АСТРОФ'ИЗИКА, астрофизики, мн. нет, ·жен. (от ·греч. astron - звезда и слова физика) (астр.). Отдел астрономии, изучающий физические и химические свойства небесных тел.

раздел астрономии, изучающий физические явления, происходящие в небесных телах, их системах и в космическом пространстве, а также химические процессы в них. А. включает разработку методов получения информации о физических явлениях во Вселенной, сбор этой информации (главным образом путём астрономических наблюдений), её научную обработку и теоретическое обобщение. Теоретическая А., занимаясь обобщением и объяснением фактических данных, полученных наблюдательной А., пользуется законами и методами теоретической физики. Совокупность методов наблюдательной А. часто называют практической А.

В отличие от физики, в основе которой лежит эксперимент, связанный с произвольным изменением условий протекания явления, А. основывается главным образом на наблюдениях, когда исследователь не имеет возможности влиять на ход физического процесса. Однако при изучении того или иного явления обычно представляется возможность наблюдать его на многих небесных объектах при различных условиях, так что в конечном счёте Л. оказывается в не менее благоприятном положении, чем экспериментальная физика. Во многих случаях условия, в которых находится вещество в небесных телах и системах, намного отличаются от доступных современным физическим лабораториям (сверхвысокие и сверхнизкие плотности, высокие температуры и т. п.). Благодаря этому астрофизические исследования нередко приводят к открытию новых физических закономерностей.

Исторически сложилось разделение наблюдательной А. на отдельные дисциплины по двум признакам: по методам наблюдения и по объектам наблюдения. Различным методам посвящены такие дисциплины, как Астрофотометрия, Астроспектроскопия, Астроспектрофотометрия, Астрополяриметрия, Астроколориметрия, Рентгеновская астрономия, Гамма-астрономия и др. Примером дисциплин, выделенных по объекту исследования, могут служить: физика Солнца (См. Солнце), физика Планет, физика туманностей галактических (См. Туманности галактические), физика звёзд и др.

По мере развития техники космических полётов в астрофизических исследованиях всё большую роль играет Внеатмосферная астрономия, основанная на наблюдениях с помощью инструментов, размещенных на искусственных спутниках Земли и космических зондах. С развитием космонавтики появилась возможность устанавливать такие инструменты также и на других небесных телах (прежде всего на Луне). На этой же основе предполагается развитие экспериментальной астрономии. На грани наблюдательной и экспериментальной астрономии находятся Радиолокационная астрономия (радиолокация метеоров, Луны, ближайших к Земле планет), а также лазерная астрономия, получающие информацию о небесных телах, используемую в А., путём их искусственного освещения пучками электромагнитных волн.

Астрофизические открытия, вскрывающие в природе новые формы существования материи и новые формы её естественные организации, являются блестящим подтверждением фундаментального тезиса диалектического материализма о качественной неисчерпаемости материи.

Ведущими центрами астрофизических исследований в СССР являются: Крымская астрофизическая обсерватория АН СССР, Астрономическая обсерватория Пулковская АН СССР Главная, Абастуманская астрофизическая обсерватория АН Грузинской ССР и Бюраканская астрофизическая обсерватория АН Армянской ССР. Важные работы в области А. ведутся также в Московском и Ленинградском университетах. Быстро развиваются астрофизические исследования в астрономических учреждениях в Алма-Ате, Душанбе, Шемахе, Риге. Возродившаяся в последние десятилетия одна из старейших обсерваторий нашей страны в Тарту (ныне в Тыравере) в основном также занимается астрофизическими исследованиями. Работы по А. ведутся также на Серпуховской радиоастрономической обсерватории (См. Серпуховская радиоастрономическая обсерватория) и на Зименковской радиоастрономической обсерватории (См. Зименковская радиоастрономическая обсерватория). Среди иностранных научных учреждений, ведущих астрофизические исследования, видное место занимают: Маунт-Паломарская астрономическая обсерватория и Ликская астрономическая обсерватория в США, обсерватория Сен-Мишель и Парижский астрофизический институт во Франции, Ондржейовский астрономический институт в Чехословакии, астрономическая обсерватория Конколи в Венгрии, радиоастрономические обсерватории в Кембридже и Джодрелл-Банке в Великобритании и в Парксе в Австралии и др.

Историческая справка. Уже во 2 в. до н. э. звёзды, видимые невооруженным глазом, были в зависимости от их блеска разделены на 6 классов (звёздные величины (См. Звёздная величина)). По существу это разделение, позже уточнённое и распространённое на более слабые звёзды и на невизуальные способы приёма излучений, легло в основу современной астрофотометрии. Ещё до изобретения телескопа были описаны солнечные протуберанцы в русских летописях (12 в.), открыты новые и сверхновые звёзды в Галактике (в частности, тщательные наблюдения Сверхновой 1572 в Кассиопее были произведены датчанином Тихо Браге и пражским астрономом Т. Гайеком), яркие кометы. Изобретение телескопа позволило получить ценные сведения о Солнце, Луне и планетах. Обнаружение фаз Венеры Г. Галилеем и атмосферы Венеры М. В. Ломоносовым имело огромное значение для понимания природы планет. Детальные исследования тёмных линий в спектре Солнца немецким учёным И. Фраунгофером (1814) явились первым шагом в получении массовой спектральной информации о небесных телах. Её ценность была признана после работ Г. Кирхгофа и Р. Бунзена (Германия) по спектральному анализу (1859-62). С начала 90-х гг. 19 в. большинство крупнейших телескопов мира было снабжено щелевыми спектрографами для изучения спектров звёзд с высокой дисперсией, и фотографирование спектров звёзд и других небесных светил составило основную часть программы наблюдений с помощью этих инструментов. Этому посвятили свои работы пионеры современной астрофизики: русский астроном А. А. Белопольский, Г. Фогель (Германия), У. Кэмпбелл и Э. Пикеринг (США) и др. В результате их исследований были определены лучевые скорости (См. Лучевая скорость) многих звёзд, открыты спектрально-двойные звёзды, найдено изменение лучевых скоростей цефеид (См. Цефеиды), заложены основы спектральной классификации звёзд (См. Спектральная классификация звёзд).

Быстрое развитие лабораторной спектроскопии и теории спектров атомов и ионов на основе квантовой механики привело в 1-й половине 20 в. к возможности интерпретации звёздных спектров и к развитию на этой основе физики звёзд и в первую очередь - физики звёздных атмосфер. Основы теории ионизации в звёздных атмосферах заложил в 1-й четверти 20 в. индийский физик М. Саха.

Появление в 1-й четверти 20 в. теоретической А., основателями которой считаются немецкий астроном К. Шварцшильд и английский астроном А. Эддингтон, и сосредоточение её главных усилий на физике звёздных атмосфер и строении звёзд усилили интерес к изучению звёздных спектров. Этот процесс продолжался до середины века, когда наряду со спектральными исследованиями важную роль в астрономических исследованиях стали играть методы, развиваемые в радиоастрономии (См. Радиоастрономия), внегалактической астрономии (См. Внегалактическая астрономия), а также внеатмосферной астрономии (См. Внеатмосферная астрономия).

С начала 2-й четверти 20 в. в результате отождествления запрещенных линий в спектрах газовых туманностей и расширения исследований межзвёздного поглощения, впервые изученного русским астрономом В. Я. Струве (1847), начала быстро развиваться физика межзвёздного вещества, а методы радиоастрономии открыли для этой области А. неограниченные возможности (наблюдения радиоизлучения нейтрального водорода с длиной волны 21 см и др.).

Уже в 20-х гг. 20 в., благодаря работам Э. Хаббла (США), была окончательно доказана внегалактическая природа спиральных туманностей. Эти небесные объекты, Галактики, представляющие собой гигантские конгломераты звёзд и межзвёздного вещества, изучают как оптическими, так и радиоастрономическими методами; оба метода дают одинаково важную и взаимно дополняющую информацию, хотя последний и уступает первому в отношении количества информации. С конца 40-х гг. 20 в. для фотографирования неба стали применять крупные рефлекторы, обладающие большим полем зрения (телескопы Шмидта и Максутова), благодаря чему появилась возможность массового изучения галактик и их скоплений. Исследования, выполненные на Маунт-Паломарской обсерватории в США (В. Бааде, Цвикки, Сандидж), на Бюраканской астрофизической обсерватории АН Армянской ССР (В. А. Амбарцумян, Б. Е. Маркарян и др.) и в Астрономическом институте им. П. К. Штернберга в Москве (Б. А. Воронцов-Вельяминов), а также наблюдения на радиоастрономических обсерваториях в Кембридже (Великобритания) и в Парксе (Австралия) вскрыли огромное разнообразие форм галактик и проходящих в них физических процессов. Открытие во 2-й половине 50-х гг. грандиозных взрывных процессов, являющихся проявлением активности ядер галактик, поставило перед теоретическую А. задачу их объяснения. В 1-й половине 60-х гг. были открыты квазизвёздные радиоисточники (квазары). Изучение квазаров и ядер галактик показало, что и те и другие по своей природе в корне отличаются от звёзд, планет и межзвёздной пыли или газа. Новые явления, наблюдаемые в них, настолько своеобразны, что к ним не всегда применимы сложившиеся физические представления. Благодаря этим и ряду других открытий А. переживает, по существу, революцию, по своему значению сравнимую с революцией в астрономии времён Коперника - Галилея - Кеплера - Ньютона и с тем переворотом, который пережила физика в 1-й трети 20 в. Развитие внеатмосферной астрономии значительно обогатило методы планетной астрономии, фотографирование обратной стороны Луны (1959, СССР), первый запуск научной аппаратуры на Луну и получение снимков лунных пейзажей (1966, С1ССР), снимки Марса с близкого расстояния (1965, США), достижение советским космическим зондом нижних слоев атмосферы Венеры (1967, СССР), высадка космонавтов на Луну и начало прямых исследований лунного грунта (1969, США) - таковы первые выдающиеся результаты в этой области астрономии.

Исследования тел Солнечной системы. Среди больших планет наиболее полно изучена Земля, являющаяся предметом исследований геофизики (См. Геофизика). Сведения об остальных восьми планетах до середины 20 в. оставались относительно скудными. Однако развитие исследований, опирающихся на наблюдения с помощью космических зондов, позволит уже в ближайшем будущем изменить это положение. При решении различных задач, связанных с изучением строения и состава планетных атмосфер наземными методами, в А. часто применяют те же наблюдательные и теоретические методы, что и в геофизике (в частности, методы изучения верхних слоев земной атмосферы). Особенный интерес представляют спектральные исследования планет, обладающих атмосферным покровом. В результате таких исследований установлены коренные различия в составе атмосфер планет. В частности, выяснилось, что в атмосфере Юпитера основной составляющей является аммиак, в атмосфере Венеры - углекислый газ, в то время как на Земле преобладают молекулярные азот и кислород. Обнаружение больших кратероподобных образований на Марсе (с помощью космических зондов "Маринер", США) ставит задачу создания общей теории возникновения рельефа на планетах и Луне. Существуют две противоположные теории происхождения кратеров на Луне и Марсе. Одна приписывает их образование вулканизму, другая - удару гигантских метеоритов. В результате открытия новых свидетельств в пользу вулканизма на Луне первая из них находит всё больше сторонников. Сведения об особенностях рельефа планет, а также о законах их вращения и некоторые др. доставляют радиолокационные наблюдения [В. А. Котельников (СССР) и др.].

Большинство спутников планет, так же как и все малые планеты, не имеет атмосфер, т. к. сила тяжести на их поверхности недостаточна для удержания газов на них. Малые же угловые размеры этих тел не позволяют изучать; детали их поверхностей. Поэтому единственная информация о физике этих тел основана на измерениях их интегральной отражательной способности в различных участках спектра. Изменения их блеска дают нам сведения об их вращении.

Большой интерес представляют собой явления, возникающие при приближении комет к Солнцу. В результате процессов сублимации, происходящих под воздействием солнечного излучения, из ядра кометы выделяются газы, образующие обширную голову кометы. Воздействие солнечного излучения и, по-видимому, солнечного ветра (См. Солнечный ветер) обусловливает образование хвоста, иногда достигающего миллионов километров в длину. Выделенные газы уходят в межпланетное пространство, вследствие чего при каждом приближении к Солнцу комета теряет значительную часть своей массы. В связи с этим кометы, особенно короткопериодические, рассматриваются как объекты, обладающие небольшой продолжительностью жизни, измеряемой тысячелетиями или даже столетиями (С. К. Всехсвятский и др.). Изучение происхождения и развития системы комет позволит сделать заключения, относящиеся к эволюции всей Солнечной системы.

Физика Солнца. Физические процессы, происходящие в Солнце, практически независимы от воздействия окружающей среды. Развитие Солнца, по крайней мере в нынешнюю эпоху, обусловлено его внутренними закономерностями. Выяснено, что внутри Солнца, так же, как и внутри всех звёзд, имеются источники тепловой энергии (ядерной природы), благодаря которым вещество Солнца (звёзд) нагревается до высокой температуры. Вследствие этого происходит испускание лучистой энергии наружу. Устанавливается равновесие между мощностью излучения Солнца (звёзд) и суммарной мощностью находящихся в нём источников тепловой энергии. В то же время проявления солнечной активности - излучения Солнца, испускание им потоков частиц с "вмороженными" в них магнитными полями - оказывает существенное влияние на развитие всех тел Солнечной системы. Объектами детального изучения являются различные образования в атмосфере Солнца: солнечные пятна, факелы, протуберанцы. Особый интерес представляют кратковременные хромосферные вспышки, длящиеся обычно несколько десятков минут и сопровождающиеся выделением значительного количества энергии. Корпускулярные потоки, связанные с активными областями Солнца, были изучены на Крымской астрофизической обсерватории АН СССР (Э. Р. Мустель). Во внешних слоях Солнца происходят постоянные изменения магнитных полей. Исследования, проведённые на этой же обсерватории (А. Б. Северный), позволили установить связь между вспышками и быстрыми изменениями в строении магнитного поля в данной части солнечной поверхности. Теоретические исследования показали, что перенос энергии в Солнце (так же, как и в звёздах) происходит главным образом путём испускания и поглощения излучения. На этом выводе построена теория лучистого равновесия Солнца, относящаяся как к внешним, так и к внутренним слоям Солнца.

Важнейший вопрос физики Солнца (так же, как и звёзд) - природа источников энергии. Энергия гравитационного сжатия оказалась недостаточной. Гипотеза, по которой источником солнечной энергии являются термоядерные реакции, с количеств, стороны может удовлетворительно объяснить излучение в течение миллиардов лет; тем не менее она нуждается в окончательной проверке. Полное выяснение природы источников солнечной и звёздной энергии будет иметь огромное значение для решения вопросов эволюции Солнца и звёзд.

Ввиду научного значения изучения физических процессов, происходящих в поверхностных слоях Солнца, и их влияния на верхние слои земной атмосферы, обсерватории многих стран объединились для систематического наблюдения этих процессов всеми доступными методами, организовав круглосуточную службу Солнца.

Физика звёзд. При изучении звёзд важную роль играют представления о строении Солнца, которые модифицируются таким образом, чтобы они удовлетворяли фотометрическим и особенно спектральным данным о звёздах. Вследствие разнообразного характера спектральной информации в конечном счёте удаётся найти однозначное решение этой проблемы. К настоящему времени классифицированы спектры более чем миллиона звёзд. Спектральная классификация звёзд была впервые разработана в начале 20 в. на Гарвардской обсерватории (США), а затем совершенствовалась и уточнялась. Главным признаком при этой классификации является наличие тех или иных спектральных линий и их относительные интенсивности.

Интересными объектами являются т. н. белые карлики, имеющие относительно высокую поверхностную температуру (от 7000° до 30 000°) и низкую светимость, во много раз меньшую светимости Солнца (см. Светимость звезды). Средние плотности некоторых белых карликов более чем в миллион раз превосходят плотность воды. В дальнейшем теоретически была установлена возможность конфигураций звёздных масс, состоящих из вырожденного газа нейтронов и даже пшеронов. Плотности таких конфигураций должны достигать 10¹⁴-10¹⁵ плотности воды. Однако в течение многих лет такие конфигурации не смогли быть обнаружены. Лишь в 1967 были обнаружены Пульсары - объекты, испускающие с периодом переменности, измеряемым в одних случаях секундами, а в других - долями секунды. Имеются серьёзные основания предполагать, что это и есть сверхплотные конфигурации.

Особый интерес представляют Переменные звёзды, у которых меняется блеск и спектр. В тех случаях, когда такие изменения носят периодический или приблизительно периодический характер, они объясняются пульсациями, т. е. последовательными расширениями и сжатиями звезды. Более глубокие изменения происходят в нестационарных звёздах (См. Нестационарные звёзды), многие из которых являются молодыми звёздами, находящимися в процессе становления. Важное значение имеют звёзды типа RW Возничего, обнаруживающие совершенно неправильные изменения блеска и входящие в состав Т-ассоциаций (см. Звёздные ассоциации), возраст которых не превосходит 10 млн. лет. На более поздней стадии развития многие из этих звёзд, имея нормально постоянную яркость, переживают время от времени вспышки, длящиеся всего несколько мин, когда их яркость увеличивается до нескольких раз, а иногда (в коротковолновой части спектра) в сотни раз. Примером звезды, находящейся в этой стадии, является переменная звезда UV Кита. В то время как нормальное излучение звёзд имеет чисто тепловую природу, энергия, выделенная во время вспышек, имеет явно нетепловое происхождение. Ещё более грандиозные процессы выделения энергии происходят при вспышках новых звёзд (См. Новые звёзды) и сверхновых звёзд (См. Сверхновые звёзды). Во время вспышек сверхновых за промежуток времени порядка 1 мес выделяется 10⁴² дж (10⁴⁹эрг). Во время вспышек новых и сверхновых звёзд происходит выбрасывание расширяющихся газовых оболочек. Вспышки так называемых новоподобных переменных звёзд, в частности звёзд типа SS Лебедя, занимают по масштабам промежуточное положение между вспышками новых звёзд и звёзд типа UV Кита.

Физика туманностей. Довольно подробно изучены физические процессы, происходящие в газовых туманностях, освещенных горячими звёздами. Эти процессы сводятся по существу к флуоресценции под влиянием ультрафиолетового излучения горячих звёзд. Что касается газовых туманностей, не освещенных горячими звёздами, то их исследование возможно благодаря тому, что они излучают радиолинию водорода с длиной волны 21 см. В большинстве газовых туманностей присутствует также и пылевое вещество, состоящее из твёрдых частиц. Если газопылевая туманность освещена звездой относительно низкой температуры, излучение которой не может вызвать флуоресценцию газа, то наблюдается отражение света освещающей звезды от пылевой компоненты туманности. В таких случаях спектр туманности является репродукцией спектра звезды. В Галактике наблюдаются также радиотуманности, испускающие непрерывный спектр в радиодиапазоне; такое излучение связано с торможением релятивистских электронов в магнитных полях - так называемое синхротронное излучение (исследования советского астронома И. С. Шкловского и др.). Эти туманности возникли вследствие вспышек сверхновых звёзд; таковы Крабовидная туманность и радиоисточник Кассиопея А. Продолжительность их жизни измеряется всего тысячами, а иногда даже только сотнями лет.

Физика внегалактических объектов. В начале изучения галактики рассматривались как механические конгломераты звёзд и туманностей. Поэтому обсуждались лишь вопросы их внутренней кинематики и динамики. Однако вскоре было выяснено, что существует определённая связь между формой галактик (эллиптическая, спиральная, неправильная) и классами входящих в них звёзд ("звёздного населения"), в частности наличием в них молодых звёзд - голубых гигантов. В рукавах спиральных галактик наблюдаются большие неоднородности, О-ассоциации, представляющие собой системы, состоящие из молодых звёзд и туманностей. Их возникновение связано, по-видимому, с глубокими физическими процессами, при которых большие массы до-звёздного вещества превращаются в обычные звёзды. Изучение этих процессов является одной из труднейших нерешенных проблем А.

Начиная с середины 20 в. стала выявляться большая роль ядер галактик в их эволюции. Установлено существование различных форм активности ядер, в частности гигантские взрывы, при которых выбрасываются огромные облака релятивистских электронов. В результате таких взрывов обычные галактики превращаются в радиогалактики. Происходит также выбрасывание облаков и струй обычного газа. Все эти явления свидетельствуют о том, что в ядрах галактик происходят весьма глубокие процессы превращений вещества и энергии.

Открытие квазизвёздных источников радиоизлучения (квазаров), так же как квазизвёздных чисто оптических объектов, привело к обнаружению ещё более глубоких процессов. Прежде всего оказалось, что среди квазаров имеются объекты, которые испускают в 10¹³ раз более мощное излучение, чем Солнце, и в сотни раз более яркое, чем сверхгигантские галактики. Квазары испытывают относительно быстрые изменения блеска, что говорит об их небольших диаметрах (непрерывный спектр излучается из объёма диаметром не более 0,2 парсек). Во многих отношениях квазары схожи с наиболее активными ядрами галактик, только масштабы явлений в них больше. Массы квазаров неизвестны. Однако, рассматривая их как очень большие, изолированные ядра, можно принять, что они составляют 10¹¹масс Солнца и больше.

Теоретическая астрофизика. Цель теоретической А. - объяснение изучаемых А. явлений на основе общих законов физики. При этом она пользуется как методами, уже разработанными в теоретической физике, так и специальными методами, разработанными для изучения явлений в небесных телах и связанными со специфическими свойствами этих тел. Поскольку вся информация об астрофизических процессах получается на основе регистрации достигающего нас излучения, то первая задача теоретической А. - прямое истолкование результатов наблюдений и составление на первом этапе внешней картины развёртывающегося процесса (например, наблюдения блеска и спектров новых звёзд удалось истолковать на основе представления о выбросе наружных слоев звезды в окружающее пространство). Однако конечная её цель - выяснение механизма и причин явления (в приведённом примере - причины взрыва, который приводит к выбрасыванию оболочки). Основным отличием процессов, изучаемых А., в большинстве случаев является существенная роль взаимодействия вещества с излучением. Поэтому теоретическая А., наряду с решением конкретных задач, разрабатывает также общие методы исследования этого взаимодействия. В то время, как теоретическая физика интересуется элементарными процессами этого типа, А. изучает результаты многократного и сложного взаимодействия в больших системах; так, теория переноса излучения в материальной среде, которая применяется и в других разделах физики, достигла большого совершенства именно в А. Успешное развитие в трудах советских астрономов В. В. Соболева и др. теории переноса излучения в спектр, линиях позволило установить точные закономерности образования в звёздных атмосферах линий поглощения и линий излучения. Таким образом стала возможной количественная интерпретация звёздных спектров. Разработаны также общие методы вычисления состояний равновесия звёздных масс. Большие работы по конфигурациям равновесия газовых звёзд выполнены М. Шварцшильдом (США) и А. Г. Масевич (СССР). Теория вырожденных конфигураций, в которой учитывается вырождение электронного газа, была разработана во 2-й четверти 20 в. Э. Милном (Великобритания) и С. Чандрасекаром (Индия). В случае сверхплотных конфигураций (в которых вырожден уже барионный газ) расчёты следует вести на основе общей теории относительности. Эти вопросы так же, как и теоретические исследования, касающиеся процесса расширения Вселенной в целом, составляют новую отрасль теоретической А., получившую название релятивистской астрофизики (См. Релятивистская астрофизика).

Результаты астрофизических исследований публикуются главным образом в трудах обсерваторий, а также в специальных журналах, среди которых основные: "Астрономический журнал" (М., с 1924), "Астрофизика" (Ер., с 1965), "Astrophysical Journal" (Chi., с 1895), "Monthly Notices of the Royal Astronomical Society" (L., с 1827), "Annales d'astrophysique" (P., с 1938-68), "Zeitschrift fur Astrophysik" (В., с 1930-44) и др.

Лит.: Курс астрофизики и звездной астрономии, т. 1-3, М.-Л., 1951-64; Соболев В. В., Курс теоретической астрофизики, М., 1967; Амбарцумян В. А., Проблемы эволюции Вселенной, Ер., 1968; Развитие астрономии в СССР, М., 1967; Струве О. В., Зебергс В., Астрономия 20 в., пер. с англ., М., 1968; Зельдович Я. Б. и Новиков И. Д., Релятивистская астрофизика, М., 1968.

В. А. Амбарцумян.

научный журнал Академии наук Армянской ССР. Издается в Ереване. Основан в 1965, выходит 4 раза в год. Публикует статьи по физике звёзд, туманностей и межзвёздной среды, по звёздной и внегалактической астрономии и по смежным с астрофизикой вопросам.

раздел астрофизики, в котором изучаются астрономические явления и небесные тела в условиях, для которых неприменимы классическая механика и закон тяготения Ньютона. К таким условиям относятся: скорость движения, близкая к скорости света, чрезвычайно высокие значения давления и плотности энергии (достигающие или превышающие плотность массы покоя, умноженную на квадрат скорости света), а также гравитационного потенциала (близкие к квадрату скорости света). В основе Р. а. лежат специальная и общая теории относительности (см. Относительности теория, Тяготение).

Первая работа, относящаяся по своему содержанию к Р. а., появилась в 1916, когда К. Шварцшильд теоретически исследовал гравитационное поле вокруг сильно сжатой массы. Он ввёл понятие гравитационного радиуса (См. Гравитационный радиус) r_g, соответствующего массе М : r_g = 2GM/c², где G - гравитационная постоянная, с - скорость света (для Солнца r_g равен 3 км, для Земли - 1 см). Это понятие сыграло большую роль в дальнейшем развитии Р. а.

Сверхплотные звёзды, у которых масса сосредоточена внутри сферы с радиусом, меньшим, чем r_g, обладают рядом необычных свойств. Так, падающая к звезде частица при приближении к гравитационному радиусу приобретает скорость, приближающуюся к скорости света.

Релятивистское замедление времени становится бесконечным вблизи гравитационного радиуса. Далёкий наблюдатель (обладающий необходимыми инструментами) увидел бы, что частица асимптотически (при t → ∞ ) приближается к сфере с радиусом, равным r_g, но не может увидеть, как частица пересекает сферу. Изнутри этой сферы энергия выйти не может. Так была заложена основа современной теории "чёрных дыр" (См. Чёрная дыра).

В 1930-40-х гг. было объяснено (американские астрономы У. Бааде и Ф. Цвикки, советский физик Л. Д. Ландау и американские физики Р. Оппенгеймер и Дж. М. Волков) превращение обычных звёзд достаточно большой массы в конце эволюции в Нейтронные звёзды, в которых плотность вещества достигает 10¹⁴-10¹⁵г/см³. В результате звёзды с массой, близкой к массе Солнца, превращаются в нейтронные звёзды с радиусом около 10 км и гравитационным потенциалом, достигающим 0,3 с² на поверхности. Позже были изучены пути превращения в "чёрную дыру" обычных звёзд с массой, в 2-3 раза превышающей массу Солнца.

Быстрое развитие Р. а. в 60-е гг. привело к целеустремлённым поискам возможных проявлений релятивистских состояний звёзд. Было отмечено, что звёзды в таком состоянии могут играть роль невидимых спутников в двойных системах, где второй компонент - нормальная звезда. Струи газа, захваченного из окружающего пространства, ускоренные до скорости, близкой к скорости света, могут быть источником рентгеновского излучения при ударе о поверхность нейтронной звезды или при столкновении струй между собой. Однако широкое признание Р. а. получила после открытия (1967) пульсаров (См. Пульсары), представляющих собой быстро вращающиеся нейтронные звёзды.

С помощью приборов, поднятых за пределы атмосферы, были открыты источники рентгеновского излучения в составе двойных звёзд. Некоторые из этих источников оказались нейтронными звёздами с сильным магнитным полем, испускающими направленные потоки рентгеновского излучения. Излучение при этом является следствием перетекания газа с поверхности нормальной звезды (входящей в состав двойной звезды) на поверхность нейтронной звезды. В двух случаях с большой вероятностью можно считать, что одним из компонентов является "чёрная дыра", в гравитационном поле которой разогревается и испускает рентгеновские лучи газ, истекающий с поверхности другого компонента - нормальной звезды. При исследовании процесса сжатия нормальной звезды в нейтронную было обнаружено, что магнитное поле при этом усиливается обратно пропорционально площади поверхности звезды, т. е. в миллиарды раз.

Менее разработана теория квазаров (См. Квазары). Однако не подлежит сомнению, что и в этих объектах большую роль играют магнитное поле, внутренние движения газа, релятивистские частицы. Возможно и наличие "чёрной дыры" в центре квазара.

Значительное место в Р. а. уделяется изучению космических лучей (См. Космические лучи), а также гамма-излучения, являющегося результатом взаимодействия протонов и более тяжёлых ядер космических лучей с межзвёздным веществом.

Взрывы сверхновых звёзд (См. Сверхновые звёзды), сопровождающиеся образованием нейтронных звёзд и "чёрных дыр" и приводящие, по-видимому, к выбрасыванию быстрых частиц, т. е. космических лучей, также являются предметом исследований Р. а.

Одно из направлений Р. а. - исследование гравитационных волн (см. Гравитационное излучение).

Р. а. в своих выводах тесно соприкасается с космологией (См. Космология).

Вопросы Р. а. наиболее глубоко исследуются в СССР, США и Великобритании.

Лит.: Зельдович Я. Б., Новиков И. Д., Релятивистская астрофизика, М., 1967; их же, Теория тяготения и эволюция звёзд, М., 1971; их же, Строение и эволюция Вселенной, М., 1975; Пиблс П., Физическая космология, пер. с англ., М., 1975.

Я. Б. Зельдович.

Коперник и гелиоцентризм. Н.Коперник (1473-1543), оказавшийся революционером в астрономии, поначалу работал в традиционном русле и почитал античное знание. Желая, тем не менее, упростить астрономические расчеты, ставшие чересчур сложными, он поместил Солнце в центр, сделал Землю планетой, а Луну - спутником Земли. При этом он пытался сохранить равномерное круговое движение и отказался от приемов, введенных Птолемеем и его последователями.

В итоге возникло непримиримое противоречие между геоцентрической системой Птолемея и гелиоцентрической Коперника. Последняя воспринималась как искусственная вычислительная схема с точки зрения теологии и религиозных убеждений и с позиций физики той эпохи. С чисто математической точки зрения - какая из систем может точнее воспроизвести наблюдаемые на небе перемещения светил, - обе они были почти равноценны. Более того, возвращаясь к традиции Аристотеля, система Коперника вынуждена была использовать даже больше эпициклов, чем система Птолемея, и поэтому в определенном смысле была сложнее. См. также КОПЕРНИК, НИКОЛАЙ.

Тихо Браге и изменчивость небес. Эксцентричный и колоритный датский астроном Т.Браге (1546-1601) занялся повышением точности наблюдений для сравнения между собой конкурирующих систем мироздания. Используя новые приемы, он довел измерения с помощью невооруженного глаза до невероятной точности почти в 1?. В 1585 при государственной поддержке он основал обсерваторию на острове Вен, где, создавая великолепные инструменты, он и его помощники с высокой точностью измеряли положения планет. Он надеялся использовать эти наблюдения для подтверждения собственной гибридной системы мироздания, согласно которой Земля находится в центре, Луна и Солнце обращаются вокруг нее, а остальные планеты движутся вокруг Солнца. Так Т.Браге пытался сохранить относительную простоту планетной системы Коперника, оставляя при этом Землю неподвижной.

Не желая считать Землю планетой, Тихо, тем не менее, оказался первопроходцем в изучении новых небесных явлений. 11 ноября 1572 он заметил в созвездии Кассиопеи объект, сияющий ярче любой звезды или планеты. Этот объект постепенно терял яркость, став к декабрю как Юпитер, а в мае 1573 достигнув второй звездной величины. В высшей степени надежные наблюдения Т.Браге не выявили параллакса, хотя своими приборами он измерял параллаксы атмосферных явлений, таких, как метеоры. Значит, новое светило, которое он назвал по-латыни просто "nova", находится дальше сферы Луны, где-то на неизменных небесах.

Пять лет спустя Тихо был поражен еще более изумительным небесным спектаклем: появилась комета, по яркости сравнимая с Венерой и с хвостом длиной в 45 диаметров Луны. Он наблюдал ее несколько недель и даже переопределил для этого положения опорных звезд, от которых измерял углы. Из этих наблюдений он заключил, что комета прошла от Земли на расстоянии, более чем в пять раз превышающем расстояние до Луны. Новое светило и комета доказали, что за пределом лунной сферы могут и действительно происходят перемены. Кометы, которые Аристотель считал атмосферными явлениями, теперь превратились в планеты. См. также БРАГЕ, ТИХО.

Кеплер и разрушение круговых движений. В 1600, за год до своей смерти, живший теперь в Праге Т.Браге пригласил И.Кеплера (1571-1630), чтобы передать ему свое интеллектуальное наследство. До этого в сочинении Тайна Вселенной (Prodromus dissertationum mathematicarum continens mysterium cosmographicum, 1596) Кеплер пытался проверить с точки зрения неоплатонизма единство и необходимость принципов, лежащих в основе системы Коперника. Полностью доверяя высокоточным наблюдениям Тихо, Кеплер два года тщетно пытался подыскать наборы традиционных круговых движений. В случае Марса лучшие из его вариантов давали расхождение вычисленных и наблюдаемых положений планеты до восьми угловых минут (Коперник в свое время удовлетворился десятью минутами). Однако Кеплер упорно проводил утомительные вычисления, делал и исправлял ошибки, искал все новые и новые варианты. Наконец, с сожалением он отказался от окружностей и начал для описания орбиты Марса экспериментировать с овалами.

Когда, наконец, в 1605 он использовал эллипс для описания орбиты Марса, все стало на свои места. Его Новая астрономия (Astronomia Nova, 1609) содержала два из трех утверждений, называемых теперь кеплеровскими законами движения планет, а именно, что орбита планеты есть эллипс, в одном из фокусов которого расположено Солнце, и что линия, соединяющая этот фокус с планетой, заметает равные площади за равное время. Эти два элегантных утверждения позволили покончить с громоздкими построениями Птолемея, Коперника и Тихо. Из них вытекало, что тела могут двигаться в космосе по орбитам, не будучи прикрепленными к сферам, эпициклам, деферентам и прочим носителям, что планеты могут ускоряться и замедляться по известному закону, не подчиняясь аристотелеву принципу равномерного кругового движения. Диктатура окружности была сломлена так же, как привилегированное положение и неподвижность Земли. Третий закон Кеплера, гласящий, что отношение квадратов орбитальных периодов любых двух планет или спутников равно отношению кубов их средних расстояний от центрального тела, был опубликован в его работе Гармония Мира (Harmonice mundi, 1619). Эти законы продемонстрировали глубокую рациональность Солнечной системы с ее эллиптическими орбитами и сгладили разочарование, вызванное отказом от аристотелева принципа равномерных круговых движений. Масштабы Солнечной системы и спутниковых систем планет теперь легко могли быть получены из наблюдений.

Составленное Кеплером Краткое изложение коперниканской астрономии (Epitomes astronomiae Copernicanae, 1617-1621) включало полное описание законов Кеплера. Это Изложение стало дополнением к Рудольфовым таблицам (Tabulae Rudolphinae, 1627), в которых Кеплер привел практические методы и результаты вычисления положений планет. Таблицы, вычисленные по теории Кеплера, быстро вытеснили все другие, что привело к увяданию астрономии Птолемея. См. также КЕПЛЕР, ИОГАНН; КЕПЛЕРА ЗАКОНЫ.

Галилей, новая физика и телескоп. Произведенная Коперником революция в астрономии означала нечто большее, чем перемену положений Земли и Солнца и определение траекторий планет. Удаление Земли из центра мира, придание ей орбитального и вращательного движений, свободный полет планет в пространстве по некруговым траекториям - все это требовало совершенно новой физики, отличной от аристотелевой.

В то время как Кеплер обеспечивал идеям Коперника важную теоретическую поддержку, его флорентийский знакомый и коллега Г.Галилей (1564-1642) делал это не только теоретически, но и практически. Галилей рано стал приверженцем коперниканства, он стремился найти физические доказательства гипотезы Коперника и установить новые физические принципы и законы, которые бы опровергли "очевидные" возражения против этой спорной теории. Исследования Галилея по физике падающих тел привели к математическому описанию действия гравитации вблизи поверхности Земли, а Кеплер в своих законах дал математическое описание действия гравитации на движущиеся по орбитам планеты.

Решающий вклад в утверждение идей Коперника Галилей внес с помощью телескопа. Первый раз Галилей взглянул на небо в свой только что сделанный телескоп в январе 1610. То, что он увидел, полностью разрушило представления Аристотеля о космосе, царившие в течение 20 веков. Телескоп показал, что поверхность Луны не гладкая и абсолютно сферическая, как думали философы в отношении Луны и других небесных тел. Напротив, она грубая, неровная, изобилующая впадинами и выпуклостями, такая же, как поверхность Земли с ее горными цепями и долинами. Весть об этих открытиях быстро разошлась среди образованной публики, вызывая восторг и восхищение.

Когда Галилей направил свой телескоп на звезды, в особенности на Млечный Путь, он увидел мириады новых звезд, не известных ранее. Яркие планеты предстали маленькими дисками, тогда как звезды остались туманными точками, что указывало на их значительно большую удаленность, как и предполагал Коперник. На Марсе и Сатурне, которые располагались тогда на небе близко к Солнцу и были максимально удалены от Земли, не удалось заметить деталей.

Зато Юпитер продемонстрировал поразительную и совершенно анти- аристотелевскую картину. Изучая его матовый диск в телескоп, Галилей заметил рядом четыре спутника, обращающихся вокруг самого Юпитера. Он даже смог определить, какой из спутников обращается ближе к Юпитеру, а какой - дальше, и приблизительно установил их периоды обращения. Это открытие подкрепило гипотезу Коперника, показав, что обращение Луны вокруг Земли не есть уникальное явление.

В июле 1610 Галилей обнаружил то, что принял за два спутника Сатурна, которые, в отличие от обращающихся вокруг планеты спутников Юпитера, постоянно держались по бокам от диска планеты и были едва различимы. Они исчезли в 1612, вновь появились в 1613 и стали похожи на "ручки". Это загадочное явление объяснил лишь в 1659 Х.Гюйгенс (1629-1695) как изменение внешнего вида кольца, окружающего планету.

В изучении Венеры Галилей достиг большего. Осенью и зимой 1610-1611 он обнаружил, что Венера, подобно Луне, имеет цикл смены фаз. Поскольку Венера никогда не удаляется от Солнца более чем на 48?, а в сильно ущербленной и выпуклой фазах видна еще ближе к Солнцу, наблюдение полного цикла ее фаз пришлось проводить в сумерки и дневное время, что весьма непросто. Эта полная смена фаз окончательно сломила систему Птолемея, согласно которой Венера не может демонстрировать полного цикла фаз. Вскоре после обнародования наблюдений Галилея в практической астрономии перестали пользоваться системой Птолемея.

В конце 1610 с помощью телескопа и аккуратно выполненных рисунков Галилей смог проследить перемещение пятен по диску Солнца. Перспективное искажение формы пятен при их приближении к лимбу Солнца и одинаковое время (ок. 14 сут), за которое они пересекали солнечный диск по параллельным траекториям, указывали, что пятна находятся на сферической поверхности самого Солнца. Их движение свидетельствовало о том, что Солнце вращается так же, как вся остальная Солнечная система Коперника.

Слава Галилея и поддержка, полученная им от многих здравомыслящих ученых, вызвали недовольство и интриги со стороны приверженцев церкви и взглядов Аристотеля. В 1616 инквизиция осудила учение Коперника о том, что "Солнце неподвижно пребывает в центре мира, а Земля движется и вращается". Галилею пришлось заявить, что он не поддерживает это учение.

Тем не менее с 1625 по 1630 он работал над Диалогом о двух главнейших системах мира - птолемеевой и коперниковой (Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo, tolemaico e copernicano, 1632). Эта книга Галилея, написанная по-итальянски, а не на латыни, как было тогда принято, имеет форму диалога, в котором с полной очевидностью усматриваются Аристотель, сам автор и любопытствующий простак. Открытия с телескопом, изучение приливов и другие исследования Галилея, представленные в Диалоге, ясно показывают, что только гипотеза Коперника может объяснить все эти явления. В 1633 Галилея вызвали в инквизицию, судили и подвергли домашнему аресту до конца жизни. Его последний труд Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых наук (Discorsi e dimostrazioni mathematiche intorno a due nuove scienze attenenti alla meccanica, 1638) содержит систематическое изложение новой физики. См. также ГАЛИЛЕЙ, ГАЛИЛЕО.

Наблюдения Галилея с телескопом открыли новую эру в астрономии. Телескопы быстро распространились в Европе, где их модернизировали и использовали многие увлеченные и прилежные наблюдатели. За несколько десятилетий после первых открытий Галилея астрономы обнаружили в космосе бездну новых явлений. Они описали множество деталей на поверхности Луны, Марса, Юпитера и, немного позже, Сатурна, открыв при этом его кольца. Было исследовано движение четырех спутников Юпитера и обнаружены у него и Сатурна другие спутники. Удалось наблюдать фазы Венеры, хотя на ней и на маленьком Меркурии почти не было видно деталей. Телескоп не только помог увидеть новые объекты и явления, но и стал важным дополнением к традиционным приборам для измерения положений звезд и планет, что позволило измерять положения значительно точнее и было незамедлительно использовано при вычислении эфемерид.

Астрономия попала в круг правительственных интересов. Торговое, военное и научное мореплавание крайне нуждалось в точном определении долгот. В Париже (1667), Гринвиче (1675) и Берлине (1705) были основаны государственные обсерватории для составления точных таблиц положения навигационных звезд и движения Луны и планет, которыми могли бы пользоваться моряки. См. также ОБСЕРВАТОРИЯ
.