清华大学天文学导论笔记

天文学史开普勒三定律（椭圆轨道、运行速度、轨道与周期）引力摄动：另一颗行星的引力导致某行星绕太阳的运动不符合两体假设非牛顿引力摄动：水星、金星近日点进动验证了爱因斯坦广义相对论钟慢效应：μ介子寿命为×10-6s，以光速运动也仅能行进600m，而宇宙射线在大气外层产生的近光速μ介子却可以以到达地球表面。

引力透镜：由于质量对光的吸引，若被观测的星体与观测者连线上有大质量星系（透镜星系），观测者可能观察到多个像（爱因斯坦十字、双爱因斯坦环）天体视运动天体的周日视运动：由于地球自转导致的天体视运动太阳：东升西落，与当地正午通过天子午线达到最高点，两次通过子午线间的时间为一太阳日（24h）北京东经度，东八区标准东经120度，北京时间正午12时时北京的太阳时为11点46分赤道参考系：把天空幻想为大球，北极指向北天极，南极指向南天极，赤道扩展为天赤道。

北天极对地面的高度等于北半球该地的纬度。

天赤道与天极的弧距离总是90度，与地平面相交于正东正西方向，且恰好看到一半。

天球自东向西旋转，每小时旋转15度，所有星体的视运动轨迹都平行于天赤道。

地平参考系：以正头顶为天顶，子午线从正南到正北穿过南天极、天顶和北天极平分天球。

本地参考系中天体位置在始终改变。

赤道上，一切星体都垂直于地平面升起和落下，所有星体都可见且在地平面上方12个小时周年视运动：天球坐标系上恒星的坐标固定，由于地球公转导致太阳在天球上向东运动。

这也导致了每天同一时间天空状况不同（因为太阳时制）太阳：太阳在天球上的位置始终自西向东移动，每年环绕天球一周，其在天球上的轨迹称为黄道。

太阳绕天球一周的时间是天。

太阳日：24h，太阳连续两次到达子午线的时间。

恒星日：23h56min，恒星连续两次到达子午线的时间。

恒星日表明了地球自转的真实周期。

由于太阳一直向东运动，所以恒星比太阳运动的快一点。

由于我们使用太阳时，恒星每天升起、穿过子午线、下落的时间都要提前约4分钟，经过一个太阳年后回到原地。

4min/day=360degrees365.24days24×60min360degrees月球视运动：月球也在天球上向东漂移，天后回到原处。

月球的盈亏周期称为交合周期，为天黄道与节气：黄道与天赤道夹角为度，且相交于春分点和秋分点。

按顺序距这两点最远的点是夏至点和冬至点。

天球坐标系把地球的经纬网络透射到天球上构成了赤道坐标系，在赤道坐标系中恒星的赤道坐标固定不变赤纬(Dec, declination)：用δ表示，天赤道0度，北天极+90度，南天极-90度赤经(RA, right ascension)：用α表示，从春分点算起，在天赤道上由西向东分为24小时。

例子：Polaris: RA=2h31min, Dec=89?15’Sirius: RA=6h45min, Dec=-16?43’若A星比B星的RA大1h，则通过子午线、地平线时，B比A早1h恒星时：某地某时刻的恒星时等于此时此刻与子午线重合的赤经。

恒星日比太阳日短，所以恒星时比太阳时快。

时角τ=θ –α，τ <0表明恒星在子午线以东。

-6<τ<6时天体可见。

地轴进动：北天极在不断运动，带动天赤道移动，春分点向西移动，每20年约移动1min辐射与望远镜光源相对于观测者的运动会导致观察到的辐射频率改变，称为多普勒效应。

Δλλ0=v v因此，吸收光谱中一些特征谱线（如氢的Balmer线系）会发生移动望远镜的功能：1.聚光I telescope =(v vvvvvvvvv v 0)2v 0 2.减小衍射，提高角分辨率δ=1.22λD telescope大气窗口：地球大气层对可见光、小部分近红外线和部分无线电波透明，其他波段的光会被完全吸收（水蒸气阻止红外辐射2~10km ，臭氧阻止紫外辐射20~40km ，原子和分子阻止高能射线）空间望远镜：可以接受更广的波段（红外观测深空），不受天气和大气扰动的影响太阳系太阳系内绝大部分质量（%）集中在太阳。

除太阳外太阳系绝大部分质量集中在气态巨行星（木星、土星、天王星、海王星）所有行星围绕太阳公转的方向都一致，且和太阳的自转方向一致。

而且大部分行星的自转和公转同向。

类地行星1.靠近太阳2.铁（镍）核心和岩石外壳3.没有或极少卫星4.体积小，质量不大而密度大5.大气稀薄水星铁质，0卫星，地面阳光亮度极大无法观察，布满陨石坑，稀薄大气，主要是气态钠和氦气，表面昼夜温差极大金星距地球最近的行星，等，云层反射率极高。

自转轴方向与公转方向相反，也和其他行星相反，自转轴几乎与公转平面垂直，没有四季之分。

自转周期243天。

气压为地球的90倍，90%二氧化碳、3%氮气、少量二氧化硫，温室效应严重，表面各处温差很小且没有昼夜温差，是太阳系最热的行星。

表面被硫酸云覆盖，因此陨石坑很少地球平均比重，是密度最大的行星，1卫星。

最深处为铁镍的地核，内核固态外核液态，天然放射性物质维持地热。

地心旋转导致了地球磁场，磁轴不通过地球中心。

地磁场俘获太阳风中的带电粒子并导向两磁极，导致了极光。

月球和太阳导致了潮汐月球月球内部活动已经停止，有简单和复杂环形山，引力太小不能舒服大气，温度从-100摄氏度到130摄氏度，平均表面温度-42摄氏度。

月球成因火星质量仅为地球的1/10，大气压为地球的1%，大气主要为二氧化碳，平均气温极低，温差极大，气候剧烈变化，多风多沙尘暴。

可能有水。

没有活火山但有火山活动痕迹，有极深的峡谷。

2卫星，已潮汐锁定类木行星1.体积大，质量大，密度小（比重~）2.拥有许多卫星3.岩石或者铁和信，液态4.大气层浓密，自转较快木星与赤道平行的云带，太阳系内体积和质量最大的行星，比重，自转周期10小时，导致两极扁平。

内部引力坍缩，引力势能转化为热能，导致木星向外辐射能量超过从太阳得到的能量，但未发生核反应。

主要成分为氢和氦，气压极大核心为金属相的氢，所以磁场十分强大，有持续300年的大红斑和暗淡光环，四颗伽利略卫星，61卫星土星密度最低，为，与木星相似，光环和卡西尼缝。

光环的内外围有一颗卫星，称为牧羊卫星，其引力作用将离群的碎片拉回光环。

有31~61颗卫星最着名的是土卫六Titan（最大的土星卫星，浓厚的氮气大气，甲烷湖泊，生命）。

天王星轨道周期84年，60K，主要成分为H和He，大气中的甲烷散射蓝光，大气较为平静。

自转轴几乎与公转平面平行，所以季节变化极端。

与土星和木星相似，有岩石核心，有光环。

海王星与天王星极为相似，蓝色。

大气活跃，有小黑斑矮行星谷神星（火星与木星之间，所含淡水比地球多），冥王星（密度，大气主要为氮，轨道偏心率极大，周期248年，自转周期天，与第戎构成双行星，且互相潮汐锁定）小行星带阿登型：地球轨道以内阿莫尔型：地球轨道外侧阿波罗型：地球与火星之间特洛伊型：与木星轨道相同最大的小行星是谷神星，岩石，铁/镍，碳三种彗星是太阳系构建过正中遗留的碎片，反映了太阳系的起源。

与小行星成分相同，由夹杂了岩石的水冰构成。

分为开放轨道（双曲线，仅经过太阳一次）和封闭轨道（椭圆，周期）彗星可能来源于柯伊伯带或者太阳系最外侧的球壳状的奥尔特云。

流星流星体一般小于10米，可能来自小行星带或者彗星残留。

流星是流星体高速进入地球大气层时的发光的现象。

地球穿过彗星轨道时，彗星一路散落的残骸会进入地球大气层形成流星雨。

流星落到地面形成陨石，陨石的年龄和太阳系相同，可能含有氨基酸，是原始生命的征兆。

太阳系的起源太阳自转，行星公转、大部分行星自转均同向，且太阳的自转轴与行星轨道垂直，内行星金属含量高且致密，外行星密度小，富含氢，小行星的化学成分与行星、卫星都不同。

星云假说尺度数光年的星云被超新星冲击波出发，引力克服气压坍缩，尺度减小，自转加快。

自转方向上的离心力平衡引力，径向坍缩减慢，自转轴方向的坍缩不受影响，星云变得扁平，坍缩为原始恒星和吸积盘。

吸积盘中尘埃互相吸引，密度涨落产生了一些~100米的小天体。

一些小天体在互相碰撞过程中被击碎，一些吸引尘埃增长到1公里以上的星子，星子可以保持稳定并吸引更小的小天体而增长，最终生长为行星。

吸积盘内部尘埃下落距离更长所以内盘更热，挥发性物质只能在外盘保留，内盘保留了难熔物。

原始行星周围也形成了吸积盘，最终形成了卫星。

也有一些卫星是被俘获的小行星（火星），或星子与地球碰撞的残骸。

小行星和彗星是未能长大的星子系外行星恒星太亮，导致无法发现其周围的行星。

但是可以在系外恒星周围发现尘埃环，因为反射光亮度随反射体直径平方增强，单位体积中反射体数目随直径立方增多，所以颗粒越小，散射的恒星光越多。

观察系外行星：1. 可以通过直接成像的方法发现系外行星，2. 也可以通过观测恒星在垂直视线方向的摆动来推测行星轨道。

3. 还可以通过多普勒效应观测恒星在视线方向的运动测量行星轨道。

4. 行星挡在恒星前的时候恒星会变暗5. 当恒星-行星系统从引力透镜后面经过后，亮度会提高系外行星与太阳系行星的区别1. 存在“热木星”：质量巨大，与恒星极为靠近2. 轨道偏心率极大系外生命：1. 超级地球：岩质，质量与地球相近（5~10倍）2. 存在液态水3. 大气、光谱由于生命活动而发生变化太阳太阳的直径为109倍地球直径，平均比重，核心比重150，72%H(w)，26%He(w)太阳是气态恒星，表面自转速度不同，赤道自转周期25日，极点附近35日。

辐射区：核反应产生γ光子，激发其他物质释放能量较低的光子，导致辐射转移：光子数增多，能量降低。

对流区：能量以对流形式传播，气体温度降低，光子被吸收的概率增加，因此辐射转移的效率下降，对流称为主要传热手段。

光球层：太阳的光学表面层，非常薄，气体密度恰好可以使光线通过，又不会被更外层的原子吸收。

温度5800K。

从核心产生的γ光子需要数万年才会以几千个可见光光子的形式到达太阳表面（光球层）（random walk）一些气体在对流层吸收能量上升到光球层，释放热量变冷以后在沉降会对流区，形成米粒组织。

色球层：光球层之上，亮度低，温度比光球层高，有针状体细小突起日冕：密度极低，可以延伸到太阳半径10倍以上，温度高达106 K太阳的能量来自于热核反应，5%以电子中微子的形式释放，其余以电磁辐射形式释放。

太阳黑子是光球层中温度较低(4200K)的区域，数目变化以11年为周期，太阳黑子成对出现且有强磁场相连，磁场阻止了对流层热气体上升至光球层，从而导致黑子温度较低。

太阳黑子数目和地球气候有相关性。

日珥是色球层中被太阳磁场束缚的气体爆发后产生的强劲气流耀斑是更猛烈地爆发，会释放强大的紫外线、可见光和太阳风。

耀斑爆发的粒子云可达，以太阳风形式1~2天抵达地球。

太阳风：来源于日冕，飞离太阳的的侄子和电子，速度400~500km/s，约经4天抵达地球。