Современная астрофизика от А до Я

Последние полвека — это золотая пора для астрофизики. И, к счастью, есть все основания думать, что в ближайшие годы ситуация не изменится. Мы можем запускать все более чувствительные спутники, строить все более крупные телескопы. Совершенствование электроники приводит к постоянному росту качества детекторов. Все это выражается в большом потоке важных открытий, которые, зачастую, заметно меняют нашу картину мира. Так что, даже если лет 10-20 назад вы изучали астрономию в школе
— с тех пор многое изменилось.

В этом курсе мы попробуем, опираясь на самые современные данные, сформировать картину мира такой, какой ее сейчас рисуют астрофизики.

Лектор — Попов Сергей Борисович.

План курса: 

1. 10 фактов об астрономии и астрономах

Основная цель этой лекции – дать общее представление о том, что такое современная астрономия. Во-первых, мы познакомимся с тем, как устроена эта наука, чем занимаются астрономы в наше время. А во-вторых, крупными мазками набросаем современную астрономическую картину мира,
сформулировав десятку базовых фактов, описывающих устройство нашего мира от Солнечной системы до границ видимой части вселенной.

2. Компьютеры в астрономии

Если мы сделаем мгновенную фотографию, на которую попали бы все астрономы в мире, то большая часть из них или спит, или сидит за компьютером. Со сном все ясно. А вот с компьютером… Оказывается, что если у современных астрономов отобрать все телескопы, то астрономия еще какое-то время просуществует. А вот если отобрать все компьютеры — то вряд ли. И теоретики, и наблюдатели все в основном сидят перед мониторами. Кто-то обрабатывает данные наблюдений, кто-то пишет новые заявки, кто-то пишет коды или гоняет их, занимаясь
численным моделированием. наконец, все рисуют графики и пишут статьи. Современный астроном видит звезды на экране компьютера.

3. Солнце

Для всего живого на Земле Солнце важно как источник света и тепла. Для астрономов Солнце важно как звезда, которую мы можем изучать в подробностях. О них и поговорим. Подробности в последнее время появились потрясающие. Мы видим нейтрино от разных реакций в недрах Солнца. Мы изучаем, как Солнце пульсирует, что также позволяет понять, что происходит глубоко под поверхностью. Нашу звезду непрерывно наблюдают несколько спутников с разных сторон… При этом многое в поведении Солнца остается плохо известным, т.к. детали физических процессов как во внешних слоях, так и в недрах, довольно запутаны. Мы попробуем лучше разобраться в солнечной физике с помощью формул, используя очень интересный подход — метод размерностей. Наконец, мы поговорим о том, могут ли на Солнце происходить очень мощные вспышки, потенциально опасные для землян.

4. Звезды — далекие солнца

Эволюция сформировала наши глаза так, чтобы они видели свет звезд. Ведь Солнце – это звезда, причем вполне себе средненькая, типичная. Мы видим далекие галактики – потому что в них светят звезды. Видим туманности, потому что звезды их подсвечивают. Видим черные дыры, потому что на них течет вещество с соседних звезд. Даже наше искусственное освещение связано со звездами. Не будь Солнца – не было бы гидроэнергетики, не было бы угля и нефти. Не будь реакций, происходящих при взрывах массивных звезд — не было бы урана. Но звезды не только освещают нам темноту вселенной. Это интересные объекты сами по себе. Им мы обязаны химическими элементами, из которых состоим. Звезды претерпевают превращения в течение своей жизни. В конце концов, остаются удивительные объекты – белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры.

5. Эволюция двойных звезд

Двойные звезды – это красиво. Самые красивые туманности связаны с двойными системами, и даже один из самых узнаваемых образов – структура, проявившаяся после вспышки сверхновой 1987А, — связана с эволюцией системы из двух звезд. Жизнь звезды в тесной двойной системе гораздо интереснее, чем у одиночной звезды. Обмениваясь веществом, звезды изменяют свой самый
главный параметр – массу. Это может позволить, например, легкой звезде взорваться как сверхновая или превратиться в черную дыру. Когда уже возник компактный объект, то поток вещества на него со звезды-соседки может привести к появлению яркого рентгеновского источника. Наконец, если в системе родились две нейтронные звезды, то в конце концов они
могут слиться, породив одновременно гамма-всплеск и всплеск гравитационного излучения.

6. Экзопланеты — как наблюдаем?

Сейчас известно несколько тысяч экзопланет. Они были открыты разными методами. Измерение их свойств также требует привлечения разных наблюдательных методов. Какие-то требуют крупных наземных телескопов, какие-то – космические аппараты, а какие-то позволяют использовать совсем небольшие инструменты. В лекции рассказывается о том, как определяются массы и радиусы планет, как обнаружить планету у нейтронной звезды, и как гравитационное линзирование позволяет открывать планеты в других галактиках.

7. Новости дальнего космоса

Темой лекции будут новости дальнего космоса. Весной 2014 года оптимисты считали, что главным хитом станет результат проекта BICEP2 по поиску следов реликтовых гравитационных волн, но открытие не состоялось: коллаборация Планк показала, что их коллеги поторопились с криком «Эврика!». Поэтому главными героями станут экзопланеты, черные дыры и сверхновые.
Кроме того, мы посмотрим, как движутся галактики в нашей окрестности, и как это моделируют.

8. Экзопланеты — что внутри?

Одна из загадок экзопланет связана с их внутренним строением. Даже в случае Земли мы не знаем в деталях, как устроены ее недра. Вещество там находится к экстремальном состоянии, которое не получается
воспроизвести в лабораториях. Что уж говорить о недрах других планет Солнечной системы, а тем более об экзотических экзопланетах, которые не имеют аналогов вокруг Солнца. Но с внутренним строением экзопланет
связана интересная физика, и кое-что мы все-таки знаем! Попробуем в этом разобраться.

9. Экзопланеты: как рождаются и живут?

Темой лекции будет формирование и эволюция экзопланет.
В механизме образования планетных систем есть еще много неясного. Мы поговорим о том, какие есть идеи, касающиеся роста масс планет и их взаимодействия с протопланетным диском. Обсудим где и какие планеты могут образовываться, и как они мигрируют, пока не займут свои орбиты, где проведут миллиарды лет.
Планетные системы не вечны. В основном это связано с эволюцией центральной звезды. Часть планет со временем может оказаться проглоченной звездой, часть планет сильно изменит орбиты, а часть будет выброшена из системы, если звезда потеряет значительную массу.
Мы посмотрим, что наблюдения могут нам рассказать о судьбе экзопланет, и что мы надеемся узнать в ближайшем будущем.

10. Нейтронные звезды. Недра

Нейтронные звезды — самые интересные (с точки зрения физики) объекты во вселенной. У них масса экстремальных свойств. Одним из самых загадочных являются те, что связаны со сверхвысокой плотностью в их недрах. После общего знакомства со свойствами нейтронных звезд, мы будем обсуждать, что же у них внутри. Из чего состоят нейтронные звезды. Если вы думаете, что из нейтронов — то приходите на лекцию — вас ждут сюрпризы!

11. Магнитары и другие экстремалы

Нейтронные звезды — экстремальные объекты. Но некоторые — экстремальнее других. Они особенно интересны в разговоре о том, как астрономия помогает физике. Изучая магнитары и другие удивительные компактные объекты, мы можем изучать вещество в экзотическом состоянии.

12. Великое объединение нейтронных звезд

«Начиная с конца 90х гг. постепенно стало ясно, что молодые нейтронные звезды могут проявлять себя как источники очень разных типов: радиопульсары и магнитары, Великолепная семерка и Кальвера, быстрые
радиотранзиенты и антимагнитары. Как же объяснить такое многобразие? Мы пытаемся это сделать в рамках рабочей гипотезы, называемой «Великое объединение нейтронных звезд». В этой лекции я много буду рассказывать и о своих исследованиях, поскольку именно этим я в основном и занимаюсь».

13. Черные дыры для начинающих

Черные дыры нравятся всем! Часто трудно объяснить почему, но нравятся. Наверное, в первую очередь своей загадочностью, от которой даже мурашки по коже. Попробуем продолжить удивляться черным дырам, но теперь уже не из-за недостатка информации, из-за ее наличия. В конце концов, ведущие мировые физики говорят нам, что информация не исчезает в черной дыре.

14. Как увидеть горизонт?

Все говорят о черных дырах, но почему-то никто еще не получил за их открытие Нобелевскую премию… Да просто их еще не открыли! Строго говоря, у нас есть только кандидаты в черные дыры. Сама природа этих объектов такова, что очень трудно доказать, что мы имеем дело именно с ними. Тем не менее, у астрофизиков есть много очень хороших аргументов в пользу того, что кандидаты – это самые настоящие черные дыры. Основные надежные доводы в пользу их существования связаны с аккрецией вещества. А в самом ближайшем будущем должны появиться новые (самые сильные!) свидетельства в пользу существования этих загадочных объектов. Произойдет это благодаря регистрации гравитационных волн от сливающихся черных дыр.

15. Космические лучи и космические ускорители

Создание Большого адронного коллайдера — огромное достижение и для науки, и для техники. Однако каждый день из космоса на Землю прилетают тысячи частиц с энергий в сотни миллионов раз больше, чем на БАКе. Это космические лучи сверхвысоких энергий. Хотя их изучают уже несколько десятков лет, мы до сих пор не знаем, какие же космические ускорители разгоняют частицы до таких энергий. Скорее всего, они должны быть связаны со сверхмассивными черными дырами в центрах галактик. Они тоже станут героями нашей лекции.

16. Космология – 1. Расширение вселенной: расстояния и скорости в космологии

Мы начнем лекцию с обсуждения того, что мы знаем об эволюции вселенной, и как себе можно представить расширение. Затем мы поговорим о том, как в космологии определяют расстояния и скорости. Обсудим множество разных определения расстояния и попытаемся понять, почему нет ничего страшного в сверхсветовых скоростях
расширения вселенной.

17. Космология — 2. Горизонты и картина расширения в динамике

Первой темой лекции станут космологические горизонты. Мы постараемся понять, что такое горизонт частиц и горизонт событий в космологии. Затем мы перейдем к вопросу о наблюдении динамики расширения вселенной. Пока наблюдения не позволяют нам прямо увидеть, что какая-то далекая-далекая галактика стала дальше от нас. Но уже через 20-30 лет ситуация может измениться, и тогда мы сможем непосредственно наблюдать расширение вселенной.

Этот курс уже прошел, но Вы можете приобрести его видеозаписи. Узнать подробности можно по почте arhe.msk@gmail.com