astrofysica

Van Wikipedia, de gratis encyclopedie
Spring naar navigatie Spring naar zoeken

Astrofysica houdt zich bezig met de fysieke fundamenten van het onderzoek naar hemelverschijnselen en is een tak van de astronomie . Als een uitbreiding van de klassieke astronomie (voornamelijk bestaande uit astrometrie en hemelmechanica ), vormt het tegenwoordig grote gebieden van astronomisch onderzoek .

verhaal

oorsprong

Veel historici dateren het begin van de samensmelting van astronomie en natuurkunde tot het begin van de 17e eeuw, meer bepaald tot de ontdekking van de wetten van Kepler . Een van de eerste mensen die er duidelijk van overtuigd was dat Johannes Kepler de eerste astrofysicus was geweest, was zijn oude leraar en vriend Michael Mästlin . In een brief aan Kepler schreef hij: "Ik denk dat fysieke oorzaken buiten beschouwing moeten worden gelaten en dat we moeten proberen astronomische vragen alleen volgens de astronomische methode te verklaren met behulp van astronomische, niet fysieke oorzaken en hypothesen. Dat betekent dat de berekeningen een astronomische basis vereisen op het gebied van geometrie en rekenen."

Zowel Kepler als Galileo Galilei bestudeerden het werk van William Gilbert , een arts en natuurkundige in het 17e-eeuwse Engeland. Gilbert was de eerste die duidelijk onderscheid maakte tussen magnetisme en statische elektriciteit Hij onderzocht de elektrische lading van veel stoffen en was ervan overtuigd dat de aarde als geheel gezien moet worden als een enkele magneet met twee polen. In zijn geest was magnetisme de "ziel" van de aarde - van waaruit hij een hele "magnetische filosofie" ontwikkelde. Veel wetenschappers uit die tijd namen de ontdekkingen van Kepler, Galileo en Gilbert echter niet serieus. Dit leidde ertoe dat hun werk werd verwaarloosd, en uiteindelijk gingen er nog twee eeuwen voorbij voordat de alchemistische overtuigingen werden opgegeven.

Het werkelijke geboorteuur van de astrofysica wordt tegenwoordig door veel natuurwetenschappers aangegeven met de bevestiging van de Copernicaanse kijk op de wereld door Friedrich Wilhelm Bessel en Thomas James Henderson evenals Friedrich Georg Wilhelm Struve in 1838 door middel van de eerste metingen van trigonometrische ster parallaxen . De sterfotometrie , d.w.z. de meting van de schijnbare helderheid van de sterren, en de spectrumanalyse die er bijna parallel aan werd ontwikkeld door Joseph von Fraunhofer , Gustav Robert Kirchhoff en Robert Wilhelm Bunsen , vormden ook een deel van de basis van de wetenschap die tegenwoordig bekend staat als astrofysica. Al in 1814 ontdekte Fraunhofer donkere lijnen in het spectrum van de zon , de Fraunhoferlijnen , zonder hun oorsprong te kunnen verklaren.

"De eigenlijke astrofysica , dwz de verkenning van de sterren met behulp van fysieke methoden, begon toen G. Kirchhoff en G. Bunsen in 1859 spectrumanalyse en de interpretatie van de Fraunhofer-lijnen in het zonnespectrum in Heidelberg ontdekten."

- A. Unsöld, B. Baschek : De nieuwe kosmos: Inleiding tot astronomie en astrofysica, 7e editie [1]

“Al in 1860 formuleerde G. Kirchhoff de basis van de stralingstheorie, in het bijzonder de stelling van Kirchhoff , die de relaties definieert tussen emissie en absorptie van straling in thermodynamisch evenwicht . Deze stelling samen met het principe van Doppler vormde veertig jaar lang het hele conceptuele kader van de astrofysica."

- A. Unsöld, B. Baschek : De nieuwe kosmos: Inleiding tot astronomie en astrofysica, 7e editie [1]

Verdere ontwikkeling

De bevindingen van Kirchhoff en Bunsen leidden uiteindelijk tot een onmiddellijke toepassing van de nieuw verworven technologieën door astronomen in het midden van de 19e eeuw. Al in 1863 publiceerde Angelo Secchi studies gebaseerd op de bevindingen van Kirchhoff en Bunsen. Twee inmiddels zeer bekende astronomen gingen in deze periode ook aan hun studie en publiceerden baanbrekende werken op het gebied van astrofysica: Lewis Morris Rutherfurd uit New York en William Huggins uit Londen. Tijdens een zonsverduistering in India op 18 augustus 1868 ontdekte Pierre Janssen een (toen nog) onbekend element in de corona van de zon met behulp van chemische waarneming door middel van spectraalanalyse: helium .

In de loop van de volgende jaren hielden veel bekende wetenschappers zich bezig met essentieel fundamenteel fysiek onderzoek en voerden zo interdisciplinair basisonderzoek uit voor de astrofysica die vandaag bestond. In zijn boek On the Conservation of Force (1847) formuleerde Hermann von Helmholtz de wet van behoud van energie meer in detail dan Julius Robert von Mayer in 1842 had gedaan en droeg daarmee in belangrijke mate bij tot de erkenning van dit aanvankelijk zeer controversiële principe. Hiermee leverde Helmholtz de principes voor gravitatie-energie . Antoine Henri Becquerel , de ontdekker van radioactiviteit, legde in 1896 de eerste steen voor het meten van het verval van isotopen. George Howard Darwin , zoon van Charles Darwin , bestudeerde vanaf 1882 het effect van de getijden op het zonnestelsel met wiskundige methoden en werd een erkend expert op dit gebied. In 1899 stelde John Joly een methode voor om de ouderdom van de aarde te bepalen aan de hand van het natriumgehalte van de oceanen, gebaseerd op het idee dat de concentratie ervan gestaag zou toenemen als gevolg van erosie op het land. [2] Vervolgens schatte hij de leeftijd van de aarde op 80 tot 100 miljoen jaar. In 1903 stelde hij een betere methode voor, waarbij hij de ouderdom van de aarde schatte op basis van het radioactieve verval van radium (in een Nature-artikel). In 1907 mat Bertram Boltwood de ouderdom van gesteenten door het radioactieve verval van uranium tot lood ( uranium-looddatering ).

Klassieke deelgebieden

Theoretische astrofysica

Theoretische astrofysica probeert hemelverschijnselen te voorspellen of te simuleren met behulp van modellen. Veel astrofysische processen kunnen worden beschreven door partiële differentiaalvergelijkingen waarvoor alleen in uitzonderlijke situaties een exacte analytische oplossing kan worden gevonden. Een wijdverbreide methode in de astrofysica is daarom numerieke berekeningen ( numerics ) en simulaties die dagen tot weken zouden duren met een standaard pc (2008). In de praktijk worden daarom vaak supercomputers of clusters gebruikt. De zo verkregen resultaten worden vergeleken met waarnemingen en gecontroleerd of deze overeenkomen.

Observationele astrofysica

De belangrijkste methode is de spectrale analyse van de elektromagnetische straling , waarbij het waarnemingsbereik zich uitstrekt van langgolvige radiogolven ( radioastronomie ) tot kortgolvige en dus hoogenergetische gammastraling over ongeveer 20 machten van tien. Vanaf de aarde zijn naast zichtbaar licht ook de frequentiebereiken van radiogolven en sommige delen van het infraroodbereik waar te nemen. Het meeste infrarood licht, ultraviolet licht, maar ook röntgen- en gammastraling kan alleen worden waargenomen door satellieten, omdat de aardatmosfeer als een filter werkt.

Als sterren worden geclassificeerd volgens spectrale klassen en lichtsterkteklassen , kunnen ze worden ingevoerd in een Hertzsprung-Russell-diagram (HRD). De locatie in de HRD bepaalt bijna alle fysieke eigenschappen van de ster.

Het kleurhelderheidsdiagram (FHD) kan worden gebruikt om de afstand te bepalen.

Naast individuele sterren worden vooral sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels waargenomen. Voor dit doel zijn telescopen op aarde - vaak ook verbonden om clusters te vormen - zoals B. HEGRA , evenals ruimtetelescopen zoals de Hubble-ruimtetelescoop worden gebruikt. Regelmatig worden ook satellieten met detectoren en telescopen gelanceerd. Astrofysici zijn ook geïnteresseerd in de kosmische stralingsachtergrond.

Laboratorium astrofysica

Lange tijd kende de astrofysica bijna geen laboratoriumexperimenten . De ontwikkeling van nieuwe, krachtige telescopen vanaf de millenniumwisseling leidde uiteindelijk echter tot de opkomst van de tak van laboratoriumastrofysica. Dit creëert en bestudeert voorheen onbekende moleculen. Op basis van de in het laboratorium verkregen spectrogrammen en met behulp van grote radiotelescopen kunnen deze moleculen vervolgens worden gedetecteerd in interstellaire gaswolken. Zo kunnen conclusies worden getrokken over chemische processen die daar plaatsvinden, bijvoorbeeld tijdens stergeboorten. Er zijn wereldwijd slechts ongeveer 20 onderzoeksgroepen voor laboratoriumastrofysica, in Duitsland aan de Universiteit van Kassel , de Friedrich Schiller Universiteit Jena en de Universiteit van Keulen . Er zijn ook laboratoria die zich bezighouden met de vorming van planeten, zoals de Universiteit van Braunschweig en de Universiteit van Duisburg-Essen . Naast simulaties op computers voor de botsing en groei van stofdeeltjes worden hier enkele laboratoriumexperimenten uitgevoerd, die vervolgens onder andere gewichtloos worden voortgezet.

Relatie met andere takken van de natuurkunde

Astrofysica is voornamelijk afhankelijk van waarnemingen en metingen, omdat geconstrueerde experimenten uitgesloten zijn vanwege de grootte van de onderzoeksobjecten en de niet-reproduceerbaarheid van unieke kosmologische gebeurtenissen (Big Bang). Veel van deze metingen hebben een grote relatieve fout vanwege hun kleine formaat (bijvoorbeeld objectgroottes of hoekafstanden). Hieruit indirect bepaalde hoeveelheden (bijvoorbeeld stellaire massa's, leeftijden of afstanden) worden dan ook geassocieerd met grote onnauwkeurigheden. Voor andere metingen, zoals: B. Spectroscopie van de steratmosfeer of radarmetingen naar de maan of in de flyby van objecten, of door statistische methoden (veel onafhankelijke metingen) kunnen ook een hoge mate van nauwkeurigheid bereiken . Ondanks dit fundamentele verschil met alle andere fysieke subdisciplines, gebruiken astrofysici methoden en wetten uit andere gebieden van de natuurkunde, met name uit de kern- en deeltjesfysica (zoals detectoren voor het meten van bepaalde deeltjes bij bepaalde energieën) of beginnen ze nucleaire astrofysica te ontwikkelen. In de theoretische astrofysica daarentegen is de analogie met plasmafysica bijzonder dichtbij, aangezien veel astronomische verschijnselen zoals steratmosferen of wolken van materie in een goede benadering als plasma's kunnen worden beschreven.

Zie ook

literatuur

web links

WikiWoordenboek: Astrofysica - uitleg van betekenissen, woordoorsprong, synoniemen, vertalingen
Commons : Astrofysica - verzameling afbeeldingen, video's en audiobestanden

Individueel bewijs

  1. a b Albrecht Unsöld , Bodo Baschek: De nieuwe kosmos: Inleiding tot astronomie en astrofysica . 7e editie. Springer, 2002, ISBN 3-540-42177-7 , blz.   166   ff .
  2. Een schatting van de geologische leeftijd van de aarde , Scientific Transactions Royal Dublin Society