天文学导论复习.docx

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天文学导论复习

一．天体的视运动

1.星座与星图

1929年，国际天文联合会（IAU）正式把全天划分为88个星座，并清楚界定每一个星座的边界。

因此每颗星属于且只能属于一个星座。

2.地球自转：

天体的周日视运动

每天，太阳、月球以及星星都东升西落，是地球自西向东自转所造成的假象，故称天体在天空上所经历的路径称为天体的周日视运动

▪太阳每天东升西落，于当地正午通过子午线达到最高点（上中天）

▪地方正午：

太阳到达子午线（不一定是12点）

▪太阳连续两次到达正午的时间为24小时，称为一个太阳日（thesolarday），即我们的一天

▪天文事件通常用世界时（UT）

▪拱极星：

靠近南北天极，永不落

▪北极星：

最靠近北天极，似乎永远静止不动

▪北京：

东经116度22分北纬39度58分

▪南北天极的高度等于观测者所在地的地理纬度

▪天赤道：

不变的参考点，到天极的弧距离总是90度，所有恒星沿与天赤道平行的路径由东向西运动（圆弧轨迹），在地球两极，天赤道=地平线

▪在北京，向东看：

天体从东偏北方向升起向西看：

天体向西偏北方向落下

▪在赤道上，所有星在地平面上12小时，所有星垂直于地平面升起和下落

3.地球公转：

天体的周年视运动

▪每（白）天同一时刻，太阳相对于背景恒星的位置向东移动

▪黄道：

地球的公转造成太阳在天球上的位置自西向东缓慢移动（滞后于恒星）再回到原处（相对于背景星）的周期为一年（~365.24天），共走了360度太阳每天向东移动大约1度~2个太阳视直径

▪太阳日=24小时：

太阳连续两次到达子午线的时间

▪恒星日~23小时56分：

恒星连续两次到达子午线的时间

▪恒星日是地球真实的自转周期，不随其绕太阳公转而变化，为~23小时56分

▪季节更替：

天赤道与黄道面的夹角为23.5度，相交的两点分别称为春分点和秋分点

▪在黄道上距春分点和秋分点最远处则称为夏至点和冬至点

4.天体的赤道坐标系、恒星时

▪赤经小于（地方）恒星时的恒星位于子午线以西

5.地球自转轴进动与岁差

▪恒星的赤经和赤纬坐标以26000年为周期在非常缓慢地变化

▪恒星的赤经和赤纬应标明年份，如公元1950.0年,或2000.0年

6.月相

▪月相：

地球人所看到的月球被太阳所照亮的一半的大小

▪月球回到原处（相对于恒星）的周期约为27.32天，即月球的恒星周期

7.日月食

▪日全食时长永远不大于7.5分钟

▪同一地点，日偏食概率>>日全食概率

二．天体的运动

1.古希腊的地球中心说

地心说的基本模型不能解释行星的逆行和亮度变化

2.现代天文学的诞生

哥白尼、第谷、开普勒和伽利略

▪开普勒：

开普勒第一定律：

轨道形状，椭圆轨道，太阳位于一个焦点上

开普勒第二定律：

行星速度，行星和太阳的（假想）连线在相同的时间内扫过相等的面积行星越接近太阳则运行速度越快

开普勒第三定律：

轨道周期，（公转周期）2=（常数）x（半长轴）3

▪伽利略：

太阳黑子，且运动太阳自转绕木星旋转的4颗卫星（伽利略卫星），首次发现天上有不绕地球转动的天体！

3.牛顿的万有引力定律

▪牛顿万有引力定律适用于弱引力场，例如太阳系（水星除外）

4.爱因斯坦的相对论

▪长度、时间和质量是相对的，依赖观测者相对于所选定的参考系的运动

三．辐射与天文望远镜

1.电磁（波）辐射

2.黑体辐射

▪物件加热：

低温红外线，温度升高红光黄光白光蓝光

▪黑体谱的形状只与物体（恒星）的表面温度有关

▪维恩位移定律：

温度降低，黑体谱的峰值向长波方向移动

▪斯忒藩-玻耳兹曼定律

3.原子与谱线

▪巴尔末线系BalmerSeries：

可见光波段

▪莱曼线系LymanSeries：

紫外波段

▪宇宙中的大部分物质处于等离子体状态

4.多普勒效应

▪当辐射源远离观测者时，观测者接收到的辐射频率小于辐射源的辐射频率（波长变长）

5.光学天文望远镜

6.全波段望远镜

▪大气窗（atmosphericwindow）：

可见光、射电、部分红外

四．太阳系

（1）行星

1.太阳系概观

冥王星是一颗矮行星

太阳系（八大）行星，由最靠近太阳的行星算起，依次为：

水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星。

均为1900年以前被发现的。

▪太阳系小天体：

小行星，彗星，流星体（流星）等小天体

▪地球到太阳的平均距离=1天文单（AU）=1.5x10^8千米，约为地球直径的10,000倍

2.类地行星

一般特征：

像地球，靠近太阳，铁（镍）核心和岩石外壳，没有或极少卫星，体积小，质量不大，致密，密度=4-5g/cm3，大气稀薄

▪水星

几乎没有大气，水星表面昼夜温差极大

▪金星

自转方向和其它行星相反

自转轴没有倾斜，几乎和公转平面垂直，所以金星没有四季之分

▪地球与月球

质量~6x1024kg

半径~6400km

地月平均距离为地球直径的30倍

▪火星

3.类木行星

一般特征：

像木星，离太阳远，体积大，质量大，密度低：

0.7-1.7g/cm^3，拥有很多卫星，岩石/铁核心+液态，浓密大气层，快速自转

▪木星

太阳系内体积和质量最大的行星

▪土星

▪天王星

▪海王星

五．太阳系

（2）矮行星、小天体与太阳系形成

1.矮行星

▪谷神星：

最大小行星

▪阋神星：

最大矮行星

▪查戎和冥王星互为同步卫星，查戎是整个太阳系已知惟一的天然同步卫星

2.小行星

▪小行星带：

位于火星和木星轨道之间的一个“垃圾场”，距离太阳约2.8（2.0-3.3）AU

▪特洛伊型小行星：

和木星具有共同轨道的小行星群

3.彗星

▪古老天体：

几十亿年前太阳系构建过程中所遗留下来的残片碎块太阳系起源的“物证”

▪彗星由夹杂一些岩石的（水）冰物质构成，故称为“脏雪球”

▪彗星质量~10-11地球质量，体积大，密度很低，因而是结构松散、多孔的天体

▪彗尾永远是背着太阳的，两条彗尾均可延展数百万公里

4.流星体

▪大多数流星体很小（<10m），多为沙粒大小，流星是大气现象

5.大碰撞

▪一个直径10km的小行星或彗星大约每3千万年撞击地球一次可能结束文明

6.太阳系的形成

六．系外行星

1.引言：

系外行星存在的证据

▪尘埃盘（DustDisks）暗示行星的存在

2.方法：

探测系外行星的5大技术

▪直接成像法

▪天体测量学法

▪视向速度法—多普勒效应

▪凌星法

▪微引力透镜法

▪时间测量法

3.历史：

不该有行星的脉冲星

4.特征：

系外行星与太阳系大不同

5.方向：

寻找类地行星的宏伟计划

6.目的：

搜寻地外生命与智慧生命

七．恒星的基本特征

▪1parsecs（pc）秒差距=3.26光年=3.08x1016米

▪恒星越远，其视差越小

▪恒星视亮度用视星等apparentmagnitude表示，即以恒星视亮度（照度）I的对数来表示m=-2.5log10（b/b0），视星等越大，则恒星越暗

▪恒星（大气）主要由氢和氦组成

▪测量轨道特征方法：

多普勒位移

▪太阳结构从内到外：

光球层、色球层、日冕层，能量产生：

热核聚变

▪日珥和耀斑都明显和太阳的磁场和黑子有关

八．星际介质与恒星形成

1.星际介质

▪~99%的星际介质是气体，即自由运动的原子和分子

▪星际消光：

尘埃能吸收和散射光子，因此星际尘埃能有效阻光，即星际尘埃能遮挡我们的视线，称为星际消光

●长波辐射能穿透星际尘埃，短波辐射遭受严重星际消光

▪在可见光（和紫外波段），银河系的大部分区域由于受到尘埃的消光而不可见

▪星际消光造成星际红化

2.恒星形成

▪分子云是恒星形成的摇篮

▪分子云坍缩为原恒星

▪原恒星主要在红外波段研究

九．低质量恒星演化

●太阳恒星演化

1.亚巨星支

▪He核收缩壳层引力增加壳层压力增加壳层H燃烧率加快（He核质量增加）恒星更亮，但体积膨胀表面温度降低恒星更红！

亚巨星结构：

非燃烧He核+壳层H燃烧+非燃烧H包层

•体积膨胀表面温度降低，但光度增加

2.红巨星支

▪He核体积持续缩小电子开始简并（压）

红巨星结构：

非燃烧简并He核+燃烧H壳层+非燃烧H包层

（恒星沿RGB是加速向上攀升的）

3.氦闪

由于简并，He核温度上升但不膨胀

氦闪后，电子简并解除

恒星进入一个新的稳定态：

He在正常的非简并的核内燃烧成为C，H在壳层内燃烧成为He

4.水平支

He闪后，光度降低恒星（H包层）收缩表面温度上升恒星向左下方移至水平支

水平支（HB）星

HB星结构：

稳定He核燃烧+（+非燃烧He壳层）+H壳层燃烧+非燃烧H包层

HB星和主序星的比较

▪HB星保持稳定仅5千万年（HeC,HHe）：

•核心区的燃料变少

•He燃烧的能量转换效率比H低许多

•HB星更亮必须更快消耗燃料

5.渐进巨星支

当核心He枯竭引力>压力C核坍缩至电子简并C核半径减小，引力上升壳层压力上升加快壳层He和壳层H的燃烧简并C核质量（非半径，仍坍缩）增长加快引力上升加快壳层压力上升加快

红超巨星

AGB星结构：

简并非燃烧C核+He壳层燃烧+（非燃烧He壳层+）H壳层燃烧+非燃烧H包层

太阳的C核不会燃烧！

▪简并C核质量（和温度T）增加加快壳层He和H燃烧…互相促进…（C核收缩）

6.恒星质量损失

在AGB结束时，恒星质量损失失控

7.行星状星云

行星状星云常为环形，环绕着恒星演化后所遗留下来的白矮星。

气体壳层不断膨胀，年龄不超过5X104年

8.成为白矮星

简并的恒星灰烬称为（碳）白矮星，很热但很小

9.白矮星冷却为黑矮星

●白矮星（WD）

▪白矮星是密度高、体积小、光度低、表面温度高的白色星

▪绝对星等Mv~8m-16m光度很低

▪有效温度Teff~5×103-4×104K：

光谱O到K型

▪暗弱仅很近的白矮星才易观测到

▪单星或双星成员

一十．大质量恒星演化

●脉动变星

▪造父变星（Cepheidvariables）：

最高质量最亮的脉动变星

•原型：

DeltaCepheid

•周光关系：

测量邻近星系的距离

●大质量恒星有高速星风

●

▪当核心He枯竭C核坍缩（不简并）温度上升到T>=8x108KC开始燃烧

▪C燃烧产生大量重元素：

钠、氖、镁

▪结构：

C核燃烧+He壳层燃烧+H壳层燃烧+…

Fe是热核聚变所能合成的最重元素

●不同质量恒星的演化结局

●超新星的主要特征

▪光度：

L～107-1010L⊙

▪爆发能E～1047-1052ergs（其中中微子占99%，动能占1%，可见光辐射占0.01%）

▪膨胀速度v～103-104kms-1

▪产物：

膨胀气壳（超新星遗迹）+致密天体（中子星[脉冲星]或黑洞）

•Ia型无致密残骸

●超新星的爆发机制

▪Ia（热核）超新星：

小质量双星系统中吸积白矮星的C（He，O）爆燃

▪Ib/Ic,II型（核坍缩）超新星：

大质量恒星的核坍缩

●大量中子形成于：

恒星演化的内部核反应（慢过程）

超新星爆发时（快过程

●星体物质几乎全为中子，且简并，中子简并压可以抗衡引力，形成新的稳定物态，即中子星

与一般恒星相比，中子星的温度很高

●中子星的结构

Ø表层大气~cm（没显示）

Ø外壳~0.3km,固态金属（Fe,e－）

Ø内壳~0.6km,原子核、游离中子、电子

Ø内部：

超流中子和超导质子

Ø核心:

超子/奇异物质？

（夸克）

●脉冲星

●黑洞

●X射线双星

X射线辐射机制

吸积物质引力势能→动能→热能→X射线辐射

一十一．膨胀宇宙

1.星系的发现

▪最大最亮的星系通常用其在梅西耶星表中的排序数字来表示

2.宇宙学原理

▪宇宙学原理的两个具体预言：

●宇宙是各向同性的

●宇宙是均匀的

▪宇宙学原理表明宇宙既要均匀又要各向同性

3.宇宙在膨胀

▪大部分星系正远离银河系

▪星系退行速度与其距离成正比

4.宇宙开始于大爆炸

▪哈勃定律表明星系之间相互远离所持续的时间相同，称为哈勃时间

▪H0＝71km/s/Mpc宇宙年龄~137亿年

▪宇宙大爆炸中心在哪里？

●无中心。

因为宇宙空间本身与大爆炸同生，所以不发生于任何一个具体点

5.宇宙微波背景辐射

▪CMB是能观测到的宇宙最早期的辐射

6.大爆炸核合成

▪暗物质不可能由重子构成

一十二．星系

●椭圆星系

▪主要由星族Ⅱ恒星构成，没有星系盘，没有或仅有少量星际气体和尘埃（中心），颜色偏红

▪中心区域最亮，亮度向边缘递减

●旋涡星系

按照核球的大小和旋臂的缠卷程度，旋涡星系又分为Sa,Sb,Sc三个次型。

Sa型核球最大，旋臂缠卷最紧；Sc型核球最小，旋臂缠卷最松

●棒旋星系

按照棒的大小和旋臂的缠卷程度，棒旋星系可以分为SBa,SBb,SBc三个次型。

其中SBa型棒最大，旋臂缠卷最紧；而SBc型棒最小，旋臂缠卷最松

●透镜状星系

▪介于椭圆星系和旋涡星系之间的、无旋臂的盘星系。

在形态上，透镜状星系与旋涡星系的主要差别是没有旋臂；与椭圆星系的主要差别是有星系盘

▪根据核心是否有棒状结构，符号相应为S0或SB0。

主要由年老恒星组成，气体很少

●不规则星系

▪外型或结构没有明显对称性的星系，符号为Irr

▪无旋臂和中心核区。

富含星际气体、尘埃和年轻恒星

●星系距离的测量：

标准烛光法

标准烛光源1:

主序星

标准烛光源2:

造父变星

标准烛光源3:

Ia超新星

●星系质量越大→光度越高

谱线宽度光度

●哈勃定律

星系谱线（宇宙学）红移得到的星系退行速度V与星系的距离D成正比，即著名的哈勃定律:

V＝H0×D

其中H0为哈勃常数（Hubble'sconstant）

●根据成员星系的多少（形状），星系聚集为

•星系群（groupofgalaxies）

•星系团（clusterofgalaxies）

●本星系群

▪由银河系、仙女星系（M31）等附近至少40个星系组成。

包含3个旋涡星系（银河系、M31、M33），4个不规则星系（大、小麦哲伦云等），20多个矮椭圆星系

▪银河系和仙女星系是本星系群中质量最大的两个星系，分别位于本星系群的两端，在引力作用下分别带领周围质量较小的星系相互绕转

●星系团：

星系团是包含至少~50个亮星系的星系集合

不规则星系团：

形态松散，主要由旋涡星系组成（室女座星系团）

规则星系团：

结构致密、球对称分布，主要由椭圆星系和透镜状星系组成（后发座星系团）

富星系团与贫星系团

富星系团是强X射线源

●超星系团

▪由若干（几十到几百）星系团组成的星系集团

▪大小约100Mpc，质量可达约1016M⊙

▪成员星系团之间的引力作用较弱→超星系团膨胀，结构松散，无明显的核心和对称性

▪质量较大的超星系团具有细长的纤维状结构，长：

100-300Mpc

宽：

50-100Mpc

厚：

5-10Mpc

▪最大尺度的宇宙结构

●

星系碰撞星系形态的变化

星系碰撞星暴现象

星系碰撞星系并合

●星系（团）引力质量的测定：

暗物质的证据

1.自转曲线（旋涡星系）

2.无规则运动（椭圆星系、星系团）

3.热气体的X射线辐射（星系团）

4.引力透镜（星系、星系团）

●质光比：

天体系统的（引力à总）质量（太阳单位）/光度（太阳单位）[光度à可见质量]

质光比表征暗物质与可见物质之比。

其值越大，暗物质含量越多

一十三．现代宇宙学

1.宇宙的物质密度

▪宇宙会永远膨胀下去吗？

●取决于其中所含“物质”的多少

●因为宇宙质量的引力使膨胀减速

▪如果质量足够大，其引力大得使膨胀减速、停止，然后不可避免坍缩，直至灾难性的大挤压

▪如果没有足够的质量，宇宙膨胀会减速，但不会停下来

▪宇宙的“逃逸速度”

●一个天体表面的逃逸速度由其平均密度决定

●宇宙的“逃逸速度”同样由其平均密度ρ决定

▪宇宙的临界密度~6H/m^3

2.加速膨胀的宇宙与暗能量

▪通过观测遥远的超新星发现宇宙正在加速膨胀

▪暗能量在宇宙早期不重要，在约一半宇宙年龄前宇宙膨胀是减速的

▪随着宇宙膨胀，暗能量越来越强大，引力越来越弱，使减速膨胀转为加速

▪宇宙学常数=真空能=暗能量

3.暴胀宇宙

▪平直疑难问题

●即使宇宙早期位形是高度弯曲的，经过暴胀会变为平直

▪视界疑难问题

●在暴胀前，宇宙的大小远小于视界大小，因而具有相同的温度

4.最早期宇宙

▪四种基本力

●强核[相互作用]力

●电磁力

●弱核[相互作用]力

●引力

5.多重宇宙

▪第一层平行宇宙

●平直宇宙是无限的，包含无限多个相似的平行宇宙

●加速膨胀，相互分离的“可观测宇宙”变得越来越分离

▪第二层平行宇宙（第一层宇宙的集合）

●没有开始没有结束的永恒暴胀

●量子涨落：

某些区域膨胀慢，其暴胀很快结束

●回答了我们的大爆炸之前是什么

●新的大爆炸持续产生

▪第三层平行宇宙（第二层宇宙的集合）

●占据相同空间的新宇宙不断产生，但不能互相联系

▪第四层平行宇宙（第三层宇宙的集合）

●包括一切的情形，各种行为的宇宙都是可能的

一十四．宇宙的大尺度结构

1.星系团与大尺度结构

▪引力使星系聚集，雕刻宇宙的结构

●主要依靠星系之间的暗物质

▪根据成员星系的多少（形状），星系聚集为

●星系群：

数十个星系，结构松散，~3Mpc

●星系团：

数千个星系，结构规则，~2-10Mpc

▪本星系群

●银河系所在的星系群，大小约3Mpc，至少50个星系

●两个棒旋星系：

银河系、仙女星系M31

●一个旋涡星系：

三角星系M33

●几个椭圆星系和矮星系

●~30个更小的矮星系

●不规则星系：

大、小麦哲伦云等

●大部分矮星系分别是银河系、仙女星系的卫星星系

●仙女大星系M31

◆本星系群内质量最大的星系

◆距离~770kpc，直径~60kpc

◆SBb型棒旋星系

●三角星系M33

◆本星系群内第三大星系

◆距离~720kpc，直径~18kpc

◆Sc型旋涡星系

●大、小麦哲伦云（LMC/SMC）

◆银河系的伴星系

◆LMC：

距离50kpc，质量2×1010M⊙，直径10kpc

◆SMC：

距离60kpc，质量4×109M⊙，直径6kpc

◆大量的年轻恒星和中性H气体

▪星系团

●矮星系数量远多于巨星系

●巨星系占据大部分恒星质量

●旋涡星系常见

●~1/4星系团中，椭圆星系主导

●近邻星系团：

室女星系团、后发星系团

●室女星系团

◆距离16.5Mpc

◆直径~3Mpc

◆成员星系~2500个

◆大部分星系是旋涡星系

◆中心是被热气体的X射线环绕的3个巨椭圆星系M87等

●后发星系团

◆距离~90Mpc

◆直径~3Mpc

◆成员星系~6700

◆以[巨]椭圆星系和S0星系为主

◆椭圆星系聚集在星系团中心

◆旋涡星系分布在外围

▪超星系团

●由多个星系群和星系团所组成的更大结构

●含数万-数十万个星系

●尺度~30Mpc

●室女超团：

本星系群+室女星系团+……

●星系红移巡天：

测量大量星系的距离

◆由星系光谱测量星系的红移

◆利用哈勃定律得出星系的距离

◆绘制宇宙的结构

●距离最近的大尺度结构：

超星系团和长城

●星系团中心有一巨星系，其它较小星系环绕其做轨道运动。

某小星系轨道以内的质量为

2.结构的起源

2.1理论

▪引力、暴胀、暗能量

▪早期宇宙的平衡：

辐射、亮物质、暗物质

▪暴胀模型：

联系今天的大尺度结构与紧接大爆炸后的结构

▪早期结构：

暴胀期量子涨落所产生的团块（结构形成的种子）

▪引力放大团块

▪[自下而上]等级式成团：

小结构[亚星系团块和矮星系]先形成，大结构后形成

2.2观测

▪测量亮物质与暗物质的比例[质光比]

▪寻找最高红移星系

▪不同红移的星系给出宇宙随时间的演化

▪黑暗期：

宇宙38万岁的CMB至目前所看到的最高红移（z~9,5亿年）天体

2.3暗物质化解“宇宙危机”

3.第一缕星光

▪宇宙~38万岁[z~1100]，宇宙复合，CMB可观测

▪黑暗期[2-6亿年,z~20-8.5]：

CMB+中性氢21厘米辐射，无星光，第一代恒星开始形成

▪再电离开始[2.7-4.8亿年,z~15-10]：

第一代恒星紫外光子电离中性氢，随后氢开始辐射可见光

▪再电离结束[7.5-9亿年,z~7-6]：

第一代低光度星系中的恒星、第一代超大质量黑洞吸积辐射

4.星系的演化

▪星系持续等级演化，小的原星系（团块）并合为更大的星系

▪早期宇宙更小，星体更靠近，并合更频繁

▪（1+z）^3

▪暗物质晕内的亮物质由于辐射冷却而凝聚、坍缩，形成小到球状星团，大到矮星系的星体

▪最老球状星团~135亿岁，最老球状星晕~115亿岁，星系盘更年轻（需更长时间形成）

▪高速碰撞时，亮物质热气体减速，暗物质不减速——暗物质存在的证据

5.银河系的形成与演化

▪在一个巨大暗物质团块中的气体坍缩成许多小的原星系的同时，形成了银河系

▪银河系由许多小的原星系并合而成

▪矮星系的暗物质比例更高，其恒星的重元素丰度很低

▪由矮星系的运动估计银河系暗物质质量

6.“绝对的”未来

▪大挤压“基本”被排除

▪大撕裂（热寂）得到当前观测的支持