天文学基本知识

1、天文学基本知识 马壮天文学是一门古老而又新兴的 科学。说它古老，是因为早在五千年 前的古代中国文明时期，我国劳动人 民就已经运用太阳星辰的运动规律 来指导农耕生产了。说它新兴，是因 为即使是在科学技术高度发展的当 今，天文学仍然是推动科技理论发展 的两大原动力之一。（另一个是粒子 物理学）。因此，完全可以说，天文 学在整个自然科学体系中的地位并 不亚于牛顿三定律在经典物理中的 重要作用。天文学既自成体系，又和其它学 科，尤其是近现代物理相互融合，形 成了她的特点和知识内容。她既博大 精深，又细致通俗。这使得爱好并研 究天文学的同学们都找到了自已合 适的位置，并得到了无穷的乐趣和满 足。目录第

2、一 讲天 文 学 概念（3）1、 天文学概念（3）2、 天文学研究的特点 （3）3、 天文学的研究对象 （3）4、 天文学名词 （4）第 二 讲天 文 学 发 展 历史 （5）1、 天 文 学 发 展 历程 （5）2、 天 文 学 学 科 的 分类 （5）第 三 讲天 文 学 内 容 概述 （6）1、 天体测量学 （6）2、 天体力学 3、 天体物理学 （7）第四讲四季星空 （11）一、宇宙（11）2、 银河系 （12）3、 太阳系 （14）4、 四季星空 （17）第 五 讲 天 文 与 时间 （26）1、 太 阳 周 年 视 运动 （26）2、 月亮视运动 （29）3、 行星视运动 （31）

3、四、时间系统 （34）第 六 讲现 代 天 文 学 成(39)器 （39）二、实用天文学发展的极至一一GPS全球星定位系统 （40）三、探索宇宙新视野一一哈勃太空望远镜 （41）第 七 讲 著 名 天 文 学 家 简介（41）1、 近代天文学 的奠基人一一哥 白尼 （41）2、 天 空 立 法 者 一 一 开 普勒 （41）3、 预 报 彗 星 第 一 人 一 一 哈雷 （42）4、 恒 星 天 文 学 之 父一 一赫 歇尔 （42）第 八 讲天 文 学 若 干 问题 （43）一、恒星的“生”与“死”（43）二响三吗四年、彗星或小行星的袭击对地球的影（44）人 类 能 找 到 外 星 人（44

4、）经度的故事： 人类摸索 了两千（46）第一讲天文学概念一、天文学概念天文学属自然科学的基础学科。主要研究天体的分布、运动、位置、状态、 结构、组成、性质及起源和演化。在古代，天文学还与历法的制定有不可分割的 关系。天文学与其他自然科学不同之处在于， 天文学的实验方法是观测，通过观 测来收集天体的各种信息。因而对观测方法和观测手段的研究，是天文学家努力 研究的一个方向。物理学和数学对天文学的影响非常大， 他们是现代进行天文学 研究不可或缺的理论辅助。二、天文学研究的特点天文研究工作不同于其它学科的研究，具有以下四个特点：1. 被动性天文研究的手段主要是观测被动地观测，它不能像其它学科那样，人为

5、地设计实验， “主动” 地去影响或变革所研究的对象，只能 “被动” 地去观测，根据已经存在的事实来进行分析。 天文研究的过程可以用来简单地概括：观测一-积累资料一-分析资料一- 理论2. 粗略性由于天文观测的被动性，不可避免地带来了天文观测的粗略性，我们不妨作一个比较。在地球上要证明一个理论是否正确，可以采用不同的方法，可以设计很多不同的方案或实验，达到理论要求的精度，而在宏观世界中，由于观测仪器的分辨度，灵敏度等的限制，以及观测手段的单一性单靠望远镜，所以，在一定时期内，为了研究一个问题，只能依靠仅有的几种方法，或是仅有的几个不太准确的数据来粗略估计。这与在地球上的实验对比起来，表现出单一性

6、和粗略性。而且，越是深远的天体，越是前沿的课题其粗略性就越严重。因此从某种意义上来说，天文学的发展与天文仪器（或更准确地说是观测手段）的发展直接相关。3. 瞬时性让我们来比较下面三组数据：天体的年龄几百万年百多亿年人类文明几千年人的一生几十年百年左右从比较中我们不难看出，人类研究天体的演化仅是短短地一瞬间，就像是在人类文明诞生的时候对宇宙拍了一张极高精度的照片，而人类文明发展和延续的过程，就是用不同倍数（越来越大）的放大镜来观察这张照片一样，人类为了征服自然获得自由，而不断研究周围的宇宙。他们观测天体的主要目的，就是想了解各种天体的形成或演化过程，以便以后很好地加以利用。4. 长期性和连续性任

7、何理论的形成都建立在大量的数据之上，天文学也不例外，而且对天文观测数据的积累则更是长期的、持续不断的。只有这样的数据才是有用的，才能在此基础上得出相对正确的理论。开普勒 正是在其老师第谷 花费毕生精力留下的行星观测资料中发现了三大定律。 第一颗脉冲星的发现正是在距今900 多年的历史记载中找到了其形成的证据等等。即使是最平常的天文观测（如：太阳、月球、变星、双星）也需要几天以至于几十年的持续观测，才能有所收获，得出结论。因此，天文工作者必须要具有持之以恒的毅力和认真细致的工作态度，否则就连皮毛都不可能学到。综上所述，我们可以给天文学下一个定义：所谓天文学就是在极其“短暂”的千百年的时间里，以基

8、本上“被动”的观测方法面向广阔无边的宇宙空间，探索各类天体在漫长历程中的存在和演变的一门学科。三、天文学的研究对象天文学的研究对象是各种天体。地球也是一个天体，因此作为一个整体的地球也是天文学的研究对象之一。最初， 古人观察太阳、月球和天空中的星星来确定时间、方向和历法，并记录天象。随着天文学的发展，人们已经探测到了200 亿光年的范围，根据尺度和规模，天文学的研究对象可以分为：1. 行星系统包括行星、围绕行星旋转的卫星和大量的小天体，如小行星、彗星、 流星体。太阳系是目前能够直接观测的唯一的行星系。但是宇宙中存在着无数像太阳系这样的行星系统。2. 恒星系统现在人们已经观测到了亿万个恒星，太阳

9、只是无数恒星中很普通的一颗。3星系系统人类所处的太阳系只是处于由无数恒星组成的银河系中的一隅。而银河系也只是一个普通的星系，除了银河系以外，还存在着许多的河外星系。星系又进一步组成了更大的天体系统星系团。4. 宇宙一些天文学家提出了比超星系团还高一级的总星系。按照现在的理解，总星系就是目前人类所能观测到的宇宙的范围，半径超过了100 亿光年。在天文学研究中最热门、最前沿的课题之一就是关于宇宙起源与未来的研究。对于宇宙起源问题的理论层出不穷，其中最具代表性，影响最大，也是最多人支持的的就是1948 年美国科学家伽莫夫 等人提出的大爆炸理论。根据现在不断完善的这个理论，宇宙是在约137 亿年前的一

10、次猛烈的爆发中诞生的。然后宇宙不断地膨胀，温度不断地降低，星系开始形成，并逐渐演化为今天的样子。5. 现代天文学研究的领域非常广泛，有许多非常热门的研究课题。例如： 引力的本质、脉冲星、黑洞和丫射线暴等等。四、天文学基本名词任何一门学科，一个知识体系都是由一些较基本的概念和名词组成的。天文学也一样。下面为了能够初步接触天文学，先介绍若干天文学的基本名词，作为入门的第一步。1. 天体又名星体： 顾名思义为天空中的物体。更广泛的解释就是宇宙中的个体。宇宙-银河系-星云、 太阳系：太阳-水星-金星-地球-月球-行星 - 彗星 - 卫星 - 小行星 - 陨石2. 太阳系： 太阳系的中心是太阳，虽然它只

11、是一颗中小型的恒星，但它的质量已经占据了整个太阳系总质量的99.85。 太阳以自己强大的引力将太阳系中所有的天体紧紧地控制在他自己周围，使它们井然有序地围绕自己旋转。同时，太阳又带着太阳系的全体成员围绕银河系的中心运动。太阳系内迄今发现了九颗大行星。有时称它们为“九大行星”。按照距离太阳的远近，这九大行星依次是： 水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星以及最远的冥王星。水星、金星、地球和火星也被称为类地行星。除了水星和金星外，其他的行星都有卫星。在火星和木星之间还存在着数十万个大小不等，形态各异的小行星，天文学家将这个区域称为小行星带。此外，太阳系中还有超过1000 颗的彗星，以及

12、不计其数的尘埃、冰团、碎块等小天体。太阳系中的各个天体主要由氢、氦、氖等气体，冰（水、氨、甲烷）以及含有铁、硅、镁等元素的岩石构成。类地行星、地球、月球、火星、木星的部分卫星、 小行星主要由岩石组成、木星和土星主要由氢和氦组成，其核可能是岩石或冰。3. 天球天球就是以观测者为球心，以无限大为半径所描绘出的假想球面，我们看到的天体（星星、月亮、太阳）是其在这个巨大的圆球的球面上的投影位置。4. 天体周日视运动由于地球自转（自西向东），所以地面上的观测者看到的天体在一天中在天球上自东向西沿着与转轴垂直的平面内的小圆转过一周。5. 子午圈过观测者的天顶和南北天极的大圆。6. 中天天体经过观测者的子午

13、圈时，叫做中天。由于地球的自转，天体一天要穿过子午圈两次，其中离观测者天顶较近一次叫上中天。另外一次叫下中天。7. 黄道简单的说就是太阳在天球中的运行轨迹。由于运动的相对性，所以黄道也就是地球公转轨道与天球的投影。8. 目视星等公元前2世纪，希腊天文学家伊巴谷将恒星按照其亮度分为六等。亮度越大,星等越小。后来发现，一等星比六等星约亮100 倍，所以定义“目视星等”每差一等，亮度差2.512 倍。如果比一等星还亮2.512 倍为 0 等，比 0 等星还要亮2.512倍的为一1等依次类推。下面是一些较亮天体的目视星等:天狼星（大犬座a） 1.6等、金星（大距时）4.4等、木星2.7等、满月 12.

14、7 等 、太阳 26.7 等。9.太空：外层空间简称指的是地球稠密大气层之外的空间区域，并没有明确的界线区分。一般定义为大约距离地球表面100 千米之外的空间。又称为宇宙空间。思考题 11. 何谓天文学？2. 何谓天文学研究的特点?3. 何谓天文学的研究对象?4. 何谓天体、太阳系、天球、天体周日视运动、子午圈、中天、黄道、目视星等、太空?5. 简述研究天文学的意义?第二讲天文学发展历史一、天文学发展历程天文学的历史已经有几千年了。古代的天文学家通过观测太阳、月球和星星等天象，确定了时间、方向和历法。这也是天体测量学的开端。如果从人类观测天体，记录天象算起，天文学的历史至少已经有5、 6 千年

15、了。天文学在人类早期的文明史中，占有非常重要的地位。埃及的金字塔、欧洲的巨石阵都是很著名的史前天文遗址。在古代，人们只能用肉眼观测天体。2 世纪时，古希腊天文学家托勒密 提出的地心说统治了西方对宇宙的认识长达1000 多年。 直到16世纪，波兰天文学家哥白尼 才提出了新的宇宙体系的理论日心说。到了 17 世纪，意大利天文学家 伽利略 创制了天文望远镜，第一次看到了太阳、月球和一些行星的表面。也在 同时代， 牛顿 创立的牛顿力学使天文学出现了一个新的分支学科天体力学。天体力学的诞生，使天文学从单纯描述天体的几何关系和运动状况进入到研究天体之间的相互作用和造成天体运动的原因的新阶段，在天文学的发展

16、历史上，是一次巨大的飞跃。19 世纪中叶天体摄影和分光技术的发明，使天文学家可以进一步深入地研究天体的物理性质、化学组成、运动状态和演化规律，从而更加深入到问题的本质， 从而也产生了一门新的分支学科天体物理学。这又是天文学的一次重大飞跃。20 世纪50年代，射电望远镜开始应用，到了20 世纪 60年代，取得了称为“现代天文学四大发现”的成就：微波背景辐射、脉冲星、类星体和星际有机分子。而与此同时，人类也突破了地球的束缚，发射了太空望远镜，可以到天空中观测天体。除可见光外，天体的紫外线、红外线、无线电波、X射线、丫射线等都能观测到了。这些使得空间天文学得到了巨大的发展，也对现代天文学的成就产生了

17、很大的影响。二、天文学的分支学科天文学的分支主要可以分为理论天文学与观察天文学两种。天文学观察家常年观察天空，并将所得到的信息整理后，理论天文学家才可能发展出新理论，解释自然现象并对此进行预测。天文学中习惯于按照研究方法和观测手段来分类：按照研究方法可分：天体测量学、天体力学、天体物理学。按照观测手段可分：光学天文学、射电天文学、红外天文学、空间天文学。其它更细分的天文学分支学科还有：天文学史-业余天文学-宇宙学-星系天文学-超星系天文学-远红外天文学-伽马射线天文学-高能天体天文学-无线电天文学-太阳系天文学-紫外天文学 -X 射线天文学-天体地质学-等离子天体物理学-相对论天体物理学-中微

18、子天体物理学-大地天文学-行星物理学-宇宙磁流体力学-宇宙化学-宇宙气体动力学-月面学-月质学-运动学宇宙学-照相天体测量学-中微子天文学-方位天文学-航海天文学-航空天文学-河外天文学-恒星天文学-恒星物理学-后牛顿天体力学-基本天体测量学-考古天文学-空间天体测量学-历书天文学-球面天文学-射电天体测量学-射电天体物理学-实测天体物理学-实用天文学-太阳物理学 -太阳系化学-星系动力学-星系天文学-天体生物学-天体演化学-天文地球动力学-天文动力学。业余天文学就是通常意义上的天文爱好者所从事的天文活动。一般采用天体观测的形式，通常使用可移动式望远镜和肉眼进行观察。虽然对多数天文爱好者来说，

19、科学研究不是其主要目的；但在对可见星的观测，小行星的追踪、彗星、 流星的报告等等方面，都做出了贡献。而这些成果仍然是吸引其他爱好者们继续做出贡献的重要途径之一。一些天文爱好者常常进行集体观测活动，这样的集体活动被称为交流会（star party ） 。初学者 在初次学习观测时，最好从辨认星座和行星开始。星座是在夜空中的一个很好的标志物，可以对很多肉眼可见的天体进行定位。思考题 21简述古代天文学的成就？2简述近代天文学的成就标志？3简述现代天文学的成就标志？4简述天文学分支学科？5何谓业余天文学、初学者？第三讲天文学内容概述一、天体测量学天体测量学是天文学中最古老也是最基本的一个分支，主要是研

20、究和测定天体的位置和运动，建立基本参考坐标系和确定地面点的坐标。测量天体就必须知道天体的位置和天体的距离。对天体位置的确定可以通过在天球上建立坐标系的方法来实现。根据天球的理论，我们将地球的赤道面无限延伸，令其与天球相交的大圆为天赤道。 地球自转轴与天球的交点分别为南北天极。过两天极的大圆称为赤经圈或时圈。 黄道与天赤道有两个交点，其中的升交点（即春分点）被定为赤经零度。赤纬的定义方法与地球纬度的定位相同，天赤道以北为正，以南为负。这样，每个天体的位置就可以通过由赤经和赤纬构成的一对数表示。关于天体的距离，这里仅介绍三个天文学中常用的单位光年，天文单位和秒差距。光年大家都比较熟悉，就是光一年所

21、走的路程。1光年=365X 24X 3600X 30万公里=94605亿公里。可见是多么远的一段距离。下面是一些典型的距离比邻星（离太阳最近的恒星）4.22光年银河系直径10 万光年宇宙深度（大小）150亿光年一个天文单位为地球到太阳的平均距离约 1.5 亿公里。 天文单位在研究太阳系内部天体时是比较常用的单位。秒差距 是由于一年中地球在轨道上的运动而产生的天体在天球上视位置的微小变化叫做周年视差，如果天体的周年视差为1角秒，那么定义它的距离就是一个秒差距。1秒差距 =3.2616光年 =206265天文单位二、 天体力学天体力学是建立在牛顿万有引力定律基础之上的，主要研究天体在引力作用下的运

22、动状态问题。具体牵涉的是一些复杂的计算，在这里仅介绍两个小内容。1. 地球的岁差由于地球的自转，我们可以把地球想象成一个旋转的陀螺。解决陀螺旋转的问题， 力学上有专门的理论。地球的旋转满足刚体绕定点转动中的拉格郎日情况。2. 地球的章动地球将既绕一中心轴进动，又在进动轨迹平均位置附近做微小摆动称章动。其中的进动就叫做地球的岁差，其周期大约是25800年，章动周期是18.6 年。?地球的岁差反映在天球上就是天极点的运动。也就是说，随着岁月的流逝，天极点将在天球上画出一个大圆。我们知道，现在的北天极几乎指向北极星，那么，再过1.3万年后，北天极将指向织女星（天琴座 a）,那时的人们在晚上将定义织女

23、星为正北方, 大恒星织女亦称为北极星。三、天体物理学天体物理学用物理学的知识和手段来解释我们利用天文观测设备以及探测器所获得的天体的各种信息，是天文学和物理学的分支学科。天体物理学几乎包括了现代天文学的所有方面，对它的介绍被归入天体演化学部分。四、光学天文学谈到光学天文学免不了要提及望远镜。从种类上分，望远镜主要有四种1. 伽利略式（折射式）由凸透镜物镜和凹透镜目镜组成。由于放大率低，不适于天文观测。2. 开普勒式（折射式）目镜和物镜都由凸透镜组成, 视场较大。3. 牛顿式（反射式）物镜是一个凹面镜。特点是口径一般较大。4. 施密特式（折反射式）由于在物镜前加了一个改正镜，可以做到无球差，视场

24、大， 而且也可以制造得很大。 目前世界上最大的施密特望远镜位于德国陶登堡史瓦西天文台，改正镜口径为 1.34 米。下面我们再来了解一下绝对星等的概念前面讲了目视星等，我们知道天体的视亮度不仅与天体本身的发光强度有关， 还和天体离我们的距离有关。为了能够反映天体本身的真实发光强度，我们把天体假想置于距离地球10 秒差距处所得到的目视星等就是该天体的绝对星等。太阳的目视星等是26.74 等，但如果假想把太阳移到离我们10 秒差距处，我们将发现它只不过是一颗非常普通的五等小星。太阳的绝对星等是4.85， 而天津四（天鹅座a ）的绝对星等是-7.3。五、射电天文学射电天文学是通过射电天文望远镜接收到的

25、宇宙天体发射的无线电波信号来研究天体的物理、化学性质的一门学科。射电天文学诞生于20 世纪 30 年代。1931 年， 美国贝尔实验室的央斯基 用天线阵接收到了一个周期24 小时的干扰电波。经分析，他认为这个无线电波来自银河系中心，并于1933 年公布了这一发现。随后美国人雷伯 在自家的后院建造了一架口径9.5 米的天线，并在1939年接收到了来自银河系中心的无线电波。雷伯根据自己的观测结果绘制了第一张射电天图。射电天文学从此诞生。雷伯本人被尊称为“射电天文学之父”。六、 空间天文学空间天文学是在高层大气和大气外层空间区域进行天文观测和研究的一门学科。 从上一节的介绍我们知道，只有光学窗口和射

26、电窗口波长范围内的电磁辐射可以无阻挡地到达地面。为了得到其他波段辐射的信息，就不得不在地球大气层以外进行接收。随着现代高科技的发展，我们可以通过向太空发射观测卫星，太空望远镜及建立空间站来达到目的，这就诞生了空间天文学。由于观测波段不同，可以分为X射线天文学，丫射线天文学，紫外天文学，行星际空间探测，红外天文学等。七、天体演化学天体演化学可以说是近现代天体物理的中心。它包罗万象，近到地球，远到宇宙深空，几乎包括了全部观测和研究对象。下面将按由小到大，由低到高的层次顺序逐一简介。1. 太阳其中光球层、色球层、日冕层统称为太阳大气，光球层之下的对流层、辐射区、 核反应区称为太阳内部。从太阳中心至约

27、四分之一太阳半径处，集中了太阳物质质量的一半，称此区域为核反应区。这个区域的温度高达1500 万度，压强达 2500 亿个大气压，使氢核聚变为氦原子核成为可能。太阳所发射能量的99就是从这产生的。从核反应区至0.8?太阳半径处存在着一个辐射区，这个区包含有太阳总物质的10。再往外就是对流区。由热核反应所释放出的能量以辐射方式通过辐射区向外传输，而在对流区，能量向外传输的主要方式是对流。光球是太阳最外面的一层，厚约 500 公里。 由于光子在该层很少被再吸收或散射， 因而能通过它上面的色球、日冕传播到周围空间。我们肉眼所直接看到的太阳表面层就是光球层。光球层上还有很多新的结构和现象，比如说黑子、

28、光斑等。色球介于光球层和日冕层之间，厚约2000 公里。一般只有在日全食时才能看到，通常由于地球大气散射阳光而形成的较亮的背景光掩没了色球所发出的光。 在日全食食甚的短暂时间中，日面边缘呈现出的狭窄的玫瑰红色的发光圈层就是色球层。色球层的很多现象都是现在所没有解释清楚的。如：日珥、耀斑、谱斑以及最令人难以置信的从色球层到色球日冕过渡区的反常升温。日冕层是太阳大气的最外层，由高温、 低密度的等离子体组成。日冕层的气体温度继续反常上升，高达几百万开。使引力不足以束缚热电离气体粒子，从而导致其不断向外流出，形成被称为太阳风的粒子流。2. 太阳系太阳系位置大家都知道，太阳系位于银河系内，其星体位置是在

29、离银河系中心10 千秒差距，偏银面向北约8 秒差距处。太阳、行星、卫星太阳是一颗很普通的恒星，恒星是由炽热气体组成的能自己发光的球状或类球状天体。在太阳系中只有太阳自身会发光，其它天体都是因为反射太阳光才被我们发现的。在椭园轨道上环绕太阳运行的近似球状的天体被称为行星。太阳系目前有九大行星。 按从内到外的顺序依次是水星、金星、 地球、 火星、 木星、 土星、 天王、海王和冥王星。为了研究问题方便以及按各行星本身特点不同，九大行星又有不同的分类:I类地行星1I类木行星1水星 金星 地球 火星 （小行星带）木 土 天王 海王 冥王匚地内行星1地外行星1由于行星质量、大小、 密度以及化学组成不同可以

30、把九大行星分为类地行星和类木行星；根据各行星与地球的相对位置，又将它们分成地内行星和地外行星；分布于火星与木星轨道之间，沿椭园轨道绕太阳运行的小天体构成一个小行星带。 卫星是绕行星运行的天体。月亮就是地球的卫星。卫星的研究对太阳系的形成，地外生物存在的可能性等方面都有重大意义。太阳系其它天体A、彗星：在扁长轨道上绕太阳运行的一种质量较小的天体，呈云雾状的独特外貌。 彗星的外貌和亮度随着它离太阳远近而显著变化。当它远离太阳时，呈现为朦胧的星状小暗斑，其较亮的中心部分叫作“彗核”。它是在太阳的辐射作用下由彗核中蒸发出来的气体和微小尘粒组成的。彗核与彗发合称为“彗头”。当彗星走到离太阳相当近的时候，

31、彗发变大，太阳风和太阳的辐射压力把气体和微尘推开生成 彗尾 。由于彗星的这种独特外貌，我国民间又称其为扫帚星。B、 流星： 行星际空间叫做流星体的尘粒和固体块闯入地球大气圈, 同大气摩擦后燃烧产生的光迹。流星体的体积一般都不大，但速度很高。据估计每年落到地球上亮度大于10等的流星约2000吨， 一般认为后半夜看到的流星比前半夜多。太阳系的起源关于太阳系的起源主要有三种学说。A、灾变说：认为行星物质是因某一偶然的巨变事件从太阳中分出的。比如由于另一颗恒星走近或碰到太阳，或者由于太阳爆发，从太阳分出的物质后来形成行星。B、俘获说：认为太阳从恒星际俘获物质。形成原始星云，后来演变成行星。C、共同形成

32、说：认为整个太阳系所有形体都是由同一原始星云形成的，星云中心部分的物质形成太阳，外围部分的物质形成行星等天体。3. 恒星和星际物质我们夜晚观星，所看到的几乎都是恒星。晴朗无月的夜晚，大约可以看到6000 多颗。因为它们都离我们非常远，所以很难发现其在天球上的位置变化，因此， 古人就把它们叫作恒星。下面将逐一介绍双星，聚星， 星团， 变星， 星云。双星两星互相之间因为引力的作用，每颗星绕两星的质量中心作旋转运动，这样的两颗星称为双星。双星系统在银河系中很普遍，约占总数的三分之一。目视双星是人眼通过望远镜可以直接分辩出的双星，这种双星系统中的两星之间的视角一般较大，从而能从光学上直接分辩出来。少至

33、三个多至十多个恒星依靠引力，彼此聚集在一起，这样的恒星集团称为聚星。星团星团是由至少十个多至百万颗的恒星组成的集团，它们聚集在一个不大的区域里，有很多共同的物理性质，因此对研究恒星的起源和演化具有重要意义。星团一般分为疏散星团和球状星团：疏散星团一般形状不规则，结构较松散，全天共约1200 多个，其中最出名的要算金牛座的昴星团和毕星团。冬天的夜晚，在南面星空可以看到一颗发红的亮星，那就是金牛座a,它是毕星团中最亮的星，在其西北方向一点，有一团模糊的星，它就是著名的昴星团。眼力好的人可以辨出其中的六颗亮星。球状星团：是由很老的几万颗恒星所组成的具有紧凑的球对称外形的恒星集团。 其核心部分恒星的密

34、度很大，从照片上看就像是抱成一团的白蚁，最出名也是全天最亮的球状星团是位于武仙座的 M13质量约是30万个太阳质量。变星变星是一种亮度随时间变化的恒星，它有很多特殊的性质，是天文爱好者观测的热门对象。变星按亮度变化的原因可分为食变星和物理变星:食变星即是食双星。物理变星又可分为脉动变星和激变变星。脉动变星的光度成周期变化，其原因是由于自身的周期性的膨胀和收缩。其中造父变星（脉动变星的一种）在天文学中的地位不亚于射电望远镜，它被誉为“量天尺”。因为对造父变星结构和成因了解的比较透彻，即存在一个简单的周光关系（光变周期越长，光度绝对星等就越大），所以只需要观测出遥远星系中造父变星的变光周期，就可以

35、推算出星系的距离。激变变星包括新星和超新星。亮度突然增大（爆发）的星称为新星。亮度增幅比新星大百倍至数千倍的星称为超新星。超新星爆发时光度增为原来的千万到亿万倍，非常壮观，使其它恒星黯然失色。超新星爆发是恒星死亡的象征，其爆发后剩余的物质由于强大的自身引力而急剧收缩，终于将原子核外的电子压入核内与质子结合成中子。根据泡利不相容原理，各简并态中子之间的简并压力顶住了引力的压缩，从而形成了中子星。1987 年。国际上对银河系的伴系大麦哲伦星系中的一颗超新星的研究全面证实了恒星演化的理论。国际上第一颗中子星的光学认证与1054 年的超新星爆发直接有关，我国在这方面的全面记载为其作出了不可磨灭的贡献。

36、星云星云即是由一些星际分子、离子和尘埃组成的非恒星状的气体尘埃云。星云有很多分类，在此就不一一赘述了。一般认为星云是恒星爆发瓦解后抛出的气体云， 但更有人认为恒星正是由于星云的引力收缩才诞生的。全天最亮的星云是猎户座大星云，其视亮度在4 等左右， 是每一位天体摄影爱好者渴望拍好的首选对象。恒星的演化我们以太阳为例。恒星形成理论认为恒星是由星云物质在引力作用下收缩形成的。在收缩过程中，引力势能转化为热能，使其中心的温度和压强不断增加，直至点燃了氢的核聚变反应。强大的辐射压制止了恒星的进一步收缩，并被我们观察到。 从此在主序星开始了它漫长的一生。一般认为演化的起点都在主星序星带上， 并在其上完成氢

37、聚变成氦的核反应。随着恒星核心区氢燃烧的停止，核心区进一步收缩，直至氦聚变成碳的反应点燃。当氦也被用尽之后，核心区变成了一个富碳的区域，这时核心区之外壳层内的氦又被点燃，从而产生一定程序的爆发，恒星体积迅速膨胀，演变成红巨星。核心区进一步收缩，点燃碳聚变反应，就这样一直聚变反应到铁元素。铁的聚变是吸热反应，这时没有什么再来抵制巨大的引力了，恒星将在一次急剧塌缩形成的大爆炸中走向衰亡。这就是超新星爆发。根据爆发后恒星质量的不同，它将最终演化成白矮星、中子星或者是黑洞。4. 银河系牛郎和织女的传说故事可能谁都有耳闻。夏夜星空，很容易找到牛郎星（天鹰座a）和织女星（天琴座a）。在两者之间，你就会发现

38、一条由无数颗密密麻麻的小星连成的似云雾的带状体，它就是传说中的那条无情的天河。现在我们知道， 它只是银河系的一部分在天球上的投影。太阳系就是存在于银河系这个典型的旋涡状星系中的一条旋臂上。5. 河外星系在银河系之外，还存在许多发光天体，被称为河外星系。河外星系的研究始于本世纪20 年代。 哈勃 （一位在天文学领域可与爱因斯坦齐名的天体物理学家）通过仙女座星云（M31中的造父变星计算得出，M31是属于银河系之外的恒星系统。最著名的是银河系的两个伴系大麦哲伦云和小麦哲伦云。星系在宇宙中的分布并不是均匀的，而是表现出集结成大小不同的系统的倾向。按包含星系的多少和空间尺度的大小，从小到大依次称为星系群

39、、星系团、超星系团。银河系和大小麦哲伦云构成了本星系群，并与附近的仙女座星系，以及 1 百万秒差距以内的 40 多个星系（矮球星系）集聚成本星系团。离本星系团较近的还有室女座大星系团（含2500 多星系）和后发座星系团等。以室女座星系团为中心，在20兆秒差距的大尺度范围内的五十多个星系团构成了本超星系团。正是由于星系分布的这种极度的不均匀性，使得有关星系起源和演化的理论屡屡受挫。按照现有的种种模型都无法完美的解释宇宙空间物质分布的如此大的不均匀度。这使得这方面的问题与宇宙学一并成为理论研究的热点。6. 宇宙学在 20 世纪二十年代，从哈勃发现河外星系和谱线普遍红移开始，宇宙学理论模型逐渐发展并

40、完善起来。从爱因斯坦的静态宇宙模型到现在公认的大爆炸宇宙模型（即著名大爆炸理论）；从单纯的应用广义相对论到现代较活跃的量子引力理论， 人们正在慢慢地揭开所谓上帝那神秘的面纱，去了解宇宙的产生和演化。1929 年，美国著名天文学家哈勃 通过对当时所能观察到的几十个星系的研究发现，它们所发出的谱线都普遍向红端偏移了，而且，星系离我们越远，红移量就越大。从开普勒位移的有关知识我们知道，这说明： 所有的星系都在以一定的速度离我们远去，而且，红移量越大，退行的速度就越大。因此，我们就很自然地想到宇宙正在膨胀，就像一只正在不断吹大的，上面点满花点的气球。既然所有的星系都在彼此远离，而如果这种方式在过去任一

41、时刻又并未改变的话，那就必然得出一个结论：回朔到过去某一时刻，即离现今约150 亿年前，?宇宙中所有的物质都聚集在一个很小很小的区域内。在此区域内，温度极高，密度极大，不存在原子、电子，更没有什么银河系、太阳系；随着宇宙的膨胀，温度降到1000 亿亿亿开尔文时，由于强相互作用，形成了夸克和电子等轻子，之后又出现了质子和中子等基本粒子。宇宙处于这一阶段的时间极短，约在宇宙诞生的 1 分钟之后，温度下降到可进行核聚变反应的程度，宇宙中逐渐形成了氘、氦以及少量的锂；到15 分钟左右的时候，由于进一步膨胀，温度下降到不足以点燃核聚变反应。经过计算，那时宇宙中氢约占四分之三，氦约占四分之一，这与现在观测

42、所得的数据完全一致；大约在大爆炸之后1 万年， 温度降到约为几千开，宇宙中主要是一些气状物质；随后有些气体聚成气云，形成原星系，进而演化为星系；最后伸缩并产生了各种各样的星的体系，成为我们今天所观察到的宇宙的样子。我们的太阳就是这亿万颗恒星中的一员。随着太阳系和地球的继续演化， 在一定条件下出现了万物，并最终产生了能够认识宇宙的人类，产生了你我，产生了我们大家。我们在为宇宙的奥秘而惊讶的同时，只有不断探索和学习研究，才能了解到宇宙的真正的和谐，真正的美！思考题 31. 何谓天体测量学？2. 何谓天体力学?3. 何谓天体物理学?4. 何谓射电天文学?5. 何谓空间天文学?6. 何谓天体演化学?7

43、. 何谓双星、聚星、星团、超新星、星云？8. 何谓宇宙学目前公认核心理论？四季星空在我们生活着的地球之外，是高远无垠的星星世界，称之为宇宙。宇宙是一个没有边界、无始无终、充满了无穷奥秘的世界。探索宇宙的历史和未来是人类永恒的欲望。一、宇宙宇是指空间的总体，宙是指时间的总体，一切物质都在不停地运动着，而且永远离不开它们的存在和运动的空间及运动和发展持续长短的时间。所以， 宇宙是一切物质运动的空间和时间，是一切物质不可分离的存在形式；它处于不断地运动和发展中，在空间上无边无际，在时间上无始无终。我国早在2300 多年前，就有关于宇宙的朴素辩证法的观念，墨子 （战国时代） “宇， 弥异所也，久 （宙

44、），弥异时也”， 尸子 （汉初成书）： “四方上下曰宇，往古来今曰宙”灵宪 （东汉张衡） ： “宇之表无极，宙之端无穷”。这些，都科学地说明：空间的范围是无边无际的；时间延伸是无穷无尽的。人类对宇宙的认识，是目视所及的天体开始的。何谓天体：天体是宇宙空间一切星辰的统称。如太阳、地球、月亮、行星和恒星等。发热发光的天体称为恒星；围绕着恒星运转的天体称为行星；而围绕着行星运转的天体称为卫星；还有近半个世纪， 人类成功发射的人造地球卫星和人造行星等，称为人造天体。如太阳就是一个恒星，地球是它的九大行星之一，月球是地球的卫星。而太阳又是银河系里的一颗普通的恒星，银河系外又有河外星系、星系团、总星系。、

45、银河系1银河侧面35 口00。光年a银河系50 口0 口光年卜银河系；2-银河悬臂上银河中尼用4-太阳位置图 4-2-1如图4-2-1所示，太阳系所在的星系，是一个旋涡星系，称为银河系。银河 系由2000亿颗以上恒星所组成。恒星以外，还有各种类型的银河星云和星际气 体与尘埃。银河系在宇宙空间是一个扁率较大的扁球型旋转体，具有两个或更多 的悬臂，其中心在人马座方向。旋转体的长径约为10万光年，短径约为1万光年。太阳约位于离银河中心3.3万光年的扁球体对称面附近。整个银河系在不停 地绕其短径作旋转运动。太阳系里的一切大体都跟着太阳以每秒 250公里速度环 绕银河系中心转动，环绕一周约需2亿年之久。

46、银河系扁球形旋转体的对称面称 为银道面，而银道面扩大到大球上的大圆叫做银道。 银河系除了自转以外，作为 一个整体，还朝着麒麟座（在大犬座以北，小犬座以南）方向以每秒 214公里的 速度运动着，因此，银河系在宇宙间的旋转很象一个运动的车轮，一方面它本身在旋转，同时又在不断地前进。银河系虽然很大，但在银河系之外。还有许多同银河系一样庞大或者更大的 恒星系统，叫做河外星系。用肉眼能看到的只有银河系的几个近邻， 其中最著名 的要数仙女座大星系了。它距离地球大约200万光年。它的相貌几乎和银河系一 模一样，体积大约比银河系大 60%用肉眼看去，也只不过像星星那样大的一个 光斑。人类对河外星系的认识，经历

47、了漫长的过程，直到二十世纪初才获得了肯 定的结论。现在，人们已经把宇宙的“水天线”推到了 150亿光年的深处，观测 到的河外星系已在几十亿个以上，河外星系的形态丰富各异。有的像江河里的旋 涡，有的像椭圆状、棍棒状和不规则状。银河系、仙女座星系等，都是发展很完 整的旋涡星系，它们正处于生命力旺盛的中年时期。椭圆星系是太空中的“老人 国”，所有的恒星都是遥远的年代产生的，这个星系再也不能制造出新的恒星， 许多椭圆星系都非常巨大，如“室女座 A”就是一个拥有两千亿颗恒星的椭圆星 系。而巨大的椭圆星系往往发生过异常剧烈的大爆发，这种骇人的大爆发至今还 是不解之迷。不规则星系中年轻的恒星很多，这种星系没

48、有一定的形状，也没有 明显的中心。每个星系里有数以千亿计的恒星。离我们最近的一个河外星系叫大麦哲伦星 云，它距离地球约16万光年，直径达5万光年，我们用肉眼都能看到它。在茫茫的宇宙海洋中，分布几十个星系的组合叫星系群；超过 100 个以上的星系的集合叫星系团。它们都归属于一个更大的太空集团超星系团。 银河系所在的超星系团称为本超星系团，它的核心是室女座星系团。无数超星系团组成了辽阔无边的宇宙总星系。1银河俗称天河。在晴朗的夏夜，总有一条气势磅礴的光带自南向北横贯天空，这就是银河。在我国民间至今还流传着牛郎织女渡天河一年一度相会的神话。欧洲人把银河称为“牛奶色道路”。因为太阳系是在银河系的银道面

49、附近，且偏离银河系中心的地方，所以从地球上观看天空时，沿着银道面的各个方向所看到的恒星要比其它方向的恒星密集的多，形成一条亮带称为银河。天鹅座、天鹰座、天琴座、天蝎座等25 个著名星座就分布在银河上或其两侧。2恒星在无数明星中，除了少数行星外，都是自己会发热发光、且相互之间的位置似乎不动的天体，称为恒星。太阳就是距我们最近的一颗恒星。其他恒星离我们都非常遥远，最近的比邻星也在4 光年以外。夜间能见到的星，绝大多数系属恒星。 恒星并非不动，而是以相当大的速度在不停地运动着，只因它们离地球极其遥远，故在天球上的视位移非常缓慢，其位移角距以“秒”为单位，通常每年不大于0.1 ，少数离地球较近的恒星，

50、如：半人马座a星（南门二）每年位移3.7， 1000年也仅位移1 ;牧夫座a星（大角）每年位移仅略大于2 o因此几百年内都看不出恒星相互间的位置有何明显变化。用肉眼能见到的恒星有6000 多颗。星历恒星视位置表中列出的恒星有2000 多颗。恒星中主要是氢气，其次是氦。在 700 万摄氏度以上的高温下，四个氢原子聚变成一个氦原子核，同时放出巨大的能量。这就是热核反应。氢弹所以能发生威力无比的爆炸，正是这种反映的结果，在恒星内部，每时每刻都有许多 “氢弹”在“爆炸”，使恒星长期不断地作为一个炽热的气体大火球而发热发光。恒星的温度从中心向表面逐渐降低。不过， 即使是恒星的表面温度也仍然十分惊人，最低

51、的有两千多度，最高的可达到4 万度， 太阳的温度是六千度。恒星的表面温度决定了恒星的颜色。这正如一块炽热的铁，当温度增高时，它的颜色由红变黄、变白、甚至变蓝。恒星是宇宙中最基本的成员。恒星是有生命的，它既有出生的一天，也有消亡的一天。但一批恒星“死”去了，又会有一批新的恒星诞生。而且恒星的数量之多是我们难以想象的，据2003 年来自天文学前沿的消息，英国和澳大利亚的天文学家公布了可见宇宙中恒星数量的最准确的计算结果：大约7X 1022700万亿亿颗，很明显， 比世界上所有沙滩和沙漠中的沙粒还要多。所以宇宙中永远存在着无数个“太阳”。在恒星漫长生命旅程中，恒星最稳定、持续时间最长的阶段是壮年期，

52、称为主序星。主序星阶段最短的有几百万年、最长的可达10 万亿年。太阳正处于这个稳定阶段，它已经稳定地“燃烧”了足足50 亿年了。太阳在主序星阶段的时间可长达100 亿年 。恒星的晚年，称为红巨星。恒星在该阶段它内部的氢氦热核反应基本停止。这时， 恒星的中心部分在引力作用下发生强力收缩，使温度升高， 并且使外壳急剧膨胀，整个恒星就变成一颗亮度大，温度低的红色星红巨星。像太阳这样的恒星，在红巨星阶段大约能停留10 亿年。一颗垂死的恒星爆炸后就彻底解体了，部分物质化为碎片和云烟，飘散到太空中，剩下的物质则迅速坍缩为很小的中子星或黑洞。3 .光年由于恒星距离我们很远，用公里来计算恒星的距离很不方便。

53、天文学上常采 用“光年”作为计量相距甚远的天体间距离的一种单位。光每秒的速度299, 792公里，光一年内所走的距离称为1光年，约等于9.46 X1012公里。例如天狼星距 离地球约为8.6光年，即它所发的光，在空间需行经8.6年才到达地球；任何时 刻在地球上看到的天狼星的光是它在 8.6年前该时刻所发出来的。牛郎与织女的 距离是16光年，如果二者用无线电波通信，一来一往就需要32年。在太阳系里 也可用“光分”作为计量太阳与行星间距离的一种单位。光在一分钟内所走的距离称为一光分，约等于17, 987, 520公里。例如太阳距离地球约为 8.3光分， 即太阳所发的光，在空间需行经8.3分钟才到达

54、地球；太阳距离冥王星约为327.4 光分，即太阳所发的光，在空间需行经327.4分钟即5小时27分才到达冥王星。4 .视星等区分天体亮度强弱的等级。星越亮，星等的数字越小。亮度减少，等级降低。 在实用天文中，以天体的视亮度分等级。其分等方法是以肉眼在晴朗黑夜能见到 最暗的星为6等星，取亮度为6等星100倍的星为1等星T两相邻星等的亮度比 率等于2.512（ 5M100 ）。据此，亮度为6等星的2.512倍的星为5等星，亮度为 5等星的2.512倍的星为4等星，以此类推。而亮度为1等星2.512倍的星为0 等星，亮度为0等星2.512倍的星为-1等星。由于星与星之间亮度相差的倍数 往往不正好是2.512倍，因此星等往往不是整数，而是带有小