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天体物理学は、宇宙を含む天体や天体現象の研究に物理学と化学の方法と原理を応用する科学です。 [ 1 ] [ 2 ]この分野の創始者の一人であるジェームズ・キーラーが述べたように、天体物理学は「天体の位置や空間内での動きではなく、天体の性質、つまり、天体がどこにあるかではなく、何であるかを解明しようとする」ものであり、[ 3 ]天体力学で研究されています。天体物理学は、宇宙船の航路を設計および計画する際にも使用されます。
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 ]これらの天体からの放射は電磁スペクトルのあらゆる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幅広い分野であるため、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、原子核および素粒子物理学、原子および分子物理学など、物理学の多くの分野の概念と方法を適用する。
実際には、現代の天文学研究は、理論物理学と観測物理学の領域で相当な作業を伴うことが多い。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、宇宙の起源と最終的な運命などがある。[ 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、一般相対性理論、特殊相対性理論、量子宇宙論と物理宇宙論（宇宙の最大規模の構造の物理的研究）などがあり、弦宇宙論と宇宙素粒子物理学も含まれる。
天文学は古代の科学であり、地上の物理学の研究とは長い間分離されていました。アリストテレスの世界観では、天体の物体は不変の球体であり、その唯一の運動は円運動であるように見え、地上の世界は成長と衰退を経験する領域であり、自然な運動は直線であり、動いている物体が目標に到達すると終わります。したがって、天界は地上の領域で見られるものとは根本的に異なる種類の物質でできていると考えられていました。プラトンが主張した火、またはアリストテレスが主張したエーテルのいずれかです。[ 6 ] [ 7 ] 17世紀には、ガリレオ[ 8 ]、デカルト[ 9 ]、ニュートン[ 10 ]などの自然哲学者たちが、天界と地上の領域は類似した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かったことだった。[ 12 ]
19 世紀の大部分において、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 ウォラストンとジョセフ フォン フラウンホーファーが、太陽からの光を分解すると、スペクトルに多数の暗線(光が少ないかまったくない領域) が観測されることを独立して発見した とき、まもなく天体物理学と呼ばれる新しい天文学が出現し始めました。[ 15 ] 1860 年までに、物理学者のグスタフ キルヒホフと化学者のロベルト 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していることを実証しました。[ 16 ]キルヒホフは、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、太陽や星に存在する化学元素が地球上にも存在することが証明された。
太陽や恒星のスペクトルの研究を拡張した人物の一人にノーマン・ロッキヤーがおり、彼は1868年に太陽スペクトルに放射線と暗線を検出した。化学者のエドワード・フランクランドと協力してさまざまな温度と圧力での元素のスペクトルを調査したところ、太陽スペクトルの黄色の線を既知のどの元素とも関連付けることができなかった。そこで彼は、その線は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・ピッ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計画に着手し、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計算手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。ピッカリングの構想を受け継ぎ、キャノンは1924年までにカタログを9巻、25万個以上の星に拡張し、1922年に世界的に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・エレリー・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合衆国から集まった10人の編集委員とともに[ 21 ] 、 『The Astrophysical Journal: An International Review of Spectroscopy and Astronomical Physics』 を創刊した[ 22 ]。 この雑誌は、天文学と物理学の雑誌の間のギャップを埋め、分光器の天文学的応用に関する記事、金属やガスのスペクトルの波長測定や放射と吸収に関する実験など、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、望遠鏡や実験室の機器に関する記事を掲載する場となることを意図していた[ 21 ] 。
1920 年頃、現在も恒星の分類と進化の基礎として使用さ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過程の発見とメカニズムを予見した。[ 23 ] [ 24 ]当時、恒星のエネルギー源は全くの謎であった。エディントンは、その源が水素からヘリウムへの融合であり、アインシュタインの方程式E = mc²に従って膨大なエネルギーを放出すると正しく推測した。当時、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）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展であった。[ 25 ]
1925年、セシリア・ヘレナ・ペイン（後のセシリア・ペイン＝ギャポシュキン）はラドクリフ大学で影響力のある博士論文を執筆し、その中でサハの電離理論を恒星大気に適用してスペクトルクラスと恒星の温度を関連付けた。[ 26 ] 最も重要なのは、水素とヘリウムが地球の組成ではなく、恒星の主要成分であることを発見したことである。エディントンの示唆にもかかわらず、この発見は非常に予想外であったため、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彼女を説得した。しかし、後の研究で彼女の発見が確認された。[ 27 ] [ 28 ]
20世紀末までに、天体スペクトルの研究は電波から光、X線、ガンマ線波長まで広がる波長を網羅するまでに拡大した。[ 29 ] 21世紀には、重力波に基づく観測も含まれるまでに拡大した。
観測天文学は、天文学の一分野であり、データの記録と解釈を専門としています。これに対し、理論天体物理学は、主に物理モデルの測定可能な意味を解明することを専門としています。観測天文学は、望遠鏡などの天体観測機器を用いて天体を観測する実践です。
ほとんどの天体観測は電磁スペクトルを用いて行われる。
電磁波を除けば、地球から遠方から飛来する天体を観測できるものはほとんどない。重力波観測所はいくつか建設されているが、重力波の検出は極めて困難である。ニュートリノ観測所も建設されているが、これは主に太陽の研究を目的としている。非常に高エネルギーの粒子からなる宇宙線は、地球の大気に衝突する様子を観測することができる。
観測は時間スケールも様々です。ほとんどの光学観測は数分から数時間かかるため、これよりも速く変化する現象は容易には観測できません。しかし、一部の天体については、数世紀あるいは数千年にわたる過去のデータが利用可能です。一方、電波観測では、ミリ秒単位の時間スケールで起こる現象（ミリ秒パルサー）を観測したり、数年分のデータを組み合わせたり（パルサー減速研究）することができます。これらの異なる時間スケールから得られる情報は大きく異なります。
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る。他のすべての恒星とは比べ物にならないほど遠い距離にあるため、太陽は他のどの恒星にも匹敵しないほど詳細に観測することができる。太陽を理解することは、他の恒星を理解するための指針となる。
星がどのように変化するか、つまり恒星進化というテーマは、しばしばヘルツシュプルング・ラッセル図上のそれぞれの位置に様々な種類の星を配置することによってモデル化される。この図は、恒星が誕生から消滅するまでの状態を表していると考えることができる。
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ためのポリトロープ）や数値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本質を理解するのに優れています。数値モデルは、そうでなければ見られ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 ]
天体物理学の理論家は、理論モデルを作成し、それらのモデルが観測的にどのような結果をもたらすかを解明しようと努めている。これは、観測者がモデルを反証す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最適なものを選ぶのに役立つ。
理論家たちは、新しいデータに対応するためにモデルを作成したり修正したりしようと試みる。矛盾が生じた場合、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ることが求められる。しかし、長期間にわたって大量の矛盾データが蓄積されると、モデルを完全に放棄せざるを得なくなる場合もある。
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、宇宙における物質の大規模構造、宇宙線の起源、一般相対性理論と物理宇宙論（弦理論宇宙論や宇宙素粒子物理学を含む）などがあります。相対論的天体物理学は、重力が研究対象となる物理現象において重要な役割を果たす大規模構造の特性を評価するためのツールとして、またブラックホール物理学や重力波の研究の基礎として機能します。
天体物理学において広く受け入れられ研究されている理論やモデルには、ビッグバン、宇宙インフレーション、ダークマター、ダークエネルギー、そして物理学の基本理論などがあり、これらは現在ラムダCDMモデルにも含まれている。
歴史的に、天文学が位置天文学と観測天文学によって制限されていた時代には、天体力学 (CM) の分野は理論天文学と呼ばれていました。[ 31 ]ヒッパルコスは、数値観測幾何学システムの開発を通じて、この分野に基礎的な貢献をしました。[ 32 ]しかし、アイザック・ニュートンは、微積分と万有引力の法則の開発を通じてこの分野の創始者とみなされており[ 33 ]、この分野の大部分はケプラーの惑星運動の法則に基づいています。[ 34 ]テオドール・フォン・オッポルツァーは、 19 世紀後半にウィーン大学で、この分野におけるCM と測地天文学の研究を拡大しました。 [ 35 ]ケフェイド変光星の発見後まもなく、理論家は CM と測地学から、星の構成と内部物理学の理論的メカニズムの開発へと移行しました。[ 36 ]
その後、この分野は宇宙論、プラズマ物理学[ 37 ]、流体力学などの他の分野に拡大しました。1930年代初頭、スウェーデンでは、スヴェイン・ロッセランドが理論天体物理学研究所に資金を提供し、1934年に開設されました[ 38 ]。これは、彼が独立した科学に発展したと述べたものを推進するためでした[ 39 ] 。1966年、フレッド・ホイル率いる少数の天文学者グループが、理論家が教育責任を負わずに計算研究に専念できるように、ケンブリッジ大学に理論天文学研究所を設立しました[ 40 ] 。20世紀を通じて理論天文学と天体物理学が互換的に使用されていたにもかかわらず、「理論天文学」というタイトルの大学のコースでは、CMのみが教えられていました。[ 41 ] 1985年、世界最大の屈折望遠鏡を所有し、主に米国海軍天文台が使用していたバージニア大学[ 35 ]は、理論天文学と天体物理学の両方の研究を行うためにバージニア理論天文学研究所を開設した。[ 42 ]
現代の理論天文学は、数学的および計算ツール[ 43 ]を使用して天体の運動をモデル化および予測するものです[ 44 ]。天文学のカリキュラムでは、理論天文学は観測技術と組み合わせて使用され、組み合わせなければ、この分野は科学とはみなされません[ 45 ]。それは惑星科学の分野の基礎となっています[ 46 ]。
天体物理学の起源は、17世紀に統一物理学が出現したことに遡り、そこでは天界と地上界に同じ法則が適用されました。[ 11 ]物理学と天文学の両方に精通した科学者たちが、現在の天体物理学の確固たる基礎を築きました。現代では、王立天文学会や、ローレンス・クラウス、スブラマニアン・チャンドラセカール、スティーブン・ホーキング、ヒューバート・リーブス、カール・セーガン、パトリック・ムーアといった著名な教授陣による普及活動により、学生たちは天体物理学に惹きつけられ続けています。初期、後期、そして現在の科学者たちの努力は、若者たちを天体物理学の歴史と科学の研究へと引きつけ続けています。[ 47 ] [ 48 ] [ 49 ] テレビのシットコム番組「ビッグバン★セオリー」は、天体物理学の分野を一般の人々に普及させ、スティーブン・ホーキングやニール・ドグラース・タイソンなどの有名な科学者を取り上げました。
19世紀初頭に活動していた天文学者の大多数は、星を物理的な対象として関心を持っていませんでした。調査すべき物理的特性を持つ物体とは程遠く、星は、主に地上での用途のために、太陽、月、惑星の動きを地図化できる正確で詳細かつ精密な背景を構築するために測定されるマーカーと見なされていました。
4つの水素原子が結合して1つのヘリウム原子を形成すると質量が失われることに気づいていた。アインシュタインの質量とエネルギーの等価性は、これが星のエネルギーを生み出す長年探し求められてきた過程である可能性を示唆する直接的な根拠となった。原子核の構造やこれらの反応のメカニズムが完全には解明されていなかったことを考えると、これは実に素晴らしい推測であった。
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