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最新天文学导论复习资料

第一讲天文学导论

●古希腊天文学：

毕达哥拉斯，亚里斯多德（地球中心学说），托勒密的地球中心学说

天文学的发展期：

哥白尼、第谷、开普勒和伽利略

牛顿的万有引力定律

爱因斯坦的相对论

●开普勒第一定律：

（轨道形状）所有行星皆以椭圆轨道环绕太阳运行，而太阳位于椭圆的一个焦点上

●开普勒第二定律：

（行星速度）行星和太阳的（假想）连线在相同的时间内扫过相等的面积。

à

行星越接近太阳则运行速度越快

近日点，运动最快

远日点，运动最慢

●开普勒第三定律：

（轨道周期）行星公转周期的平方和其到太阳的平均距离的立方成正比

（公转周期）2=（常数）x（平均距离）3

第二讲天体的视运动

●月相与食无关

天体的视运动

月全食时月亮变为黄铜色或血红色，这是由于地球大气中的尘埃颗粒折射阳光中的红光并到达月球所致

●内行星：

水星，金星

外行星：

火星、木星、土星、天王星和海王星

●头顶的星空取决于你在地球表面上的位置和当地时间

●北京时间正午12点（东经120度）时，北京地方时（东经116.5度）即太阳时为11点46分，所以此时北京的太阳在子午线以东约3.5度，再过约14分钟北京“真”正午

●南北天极：

不变的参考点

北天极：

北极星

南天极：

南十字座

●天赤道：

不变的参考点

所有恒星沿与天赤道平行的路径由东向西运动（圆弧轨迹

在地球两极，天赤道=地平线

●天顶、地平线和子午线：

本地参考系

天顶和子午线的位置不随观测者的地平线移动

相对于星星来讲，天顶和子午线的位置在变

天体的运行（圆弧）轨迹与地平面的夹角为：

90度-观测者所在地理位置的纬度（=天赤道与地面夹角）

●在北极：

所有星星沿与地平面平行的圆轨迹运行，从不下落

赤道上：

所有星垂直于地平面升起和下落“可见所有星”

●太阳在天球上的视运动轨迹称为黄道

●太阳日=24小时：

太阳连续两次到达子午线的时间

恒星日=23小时56分：

恒星连续两次到达子午线的时间

恒星日是地球真实的自转周期，不随其绕太阳公转而变化，均为23小时56分

●月球回到原处（相对于恒星）的周期约为27.323天，此为恒星周期

●两个天体之间的距离常用它们与观测者之间的夹角表示，即角距

●北京：

东经116度22分；北纬39度58分

本初子午线：

格林尼治天文台

●把地球的经度、纬度投影到天球上便成为天球的赤道坐标系

赤纬：

从天赤道开始至两极Dec[–90，90]度

赤经：

用小时、分和秒的时间单位来表示，并由西向东由0增加到24小时

赤经的计算起点为春分点，在天赤道上由西向东分为24小时

地球“24小时”自转一周360度à赤经1小时对应地球自转15度

▪对于赤经相差1小时的两颗恒星，例如，RA2-RA1=+1小时：

•恒星1比恒星2早1小时通过你的子午线（上中天）

•如果不是拱极星，恒星1比恒星2早1小时从东方升起

●某地某时刻的恒星时等于此时此刻位于子午线上的恒星的赤经（天球上与子午线重合的赤经）

赤经小于地方恒星时的恒星位于子午线以西

赤经大于地方恒星时的恒星位于子午线以东

●一颗恒星的时角τ、赤经α和当地的恒星时θ之间的关系为τ=θ−α

τ<0,在子午线以东（α>θ）

τ>0,在子午线以西（α<θ）

第三讲辐射与天文望远镜

●黑体谱：

连续谱的形状只与物体（恒星）的表面温度有关

•其峰值波长（颜色）由其表面温度决定

温度降低，黑体谱的峰值向长波方向移动

•冷物体产生长波（低频）辐射

•热物体产生短波（高频）辐射

●辐射的平方反比定律：

强度x距离2=常数（恒星辐射能力）

●关于天文望远镜的常见误解

（wrong）放大作用:

大型望远镜把天体放得更大

（Right）聚光作用：

使（暗弱）天体的图像更亮更清晰

（wrong）望远镜究竟可以看到多远的天体？

只要一个物体足够亮，无论多远都可以看到

（right）望远镜可以看到多暗的天体？

或望远镜可以看到几等星?

只要一个物体足够暗，无论多近都看

●光学望远镜的类型：

折射式望远镜反射式望远镜

第四讲太阳系

（1）行星

●行星是一个具有如下性质的天体：

（a）位于围绕太阳的轨道上，（b）有足够大的质量来克服固体应力以达到流体静力平衡的形状（近于球形），以及（c）已经清空了其轨道附近的区域。

矮行星是一个具有如下性质的天体：

（a）位于围绕太阳的轨道上，（b）有足够大的质量来克服固体应力以达到流体静力平衡的形状（近于球形），（c）还没有清空其轨道附近的区域，以及（d）不是一颗卫星。

其它所有围绕太阳运动（不是卫星）的天体被定义成“太阳系小天体”。

●气态巨（外）行星的大质量是由于其体积大，而不是由于其密度大

内行星（岩石）是最致密的

●内行星轨道基本上在同一平面内

水星轨道面最扁与黄道面夹角最大（7度）

●相对黄道面，冥王星轨道面倾斜很大（17度）

●水星—铁质行星

水星几乎没有大气

●金星—炼狱行星

自转方向和其它行星相反

自转轴没有倾斜，几乎和公转平面垂直，所以金星没有四季之分

自转非常缓慢，恒星日=243天

浓密大气与严重的温室效应

金星的云和酸雨

金星的表面光滑

●地球—金锁轨道上的行星

平均密度约为水的5.5倍，密度最大的行星

●月面上较暗的部分称为月海maria,滴水全无，只是远古时期月壳形成时凝固了的熔岩

月面上较亮的部分称为山，其实不是山，而是由大量星际物质撞击月面时所形成的环形山（陨坑）（伽利略命名）

月球无大气

●火星—红色行星

和地球一样，火星拥有极冠，但主要为固态的二氧化碳（干冰）和少量水冰,且夏消冬长

火星年有680多天

0.53倍地球半径

虽然大气主要由二氧化碳组成，但是火星大气太稀薄，不能有效束缚太阳能，因此它的表面温度变化很大：

-130°C--30°C。

由于火星距离太阳遥远，所以表面平均气温很低

火星表面：

火山和峡谷

火星有两颗细小且不规则的天然卫星，较大一颗（火卫一）的直径仅27千米

自转周期=公转周期。

极可能是俘获的小行星

●木星—行星巨无霸

太阳系内体积和质量最大的行星

低密度

木星主要成分

▪主要成分为氢和氦（likeSun）,以及少量的甲烷和氨

▪表面气压极大，超过地球的1000倍，以致木星的中心由金属相的氢组成

（光）环系统也是四颗类木行星的共同特征

木星有61个卫星

●土星—有光环的“天神”

▪在众多行星中，密度最低（0.7g/cm^3），比水轻，“水上漂”

光环的厚度约1公里，主要由数毫米至数米的尘埃和冰块组成

●天王星—躺着自转的行星

与木星和土星不同，天王星的大气相对较为平静，因而缺乏表面特征，云带不显著

天王星拥有岩石核心

●海王星—最远的行星

海王星的大黑斑

第五讲太阳系

（2）矮行星、小天体与太阳系形成

●谷神星：

最大小行星，1号小行星

阋神星:

最大矮行星

●冥王星—“古怪的小家伙”

冥王星的基本特征

质量小于地球的1%，半径约1150千米，比月球（半径约1740千米）还小

冥王星表面及其大气由氮组成，从其密度推断，它应有坚固的表面

查戎和冥王星互为同步卫星

查戎是整个太阳系已知惟一的天然同步卫星

●小行星—“天上的灾星”（535000颗）

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（2.0-3.3）AU

特洛伊型小行星：

和木星具有共同轨道的小行星群

小行星带的基本特征

▪轨道周期：

3.2-6年

▪由岩石与金属构成的块状小天体

▪直径大于250千米的小行星不足20颗

▪大部分形状不规则，非球形，

●彗星—脏兮兮的雪球

彗星的基本特征

彗星和小行星具有共同的起源

彗星质量~10-11地球质量，体积大，密度很低，因而是结构松散、多孔的天体

彗星的结构

慧核：

彗星中心是一颗由凝固了的气体和尘埃组成的、直径小于10公里的细小彗核

彗尾：

彗尾永远是背着太阳的

●太阳系知多少？

▪行星椭圆轨道椭度轻微，几乎近似为圆轨道

▪行星公转自西向东

▪自转轴相对于轨道面的倾斜度小（金星和天王星是例外，可能碰撞引起）

▪行星的化学成分不同，大致随到太阳的距离变化：

内行星致密、富含金属，而外行星体积大、富含氢

▪行星包含太阳系大约90%的角动量，但太阳却包含太阳系超过99%的质量

●1.星云坍缩：

巨分子云裂变后的其中一块云：

太阳（原始）星云

2.星云自转随坍缩加快

3.Anaccretiondiskforms形成吸积盘

对于自转的星云，因为离心力平衡引力，坍缩的程度具有方向性：

自转使得垂直于自转轴方向上的坍缩减慢，但是不影响沿自转轴方向的坍缩，所以自转的星云渐渐变得扁平

4.小物体成长为大物体

星子：

行星的种子

星子的增长方式：

凝聚à碰撞à吸引

5.原行星盘：

内热外冷

6.固态的原行星吸积大气

7.卫星的形成

月球可能是星子和地球碰撞的残骸

火星的两个卫星可能是俘获的小行星

8.原太阳和原行星的最后凝聚

像星云坍缩一样，原太阳和原行星也在自引力的作用下开始坍缩，最终形成一个太阳和（被若干个卫星环绕的）若干个行星

●太阳系的故事：

微缩版

太阳系是恒星和行星形成理论的一个具体验证

星云坍缩为原太阳和原行星盘

由岩石组成的类地行星形成于内太阳系

巨大外行星的核的形成和内行星一样，由星子形成，但是外行星能够俘获并束缚大量气体

外行星的卫星形成于其周围的小吸积盘

小行星和彗星是存活到今天的星子

月球可能碰撞的残骸

各个行星形成的年代和顺序？

第六讲系外行星与地外生命

●尘埃盘（DustDisks）暗示行星的存在

●尘埃反射星光的总亮度是一个行星的10^12倍

每块岩石的（反射）亮度正比于r2，岩石的数目反比于r3

●探测系外行星的5大技术

1.直接成像法

北落师门b（Fomalhautb）：

年轻的行星

HR8799bcd：

放大版的太阳系

2.天体测量学法

3.视向速度法

4.行星掩食法

5.微引力透镜法

●脉冲星是倾斜的自转磁中子星

●系外行星的统计特征：

（与太阳系大不同）质量大，距恒星近

第七讲太阳与恒星

●太阳是靠自身引力而束缚在一起的一个气态球，主要成分为氢和氦。

太阳核心的温度和压力异常大，使得氢聚变为氦（热核聚变），释放出巨大能量

●太阳化学成分

▪以质量计：

•氢：

72%

•氦：

26%

•其它元素：

2%

▪以粒子数计：

•~90%氢

•~10%氦

▪等离子体态

●太阳温度

中心:

1.5x10^7K

光球层:

5800K

日冕:

10^6–10^7K

（太阳黑子:

4800K）

●太阳的较差自转:

太阳不是固体，其表面的自转速度在不同纬度是不同的，赤道附近转得最快，两极最慢

▪太阳黑子和许多太阳活动都是由较差自转造成的

●太阳结构

1.太阳核心

至20%半径处，密度最大，50%太阳总质量

温度高达1500万K

等离子（气）态：

离子自由游荡

太阳的引擎：

通过氢聚变为氦的热核反应，释放出巨大能量

2.辐射区

至太阳半径70%处，能量以辐射转移形式向外传播的区域

太阳核心产生的是伽马射线光子

辐射转移

3.对流区

能量以对流形式向外传播的地方，至半径99%处（即太阳的外层）

离核心越远，气体温度越低（约200万K），开始变得不透明，光子很容易被吸收，辐射转移的效率因而很低，因此在太阳最外层，对流取代了辐射转移成为传播能量至太阳表面更重要的方式

4.光球层Photosphere：

“发光的球体”

▪对流区的上部是光球层，即我们每天所看到的