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大学物理 第二章天文学基础知识1 星座和恒星命名2 地球的自转 公转和天体的视运动3 四季星空4 天球坐标5 天体距离及其测量方法6 视星等和绝对星等7 其它测距法 大学物理 2 1星座和恒星命名 星座是什么 星座是人们为了观测研究方便把星空人为地划分为若干区域古人划分星空形成风格各异的星座文化公元前3000年左右古巴比伦人把星空中亮星连起来勾画成牛 羊 蝎子等形象 大学物理 中国古代 分为四大区 东苍龙 西白虎 南朱雀 北玄武 二十八宿 我国古代神话中28个神仙古希腊人 希腊神话中的人物或动物来为星座命名 共40多个 大学物理 星座不是有机整体星座只是某一方向范围内所有天体的集合 亮星 银河系中的恒星 星云河外星系 类星体 在同一个星座内的天体的距离极其悬殊 大学物理 什么是黄道十二宫 太阳视运动经过12个星座称十二宫 大约每个月经过一宫 12个星座大小一同 12个宫则平均占30度 春夏秋冬1 双鱼宫4 双子宫7 室女宫10 人马宫2 白羊宫5 巨蟹宫8 天秤宫11 摩羯宫3 金牛宫6 狮子宫9 天蝎宫12 宝瓶宫黄道 太阳在天球上视运动的轨道 大学物理 天文学上的一些距离 月球 38 4万千米 平均 日地距离 15 000万千米 AU 金星 4 100万千米火星 2 5576万千米 2003年8月29日 6万年一次 大学物理 最近的恒星是半人马座的比邻星 距离地球4 3光年牛郎星 16光年 织女星 25光年 北极星 680光年银河系中最远的恒星 8万光年 大学物理 最近的星系 大 小麦哲伦星云 16万和19万光年仙女星系 220万光年远距离星系 几亿光年 上百亿光年 大学物理 星座和恒星名字古希腊人 分成48个星座 主要是北天的恒星1928年 国际天文学联合会把全天分为88个星座 其中沿用了很多希腊人起的名字各个星座大小不同 星数差别很大 大学物理 神话人物类 仙女座 仙王座 武仙座 猎户座 动物类 大熊座 小熊座 金牛座 杜鹃座 仪器用具类 罗盘座 时钟座 圆规座 六分仪座 显微镜座 望远镜座书中附录有星座表 大学物理 千亿颗恒星如何取名我国古代给一些亮星起的名字天狼 北斗 大角 牛郎 织女 造父国际命名方法 不能重名又要便于记忆姓 星座名名 该星座中的星以亮度排队以希腊字母 例如 小熊座 北极星 大学物理 希腊字母24个 故只能给2112颗星命名在希腊字母用完后接着再用阿拉伯数字继续排如小熊座6星 大熊座56星等 大学物理 其它天体命名星云和梅西叶天体 M天体 射电源 X射线源 射线源 红外源 紫外源超新星和超新星遗迹脉冲星和类星体河外星系 星表 最普通的命名法 名字 位置如脉冲星 PSR1133 16 大学物理 2 2地球的自转和公转哥白尼的贡献究竟是太阳绕地球转还是地球绕太阳转 行星运动规律的解释 引起宇宙观的革命缺点 太阳不是宇宙中心 太阳系只是银河系的普通一员太阳不是静止不动 也绕银河系中心运动哥白尼1543年提出日心说 到1846年才被完全证实 大学物理 地球自转和天体的周日视运动地球从西往东自转太阳东升西落星空也东升西落只有北极星例外天上的群星都绕北极星画出一个个大小不等圆圈 大学物理 大学物理 北极星变迁的原因 地轴进动地球是椭球体 并斜着身子绕太阳公转太阳和月球的引力对地球赤道隆起的部分产生一个力矩 导致地球自转轴绕黄极作缓慢的圆锥运动 黄极是地球轨道平面的法线方向 约2 6万年绕黄极转一周 大学物理 北极星的变迁现在是小熊座 公元前3000年是天龙座右枢公元14000年将是织女星 大学物理 地球的公转我们坐在快速行驶的火车上可以从路旁景物迅速地后退判断火车在运动 地球在轨道上运动 如果两旁有各种景物 我们也可以判断地球在运动 但地球的近处没有任何景物 只有远处的星空可以作为参照物 大学物理 恒星离我们太远 须长时间观测才会发现它们位置的变化 星空的四季变化是地球公转的最重要证据 地球的轨道运动自转轴与轨道平面的法线成230 53 大学物理 2 3四季星空在地球上只能看见背着太阳方向的天空中的恒星地球绕太阳的公转导致星空也随季节的变化而不同 大学物理 春季星空小熊座 星是北极星大熊座 大熊星座中有北斗七星 顺着斗勺边缘上两颗星的联线可找到北极星狮子座头部由六颗星组成 狮子座流星雨 大学物理 狮子座流星雨99年热点天象 流星雨暴 流星并非来自狮子座 是辐射点实际上是彗星喷发或分裂的流星群物质散布在其轨道上 每当地球穿越彗星轨道时 就发生流星雨 每年11月17日左右 地球穿越狮子座流星群 坦普尔 塔特尔彗星轨道 就发生流星雨 33年出现一次流星雨暴 原因是这个彗星的周期是33年 大学物理 大学物理 夏季星空银河横跨天空天鹰座牛郎星在银河的东岸天琴座织女星在银河的西岸天鹅座在银河中形如大 十 字天鹅座X 1 X射线源 大学物理 大学物理 天鹅座X 1 X射线源 是黑洞候者 黑洞看不见 但在双星系统中的黑洞可以感觉到它的存在 双星观测可以估计伴星质量 天鹅座X 1是密近双星 质量大于5 5太阳质量 是黑洞的最可能候选者 大学物理 秋季星空仙后座有五颗相当明亮的恒星排列成拉丁字母W的形状W字开口的一面正对着北极星仙女座肉眼可见 仙女座大星云是人类认识的第一个银河系以外的星系 大学物理 大学物理 仙女座大星云人类认识的第一个银河系以外的1920年美国科学院 宇宙尺度 大辨论仙女座大星云是否在银河系之外 没有结论 1923年哈勃证实仙女座的距离为90万光年 远在银河系之外确认是河外星系 大学物理 冬季星空猎户座有三颗亮星 好比猎人的腰带主星 参宿四 红超巨星大犬座天狼星 全天最亮的恒星双星系统 伴星是第一颗白矮星 大学物理 金牛座昴星团有七颗主要亮星蟹状星云和它的脉冲星1054年超新星爆发的遗迹 大学物理 大学物理 看星图星图种类繁多星图上的南北方向和普通地图相反使用地图時 平放在地上 使用星图時 須要把星图 高举过头 抬头看星空 大学物理 星空运转的规律1 地球自转导致整个星空从东向西围绕我们运转一周 恒星每小时自西向东运行15度 4分钟1度 2 地球绕太阳的公转 每年365天转一周 360度 每天约移动1度 这导致恒星每天大约提前4分钟升出地平线 或者过中天 大学物理 黄道十二宫和 星座文化 大学物理 星座能决定人的性格和命运吗 星座书 幸运星座 年 人出生的月份对应一个星座每个人都有一个星座 认识12个星座 星象学家 不同星座能够决定人的不同性格 一生机遇和机缘 大学物理 大学物理 不同星座对人会产生不同的影响吗 天体的辐射对地球的影响 太阳最大 其它恒星和星系的影响微乎其微 大学物理 引力可能产生影响引力影响 太阳最大 月球次之 和距离的平方成反比 恒星和星系 距离我们太遥远了 对地球的影响接近于零撞击地球彗星 小行星 陨星等撞击地球 影响大 但很少发生 大学物理 3 4天球坐标系借鉴地球的地理坐标基本点 北极 南极基本圈 赤道 纬圈 经圈 本初经圈纬度 经度 2020 3 18 49 可编辑 大学物理 纬度 从赤道面起算到北极0 90o到南极0 90o经度 从本初经圈起算 通过格林尼治天文台 向东方向 东经0 180o向西方向 西经0 180o杭州东经120度10分 北纬30度15分 大学物理 天球1 用肉眼或望远镜看天体 分不清它们的远近 好象是镶嵌在无穷远处的球面上 一个虚拟的天球 2 天球是以地球为中心 但这仅仅是一种方法 用起来方便 大学物理 3 太阳和太阳系的行星在天球上的视运动4 恒星也在运动 自行 短时期不会明显看出恒星在天球上的相对位置发生变化可以认为恒星固定在天球上 大学物理 天体位置 观测者和天体的联线与天球的交点视运动 天体在天球球面上的运动 大学物理 天球坐标系1 赤道坐标系2 地平坐标系3 黄道坐标系4 银道坐标系只要求掌握赤道坐标系 大学物理 赤道坐标系基本圈 赤道 纬圈 经圈基本点 北天极 南天极 春分点 3月21日 赤纬赤经 大学物理 赤道坐标系子午圈春分点地平圈赤道天极赤纬时角 赤经赤经从春分点起算 时角从子午圈算起 大学物理 春分点和秋分点 地球轨道面 黄道面 和赤道面的交点 大学物理 赤道坐标系天体M的赤纬从天赤道起算第一赤道坐标系 时角坐标系 时角从子午圈起算 顺时针时角随观测地不同 时间不同而变化 第二赤道坐标系 赤道坐标系 赤经从春分点起算 逆时针赤经不随观测地及时间而变化 大学物理 赤经参考点 春分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 大学物理 优越的赤道坐标系英国著名学者李约瑟评价 现代国际通用的是中国古代的赤道坐标系 而不是希腊古代的黄道坐标系 坐标值不随时间变化 也不受观测点地理位置的影响 可唯一确定恒星在天球上的位置 大学物理 问题 在地球上某处观测天体有没有永远不落的天体 有没有永远不升起的天体 大学物理 在地球的北极 北极星在头顶 地平圈与天赤道平行所有天体的周日平行圈与地平圈和天赤道平行所有的北天的天体都围绕着北极星转圆圈不会落到地平圈之下所有的南天的天体都看不到 大学物理 在地球赤道地区 地平圈与天赤道垂直所有天体的周日平行圈都与地平圈垂直没有永远不会落到地平线以下的星也没有永不升起的星星南天和北天的天体都可以观测 大学物理 在其它纬度地区 既有拱极星也有永不升起的星还有有升有落的星由赤纬与当地地理纬度决定 大学物理 2 5恒星距离和视差测距法测量距离的重要性我们肉眼只能知道恒星在天球上的投影的位置 不知道恒星的距离就不能确定恒星空间的真实分布 运动速度 辐射的真实强度 大学物理 距离单位恒星之遥远 远到无法用公里来做单位天文学家特别定义了3把不同的尺子1 天文单位太阳和地球之间的距离约1亿5千万公里 称为1个 天文单位 2 光年 光1年走的距离 大约10万亿公里 3 秒差距 pc 1秒差距等于3 26光年 大学物理 近处的恒星可以用三角测量法 大学物理 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 3 10 9光年 最近恒星4 3光年角度太小无法测量地球轨道提供3亿公里基线 情况好转 可用测恒星周年视差的方法估计距离 大学物理 周年视差观测某一恒星 隔半年再观测一次 由于地球绕太阳作轨道运动 我们是在相距2倍日地距离在基线两端观测这颗恒星的 结果可发现恒星在天球上的视位置会发生变化 也就是有视差 测量其视差 便可以得到距离 见右图 大学物理 大学物理 1秒差距的定义 见右图 对1个天文单位的距离 日地距离 视差为1角秒时的距离为1秒差距 pc 大学物理 1秒差距约等于3 26光年或30万亿公里恒星距离和恒星视差成反比恒星距离越远 它的视差越小恒星越近 视差越大距离 秒差距 l 视差 角秒 恒星距离非常遥远 视差极为微小 大学物理 哥白尼在创立日心学说时曾尝试测量恒星视差 以证明地球围绕太阳运转 但未成功 哥白尼之后经过了三百来年的努力 1838年才测量出第1颗恒星的视差 天鹅座61的视差为0 31角秒 它相当于从12公里处看一个1分硬币所成的张角 大学物理 周年视差的局限性利用三角视差法测定了大约7千颗较近的恒星的距离 绝大多数恒星距离太遥远 它们的视差位移小于0 001角秒 根本测量不出这样的小角度 大学物理 2 6恒星的星等和光度视星等公元前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 眼睛看起来最为明亮 1等星看起来比1等星稍暗一些 2等星再暗一些的 3等星 依此类推眼睛刚能看到的 6等星星的亮度越大 星等越小肉眼能见到的约有6000颗恒星 大学物理 视星等的科学性1850年 普森注意到 星等和亮度有一定的关系 星等按等差级数增加亮度按等比级数减小1等星比6等星大约亮100倍相邻2个星等的亮度差2 512倍取零星等的亮度 E 为单位普森公式 m 2 5 lgE 大学物理 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 大学物理 视星等和绝对星等的关系M m 5 5logDm表示目视星等 M表示恒星的绝对星等 D表示恒星的距离 以秒差距为单位 由D和m算出恒星的绝对星等M 天狼星的视星等是 1 45等 距离为2 7秒差距 绝对星等 1 5等 太阳离我们最近 看起来光辉夺目 它的目视星等达到 26 7等 绝对星等才只有 4 83等 大学物理 恒星的光度和亮度光度L luminosity 天体在单位时间内辐射的总能量 是恒星的固有量 亮度F brightness 在地球上单位时间单位面积接收到的天体的辐射量 亮度的大小取决于三个因素 天体的光度 距离和星际物质对辐射的吸收和散射 大学物理 光度单位 尔格 秒适用于光学 红外 紫外 射电 及 射线波段 恒星之间的光度差别非常大 超巨星 天津四 的光度比太阳约强五万倍 天狼星的伴星是一颗白矮星 其光度不到太阳的万分之一 大学物理 光度和体积 温度的关系恒星的光度由其温度和表面积决定 温度愈高光度愈大 表面积愈大光度也愈大 光度大的恒星叫做巨星 光度比巨星更强的叫超巨星 光度小的称为矮星 光度大的巨星 体积也大 光度小的矮星 体积也小 大学物理 2 7其它测距法分光视差法造父变星法红移法H R图法超新星法 大学物理 1分光视差法测距离1902年 丹麦天文学家发现恒星光谱中电离锶谱线的强度和恒星的绝对星等有关系 1914年 美国天文学家建立起利用光谱谱线强度确定恒星视差的方法 测定出未知距离的恒星的特征谱线强度比率后就可求出绝对星等 再利用视星等 绝对星等和距离的关系式 求出恒星的距离 非常暗弱的恒星不可能获得光谱资料 分光视差法失灵 大学物理 2造父变星法1784年 发现仙王座 星是变星 我国叫做 造父一 造父一最亮时是3 6等 最暗时是4 3等 周期性变化 5 37天 后来发现的造父变星越来越多 成为一种类型 造父型变星 造父变星的光变曲线 变化周期几天至几月 大学物理 造父变星的周光关系勒维特是美国一位两耳失聪的女天文学家 研究小麦哲伦星云中1777颗变星 其中25颗造父变星 测到视星等 从12 5等到15 5等 光变周期 从2天到120天 发现了造父变星的周光关系 大学物理 造父变星越亮光变周期越长测出一批知