天文学导论复习

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
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
三．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，温度升高红光黄光白光蓝光
黑体谱的形状只与物体(恒星)的表面温度有关
维恩位移定律：温度降低，黑体谱的峰值向长波方向移动
6.太阳系的形成
六．系外行星
1.引言：系外行星存在的证据
尘埃盘(Dust Disks)暗示行星的存在
2.方法：探测系外行星的5大技术
直接成像法
天体测量学法
视向速度法—多普勒效应
凌星法
微引力透镜法
时间测量法
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
2.类地行星
一般特征：像地球，靠近太阳，铁（镍）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= 4-5 g/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
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
地球与月球
质量~ 6x1024kg
半径~ 6400 km
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
九．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）恒星更亮，但体积膨胀表面温度降低恒星更红！
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！
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、日冕层，能量产生：热核聚变
日珥和耀斑都明显和太阳的磁场和黑子有关
八．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 >= 8x108KC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
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（the solar day），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
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)3
伽利略：太阳黑子，且运动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！
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~ 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(<10 m)，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可能结束文明
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5 X 104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
一十．大质量恒星演化
●脉动变星
造父变星（Cepheid variables）：最高质量最亮的脉动变星
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
哈勃定律表明星系之间相互远离所持续的时间相同，称为哈勃时间
H0＝71 km/s/Mpc宇宙年龄~ 137亿年
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
内壳~0.6km,原子核、游离中子、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→动能→热能→X射线辐射
一十一．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
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88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
七．恒星的基本特征
1 parsecs (pc)秒差距= 3.26光年= 3.08 x 1016米
恒星越远，其视差越小
恒星视亮度用视星等apparent magnitude表示，即以恒星视亮度（照度）I的对数来表示m = - 2.5 log 10 ( b / b 0)，视星等越大，则恒星越暗
恒星（大气）主要由氢和氦组成
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=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
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
3.地球公转：天体的周年视运动
恒星的赤经和赤纬应标明年份，如公元1950.0年,或2000.0年
6.月相
月相：地球人所看到的月球被太阳所照亮的一半的大小
月球回到原处（相对于恒星）的周期约为27.32天，即月球的恒星周期
7.日月食
日全食时长永远不大于7.5分钟
同一地点，日偏食概率>>日全食概率
二．天体的运动
1.古希腊的地球中心说
地心说的基本模型不能解释行星的逆行和亮度变化
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（~365.24天），共走了360度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
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
表层大气~cm（没显示）
外壳~0.3km,固态金属（Fe, e－）
斯忒藩-玻耳兹曼定律
3.原子与谱线
巴尔末线系Balmer Series：可见光波段
莱曼线系Lyman Series：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）
5.光学天文望远镜
6.全波段望远镜
大气窗(atmospheric window)：可见光、射电、部分红外
●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
四．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)=1.5x10^8千米，约为地球直径的10,000倍
●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
阋神星：最大矮行星
查戎和冥王星互为同步卫星，查戎是整个太阳系已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（2.0-3.3）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：几十亿年前太阳系构建过程中所遗留下来的残片碎块太阳系起源的“物证”
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(HeC, HHe)：
•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.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
一十二．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
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
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
5.地球自转轴进动与岁差
恒星的赤经和赤纬坐标以26000年为周期在非常缓慢地变化
●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
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：0.7-1.7 g/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
五．太阳系（2）矮行星、小天体与太阳系形成
1.矮行星
谷神星：最大小行星