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天体物理
徐仁新
物理学院

课程简介

作为最古老自然科学之一的天文学在人类文明发展进程中具有不可替代的作用,而天体物理学是其发展至今的主流、 也是该领域内最具活力的部分。学术界流行的不少术语,诸如暗物质与暗能量、引力波、黑洞、中子星等,都与“天体 物理”分不开。若干天体过程所表现出来的、地面实验室无法媲美的 极端环境,为人类认识基本物理规律提供了绝佳的 机会。越来越多的先进空间探测器以及电磁以外(宇宙线、中微子甚至引力波等)观测手段的实施,势将迎来二十一世纪天体物理学的黄金时代。为适应这一历史潮流,国际一流大学一直将“天体物理”课程作为天文类本科生的核心必修课, 并重视在物理类学生中普及天体物理知识。本课程作为主干基础课一直在北京大学开设,旨在向天文、物理类本科生系 统性地介绍天体物理学科,培养他们基本的天体物理素质,是进一步学习其他相关课程的基础。
课程的教学目的是利用经典(包括广义相对论)和量子物理学的基本原理,在定性和半定量的层次上理解若干天文 现象、了解和认识人类所处的宇宙环境。值得一提的是,若干天体过程的背后活生生地展现了基本物理规律;因此本课 程的学习有助于学生深化所学物理概念、培养活学活用之能。然而,由于天体现象的多样性和复杂性,如何有效并透彻 地分析天体现象及其相关物理过程,使学生为进一步学习专业课和进入前沿的科学研究打下扎实的基础,是目前天体物 理教学所面对的一个重要课题。我们拟尝试本科生“小班课教学”的方式推动该课程的教学改革。

课程大纲

第一讲、准备知识:辐射过程与天体等离子体
大班授课内容:
信息载体与大气辐射窗口
热辐射:黑体辐射
非热辐射:回旋辐射、同步辐射、Landau 能级与曲
率辐射、Compton 散射与逆Compton 散射、轫致
辐射、Cherenkov 辐射
等离子体与天体磁场的普遍性
等离子体中的电磁作用
磁流体力学
天体磁场与宇宙线
小班研讨内容:
1、研讨主题及相关问题
热辐射与恒星在颜色- 星等图表上的分布
电磁辐射在等离子体介质中的传播
逆Compton 散射与Sunyaev–Zel'dovich 效应
Fermi 加速机制和宇宙射线的起源
2、阅读文献
Theoretical Astrophyiscs, Volume I: Astrophysical Processes,T. Padmanabhan, Cambridge University Press Thornton, D., Stappers, B., Bailes, M., et al., A Population of Fast Radio Bursts at Cosmological Distances, 2013, Science, 341, 53
Birkinshaw, M, THE SUNYAEV-ZEL'DOVICH EFFECT, 1999, Physics Reports, 310, 97.
Ackermann et al., A Cocoon of Freshly Accelerated Cosmic Rays Detected by Fermi in the Cygnus Superbubble, 2011, Science, 334, 1103
3、作业布置
A,归纳天文观测的波段,利用热辐射原理估算主序 星和白矮星在颜色- 星等图上的斜率
B,推导电磁波在等离子体传播中的数个重要的 物理量(dispersion measure, 等离子体频率, gyrofrequency, 等)。利用这些知识,完成相关的
新天体发现(如:FRB, 快速射电爆发)的报告。
C,阐述Sunyaev–Zel'dovich 效应原理以及在天体物理中的重要性。利用该效应估算一些星系团的性质。
D,阅读文献,讨论最近发现的有关宇宙射线起源问题的证据。
4、其他

第二讲、恒星结构与演化
大班授课内容:
恒星及其演化概貌
Jeans 不稳定与恒星形成
恒星“标准模型”与核燃烧条件
核合成过程
主序星及主序后演化,超新星
恒星平衡位形与质量测定
小班研讨内容:
1、研讨主题及相关问题
元素核合成理论和银河系化学演化
极端贫金属恒星和第一代恒星
疏散星团和球状星团
银河系星族
2、阅读文献
Galactic Astronomy, Binney, J., & Merrifield, M., Princeton University Press, 1998
Wallerstein, G., Iben, I., Paker, P., et al., “Synthesis of the elements in stars: forty years of progress”, 1997, RvMP, 69, 995
Beers, T., & Christlieb, N., “The Discovery and Analysis of Very Metal-Poor Stars in the Galaxy”, 2005, ARA&A, 43, 531 Carraro, G., “The Milky Way thin disk structure
as revealed by stars and young open clusters, 2013, arXiv:1307.0569”
3、作业布置
A, 调研总结银河系第一代恒星搜寻和理论研究现状。
B, 阅读文献, 了解银河系厚盘形成模型, 讨论
LAMOST 巡天在该领域的应用前景。
C, 讨论恒星和星团年龄的确定方法。
4、其他

第三讲、致密天体与高能现象
大班授课内容:
白矮星、中子星、黑洞
吸积过程
宇宙伽码射线暴
小班研讨内容:
1、研讨主题及相关问题
致密天体的量纲分析
双星系统中Roche 瓣与致密星质量的限定
黑洞的量子效应估算
引力波及其探测
2、阅读文献
E,Sathyaprakash, B. S., Schutz, Bernard F., "Physics, Astrophysics and Cosmology
with Gravitational Waves", Living Reviews in Relativity, vol. 12, no. 2 (2009) F,Hobbs, G. "The Parkes Pulsar Timing Array", Classical and Quantum Gravity, Volume
30, Issue 22, article id. 224007 (2013)
G,Weber, F. "Strange quark matter and compact
stars", Progress in Particle and Nuclear Physics, Volume
54, Issue 1, p. 193-288 (2005)
H,Meszaros, P.; Rees, M. J., "Gamma-Ray Bursts",
to be published in "General Relativity and Gravitation: A
Centennial Perspective" (arXiv:1401.3012)
3、作业布置
A,极端相对论Fermi 气组成系统的状态方程。
B,白矮星和中子星质量半径关系的计算。
C,脉冲星特征年龄计算。
4、其他

第四讲、星系与宇宙
大班授课内容:
星系世界与引力透镜
星系中心的黑洞
宇宙膨胀动力学
极早期宇宙真空相变与暴胀
辐射与物质间的脱耦
宇宙早期核合成
暗物质与暗能量
小班研讨内容:
1、研讨主题及相关问题
星系巡天简介
微引力透镜和宇宙学
大质量黑洞和寄主星系的共同演化
宇宙再电离
最早期星系和大质量黑洞的诞生和演化
暗物质和暗能量的发现及观测证据
2、阅读文献
A. Coevolution (Or Not) of Supermassive Black Holes and Host Galaxies, J. ormendy and L.C. Ho, 2013, ARAA, 51
B. Observational Evidence from Supernovae for an Accelerating Universe and a Cosmological Constant, A. Riess, et al., 1998, AJ, 1998, 116, 1009
C. The First Galaxies, V. Bromm and N. Yoshida, 2011, ARAA, 49, 373
D. Observational Constraints on Cosmic Reionization, X. Fan, et al. 2006, ARAA, 44, 415
3、作业布置
A,简述当前和未来10 年大规模星系巡天计划和它们各自的 优缺点。
B,解释星系中M - sigma 关系形成的原因及对它对星系形 成的重要意义。
C,概况怎样从对星系和类星体的观测上来探索宇宙再电离。
D,阅读文献以了解极早期星系和大质量黑洞的观测手段。
4、其他
这些主题都是当前及未来相当长一段时间内天体物理中非常前沿和热门的课题。学生如果将来继续做天体物理方面的研究,这些都是非常值得考虑的方向。
成绩评定
1)小班讨论占30%;平时作业占10%;期末闭卷考试占 60%;
2)小班讨论成绩包括主讲发言,讨论发言和答疑交流和书面 报告,建议按主持发言10%,讨论发言10%, 书面报告10%
3)大班讨论会表现优异者,适当提高平时成绩得分。
答疑安排
除大课的每周正常答疑之外,小班每周额外安排一个2 学时的答疑。3 位讨论课老师均参与答疑,一方面在约定的地方等待,一方面根据对学生的了解情况,约定某位或几位同学来讨论。
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