З дисципліни Астрофізика

Міністерство освіти і науки України

Дніпродзержинський державний технічний університет

 

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ

З дисципліни Астрофізика

    Затверджено редакційно-видавничою

Укл: ст. викл. Зацаренко В.І.

Дніпродзержинськ : ДДТУ, 2007 р. - с.

 

Укладач: ст. викл. Зацаренко В.І.

Відповідальний за випуск:

зав.каф. фізики, доц. Таран В.Г.

Рецензент: доц. Трусеєва Н.О.

 

Затверджено на засіданні кафедри фізики.

Протокол № від 2007 р.

 

Конспект лекцій з дисципліни “Астрофізика”

Призначений для самостійного вивчення студентами

спеціальності 6.070100 “Фізика твердого тіла”

 

 

 

1. Предмет і задачі астрофізики. Елементи астрофотометрії

 

Астрофізика як наука та предмет її досліджень

  Астрофізика вивчає будову, фізичні властивості космічних об’єктів та явища, що… Найбільш вагомі, революційні досягнення, які сформували астрофізику як науку, сталися на початку ХХ ст., а також у…

Видима зоряна величина.

Астрофотометрія досліджує блиск небесних світил, тобто освітленість Е – світловий потік, що падає на одиницю поверхні, нормальної до променів.… I = Er2 (1.1)  

В загальному випадку

Звідки слідує формула Погсона: (1.7) Оптичні телескопи виявляють об’єкти до 24,m0. Сонце має-26,m7, Місяць –12,m5 (1:1), Антарес +1,m2, Сіріус -1,m6, Вега…

Показник кольору

Різниця блиску зірки в різних ділянках спектра називається показником кольору: (1.8) Трикольорова система UBV дає два показника кольору в спектральних інтервалах U – B та B – V. По ним будуються…

Світність та абсолютна зоряна величина. Модуль відстані

Абсолютна зоряна величина характеризує світність зірки і являє собою видиму величину, яку мала б зірка на відстані 10 парсек. Один парсек –…      

Річний паралакс та визначення відстані близьких зірок

Річний паралакс p - це кут, під яким з зірки S (рис.1.2) видно радіус земної орбіти a.  

Випромінювання абсолютно чорного тіла

Для теплового випромінювання

Частковим випадком теплового випромінювання є випромінювання абсолютно чорного тіла. Для зірок характерний малий вихід випромінювання в порівнянні з… (1.15) При <<1, тобто, для малих частот, справедлива формула Релея-Джинса

Болометрична величина зірки

В (1.9) входить болометрична зоряна величина, яка враховує випромінювання зірки у всьому спектральному діапазоні: mв = mv+mв, де mv - видима величина; mв - болометрична поправка, яка враховує те, що частина енергії зірки спостерігачем не…

Фізика випромінюючого газу

 

Потенціали збудження та іонізації атомів

Розглянемо основні закономірності поведінки газів у зоряних атмосферах та міжзоряному газові поблизу гарячих зірок, випромінювання яких іонізує… ℇnm = 13,56 (1/n2 - 1/m2) (eВ) (2.1) або

Спектральні серії та рекомбінаційні радіолінії

Перші лінії спектральних серій називаються резонансними й позначаються Lα (Лайман-альфа, 2I, λ1216Å), Нα (Бальмер-альфа, 32,… Як зазначалось в розділі 2.2, перехід mn при m=відповідає випромінюванню в… В міжзоряному високорозрідженому іонізованому газі можлива рекомбінація на високі рівні, недосяжна в лабораторних…

Часові масштаби релаксаційних процесів

За час релаксації параметр системи зменшується у е=2,72 рази, тобто система наближається до рівноважного стану. Релаксаційними є процеси… . Для водню теорія дає:

Заборонені лінії

Це лінії, заборонені правилами вибору. Оскільки спін протона , то повний момент атома водню в основному стані має два значення: F = 1 (спіни протона…  

Розподіли Больцмана та Максвелла

В класичній фізиці розподіл частинок ідеального газу по енергетичним рівням в умовах термодинамічної рівноваги описується функцією Больцмана: . При даній Т:

Ефект Доплера

Ефект Доплера має виключно важливе значення в астрофізиці, тому що дозволяє по зміщенню та уширенню ліній визначати променеві швидкості об’єктів,… , де ν0 - справжня частота; υ - фазова швидкість хвилі в середовищі.

ЗАДАЧА ПРО ПЕРЕНОС ВИПРОМІНЮВАННЯ

Рівняння переносу

Первісні γ-кванти, що виникають при ядерних реакціях в надрах зірок ( λ~ 0,001Å, = 2·10-12Дж =104 кеВ) на шляху до поверхні крізь… Кінетичний стан речовини описується умовою ЛТР: в будь-якій області газу… (3.1)

Механізми теплового випромінювання (поглинання).

Коефіцієнт поглинання

При тепловому випромінюванні (поглинанні) відбуваються такі переходи електрона: 1) зв’язано-зв’язані; 2) зв’язано-вільні; 3) вільно-вільні. При першому з них… .

Бальмерівський стрибок

серії (ділянка ДС на рис.3.4), тому в цих довжинах хвиль на поверх­ню виходять    

ЗОРЯНІ СПЕКТРИ

Матеріальна єдність світу

Вивчення спектральних ліній зоряних атмосфер дозволяє оцінити загальну кількість поглинаючих атомів даного елемента, що знаходиться в певному…

Спектральна класифікація зірок та її фізичні основи

Спектр випромінювання зірок – суцільний, з темними лініями поглинання (в зоряних атмосферах) та іноді – з яскравими емісійними лініями, що виникають… Дослідження спектрів зірок з 1385 р, зведені до каталогу Г.Дрепера (НД) в…  

Ефекти обертання та турбулентності

Розбіжність в спектрах зірок одного класу пов'язана також з різними швидкостями їх обертання навколо осі, а також з міцними турбулентними рухами в…  

НЕТЕПЛОВІ МЕХАНІЗМИ ВИПРОМІНЮВАННЯ

Загальна характеристика нетеплового випромінювання

Нетеплове випромінювання генерується в нерівноважних умовах, коли розподіл електронів по швидкостям не є максвеловським. Спостереженнями в…  

Синхротронне випромінювання

Нетеплове випромінювання, що генерується релятивістськими зарядженими частинками в зовнішніх магнітних полях, знайдене в синхротронах і тому назване… (5.1) Релятивістський електрон (МВт, Т~1010К) випромінює з частотою

Комптонівське розсіювання електромагнітних хвиль на релятивістських електронах

Нехай між джерелом, випромінюючим з частотою ν0, та спостерігачем знаходиться хмара релятивістських електронів з енергією Е . Зіткнувшись з… (5.7) де υ – швидкість електрона до розсіювання; a – кут розсіювання; q0, q – кути між напрямком руху фотона і…

Розсіювання плазмових хвиль на релятивістських електронах

В умовах космосу в плазмі можливі повздовжні та поперечні плазмові хвилі. Заряд в плазмі нейтралізується зарядами протилежного знаку за межами сфери… Електронно-плазмові (ленгмюрівські) хвилі виникають при зміщенні електронів… (рад/с)

ФІЗИКА СОНЦЯ

Загальні відомості про Сонце. Будова атмосфери.

Сонце – жовтий карлик класу G2: Rʘ = 6,96·105км, mʘ – 1,99·І030 кг, ʘ=1,41·103, Tеф=5806К, Lʘ=3,86·1026.… Розподіл густини в атмосфері характеризується шкалою висот або висотою… , (6.1)

Прояви сонячної активності, що спостерігаються

Фотосфера виглядає як кипляча поверхня із світлих гранул на темному фоні, діаметром ~700 км з температурою, більшою на 400 К від темних проміжків.… В зоні ±30° від екватора виникають великі локальні маг­нітні поля, які… ,

Радіо – та рентгенівське Сонце

В цих діапазонах Сонце – слабке джерело. Є чимало об'єк­тів (радіопульсари, залишки вибухів зірок, радіогалактики, релятивістські зірки тощо), які в… Рентгенівські знімки одержані вперше в 1948 р на висотній ракеті. На 1Å…

Гідростатична рівновага Сонця

В газовій кулі масою m радіусом R виділимо на відстані r1 від центра стовпчик газу висотою та масою . Сила притяжіння його останньою масою всередині… (6.2) Центр тяжіння елемента знаходиться на відстані

Динаміка зовнішніх шарів Сонця

Визначимо умову, при якій порушується променева рівновага й виникає конвекція. Нехай конвективний елемент газу в нижній фотосфері був адіабатно… ; (6.11) Спочатку Р1*, ρ1*, Т1* не відрізняються від Р1, ρ1, Т1 оточного середовища. Якщо після підіймання…

Умова стійкості гідростатичної рівноваги. Негативна теплоємність зірок

Гідростатична рівновага (6.5), осереднена для зірки в цілому . При швидкому стисканні або підійманні речовини згідно з (6.11)

Причини сонячної активності. Магнітні поля плям

Плями виникають через конвекцію в зовнішніх шарах. Загаль­не магнітне поле пронизує не все Сонне, а розташовується в його поверхневих шарах товщиною… Підсилення магнітних полів і утворення трубок проходить за рахунок енергії…  

Теорія сонячних спалахів

Кількісно ця теорія ще не розроблена внаслідок великої складності процесів, що протікають у високотемпературній плаз­мі, пронизаній потужними… В момент спалаху на Землі спостерігається різке зрос­тання потоку космічних…

Утворення протуберанців

Протуберанці – це утворені потоками газу викиди речовини з підвищеною густиною й пониженою температурою, що виходять в корону. Спокійний…  

Джерела енергії Сонця

Джерелами енергії Сонця та зірок можуть бути гравітаційне стискання (див. розділ 6.6) та термоядерні реакції. Гравітаційна потенційна енергія: = = де – константа, що враховує розподіл густини в зірці (для однорідної зірки ); – гравітаційний потенціал. Опустимо (–)…

ФІЗИКА ЗІРОК

Діаграма колір – світність.

Незалежно Е. Герцшпрунг та Г.Реесел на початку XX ст. встановили емпіричну залежність між світністю зірок та їх кольором (спектральним класом). На…

Залежність маса-світність

Маса – найважливіша, але й найскладніша для визначення характеристика зірки. Надійного засобу визначення маси одиноких зірок взагалі не існує. Однак…  

Взаємозв'язок параметрів зірок

Для зірок ГП світністьпов'язана з радіусом співвідношенням: (7.7) Зрівнюємо (7.6) та (7.7):

Розв’язування

2) ; З) По закону Стефана-Больцмана:

Політропні моделі зірок.

Маса тонкого сферичного шару товщиною : Градієнт маси: (7.10)

Умова променевої рівноваги. Основні рівняння теорії будови зірок.

При виведенні (7.11) не враховане неперервне енерговиділення. При заданих , R, L невідомо, конвекцією чи променевипусканням переноситься енергія.… . Енергія, що поглинається одиницею маси елементарного сферичного шару товщиною :

Моделі зірок

Розрахунок моделей зводиться до розв’язування основних рівнянь попереднього розділу з використанням таблиць та , для кожного . Зірка розбивається на…  

Синтез хімічних елементів в надрах зірок

В ядрах гігантів водню вже нема, а с 6. Джерелом енергії стає потрійний – процес: (7.18) За таких умов еВ, й вони легше долають кулонівський бар’єр. Їх зіткнення утворює берилій:

Модель білих карликів

Перший з білих карликів було відкрито в подвійній системі Сіріуса (Bеликого Пса): навколо видимої зірки (Сіріуса А) обертається її крихітний… (7.23) (при <<c). При дуже високих теплові швидкості можуть зрівнятися з швидкостями, зумовленими виродженням. Тому…

Еволюція зірок

Зірки утворюються шляхом гравітаційної конденсації в газопилових комплексах (зони НІ з та хмари молекулярного водню з ). При даних та існує радіус хмари , названий джинсовською довжиною, при… При стисканні Т=const за рахунок молекулярного інфрачервоного випромінювання. Хмара фрагментує на окремі згустки.…

Пульсуючі фізично змінні зірки.

Це зірки, що виконують коливання за рахунок енергії, що вивільняється в надрах, причому промениста енергія переходить в механічну. Овновні типи: 1. Довгоперіодичні цефеїди (діб, , високої світності, клас F). 2. Типу Міри (О) Кита – довгоперіодичні гіганти (діб, , пізніх класів).

Вибухи наднових зірок.

На пізніх стадіях еволюції масивні зірки вибухають, і їх світність збільшується неймовірно. Зірка, зовсім невидима на фото до спалаху, раптово… І - максимальний блиск триває близько тижня, потім різкий спад за 1 місяць і… ІІ - максимум блиску триває близько 20 діб, потім зменшується на декілька і залишається майже постійним, після чого…

Пульсари. Нейтронні зірки.

В 1967р. відкриті джерела короткоперіодичного радіовипромінювання, названі пульсарами (). Пульсар з знаходиться в центрі Крабовидної туманності -… (7.33) де Р – в мс, a t – в роках. Вік при сягає років. Пульсари – це нейтронні зірки, що швидко обертаються. В центрі їх…

Чорні дірки.

При навіть тиск виродженого нейтронного газу не здатний зупинити гравітаційне стискання зірки, й вона катастрофічно стискається до стану чорної… В сильних гравітаційних полях простір викривлений і не є евклідовим. В деяких… (7.41)

ЛІТЕРАТУРА

2. Физика космоса. Под ред.Р.А.Сюняева. - М.:Сов.энциклопедия, 1986. - 783 с. 3. И.В.Савельев. Курс общей физики.T.I. - М.: Наука, 1973. -504с. 4. И.В.Савельев. Курс общей физики.Т.2. - М.: Наука, 1988. –496с.

ЗМІСТ

С.

1.ПРЕДМЕТ І ЗАДАЧІ АСТРОФІЗИКИ. ЕЛЕМЕНТИ

АСТРОФОТОМЕТРІЇ. ……………………………………………… 3

1.1.Астрофізика як наука та предмет її досліджень…………………. 3 1.2.Видима зоряна величина …………………………………………. 4 1.3.Показник кольору ………………………………………………… 5 1.4.Світність та абсолютна зоряна величина. Модуль відстані …… 5

1.5.Річний паралакс та визначення відстаней близьких зірок……… 6

1.6.Випромінювання абсолютно чорного тіла………………………. 6 1.7.Болометрична величина зірки ……………………………………. 7 2.ФІЗИКА ВИПРОМІНЮЮЧОГО ГАЗУ…………………………….. 7

2.1.Потениіали збудження та іонізації атомів……………………….. 7

2.2.Іонізаційна рівновага. Формула Саха. Рекомбінація

в газі (плазмі)……………………………………………………….. 8

2.3.Спектральні серії та рекомбінаційні лінії…………………………. 10 2.4.Часові масштаби релаксаційних процесів……………………….. 11

2.5.Заборонені лінії…………………………………………………….. 11

2.6.Розподіли Больцмана та Максвелла………………………………. 12

2.7. Ефект Доплера…………………………………………………….. 13

3. ЗАДАЧА ПРО ПЕРЕНОС ВИПРОМІНЮВАННЯ…………………. 14

3.1.Рівняння переноса …………………………………………………. 14 3.2.Механізми теплового випромінювання (поглинання)

Коефіцієнт поглинання……………………………………………. 18 3.3.Бальмерівський стрибок …………………………………………… 19 4.ЗОРЯНІ СПЕКТРИ…………………………………………………….. 20

4.1.Матеріальна єдність світу………………………………………….. 20

4.2.Спектральна класифікація зірок та її фізичні основи……………. 20

4.3. Ефекти обертання та турбулентності……………………………… 22

5.НЕТЕПЛОВІ МЕХАНІЗМИ ВИПРОМІНЮВАННЯ……………….. 22

5.1.Загальна характеристика нетеплового випромінювання…………. 22

5.2.Синхротронне випромінювання…………………………………… 23

5.3.Комптонівське розсіювання електромагнітних хвиль на

релятивістських електронах………………………………………. 24

5.4.Розсіювання плазмових хвиль на релятивістських електронах 25

6.ФІЗИКА СОНЦЯ……………………………………………………….. 25

6.1.Загальні відомості про Сонце. Будова атмосфери……………….. 25

6.2.Прояви сонячної активності, що спостерігаються………………. 27

6.3.Радіо - та рентгенівське Сонце ……………………………………. 28

6.4. Гідростатична рівновага Сонця……………………………………. 28

6.5.Динаміка зовнішніх шарів Сонця………………………………….. 30

6.6.Умова стійкості гідростатичної рівноваги. Негативна

теплоємність зірок………………………………………………….. 31

6.7.Причини сонячної активності. Магнітні поля плям…………………..32

6.8.Теорія сонячних спалахів……………………………………………. 33

6.9. Утворення протуберанців…………………………………………… 34

6.10. Джерела енергії Сонця…………………………………………….. 34

7.ФІЗИКА ЗІРОК……………………………………………………………. 36

7.1.Діаграма колір – світність……………………………………………….36

7.2.Залежність маса – світність……………………………………………..37 7.3.Взаємозв'язок параметрів зірок………………………………………. 40

7.4.Політропні моделі зірок ……………………………………………… 41

7.5.Умова променевої рівноваги. Основні рівняння теорії

будови зірок…………………………………………………………… 42

7.6.Моделі зірок …………………………………………………………….43

7.7.Синтез хімічних елементів в надрах зірок…………………………….44

7.8.Модель білих карликів………………………………………………….45

7.9. Еволюція зірок………………………………………………………….47

7.10.Пульсуючі фізично-змінні зірки………………………………………49

7.11.Вибухи наднових зірок……………………………………………….. 50

7.12.Пульсари. Нейтронні зірки…………………………………………… 51

7.13.Чорні дірки……………………………………………………………. 55

ЛІТЕРАТУРА………………………………………………………………….59

 

НАВЧАЛЬНЕ ВИДАННЯ

 

Конспект лекцій з дисципліни „Астрофізика” для студентів IV курсу спеціальності 6.070102 „Фізика твердого тіла”.

 

Укладач: ст. викладач Зацаренко В.І.

 

Підписано до друку

Формат Обсяг др. аркушів

Тираж екз. Замовлення

 

 

51918 м. Дніпродзержинськ

вул. Дніпробудівська, 2