Теоретическая астрономия - Theoretical astronomy

Теоретическая астрономия - это использование аналитических и вычислительных моделей, основанных на принципах физики и химии, для описания и объяснения астрономических объектов и астрономических явлений . Теоретики астрономии стремятся создавать теоретические модели и на основе результатов предсказывать наблюдательные последствия этих моделей. Наблюдение за явлением, предсказываемым моделью, позволяет астрономам выбирать между несколькими альтернативными или противоречащими друг другу моделями как наиболее подходящими для описания явления.

Птолемей «s Альмагест , хотя блестящий трактат по теоретической астрономии в сочетании с практическим руководством для вычислений, тем не менее , включает в себя многие компромиссы , чтобы примирить несогласованные наблюдения. Считается, что современная теоретическая астрономия началась с работ Иоганна Кеплера (1571–1630), особенно с законов Кеплера . История описательных и теоретических аспектов Солнечной системы в основном охватывает период с конца шестнадцатого века до конца девятнадцатого века.

Теоретическая астрономия основана на работе наблюдательной астрономии , астрометрии , астрохимии и астрофизики . Астрономия рано начала применять вычислительные методы для моделирования звездных и галактических образований и небесной механики. С точки зрения теоретической астрономии математическое выражение должно быть не только достаточно точным, но и предпочтительно существовать в форме, пригодной для дальнейшего математического анализа при использовании в конкретных задачах. Большая часть теоретической астрономии использует ньютоновскую теорию гравитации , учитывая, что эффекты общей теории относительности слабы для большинства небесных объектов. Теоретическая астрономия не пытается предсказать положение, размер и температуру каждого объекта во Вселенной , но в целом сосредоточена на анализе очевидно сложных, но периодических движений небесных объектов.

Объединение астрономии и физики

«Вопреки мнению лабораторных физиков, астрономия внесла свой вклад в рост нашего понимания физики». Физика помогла в объяснении астрономических явлений, а астрономия помогла в выяснении физических явлений:

  1. открытие закона всемирного тяготения пришло из информации, предоставленной движением Луны и планет,
  2. жизнеспособность ядерного синтеза, продемонстрированная на Солнце и звездах, еще предстоит воспроизвести на Земле в контролируемой форме.

Интеграция астрономии с физикой предполагает:

Физическое взаимодействие Астрономические явления
Электромагнетизм : наблюдение с использованием электромагнитного спектра
излучение черного тела звездное излучение
синхротронное излучение радио и рентгеновские источники
обратное комптоновское рассеяние астрономические источники рентгеновского излучения
ускорение заряженных частиц пульсары и космические лучи
поглощение / рассеяние межзвездная пыль
Сильное и слабое взаимодействие : нуклеосинтез в звездах
космические лучи
сверхновые
первозданная вселенная
Гравитация : движение планет , спутников и двойных звезд , звездная структура и эволюция, движения N-тел в скоплениях звезд и галактик , черные дыры и расширяющаяся Вселенная .

Цель астрономии - понять физику и химию из лаборатории, которая стоит за космическими событиями, чтобы обогатить наше понимание космоса и этих наук.

Объединение астрономии и химии

Астрохимия , пересечение дисциплин астрономии и химии , изучает количество и реакции химических элементов и молекул в космосе, а также их взаимодействие с излучением. Образование, атомный и химический состав, эволюция и судьба облаков молекулярного газа представляют особый интерес, поскольку именно из этих облаков образуются солнечные системы.

Инфракрасная астрономия, например, выявила, что межзвездная среда содержит набор сложных газофазных углеродных соединений, называемых ароматическими углеводородами, часто сокращенно ( ПАУ или ПАУ). Эти молекулы, состоящие в основном из конденсированных колец углерода (нейтрального или в ионизированном состоянии), считаются наиболее распространенным классом углеродных соединений в галактике. Они также являются наиболее распространенным классом молекул углерода в метеоритах, кометной и астероидной пыли ( космической пыли ). Эти соединения, а также аминокислоты, азотистые основания и многие другие соединения в метеоритах несут дейтерий ( 2 H) и изотопы углерода, азота и кислорода, которые очень редки на Земле, что свидетельствует об их внеземном происхождении. Считается, что ПАУ образуются в горячих околозвездных средах (вокруг умирающих богатых углеродом красных гигантов ).

Редкость межзвездного и межпланетного пространства приводит к некоторому необычному химическому составу, поскольку запрещенные по симметрии реакции могут происходить только в самых длительных временных масштабах. По этой причине молекулы и молекулярные ионы, которые нестабильны на Земле, могут быть в большом количестве в космосе, например ион H 3 + . Астрохимия пересекается с астрофизикой и ядерной физикой в характеристике ядерных реакций, происходящих в звездах, их последствий для звездной эволюции , а также звездных «поколений». Действительно, ядерные реакции в звездах производят все встречающиеся в природе химические элементы . По мере продвижения звездных «поколений» масса новообразованных элементов увеличивается. Звезда первого поколения использует элементарный водород (H) в качестве источника топлива и производит гелий (He). Водород является наиболее распространенным элементом, и он является основным строительным блоком для всех других элементов, поскольку его ядро ​​имеет только один протон . Гравитационное притяжение к центру звезды создает огромное количество тепла и давления, которые вызывают ядерный синтез . В процессе слияния ядерных масс образуются более тяжелые элементы. Литий , углерод , азот и кислород являются примерами элементов, образующихся при синтезе звезд. После многих звездных поколений образуются очень тяжелые элементы (например, железо и свинец ).

Инструменты теоретической астрономии

Астрономы-теоретики используют широкий спектр инструментов, включая аналитические модели (например, политропы для аппроксимации поведения звезды ) и вычислительное численное моделирование . У каждого есть свои преимущества. Аналитические модели процесса обычно лучше подходят для понимания сути происходящего. Численные модели могут выявить существование явлений и эффектов, которые в противном случае были бы невидимы.

Теоретики астрономии стремятся создать теоретические модели и выяснить последствия этих моделей для наблюдений. Это помогает наблюдателям искать данные, которые могут опровергнуть модель или помочь выбрать между несколькими альтернативными или конфликтующими моделями.

Теоретики также пытаются создавать или модифицировать модели, чтобы учесть новые данные. В соответствии с общенаучным подходом, в случае несоответствия, общая тенденция состоит в том, чтобы попытаться внести минимальные изменения в модель, чтобы она соответствовала данным. В некоторых случаях большой объем противоречивых данных с течением времени может привести к полному отказу от модели.

Темы теоретической астрономии

Темы, изучаемые астрономами-теоретиками, включают:

  1. звездная динамика и эволюция ;
  2. формирование галактики ;
  3. крупномасштабная структура из материи в Вселенной ;
  4. происхождение космических лучей ;
  5. общая теория относительности и физическая космология , включая космологию струн и физику астрономических частиц .

Астрофизическая теория относительности служит инструментом для оценки свойств крупномасштабных структур, для которых гравитация играет значительную роль в исследуемых физических явлениях, а также в качестве основы для физики черных дыр (астро) и изучения гравитационных волн .

Астрономические модели

Некоторые широко принятые и изучаемые теории и модели в астрономии, которые теперь включены в модель Lambda-CDM, включают Большой взрыв , космическую инфляцию , темную материю и фундаментальные теории физики .

Несколько примеров этого процесса:

Физический процесс Экспериментальный инструмент Теоретическая модель Объясняет / предсказывает
Гравитация Радиотелескопы Самогравитирующая система Возникновение звездной системы
Термоядерная реакция Спектроскопия Звездная эволюция Как сияют звезды и как образовывались металлы
Большой взрыв Космический телескоп Хаббла , COBE Расширяющаяся вселенная Возраст Вселенной
Квантовые флуктуации Космическая инфляция Проблема плоскостности
Гравитационный коллапс Рентгеновская астрономия Общая теория относительности Черные дыры в центре галактики Андромеды
Цикл CNO в звездах

Ведущие темы теоретической астрономии

Темная материя и темная энергия в настоящее время являются ведущими темами в астрономии, поскольку их открытие и споры возникли во время изучения галактик.

Теоретическая астрофизика

Из тем, рассматриваемых с помощью инструментов теоретической физики, особое внимание часто уделяется звездным фотосферам, звездным атмосферам, солнечной атмосфере, планетным атмосферам, газовым туманностям, нестационарным звездам и межзвездной среде. Особое внимание уделяется внутреннему строению звезд.

Принцип слабой эквивалентности

Наблюдение нейтринной вспышки в течение 3 часов после связанной с ней оптической вспышки от сверхновой 1987A в Большом Магеллановом Облаке (БМО) дало астрофизикам-теоретикам возможность проверить, что нейтрино и фотоны следуют по одним и тем же траекториям в гравитационном поле галактики.

Термодинамика стационарных черных дыр

Общий вид первого закона термодинамики для неподвижных черных дыр может быть получен из микроканонического функционального интеграла для гравитационного поля. Граничные данные

  1. гравитационное поле, описанное микроканонической системой в пространственно конечной области, и
  2. плотность состояний, выраженная формально как функциональный интеграл по лоренцевой метрике и как функционал от геометрических граничных данных, зафиксированных в соответствующем действии,

- термодинамические экстенсивные переменные, включая энергию и угловой момент системы. Для более простого случая нерелятивистской механики, который часто наблюдается в астрофизических явлениях, связанных с горизонтом событий черной дыры, плотность состояний может быть выражена как функциональный интеграл в реальном времени и впоследствии использована для вывода функционального интеграла мнимого времени Фейнмана для канонического функция распределения.

Теоретическая астрохимия

Уравнения реакций и большие реакционные сети - важный инструмент в теоретической астрохимии, особенно применительно к химии газовых зерен межзвездной среды. Теоретическая астрохимия предлагает возможность наложить ограничения на инвентарь органических веществ для экзогенной доставки на раннюю Землю.

Межзвездная органика

«Важной целью теоретической астрохимии является выяснение того, какие органические вещества имеют истинное межзвездное происхождение, а также выявление возможных межзвездных предшественников и путей реакций для тех молекул, которые являются результатом водных изменений». Один из способов достижения этой цели - изучение углеродистого материала, обнаруженного в некоторых метеоритах. Углеродистые хондриты (такие как C1 и C2) включают органические соединения, такие как амины и амиды; спирты, альдегиды и кетоны; алифатические и ароматические углеводороды; сульфоновая и фосфоновая кислоты; амино, гидроксикарбоновые и карбоновые кислоты; пурины и пиримидины; и материал типа керогена . Органические запасы примитивных метеоритов показывают большое и переменное обогащение дейтерием, углеродом-13 ( 13 C) и азотом-15 ( 15 N), что свидетельствует об их сохранении межзвездного наследия.

Химия в кометных комах

Химический состав комет должен отражать как условия во внешней солнечной туманности около 4,5 × 10 9 эр, так и природу натального межзвездного облака, из которого образовалась Солнечная система . В то время как кометы сохраняют четкие признаки своего межзвездного происхождения, значительная обработка должна была произойти в протосолнечной туманности. Ранние модели химии комы показали, что реакции могут происходить быстро во внутренней коме, где наиболее важными реакциями являются реакции переноса протона. Такие реакции потенциально могут циркулировать дейтерий между различными молекулами комы, изменяя начальные отношения D / H, высвобождаемые из ядерного льда, и требуя построения точных моделей химического состава кометного дейтерия, так что наблюдения газовой комы могут быть безопасно экстраполированы, чтобы дать ядерные отношения D / H.

Теоретическая химическая астрономия

Хотя границы концептуального понимания между теоретической астрохимией и теоретической химической астрономией часто становятся размытыми, так что цели и инструменты совпадают, между этими двумя науками есть тонкие различия. Теоретическая химия в применении к астрономии стремится найти новые способы наблюдения химических веществ, например, в небесных объектах. Это часто приводит к тому, что теоретическая астрохимия вынуждена искать новые способы описания или объяснения тех же наблюдений.

Астрономическая спектроскопия

Новая эра химической астрономии должна была ждать ясного изложения химических принципов спектроскопии и применимой теории.

Химия конденсации пыли

Радиоактивность сверхновой доминирует над кривыми блеска, а в химии конденсации пыли также преобладает радиоактивность. Пыль обычно представляет собой углерод или оксиды, в зависимости от того, что больше, но комптоновские электроны диссоциируют молекулу CO примерно за один месяц. Новая химическая астрономия твердых тел сверхновых зависит от радиоактивности сверхновой:

  1. радиогенез 44 Ca из распада 44 Ti после конденсации углерода устанавливает их источник сверхновой,
  2. их непрозрачность достаточна для смещения эмиссионных линий в голубую сторону через 500 дней и излучает значительную инфракрасную яркость,
  3. параллельные кинетические скорости определяют следовые изотопы в графитах метеоритных сверхновых,
  4. химия скорее кинетическая, чем обусловленная тепловым равновесием и
  5. становится возможным благодаря радиоактивной дезактивации ловушки CO для углерода.

Теоретическая физическая астрономия

Как и в теоретической химической астрономии, границы концептуального понимания между теоретической астрофизикой и теоретической физической астрономией часто размыты, но, опять же, между этими двумя науками есть тонкие различия. Теоретическая физика в применении к астрономии стремится найти новые способы наблюдения физических явлений в небесных объектах и, например, что искать. Это часто приводит к тому, что теоретической астрофизике приходится искать новые способы описания или объяснения тех же наблюдений, с надеждой, что их сближение улучшит наше понимание локальной среды Земли и физической Вселенной .

Слабое взаимодействие и двойной бета-распад ядра

Ядерные матричные элементы соответствующих операторов, извлеченные из данных и из оболочечной модели и теоретических приближений как для двухнейтринного, так и для безнейтринного режима распада, используются для объяснения аспектов слабого взаимодействия и ядерной структуры двойного бета-распада ядра.

Изотопы, богатые нейтронами

Новые богатые нейтронами изотопы, 34 Ne, 37 Na и 43 Si, были получены впервые, и были получены убедительные доказательства нестабильности частиц трех других: 33 Ne, 36 Na и 39 Mg. Эти экспериментальные результаты сопоставимы с недавними теоретическими предсказаниями.

Теория астрономического отсчета времени

До недавнего времени все единицы времени, которые кажутся нам естественными, были вызваны астрономическими явлениями:

  1. Орбита Земли вокруг Солнца => год и времена года,
  2. Луна Орбита «s вокруг Земли => месяц,
  3. Вращение Земли и смена яркости и тьмы => день (и ночь).

Высокая точность оказывается проблематичной:

  1. неясности возникают в точном определении вращения или вращения,
  2. некоторые астрономические процессы неравномерны и нерегулярны, например несоизмеримость года, месяца и дня,
  3. для решения первых двух задач существует множество временных шкал и календарей.

Некоторые из этих стандартных шкал времени - звездное время , солнечное время и всемирное время .

Атомное время

Историческая точность атомных часов от NIST .

Из Международной системы (SI) идет второй, определяемый длительностью 9 192 631 770 циклов конкретного перехода сверхтонкой структуры в основное состояние цезия-133 ( 133 Cs). Для практического использования требуется устройство, которое пытается производить секунды СИ, например атомные часы . Но не все такие часы согласны. Средневзвешенное значение многих часов, распределенных по всей Земле, определяет Temps Atomique International ; т.е. атомное время TAI. Согласно общей теории относительности, измеренное время зависит от высоты на Земле и пространственной скорости часов, так что TAI относится к месту на уровне моря, которое вращается вместе с Землей.

Эфемеридное время

Поскольку вращение Земли нерегулярно, любая шкала времени, полученная на ее основе, например, среднее время по Гринвичу, приводила к повторяющимся проблемам при прогнозировании эфемерид для положений Луны , Солнца , планет и их естественных спутников . В 1976 году Международный астрономический союз (МАС) постановил, что теоретическая основа для эфемеридного времени (ET) была полностью нерелятивистской, и поэтому, начиная с 1984 года, эфемеридное время будет заменено двумя дополнительными временными шкалами с учетом релятивистских поправок. Их имена, присвоенные в 1979 году, подчеркивали их динамическую природу или происхождение, барицентрическое динамическое время (TDB) и земное динамическое время (TDT). Оба были определены для преемственности с ET и основывались на том, что стало стандартной секундой SI, которая, в свою очередь, была получена из измеренной секунды ET.

В период 1991–2006 годов шкалы времени TDB и TDT были пересмотрены и заменены из-за трудностей или несоответствий в их первоначальных определениях. Текущими фундаментальными релятивистскими временными шкалами являются геоцентрическое координатное время (TCG) и барицентрическое координатное время (TCB). У обоих из них есть скорости, которые основаны на секунде СИ в соответствующих системах отсчета (и гипотетически за пределами соответствующей гравитационной скважины), но из-за релятивистских эффектов их скорости будут казаться немного выше при наблюдении на поверхности Земли и, следовательно, расходятся с местными. Земные шкалы времени с использованием секунды СИ на поверхности Земли.

Определенные в настоящее время временные шкалы IAU также включают в себя наземное время (TT) (заменяющее TDT и теперь определяемое как изменение масштаба TCG, выбранное для придания TT ​​скорости, которая соответствует секунде SI при наблюдении на поверхности Земли), и переопределенное Барицентрическое динамическое время (TDB), изменение масштаба TCB, чтобы дать TDB скорость, которая соответствует секунде SI на поверхности Земли.

Внеземное измерение времени

Звездная динамическая шкала времени

Для звезды динамический масштаб времени определяется как время, которое потребовалось бы для того, чтобы пробная частица, выпущенная на поверхность, упала под потенциалом звезды к центральной точке, если бы силы давления были незначительны. Другими словами, динамическая шкала времени измеряет количество времени, которое потребуется определенной звезде, чтобы схлопнуться в отсутствие какого-либо внутреннего давления . Соответствующим образом манипулируя уравнениями звездной структуры, можно найти

где R - радиус звезды, G - гравитационная постоянная , M - масса звезды, а v - космическая скорость . Например, динамическая шкала времени Солнца составляет приблизительно 1133 секунды. Обратите внимание, что реальное время, которое потребуется такой звезде, как Солнце, для коллапса, больше из-за наличия внутреннего давления.

«Основная» колебательная мода звезды будет примерно в динамическом масштабе времени. Колебания на этой частоте видны в переменных цефеид .

Теория астрономической навигации

На земле

Основные характеристики прикладной астрономической навигации:

  1. можно использовать во всех областях плавания вокруг земли,
  2. применяется автономно (не зависит от других - людей или состояний) и пассивно (не излучает энергию),
  3. условное использование через оптическую видимость (горизонт и небесные тела) или состояние облачности,
  4. точное измерение, секстант 0,1 ', высота и положение от 1,5' до 3,0 '.
  5. временное определение занимает пару минут (на самом современном оборудовании) и ≤ 30 мин (на классическом оборудовании).

Превосходство спутниковых навигационных систем над астрономической навигацией в настоящее время неоспоримо, особенно с развитием и использованием GPS / NAVSTAR. Эта глобальная спутниковая система

  1. позволяет в любой момент автоматизировать трехмерное позиционирование,
  2. автоматически определяет положение непрерывно (каждую секунду или даже чаще),
  3. определяет положение независимо от погодных условий (видимость и облачность),
  4. определяет местоположение в реальном времени с точностью до нескольких метров (две несущие частоты) и 100 м (скромные коммерческие приемники), что на два-три порядка лучше, чем при астрономических наблюдениях,
  5. просто даже без специальных знаний,
  6. относительно дешево, сравнимо с оборудованием для астрономической навигации, и
  7. позволяет встраиваться в интегрированные и автоматизированные системы управления и управления судном. Использование астрономической или астрономической навигации исчезает с поверхности и под или над поверхностью земли.

Геодезическая астрономия - это применение астрономических методов в сетях и технических проектах геодезии для

Астрономические алгоритмы - это алгоритмы, используемые для вычисления эфемерид , календарей и положений (например, в астрономической или спутниковой навигации ).

Во многих астрономических и навигационных вычислениях изображение Земли используется как поверхность, представляющая Землю.

Международная служба вращения Земли (IERS), бывшее Международные службы вращения Земли, является органом , ответственным за поддержание глобального времени и опорный кадр , стандартов, в частности , через ее земную ориентацию параметров (ЭОП) и Международная небесную система координат (ICRS) групп .

Глубокое пространство

Deep Space Network , или DSN , является международной сетью больших антенн и средств связи , которые поддерживают межпланетную космические аппараты миссии и радио и радиолокационную астрономию наблюдение для исследования в Солнечной системе и Вселенной . Сеть также поддерживает отдельные полеты на околоземную орбиту. DSN является частью Лаборатории реактивного движения НАСА (JPL).

На борту исследовательского корабля

Наблюдатель становится исследователем дальнего космоса после ухода с орбиты Земли. В то время как сеть дальнего космоса поддерживает связь и позволяет загружать данные с исследовательского судна, любое локальное зондирование, выполняемое датчиками или активными системами на борту, обычно требует астрономической навигации, поскольку окружающая сеть спутников для обеспечения точного позиционирования отсутствует.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки