天體物理03_光譜能夠告訴我們什么

1、第三講一、光譜能夠告訴我們什么？二、距離的測(cè)量一、光譜能夠告訴我們什么？ 太陽(yáng)光經(jīng)過(guò)棱鏡后被分為七色光 波長(zhǎng)從400nm-700nm(納米） 可以近似用黑體輻射來(lái)確定恒星表面溫度。依據(jù)：維恩位移定律最大的輻射所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)與輻射源的溫度成反比。 如果以開(kāi)爾文溫標(biāo)量度溫度，以納米為波長(zhǎng)單位，有：T6103最大維恩位移定律太陽(yáng)的觀測(cè)曲線和5800K的黑體輻射譜的比較 黑體輻射另一重要定律：斯忒潘玻耳茲曼定律 其中，E是單位時(shí)間單位面積的輻射能量。 例如： 一顆表面溫度為30，000度的藍(lán)星上單位面積的輻射功率是太陽(yáng)的54倍，即625倍。4TE 太陽(yáng)光譜 在太陽(yáng)連續(xù)光譜的上面有許許多多的粗細(xì)不等、分布

2、不均的暗黑線，共有2萬(wàn)多條。怎樣解釋？連續(xù)光譜和吸收線 基爾霍夫光譜三定律（1870年，德國(guó)物理學(xué)家基爾霍夫發(fā)現(xiàn)） 熾熱的固體、液體或高壓氣體發(fā)出連續(xù)光譜； 低壓稀薄熾熱氣體發(fā)出某些單獨(dú)的明亮譜線，即發(fā)射線； 較冷的氣體在連續(xù)光源前面產(chǎn)生吸收譜線。連續(xù)譜 發(fā)射線吸收線黑體星云氣體1、太陽(yáng)會(huì)產(chǎn)生連續(xù)光譜，它一定是非常致密（相對(duì)與稀薄氣體而言）的天體，是固體、液體或者是密度極高的氣體。（太陽(yáng)平均密度1.409g/cm3）2、太陽(yáng)光譜上有吸收線，可以推斷太陽(yáng)是被一層由稀薄氣體構(gòu)成的大氣包圍著。恒星光譜的形成：連續(xù)光譜來(lái)自相對(duì)較熱、致密的恒星內(nèi)部。吸收線來(lái)自較冷、稀薄的恒星大氣。（1）光譜與溫度 溫度

3、對(duì)譜線強(qiáng)度有重要影響： 溫度決定了大量原子中有多大比例在激發(fā)態(tài)上，有多大比例在電離狀態(tài)。因而，通過(guò)一些特征譜線進(jìn)行比較，可以找到該光譜相應(yīng)的溫度。 以656.3nm的氫譜線為例。這是氫從第三能級(jí)到第二能級(jí)的躍遷譜線。所以，只有在處于第二能級(jí)原子比較多時(shí)， 才出現(xiàn)較強(qiáng)656.3nm吸收線。 如果溫度太低，原子間碰撞太弱，大部分原子處于基態(tài)； 而溫度太高，碰撞太強(qiáng)烈，大部分原子將被電離； 只有溫度適中（約10000k）時(shí)， 656.3nm吸收線才比較強(qiáng)。光譜型 對(duì)溫度和光譜關(guān)系的認(rèn)識(shí)，使人們能夠按照溫度的高低將各種光譜整理分類。Spectral classes Approximate surfac

4、e temperature (K)O40,000B20,000A10,000F7,500G5,500K4,500M3,000 哈佛分類法： O Oh, h, B Be e A A F Fine ine G Girl,irl, K Kiss iss M Me!e! 每一種光譜型可以繼續(xù)分為0-9十個(gè)次型。 太陽(yáng)的光譜型為G2 O型藍(lán)白色。紫外連續(xù)譜強(qiáng)。有電離氦中性氦和氫線 二次電離碳氮氧線較弱。 B型藍(lán)白色。氫線強(qiáng)中性氦線明顯無(wú)電離氦線 但有電離碳氮氧和二次電離硅線。 A型白色。氫線極強(qiáng)氦線消失出現(xiàn)電離鎂和電離鈣線。 F型黃白色。氫線強(qiáng)但比A型弱。 電離鈣線大大增強(qiáng)變寬出現(xiàn)許多金屬線。 G型黃色

5、。氫線變?nèi)踅饘倬€增強(qiáng)電離鈣線很強(qiáng)很寬。 K型橙色。氫線弱金屬線比G型中強(qiáng)得多。 M型紅色。氧化鈦分子帶最突出金屬線很強(qiáng)氫線很弱。各光譜型的顏色和主要光譜特征 通過(guò)分析光譜型得到的恒星表面溫度比用黑體輻射得到的更準(zhǔn)確些。 原因原因:恒星只是近似的黑體，光譜型則與溫度有精確的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 （2）光譜與化學(xué)組成除了溫度，對(duì)譜線強(qiáng)度有很大影響的還有各種元素的含量。 當(dāng)恒星的大氣溫度已知時(shí)，溫度對(duì)譜線強(qiáng)度的影響可以考慮進(jìn)去。這樣，就可以根據(jù)光譜中吸收線的強(qiáng)度來(lái)決定恒星大氣的各種元素的豐度（即各種元素的比例）。 譜線與恒星的化學(xué)成分 不同元素的原子具有不同的結(jié)構(gòu)，因而有不同的特征譜線。 通過(guò)比較太陽(yáng)光譜和實(shí)

6、驗(yàn)室中各種元素的譜線，可以確定太陽(yáng)大氣的化學(xué)成分。太陽(yáng)大氣：按質(zhì)量計(jì)，約70%H, 28% He和2%重元素。按數(shù)目計(jì)，90.8%H, 9.1%He和0.1%重元素。 （3）光譜與磁場(chǎng)塞曼效應(yīng)：19世紀(jì)末物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)在均勻磁場(chǎng)中，原子輻射產(chǎn)生的某一條發(fā)射譜線要分裂為兩條或三條，分裂程度與磁場(chǎng)強(qiáng)弱有關(guān)。天文學(xué)家利用塞曼效應(yīng)設(shè)計(jì)出觀測(cè)太陽(yáng)和恒星磁場(chǎng)的設(shè)備。 太陽(yáng)是唯一的一顆能給出表面磁場(chǎng)分布的恒星。 （4）光譜與恒星的自轉(zhuǎn) 在沒(méi)有外界因素時(shí)，原子的譜線的自然寬度非常窄。譜線展寬的主要原因是多普勒效應(yīng)。 譜線的寬度可以給我們恒星的自轉(zhuǎn)的信息。cVZr00 多普勒效應(yīng)（觀測(cè)波長(zhǎng)真正波長(zhǎng)）/真正波長(zhǎng)速度

7、/光速 定義紅移量：恒星自轉(zhuǎn)引起的譜線展寬。 自轉(zhuǎn)引起的多普勒展寬很獨(dú)特，可以與其他因素產(chǎn)生的展寬區(qū)分開(kāi)來(lái)。 發(fā)出輻射的原子的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)可以導(dǎo)致譜線展寬。原子的運(yùn)動(dòng)隨溫度升高而加快，所以這種類型的譜線展寬在熱星上特別顯著。小 結(jié) 黑體輻射 表面溫度，單位面積輻射功率 光譜型 表面溫度 吸收線強(qiáng)度 表面大氣的化學(xué)組成 吸收線的分裂 磁場(chǎng) 吸收線的寬度 自轉(zhuǎn)速度 二、恒星距離的測(cè)量 三角視差法 造父變星法 紅移方法例：某恒星視差為0.01 ,則該恒星距離為 秒差距。（1）三角視差法三角視差法ppd周年視差：隔半年兩次觀測(cè)同一顆星，其視位置會(huì)發(fā)生變化；變化的角度 稱為周年視差，簡(jiǎn)稱視差。秒差距（p

8、c）：視差 等于1角秒時(shí)，距離 為1秒差距，記為1pc。ppdAUpc265,2061100半徑半徑1 1厘米厘米1角秒角秒2 2千米千米 最近的恒星:半人馬座星，視差為0.76 如果我們站到這個(gè)恒星上看，日地距離只有0.76角秒的張角！ 1角秒角秒地球軌道太陽(yáng)半徑半徑1AU1pc 德國(guó) 貝塞爾 1838年 天鵝座61星， 0.314 (今測(cè)值0.294 ) 英國(guó) 亨德森 1839年 半人馬座星， 0.91 (今測(cè)值0.76 ) 俄國(guó) 斯特魯維 1840年 織女星， 0.26 “ (今測(cè)值0.13 ) 1543年，天體運(yùn)動(dòng)論發(fā)表，300年后才開(kāi)始測(cè)出恒星視差！ 三角視差法的局限性A、由于受到地

9、球大氣擾動(dòng)的影響，周年視差的精確測(cè)量受到限制。 B、地面望遠(yuǎn)鏡的角分辨本領(lǐng)一般不超過(guò)0.01。C、Hipparcos衛(wèi)星 （1989年8月發(fā)射）角分辨率達(dá)到0.002， 測(cè)量了距離500pc以內(nèi) 約100萬(wàn)顆恒星的距離。 二、恒星距離的測(cè)量 三角視差法 造父變星法 紅移方法光度(L) 對(duì)于溫度為T的黑體輻射： 其中，L是單位時(shí)間輻射的能量，是斯忒藩-玻耳茲曼常數(shù)，R是恒星的半徑。424TRL恒星表面都可近似認(rèn)為是黑體輻射。 視星等 視星等：公元前2世紀(jì)古希臘希帕恰斯首先用肉眼估計(jì)了星的亮度，按明暗程度分成等級(jí)（6級(jí)）。 1850年，普森注意到，星等和亮度有一定的關(guān)系，1等星比6等星大約亮100

10、倍，相鄰2個(gè)星等亮度差2.512倍。取零星等亮度E為單位1，有普森公式：m=-2.5lgE。(m為視星等)恒星得到觀測(cè)者的強(qiáng)度與距離的平方成反比。（離恒星距離為d1和d2的地方單位面積接受到的功率分別是L/4d12 和L/4d2 2） 恒星離我們?cè)竭h(yuǎn)越暗。例：天狼星視星等是-1.45等，距離為2.7秒差距，絕對(duì)星等1.5等。太陽(yáng)視星等達(dá)到-26.7等，絕對(duì)星等才只有4.83等。 絕對(duì)星等 視星等不是恒星真實(shí)發(fā)光能力。 把恒星移到10秒差距處再比較它們的亮度（視星等）, 其視星等叫做絕對(duì)星等（M）。 M m 5 5lgp （2）造父變星法恒星的相對(duì)位置幾乎保持不變，明亮程度也似乎不發(fā)生變化因而稱

11、它們?yōu)楹阈?。造父變星?1784年，發(fā)現(xiàn)仙王座星是變星，我國(guó)叫做“ 造父一”。造父一最亮?xí)r是3.6等，最暗時(shí)是4.3等，周期性變化（5.37天）。后來(lái)發(fā)現(xiàn)的造父變星越來(lái)越多， 成為一種類型造父型變星。事實(shí)上，恒星有很高的運(yùn)動(dòng)速度，有的可超過(guò)每秒一千公里；亮度也在發(fā)生變化，有各類變星，造父變星是特殊的一類。造父變星的光變曲線： 變化周期幾天至幾月造父變星的周光關(guān)系：美國(guó)女天文學(xué)家勒維特發(fā)現(xiàn)，造父變星的光度（絕對(duì)星等）與光變周期的對(duì)數(shù)成正比關(guān)系。測(cè)出造父變星的光變周期，利用周光關(guān)系曲線，可知造父變星的絕對(duì)星等。 再由關(guān)系式 M m55lgp，算出造父變星的距離。由于造父變星是黃色的超巨星，可以看到星團(tuán)以及鄰近星系的造父變星。所以這種方法可測(cè)定星團(tuán)、星系等的距離。非常遙遠(yuǎn)星系不可能觀測(cè)其造父變星，造父變星測(cè)距法只能測(cè)鄰近星系（ 108pc ）的距離。（3）紅移方法0HrHV0 1929年，哈勃通過(guò)測(cè)定40多個(gè)鄰近星系的紅移和距離提出了著名的哈勃定律：即河外星系視向退行速度（千米/秒）和距離（兆秒差距）成正比：其中， 是哈勃常數(shù)： 73千米/(秒兆秒差距）cVZ00 據(jù)多普勒效應(yīng)，有：紅移量Z可以從光譜中測(cè)出，我們可以得到星體的退行速度。 這樣，可以進(jìn)一步求出距離。紅移方法可以用來(lái)求遙遠(yuǎn)星系、類星體的距離。距離范圍距離范圍 測(cè)定方法測(cè)