Astrofizik

Astrofizik (bahasa Inggeris: "astrophysics") merupakan salah satu cabang astronomi yang melibatkan fizik alam semesta, termasuklah ciri-ciri fizikal (keamatan, ketumpatan, suhu dan komposisi kimia) bagi objek samawi seperti bintang, galaksi, dan medium antara najam serta interaksi mereka. Pengajian kosmologi pula merupakan teori astrofizik pada skala yang luas yang kini dimainkan peranan oleh teori kerelatifan am Albert Einstein.

Disebabkan astrofizik merupakan subjek yang sangat luas, ahli astrofizik lazimnya mengambil banyak bidang fizik, termasuklah mekanik, keelektromagnetan, mekanik statistik, fizik nuklear dan zarah serta fizik atom, molekul dan optik. Sebagai amalan, kajian astrofizik moden melibatkan banyak cabang fizik.

Sejarah

Walaupun astronomi sama seperti catatan tentangnya juga, ia telah lama dipisahkan dari fizik. Dalam pandangan Aristotle, dunia samawi lebih cenderung kepada penyempurnaan—jasad di langit kelihatan seperti sfera lengkap yang bergerak dalam orbit yang sempurna bulat—manakala dunia lebih kepada kurang sempurna; kedua-duanya kelihatan tidak berkaitan.

Aristarchus dari Samos (kk.310 – kk.250 SM) menjadi orang pertama menyatakan bahawa pergerakan jasad samawi boleh diterangkan dengan menganggap Bumi dan semua planet lain dalam sistem suria mengelilingi matahari. Malangnya, dalam dunia geosentrik ketika itu, teori heliosentrik Aristarchus dibuang dan dicerca, dan berabad lamanya, kenyataan ketara yang diterima akal menunjukkan bahawa matahari dan planet lain mengelilingi Bumi dan semua itu tidak lagi dipersoalkan. Kemudian, seorang ahli astronomi yang bernama Nicolaus Copernicus, mendedahkan model heliosentrik pada abad ke-16. Pada 1609, Galileo Galilei menemui empat bulan tercerah bagi Musytari, dan mencatatkan orbit mereka pada planet tersebut, dan ini bercanggahan dengan dogma geosentrik bagi Gereja Katolik pada masa itu. Bagaimanapun, dia terlepas daripada hukuman berat setelah menyatakan bahawa astronominya hanya sebuah kerja matematik, dan bukan ilmu alam (fizik) yang menjadikannya abstrak semata-mata.

Kewujudan data cerapan yang jitu (kebanyakannya dari cerapan Tycho Brahe) membolehkan kajian terhadap penjelasan bagi perlakuan objek yang dicerap. Pada mulanya, hanya peraturan empirik yang dijumpai, iaitu hukum gerakan planet Kepler, muncul pada awal abad ke-17. Abad seterusnya, Isaac Newton menyambungkan jurang antara hukum Kepler dan dinamik Galileo dan menemui hukum yang sama menguasai dinamik objek di Bumi turut menguasai gerakan planet dan bulan. Mekanik samawi, penglibatan graviti Newton dan hukum Newton yang menerangkan hukum gerakan planet Kepler merupakan penyatuan fizik dan astronomi.

Selepas Isaac Newton menerbitkan bukunya, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, pelayaran maritim telah berubah. Bermula sekitar 1670-an, seluruh dunia telah dikira dengan menggunakan peralatan latitud moden dan jam yang terbaik ketika itu. Keperluan pelayaran itu lantas menyediakan panduan bagi pencerapan dan peralatan astronomi yang lebih tepat dan menyediakan lebih banyak latar belakang data bagi saintis.

Pada penghujung abad ke-19, telah ditemui, apabila diasingkan cahaya daripada matahari, garisan spektrum telah diperhatikan (kawasan kurang datau tiada cahaya). Uji kaji dengan gas panas menunjukkan bahawa garis yang sama boleh dicerap dalam spektrum gas, garis tertentu yang mengaitkan dengan unsur kimia. Dengan cara ini, telah dinyatakan bahawa bahan kimia telah ditemui dalam matahari (kebanyakannya Hidrogen) yang turut terdapat di Bumi. Malah, unsur helium pertama kali ditemui di matahari dan kemudian di Bumi, yang menjadikannya nama unsur tersebut. Ketika abad ke-20, spektroskopi (kajian tentang garis spektrum) berkembang, lebih lagi setelah kemunclan fizik kuantum yang amat diperlukan untuk memahami cerapan uji kaji dan astronomi.

Astrofizik cerapan

Kebanyakan cerapan astrofizik menggunakan spektrum elektromagnet.

• Astronomi radio mengkaji sinaran dengan panjang gelombang yang lebih dari beberapa millimeter. Gelombang radio sering dipancarkan oleh objek sejuk, termasuk gas antara najam dan awan habuk. Sinaran latar belakang gelombang mikro kosmik merupakan cahaya anjakan merah dari Letupan Besar. Pulsar pula kali pertama dikesan pada frekuensi gelombang mikro. Kajian tentang gelombang ini memerlukan teleskop radio yang sangat besar.
• Astronomi inframerah mengkaji de ngan panjang gelombang yang terlalu panjang untuk dilihat tetapi lebih kecil dari gelombang radio. Cerapan inframerah sering dibuat dengan teleskop yang sama dengan teleskop optik. Objek yang lebih sejuk berbanding bintang (seperti planet) lazimnya dikaji dengan frekuensi infra merah.
• Astronomi optik merupakan astronomi tertua. Teleskop yang dipasangkan dengan spektroskop adalah peralatan yang paling biasa. Atmosfera Bumi agak mengganggu cerapan optik, maka optik tambahan dan teleskop angkasa digunakan untuk mengekalkan mutu imej sebaik mungkin. Dalam julat ini, bintang amat mudah dilihat,m dan kebanyakan spektrum kimia boleh dicerap untuk mengkaji komposisi bintang, galaksi dan nebula.
• Astronomi ultraungu, sinar-X dan sinar gama mengkaji proses tenaga seperti pulsar binari, lohong hitam, magnetar, dan banyak lagi. Sinaran seperti ini tidak menembusi atmosfera Bumi. Terdapat dua kebarangkalian untuk mencerap bahagian spektrum elektromagnet ini—teleskop pangkalan angkasa dan teleskop pengimejan udara Cherenkov pangkalan bumi, (IACT). Balai cerap yang pertama jenis itu ialah RXTE, Balai Cerap Sinar-X Chandra dan Balai Cerap Sinar Gamma Compton. IACT adalah, sebagai contoh, teleskop Sistem Stereoskop Bertenaga Tinggi (H.E.S.S.) dan teleskop MAGIC teleskop.

Selain sinaran elektromagnet, beberapa perkara mungkin boleh dicerap di Bumi yang berasal dari jarak yang terlampau jauh. Beberapa cerapan gelombang kegravitian telah dibentuk, tetapi gelombang itu amat sukar untuk dikesan. Pencerapan neutrino juga telah dibina, utamanya untuk mengkaji matahari kita. Sinar kosmos mengandungi zarah bertenaga tinggi yang boleh dicerap menghentam atmosfera Bumi.

Cerapan juga boleh berubah dalam skala masa. Kebanyakan cerapan optik mengambil masa berminit hingga berjam, maka fenomena yang mengubah lebih cepat daripada ini tidak boleh dicerap. Walau bagaimanapun, data sejarah tentang data bagi sesetengah objek masih wujud merentasi abad atau alaf. Bagi cerapan lain pula, cerapan radio mungkin melihat keadaan pada skala milisaat (pulsar milisaat) atau merangkumi data bertahun (kajian nyahpecutan pulsar). Maklumat yang diperoleh dari skala masa ini sangat berbeza.

Pengajian tentang matahari kita mempunyai tempat yang khas dalam astrofizik cerapan. Disebabkan jarak yang terlampau jauh bagi bintang lain, matahari boleh dicerap dalam perincian yang tidak selari dengan bintang lain. Pemahaman kita tentang matahari kita sendiri menjadi panduan terhadap pemahaman kepada bintang lain.

Topik tentang bagaimana bintang berubah, atau evolusi najam, sering dimodel dengan meletakkan pelbagai jenis bintang dalam perspektif kedudukan mereka dalam rajah Hertzsprung-Russell, yang boleh dilihat sebagai perwakilan keadaan objek najam, dari kelahiran hingga kemusnahan. Komposisi bahan bagi objek boleh diperiksa menggunakan:

• Spektroskopi
• Astronomi radio
• Astronomi neutrino (prospek masa depan)