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Astrophysique

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Renseignements généraux

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NGC 4414, un typique galaxie spirale dans le constellation Chevelure de Bérénice, est d'environ 56 000 années-lumière de diamètre et environ 60 millions d'années-lumière de la Terre

Astrophysique est la branche de l'astronomie qui traite avec les la physique de l' univers , y compris les propriétés physiques ( luminosité, la densité , la température et chimique composition) de objets célestes tels que étoiles , galaxies , et la milieu interstellaire, ainsi que leurs interactions. L'étude de la cosmologie est l'astrophysique théorique à l'grandes échelles où Albert Einstein de la théorie de la relativité générale joue un rôle majeur.

Parce que l'astrophysique est un sujet très vaste, les astrophysiciens se appliquent généralement de nombreuses disciplines de la physique, y compris mécanique, électromagnétisme , mécanique statistique , la thermodynamique , la mécanique quantique , la relativité , nucléaire et la physique des particules , et physique atomique et moléculaire. Dans la pratique, la recherche astronomique moderne implique une quantité importante de la physique. Le nom du département d'une université («astrophysique» ou «l'astronomie") doit souvent faire plus avec l'histoire du ministère qu'avec le contenu des programmes. Astrophysique peut être étudié à la célibataires, maîtres, et Doctorat les niveaux de génie aérospatial, de la physique, ou des départements d'astronomie à plusieurs universités .

Histoire

Bien que l'astronomie est aussi ancienne que l'histoire enregistrée elle-même, on a longtemps séparé de l'étude de la physique. Dans le aristotélicienne vision du monde, le monde céleste tend vers la perfection-organismes dans le ciel semblait être des sphères parfaites mobiles parfaitement circulaires orbites tandis que le monde terrestre semblait destiné à l'imperfection; ces deux domaines ne ont pas été considérés comme liés.

Aristarque de Samos (c.310 - c.250 BC) premier mis en avant l'idée que les mouvements des corps célestes pourraient se expliquer par l'hypothèse que la Terre et toutes les autres planètes dans le système solaire en orbite autour du Soleil . Malheureusement, dans le monde géocentrique de l'époque, de Aristarque théorie héliocentrique a été jugé extravagant et hérétique, et pendant des siècles, la vue apparemment de bon sens que le Soleil et les autres planètes ont fait le tour de la Terre se est essentiellement incontestée. Ensuite un astronome, nommé Nicolas Copernic , a relancé le modèle héliocentrique dans le 16ème siècle . En 1609, Galilée a découvert les quatre lunes de brillants Jupiter , et documenté à propos de leurs orbites cette planète, ce qui contredit le dogme géocentrique de l' Eglise catholique de son temps, et échappé à la punition grave ne en soutenant que son astronomie était un travail de mathématiques , pas de la philosophie naturelle (physique), et donc purement abstraite.

La disponibilité des données d'observation précises (principalement de l'observatoire de Tycho Brahe) a conduit à la recherche sur les explications théoriques pour le comportement observé. Dans un premier temps, seulement règles empiriques ont été découverts, comme Lois de Kepler , découverts au début du 17ème siècle . Plus tard ce siècle, Isaac Newton a comblé l'écart entre les lois de Kepler et la dynamique de Galileo, en découvrant que les mêmes lois qui régissent la dynamique des objets sur Terre gouvernent le mouvement des planètes et la lune. La mécanique céleste, l'application de newtonienne gravité et les lois de Newton pour expliquer Lois de Kepler, était la première unification de l'astronomie et de la physique.

Après Isaac Newton a publié son livre, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica , maritime Navigation a été transformé. À partir d'environ 1670, le monde entier a été mesurée en utilisant essentiellement modernes latitude instruments et les meilleurs disponibles horloges . Les besoins de la navigation fourni un entraînement pour les observations astronomiques et des instruments de plus en plus précises, fournissant un fond pour les données de plus en plus disponibles pour les scientifiques.

A la fin du 19ème siècle , on a découvert que, lors de la décomposition de la lumière du soleil, une multitude de raies spectrales ont été observées (les régions où il y avait moins ou pas de lumière). Des expériences avec des gaz chauds ont montré que les mêmes principes peuvent être observées dans les spectres des gaz, des lignes uniques spécifiques correspondant aux éléments chimiques . De cette façon, il a été prouvé que les éléments chimiques présents dans le Soleil (principalement l'hydrogène ) ont également été trouvés sur la Terre. En effet, l'élément d'hélium a été découvert dans le spectre du Soleil et que plus tard sur Terre, d'où son nom. Au cours de la 20ème siècle , la spectroscopie (l'étude de ces raies spectrales) a progressé, en particulier en raison de l'avènement de la physique quantique qui était nécessaire pour comprendre les observations astronomiques et expérimentales.

Voir aussi:

  • Chronologie des connaissances sur les galaxies, amas de galaxies, et la structure à grande échelle
  • Chronologie des naines blanches, étoiles à neutrons, et supernovae
  • Chronologie de la physique des trous noirs
  • Chronologie de la physique gravitationnelle et de la relativité

Devenir un astrophysicien

Pour devenir un astronome de recherche classique (quelqu'un qui court un télescope, analyse des données, publie des documents), les astrophysiciens ont besoin pour obtenir un doctorat degré. positions de soutien tels que les opérateurs du télescope, les observateurs et les développeurs de logiciels ont généralement besoin d'un diplôme de baccalauréat, bien que certains postes peuvent exiger un diplôme de maîtrise ou supérieur.

Astrophysique observationnelle

Le Pléiades , un amas ouvert d'étoiles observé dans le constellation de Taurus. NASA photo

La majorité des observations astrophysiques sont fabriqués en utilisant la spectre électromagnétique.

  • La radioastronomie étudie avec un rayonnement longueur d'onde supérieure à quelques millimètres. Les ondes radio sont généralement émis par des objets froids, y compris interstellaires de gaz et de nuages de poussière. Le rayonnement cosmique de fond est le décalée vers le rouge de la lumière Big Bang . Les pulsars ont d'abord été détectés à fréquences micro-ondes. L'étude de ces ondes nécessite de très grands radiotélescopes .
  • Astronomie infrarouge étudie rayonnement avec une longueur d'onde qui est trop long pour être visible, mais plus court que les ondes radio. Les observations infrarouges sont généralement faites avec des télescopes similaires aux habituels optiques télescopes. Objets froid que les étoiles (comme planètes) sont normalement étudiées à des fréquences infrarouges.
  • Astronomie optique est le plus ancien type de l'astronomie. Télescopes jumelé avec un dispositif à couplage de charge ou spectroscopes sont les instruments les plus couramment utilisés. De la Terre atmosphère interfère peu avec les observations optiques, de sorte optique adaptative et télescopes spatiaux sont utilisés pour obtenir la meilleure qualité d'image possible. Dans cette gamme, les étoiles sont très visibles, et de nombreux spectres chimiques peuvent être observées pour étudier la composition chimique des étoiles, des galaxies et nébuleuses.
  • Ultraviolet , X-ray et gamma étude de l'astronomie des rayons processus très énergétiques tels que pulsars binaires, les trous noirs , magnétars, et bien d'autres. Ces types de rayonnement ne pénètrent pas l'atmosphère de la terre bien. Il ya deux possibilités pour observer cette partie du spectrum- électromagnétique basés au sol télescopes et spatial Imagerie télescopes Cherenkov atmosphérique (IACT). Observatoires du premier type sont RXTE, la Chandra X-ray Observatory et du Compton Gamma Ray Observatory. IACTs sont, par exemple, la High Energy Stereoscopic System (HESS) et le Télescope MAGIC.

Autre que le rayonnement électromagnétique, peu de choses peuvent être observés de la Terre qui proviennent de grandes distances. Quelques observatoires d'ondes gravitationnelles ont été construits, mais les ondes gravitationnelles sont extrêmement difficiles à détecter. observatoires de neutrinos ont également été construits, principalement pour étudier notre Soleil Les rayons cosmiques constitués de particules de très haute énergie peuvent être observées frapper l'atmosphère de la Terre.

Elles peuvent aussi varier dans leur échelle de temps. La plupart des observations optiques prennent que quelques minutes à quelques heures, de sorte que les phénomènes qui changent plus rapidement que cela ne peut pas être aisément décelés. Toutefois, les données historiques sur certains objets est disponible enjambant siècles ou millénaires. D'autre part, les observations de radio peuvent regarder des événements sur une échelle de temps de milliseconde ( milliseconde pulsars) ou combiner années de données ( pulsar études décélération). Les informations obtenues à partir de ces différentes échelles de temps est très différent.

L'étude de notre propre Soleil a une place spéciale dans l'astrophysique observationnelle. En raison de la distance énorme de toutes les autres étoiles, le Soleil peut être observée dans une sorte de détail inégalé par aucune autre étoile. Notre compréhension de notre propre soleil sert de guide à notre compréhension des autres étoiles.

Le sujet de la façon dont les étoiles changent, ou l'évolution stellaire, est souvent modélisé en plaçant les variétés de types d'étoiles dans leurs positions respectives sur le Diagramme de Hertzsprung-Russell, qui peut être considéré comme représentant l'état d'un objet stellaire, de la naissance à la destruction. La composition du matériau des objets astronomiques peut souvent être examiné à l'aide:

  • Spectroscopie
  • La radioastronomie
  • Astronomie neutrino (perspectives d'avenir)

Astrophysique théorique

Astrophysiciens théoriciens utilisent une grande variété d'outils qui comprennent des modèles analytiques (par exemple, polytropes rapprochant les comportements d'une étoile ) et calcul simulations numériques. Chacun a certains avantages. Les modèles analytiques d'un processus sont généralement mieux pour donner un aperçu dans le cœur de ce qui se passe. Les modèles numériques peuvent révéler l'existence de phénomènes et des effets qui ne seraient autrement pas être vu.

Les théoriciens de l'astrophysique se efforcer de créer des modèles théoriques et de déterminer les conséquences d'observation de ces modèles. Cela permet permettent observateurs à rechercher des données qui peuvent réfuter un modèle ou aider à choisir entre plusieurs modèles alternatifs ou contradictoires.

Théoriciens tentent également de générer ou modifier les modèles pour tenir compte des nouvelles données. Dans le cas d'incompatibilité, la tendance générale est d'essayer de faire un minimum de modifications au modèle pour ajuster les données. Dans certains cas, une grande quantité de données incohérentes dans le temps peut conduire à l'abandon total d'un modèle.

Sujets étudiés par les astrophysiciens théoriques comprennent: la dynamique stellaire et évolution; la formation des galaxies; la structure à grande échelle de la matière dans l' Univers ; origine rayons cosmiques; la relativité générale et la cosmologie physique , y compris la chaîne et la cosmologie la physique des astroparticules. Relativité Astrophysical sert comme un outil pour mesurer les propriétés de grandes structures pour lesquelles la gravitation joue un rôle important dans les phénomènes physiques d'une enquête et que la base de trou noir (astro) physique et l'étude des ondes gravitationnelles.

Certaines théories et des modèles largement acceptées et étudiées en astrophysique, désormais inclus dans le Modèle Lambda-CDM sont les Big Bang , l'inflation cosmique , la matière noire , et les théories fondamentales de la physique .

Quelques exemples de ce processus:

Processus physique Outil expérimental Modèle théorique Explique / prédit
Gravitation Les radiotélescopes Système d'auto-gravitant Emergence d'un système d'étoiles
La fusion nucléaire Spectroscopie L'évolution stellaire Comment les étoiles brillent et comment métaux formés
Le Big Bang Télescope spatial Hubble , COBE Univers en expansion Âge de l'Univers
Les fluctuations quantiques L'inflation cosmique Problème de la platitude
Effondrement gravitationnel L'astronomie des rayons X La relativité générale Les trous noirs au centre de galaxie d'Andromède
Cycle CNO en étoiles

La matière noire et énergie sombre sont les principaux sujets actuels en astrophysique, que leur découverte et de controverse origine lors de l'étude des galaxies.

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