Астрофізика

Що таке астрофізика?

Астрофізика застосовує закони фізики та хімії для розуміння астрономічних об'єктів, явищ і ширшого Всесвіту. Вона охоплює утворення, структуру та еволюцію зірок, галактик і кластерів галактик; синтез хімічних елементів; виявлення гравітаційних хвиль; а також склад і долю космосу в цілому.

✦ Ключові факти

Спостережуваний Всесвіт містить приблизно 2 трильйони галактик та 10²⁴ зірок.

Галактика Молодиця має діаметр 100 000 світлових років і містить від 200 до 400 мільярдів зірок.

Темна матерія (приблизно 27%) та темна енергія (приблизно 68%) домінують у Всесвіті; звичайна речовина становить лише приблизно 5%.

Всесвіт налічує 13,8 мільярда років; Сонце – 4,6 мільярди років.

Гравітаційні хвилі були вперше безпосередньо виявлені LIGO у 2015 році.

Гієгрэнс-Рассел Діаграма

Діаграма Гієгрэнса-Рассела відображає яскравість зірок проти їхньої поверхневої температури (або спектрального типу). Вона показує, що більшість зірок розташовані на головній послідовності — діагональній смузі, де зірки зливаються водень з гелієм у своїх ядрах. Поверхня температура зростає вліво; яскравість – вгору.

⬛ Головна Послідовність

Близько 90% зірок, включаючи Сонце (G-тип). Визначається злиттям водню. Тривалість: від мільйонів до трильйонів років, залежно від маси (масивні зірки живуть коротший час: L ∝ M⁴).

🔴 Червоні Велетні

Зірки, які вичерпали водень у своїх ядрах. Зовнішні шари розширюються надзвичайно; поверхня охолоджується. Сонце стане червоним велетнем приблизно через 5 мільярдів років, поглинаючи Землю.

🔵 Білі Карлтони

Залишки зірок середньої маси після етапу червоного гіганта. Розміром з Землю, підтримуються електронною дегенеративним тиском. Охолоджуються протягом мільйонів років.

💙 Сині Супергіганти

Надзвичайно масивні, гарячі та яскраві зірки (наприклад, Рігель). Короткий термін життя (міліони років). Закінчуються як вибухи сверхнових.

Еволюція зірок: від туманності до рештків

Зірки утворюються внаслідок гравітаційного колапсу молекулярних хмар (стабільність Джинса: колапс починається, коли потенційна гравітаційна енергія перевищує теплову). Шлях еволюції залежить фундаментально від початкової маси:

Межа Чандрaсека (1930) = 1,4 M☉ є максимальною масою білого зорька, підтримуваного електронною дегенеративним тиском. Понад цю межу електрони не можуть протистояти подальшому гравітаційному колапсу, що призводить до утворення нейтронної зірки або чорної діри. Ця межа є ключовою для Типових Ia вибухів наднових — які використовуються як «стандартні свічки» для вимірювання космологічних відстаней.

Low mass (< 8 M☉): Hydrogen fusion → Red Giant → Planetary nebula → White dwarf High mass (> 8 M☉): H fusion → Red supergiant → Supernova Type II → if M_remnant < 1.4 M☉ (Chandrasekhar) → White dwarf if 1.4 M☉ < M_remnant < ~3 M☉ (Tolman-Oppenheimer-Volkoff) → Neutron star if M_remnant > ~3 M☉ → Black hole

Нейтронні Зірки та Пулсари

Нейтронні зірки – це найекстремальніші стабільні об’єкти, що відомі: від 1.4 до 2.1 сонячних мас, стиснуті в радіус 10–20 км, з центральною щільністю, яка перевищує ядерну щільність (~2,8×10¹⁷ кг/м³). Їх гравітація поверхні становить приблизно 2×10¹¹ м/с² – у 20 разів більша за земну. Підтримуються нейтронним дегенераційним тиском і відштовхуючим ядром сильної ядерної взаємодії.

Пулсари – це швидко обертаються нейтринні зірки з сильними магнітними полями (10⁸–10¹⁵ Тл) які випромінюють промені електромагнітного випромінювання. Під час обертання зірка, цей промінь «промахується» через Землю, як ліхтарик. Перидоди імпульсів коливаються від мілісекунд до секунд; мілісекундні пульсари є одними з найточніших природних годинників, що відомі. Перший пульсар був виявлений Джосілін Белл Бернелл та Антоні Хівішем у 1967 році (Нобелівська премія 1974 року – спірно присуджена лише Хівішу).

Чорні діри

Чорна діра утворюється, коли маса стиснута в межах її горизонту подій Шварцшильда:

Всередині r_S знаходиться горизонт подій – сферична межа без повернення. Швидкість уникнення дорівнює c. Загальна теорія відносності передбачає сингулярність в центрі (нескінченна щільність), хоча це, ймовірно, сигналізує про збій загальної теорії, що потребує квантової гравітації. Астрономічно: чорні діри масою від 3 до 100 M☉ утворюються в результаті вибухів надновин; чорні діри супермаси (від 10⁶ до 10¹⁰ M☉) розташовані в центрах більшості великих галактик, включаючи Sgr A* нашої Галактики (~4 мільйони M☉).

Чорні діри випромінюють завдяки випромінюванню Хокінга (квантовий ефект): T_BH = ℏc³/(8πGMk_B). Температура чорних дір масою надновин становить приблизно 10⁻⁸ K – невідчутно холодна. Первинні чорні діри масою близько 10¹² кг сьогодні випромінюються.

r_S = 2GM/c² For the Sun: r_S ≈ 3 km For Earth: r_S ≈ 9 mm For a stellar-mass BH (10 M☉): r_S ≈ 30 km

Гравітаційні хвилі

Прогнозовані Ейнштейном у 1916 році, гравітаційні хвилі — це збурення у кривизні простору-часу, спричинені прискореними масами. Вони подорожують зі швидкістю c. Напруга на Землі від злиття подвійних бінарів:

14 вересня 2015 року LIGO виявив GW150914 — злиття двох чорних дір (29 M☉ + 36 M☉) на відстані 1,3 мільярда світлових років, з напругою h ~ 10⁻²¹. У 2017 році GW170817 виявив злиття подвійних нейтронних зірок, яке також спостерігалося електромагнітно (нейтронна зірка — «ксінонова»), що підтверджує утворення важких елементів, таких як золото та платина, в процесах r-процесу нуклеосинтезу. Нобелівська премія з фізики 2017 року (Вейс, Баріш, Торн).

h ~ (4G/c⁴) · (d²I/dt²) / r where I = mass quadrupole moment, r = distance

Темна матерія та темна енергія

Енергетичний бюджет Всесвіту визначається двома загадковими компонентами:

Темна матерія (~27%) : не випромінює, поглинає або відбиває електромагнітне випромінювання. Докази: кривизна обертання галактик (плоскість замість зменшення за законом Кеплера), динаміка кластерів галактик (Звіцький, 1933), гравітаційне лінзування, симуляції формування структур (модель CDM), спектр потужності реліктового випромінювання. Ключові кандидати: ВІМП, аксіони, стерильні нейтрино. Прямі експерименти детектування (XENON, LUX-ZEPLIN) поки що не підтвердили існування темної матерії у вигляді частинок.

Темна енергія (~68%) : відштовхувальна сила, яка спричиняє прискорене розширення Всесвіту, спочатку виявлена в 1998 році на основі даних про Тип Ia надновини (Нобелівська премія 2011 року: Перлмуттер, Шмідт, Рісс). Найпростіша модель – космологічна константа Λ (щільність вакуумної енергії). Розбіжність між спостережуваною щільністю темної енергії та прогнозами квантової теорії поля (фактор приблизно 10¹²⁰) вважається найгіршим теоретичним передбаченням у фізиці – «проблема космологічної константи».

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Astrophysics: Stellar Evolution & HR Diagram і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.