Структура і еволюція Всесвіту (Фізика та астрономія)

Тип: На вибір студента

Кафедра: астрофізики

Навчальний план

СеместрКредитиЗвітність
105Залік

Лекції

СеместрК-сть годинЛекторГрупа(и)
1032професор Новосядлий Б. С.ФзФм-51м, ФзФм-52м

Лабораторні

СеместрК-сть годинГрупаВикладач(і)
1016ФзФм-51мКошмак І. О.
ФзФм-52мКошмак І. О.

Опис навчальної дисципліни

Курс “Структура і еволюція Всесвіту” є одним із базових у підготовці студентів-магістрів з фізики. Він дає студенту змогу здобути основи знань наукової картини світу, в якому ми живемо, оволодіти сучасними уявленнями про фундаментальні властивості Всесвіту як цілого, його еволюцію, будову та формування галактик і великомасштабної структури.
Космологія, як фізична наука, що базується на загальній теорії відносності, астрофізиці, фізиці елементарних частинок, полів та фундаментальних взаємодій, покликана пояснити усю сукупність спостережуваних даних про Всесвіт, описати його еволюцію від Великого Вибуху до сучасного стану, спрогнозувати можливі сценарії його подальшого розвитку. Курс важливий тим, що демонструє можливості сучасної фізики пояснити найбільш сокровенні питання світобудови, об’єднує знання усіх розділів фізики для інтерпретації різноманіття спостережуваних властивостей Всесвіту як цілого та його окремих частин — галактик, скупчень галактик та надскупчень. З огляду на це вивчення курсу є необхідним для студентів, які здобувають ступінь магістра з фізики, незалежно від того чи він працюватиме учителем в школі, викладачем в університеті, чи дослідником у науковій установі.
Лабораторні заняття дають змогу студенту набути практичних навичок у розв’язуванні задач космології, зрозуміти прояви фізичних законів в масштабах значно більших за ті, що доступні на Землі та у Сонячній системі.

Мета:
сформувати в майбутнього фізика цілісну наукову картину походження та еволюції Всесвіту як цілого, утворення галактик та великомасштабної структури, складу Всесвіту та природи прихованих компонент — темної матерії і темної енергії, синтезу ядер хімічних елементів та властивостей реліктового випромінювання; дати основи знань фізичних моделей раннього Всесвіту, моделей інфляційної стадії та ознайомити з сучасними гіпотезами початку розширення; розвинути у студентів навички теоретичного моделювання динаміки спостережуваного розширення Всесвіту, формування його структури на всіх масштабах, вміння пов’язувати спостережувані та вимірювані величини в космології із фізичними параметрами об’єктів, що знаходяться на космологічних відстанях в нестаціонарних моделях Всесвіту. Це передбачає виклад основ фізичної космології — спостережуваних фундаментальних властивостей Всесвіту, космологічних моделей, які описують властивості Всесвіту як цілого, теорії раннього Всесвіту, теорії реліктового випромінювання, теорії космологічного нуклеосинтезу, теорії гравітаційної нестійкості.

Завдання:
дати студентам основи знань сучасної фізичної космології, навчити самостійно виводити в рамках загальної теорії відносності рівняння, які описують еволюцію однорідного ізотропного Всесвіту, та аналізувати їх розв’язки; навчити студентів отримувати рівняння для еволюції збурень густини і швидкості речовини та метрики простору-часу, застосовувати отримані розв’язки до проблеми формування великомасштабної структури Всесвіту та її елементів — галактик та скупчень галактик.

В результаті вивчення даного курсу студент повинен

Знати:
1. спостережувані властивості Всесвіту як цілого та його структуру;
2. основні етапи становлення фізичної космології;
3. космологічний принцип;
4. рівняння класичної гідродинаміки для однорідного ізотропного простору;
5. обмеженість класичної механіки в описі Всесвіту як цілого;
6. рівняння загальної теорії відносності;
7. метрику Фрідмана-Робертсона-Уокера;
8. властивості 3-просторів додатньої та від’ємної кривини;
9. рівняння Фрідмана для однорідного ізотропного простору;
10. властивості реліктового випромінювання;
11. властивості прихованих компонент Всесвіту та спостережувані підстави їх існування;
12. основні етапи еволюції Всесвіту від Великого Вибуху до формування галактик;
13. необхідні умови існування короткочасної інфляційної стадії в ранню епоху;
14. космологічні моделі в контексті історії становлення сучасної космології;
15. теорію Джинса гравітаційної нестійкості однорідного стаціонарного середовища;
16. теорію Ліфшиця гравітаційної нестійкості нестаціонарного Всесвіту;
17. сценарії формування галактик та великомасштабної структури Всесвіту;
18. фізичну природу ефектів, що зумовлюють анізотропію реліктового випромінювання;
19. ключові експерименти та спостережувані дані сучасної космології;
20. етапи еволюції Всесвіту.

Вміти:
1. розраховувати символи Крістофеля в 4-просторі з однорідним ізотропним 3-простором довільної кривини;
2. розраховувати компоненти тензора Річчі для 4-простору з метрикою Фрідмана-Робертсона-Уокера;
3. розраховувати компоненти тензора енергії-імпульсу ідеальної рідини з довільним рівняння стану;
4. виводити рівняння Айнштайна-Фрідмана для однорідного ізотропного Всесвіту;
5. розв’язувати рівняння Айнштайна-Фрідмана для Всесвіту, заповненого пилоподібною речовиною;
6. розв’язувати рівняння Айнштайна-Фрідмана для Всесвіту, заповненого речовиною з ультрарелятивістським рівнянням стану;
7. розв’язувати рівняння Айнштайна-Фрідмана для Всесвіту, заповненого темною матерією та темною енергією;
8. застосовувати отримані розв’язки до аналізу еволюції Всесвіту як цілого;
9. записувати і аналізувати рівняння космологічної рекомбінації;
10. записувати і аналізувати основні реакції космологічного нуклеосинтезу;
11. виводити рівняння для збурень метрики простору-часу, густини та швидкості речовини в лінійному наближенні;
12. розв’язувати рівняння для збурень метрики простору-часу, густини та швидкості речовини різних масштабів в лінійному наближенні у випадку пилоподібного середовища;
13. розв’язувати рівняння для збурень метрики простору-часу, густини та швидкості речовини різних масштабів в лінійному наближенні у випадку середовища з ультрарелятивістським рівнянням стану;
14. застосовувати отримані розв’язки до аналізу формування великомасштабної структури Всесвіту та її елементів — галактик, скупчень галактик, порожнин у їх просторовому розподілі тощо;
15. вербально описувати еволюцію Всесвіту від планківської епохи до сучасного стану.

Рекомендована література

Базова:
1.Зельдoвич Я.Б.,Нoвиков И.Д. Стрoение и эвoлюция Вселеннoй. 1975.
2.Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория поля. М.: Наука, 1976.
3.Ф.Дж.Э.Пиблс. Структура Вселеннoй в бoльших масштабах. 1983, М., Наука.
4.В.Г. Горбацкий. Введение в физику галактик и скоплений галактик. М.: Наука, 1986.
5.І.А. Климишин. Релятивістська астрономія. Київ: Наукова думка, 1980.
6.Л.Э. Гуревиич, А.Д. Чернин. Введение в космогонию. М.: Наука, 1978г.
7.Ю.В. Александров. Основи релятивістської космології. Харків: ХНУ, 2004р.
8.І. Б. Вавілова. Великомасштабнаструктура Всесвіту. Київ: КНУ, 1998р.
9.P.J.E. Peebles. Principles of Physical Cosmology. Princeton University Press, 1993.
10.В.І. Жданов. Вступ до релятивістської теорії тяжіння. Київ, 1996.
11.П.Д. Насельский, Д.И. Новиков, И.Д. Новиков. Реликтовое излучение Вселенной. М.: Наука, 2003.

Інформаційні ресурси:
Wikipedia. http://www.wikipedia.org

Матеріали

1. Вакарчук І.О. “Лекції з загальної теорії відносності”, Вид.-во Львівського університету, (1990), 91 с.
2. Новосядлий Б.С. “Основи і становлення сучасної космології”, Педагогічна думка, №2, стор. 3-12 (2004).
3. Новосядлий Б.С. “Формування великомасштабної структури Всесвіту”, Журнал фізичних досліджень, №2, т.11, стор. 226-257 (2007).
4. Новосядлий Б.С. “Реліктове електромагнітне випромінювання: від гіпотези Гамова до космічного телескопа Планк”, Світогляд, №21, стор. 10-23 (2016).

Навчальна програма

Завантажити навчальну програму