01.03.02 – астрофизика и звездная астрономия

Приказ Высшей аттестационной комиссии Республики Беларусь 11 июля 2012 г. № 85
 

Цели и задачи программы-минимум

Основной целью кандидатского экзамена является проверка уровня подготовки соискателя ученой степени кандидата наук по специальности 01.03.02 - астрофизика и звездная астрономия к научно-исследовательской деятельности, требующей углубленных фундаментальных знаний. В связи с этим программа содержит как разделы базового курса по общей астрофизике, так и ряд специальных вопросов современной практической и теоретической астрофизики, требующих углубленных знаний. Задача программы заключается в том, что ее усвоение позволит аспирантам и соискателям иметь необходимый для решения важных научных задач объем знаний по данной специальности. При сдаче экзамена соискатель должен дать развернутый ответ как на основные вопросы, выбранные из различных разделов программы, так и на ряд дополнительных вопросов. Кроме того, соискатель должен ответить на вопросы, связанные с тематикой его диссертации.

В результате изучения материала программы необходимо иметь представление:

  • о структуре современной астрофизики;
  • о тенденциях развития астрофизики, звездной астрономии, приборов астрофизических исследований;
  • об использовании достижений астрофизики в различных областях науки;

знать:

  • дисциплины, обеспечивающие базовую теоретическую подготовку, в том числе: общую, практическую и теоретическую астрофизику, физику звезд и звездных систем, планетологию, звездную динамику, галактическую и внегалактическую астрофизику, релятивистскую астрофизику, космологию, оптику, физику приборов астрофизических исследований.

1.  Космология

Ключевые слова: Вселенная, космологический принцип, уравнение Фридмана, метрика Фридмана-Робертсона-Уокера, темная материя, темная энергия, инфляционная модель, ранняя Вселенная, реликтовое излучение, нуклеосинтез, закон Хаббла, барионная асимметрия.

  1. Космологический принцип. Расширение Вселенной. Метрика Фридмана-Робертсона-Уокера. Красное смещение. Закон Хаббла.
  2. Уравнение Фридмана. Возраст Вселенной. Космологический горизонт. Уравнения состояния.
  3. Ранние стадии эволюции Вселенной. Планковская эра. Инфляционная модель. Стадии доминирования излучения и вещества.
  4. Космологическая модель с темной материей и темной энергией. Современный состав Вселенной. Общие свойства эволюции Вселенной. Ускоренное расширение Вселенной.
  5. Рекомбинация. Температура рекомбинации. Реликтовое излучение и его асимметрия. Образование структуры во Вселенной.
  6. Реликтовые нейтрино. Космологические ограничения на массу нейтрино. Стерильные нейтрино.
  7. Первичный нуклеосинтез. Начало нуклеосинтеза. Горение нейтронов. Горение дейтерия. Звезды третьего поколения.
  8. Темная материя. Холодная, горячая и теплая темная материя. Слабовзаимодействующие массивные частицы (WIMP). Кандидаты на роль в темную материю. Нейтралино, снейтрино, гравитино, другие кандидаты.
  9. Генерация барионной асимметрии. Необходимые условия генерации асимметрии.

2.  Крупномасштабная структура Вселенной

Ключевые слова: галактики, скопления галактик, сверхскопления галактик, галактики с активными ядрами, джеты.

  1. Классификация галактик. Особенности структуры галактик разных морфологических типов. Содержание газа и звездообразование в галактиках.
  2. Размеры, светимость, скорость вращения и масса галактик, принципы их оценок. Проблема существования темного гало. Карликовые галактики, наблюдаемые особенности.
  3. Черные дыры во Вселенной. ОТО и физика черных дыр. Данные наблюдений и методы поиска. Сверхмассивные черные дыры и черные дыры промежуточных масс. Механизмы формирования и эволюции.
  4. Группы и скопления галактик. Сверхскопления галактик. Взаимодействующие галактики. Межгалактический газ в системах галактик.
  5. Галактики с активными ядрами. Квазары. Представление о механизмах активности.
  6. Радиоизлучение галактик и их ядер. Радиогалактики: мощность радиоизлучения, структура. Джеты.
  7. Шкала расстояний. Крупномасштабное распределение галактик.
  8. Проблема образования галактик. Ожидаемые свойства молодых галактик. Галактики на больших красных смещениях.

3. Галактика

Ключевые слова: Галактика, звездные скопления, звездная кинематика, звездная динамика, гравитационная устойчивость, межзвездная среда, космические лучи.

  1. Строение Галактики. Звездные населения и подсистемы. Спиральная структура Галактики, наблюдаемые проявления. Ядро Галактики.
  2. Звездные скопления и ассоциации. Диаграммы «цвет-звездная величина».
  3. Звездная кинематика. Движение Солнца относительно звезд. Вращение Галактики. Связь кинематических свойств с пространственным распределением объектов.
  4. Звездная динамика. Фазовая плотность и уравнение Больцмана для звездных систем. Интегралы движения. Теорема вириала и ее применение. Регулярные и иррегулярные силы. Время релаксации. Интеграл столкновений.
  5. Гравитационная устойчивость тонкого вращающегося диска. Дисперсионное уравнение. Спиральные ветви, представление о волнах плотности.
  6. Физическое состояние межзвездного газа. Молекулярные облака, области HI и НII, корональный газ, мазерные конденсации. Механизмы излучения газа в различных состояниях.
  7. Оптическое излучение межзвездного газа. Запрещенные линии. Газовые туманности различных типов. Радиолинии. Мазерные источники.
  8. Ударные волны в межзвездной среде. Остатки Сверхновых и их эволюция.
  9. Гравитационная неустойчивость газовой среды и конденсация газа. Протозвезды и молодые звезды. Околозвездные диски. Области звездообразования.
  10. Межзвездная пыль. Наблюдаемые проявления. Собственное излучение пыли. Межзвездное поглощение и его учет.
  11. Межзвездные магнитные поля. Наблюдаемые проявления. Понятие вмороженности поля. Космические лучи, их проявления, основные источники. Распространение космических лучей в магнитном поле Галактики.

4.  Возникновение, строение и эволюция звезд

Ключевые слова: звезды, спектральная классификация, диаграмма Герцшпрунга-Рессела, белые карлики, нейтронные звезды, черные дыры, пульсары, магнитары, двойные и кратные звезды, переменные звезды, новые звезды, сверхновые звезды, аккреция.

  1. Спектральная классификация звезд и ее физическая интерпретация.
  2. Светимости, эффективные температуры и показатели цвета звезд. Прямые и косвенные методы определения из наблюдений размеров и масс звезд.
  3. Источники энергии звезд на различных стадиях эволюции. Эволюционные треки звезд различной массы на диаграмме Герцшпрунга-Рессела (диаграмме цвет-светимость).
  4. Конечные стадии звездной эволюции. Белые карлики, нейтронные звезды, странное (кварковое) вещество. Пульсары, магнитары. Черные дыры звездных масс, их физические свойства и наблюдаемые проявления.
  5. Двойные и кратные звезды. Затменно-переменные. Оценка масс компонент в двойных системах. Тесные двойные системы и особенности их эволюции. Аккреция на компактные звезды. Рентгеновские источники в двойных системах. Новые звезды. Барстеры.
  6. Переменные и нестационарные звезды. Пульсирующие переменные. Звезды с оболочками. Катаклизмические переменные.
  7. Сверхновые звезды, типы сверхновых, наблюдаемые особенности. Процессы, приводящие к взрыву. Роль сверхновых в обогащении межзвездной среды тяжелыми элементами.

5. Солнце и солнечная система

Ключевые слова: Солнце, солнечная активность, планеты, карликовые планеты, малые тела, межпланетная среда, метеорное вещество.

  1. Основные характеристики Солнца как звезды. Внутреннее строение. Фотосфера. Хромосфера. Корона. Солнечный ветер.
  2. Активные образования на Солнце, связь с магнитными полями. Солнечные вспышки и сопровождающие их явления. Рентгеновское излучение Солнца. Спокойное и спорадическое радиоизлучение. Представление о гелиосейсмологии.
  3. Основные характеристики планет. Наземные и космические методы исследования тел солнечной системы.
  4. Карликовые планеты и малые тела Солнечной системы. Спутники и кольца планет. Астероиды и пояса астероидов. Кометы.
  5. Физика межпланетной среды. Метеорное вещество.
  6. Современные методы исследования планет и малых тел Солнечной системы.

6. Основы теоретической астрофизики

Ключевые слова: излучение, поглощение, тепловое излучение, нетепловое излучение, перенос энергии, вырожденный газ.

  1. Элементарные процессы излучения и поглощения электромагнитных квантов. Излучение и распространение радиоволн в космической плазме. Космические источники теплового и нетеплового излучения в различных областях спектра.
  2. Механизмы переноса энергии. Уравнение переноса. Локальное термодинамическое равновесие. Эддингтоновский предел светимости.
  3. Источники поглощения в атмосферах звезд. Форма непрерывных спектров для звезд различных классов.
  4. Модели звездных атмосфер. Механизмы образования линий поглощения. Понятие эквивалентной ширины линий. Профили линий, механизмы уширения линий. Химический состав звездных атмосфер.
  5. Уравнения, описывающие внутреннее строение звезд. Строение звезд различных спектральных классов. Уравнение состояния вырожденного газа. Предельная масса белых карликов и нейтронных звезд.
  6. Теория космического радиоизлучения. Тормозное излучение плазмы. Магнитотормозное излучение. Синхротронное излучение релятивистских электронов. Время высвечивания. Обратный комптон-эффект.

7.  Приборы и методы астрофизики

Ключевые слова: оптические телескопы, спектральный анализ, приемники излучения, звездные величины, показатели цвета, радиотелескопы, интерферометрия, внеатмосферная астрономия.

  1. Оптические телескопы. Оптические схемы рефлекторов и зеркально–линзовых телескопов. Влияние атмосферы на изображение точечного объекта. Методы повышения качества изображения. Активная и адаптивная оптика.
  2. Принципы спектрального анализа. Спектрографы. Спектральное разрешение и факторы его определяющие.
  3. Приемники оптического излучения. Приборы с зарядовой связью. Понятие квантового выхода. Инструментальная разрешающая способность. Спектральная чувствительность.
  4. Шкала звездных величин и показателей цвета. Фотометрические системы. Современные методы фотоэлектрической фотометрии.
  5. Радиотелескопы. Принцип работы. Типы антенн (параболические, дипольные, антенные решетки). Разрешающая способность и эффективная площадь антенны. Размер и форма диаграммы направленности. Антенная температура, шумовая температура, полоса пропускания, чувствительность.
  6. Принципы интерферометрии. Радиоинтерферометры. Метод апертурного синтеза. Радиотелескопы с незаполненной апертурой.
  7. Интерферометрия со сверхдлинными базами. Угловое разрешение интерферометров. Интерферометрия со сверхдлинными базами. Угловое разрешение интерферометров.
  8. Внеатмосферные наблюдения. Инфракрасные, ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма обсерватории; современные методы регистрации излучения, цели и основные результаты.

Список литературы

Основной

  1. Засов А.В., Постнов К.А. Общая астрофизика. М.: Век 2, 2006.
  2. Carrol B.W., Ostlie D.A. An Introduction to Modern Astrophysics, second etition, San Francisco: Pearson, 2007.
  3. Mukhanov V. Physical Foundationsof of Cosmology, Cambridge: Cambridge University Press, 2005.
  4. Rich J. Fundamentals of Cosmology, Berlin; Springer, 2010.
  5. Linde A. An Introduction to Modem Cosmology, Second Edition, Chippenham: Willey, 2003.
  6. Dodelson S. Modem Cosmology, London: Elsevier, 2003.
  7. Горбунов Д. С., Рубаков В. А. Введение в теорию ранней Вселенной: Теория горячего Большого взрыва, М.; ЛКИ, 2006.
  8. Зельдович Я. Б., Новиков И. Д. Строение и эволюция Вселенной, М.; Наука, 1975.
  9. Крамаровский Я. М., Чечев В. П. Синтез элементов во Вселенной, М.: Наука, 1987.
  10. Lang К. R. Astrophysical Formulae, Third Edition, New York; Springer, 1999 .
  11. Бисноватый-Коган Г. С. Физические вопросы теории звездной эволюции, М.: Наука, 1989.
  12. Зельдович Я. Б., Блинников С. И., Шакура Н. И. Физические основы строения и эволюции звезд. М.: МГУ, 1981.
  13. Padmanabhan Т. Theoretical Astrophysics, Cambridge: Cambridge University Press, 2000.
  14. Prialnik D. An Introduction to the Theory of Stellar Structure and Evolution, Cambridge: Cambridge University Press, 2000.
  15. Draine B. T. Physics of the Interstellar and Intergalactic Medium, Princeton: Princeton University Press, 2010.
  16. Thompson A. R., Morgan J. М., Swenson G. W. Interferometry and Synthesis in Radio Astronomy, Second Edition, New York: Wiley, 2001.

Дополнительный

  1. Bertone G. Particle Dark Matter: Observations, Models and Searches, New York: Cambridge University Press, 2010.
  2. Шапиро C.A., Тьюколски C.A. Черные дыры, белые карлики и нейтронные звезды. М.: Мир, 1985.
  3. Саслау Ч. Гравитационная физика звездных и галактических систем. М.: Мир, 1989.
  4. Amett D. Supemovae and Nucleosynthesis, Princeton: Princeton University Press, 1996.
  5. Hansen C., Kawaler S. D., Trimble V. Stellar Interiors: Physical Principles, Structure, and Evolution, Second Edition, New York: Springer-Verlag, 2004.
  6. Куликовский П.Г. Звездная астрономия. М.: Наука, 1985.
  7. Мартынов Д.Я. Курс практической астрофизики. М.: Наука, 1977.
  8. Мартынов Д. Я. Курс общей астрофизики. М.: Наука, 1988.
  9. Lang К. R. The Sun from Space, Berlin: Springer, 2000.
  10. Lyne A. G., Graham-Smith F. Pulsar Astronomy, Third Edition, Cambridge:Cambridge University Press, 2006.
  11. Kallrath J., Milone E. F. Eclipsing Binary Stars: Modeling and Analysis, New York: Springer-Verlag, 1999.