天文学导论复习.docx

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（the solar day），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 Balmer Series：可见光波段 莱曼线系 Lyman Series： 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 (atmospheric window)：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)=1.5x108千米，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= 4-5 g/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 6x1024 kg半径 6400 km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：0.7-1.7 g/cm3，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( 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 5 X 104 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 5103- 4104 K：光谱O到K型 暗弱 仅很近的白矮星才易观测到 单星或双星成员十 大质量恒星演化脉动变星 造父变星（Cepheid variables）：最高质量最亮的脉动变星 原型：Delta Cepheid 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 = 8x108 K C 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： L107-1010 L 爆发能 E1047-1052 ergs（其中中微子占99%，动能占 1% ，可见光辐射占 0.01%） 膨胀速度 v103-104 kms-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 表层大气 cm（没显示） 外壳 0.3 km, 固态金属（Fe, e） 内壳 0.6 km, 原子核、游离中子、电子 内部：超流中子和超导质子 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：l 宇宙是各向同性的l 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 H071 km/s/Mpc 宇宙年龄 137亿年 宇宙大爆炸中心在哪里？l 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十二 星系椭圆星系 主要由星族恒星构成，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 H0D 其中H0为哈勃常数 (Hubbles constant)根据成员星系的多少（形状），星系聚集为 星系群 (group of galaxies) 星系团 (cluster of galaxies)本星系群 由银河系、仙女星系（M 31）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，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：100-300 Mpc 宽：50-100 Mpc 厚：5-10 Mpc 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（引力总）质量（太阳单位）/ 光度（太阳单位）光度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？l 取决于其中所含“物质”的多少l 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”l 一个天体表面的逃逸速度由其平均密度决定l 宇宙的“逃逸速度”同样由其平均密度决定 宇宙的临界密度6 H / m32. 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l 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l 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l 强核相互作用力l 电磁力l 弱核相互作用力l 引力5. 多重宇宙 第一层平行宇宙l 平直宇宙是无限的，包含无限多个相似的平行宇宙l 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)l 没有开始没有结束的永恒暴胀l 量子涨落：某些区域膨胀慢，其暴胀很快结束l 回答了我们的大爆炸之前是什么l 新的大爆炸持续产生 第三层平行宇宙(第二层宇宙的集合)l 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)l 包括一切的情形，各种行为的宇宙都是可能的十四 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l 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l 星系群：数十个星系，结构松散，3Mpcl 星系团：数千个星系，结构规则，2-10Mpc 本星系群l 银河系所在的星系群，大小约3Mpc，至少50个星系l 两个棒旋星系：银河系、仙女星系M31l 一个旋涡星系：三角星系M33l 几个椭圆星系和矮星系l 30个更小的矮星系l 不规则星系：大、小麦哲伦云等l 大部分矮星系分别是银河系、仙女星系的卫星星系l 仙女大星系 M31u 本星系群内质量最大的星系u 距离 770 kpc，直径 60 kpcu SBb型棒旋星系l 三角星系M33u 本星系群内第三大星系u 距离 720 kpc，直径 18 kpcu Sc型旋涡星系l 大、小麦哲伦云(LMC/SMC)u 银河系的伴星系u LMC：距离 50kpc，质量 21010M，直径10kpcu SMC：距离 60kpc，质量 4109M，直径 6kpcu 大量的年轻恒星和中性 H 气体 星系团l 矮星系数量远多于巨星系l 巨星系占据大部分恒星质量l 旋涡星系常见l 1/4星系团中，椭圆星系主导l 近邻星系团：室女星系团、后发星系团l 室女星系团u 距离16.5Mpcu 直径 3 Mpcu 成员星系 2500个u 大部分星系是旋涡星系u 中心是被热气体的X射线环绕的3个巨椭圆星系M87等l 后发星系团u 距离 90 Mpcu 直径 3Mpcu 成员星系 6700u 以巨椭圆星系和S0星系为主u 椭圆星系聚集在星系团中心u 旋涡星系分布在外围 超星系团l 由多个星系群和星系团所组成的更大结构l 含数万-数十万个星系l 尺度30 Mpcl 室女超团：本星系群+室女星系团+l 星系红移巡天：测量大量星系的距离u 由星系光谱测量星系的红移u 利用哈勃定律得出星系的距离u 绘制宇宙的结构l 距离最近的大尺度结构：超星系团和长城l 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.