Wykład Podstawy astrofizyki i astronomii (2015)

Konsultacje: Pokój D-2.60/D-2-17, WTO 10-11, ŚRO 11-18

1. Wykład 1: cel, metody, materiał, literatura; zarys kosmografii
   [PDF] (24 lutego 2014)
   
   
2. Wykład 2 orbity eliptyczne, prawa Keplera, zaburzenia
   [PDF] (3 marca 2015)
   
   
   • Wizualizacja elementów orbitalnych. [nb]
   • Ruch w polu grawitacyjnym okręgu. [nb]
3. Wykład 3 Zagadnienie 3 ciał
   [PDF] (10 marca 2015)
   
   
4. Wykład 4 Rezonanse orbitalne, cykle Milankovica, układy pozasłoneczne
   [PDF] (17 marca 2015)
   
   
5. Wykład 5 Układy pozasłoneczne, równowaga hydrostatyczna
   [PDF] (24 marca 2015)
   
   
6. Wykład 6 Funkcje Lane-Emdena, modele politropowe gwiazd i planet
   [PDF] (31 marca 2015)
   
   
   • Funkcje Lane-Emdena [nb]
7. Wykład 7 Słońce, transport fotonów
   [PDF] (14 kwietnia 2015)
   
   
   • Dyfuzja a błądzenie przypadkowe [nb]
8. Wykład 8 Słońce, jonizacja, transport konwektywny, model Eddingtona, twierdzenie wirialne
   [PDF] (21 kwietnia 2015)
   
   
9. Wykład 9 Słońce, reakcje jądrowe, cykl pp, spalanie wodoru
   [PDF] (28 kwietnia 2015)
   
   
   • Spalanie wodoru w cyklu ppI [nb]
10. Wykład 10 Neutrina słoneczne, geoneutrina, ciąg główny, IMF, klasyfikacja gwiazd
    [PDF] (5 maja 2015)
    
    
    • Widmo neutrin słonecznych i geoneutrin [nb]
11. Wykład 11 Ewolucja gwiazd o masie 0.25, 0.5, 1, 2, 4, 8 i 16 mas Słońca
    [PDF] (12 maja 2015)
    
    
    • Konfiguracja kodu MESA dla ewolucji gwiazdy typu Słońca od protogwiazdy do stygnącego białego karła [tar.gz]
    • Ekspresowa instrukcja uruchomienia obliczeń w MESA:
      1. Potrzebujemy komputer z 64-bitowym Linuksem lub MAC OS
      2. Instalujemy MESA SDK
      3. Instalujemy i kompilujemy MESA
      4. W katalogu 1Msun_final uruchamiamy ./mk (kompilacja) a następnie ./rn
      5. Oglądamy ewolucję gwiazdy wyświetloną w kilku oknach
      6. Sposób wyświetlania (rozmiary i liczbę okien, wielkości na osiach itp.) można modyfikować w trakcie obliczeń zmieniając zawartość pliku inlist_pgstar
      7. Obliczenia można w dowolnym momencie zatrzymać i zrestartować komendą np: ./re x350 ; stan ewolucji jest zapisywany w katalogu photos/ gdzie pliki typu x450 zawierają ostatnie 1000 modeli (co 50, potem są nadpisywane), reszta to modele nr. 1000, 2000 itd.
      8. cała ewolucja zajmuje ok. 30000 modeli, co oznacza kilka godzin obliczeń
      W przypadku trudności z uruchomieniem proszę o e-maila.
12. Wykład 12 Supernowe typu implozyjnego (core-collapse).
    [PDF] (19 maja 2015)
    
    
    • Wizualizacja (Manipulate) w Mathematice wyniku symulacji kolapsu grawitacyjnego obliczonego programem GR1D : [ZIP]
13. Wykład 13 Struktura obiektów zwartych: białe karły, gwiazdy neutronowe, czarne dziury. Rola OTW w astrofizyce. Supernowe termojądrowe.
    [PDF] (26 maja 2015)
    
    
    • Wyprowadzenie równania Tolmana-Oppenheimera-Wołkowa [nb]
      Potrzebny pakiet do OTW: Copernicus Center General Relativity Package
14. Wykład 14 Rola rotacji w astrofizyce. Grawitacyjny problem tysięcy ciał: gromady kuliste, galaktyki
    [PDF] (2 czerwca 2015)
    
    
    • Symulacja N-ciałowa (wersja CPU) [nb]
      
    • Symulacja N-ciałowa gromady kulistej i nie tylko (wersja GPU). [nb]
      
15. Wykład 15 Kosmologia.
    [PDF] (9 czerwca 2015)
    
    
    • Wyprowadzenie równan Friedmanna w OTW [nb]
      

UWAGA: zajęcia odbywają się w sali A-1-13 (III Kampus, nowy budynek Wydziału Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej, 30-348 Kraków, ul. prof. Stanisława Łojasiewicza 11, mapa). Zaczynamy o 8:30

Lista podręczników wykorzystywanych podczas przygotowania wykładu:

• Jerzy Kreiner, Astronomia z astrofizyką, PWN, 1996
• Mini seria ,,ASTROFIZYKA'':
  1. Tom I, Michał Jaroszyński, Galaktyki i budowa Wszechświata,
  2. Tom II, Marcin Kubiak, Gwiazdy i materia międzygwiazdowa, PWN, 1994
  3. Tom III, Paweł Artymowicz, Astrofizyka układów planetarnych, PWN, 1995
• E. Rybka, Astronomia Ogólna
• S. Wierzbiński, Mechanika Nieba, PWN Warszawa, 1973
• A. Opolski, H. Cugier, T. Ciurla, Wstęp do astrofizyki, Wydawnictwo Uniwersytetu Wrocławskiego, 1995
• Kosmologia:
  1. Andrew Liddle, Wprowadzenie do kosmologii współczesnej , Prószyński, 2000
  2. Leszek Sokołowski, Elementy kosmologii , ZamKor, Kraków, 2005
• Astrofizyka jądrowa:
  1. David Arnett, Supernovae and Nucleosynthesis, Princeton University Press, 1996
  2. Cowan, Thielemann, Truran, Nuclear evolution of the Universe ??
• Budowa i ewolucja gwiazd:
  1. Bahcal, Neutrino Astrophysics,
  2. Phillips, The Physics of Stars, Second Edition, Wiley, 1999
  3. John P. Cox, Cox Principles of stellar structure. Volume II: Applications to stars Online
• OTW:
  1. Landau Lifszyc, Teoria Pola

Egzamin

Egzamin zaplanowano na 24 czerwca, środa od godziny 8 rano, pokój D-2-17. Rezerwuję 15 minut na osobę. Pierwsze 8 osób od 8:00 do 10:00, potem godzina przerwy, pozostali od 11:00 do 14:00. Proszę zgłaszać e-mailowo preferowaną godzinę i kwadrans, np: 8:30-8:45.

Warunki zaliczenia

• 1/2 oceny: odpowiedź na jedno pytanie wybrane z trzech wylosowanych za pomocą generatora liczb losowych z podanej poniżej listy; w przypadku gdy student uzna, że na żadne z pytań nie jest w stanie udzielić odpowiedzi, będzie mógł dolosować kolejne, ale kosztem obniżenia oceny o 1 stopień
• 1/5 oceny: dyskusja na temat treści wybranej pozycji popularnonaukowej, biograficzno-historycznej lub naukowej z listy lektur poniżej
• 1/3 oceny: przedstawienie rozwiązania jednego z zadanych w trakcie wykładu problemów (najpóźniej w trakcie egzaminu)

Dodatkowe kryteria (aktywność, obecność na wykładzie itp.) wpływają na ocenę końcową w wyjątkowych sytuacjach w zakresie od -0.5 do +1 stopnia w stosunku do oceny z egzaminu.

Lista pytań

1. Proszę wymienić typowe struktury występujące w kosmosie, od najmniejszych do największych, oraz ich rozmiary względne i bezwzględne.
2. Wyprowadzić wyrażenie na parametry orbity eliptycznej w zależności od energii i momentu pędu orbitującego punktu.
3. Opisać typowe zaburzenia orbity eliptycznej oraz sytuacje, w których należy ich się spodziewać.
4. Podać założenia ograniczonego kołowego zagadnienia trzech ciał i przedstawić szkic wyprowadzenia równań ruchu w układzie korotującym.
5. Wyjaśnić pojęcia: punkty libracyjne Lagrange'a, region Hill'a, granica Roche'a, strefa Roche'a
6. Co rozumiemy pod pojęciem stabilności orbity w zagadnieniu N-ciał? Jako przykład omówić ruch w otoczeniu punktu L4.
7. Wyprowadzić wzór na siłę pływową. Wyjaśnić dlaczego siły pływowe pochodzące od Słońca i Księżyca są tego samego rzędu wielkości.
8. Podać przykłady występujących w Układzie Słonecznym rezonansów oraz obserwowane skutki ich działania.
9. Wyprowadzić wzór na temperaturę równowagową planety w zależności od odległości do gwiazdy centralnej.
10. Wyjaśnić różnicę pomiędzy albedo Bonda a albedo geometrycznym.
11. Podać typy, skale czasowe i amplitudy typowych zaburzeń orbity Ziemi oraz ich związek ze zmianami klimatu.
12. Jakie udokumentowane zjawiska i procesy pochodzenia ,,kosmicznego'' miały w przeszłości wpływ na klimat, ewolucję oraz rozwój cywilizacji?
13. Wymienić cechy Układu Słonecznego, które uważano za standardowe do momentu odkrycia układów pozasłonecznych.
14. W jaki sposób BIAS obserwacyjny utrudnia poznanie prawdziwej statystyki parametrów planet pozasłonecznych?
15. Podać kilka przykładów układów egzoplanetarnych o strukturze zasadniczo różnej od Układu Słonecznego.
16. Gdzie w Układzie Słonecznym poszukuje się życia, lub planuje poszukiwania i dlaczego?
17. Wypisać równanie Drake'a na liczbę cywilizacji technicznych w Galaktyce. Podać i uzasadnić Twój wybór wartości liczbowych w tym równaniu. Skomentować otrzymany wynik.
18. Wyprowadzić i omówić na przykładzie atmosfery Ziemi wzór barometryczny.
19. Wyprowadzić równania równowagi hydrostatycznej samograwitującego ciała o symetrii sferycznej.
20. Wyprowadzić równania równowagi hydrostatycznej samograwitującego ciała dla dowolnego pola grawitacyjnego.
21. Podać lub wyprowadzić równanie Lane-Emdena. Podać znane rozwiązania wyrażone przez funkcje elementarne.
22. Podać równanie opisujące transport fotonów w przybliżeniu LTE. Jak obliczyć współczynnik dyfuzji w tym równaniu?
23. Omówić pojęcie konwekcji i wyprowadzić warunek jej zaistnienia.
24. Podać założenie i omówić standardowy model Eddingtona.
25. Wyjaśnić jak można obliczyć stopień ,,jonizacji'' materii.
26. Wyprowadzić twierdzenie wirialne.
27. Oszacować skalę czasową dynamiczną oraz Kelvina-Helmholtza dla gwiazdy, np: Słońca.
28. Podać układ czterech równań opisujących strukturę gwiazdy. Omówić warunki brzegowe i sposoby rozwiązania.
29. Co oznacza zapis [Fe/H]=+0.3 ?
30. Wypisać i uzasadnić sieć reakcji cyklu ppI.
31. Obliczyć energię produkowaną w cyklu ppI.
32. Wypisać układ równań różniczkowych opisujący zmiany w czasie ilości protonów, deuteronów, jąder helu-3 oraz cząstek alfa w wyniku reakcji termojądrowych w cyklu ppI. Sprawdzić zachowanie liczby barionowej.
33. Co to jest pik Gamowa?
34. Naszkicować widmo energetyczne neutrin słonecznych.
35. Podać wzory przybliżajace widmo neutrin pp, borowych, CNO i berylowych.
36. Na czym polega ,,problem neutrin słonecznych''?
37. Opisać, posługując się m.in. diagramem HR oraz Kippenhahna, ewolucję gwiazdy o masie wylosowanej z przedziału 0.01 do 100 mas Słońca. Jakie procesy fizyczne mają istotne znaczenie na poszczególnych etapach?
38. Omówić obserwacyjną i fizyczną klasyfikację supernowych: typy, występowanie, progenitor, kluczowe cechy.
39. Na przykładzie równania Burgersa omówić pojęcie fali uderzeniowej. Obliczyć prędkość przemieszczania się nieciągłości.
40. Przedstawić mechanizm wybuchu supernowej implozyjnej.
41. Opisać przebieg eksplozji supernowej termojądrowej.
42. Opisać ciąg rotujących figur równowagi: Maclaurina, Jacobiego i Poincarego. Wyjaśnić pojęcie elipsoidy Dedekinda i Riemanna. Jaka jest rola napięcia powierzchniowego?
43. Obliczyć krytyczną prędkość rotacji oraz kształt powierzchni rotującej ,,gwiazdy'' w modelu Roche'a.
44. Omówić N-ciałowy model gromady kulistej (sferę Plummera) i zachodzące w niej zjawiska.
45. Przedstawić typy i budowę galaktyk.
46. Omówić założenia, a następnie wyprowadzić lub podać równania ewolucji standardowego modelu kosmologicznego (z Lambdą). Jakie są możliwe rozwiązania, i które z nich zostało zrealizowane w przyrodzie?
47. Podać i zbadać przebieg funkcji opisującej czynnik skali, stałą Hubble'a oraz gęstość w pyłowym Wszechświecie Lambda-CDM.
48. Jakie są i na czym polegają główne ,,filary'' obserwacyjne kosmologii współczesnej?
49. Omówić 10 kluczowych procesów fizycznych, które zaszły od Wielkiego Wybuchu do wieków ciemnych.
50. Przedstawić ewolucję Wszechświata Lambda-CDM od wieków ciemnych do dziś. Jakie struktury powstały i w jaki sposób?

Lista lektur

• Michał Różyczka, Jak powstają gwiazdy?, Alfa, 1990
• Stephen Hawking, Krótka historia czasu, Alfa, 1990
• Rudolf Kippenhahn, Na tropie tajemnic Słońca, Prószyński, 1997
• Steven Weinberg, Pierwsze trzy minuty, Prószyński, 1998
• Frank Drake, Dava Sobel, Czy jest tam kto?, Prószyński, 1995
• Richard Panek, Ciemna strona Wszechświata, Prószyński, 2011
• Arthur Koestler, Lunatycy, 2002, Zysk i S-ka
• Arthur I. Miller, Imperium gwiazd
• Mikołaj Kopernik, O obrotach ciał niebieskich
• Galileusz, Dialog o dwu najważniejszych układach świata: ptolemeuszowym i kopernikowym
• Andrzej Marks, Podróże międzygwiezdne?, Wydawnictwo Ministerstwa Obrony Narodowej, Warszawa 1983,
• Prof. B. Woroncow-Wieliaminow, Wszechświat, Książka i Wiedza, 1950
• Tjeerd H. van Andel, Nowe spojrzenie na starą planetę, PWN, 2013
• Isaac Asimov, Wybuchające gwiazdy. Sekrety supernowych.

Lista zadań

Lista ocen

Warto zajrzeć:

• Introduction to Astrophysics
• Physics of Stars
• B. Kamys, Reakcje termojądrowe
• Unikalny podręcznik do problemu wielu ciał w astrofizyce
• Świetne wprowadzenie w zagadnienia reakcji termojądrowych w Słońcu i nie tylko