Teoretisk astronomi - Theoretical astronomy

Teoretisk astronomi er bruk av analytiske og beregningsmodeller basert på prinsipper fra fysikk og kjemi for å beskrive og forklare astronomiske objekter og astronomiske fenomener . Teoretikere innen astronomi prøver å lage teoretiske modeller og forutse resultatene observasjonelle konsekvenser av disse modellene fra resultatene. Observasjonen av et fenomen forutsagt av en modell lar astronomer velge mellom flere alternative eller motstridende modeller som den som er best i stand til å beskrive fenomenene.

Ptolemaios 's Almagest , selv om den er en strålende avhandling om teoretisk astronomi kombinert med en praktisk håndbok for beregning, inneholder likevel mange kompromisser for å forene uoverensstemmende observasjoner. Moderne teoretisk astronomi antas vanligvis å ha begynt med arbeidet til Johannes Kepler (1571–1630), spesielt med Keplers lover . Historien om de beskrivende og teoretiske aspektene ved solsystemet strekker seg stort sett fra slutten av sekstende århundre til slutten av det nittende århundre.

Teoretisk astronomi er bygget på arbeidet med observasjonsastronomi , astrometri , astrokjemi og astrofysikk . Astronomi var tidlig ute med å bruke beregningsteknikker for å modellere stjerners og galaktisk formasjon og himmelsk mekanikk. Fra et teoretisk astronomis synspunkt må ikke bare det matematiske uttrykket være rimelig nøyaktig, men det bør fortrinnsvis eksistere i en form som er egnet for videre matematisk analyse når det brukes i spesifikke problemer. Det meste av teoretisk astronomi bruker Newtonsk gravitasjonsteori , med tanke på at effektene av generell relativitet er svake for de fleste himmelobjekter. Teoretisk astronomi prøver ikke å forutsi posisjon, størrelse og temperatur for hvert objekt i universet , men har stort sett konsentrert seg om å analysere de tilsynelatende komplekse, men periodiske bevegelsene til himmelobjekter.

Integrering av astronomi og fysikk

"I motsetning til den oppfatningen som vanligvis er av laboratoriefysikere, har astronomi bidratt til å øke vår forståelse av fysikk." Fysikk har hjulpet med å belyse astronomiske fenomener, og astronomi har hjulpet med å belyse fysiske fenomener:

oppdagelsen av gravitasjonsloven kom fra informasjonen fra månens bevegelse og planetene,
kjernefusjonens levedyktighet som demonstrert i solen og stjernene, og som fremdeles skal reproduseres på jorden i kontrollert form.

Å integrere astronomi med fysikk innebærer

Fysisk interaksjon	Astronomiske fenomener
Elektromagnetisme :	observasjon ved hjelp av det elektromagnetiske spekteret
svart kroppsstråling	stjernestråling
synkrotronstråling	radio- og røntgenkilder
invers-Compton-spredning	astronomiske røntgenkilder
akselerasjon av ladede partikler	pulsarer og kosmiske stråler
absorpsjon / spredning	interstellært støv
Sterk og svak interaksjon :	nukleosyntese i stjerner
	kosmiske stråler
	supernovaer
	urunivers
Tyngdekraften :	bevegelse av planeter , satellitter og binære stjerner , stjernestruktur og evolusjon, N-kroppsbevegelser i klynger av stjerner og galakser , sorte hull og det ekspanderende universet .

Målet med astronomi er å forstå fysikk og kjemi fra laboratoriet som ligger bak kosmiske hendelser for å berike vår forståelse av kosmos og disse vitenskapene også.

Integrering av astronomi og kjemi

Astrokjemi , overlappingen mellom disipliner i astronomi og kjemi , er studiet av overflod og reaksjoner av kjemiske elementer og molekyler i rommet, og deres interaksjon med stråling. Dannelse, atom og kjemisk sammensetning, evolusjon og skjebne til molekylære gassskyer er av spesiell interesse fordi det er fra disse skyene at solsystemer dannes.

Infrarød astronomi har for eksempel avslørt at det interstellare mediet inneholder en pakke med komplekse gassfase karbonforbindelser kalt aromatiske hydrokarboner, ofte forkortet ( PAH eller PAC). Disse molekylene består hovedsakelig av sammensmeltede karbonringer (enten nøytrale eller i en ionisert tilstand) sies å være den vanligste klassen av karbonforbindelser i galaksen. De er også den vanligste klassen av karbonmolekyler i meteoritter og i komet og asteroidalt støv ( kosmisk støv ). Disse forbindelsene, så vel som aminosyrene, nukleobasene og mange andre forbindelser i meteoritter, bærer deuterium ( ² H) og isotoper av karbon, nitrogen og oksygen som er svært sjeldne på jorden, og vitner om deres utenomjordiske opprinnelse. PAH -ene antas å dannes i varme, sirkelformede miljøer (rundt døende karbonrike røde kjempestjerner ).

Den sparsomme interstellare og interplanetariske plassen resulterer i noe uvanlig kjemi, siden symmetri-forbudte reaksjoner ikke kan forekomme unntatt på de lengste tidsskalaene. Av denne grunn kan molekyler og molekylære ioner som er ustabile på jorden være svært rikelig i rommet, for eksempel H ₃⁺ -ionen. Astrokjemi overlapper astrofysikk og kjernefysikk når det gjelder å karakterisere atomreaksjonene som oppstår i stjerner, konsekvensene for stjernens evolusjon , så vel som stjerners 'generasjoner'. Faktisk produserer atomreaksjonene i stjerner hvert naturlig kjemiske element . Etter hvert som stjernenes generasjoner går frem, øker massen av de nydannede elementene. En første generasjons stjerne bruker elementært hydrogen (H) som drivstoffkilde og produserer helium (He). Hydrogen er det mest forekommende elementet, og det er den grunnleggende byggesteinen for alle andre grunnstoffer ettersom kjernen bare har ett proton . Gravitasjonskraft mot midten av en stjerne skaper enorme mengder varme og trykk, som forårsaker kjernefusjon . Gjennom denne prosessen med sammenslåing av atommasse dannes tyngre grunnstoffer. Litium , karbon , nitrogen og oksygen er eksempler på elementer som dannes i stjernefusjon. Etter mange stjernegenerasjoner dannes veldig tunge grunnstoffer (f.eks. Jern og bly ).

Verktøy for teoretisk astronomi

Teoretiske astronomer bruker et bredt utvalg av verktøy som inkluderer analytiske modeller (for eksempel polytroper for å tilnærme atferden til en stjerne ) og beregningsmessige numeriske simuleringer . Hver har noen fordeler. Analytiske modeller av en prosess er generelt bedre for å gi innsikt i hjertet av det som skjer. Numeriske modeller kan avsløre eksistensen av fenomener og effekter som ellers ikke ville blitt sett.

Astronomiteoretikere prøver å lage teoretiske modeller og finne ut de observasjonelle konsekvensene av disse modellene. Dette hjelper observatører med å lete etter data som kan tilbakevise en modell eller hjelpe til med å velge mellom flere alternative eller motstridende modeller.

Teoretikere prøver også å generere eller modifisere modeller for å ta hensyn til nye data. I samsvar med den generelle vitenskapelige tilnærmingen, i tilfelle av inkonsekvens, er den generelle tendensen å prøve å gjøre minimale modifikasjoner av modellen for å passe til dataene. I noen tilfeller kan en stor mengde inkonsekvente data over tid føre til total oppgivelse av en modell.

Temaer om teoretisk astronomi

Temaer studert av teoretiske astronomer inkluderer:

stjernedynamikk og evolusjon ;
galakseformasjon ;
storskala struktur av materie i universet ;
opprinnelsen til kosmiske stråler ;
generell relativitet og fysisk kosmologi , inkludert strengkosmologi og astropartikkelfysikk .

Astrofysisk relativitet fungerer som et verktøy for å måle egenskapene til storskala strukturer som gravitasjon spiller en vesentlig rolle i fysiske fenomener som er undersøkt og som grunnlag for svart hull (astro) fysikk og studiet av gravitasjonsbølger .

Astronomiske modeller

Noen allment aksepterte og studerte teorier og modeller innen astronomi, som nå er inkludert i Lambda-CDM-modellen, er Big Bang , kosmisk inflasjon , mørk materie og grunnleggende fysikkteorier .

Noen få eksempler på denne prosessen:

Fysisk prosess	Eksperimentelt verktøy	Teoretisk modell	Forklarer/spår
Gravitasjon	Radioteleskoper	Selvgravitasjonssystem	Fremveksten av et stjernesystem
Kjernefysisk fusjon	Spektroskopi	Fantastisk evolusjon	Hvordan stjernene skinner og hvordan metaller dannes
Det store smellet	Hubble romteleskop , COBE	Utvidende univers	Universets alder
Kvantesvingninger		Kosmisk inflasjon	Flatness problem
Gravitasjonskollaps	Røntgen-astronomi	Generell relativitet	Svarte hull i sentrum av Andromeda Galaxy
CNO -syklus i stjerner

Ledende emner innen teoretisk astronomi

Mørk materie og mørk energi er de nåværende ledende temaene i astronomi, ettersom deres oppdagelse og kontrovers oppsto under studiet av galakser.

Teoretisk astrofysikk

Av temaene som ble benyttet med verktøyene for teoretisk fysikk, blir det ofte tatt hensyn til stjernefotosfærer, stjerneklimer, solatmosfæren, planetariske atmosfærer, gassformige stjernetåker, ikke -stasjonære stjerner og det interstellare mediet. Spesiell oppmerksomhet er gitt til stjernens indre struktur.

Svakt ekvivalensprinsipp

Observasjonen av et nøytrino -utbrudd innen 3 timer etter det tilhørende optiske utbruddet fra Supernova 1987A i den store magellanske skyen (LMC) ga teoretiske astrofysikere en mulighet til å teste at nøytrinoer og fotoner følger de samme banene i gravitasjonsfeltet i galaksen.

Termodynamikk for stasjonære sorte hull

En generell form for den første loven for termodynamikk for stasjonære sorte hull kan stammer fra det mikrokanoniske funksjonelle integralet for gravitasjonsfeltet. Grensedataene

gravitasjonsfeltet som beskrevet med et mikrokanonisk system i en romlig begrenset region og
tettheten av tilstander uttrykt formelt som en funksjonell integral over Lorentzian -beregninger og som en funksjonell av de geometriske grensedataene som er fikset i den tilsvarende handlingen,

er de termodynamiske omfattende variablene, inkludert energien og vinkelmomentet i systemet. For det enklere tilfellet av ikke-relativistisk mekanikk som ofte observeres i astrofysiske fenomener forbundet med et svart hulls hendelseshorisont, kan tettheten av tilstander uttrykkes som en sanntids funksjonell integral og deretter brukes til å utlede Feynmans imaginære tid funksjonelle integral for det kanoniske partisjonsfunksjon.

Teoretisk astrokjemi

Reaksjonsligninger og store reaksjonsnettverk er et viktig verktøy i teoretisk astrokjemi, spesielt når det brukes på gasskornkjemien til det interstellare mediet. Teoretisk astrokjemi gir utsiktene til å kunne sette begrensninger på inventaret av organisk materiale for eksogen levering til den tidlige jorden.

Interstellar organics

"Et viktig mål for teoretisk astrokjemi er å belyse hvilke organiske stoffer som har ekte interstellar opprinnelse, og å identifisere mulige interstellare forløpere og reaksjonsveier for de molekylene som er et resultat av vandige endringer." En av måtene dette målet kan oppnås på er gjennom studiet av karbonholdig materiale som finnes i noen meteoritter. Kullholdige kondritter (slik som C1 og C2) inkluderer organiske forbindelser som aminer og amider; alkoholer, aldehyder og ketoner; alifatiske og aromatiske hydrokarboner; sulfonsyrer og fosfonsyrer; amino, hydroksykarboksylsyre og karboksylsyrer; puriner og pyrimidiner; og materiale av kerogen -type. De organiske inventarene til primitive meteoritter viser store og variable anrikninger i deuterium, karbon-13 ( ¹³ C) og nitrogen-15 ( ¹⁵ N), noe som er et tegn på at de beholder en interstellar arv.

Kjemi i kometkoma

Den kjemiske sammensetningen av komet bør reflektere både forholdene i den ytre solskyen noen 4,5 x 10 ⁹ Ayr, og arten av den natal interstellar hvorfra Solar system ble dannet. Mens kometer beholder en sterk signatur på sin ultimate interstellare opprinnelse, må det ha skjedd betydelig prosessering i den protosolare tåken. Tidlige modeller for koma -kjemi viste at reaksjoner kan oppstå raskt i det indre koma, hvor de viktigste reaksjonene er protonoverføringsreaksjoner. Slike reaksjoner kan potensielt sykle deuterium mellom de forskjellige koma-molekylene, endre de første D/H-forholdene som frigjøres fra atomisen, og nødvendiggjøre konstruksjon av nøyaktige modeller for kometær deuteriumkjemi, slik at gassfase koma-observasjoner trygt kan ekstrapoleres for å gi kjernefysiske D/H -forhold.

Teoretisk kjemisk astronomi

Selv om grensene for begrepsforståelse mellom teoretisk astrokjemi og teoretisk kjemisk astronomi ofte blir uskarpe, slik at målene og verktøyene er de samme, er det subtile forskjeller mellom de to vitenskapene. Teoretisk kjemi anvendt på astronomi søker for eksempel å finne nye måter å observere kjemikalier på himmelobjekter. Dette fører ofte til at teoretisk astrokjemi må søke nye måter å beskrive eller forklare de samme observasjonene.

Astronomisk spektroskopi

Den nye epoken for kjemisk astronomi måtte vente på en klar uttalelse av de kjemiske prinsippene for spektroskopi og den gjeldende teorien.

Kjemi av støvkondens

Supernova radioaktivitet dominerer lyskurver og kjemien til støvkondensasjon domineres også av radioaktivitet. Støv er vanligvis enten karbon eller oksider, avhengig av hvilket som er mer rikelig, men Compton -elektroner dissosierer CO -molekylet på omtrent en måned. Den nye kjemiske astronomien til supernova -faste stoffer avhenger av supernova -radioaktiviteten:

radiogenesen av ⁴⁴ Ca fra ⁴⁴ Ti -forfall etter karbonkondensasjon etablerer deres supernova -kilde,
deres opacitet er tilstrekkelig til å skifte utslippslinjer blått etter 500 d og avgir betydelig infrarød lysstyrke,
parallelle kinetiske hastigheter bestemmer sporisotoper i meteorittiske supernova -grafitter,
kjemien er kinetisk snarere enn på grunn av termisk likevekt og
er muliggjort ved radiodeaktivering av CO -fellen for karbon.

Teoretisk fysisk astronomi

Som teoretisk kjemisk astronomi er linjene i begrepsforståelse mellom teoretisk astrofysikk og teoretisk fysisk astronomi ofte uskarpe, men igjen er det subtile forskjeller mellom disse to vitenskapene. Teoretisk fysikk anvendt på astronomi søker å finne nye måter å observere fysiske fenomener på himmelske objekter og hva du skal se etter, for eksempel. Dette fører ofte til at teoretisk astrofysikk må søke nye måter å beskrive eller forklare de samme observasjonene, med forhåpentligvis en konvergens for å forbedre vår forståelse av det lokale miljøet på jorden og det fysiske universet .

Svak interaksjon og kjernefysisk dobbelt beta -forfall

Nukleærmatriseelementer av relevante operatører som hentet fra data og fra en skallmodell og teoretiske tilnærminger både for to-nøytrino- og nøytrinoløse forfallsmåter brukes til å forklare de svake interaksjon- og kjernestrukturaspektene ved kjernefysisk dobbelt beta-forfall.

Nøytronrike isotoper

Nye nøytronrike isotoper, ³⁴ Ne, ³⁷ Na og ⁴³ Si har blitt produsert entydig for første gang, og overbevisende bevis for partikkelen ustabilitet til tre andre, ³³ Ne, ³⁶ Na og ³⁹ Mg er oppnådd. Disse eksperimentelle funnene sammenligner med nylige teoretiske spådommer.

Teori om astronomisk tidsoppbevaring

Inntil nylig er alle tidsenhetene som virker naturlige for oss forårsaket av astronomiske fenomener:

Jordens bane rundt solen => året og årstidene,
Månens bane rundt jorden => måneden,
Jordens rotasjon og rekkefølgen av lysstyrke og mørke => dagen (og natten).

Høy presisjon virker problematisk:

uklarheter oppstår i den nøyaktige definisjonen av en rotasjon eller revolusjon,
noen astronomiske prosesser er ujevne og uregelmessige, for eksempel år, måned og dag som ikke er rimelig
det er en mengde tidsskalaer og kalendere for å løse de to første problemene.

Noen av disse standardskalaene er siderisk tid , soltid og universell tid .

Atomtid

Historisk nøyaktighet av atomur fra NIST .

Fra Systeme Internationale (SI) kommer den andre som definert av varigheten på 9 192 631 770 sykluser av en bestemt hyperfin strukturovergang i grunntilstanden til cesium-133 ( ¹³³ Cs). For praktisk brukbarhet kreves en enhet som prøver å produsere SI -sekundene, for eksempel en atomur . Men ikke alle slike klokker er enige. Det veide gjennomsnittet for mange klokker fordelt over hele jorden definerer Temps Atomique International ; dvs. Atomic Time TAI. Fra den generelle relativitetsteorien avhenger tiden som måles av høyden på jorden og den romlige hastigheten til klokken slik at TAI refererer til et sted på havnivå som roterer med jorden.

Ephemeris tid

Siden jordens rotasjon er uregelmessig, førte enhver tidsskala som ble avledet fra den, for eksempel Greenwich Mean Time, til tilbakevendende problemer med å forutsi Ephemerides for posisjonene til månen , solen , planetene og deres naturlige satellitter . I 1976 besluttet International Astronomical Union (IAU) at det teoretiske grunnlaget for ephemeris time (ET) var helt ikke-relativistisk, og derfor ville ephemeris time fra 1984 bli erstattet av ytterligere to tidsskalaer med tillatelse til relativistiske korreksjoner. Navnene deres, tildelt i 1979, understreket deres dynamiske natur eller opprinnelse, Barycentric Dynamical Time (TDB) og Terrestrial Dynamical Time (TDT). Begge ble definert for kontinuitet med ET og var basert på det som hadde blitt standard SI -sekund, som igjen var avledet fra det målte sekundet av ET.

I perioden 1991–2006 ble TDB og TDT tidsskalaer både definert og erstattet på grunn av vanskeligheter eller inkonsekvenser i de opprinnelige definisjonene. De nåværende grunnleggende relativistiske tidsskalaene er Geocentric Coordinate Time (TCG) og Barycentric Coordinate Time (TCB). Begge disse har hastigheter som er basert på SI -sekunden i respektive referanserammer (og hypotetisk utenfor den relevante tyngdekraftbrønnen), men på grunn av relativistiske effekter vil hastighetene deres virke litt raskere når de observeres på jordoverflaten, og derfor avvike fra lokale Jordbaserte tidsskalaer ved hjelp av SI-sekunden på jordens overflate.

De nåværende definerte IAU-tidsskalaene inkluderer også Terrestrial Time (TT) (erstatter TDT, og nå definert som en ny skalering av TCG, valgt for å gi TT en hastighet som samsvarer med SI-sekunden når den observeres på jordoverflaten), og en omdefinert Barycentric Dynamical Time (TDB), en ny skalering av TCB for å gi TDB en hastighet som samsvarer med SI-sekunden på jordoverflaten.

Utenomjordisk tidsoppbevaring

Fantastisk dynamisk tidsskala

For en stjerne er den dynamiske tidsskalaen definert som tiden det vil ta før en testpartikkel som slippes ut ved overflaten faller under stjernens potensial til sentrum, hvis trykkreftene var ubetydelige. Med andre ord, den dynamiske tidsskalaen måler hvor lang tid det ville ta en bestemt stjerne å kollapse i fravær av noe internt press . Ved passende manipulering av ligningene for stjernestruktur kan dette bli funnet å være

${\ displaystyle \ tau _ {dynamisk} \ simeq {\ frac {R} {v}} = {\ sqrt {\ frac {R^{3}} {2GM}}} \ sim 1/{\ sqrt {G \ rho}}}$

hvor R er stjernens radius , G er gravitasjonskonstanten , M er massen til stjernen og v er rømningshastigheten . Som et eksempel er solens dynamiske tidsskala omtrent 1133 sekunder. Vær oppmerksom på at den faktiske tiden det ville ta en stjerne som Solen å kollapse er større fordi det er internt trykk.

Den 'grunnleggende' oscillerende modusen til en stjerne vil være på omtrent den dynamiske tidsskalaen. Oscillasjoner med denne frekvensen er sett i Cepheid -variabler .

Teori om astronomisk navigasjon

På jorden

De grunnleggende egenskapene til anvendt astronomisk navigasjon er

brukbar på alle områder av seiling rundt jorden,
gjelder autonomt (er ikke avhengig av andre - personer eller stater) og passivt (avgir ikke energi),
betinget bruk via optisk synlighet (av horisonten og himmellegemene), eller tilstand av uklarhet,
presisjonsmåling, sekstant er 0,1 ', høyde og posisjon er mellom 1,5' og 3,0 '.
tidsbestemmelse tar et par minutter (ved bruk av det mest moderne utstyret) og ≤ 30 minutter (ved bruk av klassisk utstyr).

Satellittnavigasjonssystemers overlegenhet til astronomisk navigasjon er foreløpig ubestridelig, spesielt med utvikling og bruk av GPS/NAVSTAR. Dette globale satellittsystemet

muliggjør automatisk tredimensjonal posisjonering når som helst,
bestemmer automatisk posisjonen kontinuerlig (hvert sekund eller enda oftere),
bestemmer posisjon uavhengig av værforhold (synlighet og grumsete),
bestemmer posisjonen i sanntid til noen få meter (to bærefrekvenser) og 100 m (beskjedne kommersielle mottakere), som er to til tre størrelsesordener bedre enn ved astronomisk observasjon,
er enkelt selv uten ekspertkunnskap,
er relativt billig, sammenlignbar med utstyr for astronomisk navigasjon, og
tillater inkorporering i integrerte og automatiserte systemer for kontroll og styring av skip. Bruken av astronomisk eller himmelsk navigasjon forsvinner fra overflaten og under eller over jordoverflaten.

Geodetisk astronomi er anvendelsen av astronomiske metoder i nettverk og tekniske prosjekter innen geodesi for

synlige steder av stjerner, og deres riktige bevegelser
presis astronomisk navigasjon
astro-geodetisk geoidbestemmelse og
modellering av bergtettheten til topografien og av geologiske lag i undergrunnen
Satellittgeodesi ved hjelp av stjernebakgrunn (se også astrometri og kosmisk triangulering)
Overvåking av jordens rotasjon og polarvandring
Bidrag til tidssystemet for fysikk og geofag

Astronomiske algoritmer er algoritmene som brukes til å beregne efemerider , kalendere og posisjoner (som ved himmelnavigasjon eller satellittnavigasjon ).

Mange astronomiske og navigasjonsberegninger bruker Jordens figur som en overflate som representerer jorden.

Den internasjonale Earth Rotation and Reference Systems service (IERS), tidligere International Earth Rotation service, kroppen er ansvarlig for å opprettholde global tid og referanseramme standarder, særlig gjennom sin Earth Orientering Parameter (EOP) og International Celestial Reference System (ICRS) grupper .

Dyp plass

Den Deep Space Network , eller DSN , er et internasjonalt nettverk av store antenner og kommunikasjonsmuligheter som støtter interplanetariske romfartøyer misjoner og radio og radar astronomi observasjoner for utforskning av solcellesystemet og universet . Nettverket støtter også utvalgte jordbaneoppdrag. DSN er en del av NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL).

Ombord på et letebil

En observatør blir en dype oppdagelsesreisende når han slipper jordens bane. Mens Deep Space Network opprettholder kommunikasjon og muliggjør nedlasting av data fra et undersøkende fartøy, krever enhver lokal sondering utført av sensorer eller aktive systemer ombord vanligvis astronomisk navigasjon, siden det omsluttende nettverket av satellitter for å sikre nøyaktig posisjonering er fraværende.

Se også

Referanser

Eksterne linker

Introduksjon til kataklysmiske variabler (CVer)
L. Sidoli, 2008 Forbigående utbruddsmekanismer
Kommentar til "The Compendium of Plain Astronomy" er et manuskript fra 1665 om teoretisk astronomi

Languages

In other projects