天体物理学-天体的观测与研究

1、天体的观测与研究,陆建隆 20080805,引言,20世纪天文学重大进展: 恒星物理 星系物理 宇宙物理 观测技术,目 录,观测技术的进展 太阳系的起源与演化 恒星的形成、演化、归宿 致密天体（白矮星、中子星、黑洞） 宇宙学,光子的能量（电磁波波长）划分范围和定义,图3.6 大气窗口,一、天文观测技术,1、肉眼观测时代(伽里略之前) 2、光学望远镜时代 3、射电望远镜时代(1930年代以后) 4、空间望远镜时代(1960年代以后) 5、全波段天文观测时代(1980年代后),1、肉眼观测时代,水瓶座,双鱼座,白羊座,金牛座,双子座,巨蟹座,狮子座,处女座,天秤座,清明上河图,Observator

2、y?,Tycho (第谷，约1546？),望远镜之前的登峰造极者 26岁时观测超新星达十几个月 30岁时在汶岛建立天文台，精度达 2 观测资料行星运动三大定律万有引力定律,2、光学望远镜时代,1608年，荷兰眼镜商Lippershey制成首架望远镜,伽利略在天文方面的成就也是很大的。 他不仅是第一批制造望远镜的人之一，而且首先用望远镜观测天空。,Galileos Telescopes in 1609,口径：4.4cm, 长1.2m，放大率33倍。 16091610间：月亮表面、 恒星、银河、行星、太阳 企图用地心说来论证上帝创始的教会人士惊得目瞪口呆,伽利略在天文学方面的贡献： 自制望远镜 发

3、现木星的4颗卫星 发现太阳黑子 定出太阳自转周期,伽利略,伽利略望远镜,木星卫星,“2009国际天文年”,2007年12月20日，第62届联合国大会正式决定，2009年为“国际天文年”。这一动议是由国际天文学会(IAU)和联合国教科文组织(UNESCO)共同提出的。其目的在于推动人们重视天文学及其对社会和文化的贡献，鼓励探索精神，传播有关宇宙的基础知识。,/,Early Telescopes,Newtonian Reflecting Telescope in 1668 口径2.5cm，长15cm,Refracting Telescope,W

4、illiam Herschel Telescope(419 cm in diameter, Opened in 1987),KECK Observatory,Keck TelescopeKeck I/II, 每台口径10m, 1992年建成 1.8m x 36, 厚度10cm，造价9400/7460万美元,1.8m X 36 = 10m(D),主动光学 镜面精度100埃,Keck望远镜及其拼嵌镜面,2.16米望远镜,1957年原定购买法国1.88m望远镜 1958年决定自己制造（同期天文仪器厂成立） 1962年项目转由天仪厂负责 1974年前制造60cm望远镜 19741989，正式建造216

5、，15年完成 216主镜坯的历史： 国外60年代发展微晶玻璃 国内70年代中上海试制成功，后期浇铸成2米镜坯 两块好镜坯中，一块在玻璃厂倒下碎掉。另一块完成外形加工后，吊装时钢丝绳断了碎掉 最终采用50年代从苏联购买的镜坯，质量并不好。,北京216光学望远镜,LAMOST,世界上口径最大的大视场望远镜 作大规模光谱观测，焦面上设置4000根光纤，极限星等20.m5 - 作星系红移巡天，运行35年后，即可获得107个星系的光谱（其 中包括几十万个类星体）。 - 大量射电、红外、x、源的证认 - 变源的反复监测 - 将对星系、类星体天体物理学、宇宙学、恒星物理和银河系天文学作出重 要贡献。,Cal

6、ar Alto Optical Telescope,Telescope Dome in northern Chile,美国slon2。5米数字式巡天望远镜,Kitt Peak National Observatory,射电望远镜,1864年麦克斯韦(J.C.Maxwell,1831-1879)预言电磁波；,1887年赫兹（H.Hertz,1857-1894）证实电磁波的存在；,1932年，美国工程师、天文学家央斯基(Karl Guthe Jansky,1905-1950)为实现跨太平洋无线电通讯，建造了30米直径的天线，意外接收到了来自太空的射电信号。 1940年，美国工程师雷伯(Reber,

7、Grote,1911-)根据电磁波原理和无线电技术制造出第一架抛物面射电望远镜，用来观测和研究无线电波段的电磁辐射，测到了太阳和一些天体发出的无线电波，证实了央斯基的发现，由此迎来了射电望远镜时代；,射电望远镜,由天线、接收机和记录器组成，来自天体的射电波，经天线接收，传到接收机，根据需要对其进行记录、处理。射电望远镜突破了光学望远镜仅局限于可见光波段观察的局限，消除了天气和云层等环境因素对观察的影响，可以不受时间和光线的限制对宇宙深处的射电天体进行观察、研究。,Arecibo Radio Telescope(1963年安装在波多黎各 SETI since 1992.),the Very La

8、rge Array (VLA) in Socorro, New Mexico, has 27 dishes,美国最大可移动射电望远镜,The Parkes 64-meter radio telescope in Australia produced this radio map of the LMC,赖尔（Martin Ryle,1918-1984）,1962年，英国射电天文学家赖尔结合新型计算机技术，研制出能呈现图像的的综合孔径射电望远镜；这种望远镜继承了初期射电望远镜聚集辐射能量和分辨的本领，用多天线系统代替单天线，减小了接收机噪声的影响，提高了望远镜的灵敏度和分辨率。赖尔由此荣获了197

9、4年度的诺贝尔物理学奖。,3、空间望远镜,利用大型的地面望远镜固然能探测到上百亿光年之遥的星空,但它毕竟在屏障般大气层的重重包围之中, 大气的抖动使得地面望远镜分辨细节的本领模糊10倍以上而且挡住了大部分的红外线、紫外线、X射线和射线,科学家们就提出了一个大胆的设想:要进一步提高望远镜的性能,只有摆脱大气层的包围,离开地球而成为空间望远镜才有可能。,研制历史,1923 提出把望远镜放在大气层外的设想 1946年， 斯皮策就开始了建空间望远镜的梦想 19571004 第一颗人造地球卫星上天 提出“建立大的空间望远镜是空间科学发展的合乎逻辑的长期目标” 1965-1969年，由斯皮策领导的小组制定

10、“大型空间望远镜的空间应用”计划 1966年4月8日，将OAO（地球轨道天文观测站）1号送入地球轨道，2天后，电池故障把斯皮策的第一个梦炸得粉碎；,1968年12月，将OAO 2号送入地球轨道，工作了4年半，取得了大量宝贵的数据，打开了天文观测的新纪元， OAO 3号再次爆炸， 1972年8月OAO 4号上天，工作了9年完成了太空望远镜的学习过程 1972年，对太空望远镜完成了可行性研究，并花了4年时间做宣传说服工作，使议会批准了这一计划，口径由3米降到2.4米以降低造价。 1977年，国会正式批准研制,Hubble Space Telescope,哈勃望远镜,Hubble Space Tel

11、escope,口径2.4m，总重11.6吨，周期96min 1990年4月25日发射，早期投资$15亿 1993年，一次重要的修复，70以上光可集中在0.1”内（原设计60，光学极限85） 到2002年3月1日，工作12年，观测了1.7万个目标，拍摄了42万张照片。接受3次大修，共花费$70亿 原定2004年进行最后一次维护，2010年接回地球，现已取消最后一次维护，将难以工作到2010年。,1993年12月，奋进号航天飞机对HST的第一次维护,1997年2月，发现号对HST的第二次维护,1993: Astronauts working from the space shuttle Endea

12、vor repair the defective and ailing Hubble while orbiting some 600 kilometersabove the earth.,five times more galaxies in the universe than previously thought. image taken by HST,Infrared Telescope,红外波段的银河系,ISO took this picture of new stars forming out of a cloud of dust and gas.,The EUVE Satellite

13、,Launched in June 1992, the EUVE satellite is dedicated to extreme ultraviolet astronomy,X射线天文学 贾科尼1962年用来发现太阳以外第一个宇宙X射线源的 爱洛比火箭，三个箭头表示三个盖革计数器的位置,2002诺贝尔物理学奖,X-Ray Telescope,X射线波段的银河系,Chandra X-Ray Observatory,Gamma-Ray Telescope,射线波段的银河系,Compton Gamma Ray Observatory,了解宇宙信息的其他通道,:高能宇宙线 中微子 引力波,羊八井国

14、际宇宙线观测站,如何测量距离？,三角法,利用相距最大距离的两个观测点,a,b,天体,观测者,测定ab距离和张角 再推算距离,c,光度,亮度,造父变星周光关系,周光关系可用来测量距离，造父变星被誉为量天尺,距离测量阶梯,三角法是距离测量的基础 超新星可用来测量很远的距离 最远的距离通过哈勃关系用红移来测量,二、太阳系的起源与演化,哈勃拍摄的火星,哈勃拍摄的金星,Saturns Atmosphere(土星),哈勃拍摄的b2彗星,哈勃拍摄的木星,Jupiter and its Moons,Comet Bombardment of Jupiter, 1994,太阳系性质,是太阳、九大行星及其卫星、小行

15、星、彗星及行星际物质构成的天体系统。 1、中心天体太阳的质量占整个系统的99.8，其他天体都在太阳引力作用下围绕太阳运动。 2、太阳系主要成员九大行星都在接近同一平面的近圆形轨道上，朝同一方向绕太阳运转，称行星运动的共面性与同向性(金星有点例外)。,3、太阳系中，质量占99.8以上的太阳的角动量只占太阳系总角动量的1 左右；而质量不到0.2的其它天体的角动量的总和却占99左右， 此外还有许多小行星、彗星。如何合理地解释这些特征，一直是太阳系起源理论面临的挑战。,1957年第一颗人造卫星上天开创了宇宙航行的时代。1960年代，阿波罗登月计划成功实施，1970年代以来“水手号”、“金星号”、“先驱

16、者号”、“海盗号”、“旅行者1、2号”、“卡西尼号”对各大行星的近距观察，“乔托号”对哈雷彗星的穿越飞行，“探路者号”在火星上的成功登陆，这些航天器所积累的有关太阳系天体物理性质和化学组成的珍贵资料，为人类更深入地认识太阳系的起源和演化奠定了良好的基础。,Pioneer Space Probe,NASAs Jet Propulsion Laboratory,“探路者号”Pathfinders landing site,关于太阳系的形成和演化，至今还没有一个能完全说明全部观测事实的学说。历史上有很多人提出过太阳系起源与演化的理论约40余种，归纳起来不外乎三类：,突变说,所有灾变说的共同特点是认为

17、行星物质来自某种偶然事件。最典型的看法是某恒星与太阳相遇或经过太阳近傍，潮汐力使太阳和恒星变形，拉出一系列碎块，然后逐渐分裂收缩成行星系统。这类学说的致命弱点是太阳与恒星相遇的可能性能很小。据估计太阳与其它恒星接近的几率为1015年才可能发生一次，而直接相遇的可能性更小，这时间已远远大于宇宙的年龄，因此，这种灾变是极不可能的。,俘获说,认为行星物质是在太阳形成之后由它走过的区域俘获来的。流行的看法是太阳曾穿越某一星际物质云块，穿越过程中俘获了一部分星际物质，最后由这些物质凝聚成为行星系统。这类学说的缺点除无法解释角动量分布问题外，更严重的问题是：虽然太阳与星云相遇的机会比和恒星相遇机会多一些，

18、但也不容易发生，何况对星云物质的俘获很难达到行星系统所需要的物质总量。因此俘获说也是极不可能的。,共同形成说,大约50亿年前，太阳系还是一团弥漫的缓慢转动的气体云。由于其它天体的引力扰动或邻近超新星爆发的影响，这块气体云开始坍缩，稠密的核心变为原始太阳，周围旋转的尘粒和气体原子，形成一个薄盘原太阳星云。原太阳星云会分裂成大量引力束缚团块(称星子)。星子具有小行星的尺度，其中一部分就是今天的小行星和彗星核，另一部分通过碰撞合并长大成星胚。这些星胚继续吸积周围物质，像滚雪球一样最后变为大行星及其卫星。,这些天体均由围绕太阳旋转的薄盘内的物质组成，因此自然是共面及同向的，而金星的逆向自转等特例可以用

19、潮汐力来解释。 不同类型的物理和化学性质上的差异也不难理解，靠近太阳的内区，只有难熔的岩状物能留存下来，气体及易挥发的冰类物质都跑掉了。因此类地行星质量较小，密度较高。 在太阳系外区，由于温度低得不能使冰类物质融化，在那里可以形成质量较大，能保留住氢、氦等物质。因而密度较低。 彗星则可能是在太阳系边界处累积起来的原始物质。,三、恒星的形成,恒星的一生是其引力和内部压力抗争的历史。 从尘埃云在自身引力下坍缩开始恒星生命一直到致密天体作为其归宿，引力从未停止与压力的对抗。,两种观点： 一种观点认为，恒星是由弥漫物质凝聚形成的，称弥漫说； 另一种观点认为，恒星是由超密物质爆发形成的。不过越来越多的观

20、测证据支持“弥漫说”，因而逐渐为绝大多数天文学家公认。,恒星 褐矮星 行星,Star-Forming Region,The Flame Nebula, also called NGC 2024, is a region of dust and gas in the constellation Orion. Some of the dust and gas is in the process of condensing into stars. This photograph was taken in the infrared range of electromagnetic radiation.

21、,A star begins life as a large, relatively cool mass of gas in a nebula, such as the Orion Nebula (left). As gravity causes the gas to contract, the nebulas temperature rises, eventually becoming hot enough to trigger nuclear reactions in its atoms and form a star. A main sequence star (middle) shin

22、es because of the massive, fairly steady output of energy from the fusion of hydrogen nuclei to form helium. The main sequence phase of a medium-sized star is believed to last as long as 10 billion years. The Sun is just over halfway through this phase. Stars eventually use up their energy supply, e

23、nding their lives as white dwarfs, which are extremely small, dense globes, or in the case of larger stars, as spectacular explosions called supernovas. A supernova is shown within the Large Magellanic Cloud at the bottom right of the rightmost photo.,1967年H.A.贝特(Hans Albrecht Bathe,1906- ),获奖成果： 恒星

24、能量的产生方面的理论 成果产生年代： 1938,恒星的质量是有一定范围的，一般在0.1至100个太阳质量(1太阳质量1.91033克)，更小的质量不足以触发核反应，而更大的质量则会由于产生的辐射压力太大而使星体瓦解,newly forming stars as revealed in a photograph taken by HST.,褐矮星(科学美国人中译本200007),1963:shiv Kumar 从巨大的气体和尘埃云中产生恒星的引力收缩过程也会频繁产生小质量天体。 始称black star(not B.H.),infrared star 1975 Jill C. Tarter 提议

25、用褐矮星表示这类天体. 1995 找到褐矮星存在的第一个确切证据 Gliese 229B褐矮星是红矮星Gi229A的伴星,超新星（SNe） 是某些恒星演化到终期时灾变性的爆发。爆发时光度为1010 太阳光度(相当于整个星系的光度)，释放能量1053尔格,光变幅超过17个星等。这是恒星世界中已知的最激烈的爆发现象之一。它抛射的质量范围为1-10M，抛射物质的速度为几千至几万km/s; 爆发时典型的动能为1051尔格。 Supernovae are related to everything and everything to Supernova。 -J C Wheeler 2004,What i

26、s a Supernova?,Star life cycle image from - http:/www.star.ucl.ac.uk/groups/hotstar/images/life_cycle.jpg,中国天文学史,中国天文学有一个基本特点，它具有官方性质，同朝廷有密切关系，传说中的帝尧 “天文官”羲和的任命（见下图）-书经 从中国的天象记事可以看出，中国人在阿拉伯人 以前，是全世界最坚毅、最精确的天文观测者。现代天文学家在许多场合，都曾求助于中国的天象记事，并得到良好的结果。 中国的“客星”记录，对今日的天文学研究仍然具有一定的现实意义迫切需要把中国古书中的天象记载进行改编，使它们

27、成为可供各国天文学家利用的形式. 李约瑟中国科学技术史,Image from Chandra X-ray Satellite,On May 1, 1006, a star of the size of a quarter moon was seen. It was yellowish and shone brilliantly for more than 3 months.,The Millennium Supernova,司天监丞周克明于公元1006年5月30日向宋真宗报告了这个天象。 1935年，史学家陈垣（1880-1971，曾任北京师范大学校长）在“宋会要”中找到了，并发表了这个报告的

28、要点： 景德三年五月壬寅朔（即公元1006年5月30日），司天监丞奏：四月戊寅（即公元1006年5月1日）初见大星。色黄。出库楼东，骑官西，渐渐光明。,XMM-NEWTON和射电VLA观测SN1006遗迹图像,1995年发现SN 1006射线同步辐射的亮弧(Koyama et al. 1995, Nature 378, 255)年用Cangaroo发现TeV射线辐射，证明存在能量为100 TeV.的电子 (Tanimori et al. 1998, ApJ 497, L33),Crab Nebula - Optical and X-ray,典型的超新星遗迹,斯必泽红外空间望远镜 IRAC.MI

29、PS 拍摄的蟹状星云,In 185 AD, Chinese astronomers recorded the appearance of a new star in the Nanmen asterism - a part of the sky identified with Alpha and Beta Centauri on modern star charts. The new star was visible for months and is thought to be the earliest recorded supernova.,超新星1987A爆发前后照片,超新星,已发现超新

30、星3651颗(2006-09-30),年代 发现超新星数 1885到1988 661 到2000 （178） 1824 2001 （307） 2131 2002 （334） 2465 2003 （338） 2803 2004 （249） 3052 2005 （367） 3398 2006-9-30(253) 3651,Classification of supernovae-Based on spectroscopy,SNe,H,No H,II,I,II(classical:P-Cygni),II (dw:emission),Ib (strong He),Ic (weak He),Ia (st

31、rong Si),Core collapse of massive stars,Thermonuclear explosion of white dwarfs,SNe,Classification and Definition of a SN Ia,Classification is purely spectroscopic, based on the presence of a strong SiII line with a minimum near 615 nm and no hydrogen. Other spectral indicators include SII “W” featu

32、re, broad CaII H&K lines. Only supernova subtype to occur in elliptical galaxies. Progenitor is therefore in a binary system and undergoes a thermonuclear runaway as it approaches Chandrasekhar limit.,134,蟹状星云,银河系内的星云 1054年中国发现的超新星的遗迹,昌德拉塞卡S. Chandrasekhar (19101995),美国理论物理学家、天体物理学家 在恒星内部结构理论、恒星和行星大

33、气的辐射转移理论、星系动力学、等离子体天体物理学、宇宙磁流体力学、黑洞物理学和相对论天体物理学等方面都有重要贡献,Nova System,Crab Nebula An exploding supernova star leaves behind a rapidly expanding cloud of gaseous material called a nebula.,The Hubble Space Telescope took this photo of the aftermath of the 1987A supernova in 1994,脉冲星与中子星,脉冲星研究里程碑,1932,

34、Feb The discovery of neutron 1934, 1967 Neutron stars are predicted 1939 Neutron stars Equation of State 1967, Nov 28 The discovery of pulsars 1967, Nov 281968, Mar 03 “Pulsar” designation 1968, Mar 15 First published “Pulsar” designation,1968 Discovery of the Vela pulsar 1968 Discovery of the Crab

35、pulsar 1968, Apr 01 First polarimetric observation 1968 Gravitational emission proposed 1969 Post-detection of pulsar X-rays 1969 Post-detection of pulsar rays 1969 Rotating Vector Model proposed 1969 Observations of pulsar glitches,1969, Aug First emission process proposed 1974, Jul 02 Discovery of

36、 binary pulsars 1975 First complete theory attempted 1982 Discovery of millisecond pulsars 1991, Sep 15 Detection of extrasolar planets 1992, Oct 19 Detection at mm-wavelengths 1998 Discovery of magnetars 1998, Nov 05 Discovery of the 1000th pulsar 目前 发现的脉冲星的数目在1500颗左右,中子星的预言及发现,1932年，英国物理学家查德威克发现中子

37、 苏联物理学家朗道(Landau，L.D.)就提出了宇宙中可能存在一类完全由中子所组成的天体。这恐怕是第一次提出中子星的概念。,1934年巴德(W. Baade)和兹威基(F. Zwicky)首次提出中子星可能形成于一次超新星的爆发。他们认为：超新星是表示从普通星到中子星的过渡，所谓中子星，就是恒星的最终阶段之一，它完全由挤得极紧的中子构成。,1967年底，剑桥大学的休伊什(A. Hewish) 教授和他的研究生贝尔(S.J. Bell)女士意外地发现了射电脉冲星。 很快， 戈尔德(T. Gold)证实脉冲星就是高速旋转的磁中子星。 至此中子星的存在才被确认。 休伊什因发现第一颗脉冲星获得了1

38、974年度的诺贝尔物理奖。,为什么脉冲星就是中子星呢？,脉冲星的关键观测事实 1/.脉冲星的周期范围从1.6毫秒到5秒且测得的周期非常精确，有效位数达13位； 2/.脉冲星的周期总是缓慢地增加，从未降低(除了偶然的脉冲星周期突变)。,1.6毫秒对应于光传播的范围仅500公里， 这便确定了发射源的大小的上限为500公里。 由脉冲星是如此准确的好钟可知， 发射源必须与整个天体耦联在一起，因此它只可能是致密天体：即白矮星，中子星或黑洞。,白矮星模型:它有三种可能性表现为好钟的机制：星体自转 ，径向脉动和双星系统的共转 黑洞来说，它无周期性辐射 最后只有旋转的中子星可作为脉冲星的模型,中子星的极端性质

39、,1.超高密度：若视中子星作为一个“巨原子核”，其密度是非常大的， 平均密度达1014千克/米3。比地球物质的密度高14个数量级（一百万亿倍）。由于目前还无法探知黑洞内部结构，故可认为中子星是宇宙中最致密的天体。,2.超高温：中子星诞生时温度高达109-1010 K以上，经过几万年的冷却，其表面温度仍达106 K左右，比太阳表面的温度6000 K还高千百倍。 不过由于简并中子的费米能达50兆电子伏，若中子星温度是109 K，则中子热能仅0.1兆电子伏，所以研究中子星时仍可视其为“冷”星。,3.强引力场:中子星表面的引力场也是极其强的。简单计算表明，中子星表面的引力场比地球表面的引力场强一千亿倍。,4.超高压：中子星体是在强大的物质引力与中子气简并压力达到平