ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΑΣΤΡΟΦΥΣΙΚΗ Μέρος Ι (Σημειώσεις από Πανεπιστημιακές παραδόσεις) Κ. Ε. ΑΛΥΣΣΑΝΔΡΑΚΗΣ Τομέας Αστρογεωφυσικής Τμήμα Φυσικής Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων Ιωάννινα, 2010
Περιεχόμενα 1 Βασικές έννοιες, πεδίο ακτινοβολίας, αστρικά μεγέθη και αποστάσεις 1 1.1 Εισαγωγή...... 1 1.2 Χαρακτηριστικάμεγέθηπεδίουακτινοβολίας......... 1 1.2.1 Ηειδικήέντασητηςακτινοβολίας........... 2 1.2.2 Μέσηένταση,ροήκαιπίεσητηςακτινοβολίας.... 4 1.3 Αστρικάμεγέθηκαιαποστάσεις..... 7 1.3.1 Τοφαινόμενομέγεθοςκαιηκλίμακατωνμεγεθών.......... 7 1.3.2 Φωτομετρικάσυστήματακαιδείκτεςχρώματος.... 8 1.3.3 Παραλλάξειςκαιαποστάσεις............. 10 1.3.4 Απόλυτομέγεθοςκαιαπόλυτηλαμπρότητα...... 12 1.4 Μεταφοράτηςακτινοβολίας....... 12 1.4.1 Συντελεστέςεκπομπήςκαιαπορρόφησης....... 12 1.4.2 Εξίσωσημεταφοράςτηςακτινοβολίας......... 14 1.4.3 Παραδείγματακαιεφαρμογές............. 16 1.4.4 Τοπική Θερμοδυναμική Ισορροπία και η συνάρτηση του Plank. Ενεργός θερμοκρασία, θερμοκρασία χρώματος και θερμοκρασία λαμπρότητας... 18 1.4.5 Ακτινοβολιακήκαιυδροστατικήισορροπία...... 22 2 Μηχανισμοί εκπομπής- απορρόφησης. Σχηματισμός φασμάτων 25 2.1 Εισαγωγή...... 25 2.2 Διαδικασίεςεκπομπής-απορρόφησης............ 25 2.2.1 Οικατανομές Boltzmann, Sahaκαι Maxwell-Boltzmann....... 26 2.2.1.1 Κατανομή των ηλεκτρονίων στις ενεργειακές στάθμες... 26 2.2.1.2 Τοάτομοτουυδρογόνου.......... 27 2.2.1.3 Ισορροπίαιονισμού............. 30 2.2.1.4 Κατανομήταχυτήτων............ 31 2.2.2 Δέσμιες-ελεύθερεςατομικέςμεταπτώσεις(bound-free)....... 32 2.2.3 Ελεύθερες-ελεύθερεςατομικέςμεταπτώσεις(free-free)........ 34 2.2.3.1 ΑπορρόφησηαπόΗ............ 35 2.2.4 Ατμοσφαιρικάμοντέλατουσυνεχούς......... 35 2.2.5 Δέσμιες-δέσμιεςμεταπτώσεις(bound-bound)... 35 2.2.5.1 Πιθανότητεςμετάπτωσης.......... 35 2.2.5.2 Συντελεστήςαπορρόφησης......... 36 1
2.2.5.3 Παράγοντεςδιεύρυνσηςγραμμών...... 37 2.2.5.3.1 Διεύρυνση Doppler(θερμική)........... 38 2.2.5.3.2 Διεύρυνσηαπόσυγκρούσεις... 40 2.2.5.3.3 Διεύρυνση Zeeman........ 40 2.2.5.3.4 Διεύρυνση Stark......... 40 2.2.6 Γυρομαγνητικήακτινοβολία... 40 2.2.7 Ακτινοβολίααπόκύματαπλάσματος......... 41 2.3 Φασματικέςγραμμές........... 42 2.3.1 Παρατηρήσιμεςποσότητες.... 42 2.3.2 Εξίσωσημεταφοράς....... 43 2.3.3 Υπολογισμός προφίλ γραμμής στην καθαρά θερμική περίπτωση.... 44 2.3.4 Καμπύληαύξησης........ 45 2.3.5 Επίδρασητηςσκέδασης..... 47 2.3.6 Παραδείγματαπροφίλφασματικώνγραμμών..... 47 3 Αστρικά φάσματα και το διάγραμμα Hertzsprung-Russel 49 3.1 Εισαγωγή...... 49 3.2 Ιστορικήαναδρομή............ 49 3.3 Ηφασματικήταξινόμησητου Harvard............ 51 3.4 Τοδιάγραμμα Hertzsprung-Russel... 56 3.4.1 Διδιάστατηταξινόμηση-τάξειςλαμπρότητας..... 57 3.4.2 Τοδιάγραμμαμεγέθους-χρώματος......... 58 3.4.3 Φασματοσκοπικέςπαραλλάξεις............ 58 3.5 Επίδραση της περιεκτικότητας. Φάσματα με γραμμές εκπομπής. Ιδιότυπα φάσματα....... 60 4 Εσωτερική δομή και εξέλιξη των αστεριών 63 4.1 Εισαγωγή...... 63 4.2 Οιβασικέςεξισώσεις.......... 63 4.2.1 Υδροστατικήισορροπία..... 64 4.2.2 Διατήρησητηςμάζας...... 65 4.2.3 Παραγωγήενέργειας...... 65 4.2.4 Μεταφοράενέργειας....... 67 4.2.4.1 Μεταφοράενέργειαςμεακτινοβολία.... 67 4.2.4.2 Ρεύματαμεταφοράς............. 68 4.2.5 Καταστατικήεξίσωση...... 70 4.3 Υπολογισμοίκαιαποτελέσματα..... 71 4.4 Τιμάθαμεαπότανετρίνα........ 74 4.5 Αστροσεισμολογία............ 76 4.6 Σχηματισμός των αστεριών και εξέλιξή τους μέχρι την κύρια ακολουθία... 83 4.7 Ηκύριαακολουθία........... 88 4.8 Εξέλιξημετάτηνκύριαακολουθία... 89 4.9 Απώλειεςμάζαςκαιεκρήξειςαστεριών............ 92 4.10 Καταληκτικέςφάσεις.......... 93 4.10.1 Λευκοίνάνοι........... 94
4.10.2 Αστέριανετρονίων........ 95 4.10.3 Μαύρεςτρύπες......... 97 4.11 Επίδρασητηςεξέλιξηςστοδιάγραμμα HRτωναστρικώνσμηνών... 98 5 Ηφυσικήτουήλιου 101 5.1 Εισαγωγή......101 5.2 Ταστρώματατηςηλιακήςατμόσφαιρας............101 5.2.1 Ηφωτόσφαιρα..........102 5.2.2 Ηχρωμόσφαιρα.........104 5.2.3 Τοστέμμα...105 5.2.4 Ημεταβατικήπεριοχήχρωμόσφαιρας-στέμματος...........108 5.2.5 Σύνοψη...108 5.3 Οηλιακόςάνεμοςκαιηηλιόσφαιρα...109 5.4 Οριζόντιαδομήτηςηλιακήςατμόσφαιρας...........110 5.4.1 Τοηλιακόμαγνητικόπεδίο. Ηρεμοςήλιοςκαικέντραδράσης....110 5.4.2 Αλληλεπίδρασήτουμαγνητικούπεδίουμετοηλιακόπλάσμα.....111 5.4.3 ΔομήτηςΦωτόσφαιρας...113 5.4.4 Ηχρωμόσφαιραστονήρεμοήλιο...........115 5.4.5 Τοστέμμακαιοηλιακόςάνεμος...........116 5.5 Ταηλιακάκέντραδράσης........121 5.5.1 Ανάπτυξηκαιμορφολογία....121 5.5.2 Χαρακτηριστικάτωνκηλίδων.............123 5.6 Ηλιακέςεκλάμψεις............125 5.6.1 Παρατηρησιακέςεκδηλώσεις.............126 5.6.2 Ηδημιουργίατωνεκλάμψεων.............127 5.7 Οκύκλοςτηςηλιακήςδραστηριότητας............128 5.7.1 Δείκτεςτηςηλιακήςδραστηριότητας.........128 5.7.2 Άλλαχαρακτηριστικάτουηλιακούκύκλου...130 5.7.2.1 Μεταβολήτουπλάτουςτωνκηλίδων....130 5.7.2.2 Ηπολικότητατωνκηλίδων.........130 5.7.2.3 Ηπολικότητατουγενικούμαγνητικούπεδίου........131 5.7.3 Τομοντέλο Babcock......131 6 Το ηλιακό σύστημα 135 7 Μεταβλητά και ιδιότυπα αστέρια 137 8 Διπλά, αστέρια, ομάδες και σμήνη 139 9 Μεσοαστρικό υλικό 141 10 Ο Γαλαξίας μας 143 11 Οι Γαλαξίες 145 12 Κοσμολογία 147
12.1 Εισαγωγή......147 12.2 Απλάκοσμολογικάμοντέλα.......149 12.3 Τογραμμικόστοιχείο Robertson-Walker...........152 12.4 Υπολογισμόςβασικώνμεγεθών.....153 12.5 Σύγκρισημετιςπαρατηρήσεις......154 12.5.1 Ενδείξειςγιαθερμόκαιπυκνόσύμπαν........154 12.5.2 Ανομοιογένειες στην ακτινοβολία υποβάθρου και την κατανομή των γαλαξιώνστοχώρο.......155 12.5.3 Παραπέραενδείξειςγιαεπίπεδοσύμπαν........157 12.6 Σκοτεινήύληκαισκοτεινήενέργεια...158 4