С чего начать изучать астрофизику

Астрофизика начинающим

Издательство «Бомбора» представляет книгу Нила Деграсса Тайсона и Грегори Мона «Астрофизика начинающим: как понять Вселенную» (перевод К. Л. Масленникова).

В этой книге американский астрофизик и известный популяризатор науки Нил Деграсс Тайсон объясняет тайны большой физики: как возникла Вселенная, что такое черные дыры и кротовые норы — и существуют ли они, почему скорость света нельзя превысить и как всё устроено в нашем мире. Кроме этого, вы прочтете множество забавных вещей: как астрофизики поздравляют друг друга с днем рождения, почему кварки похожи на назойливых одноклассников, что такое космическая «зона Златовласки» и почему она так называется. Книга «Астрофизика начинающим» адресована подросткам и всем, кто интересуется загадками Вселенной.

Предлагаем прочитать фрагмент главы, посвященной темной материи.

Это одна из главных загадок науки. Сегодня мы не ближе к ее разгадке, чем в 1937 году, когда «проблема скрытой массы» была впервые сформулирована. Тогда американский астрофизик швейцарского происхождения Фриц Цвикки исследовал движения галактик в огромной области пространства в созвездии Волосы Вероники, называемом «скоплением Кома» — «кома» по-латыни и значит «волосы». Это гигантское скопление галактик лежит очень далеко от Земли: луч света из скопления Кома тратит 300 миллионов лет, чтобы попасть в наши телескопы.

Издалека скопление Кома выглядит очень скученным: тысячи галактик обращаются по своим орбитам вокруг его центра, и наблюдателю кажется, что они роятся там, как пчелы вокруг улья.

Галактики удерживаются в этом скоплении силой тяготения — именно она не дает им разлететься в разные стороны. Цвикки измерил силу гравитационного поля внутри скопления, наблюдая движения нескольких десятков относящихся к нему галактик.

Что-то в этих измерениях было не так.

Сила тяготения оказалась слишком велика. Цвикки сложил массы всех галактик скопления, и все-таки, хотя Кома считается одним из самых больших и массивных галактических скоплений во Вселенной, этой суммарной массы не хватило, чтобы оправдать столь сильное тяготение. Чтобы все наблюдаемые галактики не разлетались, массы требовалось гораздо больше, чем ее получалось зафиксировать.

В скоплении должно было быть что-то еще.

Что-то, чего мы не видим.

После Цвикки астрофизики открыли много других галактических скоплений, в которых происходило то же самое. «Скрытая масса» так и остается самой старой неразгаданной тайной в астрофизике.

Правда, в наше время этому неизвестному фактору дали новое название — темная материя.

Когда я был мальчиком, я жил в одном из двух стоявших рядом многоквартирных домов. Мой близкий друг и одноклассник по начальной школе обитал во втором доме. Он научил меня играть в шахматы, покер и в настольные игры «Риск» и «Монополия». Но, что было еще важнее, он показал мне, как пользоваться биноклем, наводить его на Луну и звезды. Потом я сменил бинокль на телескоп и стал наблюдать звезды уже не с крыши дома, а из обсерваторий, расположенных в пустыне или посреди моря. Я полюбил великолепные космические картины, рассыпанные по ночному небу.

Но астрофизик должен думать не только о том, что мы видим. Он занимается и тем, чего мы не видим.

Фриц Цвикки нашел свидетельство присутствия невидимой материи в скоплениях или группах галактик. Спустя много лет, в 1976 году, Вера Рубин, астрофизик из Института естественных наук Карнеги в Вашингтоне, обнаружила скрытую массу и в самих галактиках. Она исследовала спиральные галактики — плоские, дискообразные скопления звезд с яркой сферической выпуклостью в центре и несколькими простирающимися во все стороны спиральными ветвями, полными звезд. Рубин проследила скорости движения этих звезд вокруг центров галактик.

Поначалу она увидела именно то, чего и ожидала. Звезды, более далекие от центра галактики, крепко удерживаемые силой тяготения, обращались вокруг него быстрее, чем те, что были ближе к нему.

Но Рубин наблюдала и области, значительно удаленные от галактического диска. Там гораздо меньше ярких звезд и одинокие облака газа. Так как между этими объектами и внешним краем диска совсем мало видимого вещества, ничего не могло крепко привязывать их к остальной массе вращающейся галактики. Их скорость должна была бы убывать с ростом расстояния от центра звездного города. Но по какой-то непонятной причине на деле их скорость оставалась высокой.

Рубин справедливо рассудила, что в удаленных областях галактик должна находиться какая-то форма скрытой, темной материи, простирающаяся далеко за пределы видимого внешнего края спирального диска, которая и притягивает периферийные объекты, заставляя их двигаться быстрее. Вслед за Верой Рубин мы теперь называем эти таинственные зоны темными гало.

Такое гало находится и буквально у нас под носом — в нашем родном Млечном Пути. Какую бы галактику, какое бы скопление галактик мы ни взяли, всюду различие между суммарной массой вещества, которую мы видим, и массой, должной там присутствовать, судя по величине силы притяжения, оказывается огромным. Космическая темная материя вызывает примерно вшестеро бóльшую гравитацию, чем все видимое вещество. Другими словами, темной материи вшестеро больше, чем обычной.

Так что же такое темная материя?

Мы знаем, что она не может быть обычным веществом из протонов, нейтронов и прочих частиц. Черные дыры и другие космические диковины тоже не годятся. Может, это просто астероиды или кометы? Черные планеты, не связанные ни с какими звездами, странствующие в безднах космоса? У них у всех есть масса, а света они не излучают. Наши приемники их почувствовать не могут. В этом смысле они вполне подходят. Но тогда их должно быть слишком много, а значит, от идеи миллионов планет-бродяг тоже придется отказаться.

Мы знаем и то, что темная материя не может состоять из тех же частиц, что и планеты, люди или гамбургеры, потому что, по-видимому, она не подчиняется тем законам, которым следуют они. Силы, связывающие частицы нашего обычного мира, не действуют на темную материю. Единственный закон, которому темная материя, по-видимому, подчиняется, — это закон тяготения.

А может, нет вообще никакой темной материи, а мы просто не понимаем, что такое тяготение? Может, Ньютон ошибался. И Эйнштейн тоже. Может, это ты, читатель, проезжая мимо яблоневого сада в своей самоуправляющейся роботизированной машине, однажды наконец поймешь, как на деле работает гравитация. Но пока такого не случилось, нам придется иметь дело с теми фактами, которые у нас есть.

И главное, что мы понимаем, — это что темная материя не просто темное с виду вещество.

Это что-то совсем, совсем иное.

Спокойно. Вы не стукнетесь лбом о ком темной материи, пробираясь ночью в туалет по темному коридору. И не споткнетесь об нее на перемене в переполненном учениками холле по пути из одного школьного кабинета в другой, хоть вам, наверное, очень бы хотелось объяснить толпе менее подкованных в современной науке и хохочущих над вашей неловкостью друзей, по какой удивительной причине вы чуть не расквасили себе нос на ровном месте. Темная материя находится в галактиках и скоплениях галактик. Мы не видим никаких ее воздействий на меньшие по размеру объекты, такие как луны и планеты. Гравитацию на Земле можно полностью объяснить веществом у нас под ногами. Уж здесь-то, по крайней мере, Ньютон не ошибся.

Так из чего же состоит темная материя? Что мы о ней знаем? Обычное вещество собирается в атомы, молекулы и дальше в объекты самого разного размера, от крохотных крупинок песка до гигантских космических камней. О темной материи этого сказать нельзя. Если бы она тоже так делала, мы находили бы кусочки и глыбы темной материи повсюду во Вселенной.

Мы бы отыскали кометы из темной материи.

Планеты из темной материи.

Галактики из темной материи.

Мы не знаем, что это такое. Но мы точно знаем, что темная материя нам нужна. И всегда была нужна.

В первые полмиллиона лет после Большого взрыва — а это был всего лишь миг по сравнению с четырнадцaтью миллиардами лет космической истории — вещество во Вселенной уже начало собираться в бесформенные сгустки. Потом эти сгустки станут скоплениями и сверхскоплениями галактик.

За следующие почти полмиллиона лет Вселенная удвоилась в размерах и продолжала расти. В течение этого периода роста два процесса соперничали друг с другом.

С одной стороны, гравитация стремилась стянуть весь мир вместе.

С другой — расширение Вселенной растягивало его в разные стороны.

Одна только гравитация обычного вещества не могла бы выиграть эту битву. Нужна была добавочная сила тяготения темной материи. Без нее мы оказались бы во Вселенной, лишенной каких-либо структур.

В ней не было бы скоплений галактик.

Без темной материи мы вообще не могли бы появиться.

Источник

Научный форум dxdy

Математика, Физика, Computer Science, Machine Learning, LaTeX, Механика и Техника, Химия,
Биология и Медицина, Экономика и Финансовая Математика, Гуманитарные науки

Астрофизика [Литература для начинающих]

Админ форума

Заслуженный участник

Последний раз редактировалось Munin 08.08.2014, 22:25, всего редактировалось 2 раз(а).

Кроме физики, нужны базовые знания по астрономии, чтобы просто знать, что это такое, с чем едят, и с какой стороны на хлеб намазывают.

И дальше, есть учебники по астрофизике. От общих до специализированных.

Чтобы дать более конкретные советы, желательно знать:
— ваш базовый уровень подготовки по физике;
— ваш базовый уровень подготовки по астрономии;
— возможно, какой-то уровень уже по астрофизике.
— какие учебники и другую серьёзную литературу (глубже, чем популярную) вы уже прочитали.

Ещё (для вопросов релятивистской астрофизики, астрофизики высоких энергий, космологии) пригодится в части физической подготовки книжка Окуня «Физика элементарных частиц».

Заслуженный участник

Последний раз редактировалось Munin 09.08.2014, 11:08, всего редактировалось 2 раз(а).

Как видите, это довольно объёмно. Вряд ли получится быстро. Чтобы конкретнее скомпоновать программу, и по вопросам, возникающим во время её прохождения, рекомендую задавать отдельные вопросы в разделах форума «Математика» и «Физика», заводить отдельные темы.

Заслуженный участник

Заслуженный участник

И вообще не астрофизиками, а астрономами, насколько я знаю.

Хотя, наверное, можно заниматься какой-нибудь сравнительно простой небесной механикой двойных звёзд, обрабатывать кучу данных (кстати, а не делает ли это сегодня компьютер?), и зваться астрофизиком.

Последний раз редактировалось andrew_potopolsky 09.08.2014, 20:56, всего редактировалось 1 раз.

Заслуженный участник

Последний раз редактировалось Munin 09.08.2014, 21:21, всего редактировалось 1 раз.

Супермодератор

Несколько запоздалых терминологических и акцентировочных поправок.

Обычно астрофизика считается разделом астрономии, так что и сведения нужны, пожалуй, не базовые, их объем вполне сравним с перечисленным выше списком для физики.

Первое, пожалуй, нужно крайне редко, а вот второе входит в обязательный минимум.

Кроме этого, есть еще одна начисто забытая область: очень полезно уметь пользоваться численнными методами и быть неплохим программистом. 95% теоретических работ сейчас без этого не обходятся, на одной аналитике далеко не уедешь.

Разработкой аппаратуры в идеале должны заниматься инженеры. На практике, конечно, так получается не всегда, и наблюдатель-«заказчик» активно участвует по крайней мере в проектировании приборов.

Заслуженный участник

Очень большое спасибо!

Супермодератор

Последний раз редактировалось Pphantom 16.07.2016, 12:41, всего редактировалось 1 раз.

Заслуженный участник

Очень информативно, спасибо!

Решил остановиться на следующей литературе:

От курса Ландау и Лифшица пока пришлось отказаться, так как изложение материала в нем для меня слишком сложно. Это касается и других рекомендованных серьезных учебников. Правда, отдельные вопросы из них присуствуют в пятитомнике Матвеева (или я ошибаюсь?).

И еще: хотелось бы узнать отношение участников форума к предметным статьям на Википедии. Насколько высоко вы оцениваете их багаж?

Супермодератор

Основы СТО есть в курсе Матвеева, а дальше, если ЛЛ-2 слишком сложен, то двигаться и не придется.

Кто сейчас на конференции

Сейчас этот форум просматривают: нет зарегистрированных пользователей

Источник

Спросите Итана: как стать астрофизиком или космонавтом?

Стивен Робинсон, прикреплённый к МКС, работает в открытом космосе на миссии НАСА STS-114

Все мы в юном возрасте мечтали кем-то стать. Но сколько человек выросло и реально исполнило свои детские мечты? Миллионы людей хотят попасть в космос, но были там лишь несколько тысяч. Дети часто мечтают стать учёными или докторами, но становятся ими немногие. Какой совет можно дать подростку, который хочет стать космонавтом или астрофизиком? Сегодня наш читатель задал такой вопрос:

Я надеюсь, когда вырасту, стать космонавтом или астрофизиком. И я подумал, что было бы неплохо спросить настоящего астрофизика, что означает эта карьера в реальности. И хотя в целом я мечтаю стать космонавтом, я слышал, что эта карьера не подразумевает полную занятость, и если её придётся совмещать с чем-то другим, я, вероятно, предпочёл бы астрофизику. Я бы хотел узнать, что вы знаете о космонавтах и разных астрофизиках, или же есть ещё какие-нибудь занятия, которые вы могли бы порекомендовать подростку, интересующемуся исследованием и приключениями!

Очень обширный вопрос – давайте начнём с изучения вас самих.

Текущие и будущие научные космические миссии

В старших классах вы уже должны знать о себе следующее:

• Ваши сильные стороны,
• Что вас интересует,
• Что вас мотивирует,
• Что кажется вам идеальной мечтой,
• Над чем вы хотите активно трудиться,
• Какие навыки вы хотели бы улучшить,
• И что вы хотели бы изучать так долго, как это возможно.

И поскольку вы задали вопрос мне, постараюсь дать хороший совет.

Пирс Селлерс, миссия НАСА STS-121, перебирается по фермам МКС во время третьего выхода в открытый космос

Если ваши цели – исследование космоса и астрофизика, то в вашем случае необходимо фокусироваться на выработке основных навыков, необходимых вам, чтобы хорошо делать подобную работу. Самый главный из них находится в области решения задач, как в одиночку, так и в группах. В школе мы рассматриваем решение задач как отдельное занятие: дана задача по математике, нужно сесть и решить её. Дано химическое уравнение, нужно найти продукты реакции. Дано эссе, нужно его проанализировать, определить смысл и цель. Вам нужно будет записаться на максимально большое количество продвинутых курсов и научиться решать сложные задачи. Запишитесь на химию, биологию, физику, геологию, математику. Научитесь программировать хотя бы на одном языке. Это уже даст вам большую фору – но не даст вам возможность достичь чего угодно. Такие навыки ценны, но их одних недостаточно.

Программирование быстро превращается в необходимый навык для изучающих точные науки

Их недостаточно потому, что будущие задачи, с которыми вы столкнётесь, будут слишком сложны для того, чтобы решить их самостоятельно. Даже если вы окажетесь самым умным человеком в мире, в дне будет недостаточно часов для того, чтобы вы решили задачи самостоятельно и в ограниченное время. Вам нужно научиться работать в команде. Вам нужно научиться решать небольшие задачи, делающие вклад в общее дело команды, следуя указаниям другого человека. Вам нужно научиться эффективному взаимодействию, то есть, как слушать, так и говорить/писать. И вам нужно демонстрировать лидерские качества в любом диапазоне, от управления собственной командой до ситуации, когда нужно настойчиво, но конструктивно критиковать лидера, ведущего команду в неправильном направлении.

Командная работа крайне важна для будущих космонавтов. Кандидаты в астронавты рассматривают схему, которая поможет им прожить в дикой природе три дня

Изучайте историю, изучайте углублённо родной язык, а также изучите иностранный. Участвуйте в групповых мероприятиях, даже если это просто тусовка в группе несуразных, неуверенных в себе подростков (в 14 лет все такие). Когда старшие классы подойдут к концу, вам будет открыто множество путей. И вот тут пути астрофизика и космонавта расходятся. Можно совестить их, как сделали Джефри Хоффман, Стэн Лав или Джон Грюнсфелд, но это всего лишь три человека за всю историю НАСА, известные мне. (Возможно, есть и другие, но таких – не более 0,1% от всех астронавтов). Это так сложно оттого, что в наши дни астронавтом стать можно тремя способами: став пилотом, став учёным/инженером/доктором, или став чрезвычайно богатым мультимиллионером.

Класс астронавтов НАСА 2009 года. 14 человек – 9 американцев и 5 иностранцев. 25% учащихся из классов 2004 и 2009 года были военными

Если вы хотите стать пилотом космического корабля, идите в армию. Теоретически есть и другие способы набрать достаточно опыта пилотирования сложного оборудования, но с практической точки зрения нужно стать военным пилотом. Если вы хотите именно пилотировать космический корабль – идите в ВВС и получайте как можно больше опыта (лётных часов) и управляйте как можно более передовым аппаратом. Это самый лучший способ стать космонавтом со времён космической программы «Меркурий» и основания НАСА. И это так до сих пор.

Астронавт и инженер НАСА Кэрен Найберг на МКС, использует фундускоп для изучения сетчатки своего глаза

Если вы хотите пойти по пути учёного/инженера/доктора, можно и так. Сейчас НАСА получает по 3 места из каждых 6 мест на борту МКС, одно из которых иногда уходит иностранному партнёру. Единственный способ попасть на это место – стать избранным астронавтом НАСА. А ключ к этому – исполнять функции, требующиеся от космонавта, и обычно они слабо связаны с тем опытом, что вы получаете вне тренировки на космонавтов. НАСА вместо этого смотрит на ваши достижения, сделанные в рамках вашей профессии, на вашу пригодность. Каждый раз, когда НАСА объявляет приём кандидатов, конкурс на каждое из мест достигает нескольких тысяч. Шанс попасть туда равен порядка 0,1%, и в реальности у вас будет только три цикла (шанса) за тот период, который вы будете находиться в нужном возрасте. Существует руководство по максимизации ваших шансов – есть написал Брайан Широ, пытавшийся стать космонавтом, но даже его отсеяли на одном из этапов. Кэди Коулман – учёный, и не астрофизик, попавший в космос, и её инструкцию тоже можно почитать.

Угадайте, кто из них космический турист. Сюрприз – он не в красном костюме, он в первом ряду, второй слева. Это Ги Лалиберте, основатель и руководитель компании Cirque du Soleil

Аспирант Городского университета Нью-Йорка на защите докторской

Но если вы хотите пойти по второму пути и стать астрофизиком? Это, конечно же, возможно – с большим объёмом тяжёлой работы и с небольшим запасом удачи. Вам нужно идти в колледж и специализироваться на физике, астрономии или аэронавтике, а затем в аспирантуру и получить докторскую по астрофизике. Астрофизиков бывает четыре типа: наблюдатели (собирающие данные с телескопов), инструменталисты (разрабатывающие и создающие телескопы, камеры, обсерватории и т.д.), теоретики (работающие над предсказанием и/или объяснением собранных данных) и специалисты по обработке данных (разрабатывающие симуляции и занимающиеся крупномасштабным компьютерным анализом). Многие люди специализируются на одном направлении, но разбираются в двух или даже трёх. Я – теоретик, написавший и запустивший собственные компьютерные симуляции и модифицировавший чужие симуляции много раз, а один раз я участвовал в проекте наблюдения. Работа астрофизика может быть связана с частыми переездами, с большими объёмами ручной работы (особенно для инструменталистов и иногда для наблюдателей), с активным общением с другими людьми и с командной работой.

Сбор данных с телескопов – лишь одна малая часть работы, проводимой астрофизическим сообществом.

Выработка навыков космонавтов не имеет прямого отношения к астрофизике, но если вам этого хочется, вы можете этим заниматься. И в любой момент вашего развития важны не оценки или соревнования с одноклассниками – важно то, что вы узнаёте, чего достигаете, и что вы можете продемонстрировать.

Но по мере получения жизненного опыта и следования по выбранной вами дороге вы можете понять, что этот путь вам не по душе. Множество людей начинают с реализации своих мечтаний, превращают их в цели, но большая часть обнаруживает, что они не приносят им желаемого удовольствия. Возможно, есть что-то более интересное. Возможно, ежедневный труд гложет вашу душу. Возможно, большой цели недостаточно для оправдания вашей тяжёлой, монотонной работы. Или, возможно, в случае с космонавтом, вы вырастите слишком большим или наберёте слишком большой вес (да, для них существуют ограничения по физическим параметрам). Я не смогу помочь вам в том, чтобы справиться с такой проблемой – могу сказать только, что не бойтесь встретить кризис. Не бойтесь осознать того факта, что то, чем вы занимаетесь, может вам не подходить, и вам, возможно, придётся отступить и выбрать другое направление в жизни.

Космонавты Тома Песке, Олег Новицкий и Пегги Уитсон после проверки скафандров на космодроме Байконур перед отправкой на МКС в ноябре 2016.

Вы встретите людей, которые скажут, что вы неудачник, если вы не реализовали имевшейся у вас мечты – а я говорю вам, не обращайте на них внимания. Возможно, все промежуточные шаги вам понравятся, и вы захотите продолжать заниматься этим, пока возможно – тогда успехов вам. Но если вы обнаружите, что несчастливы, не удовлетворены и расстроены мыслью о необходимость возвращаться к работе, которая вас не интересует – не бойтесь отойти назад и попробовать что-нибудь новое. Вы должны стремиться к жизни, которая вам нравится, но если жизнь, которую вам хочется иметь, станет отличаться от той, что вам хотелось иметь раньше – не думайте, что обязаны оставаться на том же пути, если путешествие перестало приносить вам удовольствие. Мы свободны в выборе наших приключений на жизненном пути, и выбирать каждый свой последующий шаг. Ведь, согласно бессмертным словам Фрэнка Заппы (не космонавта):

Если ваша жизнь окажется скучной и жалкой оттого, что вы слушались маму, папу, учителя, священника, какого-то чувака из телевизора, говоривших вам, как и что делать – то так вам и надо.

Прим. перев.: к слову, в России путь в космонавтику не сильно отличается. Можно окончить высшее учебное заведение с технической специальностью и устроиться работать в РКК ”Энергия” имени С.П. Королева. Проявив себя там, подать заявку в специальную комиссию, которая отвечает за подготовку космонавтов. Второй способ – получить высшее образование, не связанное с устройством космических кораблей, но востребованное на орбите. К примеру, сейчас наиболее востребованные специалисты — это физики и биологи. Третий вариант – военная авиация, пилот.

Кстати, Роскосмос объявил набор в отряд космонавтов. Их будут готовить к полету на Луну. Конкурс пока идёт и продлится до конца этого года. На место в отряде космонавтов могут претендовать граждане России не старше 35 лет с высшим образованием. Приоритетом пользуются специалисты с опытом работы в авиационной и ракетно-космической промышленности. Кандидаты также должны знать английский язык и уметь обращаться с компьютером.

Итан Сигель – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].

Источник