Thiên văn học vật lý

Thiên văn học vật lý là một lĩnh vực của thiên văn học nghiên cứu các đặc điểm vật lý của vũ trụ, như cường độ ánh sáng, mật độ, nhiệt độ và thành phần hóa học của các thiên thể như sao, thiên hà, và không gian liên sao, cùng với các tác động tương hỗ giữa chúng. Nghiên cứu này thường mang tính lý thuyết sâu rộng.

Ngành vật lý thiên văn là một lĩnh vực rộng lớn, vì vậy các nhà vật lý học thiên thể thường kết hợp nhiều ngành khoa học khác nhau trong vật lý, như cơ khí, điện từ học, cơ học thống kê, nhiệt động lực học, cơ học lượng tử, tính tương đối, và vật lý nguyên tử, hạt nhân và quang học. Trong nghiên cứu thực nghiệm, vật lý thiên văn hiện đại dựa nhiều vào nền tảng vật lý cơ bản. Tên của ngành học tại các trường đại học thường phản ánh lịch sử hơn là nội dung nghiên cứu thực tế. Vật lý thiên văn được giảng dạy ở nhiều trường với các cấp bậc từ cử nhân đến tiến sĩ qua các khoa như kỹ thuật hàng không vũ trụ, vật lý hoặc thiên văn học.

Lịch sử

Mặc dù thiên văn học đã tồn tại từ lâu, nó vẫn được xem là một lĩnh vực độc lập với vật lý. Trong quan điểm của Aristotle, bầu trời và trái đất được phân biệt rõ ràng, với các thiên thể trên bầu trời được cho là hoàn hảo và có quỹ đạo tròn, trong khi Trái Đất bị coi là không hoàn hảo. Hai quan điểm này không được xem là có liên quan đến nhau.

Aristarchus từ Samos (khoảng 310- khoảng 250 trước Công Nguyên) là người đầu tiên đưa ra giả thuyết rằng Trái Đất và tất cả các hành tinh trong Hệ Mặt Trời quay xung quanh Mặt Trời. Mặc dù thuyết nhật tâm của Aristarchus không được chấp nhận trong thế giới Hy Lạp cổ đại trong nhiều thế kỷ, quan điểm Mặt Trời và các hành tinh quay xung quanh Trái Đất đã trở thành lý thuyết chủ đạo cho đến khi Nicolaus Copernicus hồi sinh mô hình này vào thế kỷ 16. Năm 1609, Galileo Galilei phát hiện ra bốn vệ tinh sáng của Sao Mộc, điều này mâu thuẫn với lý thuyết Địa tâm của Nhà thờ Cơ đốc giáo và ông đã bảo vệ quan điểm của mình dựa trên toán học, không phải triết lý tự nhiên, mặc dù lý thuyết của ông vẫn còn gây tranh cãi.

Các dữ liệu thiên văn chính xác mà Tycho Brahe thu thập đã đặt nền tảng cho sự phát triển các lý thuyết vũ trụ sau này. Đầu tiên là các quy luật dựa trên số liệu thực nghiệm, đặc biệt là ba định luật của Kepler về chuyển động của các hành tinh, được công bố vào thế kỷ 17. Sau đó, Newton đã kết nối các định luật của Kepler với động lực học của Galileo, chỉ ra rằng động lực học của các vật thể trên Trái Đất có sự tương đồng với động lực học của các hành tinh và Mặt Trăng. Cơ học thiên thể, là sự áp dụng định luật hấp dẫn và các định luật của Newton để giải thích các định luật của Kepler, đã trở thành sự kết hợp đầu tiên giữa vật lý và thiên văn học.

Sau khi Isaac Newton công bố tác phẩm Principia, ngành hàng hải bắt đầu có những thay đổi lớn. Vào những năm 1970, thế giới chú ý đến việc sử dụng hệ vĩ độ mới và đồng hồ chính xác hơn. Nhu cầu của ngành hàng hải thời đó đã thúc đẩy sự phát triển của các thiết bị quan sát thiên văn và công cụ đo lường ngày càng chính xác, cũng như cần một nền tảng khoa học vững chắc hơn.

Vào cuối thế kỷ 19, các nhà khoa học phát hiện rằng phân tích ánh sáng mặt trời cho thấy một hệ thống các vạch quang phổ trong vùng ánh sáng yếu hoặc không có ánh sáng trắng. Các thí nghiệm cho thấy các khí nóng cũng phát ra các vạch quang phổ, và mỗi nguyên tố hóa học phát ra những vạch quang phổ đặc trưng riêng biệt. Điều này cho phép chúng ta xác định các nguyên tố hóa học có mặt trên Mặt Trời bằng cách so sánh các vạch quang phổ của ánh sáng mặt trời với các vạch quang phổ của các nguyên tố trên Trái Đất. Heli là nguyên tố đầu tiên được phát hiện qua quang phổ mặt trời trước khi được tìm thấy trên Trái Đất. Trong thế kỷ 20, sự tiến bộ trong quang phổ học và vật lý lượng tử đã giúp chúng ta hiểu rõ hơn về thiên văn học và giải thích các dữ liệu thực nghiệm của nó.

Đối tượng nghiên cứu trong lĩnh vực vật lý thiên văn

Hầu hết các nghiên cứu trong vật lý thiên văn dựa vào phổ sóng điện từ:

Ngành thiên văn vô tuyến nghiên cứu các sóng có bước sóng dài hơn vài milimet. Sóng vô tuyến thường phát ra từ các vật thể lạnh như khí và đám mây bụi trong không gian. Bức xạ viba nền và sự dịch chuyển về phía đỏ đã xác nhận lý thuyết Big Bang, và các Pulsar được phát hiện ở tần số sóng viba. Để nghiên cứu những sóng này, cần sử dụng các kính thiên văn vô tuyến cực kỳ lớn.

Ngành thiên văn học hồng ngoại tập trung vào các bức xạ có bước sóng dài hơn ánh sáng nhìn thấy nhưng ngắn hơn sóng viba. Ngành này thường sử dụng các kính thiên văn tương tự như kính thiên văn quang học. Các vật thể lạnh hơn các sao, chẳng hạn như hành tinh, là đối tượng chính của nghiên cứu trong lĩnh vực này.

Ngành thiên văn quang học là ngành nghiên cứu lâu đời nhất trong thiên văn học, với các kính được trang bị cảm biến hình ảnh hoặc kính quang phổ là phổ biến nhất. Do khí quyển Trái Đất ảnh hưởng đến quan sát quang học, các kính viễn vọng không gian đã được phát triển để chụp ảnh với chất lượng cao nhất. Tại đây, các ngôi sao và nhiều quang phổ của chúng được quan sát rõ ràng, giúp nghiên cứu thành phần hóa học của sao và thậm chí các thiên hà.

• Ngành Vũ trụ học vật lý

Liên kết

• Trang Web Vật Lý Thiên Văn