Lastrofisica (dal greco ἄστρον «astro» e φύσις «natura, fisica») è la branca della fisica e dell'astronomia che studia le proprietà fisiche, ossia tutti i vari fenomeni, della materia celeste. Inoltre, l'astrofisica computazionale è un campo interdisciplinare e una specializzazione della fisica computazionale che studia le proprietà fisiche della materia celeste attraverso i programmi di simulazione al computer e dunque attraverso degli algoritmi informatici ad hoc; i risultati della relatività numerica sono strettamente connessi all'astrofisica computazionale.
Storia
Sebbene l'astronomia sia tanto antica quanto la storia stessa, per lungo tempo fu tenuta separata dallo studio della fisica. Nella visione aristotelica del mondo, il mondo celeste tendeva verso la perfezione – laddove i corpi nel cielo sembravano mossi da sfere perfette simili ad orbite perfettamente circolari – mentre il mondo terreno sembrava destinato all'imperfezione; tra questi due regni non veniva vista alcuna correlazione.
Aristarco di Samo (c. 310–250 a.C.) per primo supportò la teoria di Filolao ovvero che i moti dei corpi celesti potrebbero essere spiegati supponendo che la Terra e tutti gli altri pianeti nel Sistema Solare orbitassero attorno al Sole. Sfortunatamente, nel mondo geocentrico del tempo, la teoria eliocentrica di Aristarco venne giudicata assurda ed eretica, e per secoli, l'apparente visione dovuta al senso comune che il Sole e gli altri pianeti girassero attorno alla Terra venne quasi ritenuta indiscussa fino allo sviluppo dell'eliocentrismo copernicano nel XVI secolo. Ciò fu dovuto al predominio del modello geocentrico sviluppato da Tolomeo (83-161 ca. d.C.), un astronomo ellenizzato dell'Egitto romano, nel suo trattato Almagesto.
Il solo sostenitore noto di Aristarco fu Seleuco di Seleucia, un astronomo babilonese il quale si disse avesse dimostrato già nel II secolo a.C. l'eliocentrismo attraverso il ragionamento. Questo può avere coinvolto il fenomeno delle maree,Lucio Russo, Flussi e riflussi, Feltrinelli, Milano, 2003, ISBN 88-07-10349-4. che egli correttamente teorizzò essere causate dall'attrazione esercitata dalla Luna, notando inoltre che l'altezza delle maree dipende dalla posizione della Luna rispetto al Sole.Bartel Leendert van der Waerden (1987). "The Heliocentric System in Greek, Persian and Hindu Astronomy", Annals of the New York Academy of Sciences 500 (1), 525–545 . In alternativa, egli può avere determinato le costanti di un modello geometrico riguardo alla teoria eliocentrica, servendosene per sviluppare metodi per calcolare le posizioni dei pianeti, possibilmente usando i primi metodi trigonometrici che erano allora disponibili, pressappoco come Copernico.Bartel Leendert van der Waerden (1987). "The Heliocentric System in Greek, Persian and Hindu Astronomy", Annals of the New York Academy of Sciences 500 (1), 525–545 [527-529]. Alcuni hanno anche interpretato i modelli planetari sviluppati da Aryabhata (476-550), un astronomo indiano,B. L. van der Waerden (1970), Das heliozentrische System in der griechischen, persischen und indischen Astronomie, Naturforschenden Gesellschaft in Zürich, Zürich: Kommissionsverlag Leeman AG. (cf. Noel Swerdlow (June 1973), "Review: A Lost Monument of Indian Astronomy", Isis 64 (2), p. 239-243.) B. L. van der Waerden (1987), "The heliocentric system in Greek, Persian, and Indian astronomy", in "From deferent to equant: a volume of studies in the history of science in the ancient and medieval near east in honor of E. S. Kennedy", New York Academy of Sciences 500, p. 525-546. (cf. Dennis Duke (2005), "The Equant in India: The Mathematical Basis of Ancient Indian Planetary Models", Archive for History of Exact Sciences 59, p. 563–576.).Thurston, Hugh (1994), Early Astronomy, Springer-Verlag, New York. ISBN 0-387-94107-X, p. 188:Lucio Russo (2004), The Forgotten Revolution: How Science Was Born in 300 a.C. and Why It Had To Be Reborn, Springer, Berlin, ISBN 978-3-540-20396-4. (cf. Dennis Duke (2005), "The Equant in India: The Mathematical Basis of Ancient Indian Planetary Models", Archive for History of Exact Sciences 59, p. 563–576.) e Ja'far ibn Muhammad Abu Ma'shar al-Balkhi (787-886), un astronomo persiano, come dei modelli eliocentrici.Bartel Leendert van der Waerden (1987). "The Heliocentric System in Greek, Persian and Hindu Astronomy", Annals of the New York Academy of Sciences 500 (1), 525–545 [534-537].
Nel IX secolo, il fisico e astronomo persiano, Ja'far Muhammad ibn Mūsā ibn Shākir, ipotizzò che i corpi del cielo e le sfere celesti fossero soggetti alla stessa legge fisica della Terra, diversamente dagli antichi i quali credevano che le sfere celesti seguissero le loro leggi fisiche diverse da quelle della Terra. Egli propose anche che ci fosse un'attrazione di forza fra i "corpi celesti", vagamente prefigurando la legge di gravità.
All'inizio dell'XI secolo, Ibn al-Haytham (Alhazen) scrisse il Maqala fi daw-l-qamar (Sulla luce della Luna) poco prima del 1021. Questo fu il primo tentativo di successo nel combinare l'astronomia matematica con la fisica, e il primo tentativo di applicare il metodo sperimentale all'astronomia e astrofisica. Egli confutò l'opinione universalmente accreditata che la luna riflettesse la luce solare come uno specchio e correttamente concluse che essa "emette luce da quelle porzioni della sua superficie laddove la luce del sole batte". Per provare che la "luce viene emessa da ogni punto della superficie illuminata della luna", egli costruì un "ingegnoso marchingegno sperimentale". Ibn al-Haytham "formulò una chiara concezione della relazione fra un ideale modello matematico e il complesso dei fenomeni osservabili; in particolare, fu il primo a fare un uso sistematico del metodo variando le condizioni sperimentali in una costante ed uniforme maniera, in un esperimento mostrante che l'intensità della poca quantità di luce (light-spot) formata tramite la proiezione della luce lunare attraverso due piccole aperture sopra un paravento diminuisce costantemente come una delle aperture viene gradualmente ostruita".
Nel XIV secolo, Ibn al-Shatir realizzò il primo modello di moto lunare che misurava le osservazioni fisiche, e che fu più tardi usato da Copernico. Dal XIII al XV secolo, Tusi e Ali Kuşçu fornirono la primissima evidenza empirica riguardante la rotazione della Terra, utilizzando il fenomeno delle comete per confutare la pretesa tolemaica che la stazionarietà della Terra poteva essere determinata attraverso l'osservazione. Kuşçu inoltre rigettò la fisica aristotelica e la filosofia naturale, permettendo all'astronomia e alla fisica di diventare empirica e matematica invece che filosofica. Agli inizi del XVI secolo, il dibattito sul moto della Terra fu proseguito da Al-Birjandi (d. 1528), il quale analizzando cosa poteva succedere se la terra fosse rotante, sviluppa un'ipotesi simile alla nozione di Galileo Galilei di "inerzia circolare", che descrive nella seguente prova osservativa:
Successivamente l'eliocentrismo fu rivisitato da Niccolò Copernico nel XVI secolo, Galileo Galilei scoprì le quattro più luminose lune di Giove nel 1609, e documentò le loro orbite rispetto a quel pianeta, contraddicendo il dogma geocentrico della Chiesa cattolica del tempo, e scampando a gravi pene solo per il fatto di sostenere che la sua astronomia fu un lavoro di matematica, non di filosofia naturale (fisica), e perciò puramente astratta.
La disponibilità di accurati dati tratti dall'osservazione (principalmente dall'osservatorio di Tycho Brahe) condusse la ricerca verso spiegazioni teoriche per i comportamenti osservati. Per prima, solo le regole empiriche furono scoperte, come le leggi di Keplero sul moto planetario, all'inizio del XVII secolo. Dopo questo secolo, Isaac Newton colmò le lacune fra le leggi di Keplero e la dinamica di Galileo, scoprendo che le stesse leggi regolanti la dinamica degli oggetti sulla Terra regolano il moto dei pianeti e della luna. La meccanica celeste, l'applicazione della gravità newtoniana e le leggi di Newton per spiegare le leggi di Keplero sul moto planetario, furono la prima unificazione fra fisica ed astronomia.
Dopo che Isaac Newton pubblicò il suo libro, Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica, la navigazione marittima venne trasformata. A partire dal 1670 circa, il mondo intero fu misurato usando essenzialmente gli strumenti di latitudine moderni e i migliori orologi disponibili. La necessità di navigare diede impulso a sempre più accurate osservazioni e strumenti astronomici, fornendo agli scienziati un ambiente propizio e sempre più dati disponibili.
Alla fine del XIX secolo fu scoperto che scomponendo la luce del Sole si potevano osservare una moltitudine di linee spettrali (regioni dove c'era poca o nessuna luce). Gli esperimenti con gas caldi mostrò che le stesse linee possono essere osservate negli spettri dei gas, linee specifiche corrispondenti ad elementi chimici unici. In questo modo fu provato che gli elementi chimici trovati nel Sole (principalmente idrogeno) furono anche trovati sulla Terra. In verità, l'elemento elio fu il primo scoperto nello spettro del Sole e solo più tardi sulla Terra, da qui il suo nome. Durante il XX secolo, la spettroscopia (lo studio di queste linee spettrali) progredì, particolarmente in conseguenza della l'avvento della fisica quantistica che fu necessaria per capire osservazioni ed esperimenti astronomici.Frontiers of Astrophysics: Workshop Summary, H. Falcke, P. L. Biermann
Descrizione
L'ambito tradizionale di interesse dell'astrofisica comprende le proprietà fisiche (densità, temperatura, composizione chimica e nucleare della materia, luminosità e forma dello spettro emesso, proprietà di eventuali particelle emesse) di stelle, galassie, mezzo interstellare e mezzo intergalattico, e di eventuali altre forme di materia presenti nell'universo; essa studia inoltre la formazione e l'evoluzione dell'universo nel suo insieme, detta cosmologia.
Ma accanto a questa definizione più tradizionale, negli ultimi anni ha assunto sempre più importanza un'altra definizione dell'astrofisica: quella che utilizza il cosmo come un laboratorio non per investigare le proprietà degli oggetti celesti sulla base di teorie fisiche ben note da esperimenti di laboratorio bensì per determinare nuove leggi della fisica che non possono altrimenti essere investigate nei laboratori terrestri. Si parla allora di fisica fondamentale nello spazio, un campo il cui primo problema (le proprietà del neutrino) ha ricevuto recentemente il suggello del premio Nobel.
La ricerca astrofisica, più di qualunque altro settore della fisica, richiede la padronanza di tutte le discipline fisiche: la meccanica dei corpi solidi e dei fluidi, la magnetoidrodinamica, l'elettromagnetismo e il trasporto della radiazione, la meccanica statistica, la relatività speciale e generale, la fisica nucleare e delle particelle elementari, e perfino alcuni campi avanzati della fisica della materia quali superconduttività e superfluidità.
È possibile caratterizzare l'attività di ricerca in astrofisica sulla base della distinzione in astrofisica osservativa (spesso chiamata anche astronomia), astrofisica di laboratorio e astrofisica teorica.
Astrofisica osservativa
Dallo spazio riceviamo principalmente radiazione elettromagnetica (fotoni), ma anche alcune particelle (raggi cosmici e neutrini).
La radiazione elettromagnetica si distingue sulla base della sua lunghezza d'onda; le tecniche osservative e gli oggetti osservati variano fortemente a seconda della lunghezza d'onda di osservazione.