天文学导论复习docxWord文档格式.docx
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开普勒第三定律:
轨道周期,(公转周期)2=(常数)X(半长轴尸
•伽利略:
太阳黑子,且运动P太阳自转绕木星旋转的4颗卫星(伽利略卫星),首次发现天上有不绕地球转动的天体!
3.牛顿的万有引力定律
■牛顿万有引力定律适用于弱引力场,例如太阳系(水星除外)
4.爱因斯坦的相对论
•长度、时间和质量是相对的,依赖观测者相对于所选定的参考系的运动
3.辐射与天文望远镜
1.电磁(波)辐射
2.黑体辐射
■物件加热:
低温红外线,温度升高T红光T黄光T白光T蓝光
•黑体谱的形状只与物体(恒星)的表而温度有关
2,900,000nmK
■维恩位移定律:
温度降低,黑体谱的峰值向长波方向移动
•斯忒藩•玻耳兹曼定律
(Steffan・BoltzmannConstant)
3.原子与谱线
■巴尔末线系BalmerSeries:
可见光波段
■莱曼线系LymanSeries:
紫外波段
■宇宙中的大部分物质处于等离子体状态
4.多普勒效应
■当辐射源远离观测者时,观测者接收到的辐射频率小于辐射源的辐射频率(波长变长)
AA-r
5.光学天文望远镜
6.全波段望远镜
■大气窗(atmosphericwindow):
可见光、射电、部分红外
4.太阳系
(1)行星
1.太阳系概观
冥王星是一颗矮行星
太阳系(八大)行星,由最靠近太阳的行星算起,依次为:
水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星。
均为1900年以前被发现的。
■太阳系小天体:
小行星,彗星,流星体流星)等小天体
■地球到太阳的平均距离=1天文单(AU)=1.5xlOA8千米,约为地球直径的10,000倍
2.类地行星
一般特征:
像地球,靠近太阳,铁(線)核心和岩石外壳,没有或极少卫星,体积小,质量不大,致密,密度=4-5g/cm3,大气稀薄
■水星
几乎没有大气,水星表面昼夜温差极大
■金星
自转方向和其它行星相反
白转轴没有倾斜,儿乎和公转平面垂直,所以金星没有四季之分
■地球与月球
质量~6xl024kg
半径~6400km
地月平均距离为地球直径的30倍
■火星
3.类木行星
像木星,离太阳远,体积大,质量大,密度低:
0.7-1.7g/cm^3,拥有很多卫星,岩石/铁核心+液态,浓密大气层,快速自转
■木星
太阳系内体积和质量最大的行星
■土星
■天王星
■海王星
5.太阳系
(2)矮行星、小天体与太阳系形成
1.矮行星
■谷神星:
最大小彳亍星
■阅神星:
最大矮行星
■查戎和冥王星互为同步卫星,查戎是整个太阳系己知惟一的天然同步卫星
2.小行星
■小行星带:
位于火星和木星轨道之间的一个“垃圾场”,距离太阳约2.8(2.0-33)
AU
■特洛伊型小行星:
和木星具有共同轨道的小行星群
3.彗星
■古老天体:
儿十亿年前太阳系构建过程屮所遗留下来的残片碎块T太阳系起源的“物证”
■彗星由夹杂一些岩石的(水)冰物质构成,故称为“脏雪球〃
■彗星质量-1011地球质量,体积大,密度很低,因而是结构松散、多孔的天体
■彗尾永远是背着太阳的,两条彗尾均可延展数百万公里
4.流星体
■大多数流星体很小(<
10m),多为沙粒大小,流星是大气现象
5.大碰撞
-一个直径10km的小行星或彗星大约每3千万年撞击地球一次弓可能结束文明
6.太阳系的形成
6.系外行星
1.引言:
系外行星存在的证据
■尘埃盘(DustDisks)暗示行星的存在
2.方法:
探测系外行星的工大技术
■直接成像法
-天体测量学法
-视向速度法一多普勒效应
-凌星法
-微引力透镜法
■时间测量丫去
3.历史:
不该有行星的脉冲星
4.特征:
系外行星与太阳系大不同
5.方向:
寻找类地行星的宏伟计划
6.目的:
搜寻地外生命与智慧生命
7.恒星的基本特征
-1parsecs(pc)秒差距=3.26光年=3.08x1016米
-恒星越远,其视差越小
恒星视亮度用视星等apparentmagnitude表示,即以恒星视亮度(照度)I的
对数来表示m=-2.5log10(b/b0),视星等越大,则恒星越暗
恒星(大气)主要由氢和氨组成
-测量轨道特征方法:
多普勒位移
-太阳结构从内到外:
光球层、色球层、口冕层,能量产牛:
热核聚变•日珥和耀斑都明显和太阳的磁场和黑子有关
8.星际介质与恒星形成
1.星际介质
■~99%的星际介质是气体,即自由运动的原子和分子
■星际消光:
尘埃能吸收和散射光子,因此星际尘埃能有效阻光,即星际尘埃能
遮挡我们的视线,称为星际消光
•长波辐射能穿透星际尘埃,短波辐射遭受严重星际消光
■在可见光(和紫外波段),银河系的大部分区域由于受到尘埃的消光而不可见
-星际消光造成星际红化
2.恒星形成
■分子云是恒星形成的摇篮
■分子云坍缩为原恒星
■原恒星主要在红外波段研究
9.低质量恒星演化
•太阳恒星演化
1.亚巨星支
■He核收缩->
壳层引力增加->
壳层压力增加壳层H燃烧率加快(He核质量增加)T恒星更亮,但体积膨胀T表面温度降低T恒星更红!
亚巨星结构:
非燃烧He核+壳层H燃烧+非燃烧H包层
•体积膨胀刁表面温度降低,但光度增加
2.红巨星支
■He核体积持续缩小T电子开始简并(压)
红巨星结构:
非燃烧简并He核+燃烧H壳层+非燃烧H包层
(恒星沿RGB是加速向上攀升的)
3.氮闪
由于简并,He核温度上升但不膨胀
氨闪后,电子简并解除
恒星进入一个新的稳定态:
He在正常的非简并的核内燃烧成为C,H在壳层内燃烧成为He
4.水平支
He闪后,光度降低T恒星(H包层)收缩9表面温度上升9恒星向左下方移至水平支
水平支(HB)星
HB星结构:
稳定He核燃烧+(+非燃烧He壳层)+H壳层燃烧+非燃烧H包层
HB星和主序星的比较
■HB星保持稳定仅5千万年(He^C,H^He):
•核心区的燃料变少
•He燃烧的能量转换效率比H低许多
•HB星更亮9必须更快消耗燃料
5.渐进巨星支
当核心He枯竭T引力〉压力弓C核坍缩至电子简并TC核半径减小,引力上升T壳层压力上升T加快壳层He和壳层H的燃烧T简并C核质量(非半径,仍坍缩)增长加快9引力上升加快7壳层压力上升加快今
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9加快壳层He和H燃烧T...9互相促进T...(C核收缩)
6.恒星质量损失
在AGB结束吋,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5X104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-16mT光度很低
■有效温度Teff^5xl03-4x104K:
光谱0到K型
■暗弱T仅很近的白矮星才易观测到
■单星或双星成员
十.大质量恒星演化
•脉动变星
■造父变星(Cepheidvariables):
最高质量最亮的脉动变星
•原型:
DeltaCepheid
•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PC核坍缩(不简并)T温度上升到T>
=SxlO8KC开始燃烧
•C燃烧产生大量重元素:
钠、氛、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
100
•不同质量恒星的演化结局
氯閃
1ft元素聚變
行星狀a裳
趙新星
白U星中了址
10
太隔買駅
•超新星的主要特征
■光度:
L〜1O7-1O10Lq
■爆发能E〜1047-1052ergs(其中中微子占99%,动能占1%,可见光辐射占0.01%)
-膨胀速度"
〜103-104kms1
■产物:
膨胀气壳(超新星遗迹)+致密天体(中子星[脉冲星]或黑洞)
•la型无致密残骸
•超新星的爆发机制
■la(热核)超新星:
小质量双星系统中吸积白矮星的C(He,O)爆燃
■lb/lc,ll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
•星体物质儿乎全为中子,且简并,中子简并压可以抗衡引力,形成新的稳定物态,即
屮子星
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~0.3km,固态金属(Fe,e_)
>内壳~0.6km,原子核、游离屮子、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f动能f热能一X射线辐射膨胀宇宙
1.星系的发现
最大最亮的星系通常用其在梅西耶星表中的排序数字来表示
2.宇宙学原理
宇宙学原理的两个具体预言:
•宇宙是各向同性的
•宇宙是均匀的
宇宙学原理表明宇宙既要均匀又要各向同性
3.宇宙在膨胀
大部分星系正远离银河系
星系退行速度与其距离成正比
4.宇宙开始于大爆炸
哈勃定律表明星系Z间相互远离所持续的时间相同,称为哈勃时间
H0=71km/s/Mpc9宇宙年龄~237亿年
宇宙大爆炸中心在哪里?
•无中心。
因为宇宙空间本身与大爆炸同生,所以不发生于任何一个具体点
5.宇宙微波背景辐射
CMB是能观测到的宇宙最早期的辐射
6.大爆炸核合成
暗物质不可能由重子构成
十二.星系
•椭圆星系
■主要由星族II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
■屮心区域最亮,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,旋秤缠卷最紧;
Sc型核球最小,旋借缠卷最松
•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,旋借缠卷最紧;
而SBc型棒最小,旋借缠卷最松
•透镜状星系
■介于椭圆星系和旋涡星系Z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SO或SBO。
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:
la超新星
•星系质量越大一光度越高
谱线宽度O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=H0XD
其中H0为哈勃常数(Hubble'
sconstant)
•根据成员星系的多少(形状),星系聚集为
•星系群(groupofgalaxies)
•星系团(clusterofgalaxies)
•本星系群
■由银河系、仙女星系(M31)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1OOMpc,质量可达约
-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反的纤维状结构,长:
100-300Mpc
宽:
50-100Mpc
厚:
5-10Mpc
最大尺度的宇宙结构
星系碰撞T星系形态的变化
星系碰撞9星暴现象
星系碰撞弓星系并合
•星系(团)引力质量的测左:
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
十三.现代宇宙学
1.宇宙的物质密度
■宇宙会永远膨胀下去吗?
•取决于其中所含“物质”的多少
•因为宇宙质量的引力使膨胀减速
•如果质量足够大,其引力大得使膨胀减速、停止,然后不可避免坍缩,直至灾难性的大挤压
■如果没有足够的质量,宇宙膨胀会减速,但不会停下来
-宇'
山'
的“逃逸速度”
•一个天体表面的逃逸速度由其平均密度决定
•宇宙的“逃逸速度”同样rti其平均密度p决定
■宇宙的临界密度~6H/m八3
2.加速膨胀的宇宙与暗能量
■通过观测遥远的超新星发现宇宙正在加速膨胀
■暗能量在宇宙早期不重要,在约一半宇宙年龄前宇宙膨胀是减速的
•随着宇宙膨胀,暗能量越來越强大,引力越來越弱,使减速膨胀转为加速
■宇宙学常数二真空能二暗能量
3.暴胀宇宙
■平直疑难问题
•即使宇宙早期位形是高度弯曲的,经过暴胀会变为平直
•视界疑难问题
•在暴胀前,宇宙的大小远小于视界大小,因而具有相同的温度
4.最早期宇宙
■四种基本力
•强核[相互作用]力
•电磁力
•弱核[相互作用]力
•引力
5.多重宇宙
■第一层平行宇宙
•平直宇宙是无限的,包含无限多个相似的平行宇宙•加速膨胀,相互分离的“可观测宇宙”变得越来越分离
■第二层平行宇宙(第一层宇宙的集合)
•没有开始没有结朿的永恒暴胀
•量子涨落:
某些区域膨胀慢,其暴胀很快结束
•回答了我们的大爆炸Z前是什么
•新的大爆炸持续产生
■第三层平行宇宙(第二层宇宙的集合)
•占据相同空间的新宇宙不断产生,但不能互相联系
•第四层平行宇宙(第三层宇宙的集合)
•包扌舌一切的情形,各种行为的宇宙都是可能的
十四.宇宙的大尺度结构
1.星系团与大尺度结构
-引力使星系聚集,雕刻宇宙的结构
•主要依靠星系Z间的暗物质
■根据成员星系的多少(形状),星系聚集为
■星系群:
数十个星系,结构松散,~3Mpc
数千个星系,结构规则,-2-lOMpc
•银河系所在的星系群,大小约至少50个星系
•两个棒旋星系:
银河系、仙女星系M31
•—、旋涡星系:
三角星系M33
•几个椭圆星系和矮星系
•~30个更小的矮星系
•不规则星系:
大、小麦哲伦云等
•大部分矮星系分别是银河系、仙女星系的卫星星系•仙女大星系M31
♦本星系群内质量最大的星系
♦距离~770kpc,直径~60kpc
■SBb型棒旋星系
•三角星系M33
♦本星系群内第三大星系
♦距离~720kpc,直径~18kpc
■Sc型旋涡星系
•大、小麦哲伦云(LMC/SMC)
♦银河系的伴星系
■LMC:
距离50kpc,质量2xl0i°
l\/k,直径lOkpc
■SMC:
距离60kpc,质量4xio9|\/lc,百径6kpc
♦大量的年轻恒星和中性H气体
■星系团
•矮星系数量远多于巨星系
•巨星系占据大部分恒星质量
•旋涡星系常见
•~l/4星系团中,椭圆星系主导
•近邻星系团:
室女星系团、后发星系团
•室女星系团
♦距离16.5Mpc
♦直径~3Mpc
♦成员星系~2500个
♦大部分星系是旋涡星系
♦中心是被热气体的X射线坏绕的3个巨椭圆星系M87等
•后发星系团
♦距离~90Mpc
♦直径~3Mpc
♦成员星系~6700
♦以[巨]椭圆星系和SO星系为主
♦椭圆星系聚集在星系团中心
♦旋涡星系分布在外围
■超星系团
•由多个星系群和星系团所组成的更大结构
•含数万■数十万个星系
•尺度^30Mpc
•室女超团:
木星系群+至女星系团+
•星系红移巡天:
测量大量星系的距离
♦由星系光谱测量星系的红移
♦利用哈勃定律得出星系的距离
♦绘制宇宙的结构
•距离最近的大尺度结构:
超星系团和长城
•星系团中心有一巨星系,其它较小星系环绕其做轨道运动。
某小星系轨道以内的质量为
rv2
M
m—g
2.结构的起源
2.1理论
■引力、暴胀、暗能量
■早期宇宙的平衡:
辐射、亮物质、暗物质
•暴胀模型:
联系今天的大尺度结构与紧接大爆炸后的结构
■早期结构:
暴胀期量子涨落所产生的团块(结构形成的种子)
-引力放大团块
■[自下而上]等级式成团:
小结构[亚星系团块和矮星系]先形成,大结构后形成2.2观测
■测量亮物质与暗物质的比例[质光比]
■寻找最咼红移星系
■不同红移的星系给出宇宙随时间的演化
・黑暗期:
宇宙38万岁的CMB至目前所看到的最髙红移(z~9,5亿年)天体2.3暗物质化解“宇宙危机”
3.第一缕星光
■宇宙~38万岁[z-1100],宇宙复合,CMB可观测
■黑暗期[2・6亿年,z~20・8.5]:
CMB+中性蛍21厘米辐射,无星光,第一代恒星开始形成
•再电离开始12.7-4.8亿年,z-15-10]:
第一代恒星紫外光子电离中性氢,随后氢开始辐射可见光
■再电离结束[7.5・9亿年严7・6]:
第一代低光度星系中的恒星、第一代超大质量黑洞吸积辐射
4.星系的演化
•星系持续等级演化,小的原星系(团块)并合为更大的星系
-早期宇宙更小,星体更靠近,并合更频繁
■(l+z)A3
■暗物质晕内的亮物质由于辐射冷却而凝聚、坍缩,形成小到球状星团,大到矮星系的星体
•最老球状星团T35亿岁,最老球状星晕~115亿岁,星系盘更年轻(需更长时间形成)
■高速碰撞时,亮物质热气体减速,暗物质不减速一一暗物质存在的证据
5.银河系的形成与演化
■在一个巨大暗物质团块中的气体坍缩成许多小的原星系的同时,形成了银河系
•银河系由许多小的原星系并合而成
-矮星系的暗物质比例更高,其恒星的重元素丰度很低
■由矮星系的运动估计银河系暗物质质量
6."
绝对的"
未来
■大挤压“基本”被排除
■大撕裂(热寂)得到当前观测的支持