Delivered at:: Faculty of Physics

Course type:: Compulsory course

When:: 1 year, 3, 4 module

Instructors

Malanchev, Konstantin

Popov, Sergei

Starobinsky, Alexey

Топоренский Алексей Владимирович

Полная версия программы учебной 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

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

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

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

Устный экзамен
Коллоквиум

Промежуточная аттестация

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

Master’s Programme 'Physics'

Astrophysics and Сosmology

Instructors

Программа дисциплины

Аннотация

Цель освоения дисциплины

Планируемые результаты обучения

Содержание учебной дисциплины

Элементы контроля

Промежуточная аттестация

Список литературы

Рекомендуемая основная литература

Рекомендуемая дополнительная литература