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2.2×10-6s，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116.5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365.24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。

4 min/day=360 degrees

365.24 days

24×60min

360degrees

月球视运动：月球也在天球上向东漂移，27.323天后回到原处。月球的盈亏周期称为交合周期，为29.5天

黄道与节气：黄道与天赤道夹角为23.5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 c

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

=(D telescope D 0

)2I 0 2.减小衍射，提高角分辨率

δ= 1.22λ

D 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（99.9%）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，-4.4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5.5，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0.7~1.7）

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1.3，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0.7，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颗卫星最著名的是土卫六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2.3，大气主要为氮，轨道偏心率极大，周期248年，自转周期6.39天，与第戎构成双行星，且互相潮汐锁定）