Астрофизика. Физика космических излучений и космоса

МИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«КАЛМЫЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Утверждено
Советом факультета математики, физики
и информационных технологий
Декан
_________________ Сумьянова Е. В.
«____» ____________2014 г.
ПРОГРАММА
вступительного экзамена по профессиональной магистерской программе
«Астрофизика. Физика космических излучений и космоса»
направления 011200 «Физика»
Элиста 2014
1. Введение
1.1.
Пространственно-временные масштабы в астрофизике. Характерные расстояния, времена, массы. Солнечные единицы.
1.2.
Состояние вещества во Вселенной.
2. Излучение и поглощение электромагнитных волн в среде
2.1.
Основные понятия. Температурная шкала электромагнитных волн. Интенсивность излучения, поток излучения. Плотность энергии излучения. Спектр излучения.
2.2.
Излучение абсолютно черного тела. Тепловое излучение. Термодинамическое
равновесие. Спектр абсолютно черного тела.
2.3.
Перенос излучения в среде и формирование спектра. Коэффициент излучения.
Коэффициент поглощения и оптическая толщина. Перенос при наличии излучения и поглощения. Образование спектральных линий при наличии локального термодинамического равновесия.
2.4.
Астрофизические примеры спектров.
3. Физические особенности астрофизических наблюдений
3.1.
Основные задачи наблюдательной астрономии.
3.2.
Пропускание света земной атмосферой.
3.3.
Точечные и протяженные источники.
3.4.
Оптические наблюдения. Телескопы. Приемники излучения. Видимый диапазон. Проблема улучшения углового разрешения телескопа. Физические ограничения на точность фотометрических измерений. Спектральные наблюдения.
3.5.
Радиоастрономические наблюдения. Радиотелескопы. Радиоинтерферометры.
Метод апертурного синтеза.
3.6.
Рентгеновские телескопы и детекторы.
3.7.
Поляризационные наблюдения.
4. Межзвездная среда
4.1.
Основные составляющие и проявления.
4.2.
Пропускание света межзвездной средой.
4.3.
Физические особенности разреженной космической плазмы. Запрещенные линии. Излучение нейтрального водорода. Вмороженность магнитного поля.
4.4.
Объемный нагрев и охлаждение межзвездной среды. Основные механизмы
нагрева и охлаждения газа.
4.5.
Тепловая неустойчивость межзвездной среды.
4.6.
Ионизированный водород и зоны HII.
4.7.
Горячий или корональный газ.
4.8.
Молекулярные облака, звездообразование и квазары.
4.9.
Космические лучи и синхротронное излучение. Проблема происхождения и
ускорения космических лучей сверхвысоких энергий.
4.10. Другие методы диагностики космической полазмы.
5. Звезды.
5.1.
Общие характеристики.
5.2.
Образование звезд. Гравитационная неустойчивость. Влияние вращения на
сжатие. Влияние магнитного поля на сжатие.
5.3.
Стадии формирования звезд.
5.4.
Стационарные звезды. Гидростатическое равновесие. Теорема вириала для
звезды. Тепловая неустойчивость звезд. Отрицательная теплоемкость.
5.5.
5.6.
5.7.
5.8.
Ядерные реакции в звездах. рр-цикл. Проблема солнечных нейтрино. CNOцикл. О характере движения квантов в недрах звезд. Происхождение химических элементов до элементов железного пика. Уравнение внутреннего строения
звезд.
Роль давления излучения в массивных звездах.
Соотношения M-L и M-R для звезд главной последовательности.
Атмосферы звезд. Спектральная классификация звезд. Непрерывный спектр.
Образование спектральных линий. Эмиссионные линии в спектрах звезд.
6. Эволюция звезд
6.1.
Эволюция звезд после выгорания водорода.
6.2.
Вырождение вещества.
6.3.
Предел Чандрасекхара и фундаментальная масса звезды.
6.4.
Вырождение вещества в центре у звезд различной массы.
6.5.
Роль потери массы в эволюции звезды. Звездный ветер на главной последовательности. Звездный ветер после главной последовательности. Асимптотическая ветвь гигантов и образование планетарных туманностей.
6.6.
Эволюция одиночных звезд после главной последовательности.
6.7.
Пульсации звезд. Цефеиды.
6.8.
Процессы образования тяжелых элементов в природе.
7. Двойные звезды
7.1.
Определение масс двойных звезд. Функция масс.
7.2.
Особенности эволюции звезд в тесных двойных системах. Приближение Роша и
полость Роша. Перенос масс.
7.3.
Стадии эволюции двойных звезд.
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. Протопланетные диски. Образование планет
Солнечной системы. Образование гигантских экзопланет.
9. Сверхновые и остатки сверхновых
9.1.
Нейтронизация вещества. Фотодиссоциация. Нетронизация вещества и УРКАпроцессы. Захват нейтрино и остановка коллапса.
9.2.
Вспышки сверхновых. Сверхновые II типа. Гиперновые и гамма-всплески.
Сверновые типа Ia. Остатки сверхновых и их взаимодействие с межзвездной
средой.
10. Компактные звезды и их наблюдательные проявления
10.1. Белые карлики. Белые карлики в двойных звездных системах. Катаклизмические переменные и новые звезды.
10.2. Нейтронные звезды. Внутренне строение нейтронных звезд. Оценки масс
нейтронных звезд.
10.3. Свойства пульсаров. Основные свойства. 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.
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. Столкновение звезд и время релаксации. Особенности
движения звезд различных подсистем. Принципы измерения скоростей вращения галактик. Кривые вращения галактических дисков. Скорость вращения и
круговая скорость. Связь распределения масс в галактике с кривой вращения.
Проблема темного гало. Гравитационная неустойчивость звездных дисков.
Дисперсия скоростей и толщина галактических дисков. Бары галактик. Принципы оценки масс Е-галактик.
11.5. Физическая природа спиральной структуры. Спиральные ветви и их наблюдаемые свойства. Два типа спиральных ветвей.
11.6. Межзвездный газ в галактиках. Холодный газ: нейтральный и молекулярный
водород. Области HII в галактиках. Горячий газ и рентгеновское излучение галактик. Магнитные поля.
11.7. Звездообразование в галактиках. Общие сведения. Физические процессы,
управляющие звездообразованием. Волны сжатия. Гравитационная неустойчивость газового диска.
11.8. Ядра галактик. Общие сведения. Структура активных ядер. Сверхмассивные
черные дыры. Основные принципы определения их масс.
11.9. Скопления галактик. Общие сведения. Газ в скоплениях галактик. Оценка массы богатых скоплений. Особенности эволюции галактик в скоплениях.
12. Элементы современной космологии
12.1. Краткая история космологии ХХ века.
12.2. Крупномасштабная структура Вселенной.
12.3. Предельно далекие галактики и квазары.
12.4. Космологические модели. Космологический принцип.
12.5. Однородные и изотропные космологические модели. Выбор системы координат. Метрика Фридмана-Робертсона-Уокера.
12.6. Кинематика Вселенной. Закон Хаббла. Пекулярные скорости галактик. Распространение света. Красное смещение. Горизонт частиц. Угломерные и фотометрические расстояния. Хаббловские диаграммы. Поверхностная яркость и парадокс Ольберса.
12.7. Динамика Вселенной. Эволюция расширения. Критическая плотность. Влияние
давления.
12.8. Модели Фридмана с космологической постоянной.
12.9. Горячая Вселенная.
12.10. Первичный нуклеосинтез.
12.11. Реликтовое излучение и эпоха рекомбинации.
12.12. Эффект Сюняева-Зельдовича.
12.13. Флуктуации реликтового излучения.
12.14. Трудности классической космологии. Проблема горизонта.
12.15. Модель инфляционной Вселенной.
12.16. Рост малых возмущений. Гравитационная (джинсовская) неустойчивость.
12.17. Образование крупномасштабной структуры Вселенной.
13. Солнце и его структура
13.1. Общая характеристика Солнца. Внутреннее строение. Внешняя атмосфера. Фотосфера. Хромосфера. Корона.
13.2.
Преходящие явления. Активные области. Солнечные пятна. Протуберанцы,
спокойные и эруптивные протуберанцы. Солнечные вспышки.
14. Нагрев верхней атмосферы
14.1. Модели атмосферной структуры. Эффекты магнитного поля.
14.2. Нагрев звуковыми волнами. Усиление крутизны фронта волны. Распространение и диссипация.
14.3. Магнитный нагрев. Распространение и диссипация магнитных волн. Нелинейное взаимодействие альвеновских волн. Резонансное поглощение альвеновских
волн. Диссипация магнитного поля.
14.4. Корональные петли. Статические модели, основанные на уравнении баланса
энергии. Потоки в корональных петлях.
15. Солнечные пятна
15.1. Магнитная конвекция. Физические явления. Линейный анализ устойчивости.
Выталкивание и концентрация магнитного потока.
15.2. Магнитная плавучесть. Качественное описание. Неустойчивость, связанная с
магнитной плавучестью. Подъем силовых трубок внутри Солнца.
15.3. Охлаждение солнечных пятен.
15.4. Равновесная структура солнечных пятен. Магнитогидростатическое равновесие.
Устойчивость солнечных пятен.
15.5. Полутень солнечного пятна.
15.6. Эволюция солнечного пятна. Формирование и распад пятна.
15.7. Интенсивные силовые трубки. Равновесие тонкой силовой трубки. Неустойчивость сильного магнитного поля. Образование спикул. Волны в трубке.
16. Теория динамо
16.1. Проблема гидромагнитного динамо. История вопроса. Теорема Каулинга.
16.2. Качественное описание действия динамо. Генерация тороидальных и полоидальных полей. Феноменологическая теория.
16.3. Кинематическое динамо. Почти симметричное динамо. Турбулунтное динамо:
электродинамика среднего поля. Простые решения: динамо-волны. Модели
солнечного цикла: α-ω-динамо.
16.4. Магнитогидродинамическое динамо. Модифицированные кинематические динамо. Странные аттракторы. Конвективные динамо.
16.5. Трудности теории динамо.
17. Солнечные вспышки
17.1. Магнитное пересоединение. Область диффузии. Механизм Печека.
17.2. Простая петельная вспышка. Модель всплывающего потока. Тепловая неравновесность. Винтовая неустойчивость. Резистивная винтовая неустойчивость.
17.3. Двухленточная вспышка. Существование и множественность бессиловых равновесных конфигураций. Эруптивная неустойчивость. Главная фаза: послевспышечные петли.
18. Протуберанцы
18.1. Формирование протуберанцев. Образование протуберанца в петле, протуберанцы активных областей. Образование протуберанца в корональной аркаде. Образование протуберанца в токовом слое.
18.2. Магнитная гидростатика поддержания протуберанца в простой аркаде. Модель
Киппенхана-Шлютера. Обобщенная модель Киппенхана-Шлютера. Внешнее
поле. Магнитогидродинамическая устойчивость. Спиральная структура.
18.3.
18.4.
Поддержка в конфигурациях со спиральными полями. Поддержка в токовом
слое. Поддержка в горизонтальном поле.
Корональные транзиенты. Модель скрученной петли. Модели петель без закручивания. Численные модели.
19. Солнечный ветер
19.1. История вопроса. Решение Паркера.
19.2. Модели сферического расширения. Уравнение энергии. Двухжидкостная модель. Структура магнитного поля.
19.3. Стримеры и корональные дыры. Модели корональных дыр.
20. Основные уравнения магнитной гидродинамики
20.1. Уравнения электромагнитного поля.
20.2. Уравнения движения плазмы. Уравнение непрерывности. Уравнение состояния
газа.
20.3. Закон сохранения энергии.
20.4. Уравнение индукции для проводящей среды. Коэффициент магнитной диффузии. Диффузионный предел. Предел идеальной проводимости.
20.5. Теорема вириала в магнитной гидродинамике.
21. Магнитная гидростатика
21.1. Сила Лоренца. Сила магнитного натяжения и сила магнитного давления.
21.2. Уравнение магнитной гидростатики.
21.3. Бестоковые и бессиловые магнитные поля. Примеры.
21.4. Строение цилиндрически-симметричных магнитных силовых трубок. Случаи
чисто аксиального и чисто азимутального магнитного поля.
21.5. Магнитные силовые трубки в солнечной атмосфере.
22. Магнитогидродинамические волны
22.1. Альвеновские волны. Торсионные волны. Альвеновские волны конечной амплитуды.
22.2. Магнитозвуковые волны.
22.3. Приближение геометрической акустики в магнитной гидродинамике. Условия
применимости приближения. Уравнения эйконала для магнитогидродинамических волн.
Список литературы
1. Засов А. В., Постнов К. А. Общая астрофизика. Фрязино: ООО «Век», 2006. 496 с.
2. Зельдович Я. Б., Рузмайкин А. А., Соколов Д. Д. Магнитные поля в астрофизике.
Москва-Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2006. 384 с.
3. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Электродинамика сплошных сред. –М.: Наука, 1982.
620 с.
4. Половин Р. В., Демуцкий В. П. Основы магнитной гидродинамики. –М.: Энергоатомиздат, 1987. 208 с.
5. Прист Э. Р. Солнечная магнитогидродинамика. –М.: Мир, 1985. 590 с.
6. Филиппов Б. П. Эруптивные процессы на Солнце. –М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007.