Home Research For Students Publications Talks PSNS Codes WebLog Personal

Wykład Podstawy astrofizyki i astronomii

Konsultacje: Pokój D-2.60/D-2-17, WTO 10-?, ŚRO 11-12, 14-?

Wykłady
  1. Wykład 1: cel, metody, materiał, literatura; Początek: Wielki Wybuch
    [PDF] (26 lutego 2019)

  2. Wykład 2: Wprowadzenie do współczesnej kosmologii fizycznej
    [PDF] (12 marca 2019)

    Wyprowadzenie równania Friedmanna i pozostałych równań kosmologii w ramach OTW: [.nb]
    Obliczenie całek dających energię i ciśnienie gazu doskonalego skrajnie relatywistycznego: [.nb]

  3. Wykład 3: Era radiacyjna
    [PDF] (19 marca 2019)

  4. Wykład 4: Nukleosynteza kosmologicza, (re)jonizacja Wszechświata
    [PDF] (26 marca 2019)

  5. Wykład 5: Pierwsze struktury we Wszechświecie: czarne dziury czy gwiazdy?
    [PDF] (2 kwietnia 2019)

  6. Wykład 6: Obiekty zbudowane z milionów ciał: gromady kuliste, galaktyki, Wszechświat
    [PDF] (9 kwietnia 2019)

    Symulacja gromady kulistej OpenCL [.nb]
    Symulacja galaktyki spiralnej OpenCL [.nb]
    Symulacja kosmologii newtonowskiej OpenCL [.nb]
    Symulacja gromady kulistej NDSolve [.nb]

  7. Wykład 7: Obiekty samograwitujące
    [PDF] (16 kwietnia 2019)

  8. Wykład 8: Modele gwiazd, funkcje Lane-Emdena
    [PDF] (30 kwietnia 2019)

  9. Wykład 9: Teoria rotujących figur równowagi, transport energii w gwiazdach
    [PDF] (7 maja 2019)

  10. Wykład 10: Podstawowe informacje o gwiazdach
    [PDF] (14 maja 2019)

  11. Wykład 11: Ewolucja gwiazd
    [PDF] (21 maja 2019)

  12. Wykład 12: Supernowe i zjawiska pokrewne
    [PDF] (28 maja 2019)

  13. Wykład 13: Egzoplanety i Układ Słoneczny
    [PDF] (4 czerwca 2019)

  14. Wykład 14: Życie i egzobiologia. Następstwa powstania cywilizacji technicznej. Skala Kardasheva.
    [PDF] (11 czerwca 2019)

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 8:15, przerwa 9:00-9:15, koniec 10:00.

Lista podręczników wykorzystywanych podczas przygotowania wykładu:

Warunki zaliczenia

Zaliczenie będzie polegało na wcześniejszym przygotowaniu pisemnych odpowiedzi na 1-3 zadanych pytań z listy poniżej, a następnie ich ustnej ,,obrony''. Wybrane pytania należy zgłaszać do mnie e-mailowo. Odpowiedzi najpóźniej przed 29 czerwca 2019 . Odpowiedzi przesłane po 29 czerwca (ale przed 15 września) zostaną uznane w II terminie. Rezerwacja odbywa się w kolejności zgłoszeń. Pytania już przygotowane/zarezerwowane zaznaczono pogrubioną czcionką.

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?

Questions

  1. Enumerate common astrophysical structures starting from the Earth. Give typical relative and absolute sizes.
  2. Derive parameters of the elliptical orbit given energy and angular momentum of the body in orbit.
  3. Describe typical perturbations of the elliptical orbit and common case studies.
  4. Enumerate assumptions of the restricted circular planar three-body problem. Derive equations of motion in the corotating system.
  5. (Ramon Rodriguez Cardoso) Define: Lagrangian points, Hill region, Roche limit, Roche sphere.
  6. Discuss stability of the orbit in the N-body problem. Use motion in the L4 point as an example.
  7. Derive formula for tidal force. Explain, why tidal forces on Earth, resulting from the Sun and the Moon are similar in magnitude.
  8. Describe important examples of the resonant orbital effects in the Solar System.
  9. Derive formula for equilibrium temperature for a planet heated by the central star.
  10. Explain difference between Bond albedo and geometrical albedo.
  11. Enumerate important periodic variations of the Earth's orbital elements (with timescale and amplitude) and effects on the climate.
  12. How cosmic events influenced evolution, climate and development of civilizations?
  13. Enumerate properties of the Solar System believed to be ,,standard'' before discovery of extrasolar planets.
  14. How observational BIAS shadows true statistics of extrasolar planetary systems?
  15. Give a few known examples of the exoplanetary systems radically different from Solar System.
  16. Where in the Solar System life is expected to be found and why?
  17. Write the Drake's equation for a number of tech civilizations in the Galaxy. Give and explain your choices for numeric values of the ,,coefficients'' in the equation. Calculate and comment on final result.
  18. Derive and discuss barometric formula for Earth's atmosphere.
  19. (Ramon Rodriguez Cardoso) Derive equation for the hydrostatic equilibrium for self-gravitating body with assumption of spherical symmetry.
  20. Derive equation for the hydrostatic equilibrium for self-gravitating body without assumption of spherical symmetry.
  21. (Ramon Rodriguez Cardoso) Give or derive Lane-Emden equation. Enumerate known elementary solutions.
  22. Give formula for photon transport in the LTE approximation. Explain value of the diffusion coefficient for photons.
  23. Discus convective energy transport and derive necessary conditions.
  24. Enumerate assumptions and discuss standard Eddington model of the stars.
  25. Derive formula for matter ionization.
  26. Derive virial theorem.
  27. Estimate dynamic and Kelvin-Helmholtz timescales for the Sun.
  28. Write four equations of the stellar structure. Discus boundary conditions and standard solving procedures.
  29. Explain notation [Fe/H]=+0.3.
  30. Write on a blackboard reactions of the ppI cycle. Explain why some nuclear reactions are excluded from the network.
  31. Calculate energy produced in the ppI cycle.
  32. Write system of equations for time evolution of the abundances for protons, deuterons, helium-3 and alpha particles in the ppI cycle. Check conservation of the baryon number.
  33. Explain Gamov peak.
  34. Sketch energy spectrum of the solar neutrinos.
  35. Write formulae for energy spectrum of the solar neutrinos.
  36. Discus ,,solar neutrino problem''.
  37. Describe, using HR and Kippenhahn diagrams, evolution of the random star with initial mass between 0.01 and 100 solar masses. Enumerate essential stages of the evolution.
  38. Describe modern observational and physical classification of the supernovae: types, environment, progenitors.
  39. On the basis of the Burger's equation explain mathematical theory of the shock waves. Calculate speed of the discontinuity.
  40. Describe mechanism of the core-collapse supernova.
  41. Describe mechanism of the thermonuclear supernova.
  42. Enumerate properties of the rotating sequences: Maclaurin, Jacobi and Poincare. Explain Dedekind and Riemann ellipsoids. Discuss the role of self-gravity and surface tension.
  43. Calculate shape of the critical surface of the rotating body in the Roche model.
  44. Discuss N-body modelling of the globular clusters (Plummer sphere) and important results.
  45. Enumerate types and properties of the galaxies.
  46. Enumerate assumptions for the standard cosmological models. Give or derive evolution equations including Lambda. Discuss possible solutions. Which one is best for our Universe?
  47. Give and analyze formula for a scale factor, Hubble ,,constant'' and density in the flat, dust Lambda-CDM Universe.
  48. (Julio Novoa Fernández) Enumerate main observational facts supporting standard cosmological model.
  49. (Julio Novoa Fernández) Enumerate 10 essential physical processes from Big Bang until Dark Ages.
  50. Describe evolution of the cosmic structures in the Lambda-CDM model, starting from Dark Ages until now.

Warto zajrzeć: