Московский физико-технический институт (государственный университет) Факультет проблем физики и энергетики рявцев 999г. ПРОГРАММА ИТОГОВОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ЭКЗАМЕНА ПО СПЕЦИАЛЬНОСТИ 010300«ПРИКЛАДНЫЕ МАТЕМАТИКА И ФИЗИКА» «КОСМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА» Программа разработана кафедрой «Космическая физика» (базовое предприятие ИКИ РАН) в соответствии с магистерской программой 01.03068 «Космическая физика». ДеканФПФЭ С.А.Гордюнин 1999 г. Зав, кафедрой «Космическая физика» А.А.Галеев _________1999 г. НАБЛЮДАТЕЛЬНЫЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ АСТРОФИЗИКИ И КОСМИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ Астрономическая оптика. Телескопы и их основные параметры (разрешающая способность, поле зрения, проникающая сила.). Основные типы телескопов (рефракторы, рефлекторы и их схемы, зеркально-линзовые системы). Экваториальная монтировка. Понятие астроклимата. Атмосферное влияние на качество изображения. Приборы для измерения угловых размеров звезд: интерферометр Майкельсона. Антенны радиотелескопов. Основные параметры радиоастрономических антенн и методы из определения ( эффективная площадь, диаграмма направленности, угловое разрешение, шумовая температура, наведение помехозащищенность). Основные типы антенн малой направленности. Зеркальные антенны. Перископические антенны. Облучатели. Синфазные решетки. Радиоастрономические и технические методы измерения параметров антенн. Двухантенный интерферометр. Многоэлементные интерферометры. Апертурный синтез Антенная система - как фильтр пространственных частот. Квазиоптические антенные тракты. Антенно-фидерные устройства. Интерферометр интенсивности. Интерферометры с независимой регистрацией сигналов. Системы регистрации Марк I, Марк II, Марк III. Основные параметры интерферометров и методы их измерения. Флуктуационная чувствительность интерферометров. Эффект насыщения. Основные параметры крупнейших радиотелескопов. Спектральные приборы и их основные параметры ( разрешение, светосила, геометрический фактор). Призменные спектрометры и спектрографы. Дифракционные спектральные приборы. Плоская и вогнутая дифракционная решетка. Основные схемы спектрографов и спектрометров с вогнутой дифракционной решеткой (схемы Игля, Водсворта, Сейа-Намиока и ДжонсонаОнако). Основы Фурье-спектроскопии. Интерферометр Фабри-Перо и интерференционные светофильтры. Интерферометр Мейкельсона, сисам, растровые спектрометры. Основные параметры Фурье-спектрометров. Методы восстановления спектров по фурьеграммам. Методы измерения поляризации. 5. Детекторы излучения оптического, ультрафиолетового и инфракрасного диапазонов. Фотоэлектрические приемники излучения оптического ультрафиолетового диапазонов. Тепловые детекторы. Основные параметры приемников (чувствительность, спектральная характеристика, шумы, частотная характеристика). Факторы, ограничивающие обнаружение слабых сигналов в различных диапазонах. 6. Радиометры. Общая теория радиометрического приема сигналов. Радиометрический выигрыш и методы его реализации (компенсационный, модуляционный, корреляционный, нулевой). Типы радиометров. Радиоспектрометры. Аналоговый и цифровой методы реализации частотного разрешения. Радиополяриметр. Спектрометры. Основные параметры, методы измерения параметров. Калибровка. Основные параметры и методы калибровки. Входные устройства радиометров (парамагнитные, параметрические, транзисторные и другие типы малошумящих усилителей). Болометрический прием. Атомные стандарты частоты. Синтезаторы частоты. Цифровые и аналоговые системы регистрации данных. 7. Методы внеатмосферной астрономии. Детекторы и оптика для ультрафиолетовой и мягкой рентгеновской области (пропорциональные счетчики, твердотельные детекторы, микроканальные пластины, зеркальные телескопы косого падения, телескопы с кодированной аппаратурой, сотовые и модуляционные коллиматоры. Искровые камеры для гаммаобласти. Основные параметры детекторов (угловое, временное спектральное разрешение, геометрическая и эффективная площадь, чувствительность). 8. Методы исследования планет Солнечной системы (радиометрия и ИКобласти спектра, радиоастрономические методы). Космические методы исследования атмосферы планет (измерения давления, плотности и температуры, прямые методы; изучение торможения ИСЗ, спектроскопические методы, радиопросвечивание). Изучение ионосфер планет. Исследования магнитного поля планет. 9. Методы исследования химического состава планетных атмосфер и грунта Луны и планет ( химические анализаторы, массспектрометры, оптическая и ИК- спектроскопия, гаммаспектроскопия, активационный анализ). 10. Методы радиоастрономических наблюдений и обработки. Основные измеряемые параметры радиоисточников - плотность потока, распределение радиояркости, поляризация, спектр излучения, лучевые скорости. Измерение интенсивности однородного фона (абсолютный метод). Измерение потока источников ( абсолютным и относительным методом). Оценка точности. Учет нелинейности и инерции приемной системы. «Путаница». Измерение распределения яркости источников. Синтез радиоизображения при измерениях на радиоинтерферометрах со сверхдлинной базой. Фазовая проблема. Гибридное картографирование. Методы калибровки. Поляризационные и спектральные измерения. Учет влияний атмосферы и ионосферы, исключение инструментального профиля. Собственное излучение атмосферы, облаков и Земли. Пространственные и временные функции, возможность их исключения. II. ОБЩАЯ АСТРОФИЗИКА И ФИЗИКА ПЛАНЕТ. 1. Звезды: шкала звездных величин, фотометрические системы, система U, В, V и ее продолжение в УФ и ИК область. Видимые и обсолютные звездные величины, болометричекие величины. Методы определения расстояний до звезд. Показатель цвета, избыток цвета. Температура поверхности звезд, шкала звездных температур. Звездные спектры и их классификация. Диаграмма Гершпрунга-Рэссела. Методы определения масс звезд. Двойные звезды, Полость Роша. Конечные стадии эволюции звезд, компактные звезды (белые карлики, нейтронные звезды, черные дыры). Районы звездообразования в Галактике, их линейчатое и непрерывное радиоизлучение. 2. Переменные звезды и их классификация. Цефеиды. Теория пульсаций цефеид. Новые и сверхновые звезды. (Кривые блеска, спектры). Физическая природа вспышек новых звезд. Теория вспышек сверхновых. 3. Собственные движения звезд, лучевые скорости звезд, движение Солнечной системы в Галактике. 4. Млечный путь и его строение. Звездные скопления: рассеянные и шаровые скопления. Галактические туманности (темные и светлые). Межзвездное поглощение света. 5. Теория галактического вращения. Волны плотности. Спиральная структура Галактики. Типы звездного населения и их кинематика. Газ в облаках и в межоблачном пространстве 6. Межзвездная среда. Источники нагрева межзвездной среды. Тепловая неустойчивость. Устойчивые фазы в межзвездной среде. Межзвездный газ и пыль, их состав, физические параметры, распределение. Распространение радиоволн. Методы исследования вращения Галактики спиральной структуры и определения расстояний галактических источников. Космические лучи, Межзвездные магнитные поля и методы их исследования, радиоизлучение. 7. Галактики и их классификация, ядра галактик, методы определения расстояний в Метагалактике. Активные галактические ядра. Квазары. Структура и переменность внегалактических радиоисточников и проблема общей эволюции внегалактических объектов. Зависимость наблюдаемых параметров источников от красного смещения. Красное смещение и закон Хаббла. 8. .Солнце (размеры, масса, светимость, температура поверхности, спектр. Фотосфера, хромосфера, солнечная корона (спектр, физические условия). Ультрафиолетовое, рентгеновское и гаммаизлучение Солнца. Солнечная активность, солнечный ветер. 9. Земля как планета. Атмосфера Земли, ее состав, вертикальный разрез. Общая циркуляция в атмосфере. Верхняя атмосфера, ионосфера, экзосфера, диссипация из атмосферы Земли водорода и гелия. 10.Поверхность и форма Земли, ее размеры. Магнитное поле Земли, элементы земного магнетизма, теория Гауса, разложение магнитного поля Земли по сферическим функциям. Внутреннее строение Земли. 11.Ионосфера Земли. Распространение радиоволн, простой слой Чепмена. Ионы и электроны в ионосфере. Основные химические реакции в ионосфере. Свечение ночного неба, полярные сияния. 12.Планеты земной группы и их спутники. Луна, строение поверхности и свойства грунта. Меркурий ( поверхность, вращение, атмосфера). 13.Марс и Венера. Сравнительный анализ химического состава атмосфер. Вращение Венеры, облачный слой, ионосфера, теории разогрева поверхности. Марс (строение поверхности, атмосфера, ионосфера). Магнитные поля планет земной группы ( Меркурий, Венера, Марс). Внутреннее строение планет земной группы. Плутон, основные сведения. 14.Планеты - гиганты. Юпитер ( строение атмосферы, облачный слой, вращение, радиоизлучение, магнитное поле Юпитера и его магнитосфера). Спутники Юпитера. Сатурн и его кольца. Уран, Нептун. Основы теории внутреннего строения планет - гигантов. 15.Малые тела солнечной системы: астероиды, кометы, метеориты, межпланетная пыль, зодиакальный свет. III. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ АСТРОФИЗИКА 1. Атомные спектры. Природа спектральных термов. Спектры атомов водорода и гелия. Пространственное квантование. Спин, тонкая структура. Спектры щелочных металлов. Спектры атомов и ионов с двумя и более валентными электронами, векторная схема. Интенсивности (сила осциллятора, коэффициенты Энштейна). Эффект Зеемана. Эффект Штарка. Изотопическое смещение. Сверхтонкая структура. Линия водорода К 21см. 2. Молекулярные спектры. Вращательные и вращательно колебательные полосы. Электронные спектры. Молекулярная радиоспектроскопия. Изотопичекие эффекты. Интенсивности линий. Вращательная температура. Спектры твердых и жидкий тел. 3. Теория звездных фотосфер. Непрерывный спектр. Основные понятия в теории излучения ( коэффициенты поглощения и излучения, различные механизмы поглощения в контикууме). Уравнение переноса. Гипотеза Л.Т.Р. Закон потемнения диска звезды к краю. Возбуждение и ионизация атомов в звездных атмосферах, рассеяние и истинное поглощение, свободно свободные переходы, отрицательные ионы водорода, рекомбинация. Отклонения от Л.Т.Р. ( солнечная корона). 4. Образование линий поглощения в спектрах звезд. Уравнение переноса для консервативного когерентного случая. Учет истинного поглощения. Решение уравнения для случая слабых линий. Коэффициенты селективного поглощения с вероятностью перехода. Доплеровское поглощение и истинное затухание. Эффекты давления, уширение линий вследствие столкновений атомов. 5. Основы теорий кривых роста. Методы построения кривых роста по наблюдениям. Турбулентные скорости в атмосферах звезд, постоянная затухания. Влияние на профиль линий вращения звезд. Изменение контуров линий от центра к краю. Влияние ускорения силы тяжести (различие спектров гигантов и карликов). 6. Ионизация атомов излучением и электронным ударом. Основы теории ионизации солнечной короны. Корональные линии и их отождествление. Непрерывный спектр солнечной короны ( F и Ккомпоненты). 7. Запрещенные линии в астрофизике. Механизм свечения планетарных туманностей. Метод Занстра для определения температур ядер планетарных туманностей. Поведение бальмеровских и запрещенных линий в планетарных туманностях.ас и аа излучение и его диффузия в планетарных туманностях. 8. Понятие о внутреннем строении звезд и их эволюции. Вырожденное состояние газа. Строение звезд главной последовательности. Красные гиганты и белые карлики. Основы теории эволюции звезд с постоянной массой. Связь теории эволюции звезд с наблюдаемыми диаграммами «спектрически тонкой плазмы, синхротронное, синхронное и изгибное излучения, обратный комптон-эффект, распад П - мезонов). Взаимодействие рентгеновского и у - излучения с веществом (ионизационные потери, комптоновское рассеяние, рождение пар). Классификация наблюдающихся дискретных источников космического излучения ( звездные остатки сверхновых, двойные рентгеновские источники. Теория аккреции на черные дыры и нейтронные звезды. Основные свойства «мертвых» звезд: белые карлики, нейтронные звезды, черные дыры, барстеры. Рентгеновские и гамма-всплески. Изотропный рентгеновский и у Фон- Внегалактические источники рентгеновского излучения. Рентгеновское излучение газа в скоплениях галактик. 9. Основы космологии. Наблюдательные основы космологии. Основные понятия (закон Хаббла, кривизна мира, критическая плотность, сопутствующие координаты, масштабный фактор, параметр ускорения). Закон эволюции, основные уравнения движения ( расширения). Фридмановские модели расширяющейся Вселенной: пример плоского мира. Теория горячей Вселенной. Начальные этапы расширения. Поведение излучения и вещества на ранних этапах Вселенной. Реликтовое излучение. Теория раздувающейся Вселенной. Гравитационная неустойчивость : теория образования галактик. «Скрытая» масса в галактиках и скоплениях галактик. IV ФИЗИКА МЕЖПЛАНЕТНОЙ И МАГНИТОСФЕРНОЙ ПЛАЗМЫ 1. Солнце. Солнце как звезда. Атмосфера Солнца. Солнечные пятна. Солнечная корона, протуберанцы. Солнечные вспышки. Генерация рентгеновского и гамма излучения, солнечных космических лучей. Радиоизлучение Солнца. Ультрафиолетовое и рентгеновское излучение Солнца, его поглощение в верхней атмосфере Земли. 2. Межпланетная среда. Солнечный ветер, его состав, скорость, температура. Высокоскоростные потоки плазмы и корональные дыры. Общее магнитное поле Солнца. Секторная структура межпланетного магнитного поля вблизи плоскости эклиптики. Теория Паркера. Ударные волны и разрывы в солнечном ветре. Распространение солнечных космических лучей в межпланетном пространстве. 3. Обтекание магнитосферы Земли солнечным ветром. Бесстолкновительная ударная волна. Переходная область. Структура магнитосферы. Магнитопауза. Полярные каспы. Геомагнитный хвост. Плазменный слой. Зона захвата. 4. Магнитосферы Юпитера и Сатурна. Магнитосфера Урана. Вырожденные магнитосферы Венеры, Марса, кометы Галлея. Магнитосфера Меркурия. Понятие о гелиосфере. 5. Крупномасштабные электрические поля в пограничном слоемагнитопаузе. Дрейф горячей плазмы плазменного слоя к Земле, адиабатическое ускорение частиц. Крупномасштабные трехмерные электрические токи в магнитосфере, из замыкание через проводящую ионосферу. 6. Радиационные пояса Земли. Распределение интенсивности захваченных в геомагнитную ловушку заряженных частиц. Понятие о дрейфовой оболочке ( L - оболочке), инвариантных координатах. Нарушение адиабатических инвариантов и диффузия захваченных частиц в магнитосфере поперек L -оболочек, по питч-углам. Механизмы наполнения и утечки энергичных частиц радиационных поясов. Энергетические спектры захваченных частиц, массовый и зарядовый состав энергичных ионов. Суммарная энергия захваченных частиц и сторм-тайм вариация геомагнитного поля (DST - вариация). Понятие о радиационной опасности для аппаратуры в поясе радиации. 7. Магнитосферная суббуря и магнитная буря. Формы проявления и фазы магнитосферной суббури. Инжекция энергичных частиц во внутреннюю магнитосферу и формирование пояса кольцевого тока, механизмы его распада. 8. Полярные сияния. Основные морфологические формы дискретных полярных сияний. Понятие о механизмах ускорения в спокойных однородных и в активных лучистых дискретных формах полярных сияний. Структура энергетических спектров и угловых распределений высыпающихся частиц в авроральном овале и в диффузной авроральной зоне. Полярные сияния как отображение процессов нагрева, ускорения и рассеяния частиц горячей плазмы в магнитосфере. Роль продольных токов. Понятие о связи овала полярных сияний с основными магнитосферными структурами-плазменным слоем, каспом. 9. Волновые излучения магнитосферной плазмы. Вистлеры, шипения, авроральное километровой радиоизлучение (АКР), ионноцикл стройные волны. Понятие о механизмах их возбуждения. 10.Верхняя атмосфера. Состав атмосферы. Ионосфера. Источники ионизации. Распределение электронной концентрации по высоте в среднеширокой ионосфере. Основные высотные области (слои) ионосферы. Изменение ионного состава с высотой. Поглощение радиоволн. Частота столкновений электронов. Распространение радиоволн в ионосфере. Рефракция радиоволн. Среднеширотный ионосферный провал, его природа. Провал легких ионов и плазмопауза. Заполнение внешней плазмосферы тепловой плазмой. Полярный ветер. Нагрев внешней плазмосферы. Стабильные красные дуги. Понятие об иносферах других планет. ЛИТЕРАТУРА 1. Зельдович Я.Б., Новиков И.Д. Строение и эволюция Вселенной. М.: Наука, 1975. 2. Бакулин П.И., Конович Э.В., Мороз В.И. Курс общей астрономии. М.: Наука, 1983. 3. Чемберлен Дж. Физика полярных сияний и излучения атмосферы. М.: Изд. Иностр. Лит,. 1963. 4. Краус Д.Д. Радиоастрономия. М.: Сов. Радио, 1973. 5. Тарасов К.И. Спектральные приборы. Л.: Машиностроение, 1977. 6. Шкловский И.С. Сверхновые звезды и связанные с ними проблемы. М.: Наука, 1976. 7. Шкловский И.С. Звезды: их рождение, жизнь и смерть. М: Наука, 1984. 8. Грайзен К. Физика космических рентгеновских лучей, гаммалучей и частиц высоких энергий. М.: Мир, 1975. 9. Калашникова В.И., Козодоев М.С. Детекторы элементарных частиц. М.: Наука, 1966. Ю.Худсон Д. Статистика для физиков. М.: Мир, 1970. Н.Мурзин B.C. Физика космических лучей. М.: Изд-во МГУ, 1970. 12.Хаякава С. Физика космических лучей. М.: Мир, 1973. 13.Дайон М.И. и др. Искровая камера. М.: Атомиздат, 1987. 14.Современная ядерная электроника. В 2-х томах . М.: Атомиздат, 1974. 15.Галактическая и внегалактическая радиоастрономия . Под ред. Г.Л. Веркслера и К.И. Келлермана. М.: мир, 1976 . 16.Бербидж Дж., Бербидж М. Квазары. М.: Мир, 1969. И.Манчестер Р.Н., Тейлор Дж. X. Пульсары. М.: Мир, 1980. 18.Астрофизика и космическая физика. Под ред. Р.А. Сюняеваю М.: Наука, 1981. 19.Вспышки на звездах (сверхновые, рентгеновские источники, Солнце). ВИНИТИ. Под ред. Р. А. Сюняева. М.: (Серия Астрономия/ Итоги науки и техники/, т. 21). 20.Пекулярные звезды, сильные магнитные поля и гамма астрономия. Под ред. Р.А. Сюняева. М.: ВИНИТИ, 1983. (Серия Астрономия/Итоги науки и техники/, т. 22). 21. Астрофизика и космическая физика ( астрофизика высоких энергий). Под ред. Р.А. Сюняева. М.: ВИНИТИ, 1983. (Серия Астрономии/Итоги науки и техники/, том 24). 22. Физика космоса. Изд. 2-е. М.: Сов. Энциклопедия, 1986. 23.Шварцшильд М. Строение и эволюция звезд. М.: Изд. Иностр. Лит., 1961. 24.Марочник Л.С., Сучков А.А. Галактика М.: Наука,1984. 25.Москаленко Е.М. Методы внеатмосферной астрономии. М.: Наука, 1984. 26.Мартынов Д.Я. Курс общей астрофизики. Изд. 3-е. М.: Наука, 1979. 27.Пикельнер С.Б. Основы космической электродинамики. Изд. 2-е. М.: Наука 1966. 28.Соболев В.В. Курс теоретической астрофизики. Изд. 3-е. М.: Наука, 1985. 29.Холопов П.Н. Звездные скопления. М.: Наука, 1981. 30.Каплан С.А., Пикельнер С.Е. Физика межзвездной среды. М.: Наука, 1979. ЗГПахольчик А.Г. Радиоастрофизика. М.: Мир, 1973. 32. Гинзбург В. Л. Распространение электромагнитных волн в плазме. М.: Наука, 1967. 33.Крюгер А. Солнечная радиоастрономия и астрофизика. М.: Мир, 1984. 34.Есепкина Н.А., Корольков Д. В., Парийский Ю.Н. Радиотелескопы и радиометры. М.: Наука, 1973. 35.Христиансен У., Хёгбом. Радиотелескопы. М.: Мир, 1972. 36.Цейтлин Н.М. Антенная техника и радиоастрономия. М.: Сов. радио, 1976. 37.Яковлев О.Н. Распространение радиоволн в Солнечной системе. М.: Сов. радио , 1974. 38.Губанов B.C. и др. Введение в радиоастрономию. М.: Наука, 1983. 39.Стандарты частоты и времени на основе квантовых генераторов и дискриминаторов. Под ред. Б.Н. Фатеева. М.: Сов. радио, 1978. 40.Алексеев В.А., Гайкович К.Н., Наумов А.Н. в кн. «Влияние атмосферы на астрономические наблюдения в оптическом и радио диапазонах». Иркутск, 1980, стр. 19. 41.Тейлер Дж. Р. Галактики: строение и эволюция. М.: Мир, 1981. 42. Построение изображений в астрономии по функциям когерентности. М.: Мир, 1982. 43.На переднем крае астрофизики. М.: Мир, 1979. 44.International Astronomical Lujon Symposium, vol. 86, Radiophysics of the Sun (1980) 45.IAU, vol. 94, Origin of Cosmic Rays (1981) 46.Symposium 1AU, v. 95, Pulsa , (1981) 47.IAU, v. 97 , Extragalactic Radiosources, (1982). 48.IAU, v. 106, The Milky Way Galaxy, (1983) 49.IAU110 VLBI and Compact Radio Sources (1983) 50.IAU, v.l 15 Ster Forming Regions, (1985). 51.Лойгейр Ь. Астрофизика высоких энергий .М.: Мир, 1984. 52.Шапиро С.Л., Тьюколски С.А. Черные дыры, белые карлики и нейтронные звезды. В 2-х частях. М,: Мир, 1985 53.Акасофу С., Чемпен С. Солнечно-земная физика. М.: Мир. 1974. 54.Бранд Дж. Солнечный ветер. М.: Мир, 1972. 55.Хундхаузен А. Дж. Расширение короны и солнечный ветер. М.: Мир, 1976. 56.Хесс В. Радиационный пояс и магнитосфера Земли. М.: Атомиздат, 1971. 57.Акасофу С. Полярные и магнитосферные суббури. М.: Мир, 1971. 58.Редерер X. Динамика радиации, захваченной геомагнитным полем М.: Мир, 1972. 59.Бауэр 3. Физика планетных ионосфер. М.: Мир, 1976. 60.Космическая геофизика. Под ред. А. Эгеланда, О. Хольтера и А. Омхольта. М.: Мир, 1976 61.Нишида А. Геомагнитный диагноз магнитосферы. М.: Мир, 1980 62.Лайонс Л., Уильяме Д. Физика магнитосферы. Количественный подход. М.: Мир, 1987. 63.Ионосферно-магнитные возмущения в высоких широтах. Под ред. С.А. Трошичова и др. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. 64.Молчанов О.А. Низкочастотные волны и индуцированные излучения в околоземной плазме. М.: Наука, 1985. 65.Итоги науки и техники. Исследования космического пространства. Т. 24, 1986. Плазменные процессы в солнечной системе. Под ред. Р.З. Сагдеева. М.: ВИНИТИ, 1986