天文学导论复习docx.docx
《天文学导论复习docx.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《天文学导论复习docx.docx（17页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
天文学导论复习docx
一.天体的视运动
1.
星座与星图
1929年，国际天文联合会（IAU）正式把全天划分为翌个星座，并清楚界定每一个星座的边界。
因此每颗星属于且只能属于一个星座。
2.
地球自转：
天体的周日视运动
每天，太阳、月球以及星星都东升西落，是地球自西向东自转所造成的假象,故称天体在天空上所经历的路径称为天体的周日视运动
■太阳每天东升西落，于当地正午通过子午线达到最高点（上中天）
■地方正午：
太阳到达子午线（不一定是12点）
■太阳连续两次到达正午的时间为24小时，称为一个太阳日（thesolarday）,即我们的一天
•天文事件通常用世界时（UT）
■拱极星：
靠近南北天极,永不落
■北极星：
最靠近北天极，似乎永远静止不动
-北京：
东经116度22分北纬39度58分
-南北天极的高度等于观测者所在地的地理纬度
■天赤道：
不变的参考点，到天极的弧距离总是90度，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，天赤道二地平线
■在北京,向东看：
天体从东偏北方向升起向西看：
天体向西偏北方向落下
3.
•在赤道上，所有星在地平面上12小时，所有星垂直于地平面升起和下落地球公转：
天体的周年视运动
■每（白）天同一时刻，太阳相对于背景恒星的位置向东移动
•黄道：
地球的公转造成太阳在天球上的位置自西向东缓慢移动（滞后于恒星）再回到原处（相对于背景星）的周期为一年（T65.24天），共走了360度9太阳每天向东移动大约1度~2个太阳视直径
-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，为~23小时56分
■季节更替：
天赤道与黄道面的夹角为23.5度，相交的两点分别称为春分点和秋分点
-在黄道上距春分点和秋分点最远处则称为夏至点和冬至点
4.
天体的赤道坐标系、恒星时
-
赤经小于（地方）恒星时的恒星位于子午线以西
地心说的基本模型不能解释行星的逆行和亮度变化
2.现代天文学的诞生
哥白尼、第谷、开普勒和伽利略
■开普勒：
开普勒第一定律：
轨道形状，椭圆轨道，太阳位于一个焦点上
开普勒笫二定律：
行星速度，行星和太阳的（假想）连线在相同的时I'可内扫过相等的面积T行星越接近太阳则运行速度越快
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
一般特征：
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
•星系团：
数千个星系，结构规则,-2-lOMpc
•本星系群
•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
升级会员 