天文学导论复习资料汇编.docx

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天文学导论复习资料汇编

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太阳，是太阳“大气”中非常薄的一层，厚度仅500千米，气体密度为地球大气的10%

▪我们之所以看到光球层，是因为它的气体密度正合适。

在它之下的气体密度太大，光线不能直接通过；在它之上的气体密度则足够稀薄，能让光球层发出的光线顺利通过，8.3分钟到达地球

所以，光球层界定了肉眼（光学）可见的太阳的“表面”，其温度约为5800K

5.色球层

▪光球层之上的气体是一层约2000公里厚的色球层，温度更高，特征温度为105K，底层大气

▪色球层比光球层暗得多，所以通常只能在日全食时才能看见它（色球仪）

▪色球层并非球形，而且有很多称为针状体（spicule）的细小突起

6.日冕

▪日冕是太阳大气的最外层，和色球层一样也通常只能在日全食时才能看见（日冕仪）

▪日冕密度非常低，但可延伸至太阳半径的10倍之远，温度更高达106K（？

）

●太阳的能量产生机制

1.开尔文收缩假说

2.爱丁顿热核聚变

●太阳中微子

▪p-p链产生的其中一种粒子是电子中微子，质量很小，不带电

▪大约5%的太阳能量是以中微子的形式释放出去（其它95%以辐射形式）

●太阳活动

1.太阳黑子

太阳黑子是太阳光球层上的小的黑暗区域，温度只有约4200K

太阳黑子的数目变化有一个11年的周期

黑子经常成对出现，每对极性相反。

因此每对黑子皆有磁力线相连，而且南北半球黑子极性相反

2.太阳日珥

日珥是巨大的拱形状的气体云，可上窜至太阳光球层以上相当于数个地球直径的太阳大气层的色球层。

3.太阳耀斑

▪太阳耀斑是更猛烈的突然爆发现象：

•放射出强大的X射线、紫外线、可见光和太阳风

•加热色球层和日冕内的气体

▪日珥和耀斑都明显和太阳的磁场和黑子有关

4.太阳风.

太阳风主要是飞离太阳的质子和电子。

日冕是太阳风的源头

●日振波：

振动频率依赖于太阳内部结构，与温度、密度和化学成分等因素相关

●恒星的基本特征：

恒星是一个被自身引力束缚的气态球，而其质量大至足以在其核心产生热核反应

●通常用相隔半年时间（地球轨道的相对两侧）的恒星位置改变的角大小的一半来表示，称为恒星的视差

●p=1角秒所对应的距离定义为1秒差距

1pc=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

视星等相差1等，亮度之比为2.512

如果恒星的距离倍增，亮度变为1/4，则星等约增加1.5

●表示天体辐射本领的量是绝对星等或光度（辐射功率）

视亮度和光度成正比，和距离平方成反比

恒星光度相差悬殊：

106-10-4太阳光度

恒星的颜色由其表面温度决定

●赫-罗图：

揭示恒星演化

位于右上角的“恒”星，表面温度很低（单位面积辐射低），但光度极大，所以星体积必定极大，称为巨星

位于左下角的星，温度高而光度小，所以体积必定小，称为矮星

▪等半径线：

半径相同的恒星位于斜率为负值的直线上

•恒星的半径也由其在赫-罗图上的位置得出

▪半径从左下角（白矮星）到右上角（超巨星）增加

▪不同等半径线上的主序星，其质量必定不同

▪主序带是关于恒星质量的序列

O型星：

比太阳热、大、亮

M型星：

比太阳冷、小、暗

●恒星质量决定它在主序带上的位置

●赫-罗图测恒星距离：

分光视差

●双星的轨道特征

▪质心位于两个椭圆的一个焦点上

▪质心（位于两个天体的连线上）保持固定

▪两个天体正好总是位于质心的两侧，运动方向总是相反

●双星

银河系中超过50%的恒星是和其它恒星组成双星或多重恒星（聚星）系统

目视双星

分光双星

食双星

●星团

•疏散星团openclusters

•球状星团globularclusters

第八讲星际介质与恒星形成

●星际介质

~99%的星际介质是气体，即自由运动的原子和分子

星际气体（interstellargas）极端稀薄：

●星际介质中大约1%质量的物质是固体颗粒，称为星际尘埃

星际尘埃可吸附其它的原子和分子à长成更大更重的物体

●改正天体的消光和红化是解释天文观测最困难的部分之一，往往增加天体特征测量的不确定性

远红外“眼”所看到的宇宙基本上不是星光，而是尘埃的热辐射

●星际云和云际气体

●星际云的特征

▪与温暖的云际气体比较，星际云更冷，但更致密

•T~100K

•密度~1-100atoms/cm3

▪星际云的大部分成分是中性氢原子

▪通常称冷而致密的气体为（星际）云

●分子云

▪分子只能生存在既冷又暗的星际云中，称为分子云

•星际云最致密的核心区

•更冷:

T~10K

•更致密:

100-1,000分子/cm3,某些1010分子/cm3（依然是实验室中好的真空!

）

•分子氢（H2）：

最轻，最常见

•主要辐射射电与红外

•发射线：

分子云的指纹

巨分子云

●恒星形成

分子云是恒星形成的摇篮

1.分子云坍缩为原恒星

2.原恒星变成恒星

●原恒星的特点

▪原恒星不仅大而且亮（与太阳比较）

▪尽管很亮但可能在可见光波段不可见

▪相对较冷，大部分辐射为红外

▪在初期，原恒星深埋在致密的尘埃分子云中，尘埃吸收可见光

●褐矮星既不是恒星也不是行星

●星团中的恒星同时形成

质量大即寿命短

主序恒星也在演化

第九讲小质量恒星演化

●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）→恒星更亮，但体积膨胀→表面温度降低→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→表面温度降低，但光度增加

2.红巨星支

▪He核体积持续缩小→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.氦闪

由于简并，He核温度上升但不膨胀

氦闪后，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→恒星（H包层）收缩→表面温度上升→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→必须更快消耗燃料

5.渐进巨星支

当核心He枯竭→引力>压力→C核坍缩至电子简并→C核半径减小，引力上升→壳层压力上升→加快壳层He和壳层H的燃烧→简并C核质量（非半径，仍坍缩）增长加快→引力上升加快→壳层压力上升加快→

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→加快壳层He和H燃烧→…→互相促进→…（C核收缩）

6.恒星质量损失

在AGB结束时，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-16m→光度很低

▪有效温度Teff~5×103-4×104K：

光谱O到K型

▪暗弱→仅很近的白矮星才易观测到

▪单星或双星成员

第十讲大质量恒星演化

●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→C核坍缩（不简并）→温度上升到T>=8x108K→C开始燃烧

▪C燃烧产生大量重元素：

钠、氖、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

●不同质量恒星的演化结局

●超新星的主要特征

▪光度：

L～107-1010L⊙

▪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v～103-104kms-1

▪产物：

膨胀气壳（超新星遗迹）+致密天体（中子星[脉冲星]或黑洞）

•Ia型无致密残骸

●超新星的爆发机制

▪Ia（热核）超新星：

小质量双星系统中吸积白矮星的C（He，O）爆燃

▪Ib/Ic,II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

●星体物质几乎全为中子，且简并，中子简并压可以抗衡引力，形成新的稳定物态，即中子星

与一般恒星相比，中子星的温度很高

●中子星的结构

Ø表层大气~cm（没显示）

Ø外壳~0.3km,固态金属（Fe,e－）

Ø内壳~0.6km,原子核、游离中子、电子

Ø内部：

超流中子和超导质子

Ø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→动能→热能→X射线辐射

第十一讲银河系

●银河系的整体结构

（1）银盘（disk）：

旋臂

（2）核球（bulge）：

棒状

（3）球状星团（~150）（4）银晕（halo）（5）银冕（corona

●银河系的自转是较差（非刚体）转动

●银河系的旋涡结构

▪银盘

•构成：

星族I恒星、气体和尘埃

•直径：

D~30kpc

~10万光年

•厚度：

h~70-300pc

•→D>>h

•显著特征为旋臂

•正发生恒星形成

●核球和银心

▪核球（银心）在人马座方向，椭球形？

，大小~6×4kpc，恒星分布十分密集

▪强射电、红外和伽马射线源：

SaggitariusA*（SgrA*）

•人马座最强的射电源

第十二讲星系

●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

▪中心区域最亮，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，旋臂缠卷最紧；Sc型核球最小，旋臂缠卷最松

●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，旋臂缠卷最紧；而SBc型棒最小，旋臂缠卷最松

●透镜状星系

▪介于椭圆星系和旋涡星系之间的、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S0或SB0。

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