天体物理学

天体物理学は、物理学と化学の方法と原理を用いて天体や現象を研究する科学です。^{[1] [2]}この分野の創始者の一人であるジェームズ・キーラーは、天体物理学は「天体の空間内での位置や動きではなく、天体の性質、つまり天体がどこにあるかではなく、それが何であるかを解明しようとする」と述べています。 ^[3]これは天体力学 で研究されます。

研究対象には、太陽（太陽物理学）、その他の恒星、銀河、太陽系外惑星、星間物質、宇宙マイクロ波背景放射などがある。^{[4] [5]これらの物体からの放射は、}電磁スペクトルのすべての部分にわたって調べられ、調べられる特性には、光度、密度、温度、化学組成などがある。天体物理学は非常に広範な分野であるため、天体物理学者は、古典力学、電磁気学、統計力学、熱力学、量子力学、相対性理論、原子核物理学と粒子物理学、原子分子物理学など、物理学の多くの分野の概念と方法を適用します。

実際には、現代の天文学の研究には、理論物理学と観測物理学の分野でのかなりの量の研究が含まれることが多い。天体物理学者の研究分野には、暗黒物質、暗黒エネルギー、ブラックホール、その他の天体の特性、および宇宙の起源と最終的な運命を決定する試みが含まれる。^[4]理論天体物理学者が研究するトピックには、太陽系の形成と進化、恒星のダイナミクスと進化、銀河の形成と進化、磁気流体力学、宇宙の物質の大規模構造、宇宙線の起源、一般相対性理論、特殊相対性理論、量子宇宙論および物理宇宙論（宇宙の最大規模の構造の物理的研究）、弦宇宙論と天体粒子物理学などがある。

天文学は古代の科学であり、地上物理学の研究とは長らく切り離されていました。アリストテレスの世界観では、天体の運動は不変の球体で、唯一の運動は円を描くような等速運動であると考えられていました。一方、地上の世界は成長と衰退を繰り返す領域であり、自然運動は直線であり、運動物体が目的地に到達すると終了します。その結果、天界は地上の領域とは根本的に異なる種類の物質、つまりプラトンが主張する火か、アリストテレスが主張するエーテルでできていると考えられていました。^{[6] [7] 17世紀には、}ガリレオ^[8]、デカルト^[9]、ニュートン^[10] などの自然哲学者が、天界と地上の領域は同様の種類の物質でできており、同じ自然法則に従うと主張し始めました。^[11] 彼らの課題は、これらの主張を証明するためのツールがまだ発明されていないということであった。^[12]

19世紀の大半、天文学の研究は天体の位置を測定し、その動きを計算するという日常的な作業に集中していました。^{[13] [14]ウィリアム・}ハイド・ウォラストンとヨーゼフ・フォン・フラウンホーファーがそれぞれ独立して、太陽の光を分解すると、スペクトル内に多数の暗線（光が少ない、または全くない領域）が観測されることを発見した とき、すぐに天体物理学と呼ばれることになる新しい天文学が登場し始めました。^[15] 1860年までに、物理学者のグスタフ・キルヒホッフと化学者のロバート・ブンゼンは、太陽スペクトルの暗線が既知のガスのスペクトルの明線に対応し、特定の線が固有の化学元素に対応することを実証しました。^[16]キルヒホッフは、太陽スペクトルの暗線は太陽大気中の化学元素による吸収によって引き起こされると推論しました。 ^[17]このようにして、太陽や恒星に存在する化学元素が地球上にも存在することが判明した。

太陽と恒星のスペクトルの研究を発展させた人物の一人にノーマン・ロッカーがおり、彼は1868年に太陽スペクトルの暗線だけでなく放射線も発見した。化学者のエドワード・フランクランドと共同で様々な温度と圧力における元素のスペクトルを調べたところ、彼は太陽スペクトルの黄色い線を既知の元素と関連付けることができなかった。そこで彼はその線が新しい元素を表していると主張し、ギリシャ神話の太陽の擬人化であるヘリオスにちなんでヘリウムと名付けた。[ 18 ^{] [19]}

1885年、エドワード・C・ピカリングはハーバード大学天文台で恒星のスペクトル分類という野心的なプログラムに着手した。このプログラムでは、ウィリアミナ・フレミング、アントニア・モーリー、アニー・ジャンプ・キャノンといった女性コンピューターチームが、写真乾板に記録されたスペクトルを分類した。1890年までに、1万個以上の恒星を13のスペクトル型に分類したカタログが作成された。ピカリングの構想に従い、キャノンは1924年までにカタログを9巻に拡大し、25万個以上の恒星を収録し、1922年に世界中で採用されたハーバード分類体系を開発した。 ^[20]

1895年、ジョージ・エラリー・ヘイルとジェームズ・E・キーラーは、ヨーロッパとアメリカの10人の編集委員とともに^{[21] 、} 「天体物理学ジャーナル：分光法と天文物理学の国際レビュー」 を創刊した。^[22] このジャーナルは、天文学と物理学のジャーナル間のギャップを埋め、分光器の天文学的応用、金属および気体のスペクトルの波長測定や放射線と吸収の実験など天文学物理学に密接に関連する実験室研究、太陽、月、惑星、彗星、流星、星雲の理論、望遠鏡や実験室の計測機器に関する記事を掲載する場を提供することが意図されていた。^[21]

1920年頃、恒星とその進化の分類の基礎として今でも使われているヘルツシュプルング・ラッセル図の発見に続いて、アーサー・エディントンは論文『恒星の内部構造』の中で、恒星における核融合プロセスの発見とメカニズムを予見していた。^{[23] [24]}当時、恒星のエネルギー源は完全に謎だった。エディントンは、その源は水素がヘリウムに融合して、アインシュタインの方程式E = mc ²に従って莫大なエネルギーを放出することであると正しく推測した。当時は核融合や熱核エネルギー、さらには恒星が主に水素で構成されている（金属量を参照）ということさえまだ発見されていなかったため、これは特に注目すべき進歩であった。^[25]

1925年、セシリア・ヘレナ・ペイン（後のセシリア・ペイン＝ガポシュキン）はラドクリフ大学で影響力のある博士論文を執筆した。この論文で彼女はサハの電離理論を恒星の大気に応用し、スペクトルクラスと恒星の温度を関連づけた。^[26] 最も重要なのは、彼女が水素とヘリウムが恒星の主成分であり、地球の成分ではないことを発見したことだ。エディントンの示唆にもかかわらず、この発見は予想外のものであったため、彼女の論文の読者（ラッセルを含む）は出版前に結論を修正するよう説得した。しかし、その後の研究で彼女の発見は確認された。^{[27] [28]}

20世紀末までに、天文学のスペクトルの研究は、電波から光、X線、ガンマ線までの波長をカバーするまで拡大しました。^{[29] 21世紀には、さらに}重力波に基づく観測も含まれるようになりました。

観測天文学は、データの記録と解釈に関係する天文学科学の一分野であり、主に物理モデルの測定可能な意味を見つけることに関係する理論天体物理学とは対照的です。望遠鏡やその他の天文装置を使用して天体を観測する実践です。

ほとんどの天体物理学的観測は電磁スペクトルを使用して行われます。

• 電波天文学は、数ミリメートル以上の波長を持つ放射線を研究します。研究対象としては、星間ガスや塵の雲などの冷たい物体から通常放射される電波、ビッグバンからの赤方偏移した光である宇宙マイクロ波背景放射、マイクロ波周波数で初めて検出されたパルサーなどがあります。これらの波の研究には、非常に大きな電波望遠鏡が必要です。
• 赤外線天文学では、肉眼では見えないほど長いが電波よりは短い波長の放射線を研究します。赤外線観測は通常、一般的な光学望遠鏡に似た望遠鏡で行われます。恒星よりも冷たい物体 (惑星など) は通常、赤外線周波数で研究されます。
• 光学天文学は最も古い天文学の一種です。電荷結合素子または分光器と組み合わせた望遠鏡が最も一般的に使用されています。地球の大気は光学観測に多少干渉するため、可能な限り最高の画質を得るために補償光学と宇宙望遠鏡が使用されます。この波長範囲では星が非常によく見え、多くの化学スペクトルを観測して星、銀河、星雲の化学組成を研究することができます。
• 紫外線、X線、ガンマ線天文学は、連星パルサー、ブラックホール、マグネターなど、非常にエネルギーの高いプロセスを研究します。これらの種類の放射線は、地球の大気圏をあまり透過しません。電磁スペクトルのこの部分を観測するには、宇宙望遠鏡と地上イメージング空気チェレンコフ望遠鏡(IACT) の 2 つの方法が使用されています。前者のタイプの観測所の例としては、 RXTE、チャンドラ X 線観測所、コンプトン ガンマ線観測所があります。IACT の例としては、高エネルギー立体システム(HESS) とMAGIC望遠鏡があります。

電磁放射以外では、地球から遠く離れた場所から発生するものはほとんど観測できません。重力波観測所はいくつか建設されていますが、重力波の検出は極めて困難です。ニュートリノ観測所も建設されていますが、主に太陽を研究するためのものです。非常に高エネルギーの粒子からなる宇宙線が地球の大気圏に衝突するのを観測できます。

観測は時間スケールも異なります。ほとんどの光学観測は数分から数時間かかるため、これより速く変化する現象は容易に観測できません。ただし、一部のオブジェクトについては、数世紀または数千年にわたる履歴データが利用可能です。一方、電波観測では、ミリ秒の時間スケールでイベントを観察したり (ミリ秒パルサー)、数年分のデータを組み合わせたり (パルサー減速研究) します。これらの異なる時間スケールから得られる情報は非常に異なります。

太陽の研究は、観測天体物理学において特別な位置を占めています。他のすべての恒星から太陽までの距離が遠いため、太陽は他のどの恒星とも比較にならないほど詳細に観測できます。太陽を理解することは、他の恒星を理解するためのガイドとなります。

恒星がどのように変化するか、つまり恒星の進化というテーマは、多くの場合、ヘルツシュプルング・ラッセル図上のそれぞれの位置にさまざまな恒星のタイプを配置することによってモデル化されます。この図は、誕生から破壊までの恒星の状態を表すものとして考えることができます。

理論天体物理学者は、解析モデル（例えば、星の挙動を近似するポリトロープ）や数値計算 シミュレーションなど、さまざまなツールを使用します。それぞれに利点があります。プロセスの解析モデルは、一般的に、何が起こっているのかの核心を理解するのに適しています。数値モデルは、そうでなければ見えない現象や効果の存在を明らかにすることができます。^{[30] [31]}

天体物理学の理論家は、理論モデルを作成し、それらのモデルの観測結果を解明しようと努めています。これにより、観測者はモデルを反証できるデータを探したり、複数の代替モデルや矛盾するモデルの中から選択したりできるようになります。

理論家は、新しいデータを考慮してモデルを生成または修正しようとします。矛盾がある場合、一般的には、データに適合させるためにモデルに最小限の修正を加えようとします。場合によっては、時間の経過とともに大量の矛盾したデータが発生すると、モデルが完全に放棄されることがあります。

理論天体物理学者が研究するテーマには、恒星の力学と進化、銀河の形成と進化、磁気流体力学、宇宙の物質の大規模構造、宇宙線の起源、一般相対性理論、弦宇宙論や天体粒子物理学を含む物理的宇宙論などがあります。相対論的天体物理学は、調査対象の物理現象において重力が重要な役割を果たす大規模構造の特性を評価するツールとして、またブラックホール（天体）物理学や重力波の研究の基礎として役立ちます。

現在ラムダ-CDM モデルに含まれている、天体物理学で広く受け入れられ研究されている理論とモデルには、ビッグバン、宇宙インフレーション、暗黒物質、暗黒エネルギー、物理学の基礎理論 などがあります。

天体物理学の起源は、天体と地上の領域に同じ法則が適用される統一物理学が17世紀に出現したことに遡ります。^[11] 物理学と天文学の両方の資格を持ち、現在の天体物理学の確固たる基礎を築いた科学者がいました。現代でも、王立天文学会や、ローレンス・クラウス教授、スブラマニアン・チャンドラセカール教授、スティーブン・ホーキング教授、ヒューバート・リーブス教授、カール・セーガン教授、パトリック・ムーア教授などの著名な教育者によって天体物理学が普及したため、学生たちは引き続き天体物理学に惹かれています。初期、後期、そして現代の科学者たちの努力により、若者は天体物理学の歴史と科学を学ぶことに引き続き惹かれています。^{[32] [33] [34]} テレビのコメディ番組「ビッグバン・セオリー」は天体物理学の分野を一般大衆に広め、スティーブン・ホーキングやニール・ドグラース・タイソンのような有名な科学者を特集しました。

• 天体化学 – 宇宙の分子とその反応の研究
• 天文台
• 天文分光法 – 分光法を用いて電磁放射のスペクトルを測定する天文学の研究
• 天体粒子物理学 – 粒子物理学の分野
• 重力波天文学 – 重力波を利用した天文学の分野
• ヘルツシュプルング・ラッセル図 – 星の明るさと分類の関係を示す星の散布図
• 高エネルギー天文学 – 高エネルギーの電磁放射を放出する天体の研究
• 天体物理学における重要な出版物
• 天文学者のリスト – (天体物理学者を含む)
• ニュートリノ天文学 – 低質量恒星粒子の観測
• 重力物理学と相対性理論のタイムライン
• 銀河、銀河団、大規模構造に関する知識のタイムライン
• 白色矮星、中性子星、超新星のタイムライン – 知識と記録の発展の時系列リスト

• ロングエア、マルコム・S.（2006）『宇宙世紀：天体物理学と宇宙論の歴史』ケンブリッジ：ケンブリッジ大学出版局、ISBN 978-0-521-47436-8
• 天体物理学、Scholarpedia専門家の記事

Wikibooksには天体物理学に関する本があります

• 天文学と天体物理学、ヨーロッパのジャーナル
• 天体物理学ジャーナル
• 宇宙の旅：科学的宇宙論の歴史 2008-10-21 にアメリカ物理学会のWayback Machineにアーカイブされました
• World ScientificのInternational Journal of Modern Physics D
• 査読付き天文学/天体物理学ジャーナルのリストとディレクトリ
• ネッド・ライトの宇宙論チュートリアル、UCLA