天文学导论复习资料

第一讲 天文学导论古希腊天文学：毕达哥拉斯，亚里斯多德（地球中心学说），托勒密的地球中心学说天文学的发展期：哥白尼、第谷、开普勒和伽利略牛顿的万有引力定律爱因斯坦的相对论开普勒第一定律：（轨道形状）所有行星皆以椭圆轨道环绕太阳运行，而太阳位于椭圆的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近日点，运动最快远日点，运动最慢开普勒第三定律：（轨道周期）行星公转周期的平方和其到太阳的平均距离的立方成正比(公转周期)2 = (常数) x (平均距离)3 第二讲 天体的视运动月相与食无关天体的视运动月全食时月亮变为黄铜色或血红色，这是由于地球大气中的尘埃颗粒折射阳光中的红光并到达月球所致内行星：水星，金星外行星：火星、木星、土星、天王星和海王星头顶的星空取决于你在地球表面上的位置和当地时间北京时间正午12点（东经120度）时，北京地方时（东经116.5度）即太阳时为11点46分，所以此时北京的太阳在子午线以东约3.5度，再过约14分钟北京“真”正午南北天极：不变的参考点北天极：北极星 南天极：南十字座天赤道：不变的参考点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=地平线天顶、地平线和子午线：本地参考系天顶和子午线的位置不随观测者的地平线移动相对于星星来讲，天顶和子午线的位置在变天体的运行（圆弧）轨迹与地平面的夹角为：90 度-观测者所在地理位置的纬度（=天赤道与地面夹角）在北极：所有星星沿与地平面平行的圆轨迹运行，从不下落赤道上：所有星垂直于地平面升起和下落“可见所有星”太阳在天球上的视运动轨迹称为黄道太阳日=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，均为23小时56分月球回到原处（相对于恒星）的周期约为27.323 天，此为恒星周期两个天体之间的距离常用它们与观测者之间的夹角表示，即角距北京：东经116度22分；北纬39度58分本初子午线：格林尼治天文台把地球的经度、纬度投影到天球上便成为天球的赤道坐标系赤纬：从天赤道开始至两极 Dec 90，90 度赤经：用小时、分和秒的时间单位来表示，并由西向东由0增加到24小时赤经的计算起点为春分点，在天赤道上由西向东分为24小时地球“24小时”自转一周360度 赤经1小时对应地球自转15度 对于赤经相差1小时的两颗恒星，例如，RA2-RA1= +1小时： 恒星1比恒星2早1小时通过你的子午线（上中天） 如果不是拱极星，恒星1比恒星2早1小时从东方升起某地某时刻的恒星时等于此时此刻位于子午线上的恒星的赤经（天球上与子午线重合的赤经）赤经小于地方恒星时的恒星位于子午线以西赤经大于地方恒星时的恒星位于子午线以东一颗恒星的时角、赤经和当地的恒星时之间的关系为 = ） 0, 在子午线以西（ 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 单星或双星成员第十讲 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射线辐射第十一讲 银河系银河系的整体结构(1)银盘(disk) ：旋臂 (2) 核球(bulge)：棒状(3) 球状星团（150） (4) 银晕(halo) (5) 银冕(corona银河系的自转是较差（非刚体）转动银河系的旋涡结构 银盘 构成：星族I恒星、气体和尘埃 直径：D 30 kpc 10万光年 厚度：h 70-300 pc D h 显著特征为旋臂 正发生恒星形成核球和银心 核球（银心）在人马座方向，椭球形？，大小 64 kpc， 恒星分布十分密集 强射电、红外和伽马射线源：Saggitarius A *（Sgr A* ） 人马座最强的射电源第十二讲 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，暗物质含量越多第十三讲 活动星系核活动星系核种类繁多，并相互交叉。观测上主要分为4种类型：Radio galaxies 射电星系Seyfert galaxies 赛弗特星系Quasars 类星体BL Lac objects 蝎虎（座）BL Lac天体1。活动星系核的观测特征1.1 高光度1.2 快速光变1.3 非热连续辐射,高偏振辐射1.4 （射电波段）特殊形态：亮核、喷流、不规则形态1.5 强发射线：中心区高能辐射对周围气体的电离（金属线）1.6 寄主星系 Host galaxy：暗淡2。活动星系核的主要类型2.1 射电星系2.1.1 致密型：致密型射电星系的射电像与光学像一致或稍小，也称为核射电星系的形态特征： 晕射电星系。射电辐射来自核心延展型：延展射电星系的射电像大于光学像，常为双瓣结构，长达1Mpc。射电辐射主要来自双瓣它们本质上是一致的，可能是由于观测者视线方向的不同造成的2.2.2射电星系的基本特征：射电光度（1042-1045ergs-1）远大于正常星系（1037-1039ergs-1） 射电辐射一般具有非热性质 寄主星系大多数是椭圆星系。它们往往是星系团中光度最高、质量最大的星系具有复杂的射电结构Cygnus(天鹅座)A：典型的双瓣结构；最亮的射电源室女星系团中心的巨椭圆星系;第一个观测到(光学)喷流的星系。Centaurus (半人马座 ) A: 非典型巨椭圆星系，可能是星系并合而成，环形尘埃带（兰巨星）2.2 赛弗特星系2.2.1赛弗特星系是旋涡星系，具有不寻常的类似恒星的亮核，而且其光学谱有许多突出的发射线2.2.2根据发射线宽度的不同，赛弗特星系分为: I 型同时具有很宽的H线和相对较窄的电离金属线;型仅有窄线I型 II型2.2.3赛弗特星系是强X射线源，弱射电辐射X射线辐射的快速（分钟）光变致密核紫外、X射线辐射+照射并加热核心周围的气体而产生发射线不同类型赛弗特星系的差别可能是由于观测者视线方向的不同引起2.3 类星体3C 273：第一个类星体类星体是观测到的最遥远、最年轻、也是辐射功率最大的河外天体类星体通常有喷流，射电喷流通常有双瓣结构与类星体相比，它们的寄主星系十分黯淡2.4 蝎虎天体最亮、变化最激烈的活动星系核原型：蝎虎座BL （1929年发现, 恒星状，有暗弱包层1968 证认）: BL Lac (2200+420)2.4.1蝎虎天体的显著特征在相同红移（距离）处，BL Lac 天体比类星体亮（光度）10-100倍非热连续谱主导，发射线极弱或完全观测不到在射线波段辐射主要能量，同时有强烈的射电、红外、光学、紫外和X射线辐射，高偏振在TeV能段，绝大部分河外源是blazars 寄主星系是椭圆星系大幅度、短时标光变 致密核3。活动星系核的理论模型 AGN的活动性源于星系的核心区域的超大质量（106-1010 M）黑洞，黑洞的物质吸积提供了活动星系核的能源 黑洞吸积的物质来自于星系核心附近的气体（或恒星碰撞和星系间碰撞而剥离出的气体 )爱丁顿 Eddington光度：一个稳定天体：辐射压 = 引力AGN的类型与喷流和视线的夹角有关AGN的外部结构与辐射黑洞（能源）吸积盘（X-ray/UV辐射)喷流（射电）寄主星系（供给养料）5。超大质量黑洞的观测证据 观测步骤： 高分辨率观测 核区大小； 核区附近气体/恒星运动 核区质量； 质量/空间尺度比 黑洞？第十四讲 宇宙学 宇宙学原理：无论身处宇宙的何处，“观测者”所看到的宇宙都是相同的 物理规律的普适性 宇宙学原理的两个推论： 宇宙中的物质分布是均匀的（空间尺度足够大） 宇宙是各项同性的 宇宙学原理表明宇宙既要均匀又要各项同性宇宙在膨胀超新星观测支持宇宙膨胀在加速物质相互作用的四种力 强度 作用 范围(m) 强（相互作用）力 1 束缚核子 1