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