天文学第二章习题.doc

第二章习题1.在某地观测星空，不同的日期能否看到相同的星空？如今天晚上10时看到的星空，在15天以后什么时间还能看到？答：在不同的日期一般无法在同一时刻看到相同的星空，但可以在不同时刻看到相同的星空（不考虑行星等太阳系内的天象）。今天晚上10时看到的星空在15天后大约晚上9时能看到。（由于地球公转，导致每天星空提前出现，一年后正好提前一整天，故每天提前24小时/3654分钟出现）2.什么是春分点？春分点的赤经和赤纬是多少？答：春分点是天球上黄道与赤道的两个交点之一，太阳在天球上的投影于每年的3月21日左右经过该点。赤经参考点：春分点在天球上的视位置和恒星一样也作周日运动，所以与恒星的距离不变，坐标值不随时间变化，和观测地位置无关。春分点的赤经和赤纬都是度。3.名词解释：天赤道、子午圈、地平圈、黄道答：天赤道是地球赤道面与天球的交线；子午圈是通过天顶和北天极的大圆，或观察者所在的经圈平面（或经过天顶、天底和地心的经圈平面）与天球的交线；地平圈是地平面（通过地心并垂直于观测者垂线的平面）与天球相交的大圆。 黄道是太阳在天球上视运动的轨道。 4.说明测量天体距离的困难和一种测量距离的方法。答：天体普遍距离地球非常遥远，人类无法到达，不能用直接测距的方法。 间接测距方法中最简便的就是三角视差法，利用不同点对目标的视角差来确定目标与地球的距离。在地球上利用三角测量法的困难：地球上的基线太短，地球直径1.3万公里（1.3109光年）最近恒星4.3光年，角度太小无法测量。5.试说明视星等和绝对星等定义及它们之间的关系。答：视星等 公元前2世纪古希腊希帕恰斯首先用肉眼估计了星的亮度，按明暗程度分成6等级： 星的亮度越大，星等越小.绝对星等 视星等不是恒星真实发光能力，有的星发光强度大，可看起来暗(距离远），可有的星发光强度不大，但看起来亮（距离近）。 把恒星移到10秒差距(32.6光年）处 ，再比较它们的亮度（目视星等），其目视星等叫做绝对星等。（相等的距离）.用M表示绝对星等，用m表示目视星等，D（单位：秒差距pc）表示星体与地球的距离，则有：M=m+5-5logD。第三章习题1.请说出地球公转的证据答：地球公转有多方面的物理证据。它们是：恒星周年视差、光行差等。恒星的周年视差，是地球在轨道上的位移对于恒星视位置的影响；恒星的光行差，是地球的轨道速度对于光行方向的影响；它们从不同侧面证明了地球的公转。地球上的四季星空的变化及四季的变化也可作为地球公转的证据。2.月球表面的地形特征是什么？答：月面上山岭起伏，峰峦密布，没有水，大气极其 稀薄（1010 Pa），没有火山活动，也没有生命，是一个平静的世界。已经知道月海有22个，总面积500万平方公里。从地球上看到的月球表面，较大的月海有10个。月球上的陨击坑通常又称为环形山,它是月面上最明显的特征。环形山的形成可能有两个原因，一是陨星撞击的结果，二是火山活动；但是大多数的环形结构均属于陨星的撞击结果。月球表面陨击坑的直径大的有近百公里，小的不过10厘米，直径大于1公里的环形山总数多达33000个，占月球表面积的710%，最大的月球坑为直径 235公里。在月球背向地球的一面，布满了密集的陨击坑，而月海所占面积较少，月壳的厚度也比正面厚，最厚处达150公里，正面的月壳厚度为60公里左右。3.月相和地相是互补的，为什么？答：由于地月系统的尺度远小于到太阳的距离，故太阳光在地月系统中可看作平行光源。一个球体在平行光下将有一半被照亮，从任何角度看该球体，阴影部分和光亮部分总是互补成一个圆盘。地月系统中若不考虑大小因素，地球的光亮部分对月球的角度和月球阴影部分对地球的角度总是完全一致的，所以形状相同。故地相和月相中的亮部或暗部总是互补的。第四章习题1.什么是行星，什么是恒星？区别在哪里？国际天文学联合会大会2006年8月24日通过了“行星”的新定义，这一定义包括以下三点：1、必须是围绕恒星运转的天体；2、质量必须足够大,它自身的吸引力必须和自转速度平衡使其呈圆球状；3、不受到轨道周围其他物体的影响，能够清除其轨道附近的其它物体。一般来说，行星的直径必须在800公里以上，质量必须在50亿亿吨以上。恒星由炽热气体组成的，能自己发光的球状或类球状天体。恒星区别于行星的一个最重要的性质是它们像太阳一样自己依靠核反应产生能量，而在相当长的时间内稳定地发光。其次，两者在质量上也有着明显的区别。2.太阳系八大行星运行特点是什么？答：1太阳系中的八大行星，都按反时针方向绕太阳公转。太阳本身也以同一方向自转，这个特征称为太阳系天体运动的同向性。2行星绕太阳公转的轨道面，非常接近于同一平面，并且这个平面与太阳自转赤道面的夹角也不到6，这个特征称为行星轨道运动的共面性。3除水星外，其它行星的绕日公转轨道都很接近于圆轨道。这个特征称为行星轨道运动的近圆性。3.类地行星、类木行星各自的共性是什么？答：类地行星的共性：离太阳相对较近，质量和半径都较小，平均密度则较大，表面都有一层硅酸盐类岩组成的坚硬壳层，有着类似地球和月球的各种地貌特征。 类木行星的共性：体积较大，密度小,没有固体外壳。，自转快，卫星多，大气富含氢，都带有光环。4.什么是太阳风？答：太阳风是太阳释放的高能带电粒子流。太阳风源于日冕的高温，质量损失率1012 g/s。太阳风主要通过冕洞向外流失。5.为什么日食和月食不是每月发生？答：因为银道（月球公转轨道）平面与黄道平面并不平行，因此只有少数时刻月球运行到黄白平面交线附近且该交线基本对准太阳时，日、地、月才会处于近似共线的位置，发生日食或月食。6.太阳活动的周期性主要表现在哪里？答：太阳活动的周期性主要表现在太阳黑子数以大约11.2年的周期变化。太阳活动是太阳大气中局部区域各种不同活动现象的总称。包括：太阳黑子太阳活动的基本标志光斑谱斑耀斑发出的强大的短波辐射，会造成地球电离层的急剧变化。对人类的影响很大。造成短波通讯中断。日珥太阳黑子： 太阳黑子是在太阳的光球层上发生的一种太阳活动，是太阳活动中最基本，最明显的活动现象。一般认为，太阳黑子实际上是太阳表面一种炽热气体的巨大漩涡，温度大约为4500摄氏度。因为比太阳的光球层表面温度要低，所以看上去像一些深暗色的斑点。太阳黑子很少单独活动。常常成群出现。活动周期大约为十一年。届时会对地球的磁场和各类电子产品和电器产生损害。 黑子的特性 一个发展完全的黑子由较暗的核和周围较亮的部分构成，中间凹陷大约500千米。黑子经常成对或成群出现，其中由两个主要的黑子组成的居多。位于西面的叫做“前导黑子”，位于东面的叫做“后随黑子”。一个小黑子大约有1000千米，而一个大黑子则可达20万千米。第五章习题:1.什么是恒星的光谱？恒星光谱的哈佛分类法是什么？利用光谱如何确定恒星的温度和其他物理性质？答：恒星的光谱是指恒星发出的所有电磁波的强度频率关系图。恒星光谱包含恒星性质的丰富信息，如表面温度、质量、半径、光度、化学组成等，都可以由分析恒星光谱推出来。典型的恒星的光谱由连续谱和吸收线构成。恒星光谱的哈佛分类法是Harvard大学天文台的天文学家在1890-1910年首先提出的恒星光谱分类法。根据恒星光谱中Balmer线的强弱，恒星的光谱首先被分成从A到P共16类。后来经过调整和合并，按照温度由高到低，将恒星光谱分成O, B. A, F, G, K, M七种光谱型。每一种光谱型可以继续分为0-9十个次型。太阳的光谱型为G2。恒星的连续谱来自相对较热、致密的恒星内部。吸收线来自较冷、稀薄的恒星大气。恒星的表面温度还反映为恒星的特征谱线强度。这是因为使不同元素的原子产生特定的光学吸收线要求原子中的电子处于某些特定的能级上，而电子的能级布居取决于温度的高低。同时，不同元素的原子具有不同的结构，因而有不同的特征谱线。因此，根据谱线中特征谱线的位置和相对强度，可以确定恒星的化学组成，用特征谱线的强度可以确定恒星的温度，进而确定恒星的光度。根据温度和谱线宽度的关系、恒星转速，可以确定恒星的半径。2.什么是质光关系？什么是周光关系？答：质光关系是处于主序星阶段的恒星的质量与光度之间的确定关系： 。恒星质量-光度关系的解释：质量越大的恒星引力越大，流体静力学平衡要求内部压强越大。状态方程表明内部温度越高，产能率越高，光度越高。周光关系是变星的光变周期和光度的关系。脉动变星半径周期性地增大和缩小。在半径变化的同时，光度、温度等也随之发生变化。脉动变星明亮，弱暗的变化周期，称为光变周期。3.何谓恒星的“自行”，什么是多普勒效应？如何根据“自行”和“红移”来计算恒星的空间速度？答：恒星的真实视运动称为恒星的自行，代表恒星在垂直于观测者视线方向上的运动。“多普勒效应”是指波源与观察者的径向相对运动导致观察到的电磁波频率发生改变的现象。恒星的真实运动速度可以分解为横向速度（自行）和视向（或径向）速度两个分量，前者是恒星的自行速度，后者是产生多普勒效应的原因，可以通过多普勒效应计算出来。将两者进行矢量叠加就可以得到恒星的空间速度。4.什么是“赫罗图”？赫罗图说明了什么？答：赫罗图是由丹麦天文学家E. Hertzsprung和美国天文学家 H. R. Russell创制的恒星的光度温度分布图。赫罗图的横坐标也可用恒星的光谱型、色指数，纵坐标也可用恒星的绝对星等表示。恒星在赫罗图上的位置指示着恒星的类型和所处的演化阶段。赫罗图说明了主序星的光度和温度是相关的。5.恒星的种类有哪些？什么是巨星和矮星？什么是变星？答：恒星的种类可分为中子星、矮星、主序星、巨星和超巨星，其中矮星包括白矮星、褐矮星，巨星包括红巨星、蓝巨星，超巨型包括红超巨星和蓝超巨星。巨星是半径大于10倍太阳半径的恒星，矮星是半径较小的恒星。变星指亮度随时间变化的恒星。6.将太阳和地球看作双星系统，求太阳的质量。答：对双星系统，有以下公式（易由万有引力公式及向心力公式导出）： 因地球质量远小于太阳质量可忽略，故： 其中a、p分别为日地系统的轨道半长径和周期。将a为日地距离约1.51011m，p为地球公转周期1年3.2107s代入上式，估得太阳质量为约21030kg。第六章习题：1.你是注意否不同季节银河在天空中的位置变化？为什么会有这种变化？答：不同季节银河在天空中的位置会发生旋转。这是由于地球的公转引起的。地球所处的太阳系不在银河系的中心，因此不同季节地球非极地的夜空对着银河系的不同部分。随着地球的公转，银河在天球上的位置和对应的星群也在进行周年变化。答：银河系是一个巨型旋涡星系，Sb型，共有4条旋臂。包含一、二千亿颗恒星。银河系整体作较差自转，太阳处自转速度约220千米秒，太阳绕银心运转一周约2.5亿年。银河系的目视星等为20.5等，银河系的总质量大约是我们太阳质量的1万亿倍，大致10倍于银河系全部恒星质量的总和。这是暗物质存在的强有力证据。关于银河系的年龄，目前占主流的观点认为，银河系在宇宙诞生的大爆炸之后不久就诞生了，年龄大概 在145亿岁左右，上下误差各有20多亿年。银河系由中央较厚的银核、核球及外层较薄的银盘构成，银盘两侧则是稀疏的球状星团构成的银晕，在银晕外面还存在着一个巨大的呈球状的射电辐射区，称为银冕。3.银河系中有哪几类天体？答：我们肉眼看见的所有恒星，以及许许多多因为太暗而肉眼看不见的恒星，包括我们的太阳和太阳系在内，都属于一个巨大的恒星系统，即银河系。银河系中还包括许多星团、星际介质和星云。银河系中的天体主要有恒星、星云、暗物质和黑洞等，后两者尚无直接证据证实存在。在太阳轨道内包含的质量为：M = R0V02/G 1.01011M，银河系的可见质量约为2.01011M。银河系的实际质量远超过1011 M，表明在银晕和银冕中存在大量的暗物质。4.球状星团和疏散星团有什么不同？答：根据星团包含的恒星数、星团的形状和在银河系中位置分布的不同，星团又分为疏散星团和球状星团。疏散星团一般由十几到几千颗恒星组成，结构松散、形状也不规则。它们一般分布在银道面附近，也被称作“银河星团”，由比较年轻的恒星组成。在银河系内发现的疏散星团目前有一千多个，其中包括著名的金牛座昴星团、毕星团。 球状星团中的恒星远比疏散星团中的多得多，它由成千上万、多至几十万的恒星组成。它们聚集成球形，越往中心越密集。第七章习题1.简要说明太阳和恒星的能量来源。答：太阳和恒星的能量来源是核反应，主要是轻核聚变反应。 2.什么是中微子？它有什么特性？什么是太阳中微子失踪之谜？答：中微子是一种不带电、质量极小的亚原子粒子，它几乎不与任何物质发生相互作用，由W. Pauli 于1930年提出，E. Fermi为它取了名字。1953年在宇宙线种证实了其存在，1962年在加速器种观测到了踪迹。共有3种中微子：电子中微子、中微子和中微子。（e、）。在标准模型中，中微子没有质量。 太阳内部H核聚变释放能量的5%被中微子携带向外传输，每秒大约有1015个中微子穿过我们的身体。目前接收到的太阳的辐射（光子）实际上产生于105-107年前的太阳内部，而中微子则是在当前产生的。中微子非常难于观测，因为它几乎不与其他物质相互作用。 太阳中微子失踪之谜：实际测量到的太阳中微子数目只有理论计算值的约2/3。可能的原因：1、太阳内部结构与成分与太阳标准模型差异2、中微子物理中微子振荡2001年，SNO的观测结果证实中微子事实上没有失踪，只是在离开太阳后转化成中微子和中微子，躲过了此前的探测，这间接证明中微子具有质量。3.什么是星云，星云可分为哪几类？答：十八世纪后期，威廉赫歇尔等天文学家发现了许多云雾状斑点的天体，称为星云；实质上它们是河外星系（星系）和星云。星云分为行星状星云，弥漫星云等；超新星遗迹也归入其中。弥漫星云又可分为发射星云，反射星云和暗星云三种，其实这三种星云的物质成分基本上是一样的，都是由气体和尘埃组成。星云也属于星际物质。其实它们也是由这些物质组成，不过是物质密度较大的团块而已。现已确认，恒星就是在一些物质密度较大的分子云中产生的。有些分子云至今还在形成新的恒星。质量非常大而浓密的分子云，会碎裂成一些较小的团块。这些团块的大小约等于恒星直径的几百万倍。由于引力作用，团块开始迅速收缩，在大约几十万年之后，在云团中心形成了一个高温、高压、高密度的气体球，并在其核心触发了由四个氢原子核聚变成一个氦原子核的反应，释放出大量的热和光，成为恒星。4.为什么说恒星的寿命和结局均取决于恒星的质量？简述恒星的演化过程。答：引力是恒星产生和灭亡的决定因素。恒星在一生的演化中总是试图处于稳定状态（流体静力学平衡和热平衡）。当恒星无法产生足够多的能量时，它们就无法维持热平衡和流体静力学平衡，于是开始演化。恒星的一生就是一部和引力斗争的历史。因此，质量大小决定了恒星自引力的大小，也就决定了恒星的整个演化过程，包括寿命和结局。 第八章习题1.确定银河系和河外星系的存在需要解决哪两个问题？天文学家是如何解决的？最早对此作出贡献的天文学家是谁？答：需要解决的问题是测量银河系的大小和河外星系到地球的距离。1920年， Shapley发现球状星团的空间球对称分布，通过观测球状星团内的天琴座RR型变星，确定银河系的大小（100 kpc）和太阳系到银心的距离（16 kpc）。2.什么是星系形态的哈勃分类法？星系的结构如何？距银河系最近的星系和北半球肉眼可见的河外星系各是哪个？ 答：根据星系形态的不同，哈勃首先提出星系可以分为椭圆星系、透镜状星系、旋涡星系、棒旋星系和不规则星系5种类型，称为哈勃分类。 距银河系最近的星系是大小麦哲伦星云，北半球肉眼可见的河外星系是仙女座大星云。3.什么是星系距离的哈勃定律？哈勃定律的意义？答：1929年Hubble与Humason发现由星系谱线红移得到的星系退行速度V与星系的距离D成正比，称为哈勃定律： VHD 其中哈勃常数H71 kms-1Mpc-1。哈勃定律反映了宇宙的膨胀。由宇宙膨胀引起的星系的谱线红移称为宇宙学红移 (cosmological redshift)。星系的距离DV/H。 如果宇宙的膨胀是均匀的，可以确定：宇宙的年龄 tD/V1/H。4.什么是活动星系？它有什么特点？答：绝大部分星系是正常星系，但也有部分星系表现出强烈的活动性，在观测上分为下面几种：射电星系、爆发星系、赛弗特星系、蝎虎（BL Lac）天体、类星体。活动星系的特征有：(1)高光度(2) 非热连续辐射(3)快速光变(4)特殊形态5.星系的空间发布有什么特征？星系团超星系团的概况如何？什么是总星系？答：星系在空间的分布并不是均匀的，在相互引力的作用下有聚集成团的倾向。 根据成员星系的多少，星系集团可以分为 双重星系 (binary galaxies) 多重星系 (multiple galaxies) 星系群 (group of galaxies) 星系团 (cluster of galaxies) 超星系团 (supercluster of galaxies) 星系集团越大，它们的物质密度与宇宙平均物质密度就越接近。 星系团和星系群是同一级天体系统。星系团按形态可分为规则和不规则星系团两类： 1.不规则星系团形态松散，主要由旋涡星系组成。 2. 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。超星系团： 由若干（几十-几百）星系团组成的星系集团。大小约100 Mpc，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。质量较大