2023-04-21].; Uniwersytet Zielonogórski – Wydział Fizyki i Astronomii (WFA UZ) Zakład Astrofizyki, ia.uz.zgora.pl [dostęp 2023-04-21].;

Poza uczelniami Astrofizykę rozwijają też: Polska Akademia Nauk – Centrum Astronomiczne im. Mikołaja Kopernika (CAMK PAN) Zagadnienia badawcze, camk.edu.pl [dostęp 2023-04-21].; obejmuje m.in. Zakład Astrofizyki w Toruniu; Narodowe Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) Zakład Astrofizyki (BP4), ncbj.gov.pl [dostęp 2023-04-21]..

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.

Przypisy

Linki zewnętrzne

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)