Физика далёких миров
Астрофизика — наука о физических процессах в космосе: как рождаются и умирают звёзды, что происходит внутри чёрной дыры, почему Вселенная расширяется. Если астрономия наблюдает и каталогизирует небесные объекты, то астрофизика объясняет механизмы — применяя ядерную физику, термодинамику, общую теорию относительности и квантовую механику.
Ключевой инструмент — спектроскопия. Йозеф Фраунгофер (1814) обнаружил тёмные линии в спектре Солнца. Густав Кирхгоф и Роберт Бунзен (1859) доказали: каждый химический элемент оставляет уникальный «отпечаток» в спектре. Так, не летая к звёздам, мы знаем их состав, температуру, скорость и расстояние.
Жизнь звёзд: от протозвезды до сверхновой
Звезда рождается из газопылевого облака, которое сжимается под собственной гравитацией. Когда температура ядра достигает ~10 млн °C, начинается термоядерный синтез: водород превращается в гелий, выделяя энергию (цикл pp или CNO-цикл). Это открыл Ханс Бете в 1939 году — за что получил Нобелевскую премию (1967).
Главная последовательность — стадия стабильного горения водорода. Солнце находится на ней 4,6 млрд лет и проведёт ещё ~5 млрд. Массивные звёзды (>8 солнечных масс) сжигают водород за 10–30 млн лет — в сотни раз быстрее.
После исчерпания водорода судьба зависит от массы. Маломассивные звёзды (как Солнце) раздуваются в красные гиганты, сбрасывают оболочку и оставляют белый карлик — остывающий шар размером с Землю, но массой в полсолнца. Массивные звёзды взрываются сверхновыми: за секунды выделяется энергия, равная излучению всей галактики. Остаток — нейтронная звезда или чёрная дыра.
Чёрные дыры: где физика ломается
Если масса остатка звезды превышает ~3 солнечных масс (предел Оппенгеймера–Волкова), ничто не остановит коллапс — образуется чёрная дыра. Горизонт событий — граница, за которой даже свет не может вырваться. Карл Шварцшильд нашёл это решение уравнений Эйнштейна ещё в 1916 году, но реальность чёрных дыр подтвердилась только в XXI веке.
В 2019 году телескоп Event Horizon (EHT) получил первое изображение чёрной дыры в центре галактики M87 — 6,5 млрд солнечных масс. В 2022 году сфотографировали Стрелец A* — чёрную дыру нашей Галактики (4 млн солнечных масс).
Нейтронные звёзды и пульсары
Нейтронная звезда — шар диаметром ~20 км с массой 1,4–2,1 Солнца. Плотность — 10¹⁴ г/см³: чайная ложка вещества весит ~5 млрд тонн. Быстро вращающиеся нейтронные звёзды излучают узкие пучки радиоволн — пульсары. Первый пульсар открыла Джослин Белл Бернелл в 1967 году.
Двойные пульсары позволили подтвердить общую теорию относительности: Рассел Халс и Джозеф Тейлор (1974) обнаружили, что пара пульсаров сближается ровно так, как предсказал Эйнштейн — из-за потери энергии на гравитационные волны. Нобелевская премия 1993 года.
Гравитационные волны: новое окно во Вселенную
14 сентября 2015 года детекторы LIGO (США) впервые зарегистрировали гравитационные волны — рябь пространства-времени от слияния двух чёрных дыр на расстоянии 1,3 млрд световых лет. Детектор измерил смещение зеркал на 10⁻¹⁸ м — в 1000 раз меньше протона. Рэй Вайсс, Кип Торн и Барри Бэриш получили Нобелевскую премию (2017).
С тех пор обнаружено более 90 событий слияний: чёрных дыр, нейтронных звёзд и смешанных пар. Гравитационная астрономия — третий канал информации о Вселенной после электромагнитного излучения и нейтрино.