天体物理学是空间科学的一个分支,它应用物理和化学定律来寻求理解宇宙和我们在其中的位置 。
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该领域探索的主题包括恒星,行星,星系,星云和宇宙中其他物体的诞生,生与死 。它有两个兄弟科学,天文学和宇宙学,尽管这些分支之间的界限可能会模糊 。
从最严格的意义上说:
天体物理学创造了宇宙中小型物体和结构的物理理论 。
天文学测量天体的位置 光度 位置和其他特征 。
宇宙学涵盖了宇宙最大的结构和整个宇宙 。
在实践中,这三个领域形成了一个紧密结合的大家庭 。
询问星云的位置或它发出什么样的光,天文学家可能会先回答 。询问星云是由什么组成的,它是如何形成的,天体物理学家可以管道上升 。如果问这些数据如何与宇宙的形成相吻合,宇宙学家可能会跳进去 。或者他们可能会插话来探讨所有三个问题 。
美国宇航局的天体物理学天体物理学家试图了解宇宙和我们在其中的位置 。
根据NASA的网站,在NASA,其天体物理学工作的目标是"发现宇宙如何运作,探索它是如何开始和进化的,并在其他恒星周围的行星上寻找生命" 。
它始于艾萨克·牛顿
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虽然天文学是最古老的科学之一,但理论天体物理学始于艾萨克·牛顿 。
在牛顿之前,天文学家使用没有物理基础的复杂数学模型来描述当时所谓的"天体"的运动 。牛顿表明,一个单一的理论,描述我们现在所知道的引力,同时解释了太空中卫星和行星的轨道以及地球上炮弹的轨迹 。这增加了证据体系,证明(当时)令人吃惊的结论是,"天"和地都受制于相同的物理定律 。
然而,也许牛顿的模型与以前的概念最不同的是,他的理论既是预测性的,也是描述性的 。比如:基于天王星轨道上的像差,天文学家预测了一颗新行星的位置,然后被观测并命名为海王星 。
天体物理学的里程碑我们无法直接与遥远的宇宙物体相互作用,但我们可以观察它们发出的辐射,而天体物理学的大部分内容都与研究这种辐射并努力解释其背后的机制有关 。
关于恒星本质的第一个想法出现在19世纪中叶,来自蓬勃发展的光谱分析科学,这是空间科学的重要支柱,这意味着观察特定物质在加热时吸收和发射的特定光的频率 。
早期的光谱学提供了第一个证据,证明恒星也含有地球上存在的物质 。光谱学显示,一些星云是纯气态的,而有些星云包含恒星 。这后来有助于巩固一些星云根本不是星云的想法 - 它们是其他星系!
在1920年代早期,美国天文学家和天体物理学家塞西莉亚·佩恩(Cecilia Payne)使用光谱学发现,恒星主要是氢(至少在它们年老之前) 。通过研究恒星的光谱,天体物理学家也能够确定它们朝向或离开地球的速度 。
无论车辆是朝向我们移动还是远离我们,它发出的声音都是不同的,而光也具有类似的效果,因为一种叫做多普勒频移的东西,其中恒星的光谱会发生变化,无论它们是朝向我们移动还是远离我们 。在1930年代,通过结合多普勒频移和爱因斯坦的广义相对论,埃德温·哈勃提供了宇宙正在膨胀的坚实证据 。这也是爱因斯坦理论所预言的,并共同构成了大爆炸理论的基础 。
在19世纪中叶,物理学家开尔文勋爵(威廉·汤姆森)和古斯塔夫·冯·亥姆霍兹推测引力坍缩可以为太阳提供动力,但最终意识到以这种方式产生的能量只能持续10万年 。五十年后,爱因斯坦著名的E=mc2方程为天体物理学家提供了第一条线索,让他们知道这种能量可能是什么(尽管事实证明引力坍缩确实起着重要作用) 。
随着核物理、量子力学和粒子物理学领域的发展,在20世纪上半叶,人们有可能制定关于核聚变如何为恒星提供动力的理论 。这些理论描述了恒星如何形成,生存和死亡,他们成功地解释了观察到的不同类型的恒星的分布,它们的光谱,光度,年龄和其他特征 。
根据大爆炸理论,第一批恒星几乎完全是氢 。使它们充满活力的能量核聚变过程将氢原子粉碎在一起,形成较重的元素氦 。1957年,玛格丽特和杰弗里·伯比奇(Margaret and Geoffrey Burbidge)的夫妻天文学家团队,以及物理学家威廉·阿尔弗雷德·福勒(William Alfred Fowler)和弗雷德·霍伊尔(Fred Hoyle)展示了随着恒星年龄的增长,它们如何产生越来越重的元素,并将这些元素传递给后代恒星 。
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