Astrofizyka i kosmologia

obowiązkowe

Analiza matematyczna I 0900-FS1-1AM1
Analiza matematyczna II 0900-FS1-1AM2
Astronomia 0900-FS1-3AST

Przed rozpoczęciem zajęć student powinien posiadać wiedzę z zakresu astronomii (znać podstawowe pojęcia i zjawiska astronomiczne). Student także powinien potrafić przekształcać wzory matematyczne, różniczkować i całkować.

w sali

Wykład oraz konwersatorium mają na celu zaznajomić studentów z wybranymi zagadnieniami współczesnej astrofizyki oraz kosmologii. Zajęcia są prowadzone przy tablicy oraz są ilustrowane materiałami multimedialnymi (rysunki, wykresy, fotografie).

Profil studiów: ogólnoakademicki

Forma studiów: stacjonarne

Rodzaj przedmiotu: obowiązkowy (Moduł 3: Fizyka Teoretyczna)

Dziedzina i dyscyplina nauki: Dziedzina nauk ścisłych i przyrodnicznych, Dyscyplina: Nauki fizyczne, Astronomia

Rok studiów/semestr: 2 rok/3 semestr, spec. Fizyka teoretyczna II stopnia

Wymagania wstępne:Przed rozpoczęciem zajęć student powinien posiadać wiedzę z zakresu astronomii (znać podstawowe pojęcia i zjawiska astronomiczne). Student także powinien potrafić przekształcać wzory matematyczne, różniczkować i całkować.

Liczba godzin zajęć dydaktycznych: Wykład 30 godz, konwersatorium 30 godz.

Metody dydaktyczne: wykład, rozwiązywanie zadań, dyskusja, konsultacje, praca własna studenta w domu

Punkty ECTS: 6

Bilans nakładu pracy studenta: udział w wykładach (30 godz.), udział w konwersatorium (30 godz.), udział w konsultacjach (15 godz.), praca własna (rozwiązywanie zadań, problemów) w domu (30 godz.), przygotowanie do egzaminu pisemnego i ustnego (45 godz.).

Wskaźniki ilościowe: nakład pracy studenta związany z zajęciami wymagającym bezpośredniego udziału nauczyciela - 75 godz., 3,6 ECTS; nakład pracy studenta związany z zajęciami o charakterze praktycznym - 0 ECTS.

Tematy podejmowane na Wykładzie:

I. Budowa wnętrza gwiazdy, ewolucja gwiazd:

1. Twierdzenie o wiriale. Dlaczego gwiazda ma ujemne ciepło właściwe? Skale czasowe Kelvina-Helmholtza, dynamiczna, nuklearna.

2. Warunek równowagi hydrostatycznej gwiazdy.

3. Reakcje jądrowe we wnętrzach gwiazd: bariera kulombowska, cykle p-p oraz CNO, reakcja 3 alpha

4. Transport energii w gwieździe: konwekcja, transport promienisty.

5. Powstawanie gwiazd: Masa Jeansa.

6. Póżne etapy ewolucji gwiazd: stadium czerwonego olbrzyma, mgławice planetarne, supernowe.

7. Podwójne układy półrozdzielone: punkty Lagrange'a, akrecja, jasność Eddingtona, paradoks Algola.

II) Astrofizyka relatywistyczna

1. Zakaz Pueliego, Równanie stanu materii zdegenerowanej.

2. Białe karły: podstawowe parametry, masa Chandrasekhara.

3. Gwiazdy neutronowe i pulsary: podstawowe parametry, budowa wewnętrzna, model latarni morskiej.

4. Czarne dziury: horyzont zdarzeń, efekty wokół czarnej dziury, promieniowanie Hawkinga.

5. Fale grawitacyjne: czym są i jakie mają własności? Detektory fal grawitacyjnych. Podwójny pulsar Hulse'a i Taylora, źródło GW150914, GW170817.

III) Kosmologia

1. Metryka Friedmana-Lemaître’a-Robertsona-Walkera, Model kosmologiczny Friedmana-Lemaître’a,

2. Teoria Wielkiego Wybuchu.

3. Ciemna materia i ciemna energia

Tematy podejmowane na Konwersatorium:

I. Budowa wnętrza gwiazdy, ewolucja gwiazd

1. Zadania dotyczące szacowania wydajności różnych źródeł energii w gwieździe: chemicznych, grawitacyjnych i jądrowych. Oszacowanie skal czasowych: Kelvina-Helmholtza, dynamicznej, nuklearnej. Wykorzystanie twierdzenia o wiriale, oszacowanie energii potencjalnej gwiazdy;

2. Wyprowadzenie warunku równowagi hydrostatycznej gwiazdy;

3. Zadania dotyczące reakcji jądrowych we wnętrzach gwiazd: bariera kulombowska, cykle p-p oraz CNO, reakcja 3 alpha;

4. Zadania ilustrujące transport energii w gwieździe (w drodze konwekcji i transport promienisty);

5. Oszacowanie masy Jeansa dla typowego obłoku molekularnego;

II) Astrofizyka relatywistyczna

1. Oszacowanie podstawowych parametrów białego karła i masy Chandrasekhara;

2. Zadania dotyczące szacowania podstawowych parametrów gwiazd neutronowych i pulsarów;

3. Zadania ilustrujące własności czarnych dziur;

4. Obliczanie, za pomocą formuły kwadrupolowej, mocy promieniowania grawitacyjnego najprostszych źródeł;

III) Kosmologia

1. Zadania związane z modelami Friedmana-Lemaitre'a.

Literatura zalecana:

1. J. M. Kreiner, Astronomia z astrofizyką, wyd.2, PWN, Warszawa, 1992.

2. L. A. Anchordoqui, Lectures os Astronomy, Astrophysics and Cosmology, 2016 ( http://arxiv.org/pdf/0706.1988v3.pdf ).

3. F. H. Shu, Galaktyki, gwiazdy, życie. Fizyka Wszechświata, Prószyński i S-ka, Warszawa 2003.

4. M. Kubiak, Gwiazdy i materia międzygwiazdowa, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1994.

Literatura dodatkowa:

1. M. Demiański, Astrofizyka relatywistyczna, wyd. 2 zmienione i rozszerzone, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1991.

2. M. S. Longair, High energy astrophysics, Cambridge University Press, Cambridge 2011.

3. M. S. Longair, Galaxy formation, Springer-Verlag, Berlin 1998.

4. M. Jaroszyński, Galaktyki i budowa wszechświata, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1993.

5. Wielka Encyklopedia PWN, tomy 1-30, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2001-2005.

6. Zasoby Internetu: strony ESO, NASA, CTA, portale astronomiczne.

Student:

1. rozumie rolę teorii fizycznej i abstrakcyjnego opisu obiektów fizycznych oraz zjawisk fizycznych w zakresie wybranych zagadnień fizyki współczesnej i jej zastosowań (K_W02);

2. ma poszerzoną wiedzę z zakresu wybranych działów fizyki teoretycznej (w tym astrofizyki i kosmologii), zna i rozumie podstawowe koncepcje teoretyczne oraz modele matematyczne wybranych układów i zjawisk (K_W09);

3. ma wiedzę o kierunkach badań, problemach fizyki współczesnej i najnowszych odkryciach z zakresu fizyki (K_W10);

4. umie ze zrozumieniem stosować metody fizyki teoretycznej do ilościowej i jakościowej analizy wybranych układów i zjawisk fizycznych w zakresie przewidzianym programem specjalności (K_U09);

5. umie stosować poznane narzędzia matematyki do formułowania

i rozwiązywania wybranych problemów z fizyki i jej zastosowań praktycznych (K_U13);

6. umie ze zrozumieniem i krytycznie korzystać z fachowej literatury i zasobów Internetu - w tym źródeł w języku angielskim w odniesieniu do studiowanych problemów fizyki (K_U10);

7. rozumie potrzebę stałego pogłębiania swojej wiedzy oraz potrzebę przekazywania społeczeństwu rzetelnej, opartej na dowodach, wiedzy z zakresu fizyki i jej zastosowań (K_K02).

Po zakończeniu kształcenia odbywa się zaleczenie konwersatorium w formie testu z pytaniami zamkniętymi (rozwiązywanie zadań). Egzamin jest egzaminem pisemnym w formie testu z pytaniami zamkniętymi i otwartymi (opis zagadnień). Pozytywna ocena testów jest powyżej 40%.

Nie wymagane.