Общая астрофизика

Общая
АСТРОФИЗИКА

Общая 
АСТРОФИЗИКА

МГУ, Физический факультет
Государственный астрономический институт
им. П. К. Штернберга

А. В. Засов, К. А. Постнов

4-е издание, электронное

Москва, 2022

УДК 52
ББК 22.6
З-36

З-36
Засов, Анатолий Владимирович.
Общая астрофизика / А. В. Засов, К. А. Постнов. — 4-е изд., эл.  — 
1 файл pdf : 573 с. — Москва : ДМК Пресс, 2022. — Систем. требования: 
Adobe Reader XI либо Adobe Digital Editions 4.5 ; экран 10". — Текст : 
электронный.

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.

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

ПРЕДИСЛОВИЕ

Предисловие к первому изданию
Эта книга написана на основе курса лекций по общей астрофизике, читаемых авторами студентам физического факультета МГУ
им. М. В. Ломоносова.
Особенность астрофизики как предмета состоит прежде всего
в ее многосторонности и в большой широте охвата изучаемых явлений — от разреженной межпланетной и межзвездной среды до
сверхплотного состояния вещества в недрах белых карликов и нейтронных звезд, от тел солнечной системы и ближайшего космоса до
всей Вселенной, рассматриваемой как целое. Вторая особенность —
бурное развитие астрофизики, непрерывное появление новых данных наблюдений, разработка и проверка теоретических схем и гипотез. Это усложняет отбор материала, который может быть включен в учебное пособие. Авторы не стремились рассказать обо всем
важном, известном к моменту написания книги, стараясь акцентировать внимание на ключевых вопросах. Каждое астрофизическое явление или объект обладает рядом специфических черт и особенностей, которые часто требуют индивидуального рассмотрения и описания. Одно только изложение феноменологических фактов о звездах или компонентах межзвездной среды может составить предмет
отдельной книги.
Предлагаемая книга несколько шире по содержанию, чем традиционные курсы общей астрофизики. В ней делается упор на объяснение основных физических процессов, происходящих в космических объектах и средах. При этом факты, необходимые для понимания того или иного явления, приводятся лишь в минимальном объ
5

еме. Книга готовилась в первую очередь для читателей, овладевших
знаниями в рамках общего университетского курса физики, и не требует специальных знаний по астрономии. Часть вспомогательного
материала из курса общей физики и выводы некоторых формул вынесено в Приложение. При подготовке рукописи мы использовали
специализированные издания и монографии, б ’ольшая часть которых отражена в списке литературы. Мы надеемся, что данная книга послужит введением в современные проблемы астрофизики и поможет читателю ознакомиться с астрофизической картиной мира —
в объеме достаточном для дальнейшего углубленного изучения конкретных направлений этой быстроразвивающейся области знания.
Мы
приносим
искреннюю благодарность нашим
коллегам
В. А. Батурину, В. К. Конниковой, В. Г. Корнилову, С. А. Ламзину,
М. А. Лившицу, А. Д. Чернину и особенно академику А. М. Черепащуку, которые взяли на себя нелегкий труд чтения отдельных глав
рукописи и сделали много ценных замечаний. Мы также глубоко
признательны В. Н. Семенцову и А. Ю. Кочетковой за помощь при
оформлении рукописи, а также другим коллегам, замечания которых мы старались учесть.
Так получилось, что работа над книгой завершилась в 2006 году, в котором исполняется 100 лет со дня рождения замечательного
ученого и педагога, нашего учителя, многолетнего заведующего кафедрой астрофизики и звездной астрономии физического факультета МГУ профессора Дмитрия Яковлевича Мартынова. Наша книга
продолжает и развивает его замечательный учебник по общей астрофизике, последнее издание которого вышло в 1988 году, и на котором воспитано не одно поколение студентов.
Пусть это будет нашей данью его светлой памяти.

Москва, 2006.

Предисловие ко второму изданию

За несколько лет, прошедших после первого издания этой книги, новые эксперименты и всеволновые наблюдения привели к важным открытиям в наблюдательной космологии, звездной астрофизике, астрофизике высоких энергий, планетной астрономии. Так, за
точные измерения и открытие анизотропии реликтового излучения
в 2006 году американским астрофизикам Дж. Мазеру и Дж. Смуту была присуждена Нобелевская премия по физике, а в 2011 году Нобелевской премии удостоено открытие ускоренного расширения Вселенной по измерениям далеких сверхновых (С. Перлмуттер,
Б. Шмидт и А. Рисс). С бортов космических телескопов и специализированных спутников получена бесценная информация в различных диапазонах длин волн от далекого ИК (космический телескоп «Спитцер») до сверхжесткого гамма (космический телескоп
«Ферми»). Наземной установкой «Оже» измерены энергии частиц
космических лучей до значений свыше 1020 эВ. Черенковские телескопы установки H.E.S.S. в Намибии регистрируют ТэВ-ные фотоны из центра Галактики, от активных ядер галактик и квазаров и тесных двойных систем с нейтронными звездами. Спутниками «Свифт», «ИНТЕГРАЛ» и «Конус-Винд» зарегистрированы десятки далеких космических гамма-всплесков (вплоть до рекордного для астрофизических объектов красного смещения 8.3 от гаммавсплеска 090423) и мощнейшее мягкое гамма-излучение от магнитаров — нейтронных звезд со сверхсильным магнитным полем напряженностью свыше 1014 Гс. Открыты новые типы сверхновых —
от рекордно ярких, связанных с коллапсом ядер самых массивных
звезд, до чрезвычайно слабых, возможно связанных с термоядерными взрывами на поверхности белого карлика (промежуточные объекты между вспышками новых звезд и термоядерными сверхновыми
типа Iа). Обнаружены сотни новых экзопланет вокруг звезд, некоторые из которых имеют параметры, близкие к планетам земной группы. Проведены уникальные обзоры всего неба, в первую очередь —
обзор SDSS (Sloan Digital Sky Survey), давшие фотометрическую и
спектральную информацию о миллионах галактик и звезд. Все теснее становятся рамки допустимых моделей темной материи, и появилась надежда на регистрацию гипотетических частиц темной материи в новейших экспериментальных установках (Линейный Адронный Коллайдер в ЦЕРНе). Запущены и планируются новые космические миссии к телам Солнечной системы.

7

Список достижений астрофизики за последние годы можно продолжать долго. Однако, оставаясь в рамках учебного пособия, мы не
ставили целью дать обзор последних открытий — они не изменили
общую астрофизическую картину мира. Тем не менее, мы отразили
во втором издании книги часть наиболее важных новых достижений
астрофизики, без упоминания которых уже нельзя обойтись.
После благожелательной критики многих коллег из различных
астрономических учреждений и университетов, мы постарались исправить замеченные опечатки и неточности формулировок, допущенные в первом издании. Мы благодарим всех, кто помог нам в
этом деле. Во втором издании значительной переработке подверглись главы 2, 3, 5, 8, 9, 11. В Приложения добавлено несколько
новых разделов. Особую благодарность мы приносим коллегам из
Санкт-Петербургского университета и лично В. В. Иванову, а также А. С. Расторгуеву, М. В. Сажину, Г. В. Якуниной и другим коллегам из ГАИШ МГУ за замечания к первому изданию. Существенные изменения в главе 3 были внесены после ее внимательного прочтения В. Г. Корниловым и Б. С. Сафоновым, за что мы им приносим глубокую благодарность. Мы также признательны В. С. Бескину, Я. Н. Истомину, С. И. Блинникову, Н. Н. Чугаю за обсуждение
физических аспектов многих астрофизических явлений.

Москва, 2011
Авторы благодарят Морченко Е. С. за внимательное прочтение
2-го издания книги и полезные замечания.

Издание 2022 года является 3-м изданием книги, вышедшим 
в  2015 году, скорректированным  с учетом наиболее важных 
астрофизических достижений за  прошедший период времени. 
Более подробно важнейшие аспекты современной астрономии 
освещены в монографии «Многоканальная астрономия» под ред. 
А. М. Черепащука (М.: ДМК Пресс, 2022), которая может быть 
важным дополнением к данному учебному пособию.

Москва, 2022

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

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 астрономических наблюдений
и физические ограничения их возможностей
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

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
4.10. Другие методы диагностики космической плазмы
. . . 144
4.11. Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
Глава 5. Звезды
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. Соотношения M–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

5.9. Солнце как ближайшая звезда
. . . . . . . . . . . . . . . 193
5.9.1.
Общие характеристики
. . . . . . . . . . . . . . . 193
5.9.2.
Особенности фотосферы, хромосферы и короны Солнца . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
5.9.3.
Солнечные вспышки. Активность Солнца. . . . . 206
5.9.4.
Гелиосейсмология
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
5.10. Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
Глава 6. Эволюция звезд
215
6.1. Эволюция звезд после выгорания водорода
. . . . . . . 215
6.2. Вырождение вещества
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
6.3. Предел Чандрасекара и фундаментальная масса звезды 221
6.4. Вырождение вещества в центре у звезд различных масс 222
6.5. Роль потери массы в эволюции звезды
. . . . . . . . . . 227
6.5.1.
Звездный ветер на главной последовательности 227
6.5.2.
Звездный ветер
после главной последовательности.
Асимптотическая ветвь гигантов
и образование планетарных туманностей
. . . . 229
6.6. Эволюция одиночных звезд после
главной последовательности: краткий итог . . . . . . . . 230
6.7. Пульсации звезд. Цефеиды
. . . . . . . . . . . . . . . . . 233
6.8. Процессы образования тяжелых элементов в природе . 238
Глава 7. Двойные звезды
241
7.1. Определение масс двойных звезд. Функция масс . . . . 241
7.2. Особенности эволюции звезд в ТДС . . . . . . . . . . . . 244
7.2.1.
Приближение Роша и полость Роша
. . . . . . . 245
7.2.2.
Перенос масс . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
7.3. Стадии эволюции двойных звезд . . . . . . . . . . . . . . 250
Глава 8. Планетные системы
256
8.1. Методы исследования и состав солнечной системы . . . 256
8.2. Методы обнаружения планет вокруг звезд . . . . . . . . 269
8.3. Статистические зависимости экзопланет . . . . . . . . . 275
8.4. Образование планет и их систем . . . . . . . . . . . . . . 277
8.4.1.
Протопланетные диски
. . . . . . . . . . . . . . . 277
8.4.2.
Образование планет солнечной системы . . . . . 278
Глава 9. Сверхновые и остатки сверхновых
281
9.1. Нейтронизация вещества
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
9.1.1.
Фотодиссоциация
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
9.1.2.
Нейтронизация вещества и УРКА-процессы . . 282

12

216

242

257

283

216
218
222
223
228
228

242
245
246
248
251

257
270
276
278
278
279

283
284
284

230

231
234
239

9.1.3.
Захват нейтрино и остановка коллапса . . . . . . 284
9.2. Вспышки сверхновых . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
9.2.1.
Сверхновые II типа . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
9.2.2.
Гиперновые и гамма-всплески . . . . . . . . . . . 294
9.2.3.
Сверхновые типа Ia . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
9.2.4.
Ярчайшие сверхновые . . . . . . . . . . . . . . . . 296
9.2.5.
Остатки сверхновых и их взаимодействие
с межзвездной средой . . . . . . . . . . . . . . . . 298
Глава 10.Компактные звезды
и их наблюдательные проявления
304
10.1. Белые карлики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
10.1.1. Белые карлики в двойных системах.
Катаклизмические переменные и новые звезды . 306
10.2. Нейтронные звезды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
10.2.1. Внутреннее строение НЗ
. . . . . . . . . . . . . . 310
10.2.2. Оценки масс НЗ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
10.3. Свойства пульсаров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
10.3.1. Основные свойства . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
10.3.2. Торможение вращения пульсаров . . . . . . . . . 318
10.4. Рентгеновские пульсары . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
10.5. Черные дыры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
10.6. Эффективность аккреции на компактные звезды . . . . 326
10.7. Эддингтоновский предел светимости при аккреции
на компактные релятивистские объекты
. . . . . . . . . 329
10.8. Задача . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
Глава 11.Галактики
332
11.1. Звездные скопления и наша Галактика . . . . . . . . . . 332
11.2. Основные характеристики галактик . . . . . . . . . . . . 336
11.3. Структура галактик . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
11.4. Движение газа и звезд
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347
11.4.1. Столкновение звезд и время релаксации . . . . . 347
11.4.2. Особенности движения звезд различных подсистем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
11.4.3. Принципы измерения скоростей вращения
галактик
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354
11.4.4. Кривые вращения галактических дисков . . . . . 358
11.4.5. Скорость вращения и круговая скорость . . . . . 360
11.4.6. Связь распределения масс в галактике
с кривой вращения . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362

13

306

335

307

308
310
312
315
318
318
320
325
326
328

332
333

335
339
345
350
350

355

357
361
363

365

286
289
290
296
297
298

300

11.4.7. Проблема темного гало
. . . . . . . . . . . . . . . 365
11.4.8. О гравитационной устойчивости
звездных дисков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370
11.4.9. Дисперсия скоростей и толщина
галактических дисков
. . . . . . . . . . . . . . . . 373
11.4.10.Бары галактик
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
11.4.11.Принципы оценки масс Е-галактик . . . . . . . . 380
11.5. Физическая природа спиральной структуры . . . . . . . 382
11.5.1. Спиральные ветви: наблюдаемые свойства
. . . 382
11.5.2. Два типа спиральных ветвей . . . . . . . . . . . . 384
11.6. Межзвездный газ в галактиках . . . . . . . . . . . . . . . 390
11.6.1. Холодный газ: нейтральный и молекулярный
водород . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392
11.6.2. Области HII в галактиках . . . . . . . . . . . . . . 398
11.6.3. Горячий газ и рентгеновское излучение галактик400
11.6.4. Магнитные поля
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403
11.7. Звездообразование в галактиках . . . . . . . . . . . . . . 404
11.7.1. Общие сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404
11.7.2. Физические процессы,
управляющие звездообразованием
. . . . . . . . 408
11.7.3. Волны сжатия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 418
11.7.4. Гравитационная неустойчивость газового диска 421
11.8. Ядра галактик
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
11.8.1. Общие сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
11.8.2. Структура активных ядер . . . . . . . . . . . . . . 429
11.8.3. Сверхмассивные черные дыры . . . . . . . . . . . 430
11.8.4. Основные принципы определения масс СМЧД . 433
11.9. Скопления галактик
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438
11.9.1. Общие сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438
11.9.2. Газ в скоплениях галактик
. . . . . . . . . . . . . 441
11.9.3. Оценка массы богатых скоплений . . . . . . . . . 443
11.9.4. Особенности эволюции галактик в скоплениях . 445
11.10.Задачи
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449
Глава 12.Элементы современной космологии
452
12.1. «Краткий курс» истории космологии ХХ века . . . . . . 454
12.2. Крупномасштабная структура Вселенной
. . . . . . . . 457
12.3. Предельно далекие галактики и квазары . . . . . . . . . 458
12.4. Космологические модели
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 462
12.4.1. Космологический принцип . . . . . . . . . . . . . 462

14

456
458
461
462
466
466

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

12.5. Однородные и изотропные космологические модели . . 462
12.5.1. Выбор системы координат
. . . . . . . . . . . . . 462
12.5.2. Метрика Фридмана–Робертсона–Уокера . . . . 465
12.6. Кинематика Вселенной . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466
12.6.1. Закон Хаббла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466
12.6.2. Пекулярные скорости галактик
. . . . . . . . . . 468
12.6.3. Распространение света. Красное смещение
. . . 470
12.6.4. Угломерное и фотометрическое расстояния . . . 473
12.6.5. Хаббловские диаграммы . . . . . . . . . . . . . . . 476
12.6.6. Горизонт частиц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477
12.6.7. Поверхностная яркость и парадокс Ольберса . . 479
12.7. Динамика Вселенной . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480
12.7.1. Эволюция расширения. Критическая плотность 480
12.7.2. Влияние давления
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 483
12.8. Модели Фридмана с космологической постоянной . . . 485
12.9. Горячая Вселенная
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 491
12.10.Первичный нуклеосинтез («первые три минуты») . . . 495
12.11.Реликтовое излучение и эпоха рекомбинации . . . . . . 497
12.12.Эффект Сюняева–Зельдовича . . . . . . . . . . . . . . . 499
12.13.Флуктуации реликтового излучения . . . . . . . . . . . 503
12.14.Трудности классической космологии . . . . . . . . . . . 505
12.14.1.Проблема горизонта (проблема причинности) . 505
12.15.Модель инфляционной Вселенной . . . . . . . . . . . . 507
12.16.Рост малых возмущений
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 510
12.16.1.Поляризация реликтового излучения . . . . . . . 511
12.17.Образование крупномасштабной структуры Вселенной513
12.18.Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515
Приложение A. Гравитация
518
A.1. Гравитационная энергия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 518
A.2. Время свободного падения . . . . . . . . . . . . . . . . . . 520
A.3. Теорема вириала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 521
A.4. Квадрупольная формула для гравитационного
излучения от двойной звезды . . . . . . . . . . . . . . . . 523
A.5. Вывод формулы для эпициклической частоты . . . . . . 526
Приложение B. Взаимодействие излучения и вещества
528
B.1. Элементарные процессы, ответственные за излучение
и поглощение света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 530
B.1.1. Свободно–свободные переходы
(электрон в поле протона) . . . . . . . . . . . . . . 530

15

522

532

522
524
525

527
530

534

534

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

B.1.2. Свободно–связанные переходы . . . . . . . . . . 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. Ионизационное равновесие . . . . . . . . . . . . . . . . . 534
B.3.1. Локальное
термодинамическое
равновесие.
Формула Саха.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 534
B.3.2. Корональное приближение . . . . . . . . . . . . . 538
B.3.3. Фотоионизационное равновесие . . . . . . . . . . 541
Приложение C. Вопросы переноса
544
C.1. Влияние рассеяния на перенос излучения
. . . . . . . . 544
C.1.1. Случай чистого рассеяния
. . . . . . . . . . . . . 544
C.1.2. Связь числа рассеяний с оптической толщей . . 545
C.1.3. Случай рассеяния и поглощения . . . . . . . . . . 547
C.2. Диффузионное приближение и росселандово среднее . 549
Приложение D. Метрика однородного изотропного
пространства
551
Приложение E. Системы единиц и безразмерные числа
553
E.1. Физические константы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553
E.2. Безразмерные числа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554
Приложение F. Звездные величины
556
Приложение G. Солнечное обилие химических элементов
561
Литература
565
Предметный указатель
567

534
534
535
535
536
538

538
542
545
548

557

565

571

555

560

569

548
548
549
551
553

557
558

Глава 1

ВВЕДЕНИЕ

В необычных астрофизических явлениях законы
физики предстают перед исследователями в ином
ракурсе, более глубоко раскрывая свое содержание.
С. Б. Пикельнер

Астрофизика — наука, занимающаяся исследованием далеких
космических объектов и явлений физическими методами. Астрофизика нацелена на создание физической картины окружающего мира,
объясняющей наблюдаемые явления, на изучение происхождения и
эволюции как отдельных классов астрономических объектов, так и
Вселенной как единого целого в рамках известных физических законов.
Поскольку прямые контакты научных приборов с изучаемыми
объектами практически исключены, основу астрофизики, как и астрономии в целом, составляют наблюдения, то есть прием (детектирование) и анализ излучения далеких источников. Непосредственные результаты наблюдений, как правило, сводятся к относительным или абсолютным измерениям энергии, приходящей от источника или его отдельных частей, в определенных интервалах спектра.
Интерпретация результатов наблюдений базируется на знании механизмов излучения электромагнитных волн и их взаимодействия с
веществом.
Исторически астрофизика выделилась в самостоятельное научное направление с появлением в конце XIX века спектрального ана
17

лиза, который открыл возможность дистанционного исследования
химического состава и физического состояния не только лабораторных, но и астрономических источников света. Наблюдения спектров
звезд окончательно доказали, что астрономические тела состоят из
атомов известных на Земле элементов, подчиняющихся тем же физическим законам. Химическое «единство» природы особенно наглядно было подтверждено открытием гелия — сначала (по спектру) в атмосфере Солнца, а только затем — в некоторых минералах
на Земле.
Современные методы исследования позволяют по спектральным
особенностям излучения не только узнать состав, температуру и
плотность среды, но и измерить лучевые скорости источников и скорости внутренних движений в них, оценить расстояние до них, и на
базе физических теорий выяснить механизм излучения, определить
индукцию магнитных полей и многие другие характеристики.
Бурное развитие астрофизики за более чем столетний период ее
существования было связано как с быстрым развитием различных
направлений классической, квантовой и релятивистской физики —
с одной стороны, так и со строительством крупных телескопов, появлением принципиально новых приемников излучения и компьютерных методов обработки наблюдений — с другой. Очень важный,
революционный скачок в астрофизических исследованиях произошел с началом изучения объектов за пределами оптического диапазона спектра, сначала в радио (конец 30-х годов XX века), а затем, уже с помощью космической техники (60–80-е годы XX века),
в далеком инфракрасном, далеком УФ, рентгеновском и гамма-диапазонах. «Многокрасочность» Вселенной привела к более глубокому пониманию природы давно известных космических тел, а также
открытию новых типов астрономических объектов; природа некоторых из них до сих пор остается малопонятной. Позднее началось развитие и нейтринной астрономии, основанной на регистрации и анализе нейтринного излучения из космоса. C 2015 года началась гравитационно-волновая астрономия.

лиза, который открыл возможность дистанционного исследования
химического состава и физического состояния не только лабораторных, но и астрономических источников света. Наблюдения спектров
звезд окончательно доказали, что астрономические тела состоят из
атомов известных на Земле элементов, подчиняющихся тем же физическим законам. Химическое «единство» природы особенно наглядно было подтверждено открытием гелия — сначала (по спектру) в атмосфере Солнца, а только затем — в некоторых минералах
на Земле.
Современные методы исследования позволяют по спектральным
особенностям излучения не только узнать состав, температуру и
плотность среды, но и измерить лучевые скорости источников и скорости внутренних движений в них, оценить расстояние до них, и на
базе физических теорий выяснить механизм излучения, определить
индукцию магнитных полей и многие другие характеристики.
Бурное развитие астрофизики за более чем столетний период ее
существования было связано как с быстрым развитием различных
направлений классической, квантовой и релятивистской физики —
с одной стороны, так и со строительством крупных телескопов, появлением принципиально новых приемников излучения и компьютерных методов обработки наблюдений — с другой. Очень важный,
революционный скачок в астрофизических исследованиях произошел с началом изучения объектов за пределами оптического диапазона спектра, сначала в радио (конец 30-х годов XX века), а затем, уже с помощью космической техники (60–80-е годы XX века),
в далеком инфракрасном, далеком УФ, рентгеновском и гамма-диапазонах. «Многокрасочность» Вселенной привела к более глубокому пониманию природы давно известных космических тел, а также
открытию новых типов астрономических объектов; природа некоторых из них до сих пор остается малопонятной. Позднее началось развитие и нейтринной астрономии, основанной на регистрации и анализе нейтринного излучения из космоса. На очереди стоит астрономия гравитационных волн.
Важной особенностью астрофизики является то, что она иссле
дует процессы, как правило, не воспроизводимые в лабораториях.
К примеру, термоядерные реакции в плазме, удерживаемой от расширения собственным гравитационным полем, — это не экзотический, а самый распространенный источник энергии наблюдаемых
звезд. Только в астрофизике исследуются среды с экстремально низ
18
Глава 1. Введение