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文档简介
天体物理概论第1页,课件共25页,创作于2023年2月§3.1.TheBigBang
Part4.CosmologyNotaneventoccurredsometimesomewhere.SpacetimecameintobeingwiththeBigBang.RedshiftsofgalaxiesTheageoftheUniversevs.oldeststars:12.7–13.2GyrCMB=CosmicMicrowaveBackgroundAbundancesoflightelementsnucleosynthesisinthefirstmoments2第2页,课件共25页,创作于2023年2月§3.2.Dark&LightMatterMostofmatterinvisible.3第3页,课件共25页,创作于2023年2月EvidencefordarkmatterGalaxiesrotatemuchfasterintheirouterregions. extendeddarkmattersurroundinggalaxies.Darkmatterisneededtoboundgalaxyclusters.GravitationallensingMtotal>>Mvisible2independentpiecesofevidenceforDMinGCs.4第4页,课件共25页,创作于2023年2月§3.3.TheAbundances
Part4.CosmologyTheabundanceoftheelementsarequantifiedbytheirnumberfractionormassfraction:5solar(cosmic)abundance第5页,课件共25页,创作于2023年2月primordialabundance&enrichmentmetals:elementsotherthanHandHeZ:metallicity6Primordialabundances(intheimmediateaftermathoftheBigBang):H,He,D,3He,&7LiStellarevolution&ISMenrichmentPartII.StarsP-Pchain(M<1.5Msun)He:theonlyproduct第6页,课件共25页,创作于2023年2月Supernovae&ExplosiveNucleosynthesisM<8Msun
planetarynebulaWDM>8MsunSNeIIelementsheavier thanFeTypicalkineticenergy~1051erg7Zhou+06第7页,课件共25页,创作于2023年2月starformationhistory&IMF8Lu,Zhou,Wangetal.2006IMF=InitialMassFunction:Theadmixtureofstarsofdifferentmasseswhenfirstformed.第8页,课件共25页,创作于2023年2月§3.4.TheGaseousUniverseMetallic-likeliquidHatthecenterofJupiter9H&HeTemperatureT
DensityneStateofionizationH(n=2)HowtoknowT,ne,andH+/H0?Spitzer(1978):forT<8x104K,particleencountersarealmostalwayselastic.thermaltimescale~hours–yearsastrophysicalgasesareinthermalequilibrium.第9页,课件共25页,创作于2023年2月Kinetictemperature&
Maxwell-BoltzmannvelocitydistributionGas,energychangedbetweenparticlesviaelasticcollisionsStatisticalmechanicsMaxwell-Boltzmannvelocitydistributionkinetictemperature10<v2>:mean-squareparticlespeed.Root-mean-square(r.m.s)particlespeed:mostprobablespeed:meanspeed:第10页,课件共25页,创作于2023年2月theidealgasAnidealgasisagasthatobeystheidealgaslaw(particlepressure):11whereiscalledthemeanmolecularweight(miisthemeanmassoftheithparticle),e.g.,meanatomicmetalweight:mi=AimH+electrondegeneracy第11页,课件共25页,创作于2023年2月Statisticalequilibrium,
(Local)ThermalEquilibrium=(L)TEcollisionexcitation/de-excitationabsorptionexcitation/ionizationemissionde-excitationThepopulationsofenergylevelsaredeterminedbyincludingallprocessesthatbothpopulate&de-populateanygivenlevel.Inasteadystate,thetransitionrateintoanylevelequalstherateout–statisticalequilibrium.Equationsofstatisticalequilibriumaresetupforeachlevelandinvolvethedensityoftheparticles,theenergydensityoftheradiationfield,andcoefficientsdescribingcollisional,radiative,andspontaneoustransitionprobabilities.Thecoefficientsmaythemselvesbefunctionsofotherquantities,suchasquantummechanicalparametersortemperature.Extremelycomplexsimplification12IfagasisinTE,theenergyintheradiationfieldisinequilibriumwiththekineticenergyoftheparticles.LTE:agashasTEproperties,butonlylocally.第12页,课件共25页,创作于2023年2月BoltzmannEquationForLTE,theequationsofstatisticalequilibriumaremuchsimplifiedandthepopulationofstatesisgivenbytheBoltzmannEquation:13Wherenistheprinciplequantumnumber,Nnisthenumberofatomsinwhichelectronsareinthenthenergylevel(e.g.,N1isthenumberofatomswithelectronsinthegroundstate),gnisthestatisticalweight(e.g.,forhydrogen,gn=2n2),and⊿Eistheenergydifferencebetweenstatenandthegroundstate.第13页,课件共25页,创作于2023年2月GeneralformofBoltzmannEquationRatherthan14Generally,where,iscalledthepartitionfunction.e.g.,atT<3500K,thepartitionfunctionforhydrogenrevertstothestatisticalweightofthegroundstate,i.e.,U=g1exp[-0/(kT)]=g1=2*12=2.第14页,课件共25页,创作于2023年2月Ionization&theSahaEq.15TheionizationstateofagasinLTEcanbeexpressedinafashionsimilartotheBoltzmannEq.,whereUK+1&UKarethepartitionfunctionsofthe(K+1)th&Kthionizationstates,respectively,neistheelectrondensity,metheelectronmass,cKistheenergyrequiredtoremoveanelectronfromthegroundstatetotheKthionizationstate.e.g.,hydrogenonlyhasoneelectrontoberemoved,&canonlyexistinthesinglyionizedorneutralstates,theSahaEq.reducesto,第15页,课件共25页,创作于2023年2月§3.5.TheDustyUniverse1.Observationaleffectsofdust16M104extinction:selectiveextinction:e.g.,theratioofselectivetototalextinction:第16页,课件共25页,创作于2023年2月extinctioncurveoftheMilkyWay17第17页,课件共25页,创作于2023年2月structure,composite,&originofdustthesizeofdustygrainsislikelypresentinapowerlawdistribution:18?composite:PAHs=PolycyclicAromaticHydrocarbons;SiO2;CH4;H2O;NH3etc.theoriginofdust:Coolatmospheresofevolvedstars;Metal-richejectaofSNeSmokingquasars(Elvis+00)?第18页,课件共25页,创作于2023年2月§3.6.TheCosmicRaysVictorHess(1912):anelectrometerdischargesmorequicklyathigheraltitudesthesourceofthedischargemustbefromabovetheatmosphere,insteadoftheearth1936,NobelPrizeforphysics19cosmicraycomposite:98%:nucleons:H+(87%);He2+(12%);Zz+(1%)2%:e-/+cosmicrayenergyspectrum:J(E)=KE-G第19页,课件共25页,创作于2023年2月§3.7.BlackBodyRadiationDeviationofthePlanck-Function:theprobabilityoffindingaparticleinanygivenstatedependsonthestatisticalweight&theBoltzmannfactor,exp[-E/(kT)].20ThespecificintensityofablackbodyisdescribedbythePlanckfunction:第20页,课件共25页,创作于2023年2月brightnesstemperature21Rayleigh-JeansLaw(hn<<kT)WeinLaw(hn>>kT)(Yuan,Zhou,Komossa+2008,ApJ,685,801)(Zhou,Wang,Wang+2006,ApJ,639,716)第21页,课件共25页,创作于2023年2月Stefan-BoltzmannLawThetotalintensityofablackbodycanbeobtainedbyintegratingthePlanckfunctionovernorl:22Fluxfromastar:Stefan-BoltzmannLaw,scalledStefan-Boltzmannconstant.EstimationofthesurfacetemperatureofthesunT⊙usingS-BLaw:EstimatingT⊙withoutanyknownphysicsmethodofdiscoveringnewphysics!第22页,课件共25页,创作于2023年2月energydensity&pressureinastar23Radiationpressureisastrongfunctionoftemperature.negligibleforlowmasscoolstars;veryimportantforhighmasshotstars,e.g.WR.第23页,课件共25页,创作于2023年2月§3.8.GreyBodiesBlackbodies:absorballincidentradiation.Albedo:thefractionoflightthatisreflected.Objectsthatdonotabsorballincidentradiationarecalledgreybodies.24Itisthereflectedlightthatallowsustoseeplanets,comets,...dustgrains.…………
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