УДК 52
ББК 22.6
З-36
З-36
Засов, Анатолий Владимирович.
Общая астрофизика / А. В. Засов, К. А. Постнов. — 4-е изд., эл. —
ISBN 978-5-89818-232-8
Книга основана на курсах лекций по общей астрофизике, которые на протяжении
многих лет читаются авторами для студентов физического факультета
МГУ.
Рассматриваются основные механизмы взаимодействия излучения с веществом,
современные методы астрономических наблюдений, физика Солнца
и Солнечной системы, физические процессы в межзвездной среде, формирование
звезд и их строение, эволюция звезд и их превращение в компактные
объекты, а также наблюдаемые процессы в галактиках и элементы современной
космологии. В целом, авторы дают общую физическую картину строения
и эволюции нашей Вселенной.
Книга может служить современным учебным пособием по общей астрофизике,
в первую очередь, для студентов физических и астрономических
специальностей университетов.
УДК 52
ББК 22.6
Электронное издание на основе печатного издания: Общая астрофизика /
А. В. Засов, К. А. Постнов. — 4-е изд. — Москва : ДМК Пресс, 2022. — 572 с. —
ISBN 978-5-89818-132-1. — Текст : непосредственный.
1 файл pdf : 573 с. — Москва : ДМК Пресс, 2022. — Систем. требования:
Adobe Reader XI либо Adobe Digital Editions 4.5 ; экран 10". — Текст :
электронный.
На обложке: Крабовидная туманность — остаток взрыва Сверхновой 1054 г.
Источником энергии голубоватого диффузного излучения синхротронной природы
в центральной области туманности является нейтронная звезда,
вращающаяся с периодом 0.033 с. (NASA, космический телескоп «Хаббл»)
На задней обложке: Спиральная галактика NGC 1672. Расстояние — около 11 мегапарсек.
Отчетливо выделяются спиральные ветви с областями звездообразования
(светлые области HII) и прожилками более плотной холодной межзвездной среды,
непрозрачной из-за присутствия пыли. (NASA, космический телескоп «Хаббл»)
В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных техническими средствами
защиты авторских прав, правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков или
выплаты компенсации.
ISBN 978-5-89818-232-8
© Век 2, 2015
© Переиздание. ДМК Пресс, 2022
Стр.5
ОГЛАВЛЕНИЕ
Глава 1. Введение
17
1.1. Пространственно-временные масштабы в астрофизике 20
1.1.1. Расстояния . .. ... .. .. .. ... .. .. .. .. 20
1.1.2. Характерные времена . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.1.3. Характерные значения масс .. ... .. .. .. .. 24
1.1.4. Солнечные единицы .. .. .. ... .. .. .. .. 25
1.2. Состояние вещества во Вселенной .. ... .. .. .. .. 26
Глава 2. Излучение и поглощение ЭМ волн в среде
29
2.1. Основные понятия .. ... .. .. .. ... .. .. .. .. 30
2.1.1. «Температурная» шкала электромагнитных волн 30
2.1.2. Интенсивность излучения .. ... .. .. .. .. 30
2.1.3. Поток излучения. Связь с интенсивностью . . . 32
2.1.4. Плотность энергии излучения ... .. .. .. .. 34
2.1.5. Понятие спектра .. .. .. .. ... .. .. .. .. 34
2.2. Излучение абсолютно черного тела . ... .. .. .. .. 34
2.2.1. Тепловое излучение . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.2.2. Понятие термодинамического равновесия
и локального термодинамического равновесия . 35
2.2.3. Спектр абсолютно черного тела .. .. .. .. .. 36
2.3. Перенос излучения в среде и формирование спектра . . 40
2.3.1. Коэффициент излучения . .. ... .. .. .. .. 40
2.3.2. Коэффициент поглощения и оптическая толщина
... .. .. ... .. .. .. ... .. .. .. .. 41
2.3.3. Уравнение переноса при наличии поглощения
и излучения .. ... .. .. .. ... .. .. .. .. 43
9
Стр.10
2.3.4. Решение уравнения переноса
для простейших случаев .. ... .. .. ... .. . 45
2.3.5. Образование спектральных линий
в условиях ЛТР. .. .. .. ... .. .. ... .. . 46
2.3.6. Температура астрофизических источников,
определяемая по их излучению .. .. ... .. . 49
2.4. Астрофизические примеры спектров . . . . . . . . . . . 52
2.5. Основные механизмы поляризации излучения . . . . . 56
2.6. Задачи . ... .. .. ... .. .. .. ... .. .. ... .. . 58
Глава 3. Особенности астрономическихнаблюдений
и физические ограничения ихвозможностей
63
3.1. Основные задачи наблюдательной астрономии . . . . . 63
3.2. Пропускание света земной атмосферой .. .. ... .. . 64
3.3. «Точечные» и «протяженные» источники . . . . . . . . 66
3.4. Оптические наблюдения .. .. .. ... .. .. ... .. . 67
3.4.1. Оптические телескопы . .. ... .. .. ... .. . 67
3.4.2. Приемники излучения . .. ... .. .. ... .. . 73
3.4.3. Видимый диапазон . .. .. ... .. .. ... .. . 74
3.4.4. Проблема улучшения
углового разрешения телескопа . . . . . . . . . . 75
3.4.5. Звездные интерферометры ... .. .. ... .. . 77
3.4.6. Физические ограничения на точность
фотометрических измерений .. .. .. ... .. . 82
3.4.7. Спектральные наблюдения ... .. .. ... .. . 86
3.5. Радиоастрономические наблюдения .. .. .. ... .. . 89
3.5.1. Радиотелескопы . .. .. .. ... .. .. ... .. . 89
3.5.2. Радиоинтерферометры.
Метод апертурного синтеза ... .. .. ... .. . 92
3.6. Рентгеновские телескопы и детекторы .. .. ... .. . 95
3.7. Поляризационные наблюдения .. ... .. .. ... .. . 97
Глава 4. Межзвездная среда
99
4.1. Основные составляющие и проявления . . . . . . . . . . 99
4.2. Пропускание излучения межзвездной средой . . . . . . 104
4.3. Физические особенности
разреженной космической среды . ... .. .. ... .. . 109
4.3.1. Запрещенные линии .. .. ... .. .. ... .. . 109
4.3.2. Излучение нейтрального водорода . . . . . . . . 111
4.3.3. Вмороженность магнитного поля . . . . . . . . . 113
4.4. Объемный нагрев и охлаждение МЗС . . . . . . . . . . . 116
10
Стр.11
4.4.1. Основные механизмы нагрева газа . . . . . . . . 116
4.4.2. Основные механизмы охлаждения газа . . . . . . 118
4.5. Тепловая неустойчивость МЗС .. .. ... .. .. .. .. 125
4.6. Ионизованный водород и зоны НII . . . . . . . . . . . . 128
4.7. Горячий, или «корональный» газ . .. ... .. .. .. .. 130
4.8. Молекулярные облака, звездообразование и мазеры . . 131
4.9. Космические лучи и синхротронное излучение . . . . . 134
4.9.1. Проблема происхождения и ускорения
КЛ сверхвысоких энергий . .. ... .. .. .. .. 141
Глава 5. Звезды
4.10. Другие методы диагностики космической плазмы . . . 144
4.11. Задачи . .. ... .. .. ... .. .. .. ... .. .. .. .. 147
149
5.1. Общие характеристики ... .. .. .. ... .. .. .. .. 149
5.2. Образование звезд . .. ... .. .. .. ... .. .. .. .. 153
5.2.1. Гравитационная неустойчивость .. .. .. .. .. 153
5.2.2. Влияние вращения на сжатие ... .. .. .. .. 156
5.2.3. Влияние магнитного поля на сжатие . . . . . . . 157
5.3. Стадии формирования звезды .. .. ... .. .. .. .. 158
5.4. Стационарные звезды . ... .. .. .. ... .. .. .. .. 161
5.4.1. Гидростатическое равновесие ... .. .. .. .. 162
5.4.2. Теорема вириала для звезды . ... .. .. .. .. 163
5.4.3. Тепловая устойчивость звезд.
Отрицательная теплоемкость . ... .. .. .. .. 165
5.5. Ядерные реакции в звездах .. .. .. ... .. .. .. .. 166
5.5.1. pp-цикл (Г. Бете, 1939) . . . . . . . . . . . . . . . . 169
5.5.2. Проблема солнечных нейтрино . . . . . . . . . . 171
5.5.3. CNO-цикл . .. ... .. .. .. ... .. .. .. .. 174
5.5.4. О характере движения квантов
в недрах Солнца и звезд .. .. ... .. .. .. .. 175
5.5.5. Происхождение химических элементов
до элементов железного пика . ... .. .. .. .. 178
5.5.6. Уравнения внутреннего строения
звезд и Солнца ... .. .. .. ... .. .. .. .. 179
5.6. Роль давления излучения в массивных звездах . . . . . 181
5.7. СоотношенияM–L и M–R для звезд ГП .. .. .. .. . 184
5.8. Атмосферы звезд . .. ... .. .. .. ... .. .. .. .. 185
5.8.1. Образование спектральных линий . . . . . . . . 186
5.8.2. Спектральная классификация звезд . . . . . . . . 189
5.8.3. Непрерывный спектр . .. .. ... .. .. .. .. 191
11
Стр.12
5.9. Солнце какближайшая звезда .. ... .. .. ... .. . 193
5.9.1. Общиехарактеристики. . ... .. .. ... .. . 193
5.9.2. Особенностифотосферы, хромосферы икороны
Солнца . ... .. .. .. ... .. .. ... .. . 198
Глава 6. Эволюция звезд
5.9.3. Солнечныевспышки.АктивностьСолнца. .. .. 206
5.9.4. Гелиосейсмология .. .. . ... .. .. ... .. . 209
5.10. Задачи . ... .. .. ... .. .. .. ... .. .. ... .. . 212
216
215
6.1. Эволюция звезд после выгорания водорода. ... .. . 215
6.2. Вырождение вещества .. .. .. . ... .. .. ... .. . 217
6.3. Предел Чандрасекараи фундаментальная масса звезды 221
6.4. Вырождениевеществавцентре узвезд различныхмасс 222
6.5. Роль потери массы вэволюции звезды .. .. ... .. . 227
6.5.1. Звездный ветер на главной последовательности 227
6.5.2. Звездныйветер
после главной последовательности.
Асимптотическая ветвьгигантов
иобразованиепланетарных туманностей .. .. 229
6.6. Эволюцияодиночных звезд после
главной последовательности:краткий итог .. ... .. . 230
Глава 7. Двойныезвезды
216
218
222
223
228
228
230
231
234
239
241
Глава 8. Планетныесистемы
242
245
246
248
251
256
Глава 9. Сверхновые иостатки сверхновых
257
270
276
278
278
279
281
283
284
284
6.7. Пульсациизвезд.Цефеиды .. .. ... .. .. ... .. . 233
6.8. Процессы образования тяжелых элементовв природе. 238
242
7.1. Определениемассдвойныхзвезд.Функциямасс. .. . 241
7.2. Особенностиэволюции звездв ТДС. .. .. . ... .. . 244
7.2.1. ПриближениеРошаи полостьРоша. ... .. . 245
7.2.2. Переносмасс ... .. .. .. ... .. .. ... .. . 247
7.3. Стадии эволюции двойныхзвезд . ... .. .. ... .. . 250
257
8.1. Методы исследования и состав солнечной системы. .. 256
8.2. Методы обнаруженияпланет вокруг звезд. . ... .. . 269
8.3. Статистические зависимостиэкзопланет. .. ... .. . 275
8.4. Образованиепланети их систем . ... .. .. ... .. . 277
8.4.1. Протопланетные диски. . ... .. .. ... .. . 277
8.4.2. Образованиепланет солнечнойсистемы .. .. . 278
283
9.1. Нейтронизациявещества. .. .. ... .. .. ... .. . 281
9.1.1. Фотодиссоциация .. .. . ... .. .. ... .. . 282
9.1.2. НейтронизациявеществаиУРКА-процессы .. 282
12
Стр.13
9.1.3. Захват нейтринои остановкаколлапса .. .. .. 284
9.2. Вспышкисверхновых. ... .. .. .. ... .. .. .. .. 287
9.2.1. СверхновыеIIтипа. .. .. .. ... .. .. .. .. 288
9.2.2. Гиперновыеи гамма-всплески ... .. .. .. .. 294
9.2.3. СверхновыетипаIa. .. .. .. ... .. .. .. .. 295
9.2.4. Ярчайшие сверхновые. .. .. ... .. .. .. .. 296
9.2.5. Остаткисверхновыхи их взаимодействие
смежзвездной средой .. .. . ... .. .. .. .. 298
Глава 10.Компактные звезды
иихнаблюдательныепроявления
10.1. Белыекарлики .. .. . ... .. .. .. ... .. .. .. .. 305
10.1.1. Белыекарлики вдвойныхсистемах.
Катаклизмические переменныеиновые звезды. 306
10.2. Нейтронныезвезды. . ... .. .. .. ... .. .. .. .. 308
10.2.1. ВнутреннеестроениеНЗ. .. ... .. .. .. .. 310
10.2.2. Оценки масс НЗ ... .. .. .. ... .. .. .. .. 313
10.3. Свойства пульсаров. . ... .. .. .. ... .. .. .. .. 316
10.3.1. Основные свойства .. .. .. . ... .. .. .. .. 316
10.3.2. Торможениевращенияпульсаров .. .. .. .. . 318
286
289
290
296
297
298
300
306
304
307
308
310
312
315
318
318
320
325
326
328
Глава 11.Галактики
10.4. Рентгеновскиепульсары................... 323
10.5. Черные дыры .. .. .. ... .. .. .. ... .. .. .. .. 324
10.6. Эффективность аккреции на компактныезвезды. .. . 326
10.7. Эддингтоновскийпредел светимости приаккреции
на компактные релятивистские объекты. .. .. .. .. 329
10.8. Задача .. . ... .. .. ... .. .. .. ... .. .. .. .. 331
332
11.1. Звездные скопленияи наша Галактика. .. .. .. .. . 332
11.2. Основные характеристики галактик . ... .. .. .. .. 336
11.3. Структурагалактик.. ... .. .. .. ... .. .. .. .. 342
11.4. Движение газа извезд ... .. .. .. ... .. .. .. .. 347
11.4.1. Столкновениезвезд ивремя релаксации. .. .. 347
11.4.2. Особенностидвижениязвезд различных подсистем
.. .. .. ... .. .. .. ... .. .. .. .. 352
335
339
345
350
350
355
11.4.3. Принципыизмеренияскоростей вращения
галактик .. .. ... .. .. .. ... .. .. .. .. 354
357
361
363
365
13
11.4.4. Кривыевращения галактических дисков .. .. . 358
11.4.5. Скорость вращенияикруговаяскорость. .. .. 360
11.4.6. Связьраспределениямассв галактике
скривой вращения .. .. .. . ... .. .. .. .. 362
332
333
335
Стр.14
368
373
377
381
384
385
385
388
394
395
402
404
407
408
408
412
422
424
427
427
433
434
437
442
442
445
447
449
453
452
11.4.7. Проблема темногогало. . ... .. .. ... .. . 365
11.4.8. Огравитационнойустойчивости
звездных дисков .. .. .. . ... .. .. ... .. . 370
11.4.9. Дисперсия скоростейи толщина
галактических дисков .. . ... .. .. ... .. . 373
11.4.10.Бары галактик .. .. .. . ... .. .. ... .. . 377
11.4.11.ПринципыоценкимассЕ-галактик .. ... .. . 380
11.5. Физическая природаспиральнойструктуры . ... .. . 382
11.5.1. Спиральныеветви: наблюдаемые свойства .. . 382
11.5.2. Дватипаспиральныхветвей .. .. .. ... .. . 384
11.6. Межзвездныйгаз вгалактиках .. ... .. .. ... .. . 390
11.6.1. Холодный газ: нейтральныйи молекулярный
водород .. . ... .. .. .. ... .. .. ... .. . 392
11.6.2. ОбластиHII вгалактиках . ... .. .. ... .. . 398
11.6.3. Горячийгаз ирентгеновское излучение галактик400
11.6.4. Магнитныеполя. .. .. . ... .. .. ... .. . 403
11.7. Звездообразованиев галактиках . ... .. .. ... .. . 404
11.7.1. Общиесведения. .. .. .. ... .. .. ... .. . 404
11.7.2. Физические процессы,
управляющие звездообразованием. . ... .. . 408
11.7.3. Волнысжатия. .. .. .. . ... .. .. ... .. . 418
11.7.4. Гравитационнаянеустойчивостьгазовогодиска 421
11.8. Ядра галактик .. . ... .. .. .. ... .. .. ... .. . 423
11.8.1. Общиесведения. .. .. .. ... .. .. ... .. . 423
11.8.2. Структура активных ядер . ... .. .. ... .. . 429
11.8.3. Сверхмассивные черныедыры. .. .. ... .. . 430
11.8.4. Основные принципы определениямассСМЧД. 433
11.9. Скоплениягалактик .. .. .. .. ... .. .. ... .. . 438
11.9.1. Общиесведения. .. .. .. ... .. .. ... .. . 438
11.9.2. Газв скоплениях галактик ... .. .. ... .. . 441
11.9.3. Оценкамассы богатыхскоплений. .. ... .. . 443
11.9.4. Особенностиэволюции галактик вскоплениях . 445
11.10.Задачи ... .. .. ... .. .. .. ... .. .. ... .. . 449
Глава 12.Элементы современной космологии
456
458
461
462
466
466
12.1. «Краткий курс» историикосмологииХХвека ... .. . 454
12.2. Крупномасштабная структура Вселенной. . ... .. . 457
12.3. Предельно далекие галактикии квазары .. . ... .. . 458
12.4. Космологические модели .. .. . ... .. .. ... .. . 462
12.4.1. Космологический принцип ... .. .. ... .. . 462
14
Стр.15
Приложение A. Гравитация
466
466
469
470
470
472
474
477
480
481
483
484
484
487
489
495
499
501
503
507
509
509
511
514
515
517
519
518
522
524
525
527
530
532
528
534
534
15
12.5. Однородныеи изотропные космологическиемодели .. 462
12.5.1. Выборсистемы координат. . ... .. .. .. .. 462
12.5.2. Метрика Фридмана–Робертсона–Уокера .. .. 465
12.6. КинематикаВселенной ... .. .. .. ... .. .. .. .. 466
12.6.1. ЗаконХаббла. ... .. .. .. ... .. .. .. .. 466
12.6.2. Пекулярныескорости галактик. .. .. .. .. . 468
12.6.3. Распространениесвета. Красноесмещение. .. 470
12.6.4. Угломерноеи фотометрическое расстояния. .. 473
12.6.5. Хаббловскиедиаграммы .. .. ... .. .. .. .. 476
12.6.6. Горизонт частиц ... .. .. .. ... .. .. .. .. 477
12.6.7. Поверхностная яркостьи парадокс Ольберса. . 479
12.7. Динамика Вселенной. ... .. .. .. ... .. .. .. .. 480
12.7.1. Эволюция расширения. Критическая плотность 480
12.7.2. Влияниедавления. .. .. .. ... .. .. .. .. 483
12.8. Модели Фридмана скосмологической постоянной. .. 485
12.9. ГорячаяВселенная. . ... .. .. .. ... .. .. .. .. 491
12.10.Первичныйнуклеосинтез («первые триминуты») .. . 495
12.11.Реликтовое излучение и эпоха рекомбинации .. .. .. 497
12.12.Эффект Сюняева–Зельдовича .. .. ... .. .. .. .. 499
12.13.Флуктуацииреликтовогоизлучения ... .. .. .. .. 503
12.14.Трудностиклассической космологии ... .. .. .. .. 505
12.14.1.Проблемагоризонта (проблемапричинности) . 505
12.15.Модель инфляционнойВселенной. ... .. .. .. .. 507
12.16.Рост малых возмущений. .. .. .. ... .. .. .. .. 510
12.16.1.Поляризация реликтовогоизлучения .. .. .. . 511
12.17.Образованиекрупномасштабнойструктуры Вселенной513
12.18.Заключение .. .. .. ... .. .. .. ... .. .. .. .. 515
522
A.1. Гравитационнаяэнергия .. .. .. .. ... .. .. .. .. 518
A.2. Времясвободного падения. .. .. .. ... .. .. .. .. 520
A.3. Теоремавириала .. .. ... .. .. .. ... .. .. .. .. 521
A.4. Квадрупольная формула для гравитационного
излученияотдвойнойзвезды. .. .. ... .. .. .. .. 523
A.5. Вывод формулы для эпициклической частоты. .. .. . 526
Приложение B. Взаимодействиеизлучения ивещества
B.1. Элементарные процессы, ответственные за излучение
ипоглощениесвета .. ... .. .. .. ... .. .. .. .. 530
B.1.1. Свободно–свободныепереходы
(электронв поле протона) .. . ... .. .. .. .. 530
Стр.16
534
534
535
535
536
538
B.1.2. Свободно–связанныепереходы. .. . ... .. . 530
B.1.3. Переходы между энергетическими уровнями. . 530
B.1.4.Ионизация . ... .. .. .. ... .. .. ... .. . 531
B.1.5.Рекомбинация. .. .. .. . ... .. .. ... .. . 531
B.2.ТДР и ЛТР .. .. . ... .. .. .. ... .. .. ... .. . 532
B.3.Ионизационноеравновесие. .. . ... .. .. ... .. . 534
B.3.1.Локальное термодинамическое равновесие.
Формула Саха. .. .. .. . ... .. .. ... .. . 534
ПриложениеC. Вопросы переноса
C.1. Влияниерассеяния на переносизлучения .. ... .. . 544
C.1.1. Случай чистого рассеяния ... .. .. ... .. . 544
C.1.2. Связьчисла рассеяний соптическойтолщей .. 545
C.1.3. Случай рассеяния ипоглощения. .. . ... .. . 547
ПриложениеE.Системы единиц ибезразмерные числа
ПриложениеG.Солнечноеобилие химическихэлементов
Литература
Предметный указатель
538
542
545
548
548
548
549
551
553
555
553
551
557
560
569
565
571
557
558
556
561
565
567
B.3.2.Корональноеприближение ... .. .. ... .. . 538
B.3.3. Фотоионизационноеравновесие. .. . ... .. . 541
544
C.2. Диффузионноеприближениеи росселандово среднее . 549
ПриложениеD.Метрика однородногоизотропного
пространства
E.1. Физическиеконстанты .. .. .. . ... .. .. ... .. . 553
E.2. Безразмерныечисла ... .. .. .. ... .. .. ... .. . 554
ПриложениеF.Звездныевеличины
Стр.17