Теория сверхновых звезд - 5 курс, 9 и 10 семестры

Цели и задачи

Цель курса – освоение студентами фундаментальных знаний в области физики сверхновых звезд, методов их исследования, а также областей практического применения этих знаний. Задачами данного курса являются:

• формирование базовых знаний в области физики сверхновых звезд как дисциплины, интегрирующей общефизическую и общетеоретическую подготовку физиков и обеспечивающей технологические основы современных инновационных сфер деятельности;
• формирование основополагающих знаний по гидродинамике, переносу излучения, радиационной гидродинамике, моделированию кривых блеска и спектров сверхновых звезд, по сложным физическим процессам, протекающим при взрывах сверхновых;
• формирование подходов к выполнению исследований студентами в области физики сверхновых звезд в рамках выпускных работ на степень магистра.

Программа

Часть I.

1. Основные наблюдательные данные о сверхновых звездах Происхождение термина "сверхновые звезды". Основные наблюдательные данные: спектры и кривые блеска. Классификация сверхновых. Статистика вспышек сверхновых.
2. Остатки вспышек сверхновых. Остатки вспышек сверхновых и их эволюция. Задача о сильном взрыве. Модель стадии лучистого охлаждения. Галактические сверхновые. Крабовидная туманность.
3. Звездное вещество и излучение. Основные характеристики вещества и излучения. Процессы взаимодействия излучения и вещества. Коэффициенты поглощения, излучательной способности и рассеяния. Локальное термодинамическое равновесие. Ионизационное и статистическое равновесие звездного вещества. Уравнение состояния звездной плазмы. Непрозрачность звездного вещества. Усреднение коэффициента поглощения. Росселандово среднее.
4. Уравнение переноса излучения. Вывод уравнения переноса излучения. Оптическая толщина и функция источника. Формальное решение уравнения переноса. Уравнение переноса для угловых моментов. Условие лучистого равновесия. Диффузионный предел и приближение лучистой теплопроводности. Волновой предел.
5. Формирование спектров сверхновых. Формирование непрерывного спектра. Коэффициент поглощения в линии. Уравнение переноса для связанно-связанных переходов. Перенос излучения в линии в расширяющихся атмосферах. Теория Соболева.
6. Уравнения радиационной гидродинамики. Релятивистское уравнение переноса в сопутствующей системе отсчета. Уравнения радиационной гидродинамики. Уравнения радиационной гидродинамики в моментном приближении. Многогрупповое приближение.
7. Предсверхновые звезды. Строение предсверхновых звезд. Условие устойчивого равновесия звезды.
8. Основные физические стадии вспышки сверхновой. Мгновенный взрыв и медленное выделение энергии. Выход ударной волны на поверхность предсверхновой. Волна охлаждения и рекомбинации. Свойства радиоактивного распада Ni-56 => Co-56 => Fe-56.
9. Гидродинамические модели сверхновых. Внутренняя и внешняя задачи гидродинамического моделирования вспышки сверхновой. Гидродинамические модели.
10. Моделирование сверхновых разных типов. Сверхновые типа Ia. Сверхновые типа Ib и Ic. Сверхновые типа IIL. Сверхновая 1993J в галактике M81.

11. Сверхновая 1987A в Большом Магеллановом Облаке. Сверхновая типа IIP 1987A: наблюдения и теория.

    Часть II.

12. Эволюция массивных звезд до стадии предсверхновой. Общие сведения об эволюции массивных звезд. Причины потери устойчивости к гравитационному коллапсу железными ядрами звезд. Диаграмма центральная температура - центральная плотность и уравнение состояния звездной плазмы.
13. Гравитационный коллапс. Общие сведения. Гравитационный коллапс: режим свободного падения. Автомодельное решение задачи о гравитационном коллапсе.
14. Гидродинамическая теория сферически-симметричного гравитационного коллапса железных ядер. Гравитационный коллапс железных ядер. Начальная стадия. Стадия нейтриносферы. Гравитационный коллапс до и после отскока. Гидродинамический механизм взрыва сверхновой типа II.
15. Замедленный механизм нейтринного нагрева. Механизм нейтринного нагрева. Понятие о радиусе нейтринного нагрева. Характеристики нейтринного сигнала при гравитационном коллапсе.
16. Нейтрино-конвективный механизм взрыва сверхновой. Конвекция. Условие конвективной неустойчивости. Возникновение конвекции внутри прото-нейтронной звезды. Конвекция за фронтом ударной волны.
17. Магнито-ротационный механизм взрыва сверхновой. Роль магнитного поля и вращения при гравитационном коллапсе. Дифференциальное вращение и усиление магнитного поля. Магнито-ротационная неустойчивость.
18. Сценарий ротационного механизма взрыва сверхновой. Гравитационный коллапс вращающегося железного ядра звезды. Образование и эволюция двойной системы нейтронных звезд. Взрыв маломассивной нейтронной звезды с критической массой — источник энергии взрыва.
19. Аккреционно-струйный механизм взрыва сверхновой. Эволюция массивных звезд в интервале 25-100 масс Солнца. Механизм дисковой аккреции и нейтринное охлаждение. Формирование релятивистских струй и взрыв сверхновой. Связь с явлением гамма-вспышки.
20. Электронно-позитронный механизм взрыва сверхновой. Рождение электронно-позитронных пар. Потеря устойчивости к гравитационному коллапсу очень массивными звездами с массой свыше 100 масс Солнца. Электронно-позитронный механизм взрыва сверхновой.
21. Эволюция маломассивных звезд с образованием одиночных предсверхновых и в составе тесных двойных звезд. Наблюдения сверхновых типа Ia и ограничения, накладываемые ими на предсверхновые. Эволюция маломассивных (менее 10 масс Солнца) звезд с образованием одиночных предсверхновых и в составе тесных двойных звезд.
22. Термоядерный взрыв CO ядра звезды. Два режима термоядерного горения C-O ядер: детонация и дефлаграция. Термоядерный взрыв C-O ядра с чандрасекаровской массой и с субчандрасекаровской массой.
23. Взрыв сверхновой типа Ia при слиянии двух белых карликов. Эволюция тесных двойных белых карликов. Основные стадии слияния двух белых карликов. Трудности избежания образования O+Ne+Mg звезд.

Литература

• И.С.Шкловский "Сверхновые звезды", Наука, Москва, 1976.
• И.Бакулин, Э.В.Кононович, В.И.Мороз "Курс общей астрономии", Наука, Москва, 1977.
• В.В.Соболев "Курс теоретической астрофизики", Наука, Москва, 1975.
• Я.Б.Зельдович и Ю.П.Райзер "Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений", Наука, Москва, 1966.
• Я.Б.Зельдович и И.Д.Новиков "Теория тяготения и эволюция звезд", Наука, Москва, 1971.
• Д.Михалас "Звездные атмосферы", Мир, Москва, 1982.
• Л.Д.Ландау и Е.М.Лифшиц "Гидродинамика", Наука, Москва, 1986.
• Г.С.Бисноватый-Коган "Физические вопросы теории звездной эволюции", Наука, Москва, 1989.
• В.С.Имшенник и Д.К.Надежин "Сверхновая 1987A в Большом Магеллановом Облаке: наблюдения и теория", УФН, том 156, стр. 561, 1988.
• В.С.Имшенник "Ротационный механизм взрыва коллапсирующих сверхновых и двустадийный нейтринный сигнал от сверхновой 1987A в Большом Магеллановом Облаке", УФН, т.180, с.1121, 2010.
• A.V.Filippenko "Optical spectra of supernovae", Ann. Rev. Astron. Astrophys., vol. 35, p. 309, 1997.
• E.Cappellaro, M.Turatto, D.Yu.Tsvetkov, et al. "The rate of supernovae from the combined sample of five searches", Astron. Astrophys., vol. 322, p. 431, 1997.
• W.Hillebrandt and J.C.Niemeyer "Type Ia supernova explosion models", Ann. Rev. Aston. Astrophys., v.38, p.191, 2000.
• S.E.Woosley, A.Heger, and T.A.Weaver "The evolution and explosion of massive stars ", Rev. Mod. Phys., v.74, p.1015, 2002.