Astrofysica

Astrofysica is een wetenschap die de methoden en principes van de natuurkunde en scheikunde toepast op de studie van astronomische objecten en verschijnselen, waaronder het heelal. Zoals een van de grondleggers van de discipline, James Keeler, zei: "astrofysica streeft ernaar de aard van de hemellichamen vast te stellen, in plaats van hun posities of bewegingen in de ruimte – wat ze zijn, in plaats van waar ze zijn, wat bestudeerd wordt in de hemelmechanica". Onder de bestudeerde onderwerpen bevinden zich de Zon (zonnefysica), andere sterren, sterrenstelsels, exoplaneten, het interstellaire medium en de kosmische microgolfachtergrond. Emissies van deze objecten worden onderzocht over het gehele elektromagnetische spectrum, en de onderzochte eigenschappen omvatten helderheid, dichtheid, temperatuur en chemische samenstelling. Omdat astrofysica een zeer breed vakgebied is, passen astrofysici concepten en methoden toe uit vele disciplines van de natuurkunde, waaronder klassieke mechanica, elektro-magnetisme, statistische mechanica, thermodynamica, kwantummechanica, relativiteits-theorie, kern- en deeltjesfysica, en atoom- en moleculaire fysica.

TERUG

In de praktijk omvat modern astronomisch onderzoek vaak aanzienlijk werk op het gebied van theoretische en observationele fysica. Enkele onderzoeksgebieden voor astrofysici zijn de eigenschappen van donkere materie, donkere energie, zwarte gaten en andere hemellichamen; en de oorsprong en het uiteindelijke lot van het universum. Onderwerpen die ook door theoretische astrofysici worden bestudeerd, zijn onder meer de vorming en evolutie van het zonnestelsel; stellaire dynamica en evolutie; de vorming en evolutie van sterrenstelsels; magnetohydrodynamica; de grootschalige structuur van materie in het universum; kosmische straling; algemene relativiteitstheorie, speciale relativiteitstheorie en kwantum- en fysische kosmologie (de fysische studie van de grootschalige structuren van het universum), inclusief snaarkosmologie en astrodeeltjesfysica ...

Korte geschiedenis ...

Sterrenkunde is een oude wetenschap, die al lang losstaat van de studie van de aardse natuurkunde. In het Aristotelische wereldbeeld leken hemellichamen onveranderlijke bollen te zijn waarvan de enige beweging een uniforme beweging in een cirkel was, terwijl de aardse wereld het domein was dat groei en verval onderging en waarin natuurlijke beweging in een rechte lijn verliep en eindigde wanneer het bewegende object zijn doel bereikte. Bijgevolg werd aangenomen dat het hemelse gebied uit een fundamenteel andere soort materie bestond dan de aardse sfeer; ofwel vuur, zoals beweerd door Plato, ofwel ether, zoals beweerd door Aristoteles.

In de 17e eeuw begonnen natuurfilosofen zoals Galileo, Descartes en Newton te beweren dat de hemelse en aardse gebieden uit vergelijkbare soorten materiaal bestonden en onderworpen waren aan dezelfde natuurwetten. Hun uitdaging was dat de instrumenten waarmee deze beweringen bewezen konden worden, nog niet waren uitgevonden.

Korte geschiedenis ...

Gedurende een groot deel van de negentiende eeuw was astronomisch onderzoek gericht op het routinematige werk van het meten van de posities en het berekenen van de bewegingen van astronomische objecten. Een nieuwe astronomie, die al snel astrofysica zou gaan heten, begon zich te ontwikkelen toen William Hyde Wollaston en Joseph von Fraunhofer onafhankelijk van elkaar ontdekten dat bij de ontleding van het licht van de zon een veelheid aan donkere lijnen in het spectrum werd waargenomen. Rond 1860 hadden de natuurkundige Gustav Kirchhoff en de chemicus Robert Bunsen aangetoond dat de donkere lijnen in het zonnespectrum overeenkwamen met heldere lijnen in de spectra van bekende gassen, specifieke lijnen die correspondeerden met unieke chemische elementen. Kirchhoff concludeerde dat de donkere lijnen in het zonnespectrum worden veroorzaakt door absorptie door chemische elementen in de zonneatmosfeer. Op deze manier werd bewezen dat de chemische elementen die in de zon en sterren worden aangetroffen, ook op aarde voorkomen. Een van degenen die het onderzoek naar zonne- en sterrenspectra verder uitbreidde, was Norman Lockyer (foto), die in 1868 zowel stralingslijnen als donkere lijnen in zonnespectra ontdekte. Samen met chemicus Edward Frankland onderzocht hij de spectra van elementen bij verschillende temperaturen en drukken, maar hij kon een gele lijn in het zonnespectrum niet koppelen aan bekende elementen.

Korte geschiedenis ...

In 1885 ondernam Edward C. Pickering (foto) een ambitieus programma voor de classificatie van stellaire spectra aan het Harvard College Observatory, waarbij een team van vrouwelijke computers, met name Williamina Fleming, Antonia Maury en Annie Jump Cannon, de spectra classificeerde die op fotografische platen waren vastgelegd. Tegen 1890 was een catalogus van meer dan 10.000 sterren samengesteld, die ze in dertien spectrale typen indeelde. In navolging van Pickerings visie breidde Cannon de catalogus in 1924 uit tot negen delen en meer dan een kwart miljoen sterren, en ontwikkelde ze het Harvard-classificatieschema, dat in 1922 wereldwijd werd geaccepteerd.

In 1895 richtten George Ellery Hale en James E. Keeler, samen met een groep van tien redacteuren uit Europa en de Verenigde Staten, 'The Astrophysical Journal: An International Review of Spectroscopy and Astronomical Physics' op. Het was de bedoeling dat het tijdschrift de kloof tussen tijdschriften op het gebied van astronomie en fysica zou overbruggen en een platform zou bieden voor de publicatie van artikelen over astronomische toepassingen van de spectroscoop; over laboratoriumonderzoek dat nauw verwant is aan astronomische fysica, waaronder golflengtebepalingen van metaal- en gasspectra en experimenten met straling en absorptie; over theorieën over de Zon, Maan, planeten, kometen, meteoren en nevels.

Korte geschiedenis ...

Rond 1920, na de ontdekking van het Hertzsprung-Russell-diagram, dat nog steeds als basis wordt gebruikt voor de classificatie van sterren en hun evolutie, voorspelde Arthur Eddington de ontdekking en het mechanisme van kernfusie-processen in sterren in zijn artikel 'The Internal Constitution of the Stars'. In die tijd was de bron van stellaire energie een compleet mysterie; Eddington speculeerde terecht dat de bron de fusie van waterstof tot helium was, waarbij enorme energie vrijkwam volgens Einsteins vergelijking E = mc². Dit was een bijzonder opmerkelijke ontwikkeling, aangezien fusie en thermonucleaire energie, en zelfs het feit dat sterren grotendeels uit waterstof bestaan (zie metalliciteit), in die tijd nog niet waren ontdekt.

In 1925 schreef Cecilia Helena Payne (foto) een invloedrijk proefschrift aan Radcliffe College, waarin ze Saha's ionisatietheorie toepaste op stellaire atmosferen om de spectrale klassen te relateren aan de temperatuur van sterren. Het meest significant was haar ontdekking dat waterstof en helium de belangrijkste componenten van sterren waren, en niet de samenstelling van de Aarde. Ondanks Eddingtons suggestie was de ontdekking zo onverwacht dat haar proeflezers (waaronder Russell) haar overtuigden de conclusie te wijzigen vóór publicatie. Later onderzoek bevestigde echter haar ontdekking.

Observationele astronomie is een onderdeel van de astronomische wetenschap dat zich bezighoudt met het registreren en interpreteren van gegevens, in tegenstelling tot theoretische astrofysica, die zich voornamelijk richt op het vaststellen van de meetbare implicaties van fysische modellen. Het is de praktijk van het observeren van hemellichamen met behulp van telescopen en andere astronomische instrumenten ...

Radioastronomie bestudeert straling met een golflengte groter dan een paar millimeter. Voorbeelden van onderzoeksgebieden zijn radiogolven, die meestal worden uitgezonden door koude objecten zoals interstellaire gas- en stofwolken; de kosmische microgolf-achtergrondstraling, oftewel het roodverschoven licht van de oerknal; en pulsars, die voor het eerst werden gedetecteerd op microgolffrequenties. Voor de bestudering van deze golven zijn zeer grote radiotelescopen nodig.
Infraroodastronomie bestudeert straling met een golflengte die te lang is om met het blote oog te zien, maar korter is dan radiogolven. Infraroodwaarnemingen worden meestal gedaan met telescopen die lijken op de bekende optische telescopen. Objecten die kouder zijn dan sterren (zoals planeten) worden normaal gesproken bestudeerd op infraroodfrequenties.
Optische astronomie was de vroegste vorm van astronomie. Telescopen in combinatie met een CCD-sensor (charge-coupled device) of spectroscopie zijn de meest gebruikte instrumenten. De aardatmosfeer verstoort optische waarnemingen enigszins, daarom worden adaptieve optica en ruimtetelescopen gebruikt om de hoogst mogelijke beeldkwaliteit te verkrijgen. In dit golflengtebereik zijn sterren zeer goed zichtbaar en kunnen veel chemische spectra worden waargenomen om de chemische samenstelling van sterren, sterrenstelsels en nevels te bestuderen.
Ultraviolet-, röntgen- en gammastralingsastronomie bestudeert zeer energierijke processen zoals binaire pulsars, zwarte gaten, magnetars en vele andere. Dit soort straling dringt niet goed door de aardatmosfeer. Er zijn twee methoden om dit deel van het elektromagnetische spectrum te observeren: ruimtetelescopen en grondtelescopen die lucht-Tsjerenkov-beelden vastleggen (IACT's). Voorbeelden van observatoria van het eerste type zijn RXTE, het Chandra X-ray Observatory en het Compton Gamma Ray Observatory. Voorbeelden van IACT's zijn het High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) en de MAGIC-telescoop.

Waarneembaar

Afgezien van elektromagnetische straling zijn er maar weinig dingen die vanaf de Aarde kunnen worden waargenomen die afkomstig zijn van grote afstanden. Er zijn enkele observatoria voor zwaartekrachtgolven gebouwd, maar zwaartekrachtgolven zijn extreem moeilijk te detecteren. Ook zijn er neutrino-observatoria gebouwd, voornamelijk om de zon te bestuderen. Kosmische straling, bestaande uit zeer energierijke deeltjes, kan worden waargenomen wanneer deze de aardatmosfeer binnendringt. Ook de tijdschaal van waarnemingen kan variëren. De meeste optische waarnemingen duren minuten tot uren, waardoor verschijnselen die sneller veranderen niet gemakkelijk kunnen worden waargenomen. Er zijn echter wel historische gegevens beschikbaar over sommige objecten, die eeuwen of millennia beslaan. Radio-waarnemingen daarentegen kunnen gebeurtenissen op een millisecondenschaal bestuderen (millisecondenpulsars) of jarenlange gegevens combineren. De informatie die uit deze verschillende tijdschalen wordt verkregen, is zeer verschillend.

De studie van de Zon neemt een speciale plaats in binnen de observationele astrofysica. Door de enorme afstand tot alle andere sterren kan de Zon met een ongeëvenaarde mate van detail worden waargenomen. Inzicht in de Zon dient als leidraad voor het begrijpen van andere sterren.

Theoretisch

Theoretische astrofysici gebruiken een breed scala aan instrumenten, waaronder analytische modellen (bijvoorbeeld polytropen om het gedrag van een ster te benaderen) en numerieke simulaties. Elk heeft zijn eigen voordelen. Analytische modellen van een proces zijn over het algemeen beter geschikt om inzicht te geven in de kern van wat er gaande is. Numerieke modellen kunnen het bestaan van fenomenen en effecten onthullen die anders niet zouden worden waargenomen.

Theoretici in de astrofysica streven ernaar theoretische modellen te ontwikkelen en de observationele consequenties van die modellen te achterhalen. Dit helpt waarnemers om te zoeken naar gegevens die een model kunnen weerleggen of om te kiezen tussen verschillende alternatieve of tegenstrijdige modellen.

Theoretici proberen ook modellen te genereren of aan te passen om rekening te houden met nieuwe gegevens. In geval van een inconsistentie is de algemene neiging om minimale aanpassingen aan het model te maken om de gegevens te verklaren. In sommige gevallen kan een grote hoeveelheid inconsistente gegevens in de loop der tijd leiden tot het volledig verwerpen van een model.

Theoretisch

Onderwerpen die door theoretische astrofysici worden bestudeerd, zijn onder andere stellaire dynamica en evolutie; de vorming en evolutie van sterrenstelsels; magnetohydrodynamica; de grootschalige structuur van materie in het heelal; de oorsprong van kosmische straling; algemene relativiteitstheorie en fysische kosmologie, inclusief snaarkosmologie en astrodeeltjesfysica. Relativistische astrofysica dient als instrument om de eigenschappen van grootschalige structuren te meten waarbij zwaartekracht een belangrijke rol speelt in de onderzochte fysische verschijnselen, en vormt de basis voor de fysica van zwarte gaten en de studie van zwaartekrachtgolven.

Enkele algemeen aanvaarde en bestudeerde theorieën en modellen in de astrofysica, die nu zijn opgenomen in het Lambda-CDM-model, zijn de oerknal, kosmische inflatie, donkere materie, donkere energie en fundamentele natuurkundige theorieën.

Historisch

Historisch gezien, toen de astronomie beperkt was tot astrometrie en observationele astronomie, werd het vakgebied van de hemelmechanica (CM) theoretische astronomie genoemd. Hipparchus leverde een fundamentele bijdrage aan het vakgebied door de ontwikkeling van een numeriek observatiegeometrie-systeem. Isaac Newton wordt echter beschouwd als de grondlegger van het vakgebied door zijn ontwikkeling van de differentiaalrekening en de wet van de universele zwaartekracht en het grootste deel van het vakgebied is gebaseerd op Keplers (foto) wetten van planetaire beweging. Theodor von Oppolzer breidde het werk aan CM en geodetische astronomie binnen het vakgebied uit aan de Universiteit van Wenen aan het einde van de 19e eeuw. Kort na de ontdekking van Cepheid-variabele sterren verschoven theoretici hun aandacht van CM en geodesie naar de ontwikkeling van theoretische mechanismen voor de samenstelling en interne fysica van sterren.

Historisch

Het vakgebied breidde zich vervolgens uit naar andere gebieden zoals kosmologie, plasmafysica en hydrodynamica. In het begin van de jaren dertig van de vorige eeuw financierde Svein Rosseland in Zweden het Instituut voor Theoretische Astrofysica, dat in 1934 werd geopend, om de ontwikkeling van wat volgens hem een aparte wetenschap was geworden, te bevorderen. In 1966 richtte een kleine groep astronomen onder leiding van Fred Hoyle (foto) het Instituut voor Theoretische Astronomie op aan de Universiteit van Cambridge, zodat theoretici zich volledig konden richten op computationeel onderzoek zonder onderwijs-verantwoordelijkheden. Hoewel theoretische astronomie en astrofysica gedurende de hele 20e eeuw door elkaar werden gebruikt, werd in universitaire cursussen met de titel "theoretische astronomie" uitsluitend CM onderwezen.

In 1985 opende de Universiteit van Virginia, die de grootste refractor ter wereld bezat en voornamelijk werd gebruikt door het United States Naval Observatory, het Virginia Institute of Theoretical Astronomy om onderzoek in zowel theoretische astronomie als astrofysica te huisvesten.

Popularisatie

De wortels van de astrofysica zijn te vinden in de opkomst van een verenigde natuurkunde in de zeventiende eeuw, waarin dezelfde wetten golden voor zowel de hemelse als de aardse wereld. Er waren wetenschappers die zowel in de natuurkunde als in de astronomie gekwalificeerd waren en die de stevige basis legden voor de huidige wetenschap van de astrofysica. Ook in de moderne tijd blijven studenten zich aangetrokken voelen tot de astrofysica dankzij de popularisering ervan door de Royal Astronomical Society en vooraanstaande docenten zoals de prominente professoren Lawrence Krauss, Subrahmanyan Chandrasekhar, Stephen Hawking, Hubert Reeves, Carl Sagan (foto) en Patrick Moore.

De inspanningen van de wetenschappers van vroeger, nu en in het heden blijven jongeren ertoe aanzetten de geschiedenis en de wetenschap van de astrofysica te bestuderen. De televisieserie 'The Big Bang Theory' heeft het vakgebied astrofysica populair gemaakt bij het grote publiek en bevatte bekende wetenschappers zoals Stephen Hawking en Neil deGrasse Tyson.