天文學(xué)W11-12恒星的測(cè)量

天文學(xué)

第十一周恒星的測(cè)量恒星是本身能發(fā)光的星球。在浩瀚的宇宙中，除了太陽，所有恒星都離我們非常遙遠(yuǎn)。平時(shí)，我們眼睛能直接看到的恒星大都位于銀河系。恒星世界豐富多彩。剛剛形成的原恒星年幼的主序前星步入晚年的紅巨星青壯年主序星臨終的白矮星、中子星和黑洞按照光度分正常星變星超新星按照年齡分恒星的距離，若用千米表示，數(shù)字實(shí)在太大，為使用方便，通常采用光年作為單位。1光年是光在一年中通過的距離。

1l.y.=9.46×1015m離開我們最近的太陽以外的恒星是半人馬星座的比鄰星，距離為4.3光年。牛郎星離我們16.5l.y.，織女星離我們26.5l.y.，它們相聚16.1l.y.，以光速同時(shí)出發(fā)，也要8年之后才能相會(huì)。明亮的大角星－36.1l.y.，天津四－1600l.y.。恒星離我們十分遙遠(yuǎn)。如何測(cè)定？一、恒星的距離天文學(xué)家常用一個(gè)比l.y.更大的單位－秒差距(pc)來量度距離，它是由三角視差法定義的。視差。距離越近，視差越大。主要方法有三角視差法、分光視差法、星團(tuán)視差法等。主要介紹前兩個(gè)。1.三角視差法地球繞日公轉(zhuǎn)，不同時(shí)刻處于不同位置，故觀測(cè)同一天體在天球上的位置就有差異。對(duì)恒星－相隔半年的兩次觀測(cè)。周年視差(parallax,)當(dāng)恒星(P點(diǎn))與地球的連線垂直地球軌道半徑時(shí)，恒星對(duì)日地平均距離a所張角度。小角近似下：tansin=a/r(取a=1AU，

為弧度.)

距離:r=1AU/當(dāng)=1"時(shí)的距離定義為

一個(gè)秒差距(parsec,pc)1rad＝57.28?×3600=206265"

(角秒)1"=1/206265rad(弧度)1pc=206265AU=3.26l.y.

=3.09×1018cm(1AU=1.5×1013cm)(1l.y.=63240AU=9.46×1017cm)ar恒星視差的幾何說明。對(duì)于相隔6個(gè)月的測(cè)光，基線是日地距離的兩倍，即2AU。

視差角度一般是通過照相觀測(cè)來測(cè)定的視差角待測(cè)恒星即使離地球最近的恒星--比鄰星(ProximaCentauri)的三角視差也有0.77”，所以小角近似是合理的。三角視差法是測(cè)定恒星距離最基本、最可靠的方法。恒星越遠(yuǎn)，視差角越小，要求觀測(cè)的精度越高。地面上用三角視差法可以測(cè)量約8千顆恒星?？臻g測(cè)量：1989-1993年運(yùn)行的的依巴谷衛(wèi)星(Hipparcos)，測(cè)量了11萬8千顆恒星的周年視差值，精確到0.001”。SIMPlanetQuest號(hào)稱測(cè)量視差精度為4μas(0.000004角秒)對(duì)應(yīng)距離為250kpc,可惜該任務(wù)2010年已經(jīng)被取消。

GaiaGlobalAstrometricInterferometerforAstrophysics測(cè)量視差精度為20μas(ESA2013年發(fā)射？)恒星光譜中某些譜線對(duì)的強(qiáng)度比和絕對(duì)星等的線性經(jīng)驗(yàn)關(guān)系常用的譜線對(duì)：SrII407.8nm/FeI707.2nm：一次電離鍶線與中性鐵線譜線的強(qiáng)度對(duì)比TiII416.1nm/FeI416.7nm……….定標(biāo)選取絕對(duì)光度已知的恒星，測(cè)量其譜線對(duì)的強(qiáng)度比，求出兩者(強(qiáng)度比＆絕對(duì)星等)之間的線性關(guān)系。以后就可以由此關(guān)系，從強(qiáng)度比得到絕對(duì)星等。再由視星等來求出恒星距離。受星際消光影響，大致可以測(cè)量500-1000pc范圍內(nèi)距離。2.分光視差法利用分光視差法測(cè)定距離的恒星約6萬顆以上。造父視差法－利用造父變星的周光(周期和光度)關(guān)系來確定距離的。在變星章節(jié)中再說明。譜線紅移測(cè)距法－幾乎所有星系的都有紅移現(xiàn)象，星系距我們?cè)竭h(yuǎn)，其譜線紅移量越大。今后會(huì)講到：宇宙距離尺度(CosmicDistanceLadder!

)我們的鄰居離我們最近的30顆恒星，其中很多處在多星系統(tǒng)中，都在4pc范圍之內(nèi)。比鄰星(半人馬αC)：1.3pcBarnard(巴納德星)：1.8pcSirius：天狼，大犬α,2.6pcProcyon：南河三，小犬α,3.51pc二、恒星的絕對(duì)星等與光度視星等(apparentmagnitude)指肉眼或者天體輻射探測(cè)器檢測(cè)到的恒星亮度。距離不同，消光。絕對(duì)星等(absolutemagnitude)定義為恒星在10pc處的視星等。天體的亮度與距離的平方成反比。距離模數(shù)mV－MV

=5logr

－5(r以pc為單位)其中mv是目視星等，Mv是目視絕對(duì)星等。1.絕對(duì)星等光度恒星每秒發(fā)出的總輻射能量，它反映恒星真正的發(fā)光強(qiáng)度。單位－ergs-1

(1erg=10-7J)太陽的光度L⊙3.9×1033ergs-1恒星的光度超巨星，天津四，6×104L⊙白矮星，天狼星的伴星，<10-4L⊙2.恒星光度絕對(duì)熱星等－光度對(duì)應(yīng)的星等(AbsoluteBolometricMagnitude)Mbol=－2.5logL+C熱改正（絕對(duì)熱星等與絕對(duì)目視星等之差）(BolometricCorrection)BC=Mbol－MV太陽：BC＝－0.08，MV,sun=4.83，Mbol,sun=4.75表面溫度顏色熟悉的例子30,000electricblue

20,000藍(lán)色參宿七10,000白色織女，天狼星7,000黃白老人星6,000黃色太陽，比鄰星4,000橙色大角星，畢宿五3,000紅色參宿四，巴納德星爐火純青牛頓早在17世紀(jì)發(fā)現(xiàn)，陽光經(jīng)過三棱鏡會(huì)分出七種色彩，并稱它為光譜(Spectrum)。光譜分析在天體物理的研究上有著相當(dāng)重要的地位，人們可以通過光譜了解天體的化學(xué)組成及其許多物理性質(zhì)。1.光譜光譜(橫軸為波長(zhǎng)，縱軸為輻射強(qiáng)度)

可分為三種類型，即連續(xù)光譜、明線光譜和吸收光譜。連續(xù)光譜（Continuum）

熾熱的固體、液體或高溫高壓下的氣體都發(fā)射各種波長(zhǎng)的光波，因而形成不間斷的連續(xù)光譜。如鎢絲燈。光譜(橫軸為波長(zhǎng)，縱軸為輻射強(qiáng)度)

可分為三種類型，即連續(xù)光譜、明線光譜和吸收光譜。

明線光譜

(發(fā)射線光譜,EmissionSpectra)

在低壓條件下，稀薄熾熱的氣體或蒸汽不能產(chǎn)生連續(xù)的全部譜線，只能產(chǎn)生單色的、分離的明線狀光譜，即明線光譜。每種化學(xué)元素都有它獨(dú)特的、在光譜區(qū)有固定波長(zhǎng)位置的一組明線。如鈉的蒸氣。光譜(橫軸為波長(zhǎng)，縱軸為輻射強(qiáng)度)

可分為三種類型，即連續(xù)光譜、明線光譜和吸收光譜。吸收光譜

(AbsorptionSpectrum)

由產(chǎn)生連續(xù)光譜的光源發(fā)射的光，穿過低壓下稀薄氣體或蒸氣，就有吸收線(即暗線)迭加在連續(xù)光譜上。這些吸收線就是這些氣體和蒸氣，從連續(xù)光譜的全部譜線中，有選擇地吸收了它自己在低壓高溫狀態(tài)下所發(fā)射的明線譜線，即它對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的光線。這種連續(xù)光譜背景上具有黑色吸收線的光譜，叫做吸收光譜。1858年德國(guó)物理學(xué)家基爾霍夫(GustavRobertKirchhoff)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生這三種光譜的原因后于1859年提出了兩條定律：(1)每一種元素都有自己的光譜；(2)每一種元素都能吸收它能夠發(fā)射的譜線。這兩條定律成為分光學(xué)(Spectroscopy)的基礎(chǔ)。

光譜在天文研究中的應(yīng)用人類一直想了解天體的物理、化學(xué)性狀。這種愿望只有在光譜分析應(yīng)用于天文后才成為可能并由此而導(dǎo)致了天體物理學(xué)的誕生和發(fā)展。通過光譜分析可以：(1)確定天體的化學(xué)組成；(2)確定恒星的溫度；(3)確定恒星的壓力；(4)測(cè)定恒星的磁場(chǎng)；(5)確定天體的視向速度和自轉(zhuǎn)等等。恒星光譜連續(xù)譜＋吸收譜線(暗線)連續(xù)譜＋發(fā)射譜線(亮線)連續(xù)譜＋發(fā)射譜線＋吸收譜線2.恒星光譜分類恒星的光譜分類基于譜線OBAFGKM——溫度由高到低Oh,BeA

FineGirl，KissMe！女生版：Oh,BeA

FineGuy，KissMe！拓展版：Oh,BeA

FineGirl，KissMe！RightNow,Sweetheart(Smack!)早期：以氫線的強(qiáng)度排序?qū)嵸|(zhì)上，溫度的序列光譜類型表面溫度(K)主要特征恒星例O30,000強(qiáng)電離氦線，多次電離的重元素，氫線弱

B20,000中性氦線，一次電離的重元素，氫線中等參宿七(B8)A10,000中性氦線非常弱，一次電離的重元素，氫線強(qiáng)織女(A0),天狼星(A1)F7,000一次電離的重元素，中性金屬元素，氫線強(qiáng)度一般老人星(F0)G6,000一次電離的重元素，中性金屬顏色，氫線較弱太陽(G2),比鄰星(G2)K4,000一次電離的重元素，中性金屬元素線強(qiáng)，氫線弱大角星(K2),畢宿五(K5)M3,000中性原子譜線強(qiáng)，分子譜線，氫線非常弱參宿四(M2),巴納德星(M5)H－Rdiagram－恒星大家族的全家福20世紀(jì)初，丹麥天文學(xué)家Hertzsprung和美國(guó)天文學(xué)家Russel分別得到。恒星在有效溫度－光度圖中的分布color-magnitudediagram光度分類I，II，III，IV，V，VI，VII超巨星，亮巨星，巨星，亞巨星，矮星/主序，亞矮星，白矮星太陽：G2V主序赫羅圖從右下至左上的恒星集中區(qū)域核內(nèi)的氫燃燒3.恒星光譜光度圖－赫羅圖絕大多數(shù)恒星都處在主序帶（對(duì)角線），圖上標(biāo)出的是11萬顆恒星，虛線代表等半徑線。90％恒星是主序星。不同光度型的恒星在赫羅圖中的分布四、恒星的大小角直徑線直徑(很小，難以測(cè)定)角直徑的測(cè)定的常用方法月掩星法當(dāng)恒星被月球邊緣掩食時(shí)產(chǎn)生的衍射圖樣可以確定恒星的角直徑光斑干涉法利用大望遠(yuǎn)鏡對(duì)亮星進(jìn)行快速拍照，對(duì)獲得的光度分布進(jìn)行分析，獲取恒星的角直徑恒星的半徑與光度、溫度的關(guān)系半徑的尺度范圍太陽：6.96×1010cm恒星：變化范圍很大(15km-2kRsun)。超巨星最大。大角星五車二織女天狼鯨魚星座雙星－目前唯一能直接測(cè)定質(zhì)量視雙星：視位置接近分光雙星：光譜表現(xiàn)為兩顆恒星的復(fù)合組成食雙星：光變五、恒星的質(zhì)量食雙星：光變恒星的性質(zhì)對(duì)質(zhì)量的依賴（主序）質(zhì)量－半徑關(guān)系：RM，=0.57(上半部分)或者=

0.80（下半部分）質(zhì)量－光度關(guān)系：LM3.5恒星的壽命：M-3質(zhì)量決定了恒星在主序上的位置，小質(zhì)量的恒星冷而暗，在主序的底端；大質(zhì)量的恒星熱而亮，在主序的高端。恒星的集團(tuán)疏散星團(tuán)(OpenCluster)銀盤內(nèi)，年輕，大質(zhì)量，富金屬球狀星團(tuán)(GlobularCluster)銀暈，年老，小質(zhì)量，貧金屬星團(tuán)昴星團(tuán)和