• A
  • A
  • A
  • АБB
  • АБB
  • АБB
  • А
  • А
  • А
  • А
  • А
Обычная версия сайта
Магистратура 2018/2019

Астрофизика и космология

Лучший по критерию «Полезность курса для расширения кругозора и разностороннего развития»
Лучший по критерию «Новизна полученных знаний»
Статус: Курс обязательный (Физика)
Направление: 03.04.02. Физика
Кто читает: Факультет физики
Когда читается: 1-й курс, 3, 4 модуль
Формат изучения: Full time
Прогр. обучения: Физика
Язык: русский
Кредиты: 3

Программа дисциплины

Аннотация

Целями освоения дисциплины «Астрофизика и космология» являются:  формирование у студентов профессиональных компетенций, связанных с использованием современных представлений в области астрофизики и космологии,  приобретение студентами навыков самостоятельной исследовательской работы,  формирование подходов, основанных на полученных знаниях, позволяющих проводить научные исследования и анализировать полученные результаты,  развитие умений, позволяющих развивать качественные и количественные физические модели физических процессов в космических объектах и во Вселенной.
Цель освоения дисциплины

Цель освоения дисциплины

  • Целями освоения дисциплины «Астрофизика и космология» являются: - формирование у студентов профессиональных компетенций, связанных с использованием современных представлений в области астрофизики и космологии,
  • - приобретение студентами навыков самостоятельной исследовательской работы,
  • - формирование подходов, основанных на полученных знаниях, позволяющих проводить научные исследования и анализировать полученные результаты,
Планируемые результаты обучения

Планируемые результаты обучения

  • знает основы теории тяготения
  • пользуется полученными знаниями для решения экспериментальных и теоретических задач, делает качественные выводы при получении новых результатов исследований, производит оценки параметров и характеристик космических объектов
  • формализует и решает задачи о распространении потоков энергии в космической среде
  • решает исследовательские задачи на применение изученных моделей
  • знает пути развития физики сверхплотных звездных остатков (белых карликов и нейтронных звезд)
  • совместно с другими студентами умеет оценить свойства космологических моделей и в процессе работы определить последовательность действий и роли в коллективе для выполнения этого задания
  • проверяет в ходе групповой работы гипотезы о присутствии в космических данных тех или иных изучаемых явлений
Содержание учебной дисциплины

Содержание учебной дисциплины

  • Основы теории тяготения. Черные дыры и гравитационные волны
    Основы теории гравитации. Законы Кеплера. Гравитация Ньютона. Уравнение Пуассона для гравитационного потенциала. Гравитационная энергия. Переход к релятивистскому обобщению теории Ньютона. Пространство-время. Метрика Минковского. Принцип эквивалентности. Основные положения ОТО А. Эйнштейна. Уравнение геодезических. Коэффициенты связности (символы Кристоффеля). Ковариантная производная. Тензор Римана. Уравнения Эйнштейна в вакууме. Тензор энергии-импульса – источник гравитационного поля. Точные решения уравнений Эйнштейна. Векторы Киллинга. Метрика Шварцшильда. Черная дыра и ее горизонт событий. Эффекты вращения. Эффект Лензе-Тирринга. Метрика Керра. Линеаризованная теория гравитации. Линеаризованный тензор Римана и его калибровочная инвариантность. Лоренцева калибровка. Гравитационные волны. ТТкалибровка. Уравнения для ГВ в вакууме. Источник ГВ. Решение неоднородного волнового уравнения. Квадрупольное приближение для источников ГВ. Поток энергии в ГВ. ГВ от астрофизических источников. Методы регистрации ГВ. ГВ-интерферометры типа LIGO и принципы их работы. Современные наблюдения ГВ от астрофизических источников.
  • Перенос излучения в космических средах. Межзвездная среда и образование звезд.
    Взаимодействия излучения и вещества. Коэффициенты излучения и поглощения для элементарных процессов. Длина свободного пробега и оптическая толща. Основы теории переноса излучения. Функция источника. Понятие локального термодинамического равновесия и условия его выполнения. Функция Планка и ее асимптотики. Формула СахаБольцмана. Уравнение переноса и его решение в простейших случаях. Образование непрерывного спектра и спектральных линий. Звездные атмосферы. Эффективная температура. Спектральная классификация звезд. Нетепловое излучение. Яркостная температура. Межзвездная среда. Физические особенности. Отсутствие ЛТР в МЗС. Вмороженность магнитного поля в МЗС. Функция охлаждения разреженной плазмы. Столкновительное и фотоионизационное равновесие. Тепловая неустойчивость МЗС. Диагностика космической плазмы по мере дисперсии и мере вращения. Горячая МЗС. Зоны ионизованного водорода. Атомарный водород и линия 21 см. Холодная МЗС. Молекулярные облака. Космические мазеры. Межзвездная пыль. Межзвездные магнитные поля. Релятивистская компонента МЗС -- космические лучи. Распространение КЛ в Галактике. Происхождение КЛ. Проблема КЛ сверхвысоких энергий. Гравитационная (Джинсовская) неустойчивость. Образование звезд. Контракционная и адиабатическая стадии. Молодые звезды до главной последовательности.
  • Строение и эволюция звезд. Конечные стадии эволюции звезд. Белые карлики. Вспышки сверхновых. Нейтронные звезды.
    Звезды. Диаграмма Герцшпрунга-Рессела. Теорема вириала для самогравитирующих тел. Тепловое время. Отрицательная теплоемкость стационарных невырожденных звезд. Уравнение внутреннего строения стационарных звезд. Лучистый и конвективный перенос тепла. Источники звездной энергии. Термоядерные реакции. Звезды на главной последовательности. Горение водорода (цикл Бете и CNO-цикл). Проблема солнечных нейтрино и ее решение. Солнце как звезда. Фотосфера, хромосфера, корона. Солнечная активность. Солнечный ветер. Эволюция звезд после главной последовательности. Горение гелия (3-альфа процесс) и образование С-О ядер звезд. Звезды Вольф-Райе. Пульсирующие звезды. Цефеиды. Вырождение электронного газа в ядре звезды. Стадия красного гиганта. Образование вырожденного С-О ядра. Планетарные туманности образование белых карликов. Свойства белых карликов. Предел Чандрасекара для БК. Эволюция массивных звезд. Термоядерная эволюция ядер звезд до образования железного ядра. Неустойчивость железных ядер звезд. Гравитационный коллапс и его причины (нейтронизация, фотодезынтеграция ядер железа, эффекты ОТО). Образование нейтронных звезд. Вспышки сверхновых 2 типа. Феноменология нейтронных звезд. Радиопульсары. Физика пульсаров. Механизмы радиоизлучения пульсаров. Пульсары в двойных системах. Экспериментальная проверка ОТО по наблюдениям двойных пульсаров. Образование черных дыр звездных масс в конце эволюции звезд. Физические процессы в окрестности ЧД. Орбиты пробных частиц и фотонов в метриках Шварцшильда и Керра. Эргосфера вращающейся ЧД. Извлечение энергии вращения ЧД. Механизм Блэндфорда-Знаека. Особенности эволюции звезд в тесных двойных системах. Полость Роша. Обмен массами в ТДС. Аккреция вещества на компактны объекты (БК, НЗ и ЧД). Аккреционные диски. Аккреция на БК. Термоядерные взрывы на БК (новые звезды). Рентгеновские источники в ТДС. Рентгеновские барстеры. Аккреция на замагниченные НЗ. Рентгеновские пульсары. Термоядерные СН типа 1а. Универсальность кривых блеска. Роль в космологии. Двойные НЗ и ЧД -- источники гравитационных волн.
  • Галактики и крупномасштабная структура вселенной. Космологические модели. Горячая вселенная и реликтовое излучение.
    Звездные скопления и ассоциации. Шаровые звездные скопления. Диаграмма ГР для скоплений и определение возраста скоплений. Галактика. Диск, сферическая составляющая (балдж), темное гало. Спиральная структура дисковых галактик. Кривые вращения. Проблема темного гало в спиральных галактиках. Методы определения расстояний до галактик. Динамические процессы в галактиках. Время столкновений звезд. Время релаксации звездных систем. Динамическое трение. Динамическая устойчивости дисков галактик. Особенности строения эллиптических и неправильных галактик. Особенности звездообразования в галактиках. Происхождение и эволюция галактик. Межгалактическая среда. Лайман-альфа лес. Эффект Гана-Петерсона. Скопления галактик. Горячий газ в скоплениях. Эффект Сюняева-Зельдовича для скоплений галактик. Крупномасштабная структура Вселенной. Основы классической космологии. Закон Хаббла. Расширение Вселенной. Масштабный фактор. Однородная и изотропная Вселенная. Метрика Фридмана-ЛеметраРобертсона-Уокера. Распространение света. Конформное время. Физический смысл красного смещения. Метрическое, фотометрическое и угловое расстояния. Горизонт частиц и горизонт событий. Изменение физических величин с красным смещением. Уравнения Фридмана. Связь с пространственной топологией. Критическая плотность. Космологическая постоянная. Стандартная космологическая модель и ее основные параметры. Методы ее проверки и измерения ее параметров. Современное ускоренное расширение Вселенной. Определение физических свойств темной энергии из наблюдений. Горячая Вселенная. "Большой взрыв". Фридмановские стадии расширения. Стадия доминирования излучения и вещества. Бариогенезис. Первичный нуклеосинтез. Эпоха рекомбинации. Реликтовое излучение. Анизотропия температуры реликтового излучения и ее интерпретация. Угловой спектр флуктуаций РИ. Поляризация РИ. Проблема начальных условий для фридмановской космологии и теории горячей Вселенной. Инфляционный сценарий очень ранней Вселенной. Стадия де-Ситтера (инфляционая). Квантово-гравитационная генерация малых неоднородностей пространства-времени и распределения материи на этой стадии. Спектр ГаррисонаЗельдовича и малые отклонения от него. Определение наилучших инфляционных моделей по наблюдательным данным. Первичные гравитационные волны и методы их обнаружения. Альтернативные модели ранней Вселенной до фридмановских стадий. Квантовая космология.
Элементы контроля

Элементы контроля

  • неблокирующий Устный экзамен
  • неблокирующий Коллоквиум
Промежуточная аттестация

Промежуточная аттестация

  • Промежуточная аттестация (4 модуль)
    0.3 * Коллоквиум + 0.7 * Устный экзамен
Список литературы

Список литературы

Рекомендуемая основная литература

  • Общая астрофизика, Засов А. В., Постнов К. А., 2016

Рекомендуемая дополнительная литература

  • - Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. — Теоретическая физика. Т.2. Теория поля - Издательство "Физматлит" - 2006 - ISBN: 5-9221-0056-4 - Текст электронный // ЭБС Лань - URL: https://e.lanbook.com/book/2236
  • - Черепащук А.М. — Тесные двойные звезды. В 2 ч. Часть I - Издательство "Физматлит" - 2013 - ISBN: 978-5-9221-1416-5 - Текст электронный // ЭБС Лань - URL: https://e.lanbook.com/book/59647
  • - Черепащук А.М. — Тесные двойные звезды. В 2 ч. Часть II - Издательство "Физматлит" - 2016 - ISBN: 978-5-9221-1467-7 - Текст электронный // ЭБС Лань - URL: https://e.lanbook.com/book/91138
  • Теоретическая физика. Т.2: Теория поля, Ландау Л. Д., 2003