Общая астрофизика, Засов А.В., Постнов К.А., 2006

Общая астрофизика, Засов А.В., Постнов К.А., 2006.
   Книга основана на курсе лекций по общей астрофизике, которые на протяжении многих лет читаются авторами студентам физического факультета МГУ. Некоторые вопросы изложены в ней более глубоко, по сравнению с традиционными общими курсами. В книге рассматриваются основные механизмы взаимодействия излучения с веществом, современные методы астрономических наблюдений, физические процессы в межзвездной среде, формирование звезд, их строение и эволюция, образование компактных объектов, элементы физики галактик и современной космологии. В целом, авторы дают общую физическую картину строения и эволюции Вселенной.
Книга может служить современным учебным пособием по общей астрофизике для студентов и аспирантов физических и астрономических специальностей университетов.

Состояние вещества во Вселенной.
Основная форма существования вещества в природе — это газ с самыми различными значениями концентрации частиц и температуры. Газ при любой плотности и температуре, на любых расстояниях от нас (за исключением планетных атмосфер) состоит из водорода и гелия с небольшим включением более тяжелых элементов. Различают плотный горячий газ, непрозрачный для излучения, с температурой от нескольких тысяч до нескольких сотен миллионов градусов, и диффузную разреженную среду.
Плотный газ составляет звезды. Именно в них заключено основное количество вещества, наблюдаемого по его электромагнитному излучению, и именно звезды являются основными источниками энергии в современной Вселенной. Благодаря наличию термоядерной плазмы в центральной области звезд, энергия, образующаяся при синтезе атомных ядер, поддерживает температуру звезд и их устойчивость в течение миллионов (для наиболее массивных звезд) и миллиардов (для большинства звезд) лет. Доля вещества, приходящегося на планеты, рождающиеся вместе со звездами, ничтожно мала. Планеты состоят из плотного холодного газа или твердого вещества и его расплавов, и только на них при определенных условиях возможно зарождение и существование сложных органических соединений и жизни.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Глава 1. Введение
1.1. Пространственно-временные масштабы в астрофизике
1.1.1. Расстояния
1.1.2. Характерные времена
1.1.3. Характерные значения масс
1.1.4. Солнечные единицы
1.2. Состояние вещества во Вселенной
Глава 2. Излучение и поглощение ЭМ волн в среде
2.1. Основные понятия
2.1.1. «Температурная» шкала электромагнитных волн
2.1.2. Интенсивность излучения (поверхностная яркость)
2.1.3. Поток излучения. Связь с интенсивностью
2.1.4. Плотность энергии излучения
2.1.5. Понятие спектра
2.2. Излучение абсолютно черного тела
2.2.1. Тепловое излучение
2.2.2. Понятие термодинамического равновесия и локального термодинамического равновесия
2.2.3. Спектр абсолютно черного тела
2.3. Перенос излучения в среде и формирование спектра
2.3.1. Коэффициент излучения
2.3.2. Коэффициент поглощения и оптическая толща
2.3.3. Уравнение переноса при наличии поглощения и излучения
2.3.4. Решение уравнения переноса для простейших случаев
2.3.5. Образование спектральных линий в условиях ЛТР
2.3.6. Температура астрофизических источников, определяемая по их излучению
2.4. Астрофизические примеры спектров
2.5. Задачи
Глава 3. Особенности астрономических наблюдений и физические ограничения их возможностей
3.1. Основные задачи наблюдательной астрономии
3.2. Пропускание света земной атмосферой
3.3. «Точечные» и «протяженные» источники
3.4. Оптические наблюдения
3.4.1. Оптические телескопы
3.4.2. Приемники излучения
3.4.3. Видимый диапазон
3.4.4. Проблема улучшения углового разрешения телескопа
3.4.5. Физические ограничения на точность фотометрических измерений ,
3.4.6. Спектральные наблюдения
3.5. Радиоастрономические наблюдения
3.5.1. Радиотелескопы
3.5.2. Радиоинтерферометры. Метод апертурного синтеза
3.6. Рентгеновские телескопы и детекторы
3.7. Поляризационные наблюдения
Глава 4. Межзвездная среда
4.1. Основные составляющие и проявления
4.2. Пропускание света межзвездной средой
4.3. Физические особенности разреженной космической плазмы
4.3.1. Запрещенные линии
4.3.2. Излучение нейтрального водорода
4.3.3. Вмороженность магнитного поля
4.4. Объемный нагрев и охлаждение МЗС
4.4.1. Основные механизмы нагрева газа
4.4.2. Основные механизмы охлаждения
4.5. Тепловая неустойчивость MЗС
4.6. Ионизованный водород и зоны НII
4.7. Горячий, или «корональный» газ
4.8. Молекулярные облака, звездообразование и мазеры
4.9. Космические лучи и синхротронное излучение
4.9.1. Проблема происхождения и ускорения КЛ сверхвысоких энергий
4.10. Другие методы диагностики космической плазмы
4.11. Задачи
Глава 5. Звезды
5.1. Общие характеристики
5.2. Образование звезд
5.2.1. Гравитационная неустойчивость
5.2.2. Влияние вращения на сжатие
5.2.3. Влияние магнитного поля на сжатие
5.3. Стадии формирования звезды
5.4. Стационарные звезды
5.4.1. Гидростатическое равновесие
5.4.2. Теорема вириала для звезды
5.4.3. Тепловая устойчивость звезд. Отрицательная теплоемкость
5.5. Ядерные реакции в звездах
5.5.1. рр-цикл (Г. Бете, 1939)
5.5.2. Проблема солнечных нейтрино
5.5.3. CNO-цикл
5.5.4. О характере движения квантов в недрах Солнца и звезд
5.5.5. Происхождение химических элементов до элементов железного пика
5.5.6. Уравнения внутреннего строения звезд и Солнца
5.6. Роль давления излучения в массивных звездах
5.7. Соотношения M-L и M-R для звезд ГП
5.8. Атмосферы звезд
5.8.1. Спектральная классификация звезд
5.8.2. Непрерывный спектр
5.8.3. Образование спектральных линий
5.8.4. Эмиссионные линии в спектрах звезд
5.9. Солнце как ближайшая звезда
5.9.1. Общие характеристики
5.9.2. Особенности фотосферы, хромосферы и короны
5.9.3. Гелиосейсмология
5.10. Задачи
Глава 6. Эволюция звезд
6.1. Эволюция звезд после выгорания водорода
6.2. Вырождение вещества
6.3. Предел Чандрасекара и фундаментальная масса звезды
6.4. Вырождение вещества в центре у звезд различных масс
6.5. Роль потери массы в эволюции звезды
6.5.1. Звездный ветер на главной последовательности
6.5.2. Звездный ветер после главной последовательности. Асимптотическая ветвь гигантов и образование планетарных туманностей
6.6. Эволюция одиночных звезд после главной последовательности: краткий итог
6.7. Пульсации звезд. Цефеиды
6.8. Процессы образования тяжелых элементов в природе
Глава 7. Двойные звезды
7.1. Определение масс двойных звезд. Функция масс
7.2. Особенности эволюции звезд в ТДС
7.2.1. Приближение Роша и полость Роша
7.2.2. Перенос масс
7.3. Стадии эволюции двойных звезд
Глава 8. Планетные системы
8.1. Солнечная планетная система
8.2. Методы обнаружения планет вокруг звезд
8.3. Статистические зависимости экзопланет
8.4. Образование планет и их систем
8.4.1. Протопланетные диски
8.4.2. Образование планет Солнечной системы
8.4.3. Образование гигантских экзопланет
Глава 9. Сверхновые и остатки сверхновых
9.1. Нейтронизация вещества
9.1.1. Фотодиссоциация
9.1.2. Нейтронизация вещества и УРКА-процессы
9.1.3. Захват нейтрино и остановка коллапса
9.2. Вспышки сверхновых
9.2.1. Сверхновые II типа
9.2.2. Гиперновые и гамма-всплески
9.2.3. Сверхновые типа Iа
9.2.4. Остатки сверхновых и их взаимодействие с межзвездной средой
Глава 10. Компактные звезды и их наблюдательные проявления
10.1. Белые карлики
10.1.1. Белые карлики в двойных системах. Катаклизмические переменные и новые звезды
10.2. Нейтронные звезды
10.2.1. Внутреннее строение НЗ
10.2.2. Оценки масс НЗ
10.3. Свойства пульсаров
10.3.1. Основные свойства
10.3.2. Торможение вращения пульсаров
10.4. Рентгеновские пульсары
10.5. Черные дыры
10.6. Эффективность аккреции на компактные звезды
10.7. Эддингтоновский предел светимости при аккреции на компактные релятивистские объекты
Глава 11. Галактики и скопления галактик
11.1. Звездные скопления и наша Галактика
11.2. Основные характеристики галактик
11.3. Структура галактик
11.4. Движение газа и звезд
11.4.1. Столкновение звезд и время релаксации
11.4.2. Особенности движения звезд различных подсистем
11.4.3. Принципы измерения скоростей вращения галактик
11.4.4. Кривые вращения галактических дисков
11.4.5. Скорость вращения и круговая скорость
11.4.6. Связь распределения масс в галактике с кривой вращения
11.4.7. Проблема темного гало
11.4.8. О гравитационной устойчивости звездных дисков
11.4.9. Дисперсия скоростей и толщина галактических дисков
11.4.10. Бары галактик
11.4.11. Принципы оценки масс Е-галактик
11.5. Физическая природа спиральной структуры
11.5.1. Спиральные ветви: наблюдаемые свойства
11.5.2. Два типа спиральных ветвей
11.6. Межзвездный газ в галактиках
11.6.1. Холодный газ: нейтральный и молекулярный водород
11.6.2. Области НИ в галактиках
11.6.3. Горячий газ и рентгеновское излучение галактик
11.6.4. Магнитные поля
11.7. Звездообразование в галактиках
11.7.1. Общие сведения
11.7.2. Физические процессы, управляющие звездообразованием
11.7.3. Волны сжатия
11.7.4. Гравитационная неустойчивость газового диска
11.8. Ядра галактик
11.8.1. Общие сведения
11.8.2. Структура активных ядер
11.8.3. Сверхмассивные черные дыры
11.8.4. Основные принципы определения масс СМЧД
11.9. Скопления галактик
11.9.1. Общие сведения
11.9.2. Газ в скоплениях галактик
11.9.3. Оценка массы богатых скоплений
11.9.4. Особенности эволюции галактик в скоплениях
11.10. Задачи
Глава 12. Элементы современной космологии
12.1. «Краткий курс» истории космологии XX века
12.2. Крупномасштабная структура Вселенной
12.3. Предельно далекие галактики и квазары
12.4. Космологические модели
12.4.1. Космологический принцип
12.5. Однородные и изотропные космологические модели
12.5.1. Выбор системы координат
12.5.2. Метрика Фридмана-Робертсона-Уокера
12.6. Кинематика Вселенной
12.6.1. Закон Хаббла
12.6.2. Пекулярные скорости галактик
12.6.3. Распространение света. Красное смещение
12.6.4. Горизонт частиц
12.6.5. Угломерное и фотометрическое расстояния
12.6.6. Хаббловские диаграммы
12.6.7. Поверхностная яркость и парадокс Ольберса
12.7. Динамика Вселенной
12.7.1. Эволюция расширения. Критическая плотность
12.7.2. Влияние давления
12.8. Модели Фридмана с космологической постоянной
12.9. Горячая Вселенная
12.10. Лервичный нуклеосинтез («первые три минуты»)
12.11 Реликтовое излучение и эпоха рекомбинации
12.12. Эффект Сюняева-Зельдовича
12.13. Флуктуации реликтового излучения
12.14. Трудности классической космологии
12.14.1. Проблема горизонта (проблема причинности)
12.15. Модель инфляционной Вселенной
12.16. Рост малых возмущений
12.16.1. Гравитационная (джинсовская) неустойчивость
12.17. Образование крупномасштабной структуры Вселенной
12.18. Заключение
Приложение А. Гравитация
А.1. Гравитационная энергия
А.2. Время свободного падения
А.3. Теорема вириала
А.4. Квадрупольная формула для гравитационного излучения от двойной звезды
А.5. Вывод формулы для эпициклической частоты
Приложение В. Атомная физика
Приложение С. Взаимодействие излучения и вещества
С.1. Элементарные процессы, ответственные за излучение и поглощение света
С.1.1. Свободно-свободные переходы (электрон в поле протона)
С.1.2. Свободно-связанные переходы
С.1.3. Переходы между энергетическими уровнями.