КУРС ЗАГАЛЬНОЇ АСТРОНОМІЇ - С. М. АНДРІЄВСЬКИЙ 2007

Частина IV

ОСНОВИ ТЕОРЕТИЧНОЇ ТА ПРАКТИЧНОЇ АСТРОФІЗИКИ

Астрофізика — це розділ астрономії, який вивчає фізичну природу, хімічний склад, походження та еволюцію об'єктів Всесвіту. Становлення астрофізики як науки відноситься до середини XIX століття. Успіхи астрофізики значно зумовлені досягненнями у галузі астроспектроскопії — підрозділу астрофізики, предметом дослідження якого є спектри зір та інших небесних об'єктів. Отримання високоякісного спектрального матеріалу стало можливим завдяки впровадженню у практику наукових досліджень фотографічних, фотоелектричних та твердотільних приймачів випромінювання, яке надходить до спостерігача від певного світила (чи з певної ділянки неба).

Астрофізика поділяється на окремі підрозділи: фізику Сонця, фізику зір і зоряних атмосфер, фізику міжзоряного середовища, фізику планет, фізику метеорних явищ, фізику космічних променів, фізику газових туманностей, релятивістську астрофізику тощо. Наприклад, релятивістська астрофізика вивчає космічні об'єкти, для яких істотними є ефекти теорії відносності (вони стають помітними за великих швидкостей і сильних гравітаційних полів). Типовими об'єктами тут є білі карлики, нейтронні зорі, чорні діри, гравітаційні лінзи, Всесвіт у цілому.

Розділ 8

ЕЛЕМЕНТИ ТЕОРЕТИЧНОЇ АСТРОФІЗИКИ

8.1. Електромагнітне випромінювання

Усю інформацію про явища і процеси, що відбуваються у навколишньому Всесвіті, отримуємо шляхом реєстрації фотонів — елементарних частинок, які не мають маси спокою і рухаються зі швидкістю світла с = 300 000 км/с. У фотона найяскравіше виражена подвійність основних рис елементарних частинок: він поширюється як електромагнітна хвиля, але поглинається і випромінюється як окрема частинка. Кожен фотон несе певну порцію (квант) енергії ε = hv, де h — стала Планка, ν — частота електромагнітного коливання. При необхідності замість частоти використовують довжину хвилі λ = c/v. Дотепер в астрономії довжини хвиль видимого випромінювання, а також випромінювання на коротших хвилях вимірюють в ангстремах (1 А = 10-8 см = 10-10 м = 0,1 нм). Нагадаємо, що фотони, для яких довжина хвилі λ < 0,1 А (частота більша за 3·1019Гц), називаються гамма-квантами (γ-кванти). Випромінювання з довжиною хвилі від 0,1 до 100 А називається рентгенівським. Частота рентгенівського випромінювання знаходиться у діапазоні від 3·1019Гц до 3·1016Гц. Більш високочастотне випромінювання у цьому діапазоні називається жорстким, а менш високочастотне — м'яким рентгенівським випромінюванням. Діапазон спектру від 100 А до 3900 А (частоти від 3,0·1016 Гц до 7,7·1014Гц) припадає на ультрафіолетове випромінювання. Видиме світло — це випромінювання з довжинами хвиль від 3900 А до 7600 А (7,7·1014 — 3,9·1014Гц). Наступним є інфрачервоне випромінювання з довжиною хвилі в інтервалі λ = 7,6·103— 107 А (0,10 см), тобто від 3,9·1014Гц до 31011 Гц. Нарешті, радіохвилі з довжинами від 0,1 см до 1000 км і більше замикають спектральний діапазон електромагнітного випромінювання. Частота коливання для радіохвиль менша за 31011 Гц.

Як бачимо, світлове випромінювання, яке ми сприймаємо оком, займає лише незначну частину надзвичайно широкого діапазону електромагнітних

хвиль, що виникають в атмосферах зір і в міжзоряному середовищі. Земна атмосфера неоднаково поглинає хвилі різної довжини. Найбільшого поглинання зазнають гамма-, рентгенівські, ультрафіолетові й інфрачервоні промені, тому телескопи, що призначені для їх реєстрації, доцільно встановлювати на космічних апаратах. Лише у видимому та в радіодіапазоні електромагнітне випромінювання досить вільно проходить земну атмосферу і досягає її поверхні (рис. 8.1). Лінія на цьому рисунку дає уяву про ту мінімальну висоту в атмосфері Землі, до якої ще доходить випромінювання у відповідному спектральному діапазоні.

image1

Рис. 8.1. Проходження електромагнітних хвиль через земну атмосферу;

ордината кривої зображає висоту в атмосфері, до якої доходить випромінювання певної довжини хвилі

Залежно від того, в якому спектральному діапазоні досліджують небесні світила, розрізняють гамма-астрономію, рентгенівську астрономію, ультрафіолетову, оптичну, інфрачервону астрономію, радіоастрономію тощо.

Проведемо деякі нескладні обчислення. Експериментально встановлено, що від Сонця на кожен квадратний сантиметр земної поверхні, перпендикулярної до сонячних променів, за секунду надходить енергія 0,137 Дж (тобто q = 0,137 Вт/см2). Середня довжина хвилі цього випромінювання λ = 5000 А, середня частота V = 6 ·1014 Гц. Енергія одного «середнього» кванта ε =h V =6,63·10-34 Дж·с х 6·1014Гц = 4·10-19Дж. Таким чином, за одну секунду на згадану площу 1 см2 надходить від Сонця 0,139/4-1019 = 3-1017квантів.

Як відомо, потік енергії через вибрану площу змінюється обернено пропорційно квадрату відстані до джерела. Відстані до найближчих зір у 300 000 разів перевищують відстань до Сонця. Тому від близької зорі подібної до Сонця, до поверхні Землі находить всього 3· 106 фотон/(см2·с). Зі зростанням відстані їхня кількість зменшується. І, якщо від космічного об'єкта (далекої галактики) на 1 см2 надходить тільки один фотон за 103 с, то для вивчення такого об'єкта потрібен потужний телескоп з великою площею збираючої поверхні.

Кванти світла, що вловлюються спостерігачем за допомогою телескопів і реєструючих пристроїв, виникають в атмосферах небесних тіл чи в міжзоряному середовищі завдяки перебігу певних фізичних процесів. Відповідно до цього розрізняють випромінювання: теплове і нетеплове. Теплове випромінювання зумовлене процесами у газі, частинки якого перебувають у стані теплового руху, а їх швидкості визначаються формулою Максвелла (див. підрозділ 8.8). Прикладом нетеплового випромінювання є синхротронне випромінювання, що виникає під час руху релятивістських електронів у магнітному полі (підрозділ 8.10).






Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити

Віртуальна читальня освітніх матеріалів для студентів, вчителів, учнів та батьків.

Наш сайт не претендує на авторство розміщених матеріалів. Ми тільки конвертуємо у зручний формат матеріали з мережі Інтернет які знаходяться у відкритому доступі та надіслані нашими відвідувачами.

Всі матеріали на сайті доступні за ліцензією Creative Commons Attribution-Sharealike 3.0 Unported CC BY-SA 3.0 та GNU Free Documentation License (GFDL)

Якщо ви являєтесь володарем авторського права на будь-який розміщений у нас матеріал і маєте намір видалити його зверніться для узгодження до адміністратора сайту.

Дозволяється копіювати матеріали з обов'язковим гіпертекстовим посиланням на сайт, будьте вдячними ми приклали багато зусиль щоб привести інформацію у зручний вигляд.

© 2007-2019 Всі права на дизайн сайту належать С.Є.А.