Astrophysics - 天台ブッチ楽 (English spelling) astrophysics

A science that studies the structure and evolution of celestial bodies and the universe using physical methods. Until the mid-19th century, astronomy was dominated by so-called position astronomy, which studied the precise motion of celestial bodies in the solar system and the apparent movement of stars on the celestial sphere. It developed into celestial mechanics based on Newtonian mechanics and made a great contribution to analytical mechanics and mathematics. However, after the second half of the 19th century, when spectral observations of celestial bodies began, there was strong interest in sunspot activity, the atmosphere and internal structure of stars, and the source of energy of stars. In the 20th century, in order to solve these problems, K. Schwarzschild, A. Eddington, H. Bethe, S. Chandrasekhar and others applied the physics of atomic physics, nuclear physics, statistical mechanics, etc., which were beginning to develop remarkably at that time, to celestial bodies and achieved great results.

Physics is an essential part of modern astronomy, which studies the structure and evolution of the universe and celestial bodies. Theoretical astronomy, which uses the laws of physics to study the universe, is called "astrophysics" or "astrophysics" to distinguish it from positional astronomy and observational astronomy. It is not uncommon for physics to be applied to astronomy alone, and for new physics to be born from elucidating the phenomena of the universe and celestial bodies. For example, plasma physics was born in the process of studying sunspots, magnetic fields, and the aurora phenomenon in the Earth's upper atmosphere, and the physics of nuclear fusion developed from investigating the energy source of stars.

Astrophysics is still developing in close relation to fundamental and applied physics. This is because many of the objects of astronomy are in extreme conditions that cannot be realized in terrestrial laboratories. For example, in the final stage of the evolution of a star heavier than the sun, the star collapses strongly in a supernova explosion, becoming a neutron star or a black hole. These celestial bodies are in an ultra-high density state, reaching 10 ¹² grams per cubic centimeter, and a strong magnetic field of 10 ¹² Gauss exists around the neutron star. In the center of a galaxy cluster, hot gas with a temperature of 1 billion K emits strong X-rays. Quasars are thought to be huge black holes at the nuclei of galaxies, and there exists an abnormally strong gravitational field there. Interstellar space is an extremely rarefied gas with a density of about 10 atoms per cubic centimeter. In addition, molecules that do not exist on Earth are being created one after another on the surface of interstellar dust, which is in a low temperature state of -200°C or less. New physics will likely continue to emerge from astrophysics, which studies materials and celestial bodies under such extreme conditions.

Let me talk about developments in astrophysics in the 21st century.

(1) In recent years, many gamma-ray bursts have been detected by satellite observations, and they are presumed to be the origin of extragalactic objects. This is related to the origin of cosmic rays that reach energies of up to 10 ²⁰ electron volts, and will promote further development of ultra-high energy physics around black holes.

(2) Thanks to the development of optical and radio wave observational techniques, many gravitationally lensed celestial bodies have been discovered. Meanwhile, gravitational waves, which were previously too weak to be detected, may be detected by the middle of the 21st century. Since most of the phenomena related to the general theory of relativity can only be verified by astronomical observations, further progress in the theory of gravity is expected.

(3) The Big Bang theory, which gained a solid observational foundation after many twists and turns in the 20th century, will continue to develop in search of an even earlier picture of the universe. The quantum gravity theory developed by S. Hawking and others, and particle physics, which seeks to discover the true nature of dark matter, which is thought to make up more than 90% of the matter in the universe but has yet to be detected, are extremely difficult challenges, but great progress is expected.

[Kenichi Wakamatsu]

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

天体や宇宙の構造、進化を物理学的手法で研究する学問。19世紀中ごろまでの天文学は、主として太陽系内の天体の精密な運動や、恒星の天球上での見かけの動きなどを研究する、いわゆる位置天文学position astronomyが主流であり、ニュートン力学を基礎とする天体力学として発展し、解析力学や数学に大きな貢献をしてきた。しかし、19世紀後半以降、天体のスペクトル観測が始まると、太陽黒点の活動、恒星の大気や内部構造、恒星のエネルギー源などに強い関心が集まり、20世紀になってこれらの問題を解明するために、K・シュワルツシルト、A・エディントン、H・ベーテ、S・チャンドラセカールらが、当時、著しく発展し始めていた原子物理学、原子核物理学、統計力学などの物理学を天体に応用して、大きな成果を収めてきた。

　宇宙や天体の構造、進化を研究する現代天文学では、物理学は必要不可欠のものとなっており、物理法則を駆使して研究する理論天文学を位置天文学や観測天文学と区別して、とくに「天体物理学」または「宇宙物理学」とよんでいる。物理学を天文学に単に応用するという側面ばかりでなく、宇宙・天体の現象を解明するなかから新しい物理学が誕生した場合も珍しくない。たとえば太陽の黒点、磁場や地球高層大気のオーロラ現象を研究する過程でプラズマ物理学が誕生しているし、恒星のエネルギー源を究明することから核融合の物理学が発展してきた。

　天体物理学は、現在も基礎物理学・応用物理学と深くかかわって発展している。天文学の対象の多くが地上の実験室ではとても実現できない極限状態に置かれている物質が多いからである。たとえば、太陽より重い質量の星の進化の最終段階では、超新星の爆発で星は強く収縮し、中性子星、ブラック・ホールなどになる。これらの天体は1立方センチメートル当り10¹²グラムにも達する超高密度の状態となっており、中性子星の周辺では、10¹²ガウスにも達する強い磁場が存在している。銀河団の中心部では10億Kにも達する高温ガスが強いX線を放っている。クエーサーは銀河中心核の巨大なブラック・ホールと考えられ、そこでは異常に強い重力場が存在している。星間空間は、原子の個数密度が1立方センチメートル当り10個程度という極端に希薄な気体である。また、零下200℃以下の低温状態にある星間塵(せいかんじん)の表面で、地上では存在しない分子が次々とつくられている。このような極限状態の物質や天体を研究する天体物理学から新しい物理学が今後も生まれてくることであろう。

　21世紀における天体物理学の展開について述べてみよう。

(1)近年、人工衛星の観測でγ線バースト現象(ガンマせんばーすとげんしょう)が数多く検出されており、銀河系外天体の起源と推定されている。これは10²⁰電子ボルトにも達する宇宙線の起源ともからんで、ブラック・ホール周辺での超高エネルギー物理学のいっそうの発展を促すであろう。

(2)光や電波での観測技術の発展により、重力レンズ天体が数多く発見されている。一方、あまりに微弱で、検出が不可能であった重力波も21世紀なかば前までには検出できよう。一般相対性理論にまつわる現象のほとんどは天文観測によってしか検証されえないことから、重力理論のいっそうの進展が期待される。

(3)20世紀に、紆余曲折(うよきょくせつ)を経て確固たる観測的基盤をえたビッグ・バン宇宙論は、より初期の宇宙像を求めて展開していくであろう。S・ホーキングらによって展開された量子重力理論や、宇宙の物質の90％以上を占めていると考えられながら、いまだ検出されていない暗黒物質（ダークマター）の正体を探る素粒子論は、きわめて困難な課題ではあるが、大きな進展が期待されている。

［若松謙一］

出典　小学館　日本大百科全書(ニッポニカ)日本大百科全書(ニッポニカ)について　情報 | 凡例