АСТРОФИЗИКА
АСТРОФИЗИКА, раздел астрономии, изучающий физические свойства небесных тел и протекающие в них и в космическом пространстве процессы. Широкое использование в астрономии открытых в земных условиях физических законов и методов исследования началось со спектрального анализа. Этот метод оказался настолько эффективным, что стал одним из важнейших методов астрономии. Спектральный анализ излучения удалённых космических объектов дал возможность определить их плотность, температуру, химический состав, характер и скорости внутренних движений и даже присутствие в них электрических и магнитных полей. Несмотря на эти огромные достижения, классическая астрофизика, основанная на спектральном анализе оптического излучения, была существенно ограничена. Излучение в оптическом диапазоне составляет лишь очень малую часть достигающего Земли спектра электромагнитного излучения. Более того, области, в которых формируется оптическое излучение, обладают, как правило, большой плотностью, и в них быстро устанавливается термодинамическое равновесие. Поэтому в результате спектральных исследований в оптическом диапазоне сформировалась картина мира, в которой главенствовали гравитационные силы и равновесные тепловые процессы, а главной задачей представлялось определение механических и термодинамических параметров тех или иных объектов. Так продолжалось почти до сер. 20 в., когда первый серьёзный удар по этим представлениям нанесла начавшая интенсивно развиваться радиоастрономия. Правда, ещё задолго до этого выяснилось, что источником энергии звёзд является термоядерные реакции, а представление о термоядерном синтезе возникло именно в астрофизике. На существование неравновесных процессов во Вселенной указывали также космические лучи - частицы очень высокой энергии (распределение частиц космических лучей по энергиям резко отличается от равновесного (см. Больцмана распределение). Радиоастрономические наблюдения выявили в Галактике космические радиоисточники, в которых эффективная температура достигает столь высоких значений (~1015 К), что считать это излучение излучением находящегося в тепловом равновесии газа нельзя. Исследования спектров радиоизлучения таких источников действительно установили их нетепловую природу. В частности, были обнаружены космические мазеры - источники мощного когерентного радиоизлучения в отдельных линиях молекул межзвёздного газа (см. Мазер). Таким образом, во Вселенной были обнаружены интенсивные нетепловые процессы, связанные с ускорением электронов до очень высоких, ультрарелятивистских энергий. Синхротронное излучение таких электронов преимущественно наблюдается в радиодиапазоне. Процесс ускорения частиц связан, по-видимому, со взрывами звёзд - появлением т. н. сверхновых звёзд, которые рассматриваются как основной источник космических лучей в Галактике. Сходные процессы протекают также в массивных ядрах галактик. В этой связи важное значение в астрофизике приобрели исследования эволюции и равновесия больших газовых масс, а также звёзд с учётом закономерностей физики элементарных частиц и ядерной физики. В частности, очень важной оказалась роль нейтрино в переносе энергии в звёздах и соотв. в динамике звёздных взрывов и гравитационных коллапсов. Стало необходимым учитывать эффекты общей теории относительности (особенно для нейтронных звёзд и чёрных дыр), а также эффекты квантовой теории поля, ведущие к рождению частиц в очень сильных гравитационных полях (к «испарению» чёрных дыр). Исключительно интересным астрофизическими объектом оказались пульсары - открытые в 1967 источники импульсного радиоизлучения. С обнаружением пульсаров - звёзд с плотностью вещества, близкой к ядерной (~1014 г/см3), нейтронные звёзды перестали быть объектом лишь теоретических исследований. Высокая стабильность периода между импульсами у пульсаров позволила исследовать эффект запаздывания прихода радиоимпульсов на разных частотах и установить плотность и температуру межзвёздного электронного газа, а также общую зависимость показателя преломления межзвёздной среды от частоты. Важнейшая роль нейтронных звёзд выявилась также при исследовании природы космического рентгеновского излучения. Были открыты импульсные источники рентгеновского излучения - рентгеновские барстеры, которые, согласно современным представлениям, обусловлены аккрецией вещества на нейтронную звезду в тесной двойной системе. В результате исследования космического синхротронного излучения, поляризации света звёзд, структуры межзвёздных туманностей, свойств космических лучей выяснилось, что Галактика пронизана магнитными полями достаточной силы, чтобы существенно влиять на динамику межзвёздного газа, формирование звёзд и распространение космических лучей. Более того, ускорение заряженных частиц, дающих нетепловое излучение, тесно связано с изменяющимися во времени полями. Поведение космической плазмы в магнитных полях звёзд и межзвёздной среды стало предметом изучения быстро развивающейся с середины 20 века космической электродинамики. Для Солнца электромагнитные процессы в плазме не только определяют структуру короны, форму протуберанцев, цикличность его активности, но и самые мощные нестационарные процессы в Солнечной системе - вспышки на Солнце. Эти вспышки являются пока единственным доступным для прямого изучения процессом генерации космических лучей во Вселенной (см. Космические лучи). Весьма вероятно, что этот процесс электромагнитного взрыва является лишь миниатюрной моделью мощных взрывных процессов во Вселенной, сопровождающихся генерацией частиц и излучений с неравновесным распределением по энергиям. Вывод современной астрофизики об огромной роли во Вселенной неравновесных нетепловых процессов с участием ускоренных частиц подтверждается данными быстро развивающихся рентгеновской астрономии и гамма-астрономии. Наконец, в современной астрофизике релятивистская теория тяготения используется не только для интерпретации объектов типа чёрных дыр и нейтронных звёзд, но и для описания эволюции Вселенной в целом. Тем самым космология получила надёжную основу в виде строгих физических законов. Важно подчеркнуть также, что именно благодаря астрофизике намного расширились границы применимости открытых на Земле физических законов, а сама физика получила новый импульс в связи с созданием новых методов исследования, таких, как детектирование космических (в т. ч. солнечных) нейтрино, радиолокация Луны, Солнца и планет, вынос приборов за пределы земной атмосферы и магнитосферы и посылка космических аппаратов к другим планетам. Таким образом, родилась новая астрофизика, которая, помимо классических гравитационных сил и процессов равновесного излучения, учитывает важную роль электромагнитных, ядерных и слабых взаимодействий, использует практически все известные механизмы излучения электромагнитных волн и элементарных частиц, релятивистскую динамику и релятивистскую теорию тяготения, т. е. весь арсенал имеющихся физических знаний, включая физические теории поведения вещества в экстремальных состояниях.