Что такое Астрофизика?
На этой фотографии телескопа "Хаббл" запечатлены резные фигуры из пыли и газа в небольшой части туманности "Голова Обезьяны"(также известная как NGC 2174 или Sharpless Sh2-252). Эта туманность - регион звёздообразования, состоящий из тёмных пылевых облаков на фоне светящегося газа.Фото принадлежит НАСА, ЕКА и команде Hubble Heritage(STScI/AURA).
Астрофизика - ветвь науки о космосе, применяющая законы физики и химии для объяснения процессов зарождения, эволюции и смерти звезд, планет, галактик, туманностей и других объектов вселенной. У этой науки есть две смежные: астрономия и космология; и грани между ними не всегда очевидны.
В самом общем виде:
Астрономия выясняет позиции, размеры, светимости, движения и другие характеристики космических объектов.
Астрофизика создает физические теории, объясняющие процессы, происходящие в небольших(по космическим меркам) объектах и их системах.
Космология занимается аналогичными теориями для самых больших объектов космоса: от скоплений галактик до самой вселенной.
На практике люди этих трёх профессий образуют очень связанное сообщество. Можете спросить расположение туманности или же тип излучаемого ею света и вам ответит астроном. Если же вы заинтересуетесь тем, из чего она сделана и как сформировалась - ждите ответа от астрофизика. Желаете узнать, как данная информация соотносится с общим представлением о вселенной, тогда стоит обратиться к космологу. Но будьте осторожны - на некоторые вопросы они будут отвечать одновременно :)
Цели астрофизики
Астрофизики пытаются понять вселенную и наше место в ней. В НАСА цель астрофизики определена так: "Объяснить как устроена вселенная, понять как она зародилась и развивалась, найти жизнь на планетах, обращающихся вокруг других звёзд."
Эта цель поднимает три вопроса, на которые пытается ответить астрофизика как наука:
1) Как устроена вселенная?
2) Как мы сюда попали?
3) Одни ли мы во вселенной?
Всё началось с Ньютона
Хотя астрономия - одна из древнейших наук, отцом теоретической астрофизики стал Исаак Ньютон. До него астрономы описывали движения небесных тел, используя сложные математические модели без физического обоснования. Ньютон же показал, что одна теория может объяснить как орбиты лун и планет, так и траекторию пушечного ядра на Земле. Эта теория заложила основу для понимания того, что все объекты, небесные или же земные, являются субъектами одних и тех же физических законов.
Но тем, что по-настоящему выделило теорию Ньютона среди всех тогда известных, стало предсказание местоположения следующей, неизвестной планеты. Основываясь на аберрациях в орбите Урана, астрономы предсказали существование и местоположение неизвестной тогда планеты, которая была обнаружена и названа Нептуном. Способность предсказывать результаты не проводившихся экспериментов и описывать уже известные опыты - признак солидной науки.
Значимые события в астрофизике
Так как единственный способ взаимодействия с удаленными космическими объектами заключается в наблюдении испускаемого ими излучения, основные задачи астрофизики - определить теории, объясняющие механизмы генерации излучения, и понять способы наиболее эффективно и полно извлекать информацию из излучения. Первые идеи о природе звезд начали появляться в середине 19 века от зарождающегося метода спектрального анализа, то есть наблюдения за специфичностью частот излучаемых и поглощаемых волн определенными веществами при нагреве. Спектральный анализ и по сей день остается основой космических наук, направляя и тестируя новые теории.
Ранняя спектроскопия предоставила первые доказательства того, что звёзды содержат элементы, которые мы можем найти на земле. Также было показано, что некоторые туманности состоят только из газов, в то время как другие содержали в себе звёзды. Позднее эти показания помогли укрепиться идее о том, что некоторые туманности на самом деле являются другими галактиками.
В начале 1920-х годов Сесилия Пэйн с помощью спектроскопии показала, что звёзды в основном состоят из водорода (по крайней мере большую часть времени своей эволюции). Спектры помогли астрофизикам определить скорость, с которой звёзды движутся относительно Земли. Аналогично изменению звука машины в зависимости от направления движения относительно наблюдателя, из-за эффекта Доплера, спектры излучения звёзд изменяются, смещаясь в красную или синюю сторону спектра. В 1930-х годах Эдвин Хаббл представил убедительные доказательства расширения вселенной, объединив эффект Доплера и ОТО Эйнштейна. Это было предсказано в рамках ОТО, и после стало основой для развития теории Большого Взрыва.
Ранее, в середине 19 века, физики Уильям Томсон и Герман фон Гельмгольц опубликовали работу, в которой показали, что гравитационное сжатие Солнца может быть источником его энергии. Однако позднее они поняли, что энергия гравитационного сжатия иссякнет достаточно быстро - всего за 100 тысяч лет. Спустя полвека знаменитое уравнение Эйнштейна E=mc^2 дало астрофизикам того времени первое понимание о том, что же является настоящим источником энергии звёзд (Хотя сложилось так, что гравитационное сжатие всё-таки играет свою важную роль). С развитием ядерной физики, квантовой механики и физики частиц в первой половине 20 века, были сформулированы теории о том, как именно ядерные реакции питают звёзды энергией. Эти теории описывают формирование, эволюцию и смерть звёзд, успешно объясняют наблюдаемое распределение типов звёзд, их спектров, светимостей, возрастов и т.д.
Астрофизика - физика звёзд и других удаленных от нас объектов, но даже она имеет применение здесь, на Земле. Теория Большого Взрыва гласит, что первые звёзды состояли практически из одного водорода. В процессе ядерного синтеза ядра водорода с огромной энергией сталкиваются, образуя более тяжелое ядро гелия. В 1957 команда астрономов Джефри и Элинор Бербидж совместно с физиками Уильямом Фаулером и Фредом Хойлом показали как, с течением времени, звёзды начинают синтезировать всё более тяжелые элементы. Эти элементы становятся частью последующих поколений звёзд и звёздных систем. Такие элементы, как железо(32.1%), кислород(30.1%) и кремний(15.1%), из которых состоят наша планета, формируются только в завершающих стадиях существования звезды. Ещё один элемент - углерод, который, вместе с кислородом, является основой всего живого на нашей планете, включая человека. Таким образом астрофизики показали, что каждый из нас - по сути звёздная пыль.
Астрофизика с точки зрения карьеры
Чтобы стать астрофизиком, нужны годы наблюдений, тренировки и работы. Однако вы можете начать прямо со школы. Вступите в астрономический клуб, принимайте участие в локальных астрономических мероприятиях, изучите бесплатные онлайн-курсы по астрономии и астрофизике, интересуйтесь новостями этой области, например на сайте Space.com.
Студентам же стоит быть нацеленными на защиту докторской в области астрофизики, так как единственная профессия, связанная с астрофизикой - учёный. Астрофизики могут работать на правительство, университетские лаборатории и реже на частные организации.
Сайт study.com предлагает следующие шаги, которые помогут вам стать астрофизиком:
1) В старшей школе выходите за рамки программы и посещайте любые научные занятия по естественным наукам.
Широкий кругозор окупится сполна, зачастую, астрономы и астрофизики используют знания биологии, химии и других наук для лучшего понимания феноменов вселенной. Старайтесь найти работу на лето или стажировку связанную с математикой или наукой. Даже работа волонтером поможет вам открыть графу "Опыт работы" в резюме.
2) Получите степень бакалавра в области математики или науки.
Хотя степень бакалавра астрофизики идеальна, есть много других путей в эту область. Например специальность в области информатики или аналитики пригодится при анализе огромного количества данных, которыми оперируют астрофизики. Лучше всего обсудить выбор специальности с научным сотрудником университета, в который вы будете поступать.
3) Не упускайте возможность поучаствовать в исследованиях
Многие университеты имеют лаборатории, где студенты участвуют в исследованиях. При наличии результатов эти исследования могут быть опубликованы, а это очередной плюс в резюме. Так же агентства, например НАСА или ЕКА, периодически открывают вакансии стажеров.
4) Защитите докторскую по астрофизике.
Получение докторской степени - долгий процесс, однако Бюро трудовой статистики США указывает на то, что большинство астрофизиков имеют докторскую степень. Убедитесь, что прошли курсы астрономии, информатики, математики, физики и статистики. Широкая база знаний - залог успеха.
Наталья Хинкель, в 2015ом работавшая в Университете штата Аризона, дала большое интервью Лайфхакеру, где рассказала о своём пути молодого исследователя в этой области. Описала годы, которые вкладывала в исследования, частые смены мест работы и т.д. Также она поделилась интересным инсайтом о том, чем она на самом деле занимается каждый день. В действительности она проводит у телескопа только малую долю своего рабочего времени.
"Большую часть своего времени я программирую. Почему то большинство людей считает, что астрономы постоянно наблюдают в телескопы, однако это только малая часть работы. Я провожу некоторые наблюдения, однако, за последние несколько лет, я проводила непосредственные наблюдения дважды, суммарно около двух недель." сказала она в интервью.
"Как только вы получили данные, их необходимо обработать( отсеять поврежденные части, пропустив только настоящую информацию), совместить их с данными из других источников, чтобы увидеть картину целиком. Затем написать статью об этих изысканиях. Так как каждое проведенное наблюдение записывает данные множества звёзд, вам не нужно тратить всё ваше время у телескопа, чтобы иметь достаточно работы."
Оригинальная статья
П.П.: Конструктивной критике, любым замечаниям и пожеланиям буду рад в комментариях