恒星物理——恒星光谱学

(3) 测定恒星的磁场
• 塞曼效应： • 19世纪末物理学家发现在均匀磁场中，原子辐射产生的
某一条发射谱线要分裂为两条或三条，分裂程度与磁场 强弱有关。 • 天文学家利用塞曼效应设计出观测太阳和恒星磁场的设 备。太阳是唯一的一颗能给出表面磁场分布的恒星。
塞曼效应
•电子从高能级跃 到低能级，发射 一定频率的谱线
接近：Δλ< 0, Vr取负，紫移， z < 0为紫（蓝）移量。
对于z值大的情况，根据狭义相对论 ，z与Vr的关系要用洛伦兹公式：
恒星光谱线大多有系统的位移， 通过谱线测定，可求出Δλ值， 从而计算出恒星的视向速度的大小和方向。
河外星系：只有红移而没有紫移，远离而去， 距离越远，红移越大，速度越大， 著名的哈勃定律。
结构。
恒星光谱和化学组成
物理知识准备
1）光的本性 • 17世纪:波动说和微粒说是对立面； • 19世纪60年代:麦克斯韦发展了光的波动性理论─光
是电磁波，光有干涉、衍射、偏振等现象 • 1899年:普朗克提出辐射量子理论─光子
光的波动性和粒子性是共存的
波动性：当观测仪器的线度等于或小于 光的波长时； 粒子性：当观测仪器的线度大大于光的 波长时。
根据波长由长到短，电磁辐射可以分为射电、红外、 光学、紫外、X射线和γ射线等波段，可见光又可分解 为七色光
电磁辐射由光子构成（粒子性） 光子的能量与频率（或颜色）有关： 频率越高（低），能量越高（低）。 E = hν
电磁波谱
• Kirchoff定律 热的、致密的固体、液体和 气体产生连续谱； 热的、稀薄的气体产生发射 线； 连续辐射通过冷的、稀薄的 气体后产生吸收线。
方法
1. 恒星的待测光谱，上下端拍摄比较光谱 2. 测量出比较光谱中已知λ处谱线的位置x，得x与λ的关系
（色散曲线） 3. 测量出待测谱线的位置，根据色散关系求出待测谱线的波
长 4. 跟实验室中测定谱线波长作比较，证认出化学元素
科研中，计算机上进行处理
结果
• 证认出元素周期表中90%左右的天然元素， • 一些恒星谱线至今未证认出来。
谱线测红移 视向速度会改变光谱中谱线的位置
• 恒星远离我们：谱线都向波长长的方向 移动，即谱线向红端位移；
• 恒星接近我们：谱线都向波长短的方向移 动，即谱线向紫端或蓝端位移。
谱线位移
Z = Δλ = Vr
λ0
c
λ0 ：静止时的原波长，c ：光速， Δλ=λ-λ0 。
远离：Δλ> 0，Vr取正，红移， 红移量为z=Δλ/λ0；
恒星光谱学
恒星大气
• 恒星大气层是指恒星表面能将其产生的辐射转移出来的气 体层，也就是恒星上能被直接观测到的表面层。
• 厚度可达几百公里至几千公里。 • 位于辐射层和对流层之上，依照独特的特征可以分为数层。 • 光球层是大气层的最底层，恒星的全部光学辐射几乎全都
是从此发出。 • 光球层之上是色球层。 • 根据恒星大气的理论模型可以得到恒星大气层的物理和化学
宇宙学研究中非常重要的定律， 宇宙大爆炸理论的有利证据之一。
Z V(光速) 0.001 0.001 0.01 0.01 0.1 0.095 1 0.6 2 0.8 3 0.8824 4 0.9231 5 0.9459
R(亿光年) R(Mpc) 0.1956 6 1.9474 59.7 18.5978 570.1 117.432 3600 156.576 4800 172.694 5294 180.665 5538 185.141 5675
•有磁场时，能级 分裂导致谱线分裂
•分裂程度与磁场 强度成正比，因 此可以测磁场
谱线致宽
– 在没有外界因素的影响时，原子的谱线的自然宽度非常窄。 – Doppler致宽
问题: 如果某些元素的谱线在恒星光谱中不出现？
（2）确定恒星的视向速度Vr 多普勒效应
谱线位移
• Doppler谱线位移 (Doppler shift) 由于辐射源在观测者视 线方向上的运动而造成 接收到的电磁辐射波长 或频率的变化。 远离（接近）观测者辐 射源发出的电磁辐射波 长变长（短），称为谱 线红移（蓝移）。
温度、大小、质量、密度、视向速度、距离、恒星的自转 、磁场以及组成恒星的化学元素等。
光谱分析在天体物理中占据着非常重要的地位。
（1）确定恒星的化学组成
• 定性分析和定量分析 • 定性分析：确认恒星大气中的化学元素，
谱线的证认，即测定谱线的波长
• 谱线与恒星的化学成分 不同元素的原子具有不同的结构，因而有不同的特征谱线。
恒星形成区M17中的热气体辐射谱 太阳光谱
• 当电子从高能态跃迁到低能态，原子释放光子， 产生发射线；反之产生吸收线。
• 吸收或发射的光子能量为 hν＝En2 - En1
吸收线的产生过程
光谱形成
恒星大气的反映
太阳光谱
典型的恒星光谱
吸收线和发射线
吸收线：在太阳连续光谱的上面有许许多 多的粗细不等、分布不均的暗黑线，共有2 万多条。 发射线：在连续光谱上还有成千上万条明 亮的谱线。
2）原子的结构和能级 • 汤姆逊：发现电子 • 卢瑟福：经典原子结构模型（1911年） • 玻尔：原子结构理论（1913年）
氢原子 • 近代量子力学原子结构模型
原子结构：原子核 + 围绕原子核旋转的电子（云）。 （量子化的）电子轨道的大小反映了原子能态的高低。
3）恒星光谱
连续光谱，发射(明线)光谱和吸收光谱的产生机制
364.7
Paschen线系
n1= 3
1875 1282 1094
821
Brackett线系
n1= 4
Pfund线系
n1= 5
4050 2630
1460
7460 2280
• 氢原子光谱
Balmer 系
不同元素的原子具有不同的结构，因而有不 同的特征谱线。
恒星光谱的分析
确定恒星的化学组成和物理性质 难点：不同的光谱的复杂变化 →恒星的化学组成和不同的物理量。
连续光谱和发射线
连续光谱和吸收线
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氢原子光谱及其线系
• 能级和谱线 • 发射线、吸收线和电离
氢原子光谱（波长单位：nm）
n2=2 3 4 5 6 ┆ ∞
Lyman线系
n1=1 121.6 102.6 97.2 95.0 93.8
91.2
Balmer线系
n1= 2
656.3 486.1 434.1 410.2