F8567 Dynamika a vývoj galaxií

Přírodovědecká fakulta
jaro 2021
Rozsah
2/0/0. 2 kr. (plus ukončení). Ukončení: zk.
Vyučující
RNDr. Bruno Jungwiert, Ph.D. (přednášející)
Garance
RNDr. Bruno Jungwiert, Ph.D.
Ústav teoretické fyziky a astrofyziky – Fyzikální sekce – Přírodovědecká fakulta
Kontaktní osoba: RNDr. Bruno Jungwiert, Ph.D.
Dodavatelské pracoviště: Ústav teoretické fyziky a astrofyziky – Fyzikální sekce – Přírodovědecká fakulta
Rozvrh
Po 1. 3. až Pá 14. 5. Čt 14:00–15:50 F3,03015
Předpoklady
F7567 Struktura a kinematika galaxií
Omezení zápisu do předmětu
Předmět je otevřen studentům libovolného oboru.
Cíle předmětu
Cílem přednášky je prohloubit znalosti studentů o dynamice a vývoji galaxií a galaktických systémů (přednáška navazuje na základní galaktický kurz F7567 - Struktura a kinematika galaxií) a poskytnout jim teoretický rámec pro interpretaci observačních dat. Témata zahrnují teorii gravitačního potenciálu, fluidní přístup k bezkolizní stelární dynamice (Boltzmannova rovnice, Jeansovy rovnice), popis rovnovážných stavů a gravitačních nestabilit, teorii spirálních hustotních vln, srážky galaxií, hierarchický vznik struktury vesmíru, koevoluci galaxií a centrálních supermasivních černých děr, úvod do N-částicových simulací galaxií a globální kosmické struktury.
Výstupy z učení
Studenti budou po absolvování předmětu schopni:
- vysvětlit a aplikovat základní rovnice bezkolizní hvězdné dynamiky, s jejich pomocí nalézt jednoduchá modelová řešení v podobě rovnovážných stavů (časově nezávislé průběhy hustot a rychlostních polí)
- popsat (slovně i pomocí odpovídajích rovnic) základní typy gravitačních nestabilit relevantních pro galaxie a odvodit pro ně disperzní relace a související kritéria stability (Jeansovo kritérium, Toomreovo kritérium)
- popsat (slovně i pomocí odpovídajích rovnic) chování hvězd a plynu ve statických i vyvíjejících se gravitačních potenciálech galaxií, včetně přenosu momentu hybnosti v neosově symetrických systémech (příčka+spirální ramena) a související radiální migrace
- popsat základní interní a externí mechanismy vývoje galaxií
Osnova
  • 1. Dvoučásticová relaxace, relaxační čas; galaxie jako bezkolizní hvězdné systémy
  • 2. Fluidní popis galaxií: Liouvillova rovnice, distribuční funkce, bezkolizní Boltzmannova rovnice
  • 3. Řešení Boltzmannovy bezkolizní rovnice pro sféricky symetrické a osově symsetrické systémy; vyjádření distribuční funkce pomocí integrálů pohybu; Jeansovy teorémy
  • 4. Jeansovy rovnice stellární dynamiky a jejich odvození z Boltzmannovy rovnice
  • 5. Aplikace Jeansových rovnic: základní rovnovážné stavy, radiální profil disperze rychlostí, asymetrický drift v diskových galaxiích
  • 6. Viriálový teorém: skalární a tenzorová forma
  • 7. Stabilita hvězdných systémů: Jeansova nestabilita pro ve 2D a 3D, vlnová rovice, disperzní relace, Jeansova vlnová délka
  • 8. Gravitační nestabilita v rotujících systémech, Toomreovo kritérium; dvojsložková gravitačni nestabilita (hvězdy+plyn)
  • 9. Hustotní vlny v galaxiích: teorie spirálních hustotních vln; swing amplifikace; alternativní teorie vzniku spirální struktury (kinematické spirální vlny, šíření vzniku hvězd)
  • 10. Příčková nestabilita; galaktická příčka - její struktura a rotace; Lindbladovy a korotační rezonance; dráhy plynu a hvězd v příčkovém potenciálu; Fourierův rozvoj příčkového+spirálního potenciálu
  • 11. Vývoj a přenos momentu hybnosti ve hvězdné a plynné složce; radiální migrace hvězd/plynu
  • 12. Interakce galaxií: dynamické tření, slapové jevy, dynamický tlak, splynutí galaxií; role interakcí versus interní vývoj galaxií
  • 13. Aktivní galaktická jádra (AGN): supermasivní černé díry v centrech galaxií, vztah M-sigma, přísun hmoty do AGN, přenos momentu hybnosti, binární černé díry, gravitační prak, gravitační raketa
  • 14. Úvod do N-částicových simulací: integrace pohybových rovnic; změkčení (softening) gravitace; základní N-částicové metody
  • 15. Vznik a vývoj galaxií: gravitační nestabilita v expandujícím vesmíru; hierarchický vznik galaxií historie vzniku hvězd v galaxiích; vývoj galaxií podél Hubbleovy posloupnosti; koevoluce galaxií a centrálních černých děr
Literatura
    doporučená literatura
  • BINNEY, James a Scott TREMAINE. Galactic dynamics. 2nd ed. Princeton: Princeton University Press. xvi, 885. ISBN 9780691130279. 2008. info
Výukové metody
teoretická příprava
Metody hodnocení
typ výuky: přednášky, diskuse, cvičení
hodnocení: 2 písemné testy během semestru + závěrečná ústní zkouška
Další komentáře
Studijní materiály
Předmět je vyučován jednou za dva roky.
S.
Předmět je zařazen také v obdobích jaro 2009, jaro 2011, jaro 2012 - akreditace, jaro 2013, jaro 2015, jaro 2017, jaro 2019, jaro 2023, jaro 2025.