אסטרופיזיקה

‏NGC 4414, גלקסיה ספירלית טיפוסית בקבוצה שערות ברניקי, היא בעלת קוטר של כ-56,000 שנות אור ונמצאת במרחק של כ-60 מיליון שנות אור מאיתנו

אסטרופיזיקהיוונית: אסטרון - כוכב) היא ענף של האסטרונומיה העוסק בפיזיקה של היקום, ובפרט בתכונותיהם הפיזיות (בהירות, צפיפות, טמפרטורה, הרכב כימי) של עצמים אסטרונומיים כגון כוכבים, גלקסיות, חורים שחורים והחומר הבין-כוכבי, ובפעולות הגומלין ביניהם. קוסמולוגיה הוא ענף באסטרופיזיקה, העוסק בתאוריות בקנה המידה הגדול ביותר, בו תורת היחסות הכללית של אלברט איינשטיין מהווה מרכיב מרכזי.

אסטרופיזיקה היא תחום רחב מאוד ובמסגרתה נעשה שימוש בתורות פיזיקליות רבות, כגון מכניקה, אלקטרומגנטיות, מכניקה סטטיסטית, תרמודינמיקה, מכניקה קוונטית, יחסות, פיזיקה מולקולרית, פיזיקה גרעינית ופיזיקת חלקיקים.

סיווג שמה של המחלקה הרלוונטית באוניברסיטה ("אסטרופיזיקה" למול "אסטרונומיה") נובע לעתים קרובות מההיסטוריה של המחלקה ופחות מנושאי הלימוד והמחקר. לדוגמה, בפקולטה למדעים מדויקים של אוניברסיטת תל אביב פועל "בית הספר לפיזיקה ואסטרונומיה" ובמסגרתו עוסקים החוקרים הן באסטרופיזיקה תאורטית והן בתצפיות אסטרונומיות.

היסטוריה

בני אדם עסקו באסטרונומיה לכל אורך ההיסטוריה המתועדת, ולמרות זאת לאורך תקופה ארוכה היא נחשבה לענף נפרד ממדע הפיזיקה. בראיית העולם האריסטוטלית, השמימי שויך לשלמות - גופים ברקיע נדמו להיות כדורים מושלמים הנעים במסלולים מעגליים מושלמים - בזמן שהארצי נדמה מועד לחוסר שלמות; שתי הממלכות הללו נראו כלא קשורות זו לזו.

אריסטרכוס מסמוס (סביבות 310-250 לפני הספירה) היה הראשון לטעון שאת תנועת גרמי השמים ניתן להסביר על ידי מודל בו כוכבי הלכת במערכת השמש סובבים סביב השמש. בעולם הגאוצנטרי של אותם ימים, התאוריה ההליוצנטרית של אריסטרכוס נחשבה לכופרת במוסכמות, ולמשך מאות שנים ההשקפה לפיה כל גרמי השמיים סובבים סביב כדור הארץ, נותרה ללא עוררין. במאה ה-16 חידש את התאוריה האסטרונום ניקולאוס קופרניקוס, וב-1609 גילה גלילאו גליליי את ארבעת הירחים הבהירים ביותר של צדק ותיעד את מסלוליהם סביב כוכב הלכת, אשר סתרו את מערכת האמונות הגאוצנטרית של הכנסייה הקתולית באותם ימים. כדי להתחמק מעונש חמור נאלץ גלילאו להצהיר שעבודתו היא מתמטיקה מופשטת, ולא יכולה להיחשב כפילוסופיה של הטבע (שם נרדף לפיזיקה), כלומר, אינה מעשית.

הזמינות של מידע תצפיתי מדויק (בעיקר מתצפיותיו של טיכו ברהה) הובילה לניסיונות למצוא תאוריה שתסביר את התצפיות. בתחילה, נתגלו רק חוקים ניסיוניים, כגון חוקי קפלר של תנועת כוכבי הלכת שנוסחו בתחילת המאה ה-17. מאוחר יותר באותה מאה שילב אייזק ניוטון בין חוקי קפלר לחוקי הדינמיקה של גלילאו, כאשר גילה כי אותם חוקים השולטים בתנועה על פני כדור הארץ, שולטים גם בתנועתם של גרמי השמים - כוכבי הלכת והירח. המכניקה השמימית היא השימוש בחוקי הכבידה וחוקי ניוטון להסברת חוקי קפלר והייתה האיחוד הראשון של ענפי האסטרונומיה והפיזיקה.

פרסום ספרו של ניוטון, היסודות המתמטיים של פילוסופיית הטבע, שינה את הניווט הימי מן הקצה אל הקצה. החל מ-1670, נמדד העולם כולו בציוד מדידה מודרני ובשעונים המדויקים ביותר שהיו בנמצא. הצורך בניווט מדויק הוביל לשיפור גדל והולך ברמת הדיוק של התצפיות האסטרונומיות מחד ושל כלי התצפית מאידך, ושיפור זה בתורו הניב כמות גדולה של מידע שהיה זמין למדענים.

בשלהי המאה ה-19 נתגלה שכאשר קרני אור מהשמש נשברות, ניתן להבחין במספר רב של קווי ספקטרום - אזורים בקשת הצבעים שבהם יש מעט אור או אין בכלל. ניסויים בגזים חמים הראו שאותם קווים מופיעים בספקטרום של גזים, וכל תבנית מתאימה ליסוד כימי ייחודי. בצורה זו הוכח שהיסודות הכימיים מהם מורכבת השמש (בעיקר מימן) הם כאלה שנמצאים גם על כדור הארץ. למעשה, היסוד הליום נתגלה לראשונה בספקטרום של השמש ורק לאחר מכן על כדור הארץ, ומכך נגזר שמו (הליו ביוונית - שמש). במהלך המאה ה-20, השתפר מדע הספקטרוסקופיה (חקירת קווי הספקטרום), בעיקר בעקבות התגבשותה של מכניקת הקוונטים, שהייתה נחוצה להבנת התצפיות האסטרונומיות והניסיוניות.