Astrofyzika

NGC 4414, je spirální galaxie v Souhvězdí Vlasů Bereniky, je vzdálena asi 62 miliónů světelných let od Země

Astrofyzika (dříve též kosmická fyzika) je obor astronomie, který využívá metody a poznatky fyziky a chemie ke studiu astronomických objektů a jevů ve vesmíru. Zabývá se fyzikálními vlastnostmi a procesy probíhajícími ve hvězdách, mezihvězdném prostředí, galaxiích i ve vesmíru jako celku.

Astrofyzika zkoumá například vznik a vývoj hvězd, původ jejich záření, tvorbu chemických prvků, vlastnosti kompaktních objektů, strukturu galaxií nebo fyzikální procesy spojené s vývojem vesmíru. Využívá přitom poznatky mnoha oblastí fyziky, zejména klasické mechaniky, elektromagnetismu, termodynamiky, kvantové mechaniky, statistické fyziky a teorie relativity.

Současná astrofyzika kombinuje astronomická pozorování, teoretické modely a počítačové simulace. Na rozdíl od mnoha laboratorních oborů fyziky nemůže většinu zkoumaných systémů přímo experimentálně měnit, ale studuje je prostřednictvím pozorování a porovnávání naměřených dat s fyzikálními modely.

Historie

Po většinu historie byla astronomie zaměřena především na určování poloh a pohybů nebeských těles. Zásadní změnu představovala práce Isaaca Newtona, který ve svém díle Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica ukázal, že pohyb těles na Zemi i pohyb planet lze popsat stejnými fyzikálními zákony. Tím došlo ke sjednocení pozemské a nebeské mechaniky a položení základů fyzikálního popisu astronomických jevů.

V 18. a 19. století vedl rozvoj přesných astronomických přístrojů, dalekohledů a observatoří k výraznému rozšíření pozorovacích možností. Astronomie se postupně začala přesouvat od samotného měření poloh nebeských těles také ke studiu jejich fyzikálních vlastností, například záření, teploty a chemického složení.

Nová oblast výzkumu, později označená jako astrofyzika, se začala rozvíjet v 19. století především díky vzniku spektroskopie. William Hyde Wollaston a později Joseph von Fraunhofer zjistili, že při rozkladu slunečního světla vzniká spektrum obsahující množství tmavých absorpčních čar, dnes označovaných jako Fraunhoferovy čáry. Tyto objevy ukázaly, že světlo astronomických objektů obsahuje informace o jejich fyzikálních vlastnostech.

V roce 1859 ukázali fyzik Gustav Kirchhoff a chemik Robert Bunsen, že spektrální čáry jsou charakteristické pro jednotlivé chemické prvky. Kirchhoff následně vysvětlil tmavé čáry ve slunečním spektru jako důsledek absorpce záření prvky přítomnými ve sluneční atmosféře. Spektroskopie tak umožnila poprvé určovat chemické složení vzdálených astronomických objektů a ukázala, že látka tvořící Slunce a hvězdy obsahuje stejné chemické prvky jako látka na Zemi.

Významným rozšířením spektroskopických metod bylo využití Dopplerova jevu, který roku 1842 popsal Christian Doppler. Posun spektrálních čar umožnil určovat rychlost pohybu astronomických objektů ve směru k pozorovateli nebo od něj. William Huggins v roce 1868 pomocí této metody změřil radiální rychlosti některých hvězd. Spektroskopie se tak stala základním nástrojem nejen pro určování chemického složení, ale také pro studium pohybu a fyzikálních vlastností objektů ve vesmíru.

Na počátku 20. století se astrofyzika začala zabývat vnitřní stavbou a vývojem hvězd. Významným nástrojem se stal Hertzsprungův–Russellův diagram, který ukázal vztah mezi svítivostí, teplotou a vývojovým stavem hvězd. Arthur Eddington ve své monografii The Internal Constitution of the Stars (1926) ukázal, že hvězdy lze popisovat pomocí fyzikálních zákonů, a navrhl, že zdrojem jejich energie jsou procesy spojené s přeměnou vodíku na helium a uvolňováním energie podle Einsteinova vztahu mezi hmotností a energií.

Významný pokrok ve studiu hvězdných atmosfér přinesla Cecilia Payne-Gaposchkinová, která pomocí teorie ionizace vysvětlila souvislost mezi spektrálními třídami a fyzikálními podmínkami ve hvězdách. Ukázala také, že hlavními složkami hvězd jsou vodík a helium, nikoli prvky zastoupené ve stejném poměru jako na Zemi.

Během 20. století se rozsah astrofyziky dále rozšířil díky pozorování vesmíru v celém elektromagnetickém spektru, od rádiových vln po gama záření. Rozvoj nových pozorovacích metod umožnil studium objektů a jevů, jako jsou neutronové hvězdy, černé díry, aktivní galaktická jádra nebo raný vesmír. V 21. století se k elektromagnetickým pozorováním přidala také detekce gravitačních vln, která se stala součástí multi-messenger astronomie.

Metody astrofyziky

Pozorovací astrofyzika

Pozorovací astrofyzika se zabývá získáváním a interpretací dat o astronomických objektech a jevech. Na rozdíl od teoretické astrofyziky, která vytváří fyzikální modely a odvozuje jejich pozorovatelné důsledky, využívá měření získaná pomocí dalekohledů, detektorů částic a dalších astronomických přístrojů.

Velká část astrofyzikálních informací pochází ze studia elektromagnetického záření. Pozorování v různých oblastech elektromagnetického spektra umožňuje zkoumat odlišné fyzikální procesy a prostředí ve vesmíru.

• Radioastronomie studuje vesmír pomocí rádiových vln. Umožňuje zkoumat například mezihvězdné prostředí, oblaka plynu, pulsary, aktivní galaktická jádra a reliktní záření. Rádiová pozorování často využívají velké radioteleskopy a metody interferometrie.

• Infračervená astronomie využívá infračervené záření, které umožňuje studovat zejména chladnější objekty, oblasti vzniku hvězd, prachová mračna, mladé hvězdy nebo vzdálené galaxie, jejichž záření bylo posunuto vlivem kosmologického rudého posuvu.

• Optická astronomie pracuje s viditelným světlem a patří mezi nejstarší oblasti astronomického pozorování. V moderní astrofyzice využívá především fotometrii a spektroskopii k určování vlastností hvězd, galaxií a dalších objektů.

• Ultrafialová, rentgenová a gama astronomie sledují vysokoenergetické záření pocházející zejména z velmi horkých nebo extrémních prostředí, například okolí černých děr, neutronových hvězd, supernov a aktivních galaktických jader.

Kromě elektromagnetického záření využívá současná astrofyzika také další informační kanály. Neutrinová astronomie umožňuje zkoumat procesy spojené například s jadernými reakcemi ve hvězdách nebo výbuchy supernov, zatímco astronomie gravitačních vln studuje deformace prostoročasu vznikající při extrémních astrofyzikálních jevech, například při splynutí kompaktních objektů. Dalším zdrojem informací jsou vysokoenergetické částice kosmického záření. Tyto metody jsou součástí širšího přístupu označovaného jako multi-messenger astronomie.

Významnou oblastí pozorovací astrofyziky je také studium časově proměnných jevů. Změny jasnosti, spekter nebo dalších vlastností astronomických objektů mohou probíhat v časových měřítkách od zlomků sekundy až po mnoho let. Taková pozorování umožňují zkoumat například pulsary, proměnné hvězdy, supernovy nebo aktivitu aktivních galaktických jader.

Teoretická astrofyzika

Teoretická astrofyzika vytváří fyzikální a matematické modely, které popisují chování astronomických objektů a jevů. Využívá poznatky mnoha oblastí fyziky, například mechaniky, termodynamiky, elektromagnetismu, jaderné fyziky, částicové fyziky a obecné teorie relativity.

Modely mohou mít podobu zjednodušených analytických řešení, která umožňují pochopit základní fyzikální mechanismy, nebo rozsáhlých numerických simulací popisujících složité systémy. Výsledky modelů jsou porovnávány s pozorováními a slouží k ověřování nebo úpravě teorií.

Mezi hlavní oblasti teoretické astrofyziky patří například modelování vnitřní stavby hvězd a vývoje hvězd, vznik a vývoj galaxií, chování kompaktních objektů, magnetohydrodynamika kosmického plazmatu a fyzikální modely vývoje vesmíru v rámci kosmologie.

Laboratorní astrofyzika

Laboratorní astrofyzika zkoumá fyzikální a chemické procesy související s astronomickými objekty pomocí experimentů prováděných v pozemských laboratořích. Doplňuje pozorovací a teoretickou astrofyziku tím, že umožňuje měřit vlastnosti látek a procesů, které se následně využívají při interpretaci astronomických pozorování.

Významnou oblastí laboratorní astrofyziky je měření atomových a molekulárních spekter. Laboratorně určené spektrální čáry umožňují identifikovat chemické prvky a molekuly ve hvězdách, mezihvězdném prostředí nebo atmosférách planet. Další výzkum se zaměřuje například na vlastnosti kosmického prachu, vznik složitějších molekul v mezihvězdných oblacích, fyziku plazmatu nebo procesy související se vznikem planet.

Oblasti výzkumu

Stelární astrofyzika

Podrobnější informace naleznete v článcích Stelární astronomie a Hvězdná seismologie.

Stelární astrofyzika se zabývá fyzikálními vlastnostmi, vnitřní stavbou, vznikem, vývojem a zánikem hvězd. Zkoumá jejich hmotnost, svítivost, teplotu, chemické složení, magnetická pole i procesy probíhající v jejich nitru, zejména přenos energie a termojaderné reakce.

Základní informace o hvězdách poskytují fotometrie a spektroskopie. Analýza spekter umožňuje určovat chemické složení, teplotu, hustotu, rychlost pohybu i další fyzikální vlastnosti hvězd. Významným nástrojem je harvardská spektrální klasifikace, která rozděluje hvězdy podle jejich spekter a povrchové teploty do spektrálních tříd.

Významnou součástí stelární astrofyziky je studium dvojhvězd a vícenásobných hvězdných systémů, které umožňuje přesně určovat hmotnosti a další základní parametry hvězd. U Slunce poskytuje jedinečné informace o jeho vnitřní stavbě helioseismologie, založená na analýze šíření akustických vln slunečním nitrem.

Stelární astrofyzika se dále zabývá jednotlivými fázemi hvězdného vývoje, od vzniku hvězd v molekulárních oblacích přes hlavní posloupnost až po závěrečná stadia, mezi která patří bílí trpaslíci, neutronové hvězdy a černé díry. Součástí výzkumu jsou také nestabilní hvězdy, novy, supernovy a další přechodné jevy.

Galaktická a extragalaktická astrofyzika

Podrobnější informace naleznete v článcích Galaktická astronomie a Extragalaktická astronomie.

Galaktická a extragalaktická astrofyzika studuje fyzikální vlastnosti, vznik, vývoj a vzájemné interakce galaxií. Zabývá se strukturou a vývojem Mléčné dráhy i dalších galaxií, procesy vzniku hvězd, chemickým vývojem galaxií, aktivními galaktickými jádry, supermasivními černými dírami, kupami galaxií, gravitačními čočkami a velkorozměrovou strukturou vesmíru. Výzkum využívá pozorování v celém elektromagnetickém spektru a propojuje je s numerickými simulacemi vývoje galaxií.

Vysokoenergetická astrofyzika

Podrobnější informace naleznete v článcích Vysokoenergetická astrofyzika, Rentgenová astronomie a Gama-astronomie.

Vysokoenergetická astrofyzika studuje astronomické objekty a jevy, při nichž dochází k uvolňování velkého množství energie. Zaměřuje se zejména na černé díry, neutronové hvězdy, pulsary, magnetary, blazary, aktivní galaktická jádra, gama záblesky a zdroje kosmického záření. Pozorování probíhá především v rentgenové a gama oblasti elektromagnetického spektra, doplněné detekcí vysokoenergetických částic a neutrin.

Mezi nejvýznamnější observatoře a experimenty patří Rentgenová observatoř Chandra, XMM-Newton, NuSTAR, Fermi Gamma-ray Space Telescope, INTEGRAL, Swift Gamma-Ray Burst Mission, Observatoř Pierra Augera a Alpha Magnetic Spectrometer.

Relativistická astrofyzika

Podrobnější informace naleznete v článku Relativistická astrofyzika.

Relativistická astrofyzika studuje astronomické objekty a jevy, při jejichž popisu hraje rozhodující roli speciální teorie relativity nebo obecná teorie relativity. Zabývá se zejména fyzikou černých děr, neutronových hvězd, akrečních disků, relativistických výtrysků, gravitačních vln, gravitačních čoček a dynamikou hvězd v okolí supermasivních černých děr. Významnou součástí oboru je také testování obecné teorie relativity pomocí astronomických pozorování.

Kosmologie

Podrobnější informace naleznete v článcích Kosmologie, Pozorovací kosmologie a Multi-messenger astronomie.

Kosmologie je část astrofyziky, která studuje vesmír jako celek, jeho vznik, vývoj, velkorozměrovou strukturu a budoucí vývoj. Zabývá se zejména velkým třeskem, kosmickou inflací, reliktním zářením, vznikem a vývojem struktur ve vesmíru, temnou hmotou, temnou energií a určováním základních kosmologických parametrů.

Současná kosmologie využívá široké spektrum pozorovacích metod, například měření kosmologického rudého posuvu, supernov typu Ia, baryonových akustických oscilací, reliktního záření, gravitačních čoček nebo gravitačních vln. Významnou úlohu stále více získává také multi-messenger astronomie, která umožňuje kombinovat elektromagnetická pozorování s detekcí neutrin, gravitačních vln a kosmického záření.

Vztah k ostatním vědám

Astrofyzika je úzce propojena s dalšími oblastmi fyziky a přírodních věd. Využívá poznatky mechaniky, elektromagnetismu, termodynamiky, jaderné fyziky, částicové fyziky a obecné teorie relativity k popisu procesů probíhajících ve vesmíru.

Významnou roli má také chemie, zejména při studiu složení hvězd, mezihvězdné látky a vzniku složitějších molekul ve vesmíru. Výzkum planet a menších těles sluneční soustavy propojuje astrofyziku s geologií a dalšími planetárními vědami.

Moderní astrofyzika využívá rozsáhlé výpočetní metody, numerické simulace a analýzu velkých dat. Je proto úzce spojena také s informatikou a aplikovanou matematikou.

Odkazy

Související články

• Astronomie
• Astronomický ústav AV
• Hvězda
• Planeta
• Sluneční soustava
• Souhvězdí
• Vesmír

Externí odkazy

• Obrázky, zvuky či videa k tématu astrofyzika na Wikimedia Commons
• Slovníkové heslo astrofyzika ve Wikislovníku
• Dokumenty Oddělení astrofyziky Přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity
• Astrofyzika aldebaran.cz
• Vladimír Štefl, Jiří Krtička: DIDAKTIKA ASTROFYZIKY Brno 2003, Masarykova univerzita, Přírodovědecká fakulta

Autoritní data	NKC: ph118641 PSH: 321 BNE: XX525286 BNF: cb119776010 (data) GND: 4003326-0 LCCN: sh85009032 NDL: 00572869 NLI: 987007295071705171

Portály: Astronomie | Fyzika