К.А. Постнов, А.В. Засов - Курс общей астрофизики

Курс общей астрофизикиК.А. Постнов, А.В. ЗасовББК 22.63М29УДК 523 (078)Курс общей астрофизики К.А. Постнов, А.В. Засов. М.: Физический факультет МГУ, 2005, 192 с. ISBN 5–9900318–2–3 .Книга основана на первой части курса лекций по общей астрофизики, который на протяжении многих лет читается авторамидля студентов физического факультета МГУ. В первой части курсарассматриваются основы взаимодействия излучения с веществом,современные методы астрономических наблюдений, физическиепроцессы в межзвездной среде, формирование звезд и стационарные звезды. Книга может служить современным учебным пособием по общей астрофизике для студентов физических и астрономических специальностей университетов.Публикуется по решению Ученого Совета физического факультета МГУISBN 5–9900318–2–3cccК.А. Постнов, А.В.

Засов, текст, иллюстрации, 2005 г.В.Н.Семенцов, оригинал-макет, иллюстрации, 2005 г.Физический факультет МГУ им. М.В.Ломоносова, 2005 г.ОглавлениеГлава 1. Введение1.1. Пространственно-временные масштабы в астрофизике1.1.1. Расстояния . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .1.1.2. Характерные времена . . . . . . . . . . . . . . .1.1.3. Характерные значения масс . . . . . . . . . . . .1.1.4. Солнечные единицы . . . . . . . . . . . . . . . .Глава 2. Излучение и поглощение электромагнитных волнв среде2.1. Основные понятия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2.1.1. “Температурная” шкала электромагнитных волн2.1.2. 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 илокального 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 толща2.3.3. Уравнение переноса при наличии поглощения и излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . .710101515171819192021232324242425292930324Оглавление2.3.4. Решение уравнения переноса для простейшихслучаев . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . 342.3.5. Образование спектральных линий в условияхЛТР . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352.3.6. Температура астрофизических источников, определяемая по их излучению . . . . . . . . . . . . 392.4. Астрофизические примеры спектров . .

. . . . . . . . 412.5. Задачи к главе 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44Глава 3. Особенности и физические ограничения астрономических наблюдений463.1. Основные задачи наблюдательной астрономии . . . . 463.1.1. Пропускание света земной атмосферой . . . . . 473.1.2. Пропускание света межзвездной средой . . .

. 483.1.3. “Точечные” и “протяженные” источники . . . . 523.2. Телескопы и приемники излучения . . . . . . . . . . . 543.2.1. Оптические телескопы . . . . . . . . . . . . . . . 543.2.2. Приемники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563.2.3. Радиотелескопы . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . 583.2.4. Рентгеновские телескопы и детекторы . . . . . 623.3. Физические ограничения на точность астрономических измерений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 643.3.1. Когерентность света . . . . . . . . . . . . . . . . 643.3.2. Спекл-интерферометрия . . . . . . . . . . . . . 673.3.3. Активная и адаптивная оптика . . . . . . . .

. . 703.3.4. Статистика фотонов. Дробовой и волновойшум. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 723.4. О точности измерений световых потоков . . . . . . . . 733.4.1. Спектральные наблюдения . . . . . . . . . . . . 76Глава 4. Межзвездная среда804.1. Физические особенности разреженной космическойплазмы . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 854.1.1. Запрещенные линии . . . . . . . . . . . . . . . . 854.1.2. Излучение нейтрального водорода в линии21 см . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88Оглавление54.1.3. Вмороженность магнитного поля . . . . . . . .

894.2. Объемный нагрев и охлаждение МЗС . . . . . . . . . . 924.2.1. Основные механизмы нагрева газа . . . . . . . 924.2.2. Основные механизмы охлаждения . . . . . . . 944.3. Облака НI и тепловая неустойчивость МЗС . . . . . . 1014.4. Ионизованный водород и зоны НII . . . . . . . . . .

. 1024.5. Молекулярные облака, области звездообразования икосмические мазеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1054.6. Космические лучи и синхротронное излучение . . . . 1084.6.1. Проблема происхождения и ускорения КЛсверхвысоких энергий . . . . . . . . . . . . .

. . 1144.7. Другие методы диагностики космической плазмы . . 1164.8. Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119Глава 5. Звезды1215.1. Общие характеристики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1215.2. Образование звезд . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1255.2.1. Гравитационная неустойчивость . . . . .

. . . . 1255.2.2. Влияние вращения на сжатие . . . . . . . . . . 1275.2.3. Влияние магнитного поля на сжатие . . . . . . 1285.3. Протозвезды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1295.4. Стационарные звезды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1335.4.1. Гидростатическое равновесие .

. . . . . . . . . 1335.4.2. Теорема вириала для звезды . . . . . . . . . . . 1345.4.3. Тепловая устойчивость звезд. Отрицательнаятеплоемкость. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1365.5. Ядерные реакции в звездах. . . . . . . . . . . . . . . . . 1375.6. Особенности ядерных реакций в звездах .

. . . . . . . 1395.6.1. pp-цикл (Г. Бете, 1939) . . . . . . . . . . . . . . . 1415.6.2. CNO-цикл . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1465.6.3. Замечания о характере движения квантов внедрах Солнца и звезд . . . . . . . . . . . . . . . 1475.6.4. Уравнения внутреннего строения звезд и Солнца .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1506Оглавление5.7. Соотношения M –L и M –R для звезд главной последовательности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5.8. Атмосферы Солнца и 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 . . . . . .5.8.5. Происхождение химических элементов до элементов железного пика . . . . . . . . .

. . . . .Приложение A. ГравитацияA.1. Гравитационная энергия . . . . . . . . . . . . . . . . . .A.2. Время свободного падения . . . . . . . . . . . . . . . . .A.3. Теорема вириала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Приложение B. Атомная физикаПриложение C. Взаимодействие излучения и веществаC.1. Элементарные процессы, ответственные за излучение и поглощение света .

. . . . . . . . . . . . . . . . . .C.1.1. Свободно-свободные переходы (электрон в поле протона) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .C.1.2. Свободно-связанные переходы . . . . . . . . . .C.1.3. Переходы между энергетическими уровнями .C.1.4. Ионизация . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .C.1.5. Рекомбинация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .C.2. Признаки полного термодинамического равновесия .Приложение D. Влияние рассеяния на перенос излученияD.1. Случай чистого рассеяния . . . . . . . . . . . . . . . . .D.2. Связь числа рассеяний с оптической толщой . . .

. .D.3. Случай рассеяния и поглощения . . . . . . . . . . . . .Приложение E. Безразмерные числа и константыE.1. Физические константы . . . . . . . . . . . . . . . . . . .E.2. Астрофизические числа . . . . . . . . . . . . . . . . . .Приложение F. Звездные величины153155157158159162163165165167168172174174174174175175175176178179179181184184185187Глава 1.ВведениеВ необычных астрофизических явленияхзаконы физики предстают передисследователями в ином ракурсе,более глубоко раскрывая свое содержание.С.Б.ПикельнерАстрофизика – наука, занимающаяся исследованием далекихкосмических объектов и явлений физическими методами.

Астрофизика нацелена на создание физической картины окружающегомира, объясняющей наблюдаемые явления, на изучение происхождения и эволюции как отдельных классов астрономических объектов, так и Вселенной как единого целого в рамках известных физических законов.Поскольку прямые контакты научных приборов с изучаемыми объектами практически исключены, основу астрофизики, как иастрономии в целом, составляют наблюдения, то есть прием (детектирование) и анализ принимаемого излучения далеких источников. Непосредственные результаты наблюдений, как правило,сводятся к относительным или абсолютным измерениям энергии,приходящей от источника или его отдельных частей, в определенных интервалах спектра.

Интерпретация результатов наблюденийбазируется на знании механизмов излучения электромагнитныхволн и их взаимодействия с веществом.Исторически астрофизика выделилась в самостоятельное научное направление с появлением спектрального анализа (конец8Глава 1. ВведениеXIX в.), который открыл возможность дистанционного исследования химического состава и физического состояния не только лабораторных, но и астрономических источников света.

Наблюденияспектров звезд окончательно доказали, что астрономические теласостоят из атомов известных на Земле элементов, подчиняющихся тем же физическим законам. Химическое “единство” природыособенно наглядно было подтверждено открытием гелия – сначала (по спектру) в атмосфере Солнца, а только затем – в некоторыхминералах на Земле. Современные методы исследования позволяют по спектральным особенностям излучения не только узнать состав, температуру и плотность среды, но и измерить лучевые скорости источников и скорости внутренних движений в них, оценитьрасстояние до них, выяснить механизм излучения, определить индукцию магнитных полей и многие другие характеристики на базефизических теорий.

Термин “теоретическая астрофизика” и в настоящее время сохраняется за тем направлением астрофизики, которое изучает формирование непрерывных спектров и спектральных линий в газе, а также взаимодействие между веществом и излучением в звездах и разреженной космической среде.Бурное развитие астрофизики за более чем столетний периодее существования было связано как с быстрым развитием различных направлений классической, квантовой и релятивистской физики – с одной стороны, так и со строительством крупных телескопов, появлением принципиально новых приемников излучения икомпьютерных методов обработки наблюдений – с другой. Оченьважный, революционный скачек в астрофизических исследованиях произошел с началом изучения объектов в за пределами оптического диапазона спектра, сначала в радио (конец 30-х годов XX в.),а затем, уже с помощью космической техники (60–80-е годы XX в.),в далеком инфракрасном, далеком УФ, рентгеновском и гаммадиапазонах. “Многокрасочность” Вселенной обернулась более глубоким пониманием природы давно известных космических тел, атакже открытием новых типов астрономических объектов, природанекоторых из которых до сих пор остается мало понятной.

Позднее9началось развитие и нейтринной астрономии, основанной на регистрации и анализе нейтринного излучения из космоса, на очередистоит появление астрономии гравитационных волн.Важной особенностью астрофизики является то, что она исследует процессы, как правило, не воспроизводимые в физических лабораториях. К примеру, термоядерные реакции в плазме, удерживаемой от расширения собственным гравитационным полем – этоне экзотический, а самый распространенный источник энергии наблюдаемых звезд.