科普天文学成品两篇

通识课天文学概论教师：马1丽第一章宇宙概观

1.1太阳系1.2恒星世界1.3银河系及河外星系

1.1.1太阳1.1.2太阳系行星1.1.3地球1.1.4日月食1.1.5太阳系的物质分布1.11.1.1太阳太阳大气（theSolarAtmosphere）HeatFlow太阳内部只有在日食期间可观测到人眼看到的太阳光球色球日冕Apparentsurfacelayerofthesun光球（photosphere）日冕Depth≈500kmTemperature≈5800oKHighlyopaque(H-ions)Absorbsandre-emitsradiationproducedinthesolarinterior光球的能力传输Energygeneratedinthesun’scentermustbetransportedoutward.Inthephotosphere,thishappensthrough对流（Convection）BubblesofhotgasrisingupCoolgassinkingdown≈1000kmBubbleslastfor≈10–20min.米粒组织（Granulation）…isthevisibleconsequenceofconvection色球（Chromosphere）ChromosphericstructuresvisibleinHaemission(filtergram)Regionofsun’satmospherejustabovethephotosphere.Visible,UV,andX-raylinesfromhighlyionizedgasesTemperatureincreasesgraduallyfrom≈4500oKto≈10,000oK,thenjumpsto≈1millionoKTransitionregionFilaments针状体Spicules:Filamentsofcoolergasfromthephotosphere,risingupintothechromosphere.VisibleinHaemission.Eachonelastingabout5–15min.太阳大气层VisiblePhotosphereUltravioletChromosphereCoronalactivity,seeninvisiblelightCoronaSunSpotRegions日冕磁场Coronacontainsverylow-density,veryhot(1millionoK)gasCoronalgasisheatedthroughmotionsofmagneticfieldsanchoredinthephotospherebelow(“magneticcarpet”)Computermodelofthemagneticcarpet太阳风（theSolarAtmosphere）Constantflowofparticlesfromthesun.Velocity≈300–800km/sSunisconstantlylosingmass:107tons/year(≈10-14ofitsmassperyear)日震（Helioseismology）Thesolarinteriorisopaque(i.e.itabsorbslight)outtothephotosphere.

OnlywaytoinvestigatesolarinterioristhroughHelioseismology

=analysisofvibrationpatternsvisibleonthe

solarsurface:Approx.10millionwavepatterns!太阳黑子（SunSpots）Coolerregionsofthephotosphere(T≈4240K).Onlyappeardarkagainstthebrightsun.Wouldstillbebrighterthanthefullmoonwhenplacedonthenightsky!太阳黑子（2）ActiveRegionsVisibleUltraviolet太阳表面SolarActivity,seeninsoftX-rays黑子中的磁场

（MagneticFieldsinSunSpots）MagneticfieldsonthephotospherecanbemeasuredthroughtheZeemaneffect

SunSpotsarerelatedtomagneticactivityonthephotosphere太阳黑子(3)Magneticfieldinsunspotsisabout1000timesstrongerthanaverage.Insunspots,magneticfieldlinesemergeoutofthephotosphere.MagneticNorthPolesMagneticSouthPoles磁力线（MagneticFieldLines）MagneticNorthPoleMagneticSouthPoleMagneticFieldLines恒星黑子（StarSpots）?Otherstarsmightalsohavesunspotactivity:ImageconstructedfromchangingDopplershiftmeasurements太阳周（TheSolarCycle）11-yearcycleReversalofmagneticpolarityAfter11years,North/Southorderofleading/trailingsunspotsisreversed=>Totalsolarcycle

=22years太阳周(2)蒙德蝴蝶图（MaunderButterflyDiagram）SunspotcyclestartsoutwithspotsathigherlatitudesonthesunEvolvetolowerlatitudes(towardstheequator)throughoutthecycle.太阳磁动力学（MagneticDynamo）Thisdifferentialrotationmightberesponsibleformagneticactivityofthesun.Thesunrotatesfasterattheequatorthannearthepoles.磁环（MagneticLoops）Magneticfieldlines太阳磁活动周（MagneticCycle）After11years,themagneticfieldpatternbecomessocomplexthatthefieldstructureisre-arranged.

Newmagneticfieldstructureissimilartotheoriginalone,butreversed!

New11-yearcyclestartswithreversedmagnetic-fieldorientation蒙德极小期（TheMaunderMinimum）Historicaldataindicateaveryquietphaseofthesun,~1650–1700:TheMaunderMinimumThesunspotnumberalsofluctuates

onmuchlongertimescales:其他恒星上的磁活动周

（MagneticCyclesonOtherStars）HandKlineemissionofionizedCalciumindicatemagneticactivityalsoonotherstars.日珥（Prominences）LoopedProminences:gasejectedfromthesun’sphotosphere,flowingalongmagneticloopsRelativelycoolgas(60,000–80,000oK)Maybeseenasdarkfilamentsagainstthebrightbackgroundofthephotosphere爆发的日珥(Ultravioletimages)Extremeevents(solarflares)cansignificantlyinfluenceEarth’smagneticfieldstructureandcausenorthernlights(auroraborealis).空间天气（SpaceWeather）SolarAuroraSoundwavesproducedbyasolarflare~5minutesCoronalmassejections冕洞（CoronalHoles）X-rayimagesofthesunrevealcoronalholes.Theseariseatthefootpointsofopenfieldlinesandaretheoriginofthesolarwind.能量产生（EnergyProduction）Energygenerationinthesun(andallotherstars):NuclearFusion=fusingtogether2ormorelighternucleitoproduceheavierones.Nuclearfusioncanproduceenergyuptotheproductionofiron;Forelementsheavierthaniron,energyisgainedbynuclearfission.Bindingenergy

duetostrongforce

=onshortrange,strongestofthe4knownforces:

electromagnetic,weak,

strong,

gravitational太阳内部能力产生：质子－质子链

（TheProton-ProtonChain）Basicreaction:41H

4He+energy4protonshave0.048*10-27kg(=0.7%)moremassthan4He.Energygain=Dm*c2

=0.43*10-11Jperreaction.Needlargeprotonspeed(hightemperature)toovercomeCoulombbarrier(electromagneticrepulsionbetweenprotons).Sunneeds1038reactions,transforming5milliontonsofmassintoenergyeverysecond,toresistitsowngravity.T≥107

0K=10million0K太阳中微子问题

TheSolarNeutrinoProblemThesolarinteriorcannotbeobserveddirectlybecauseitishighlyopaquetoradiation.Butneutrinoscanpenetratehugeamountsofmaterialwithoutbeingabsorbed.DavissolarneutrinoexperimentEarlysolarneutrinoexperimentsdetectedamuchlowerfluxofneutrinosthanexpected(

the“solarneutrinoproblem”).Recentresultshaveproventhatneutrinoschange(“oscillate”)betweendifferenttypes(“flavors”),thussolvingthesolarneutrinoproblem.1.1.2太阳系行星行星大小Assume,wereduceallbodiesinthesolarsystemsothattheEarthhasdiameter0.3mm.Mercury,Venus,Earth,Mars:~sizeofagrainofsalt.Sun:~sizeofasmallplum.Jupiter:~sizeofanappleseed.Saturn:~slightlysmallerthanJupiter’s“appleseed”.Pluto:~Speckofpepper.八大行星参数

行星到太阳距离（天文单位）公转周期（天）

轨道偏心率

质量（千克）赤道半径（103千米）平均密度（103千克/米3）表面重力加速度（米/秒2）逃逸速度（米/秒）已知卫星数（个）水星0.38787.970.2063.3×10232.445.433.634.30金星0.723324.70.0074.87×10246.075.258.6010.30地球1.000365.2560.0175.976×10246.3785.529.8211.21火星1.524686.980.0936.42×10233.3953.963.765.02木星5.2054332.60.0481.989×102771.41.3325.9259.518土星9.576107590.0555.684×102660.00.7011.2935.623天王星19.28306850.0518.686×102525.91.2411.4921.415海王星30.13601890.0061.029×102624.751.6611.5923.66冥王星39.87904650.2561.31×10221.102.340.721.261行星轨道PlutoNeptuneUranusSaturnJupiterMarsEarthVenusMercuryAllplanetsinalmostcircular(elliptical)orbitsaroundthesun,inapprox.thesameplane(ecliptic).Senseofrevolution:counter-clockwiseSenseofrotation:counter-clockwise(withexceptionofVenus,Uranus,andPluto)Orbitsgenerallyinclinedbynomorethan3.4oExceptions:Mercury(7o)Pluto(17.2o)(Distancesandtimesreproducedtoscale)行星分类（TwoKindsofPlanets）Planetsofoursolarsystemcanbedividedintotwoverydifferentkinds:类地行星Terrestrial(earthlike)planets:Mercury,Venus,Earth,Mars类木行星Jovian(Jupiter-like)planets:Jupiter,Saturn,Uranus,Neptune类地行星（TerrestrialPlanets）FourinnerplanetsofthesolarsystemRelativelysmallinsizeandmass(Earthisthelargestandmostmassive)RockysurfaceSurfaceofVenuscannotbeseendirectlyfromEarthbecauseofitsdensecloudcover.行星表面环形山

（CratersonPlanets’Surfaces）Craters(likeonourMoon’ssurface)arecommonthroughouttheSolarSystem.NotseenonJovianplanetsbecausetheydon’thaveasolidsurface.类木行星（TheJovianPlanets）平均密度低，都有光环，大都是气体，没有固体表面第四章

恒星

恒星的位置看来固定不变，因而古人称之为“恒”星，即固定不动的星。一般来说，恒星都是气体球，没有固态表面，通过自身引力聚集而成。它区别于行星的一个重要性质是它自己能够强烈发光。太阳是一颗恒星。恒星是指由内部能源产生辐射而发光的大质量球状天体。参数变化范围质量M10-1M⊙≤M≤102M⊙

半径R10-3R⊙≤R≤103R⊙

表面温度T103K≤T≤105K光度L10-4L⊙≤L≤106L⊙

M⊙是太阳的质量，R⊙是太阳的半径，L⊙为太阳的光度。对恒星的研究表明：恒星主要是由氢组成的气体球。氢聚变成氦而放出能量，然后氦又可聚变成更重的元素放出能量，因此恒星的化学组成同她得年龄有关。恒星的信息源

恒星具有极高的温度，有大量的激烈运动着的电离的电子，发出强大的电磁波辐射（电磁波是原子中的电荷作变速运动时产生的）。波长范围从最长的无线电波到最短的γ射线。电磁波：可见光其他信息源：宇宙线、中微子、引力波、射电波、X射线、γ射线、红外线来自恒星以及其他天体的辐射穿过地球大气层是，很多波段都被大气分子吸收掉了。屏蔽紫外线的主要是大气中得臭氧层和氧原子、氧分子、氮分子；屏蔽一部分红外线的主要是大气中得水分子和二氧化碳分子。有两处透明窗口：光学窗口和无线电窗口，为人类天文学的发展提供了必要地信息通道。

光学窗口：0.35~22微米可见光和一部分红外线（17~22微米半透）。

无线电窗口：1毫米~30米的无线电波段。不同波长的电磁波，其光子多具有的能量是不同的。光子的能量E与波长的关系λ的关系为式中c是传播速度，焦耳

秒称为普朗克常数。波长愈短，能量愈高。电磁波在本质上是相同的，仅在波长频率和光子能量方面有所差别。（c是传播速度）波长不同的电磁波在真空中得传播速度都一样。波长λ和频率ν之间满足公式波长愈短，频率愈高。不同波长的电磁波也可以用频率来表示，换算公式频率波长赫兹微米波长和光子能量之间有固定的关系，电磁波谱有事也用光子能量来描述。光子能量的单位常用电子伏特（eV）来表示。电子伏特是一个电子通过1伏特电位差时获得的能量，1电子伏=1.6022x10-19焦耳。电子伏在无线电波段常用频率；在光学波段常用波长；在X射线和γ射线波段用光子能量来描述.4.1恒星参数的测定

4.1.1.恒星的距离

恒星离我们非常遥远，除太阳外，离我们最近的恒星是半人马座比邻星，距离约为4×1013千米，4.22光年。天文学上常用的距离单位：①天文单位，即日地平均距离，为1AU=149597870千米=1.49597870×1011米②光年，光在一年中走过的距离，1l.y.=0.946053×1016米③秒差距，周年视差为1″对应的距离，1pc=3.08568×1016米1光年=0.307秒差距1秒差距=206265AU周年视差π=1''的恒星与地球的距离r为206265AU，这个距离定义为1秒差距（1pc）。秒差距（Parsec,缩写pc）测定恒星距离最基本的方法是三角视差法，此法主要用于测量较近的恒星距离。然而对大多数恒星说来，这个张角太小，无法测准。所以测定恒星距离常使用一些间接的方法，如分光视差法、星团视差法、统计视差法以及由造父变星的周光关系确定视差，等等。这些间接的方法都是以三角视差法为基础的。恒星距离的测定恒星的距离是借助于测定周年视差而获得的

r=a/π太阳到恒星的距离为r,单位为光年或秒差距日地平均距离为a，单位为天文单位恒星的周年视差为π，单位为弧秒三角视差法测距离三个著名恒星距离名称视差距离比邻星0.76

″4.3光年织女星

0.12″27光年天狼星0.37″8.8光年光速：c=3.0x108m/s最快飞机速速：v=1.0x108m/h=3.0x104m/s

光度为恒星的能量发射率，即整个星面每秒释放的能量，用L表示。他在国际单位的典型表示法式是瓦特(Watt)，在c.g.s.制是尔格/秒，或是以太阳光度来表示，也就是以太阳辐射的能量为一个单位来表示。太阳的光度是3.827×1026瓦特。

一颗恒星的光度决定于恒星的表面温度和表面积——较大的恒星比同温度的较小恒星辐射更多的能量，所以，表面温度相同(因而颜色相同)的两颗恒星可能有极不相同的光度，而光度相同的两颗恒星可能有完全不同的表面温度(和颜色)。

光度是与距离无关的真实常数，亮度则明显的与距离有关，而且是与距离的平方成反比，亮度通常会以视星等来量度，那是一种对数的关系。4.1.2恒星的光度、照度和和星等光度（luminosity）

恒星看起来的明暗程度称为视亮度，简称亮度，就是指照度，用E表示。

照度是每单位面积所接收到的光通量。SI制单位是勒克斯(lx=lux)，1(勒克斯)=1(流明/平方米)。对于接受天体辐射的人眼或仪器来说，单位时间入射到其单位面积的能量。表示某处感应器感应到的恒星的能量。照度（Illuminance）

在天文学上，星的亮度用星等表示。古人按照星的明暗程度把星星分为6个亮度等级，天球上约20颗最亮的星称为一等星，肉眼刚刚能看到的星称为六等星。通常以拉丁字母m表示星等。这个星等系统原则上保留到现在，并给予标准化后推广到特别亮的天体以及肉眼看不见但用望远镜能看见的暗星上去。

星等是衡量天体光度的量。在不明确说明的情况下，星等一般指目视星等。为了比较天体的发光强度，采用绝对星等。绝对星等M的定义是，把天体假想置于距离10秒差距处所得到的视星等。若已知天体的视差π（以角秒计）和经星际消光改正的视星等m，可按下列公式计算绝对星等：M=m+5+5lgπ。对应不同系统的视星等有不同的绝对星等。天体光度测量直接得到的星等同天体的距离有关，称为视星等，它反映天体的视亮度。一颗很亮的星可以由于距离远而显得很暗（星等数值大）；而一颗实际上很暗的星可能由于距离近而显得很亮（星等数值小）。对于点光源,则代表天体在地球上的照度。星等常用m表示。对应不同探测器有各种星等系统。星等（magnitude）星等系统：目视星等、照相星等、光电星等视星等绝对星等4.1.3恒星的大小、质量和密度

恒星的真直径可以根据恒星的视直径（角直径）和距离计算出来。常用的干涉仪或月掩星方法可以测出小到0.01的恒星的角直径，更小的恒星不容易测准，加上测量距离的误差，所以恒星的真直径可靠的不多。根据食双星兼分光双星的轨道资料，也可得出某些恒星直径。对有些恒星，也可根据绝对星等和有效温度来推算其真直径。星名视差(弧秒)角直径（弧秒）线直径（太阳直径为1）猎户座α0.005″0.047″1000鲸鱼座α0.023″0.056″480金牛座α0.048″0.021″94御夫座α0.073″0.004″13天狼A0.375″0.006″1.85太阳1.00天狼B0.375″0.000077″0.044范玛伦星0.235″0.000019″0.009观测结果：恒星的直径相差很大，大的有太阳直径的几百倍甚至一两千倍，小的只有不到太阳直径的十分之一。

恒星的质量是很重要的一个参量，但是除太阳外，目前只能对某些双星进行直接测定，其他恒星的质量都是间接得到的，如通过质光关系来测定的。4.1.4恒星的质量 1、测定双星质量的基本原理是依据开普勒第三定律——双星系统的总质量与轨道半长径的立方成正比，与轨道周期的平方成反比结合天体测量法测出两子星相对质心的距离

和,则可知两子星的质量比从而可求出每个子星的质量２、质光关系：

对于质量大于0.2M⊙的主序星，恒星的质量和光度之间有很好的统计关系，称之为“质光关系”。恒星的质量越大，其对应的光度越强。一般符合如下关系

1924年爱丁顿从理论上导出绝对光度为L的恒星与其质量M有L=kM3.5的简单关系,其中k为常数。 lg(L/L⊙)=3.8lg(M/M⊙)+0.084.2恒星光谱及其相关性质

太阳的光谱是红、橙、黄、绿、青、靛、紫七色，原因是什么呢？

4.2.1光谱概念的物理基础

量子力学创立于20世纪初，是研究电子、质子、中子以及原子和分子内其他亚原子粒子运动的一门科学。相对于量子力学，牛顿力学称为经典力学。利用牛顿力学，人们认识了太阳系。同样，人们想象一个原子就是一个小太阳系：核在中心，电子在固定的轨道绕核“公转”。但按照量子力学的说法，原子中没有电子运动的轨道，只能说电子可能出现在什么地方。天文学包括天体力学、天体物理学等数十个分支和量子力学的建立，使人们能正确地认识微观世界，爱因斯坦狭义相对论和广义相对论的建立改变了人们对时间和空间本质的认识，同时也给了天文学家更深入认识恒星和天体的一个理论工具。4.2.2恒星光谱与氢原子谱线光谱有连续光谱，线光谱和带光谱。太阳光谱其实并不是一条连续的光带，而是带有许多暗线条

氢原子光谱（巴尔默系，背景彩色是为了表示三条光谱线的位置而加进去的）。

4.2.3

光谱在恒星研究中的应用 1、确定恒星的化学组成 2、确定恒星的温度 3、确定恒星的视向速度和自转光谱型颜色表面温度（开）典型星O蓝40000~25000参宿一B蓝白25000~12000参宿五A白11500~7700织女星F黄白7600~6100小犬座αG黄6000~5000太阳K橙4900~3700牧夫座αM红3600~2600心宿二恒星光谱的分类

4.2.4恒星的光谱、颜色和表面温度之间的关系Oh!BeAFairGirlKissMe.4.2.5恒星的赫罗图丹麦科学家赫茨普龙(E.Hertzsprung)于1911年，天文学家罗素（H.N.Russell）于1913年，分别的绘制了恒星的光谱—光度图。Innerradiative,outerconvectivezoneInnerconvective,outerradiativezoneCNOcycledominantPPchaindominant4.3变星和新星变星：亮度在较短时期内有显著变化的星为变星。新星:有少数星的亮度可在几天内猛增几万倍，较原有星等减少10-14等，把这些突然爆发的星称为新星。超新星:超新星的爆发规模比新星还要大，它发亮时亮度的增幅为新星的数百至数千倍，抛出的气壳速度可超过104km/s。是所有变星中最壮观的一类，是恒星的灾变性爆发。辐射能估计为1042~1043J,抛出的物质质量达1~10m⊙,动能达1043~1044J。4.3.1造父变星造父变星又称长周期造父变星或经典造父变星，是脉动变星的一种，这类变星的亮度变化是周期性的，一般周期在1.5～80天之间。周光关系：周期和绝对星等之间的关系。造父变星的平均绝对星等M与其周期的对数lgP近似成直线关系周光关系新星4.3.2新星和超新星

亮度会在很短的时间内迅速增加，达到极大后慢慢减弱，几年或几十年后恢复到原来的亮度，这种星叫新星。

有些恒星爆发时规模比新星更巨大，

光度增加1亿倍，这种星称为超新星。超新星蟹状星云（M1，或NGC1952）位于金牛座ζ星东北面，距地球约6500光年。它是个超新星残骸，源于一次超新星