Засов Анатолий Владимирович
«Галактики как многокомпонентные системы»
Описание курса:
Дисциплина «Галактики как многокомпонентные системы» является частью астрофизических спецкурсов на астрономическом отделении физического факультета. Цель этого спецкурса – познакомить студентов и магистрантов с современными методами, результатами и проблемами, связанными с исследованием галактик как многокомпонентных эволюционирующих звездно-газовых систем. Спецкурс знакомит с наблюдаемыми свойствами галактик, выявляемыми на основе наземных и внеатмосферных исследований, и с изучением физических процессов, определяющих внутреннюю структуру галактик различных типов, а также с современными представлениями о формировании и эволюции звездных и газовых компонент галактик. Направление спецкурса является актуальным: существенная доля всех научных публикаций в области астрономии связана именно с внегалактической тематикой. Новые возможности внегалактических исследований, открывающиеся в результате ввода в строй новых наземных и космических инструментов, совершенствования методов наблюдений и обработки данных, составление новых обзоров галактик, требуют непрерывной коррекции любого учебного курса, связанного с изучением галактик. Представленный курс является развитием и модернизацией авторского спецкурса «Физика галактик», который читался автором в течении многих лет в том же объеме. Галактики рассматриваются как неоднородные многокомпонентные системы, масса, плотность и момент вращения которых лежат в очень широких интервалах значений, что обеспечивает гигантское разнообразие наблюдаемых свойств галактик. При этом различные компоненты галактик взаимно проникают друг в друга, обмениваются веществом и моментом, и, будучи объединенными общим гравитационным полем, позволяют рассматривать галактику как единое целое. Спецкурс содержит обширный фактический материал, охватывающий важнейшие данные фотометрических и спектральных наблюдений галактик. Рассматриваются физические процессы, происходящие в галактиках, как обусловленные внутренними причинами, так и связанные с их окружением. Две основные составляющие курса – это физические свойства и взаимосвязь газовых и звездных компонент галактик, а также активно происходящие в них процессы. Наиболее важными из последних – это звездообразование, происходящее в настоящее время в звездно-газовых дисках галактик, а также активность ядра, которая в прошлом, на квазаро-подобной стадии активности, могла воздействовать на галактику в целом, определив путь ее последующей эволюции. Предполагается включение в спецкурс и расширение ряда тем, прежде всего, касающихся взаимодействия отдельных компонент внутри галактик и галактик с окружающей средой. Особое внимание уделяется нерешенным проблемам, затрагивающим наблюдаемые активные процессы в галактиках, поразительное многообразие типов галактик, а также вероятное существование «темной» материи с преобладанием не-барионной составляющей неизвестной природы. В итоге, спецкурс раскрывает общую картину современных представлений о природе галактик, формировании и эволюции их звездных и газовых компонент. Согласно учебному плану, спецкурс «Галактики как многокомпонентные системы», как и предшествующий ему спецкурс «Физика галактик», читается на 4 курсе по выбору. 36 лекционных часов сопровождаются семинарскими занятиями такого же объема по времени. Предлагаемый спецкурс рассчитан как на студентов, так и на магистрантов. Начальный уровень, необходимый для полного усвоения материала, включает в себя знакомство с содержанием курса общей астрофизики. Информация, содержащаяся в спецкурсе, важна для работы в самых различных направлениях астрофизики и звездной астрономии, в частности, для исследования нашей Галактики и активных процессов в ней, для изучения эволюции звездных систем, процессов в межзвездной среде, а также для наблюдательной космологии.
План курса:
Лекция 1
Вводная тема. Особенности наблюдений галактик как протяженных объектов низкой яркости. Понятия светимости и поверхностной яркости. Основные структурные элементы галактик, сравнение с нашей Галактикой. Интегральные параметры газовых и звездных компонент. Источники излучения галактик в различных областях спектра (от радио до гамма). Современные схемы классификации галактик по структуре, светимости и поверхностной яркости.
Лекция 2
Понятие интегральной светимости галактик, массы (динамическая, барионная, вириальная), радиуса (фотометрический, эффективный, вириальный), скорости вращения и углового момента галактик. Характерные значения параметров.
Лекция 3
Газовые компоненты галактик: методы наблюдений, относительная масса. Физическое состояние газа. Атомарный и молекулярный газ. Содержание пыли в газовой среде. Источники энергии нагрева и турбулентных движений газа. Газ в Е- галактиках.
Лекция 4
Различия в кинематике звезд и газа. Газ как диссипативная среда. Бесстолкновительность звездных систем. Гравитационное взаимодействие между звездными и газовыми компонентами. Уравнение Пуассона, связь толщины газовых и звездных компонент диска с дисперсией скоростей и плотностью в приближении равновесного состояния.
Лекция 5
Методы оценки скоростей вращения газовых и звездных компонент и построение кривой кругового вращения с учетом дисперсии скоростей компонент. Связь радиальных распределений массы M(R) и круговой скорости V(R). Принцип построения многокомпонентных динамических моделей галактик.
Лекция 6
Кинематика звезд в эллиптических (Е) галактиках и балджах дисковых галактик и оценка их массы. Звездные бары галактик.
Лекция 7
Наблюдаемые и космологические свидетельства существования «темного» компонента (темного гало) галактик. Барионная и не-барионная «темная» масса. Динамические и фотометрические способы оценки массы барионного вещества.
Лекция 8
Не-круговые движения в дисковых компонентах. Колебания звезд или газовых облаков относительно плоскости диска (по z- координате) и в плоскости диска (эпициклическая частота). Период малых колебаний. Крупномасштабные не-круговые движения.
Лекция 9
Гравитационная устойчивость вращающегося тонкого диска. Дисперсионное уравнение и критерии устойчивости к радиальным и «вертикальным» возмущениям. Параметр Тумре. Критерий устойчивости двухкомпонентных дисков. Связь углового момента диска с массой и плотностью газа, и условие гравитационной устойчивости диска.
Лекция 10
Спиральная структура дисковых компонент галактик, наблюдаемые особенности. Типы спиральных ветвей. Спиральные ветви как области возмущения плотности и скорости вращения диска. Флоккулентные и волновые ветви. Распространение волн плотности, дисперсионное соотношение для радиальных колебаний. Резонансы.
Лекция 11
Звездообразование в галактиках. Темп и эффективность звездообразования: наблюдаемые интервалы значений, радиальные зависимости. Галактики без текущего звездообразования. Особенности линзовидных галактик.
Лекция 12
Физические факторы, управляющие звездообразованием в газовом диске. Связь темпов звездообразования с плотностью и давлением газа. Различные режимы («моды») звездообразования в дисках галактик. Обратная связь «звёзды-газ».
Лекция 13
Магнитное поле в галактиках, наблюдаемые проявления в оптическом и радио диапазонах. Влияние на динамику газового компонента диска, магнито-вращательная неустойчивость. Роль магнитного поля в процессе звездообразования.
Лекция 14
Химический состав звездных и газовых компонент. Содержание тяжелых элементов в звездах и газе как отражение характера эволюции звездообразования в галактике.
Лекция 15
Галактики как открытые системы. Обмен веществом с окружающей средой: аккреция, отток газа, выметание и сжатие газа внешним давлением.
Лекция 16
Взаимодействие галактик. Динамическое трение и слияние (мержинг) галактик, наблюдаемые проявления. Влияние на структуру галактик и звездообразование. Галактики с несколькими дисками.
Лекция 17
Ядерные области галактик. Сверхмассивные черные дыры и различные проявления активности ядра. Влияние высокой активности ядра на эволюцию галактик.
Лекция 18
Заключительное занятие. Многокомпонентность галактик как отражение различных этапов формирования галактик и их эволюции. Галактики на больших красных смещениях.
