КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
"УТВЕРЖДАЮ"
Проректор по учебной работе
_ В.С.Бухмин
ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
ОБЩАЯ АСТРОФИЗИКА 1: ПРАКТИЧЕСКАЯ АСТРОФИЗИКА
Цикл - СД.6
Специальность: 010900 - Астрономия Принята на заседании кафедры астрономии и космической геодезии (протокол № 1 от " 2 " сентября 2008 г.) Заведующий кафедрой (Н.А.Сахибуллин) Утверждена Учебно-методической.комиссией физического факультета КГУ (протокол № 4 от "21 " сентября 2009 г.) Председатель комиссии _(Д.А.Таюрский) Рабочая программа дисциплины “ ОБЩАЯ АСТРОФИЗИКА 1: ПРАКТИЧЕСКАЯ
АСТРОФИЗИКА ”
Предназначена для студентов 3 курса, по специальности: Астрономия - АВТОР: доцент Бикмаев И.Ф.КРАТКАЯ АННОТАЦИЯ: Цель курса – дать понятия основных характеристик оптических наземных телескопов и основных методов наблюдений с использованием современных приемников излучения. Показать различные астрофизические задачи, для которых применяются методы практической астрофизики.
1. Требования к уровню подготовки студента, завершившего изучение дисциплины “ ОБЩАЯ АСТРОФИЗИКА. ПРАКТИЧЕСКАЯ class='zagtext'>АСТРОФИЗИКА”
- понимать основные характеристики оптических систем телескопов и различные конструкции современных наземных телескопов.
- обладать теоретическими знаниями о принципах и методах получения прямых и спектральных изображений с использованием современного научного оборудования и приемников изображений, - понимать принципы учета различных эффектов, изменяющих поток излучения от объектов при прохождении его через земную атмосферу, оптику телескопа и приемник излучения.
2. Объем дисциплины и виды учебной работы (в часах).
Форма обучения - очная Количество семестров Форма контроля: 5 семестр - экзамен № Количество часов Виды учебных занятий п/п 5 семестр 6 семестр 1. Всего часов по дисциплине 2. Самостоятельная работа 3. Аудиторных занятий в том числе лекций семинарских (или лабораторно-практических) 3. Содержание дисциплины.
3.1. ТРЕБОВАНИЯ ГОСУДАРСТВЕННОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО
СТАНДАРТА К ОБЯЗАТЕЛЬНОМУ МИНИМУМУ СОДЕРЖАНИЯ
ПРОГРАММЫ
Наименование дисциплины и ее основные Всего Индекс часов разделы ПРАКТИЧЕСКАЯ АСТРОФИЗИКА. Методы СД.6 анализа излучения звезд: фотометрия и спектроскопия. Телескопы и приемники излучения для различных диапазонов спектра. Внеатмосферные наблюдения.
3.2. СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛОВ ДИСЦИПЛИНЫ
п/п физическая лаборатория с условиями эксперимента, заданными природой. Многообразие объектов Вселенной и их излучения. Измерение лучистой энергии во всех энергетических диапазонах - основная задача наблюдательной астрофизики. Основные энергетические диапазоны.Проблемы интерпретации результатов наблюдений.
Астрофизика практическая и теоретическая, связь с физикой и с другими разделами астрономии. Роль астрофизики в изучении фундаментальных законов природы.
Телескоп как основной инструмент астрофизических исследований: назначение, типы, основные характеристики.
Наземные оптические, космические, радиотелескопы.
Механические устройства, установки, фокальные системы телескопов. Примеры современных телескопов России и мира.
Аберрации оптических систем:
сферическая, кома, астигматизм, кривизна поля, хроматическая, понятие об идеальной системе. Исправление аберраций, типы объективов, рефлекторы, зеркально-линзовые системы. Основные характеристики телескопов: масштаб и увеличение, поле зрения, разрешающая способность, атмосферные помехи, просветление оптики, отражающие покрытия. Понятие о методах исследования оптических систем.
Два типа современных зеркал крупных телескопов мира составные и тонкие. Понятие об адаптивных системах исправление фронта волны и формы зеркала в ходе наблюдений.
Задачи астрофотометрии. Понятие о физической (лучистый поток, интенсивность, освещенность, яркость, светимость) и астрономической (блеск, звездная величина, светимость, абсолютная звездная величина) системах фотометрических величин, связь между ними. Общие свойства приемников излучения (общая чувствительность, спектральная чувствительность, квантовый выход, аддитивность, стабильность), понятие о фотометрической системе, примеры таких систем.
4 ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ В АСТРОНОМИИ 6
Глаз как исходная (историческая) фотометрическая система (особенности зрения, адаптация, эффект Пуркинье, кривая видимости). Понятие о визуальной фотометрии, глазомерные оценки блеска звезд.Роль фотографии в развитии астрономии и астрофизики.
Панорамность - основное преимущество фотографии.
Фотографическая эмульсия и ее фотометрические свойства.
Основы фотопроцесса. Характеристическая кривая, общая и спектральная чувствительность разных типов фотоэмульсий, отклонения от закона взаимозаместимости. Фотоэффект, его законы. Свойства фотокатодов, фотоэлементы, фотоэлектронные умножители, усилители, фотоэлектрические фотометры.
Точность, достоинства и недостатки фотоэлектрической фотометрии.
Современные многоканальные и быстродействующие электрофотометры. Современные панорамные приемники излучения. Электронно-оптические преобразователи, сканеры, ретиконы и др. - этапы развития приемников излучения. Приборы с зарядовой связью (ПЗС-матрицы) основа современных астрономических наблюдений. Принцип действия, формат изображения, связь с компьютером, цифровая регистрация астрономических наблюдений.
Понятие о современных методах обработки изображений.
Пропускание лучистой энергии земной атмосферой, окна прозрачности, поглощение и рассеяние. Элементарная теория экстинкции, практические способы ее учета.
6 КАТАЛОГИ ЗВЕЗДНЫХ ВЕЛИЧИН.
Визуальные и фотографические фотометрические каталоги прошлого. Современные фотометрические стандарты, каталоги фотоэлектрических звездных величин.Поляризованное излучение в астрофизике. Поляризаторы и анализаторы.
Принцип поляриметрических наблюдений. Поляриметры и методика наблюдений с ними.
Общая схема устройства спектрографа. Основные характеристики приземных спектрографов: угловая и линейная дисперсии, разрешающая сила и чистота спектра.
Основные характеристики дифракционных спектрографов, сравнение с призменными. Конструкции спектрографов подвесные и стационарные, термостатирование. Телескопы с предобъективными призмами - основа массовой классификации и определения лучевых скоростей.
Монохроматоры. Абсорбционные и интерференционные светофильтры.
Принцип скрещенной дисперсии. Эшелле-спектрометры в сочетании с ПЗС-матрицами - основа современной спектроскопии. Преимущества перед классическими спектрометрами высокого разрешения.
9 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЛУЧЕВЫХ СКОРОСТЕЙ. 2
Принцип Доплера. Измерение спектрограмм. Стандарты длин волн, спектр сравнения, дисперсионная кривая, спектрокомпаратор, приведение к центру Солнца.Фотоэлектрические методы определения лучевых скоростей.
Точность результатов современных измерений.
Задачи и значение. Распределение энергии в спектрах звезд и галактик, отклонение от чернотельного излучения. Сравнение наблюдений и теории.
Определение параметров атмосфер звезд. Фотоэлектрическая спектрофотометрия. Фотометрия спектральных линий.
СОДЕРЖАНИЕ ЛЕКЦИЙ, ПРАКТИЧЕСКИХ И САМОСТОЯТЕЛЬНЫХ ЗАНЯТИЙ
Лекции.Тема 1. Лекция 1.
Введение. Предмет астрофизики. Космос - гигантская физическая лаборатория с условиями эксперимента, заданными природой. Многообразие объектов Вселенной и их излучения. Измерение лучистой энергии во всех энергетических диапазонах основная задача наблюдательной астрофизики. Основные энергетические диапазоны.
Проблемы интерпретации результатов наблюдений. Астрофизика практическая и теоретическая, связь с физикой и с другими разделами астрономии. Роль астрофизики в изучении фундаментальных законов природы.
Тема 2. Лекция 2.
Телескоп как основной инструмент астрофизических исследований: назначение, типы, основные характеристики. Наземные оптические, космические, радиотелескопы.
Механические устройства, установки, фокальные системы телескопов. Примеры современных телескопов России и мира. Основные характеристики телескопов:
масштаб и увеличение, поле зрения, разрешающая способность, Тема 2. Лекция 3.
Аберрации оптических систем:
сферическая, кома, астигматизм, кривизна поля, хроматическая, понятие об идеальной системе. Исправление аберраций, типы объективов, рефлекторы, зеркально-линзовые системы.
Тема 2. Лекция 4.
Атмосферные помехи, просветление оптики, отражающие покрытия. Понятие о методах исследования оптических систем.
Два типа современных зеркал крупных телескопов мира - составные и тонкие. Понятие об адаптивных системах - исправление фронта волны и формы зеркала в ходе наблюдений.
Тема 3. Лекция 5.
Задачи астрофотометрии. Понятие о физической (лучистый поток, интенсивность, освещенность, яркость, светимость) и астрономической (блеск, звездная величина, светимость, абсолютная звездная величина) системах фотометрических величин, связь между ними.
Тема 3. Лекция 6.
Общие свойства приемников излучения (общая чувствительность, спектральная чувствительность, квантовый выход, аддитивность, стабильность), понятие о фотометрической системе, примеры таких систем.
Тема 4. Лекция 7.
Глаз как исходная (историческая) фотометрическая система (особенности зрения, адаптация, эффект Пуркинье, кривая видимости). Понятие о визуальной фотометрии, глазомерные оценки блеска звезд.
Роль фотографии в развитии астрономии и астрофизики. Панорамность - основное преимущество фотографии. Фотографическая эмульсия и ее фотометрические свойства.
Основы фотопроцесса. Характеристическая кривая, общая и спектральная чувствительность разных типов фотоэмульсий, отклонения от закона взаимозаместимости.
Тема 4. Лекция 8.
Фотоэффект, его законы. Свойства фотокатодов, фотоэлементы, фотоэлектронные умножители, усилители, фотоэлектрические фотометры.
Точность, достоинства и недостатки фотоэлектрической фотометрии.
Современные многоканальные и быстродействующие электрофотометры.
Тема 4. Лекция 9.
Современные панорамные приемники излучения. Электронно-оптические преобразователи, сканеры, ретиконы и др. - этапы развития приемников излучения. Приборы с зарядовой связью (ПЗС-матрицы) - основа современных астрономических наблюдений. Принцип действия, формат изображения, связь с компьютером, цифровая регистрация астрономических наблюдений.
Понятие о современных методах обработки изображений.
Тема 5. Лекция 10.
Пропускание лучистой энергии земной атмосферой, окна прозрачности, поглощение и рассеяние.
Тема 5. Лекция 11.
Элементарная теория экстинкции, практические способы ее учета.
Тема 6. Лекция 12.
Визуальные и фотографические фотометрические каталоги прошлого. Современные фотометрические стандарты, каталоги фотоэлектрических звездных величин.
Тема 7. Лекция 13.
Поляризованное излучение в астрофизике. Поляризаторы и анализаторы.
Принцип поляриметрических наблюдений. Поляриметры и методика наблюдений с ними.
Тема 8. Лекция 14.
Общая схема устройства спектрографа. Основные характеристики приземных спектрографов: угловая и линейная дисперсии, разрешающая сила и чистота спектра.
Основные характеристики дифракционных спектрографов, сравнение с призменными.
Тема 8. Лекция 15.
Конструкции спектрографов - подвесные и стационарные, термостатирование.
Телескопы с предобъективными призмами - основа массовой классификации и определения лучевых скоростей.
Монохроматоры. Абсорбционные и интерференционные светофильтры.
Тема 8. Лекция 16.
Принцип скрещенной дисперсии. Эшелле-спектрометры в сочетании с ПЗС-матрицами - основа современной спектроскопии. Преимущества перед классическими спектрометрами высокого разрешения.
Тема 9. Лекция 17.
Принцип Доплера. Измерение спектрограмм. Стандарты длин волн, спектр сравнения, дисперсионная кривая, спектрокомпаратор, приведение к центру Солнца.
Фотоэлектрические методы определения лучевых скоростей. Точность результатов современных измерений.
Тема 10. Лекция 18.
Распределение энергии в спектрах звезд и галактик, отклонение от чернотельного излучения. Сравнение наблюдений и теории.
Определение параметров атмосфер звезд. Фотоэлектрическая спектрофотометрия.
Фотометрия спектральных линий.
Практические занятия.
Тема 1. Практическое занятие 1.
Выражение длин волн излучения в различных единицах (Ангстремы, нм, микроны, мм, МГц, еВ) Тема 2. Практическое занятие 2.
Вычисления масштабов изображения и поля зрения телескопов при наблюдениях с ПЗС-матрицами Тема 2. Практическое занятие 3.
Вычисления величин аберраций оптических систем с использованием формул Тема 3. Практическое занятие 4.
Вычисления переходов между физическими и астрономическими системами фотометрических величин Тема 4. Практическое занятие 5.
Вычисление звездных величин по отсчетам ПЗС-матрицы, расчет масштаба изображений на пиксель ПЗС-матрицы Тема 5. Практическое занятие 6.
Вычисление воздушных масс, поправок за поглощение в атмосфере.
Тема 8. Практическое занятие 7.
Расчет линейной дисперсии и разрешающей силы при спектральных наблюдениях с использованием ПЗС-матрицы Тема 8. Практическое занятие 8.
Расчет параметров эффективности эшелле-спектрометра по сравнению с классическим спектрометром Тема 9. Практическое занятие 9.
Расчет лучевой скорости и гелиоцентрической поправки на момент наблюдения.
Самостоятельные занятия.
Самостоятельное занятие 1.
Многообразие объектов Вселенной и их излучения. Измерение лучистой энергии во всех энергетических диапазонах - основная задача наблюдательной астрофизики.
Основные энергетические диапазоны. Выражение длин волн излучения в различных единицах.
Самостоятельное занятие 2.
Телескоп как основной инструмент астрофизических исследований: назначение, типы, основные характеристики. Наземные оптические, космические, радиотелескопы.
Механические устройства, установки, фокальные системы телескопов. Основные характеристики телескопов: масштаб и увеличение, поле зрения, разрешающая способность. Вычисления масштабов изображения и поля зрения телескопов при наблюдениях с ПЗС-матрицами.
Самостоятельное занятие 3.
Аберрации оптических систем: сферическая, кома, астигматизм, кривизна поля, хроматическая, понятие об идеальной системе. Исправление аберраций, типы объективов, рефлекторы, зеркально-линзовые системы. Вычисления величин аберраций оптических систем с использованием формул Самостоятельное занятие 4.
Атмосферные помехи, просветление оптики, отражающие покрытия. Понятие о методах исследования оптических систем.
Два типа современных зеркал крупных телескопов мира - составные и тонкие. Понятие об адаптивных системах - исправление фронта волны и формы зеркала в ходе наблюдений.
Самостоятельное занятие 5.
Астрофотометрия. Понятие о физической (лучистый поток, интенсивность, освещенность, яркость, светимость) и астрономической (блеск, звездная величина, светимость, абсолютная звездная величина) системах фотометрических величин, связь между ними. Вычисления переходов между физическими и астрономическими системами фотометрических величин.
Самостоятельное занятие 6.
Общие свойства приемников излучения (общая чувствительность, спектральная чувствительность, квантовый выход, аддитивность, стабильность), понятие о фотометрической системе, примеры таких систем.
Самостоятельное занятие 7.
Глаз как исходная (историческая) фотометрическая система (особенности зрения, адаптация, эффект Пуркинье, кривая видимости). Понятие о визуальной фотометрии, глазомерные оценки блеска звезд.
Роль фотографии в развитии астрономии и астрофизики. Панорамность - основное преимущество фотографии. Фотографическая эмульсия и ее фотометрические свойства.
Основы фотопроцесса. Характеристическая кривая, общая и спектральная чувствительность разных типов фотоэмульсий, отклонения от закона взаимозаместимости.
Самостоятельное занятие 8.
Фотоэффект, его законы. Свойства фотокатодов, фотоэлементы, фотоэлектронные умножители, усилители, фотоэлектрические фотометры.
Точность, достоинства и недостатки фотоэлектрической фотометрии.
Современные многоканальные и быстродействующие электрофотометры.
Самостоятельное занятие 9.
Современные панорамные приемники излучения. Электронно-оптические преобразователи, сканеры, ретиконы и др. Приборы с зарядовой связью (ПЗС-матрицы) - основа современных астрономических наблюдений. Принцип действия, формат изображения, связь с компьютером, цифровая регистрация астрономических наблюдений. Вычисление звездных величин по отсчетам ПЗС-матрицы, расчет масштаба изображений на пиксель ПЗС-матрицы.
Самостоятельное занятие 10.
Пропускание лучистой энергии земной атмосферой, окна прозрачности, поглощение и рассеяние.
Самостоятельное занятие 11.
Элементарная теория экстинкции, практические способы ее учета. Вычисление воздушных масс, поправок за поглощение в атмосфере.
Самостоятельное занятие 12.
Визуальные и фотографические фотометрические каталоги прошлого. Современные фотометрические стандарты, каталоги фотоэлектрических звездных величин.
Самостоятельное занятие 13.
Поляризованное излучение в астрофизике. Поляризаторы и анализаторы.
Принцип поляриметрических наблюдений. Поляриметры и методика наблюдений с ними.
Самостоятельное занятие 14.
Общая схема устройства спектрографа. Основные характеристики приземных спектрографов: угловая и линейная дисперсии, разрешающая сила и чистота спектра.
Основные характеристики дифракционных спектрографов, сравнение с призменными.
Расчет линейной дисперсии и разрешающей силы при спектральных наблюдениях с использованием ПЗС-матрицы Самостоятельное занятие 15.
Конструкции спектрографов - подвесные и стационарные, термостатирование.
Телескопы с предобъективными призмами - основа массовой классификации и определения лучевых скоростей.
Монохроматоры. Абсорбционные и интерференционные светофильтры.
Самостоятельное занятие 16.
Принцип скрещенной дисперсии. Эшелле-спектрометры в сочетании с ПЗС-матрицами - основа современной спектроскопии. Преимущества перед классическими спектрометрами высокого разрешения. Расчет параметров эффективности эшеллеспектрометра по сравнению с классическим спектрометром.
Самостоятельное занятие 17.
Принцип Доплера. Измерение спектрограмм. Стандарты длин волн, спектр сравнения, дисперсионная кривая, спектрокомпаратор, приведение к центру Солнца.
Фотоэлектрические методы определения лучевых скоростей. Точность результатов современных измерений. Расчет лучевой скорости и гелиоцентрической поправки на момент наблюдения.
Самостоятельное занятие 18.
Распределение энергии в спектрах звезд и галактик, отклонение от чернотельного излучения. Сравнение наблюдений и теории.
Определение параметров атмосфер звезд. Фотоэлектрическая спектрофотометрия.
Фотометрия спектральных линий.
ОСНОВНАЯ ЛИТЕРАТУРА
1.Куимов К.В., Курт В.Г., Рудницкий Г.М., Сурдин В.Г., Теребиж В.Ю.“Небо и телескоп”, М. Физматлит, 2. Миронов А.В. Основы астрофотометрии. Практические основы фотометрии и спектрофотометрии звезд. – М.:ФИЗМАТЛИТ, 2008.
3. Мартынов Д.Я. учебник "Курс практической астрофизики", М., Наука, 4. Москаленко Е.И. учебное пособие "Методы внеатмосферной астрономии", 1984, М., Наука.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
5. Грей Д. монография "Наблюдения и анализ звездных фотосфер", 1980, М., Мир 6. Уокер Г. монография "Астрономические наблюдения", 1990, М., Мир.6. "Современные телескопы", под ред. Дж. Бербиджа и Хьюит, 1984, М., Мир.
7. "Детекторы слабого излучения в астрономии", М.Эклз, Э.Сим, К.Триттон, 1986, М., Мир.
8. Страницы INTERNET по Разделу "Астрономические Обсерватории".
ОБЩАЯ АСТРОФИЗИКА 1: ПРАКТИЧЕСКАЯ АСТРОФИЗИКА
ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЕ БИЛЕТЫ
1. Основные энергетические диапазоны в наблюдательной астрофизике.2. Принцип Доплера. Измерения лучевых скоростей и эквивалентных ширин линий.
3. Определить масштаб изображения (угловые сек / пиксель) для телескопа диаметром зеркала 3-м, светосилой F/7 и размером пикселя ПЗС-матрицы в 20 микрон.
1. Телескоп как основной инструмент астрофизических исследований: назначение, типы, основные характеристики.
2. Принцип скрещенной дисперсии. Эшелле-спектрометры в сочетании с ПЗСматрицами - основа современной спектроскопии. Преимущества перед классическими спектрометрами высокого разрешения.
3. Определить обратную линейную дисперсию в Ангстремах на миллиметр, если спектральное разрешение (соответствующее 2 пикселям) составляет R = 40000 на длине волны 4000 Ангстрем, а размер пикселя ПЗС матрицы равен 20 мкм.
«