科普天文學成品兩篇

通識課天文學概論教師：馬1麗第一章宇宙概觀

1.1太陽系1.2恒星世界1.3銀河系及河外星系

1.1.1太陽1.1.2太陽系行星1.1.3地球1.1.4日月食1.1.5太陽系的物質(zhì)分布1.11.1.1太陽太陽大氣（theSolarAtmosphere）HeatFlow太陽內(nèi)部只有在日食期間可觀測到人眼看到的太陽光球色球日冕Apparentsurfacelayerofthesun光球（photosphere）日冕Depth≈500kmTemperature≈5800oKHighlyopaque(H-ions)Absorbsandre-emitsradiationproducedinthesolarinterior光球的能力傳輸Energygeneratedinthesun’scentermustbetransportedoutward.Inthephotosphere,thishappensthrough對流（Convection）BubblesofhotgasrisingupCoolgassinkingdown≈1000kmBubbleslastfor≈10–20min.米粒組織（Granulation）…isthevisibleconsequenceofconvection色球（Chromosphere）ChromosphericstructuresvisibleinHaemission(filtergram)Regionofsun’satmospherejustabovethephotosphere.Visible,UV,andX-raylinesfromhighlyionizedgasesTemperatureincreasesgraduallyfrom≈4500oKto≈10,000oK,thenjumpsto≈1millionoKTransitionregionFilaments針狀體Spicules:Filamentsofcoolergasfromthephotosphere,risingupintothechromosphere.VisibleinHaemission.Eachonelastingabout5–15min.太陽大氣層VisiblePhotosphereUltravioletChromosphereCoronalactivity,seeninvisiblelightCoronaSunSpotRegions日冕磁場Coronacontainsverylow-density,veryhot(1millionoK)gasCoronalgasisheatedthroughmotionsofmagneticfieldsanchoredinthephotospherebelow(“magneticcarpet”)Computermodelofthemagneticcarpet太陽風（theSolarAtmosphere）Constantflowofparticlesfromthesun.Velocity≈300–800km/sSunisconstantlylosingmass:107tons/year(≈10-14ofitsmassperyear)日震（Helioseismology）Thesolarinteriorisopaque(i.e.itabsorbslight)outtothephotosphere.

OnlywaytoinvestigatesolarinterioristhroughHelioseismology

=analysisofvibrationpatternsvisibleonthe

solarsurface:Approx.10millionwavepatterns!太陽黑子（SunSpots）Coolerregionsofthephotosphere(T≈4240K).Onlyappeardarkagainstthebrightsun.Wouldstillbebrighterthanthefullmoonwhenplacedonthenightsky!太陽黑子（2）ActiveRegionsVisibleUltraviolet太陽表面SolarActivity,seeninsoftX-rays黑子中的磁場

（MagneticFieldsinSunSpots）MagneticfieldsonthephotospherecanbemeasuredthroughtheZeemaneffect

SunSpotsarerelatedtomagneticactivityonthephotosphere太陽黑子(3)Magneticfieldinsunspotsisabout1000timesstrongerthanaverage.Insunspots,magneticfieldlinesemergeoutofthephotosphere.MagneticNorthPolesMagneticSouthPoles磁力線（MagneticFieldLines）MagneticNorthPoleMagneticSouthPoleMagneticFieldLines恒星黑子（StarSpots）?Otherstarsmightalsohavesunspotactivity:ImageconstructedfromchangingDopplershiftmeasurements太陽周（TheSolarCycle）11-yearcycleReversalofmagneticpolarityAfter11years,North/Southorderofleading/trailingsunspotsisreversed=>Totalsolarcycle

=22years太陽周(2)蒙德蝴蝶圖（MaunderButterflyDiagram）SunspotcyclestartsoutwithspotsathigherlatitudesonthesunEvolvetolowerlatitudes(towardstheequator)throughoutthecycle.太陽磁動力學（MagneticDynamo）Thisdifferentialrotationmightberesponsibleformagneticactivityofthesun.Thesunrotatesfasterattheequatorthannearthepoles.磁環(huán)（MagneticLoops）Magneticfieldlines太陽磁活動周（MagneticCycle）After11years,themagneticfieldpatternbecomessocomplexthatthefieldstructureisre-arranged.

Newmagneticfieldstructureissimilartotheoriginalone,butreversed!

New11-yearcyclestartswithreversedmagnetic-fieldorientation蒙德極小期（TheMaunderMinimum）Historicaldataindicateaveryquietphaseofthesun,~1650–1700:TheMaunderMinimumThesunspotnumberalsofluctuates

onmuchlongertimescales:其他恒星上的磁活動周

（MagneticCyclesonOtherStars）HandKlineemissionofionizedCalciumindicatemagneticactivityalsoonotherstars.日珥（Prominences）LoopedProminences:gasejectedfromthesun’sphotosphere,flowingalongmagneticloopsRelativelycoolgas(60,000–80,000oK)Maybeseenasdarkfilamentsagainstthebrightbackgroundofthephotosphere爆發(fā)的日珥(Ultravioletimages)Extremeevents(solarflares)cansignificantlyinfluenceEarth’smagneticfieldstructureandcausenorthernlights(auroraborealis).空間天氣（SpaceWeather）SolarAuroraSoundwavesproducedbyasolarflare~5minutesCoronalmassejections冕洞（CoronalHoles）X-rayimagesofthesunrevealcoronalholes.Theseariseatthefootpointsofopenfieldlinesandaretheoriginofthesolarwind.能量產(chǎn)生（EnergyProduction）Energygenerationinthesun(andallotherstars):NuclearFusion=fusingtogether2ormorelighternucleitoproduceheavierones.Nuclearfusioncanproduceenergyuptotheproductionofiron;Forelementsheavierthaniron,energyisgainedbynuclearfission.Bindingenergy

duetostrongforce

=onshortrange,strongestofthe4knownforces:

electromagnetic,weak,

strong,

gravitational太陽內(nèi)部能力產(chǎn)生：質(zhì)子－質(zhì)子鏈

（TheProton-ProtonChain）Basicreaction:41H

4He+energy4protonshave0.048*10-27kg(=0.7%)moremassthan4He.Energygain=Dm*c2

=0.43*10-11Jperreaction.Needlargeprotonspeed(hightemperature)toovercomeCoulombbarrier(electromagneticrepulsionbetweenprotons).Sunneeds1038reactions,transforming5milliontonsofmassintoenergyeverysecond,toresistitsowngravity.T≥107

0K=10million0K太陽中微子問題

TheSolarNeutrinoProblemThesolarinteriorcannotbeobserveddirectlybecauseitishighlyopaquetoradiation.Butneutrinoscanpenetratehugeamountsofmaterialwithoutbeingabsorbed.DavissolarneutrinoexperimentEarlysolarneutrinoexperimentsdetectedamuchlowerfluxofneutrinosthanexpected(

the“solarneutrinoproblem”).Recentresultshaveproventhatneutrinoschange(“oscillate”)betweendifferenttypes(“flavors”),thussolvingthesolarneutrinoproblem.1.1.2太陽系行星行星大小Assume,wereduceallbodiesinthesolarsystemsothattheEarthhasdiameter0.3mm.Mercury,Venus,Earth,Mars:~sizeofagrainofsalt.Sun:~sizeofasmallplum.Jupiter:~sizeofanappleseed.Saturn:~slightlysmallerthanJupiter’s“appleseed”.Pluto:~Speckofpepper.八大行星參數(shù)

行星到太陽距離（天文單位）公轉(zhuǎn)周期（天）

軌道偏心率

質(zhì)量（千克）赤道半徑（103千米）平均密度（103千克/米3）表面重力加速度（米/秒2）逃逸速度（米/秒）已知衛(wèi)星數(shù)（個）水星0.38787.970.2063.3×10232.445.433.634.30金星0.723324.70.0074.87×10246.075.258.6010.30地球1.000365.2560.0175.976×10246.3785.529.8211.21火星1.524686.980.0936.42×10233.3953.963.765.02木星5.2054332.60.0481.989×102771.41.3325.9259.518土星9.576107590.0555.684×102660.00.7011.2935.623天王星19.28306850.0518.686×102525.91.2411.4921.415海王星30.13601890.0061.029×102624.751.6611.5923.66冥王星39.87904650.2561.31×10221.102.340.721.261行星軌道PlutoNeptuneUranusSaturnJupiterMarsEarthVenusMercuryAllplanetsinalmostcircular(elliptical)orbitsaroundthesun,inapprox.thesameplane(ecliptic).Senseofrevolution:counter-clockwiseSenseofrotation:counter-clockwise(withexceptionofVenus,Uranus,andPluto)Orbitsgenerallyinclinedbynomorethan3.4oExceptions:Mercury(7o)Pluto(17.2o)(Distancesandtimesreproducedtoscale)行星分類（TwoKindsofPlanets）Planetsofoursolarsystemcanbedividedintotwoverydifferentkinds:類地行星Terrestrial(earthlike)planets:Mercury,Venus,Earth,Mars類木行星Jovian(Jupiter-like)planets:Jupiter,Saturn,Uranus,Neptune類地行星（TerrestrialPlanets）FourinnerplanetsofthesolarsystemRelativelysmallinsizeandmass(Earthisthelargestandmostmassive)RockysurfaceSurfaceofVenuscannotbeseendirectlyfromEarthbecauseofitsdensecloudcover.行星表面環(huán)形山

（CratersonPlanets’Surfaces）Craters(likeonourMoon’ssurface)arecommonthroughouttheSolarSystem.NotseenonJovianplanetsbecausetheydon’thaveasolidsurface.類木行星（TheJovianPlanets）平均密度低，都有光環(huán)，大都是氣體，沒有固體表面第四章

恒星

恒星的位置看來固定不變，因而古人稱之為“恒”星，即固定不動的星。一般來說，恒星都是氣體球，沒有固態(tài)表面，通過自身引力聚集而成。它區(qū)別于行星的一個重要性質(zhì)是它自己能夠強烈發(fā)光。太陽是一顆恒星。恒星是指由內(nèi)部能源產(chǎn)生輻射而發(fā)光的大質(zhì)量球狀天體。參數(shù)變化范圍質(zhì)量M10-1M⊙≤M≤102M⊙

半徑R10-3R⊙≤R≤103R⊙

表面溫度T103K≤T≤105K光度L10-4L⊙≤L≤106L⊙

M⊙是太陽的質(zhì)量，R⊙是太陽的半徑，L⊙為太陽的光度。對恒星的研究表明：恒星主要是由氫組成的氣體球。氫聚變成氦而放出能量，然后氦又可聚變成更重的元素放出能量，因此恒星的化學組成同她得年齡有關。恒星的信息源

恒星具有極高的溫度，有大量的激烈運動著的電離的電子，發(fā)出強大的電磁波輻射（電磁波是原子中的電荷作變速運動時產(chǎn)生的）。波長范圍從最長的無線電波到最短的γ射線。電磁波：可見光其他信息源：宇宙線、中微子、引力波、射電波、X射線、γ射線、紅外線來自恒星以及其他天體的輻射穿過地球大氣層是，很多波段都被大氣分子吸收掉了。屏蔽紫外線的主要是大氣中得臭氧層和氧原子、氧分子、氮分子；屏蔽一部分紅外線的主要是大氣中得水分子和二氧化碳分子。有兩處透明窗口：光學窗口和無線電窗口，為人類天文學的發(fā)展提供了必要地信息通道。

光學窗口：0.35~22微米可見光和一部分紅外線（17~22微米半透）。

無線電窗口：1毫米~30米的無線電波段。不同波長的電磁波，其光子多具有的能量是不同的。光子的能量E與波長的關系λ的關系為式中c是傳播速度，焦耳

秒稱為普朗克常數(shù)。波長愈短，能量愈高。電磁波在本質(zhì)上是相同的，僅在波長頻率和光子能量方面有所差別。（c是傳播速度）波長不同的電磁波在真空中得傳播速度都一樣。波長λ和頻率ν之間滿足公式波長愈短，頻率愈高。不同波長的電磁波也可以用頻率來表示，換算公式頻率波長赫茲微米波長和光子能量之間有固定的關系，電磁波譜有事也用光子能量來描述。光子能量的單位常用電子伏特（eV）來表示。電子伏特是一個電子通過1伏特電位差時獲得的能量，1電子伏=1.6022x10-19焦耳。電子伏在無線電波段常用頻率；在光學波段常用波長；在X射線和γ射線波段用光子能量來描述.4.1恒星參數(shù)的測定

4.1.1.恒星的距離

恒星離我們非常遙遠，除太陽外，離我們最近的恒星是半人馬座比鄰星，距離約為4×1013千米，4.22光年。天文學上常用的距離單位：①天文單位，即日地平均距離，為1AU=149597870千米=1.49597870×1011米②光年，光在一年中走過的距離，1l.y.=0.946053×1016米③秒差距，周年視差為1″對應的距離，1pc=3.08568×1016米1光年=0.307秒差距1秒差距=206265AU周年視差π=1''的恒星與地球的距離r為206265AU，這個距離定義為1秒差距（1pc）。秒差距（Parsec,縮寫pc）測定恒星距離最基本的方法是三角視差法，此法主要用于測量較近的恒星距離。然而對大多數(shù)恒星說來，這個張角太小，無法測準。所以測定恒星距離常使用一些間接的方法，如分光視差法、星團視差法、統(tǒng)計視差法以及由造父變星的周光關系確定視差，等等。這些間接的方法都是以三角視差法為基礎的。恒星距離的測定恒星的距離是借助于測定周年視差而獲得的

r=a/π太陽到恒星的距離為r,單位為光年或秒差距日地平均距離為a，單位為天文單位恒星的周年視差為π，單位為弧秒三角視差法測距離三個著名恒星距離名稱視差距離比鄰星0.76

″4.3光年織女星

0.12″27光年天狼星0.37″8.8光年光速：c=3.0x108m/s最快飛機速速：v=1.0x108m/h=3.0x104m/s

光度為恒星的能量發(fā)射率，即整個星面每秒釋放的能量，用L表示。他在國際單位的典型表示法式是瓦特(Watt)，在c.g.s.制是爾格/秒，或是以太陽光度來表示，也就是以太陽輻射的能量為一個單位來表示。太陽的光度是3.827×1026瓦特。

一顆恒星的光度決定于恒星的表面溫度和表面積——較大的恒星比同溫度的較小恒星輻射更多的能量，所以，表面溫度相同(因而顏色相同)的兩顆恒星可能有極不相同的光度，而光度相同的兩顆恒星可能有完全不同的表面溫度(和顏色)。

光度是與距離無關的真實常數(shù)，亮度則明顯的與距離有關，而且是與距離的平方成反比，亮度通常會以視星等來量度，那是一種對數(shù)的關系。4.1.2恒星的光度、照度和和星等光度（luminosity）

恒星看起來的明暗程度稱為視亮度，簡稱亮度，就是指照度，用E表示。

照度是每單位面積所接收到的光通量。SI制單位是勒克斯(lx=lux)，1(勒克斯)=1(流明/平方米)。對于接受天體輻射的人眼或儀器來說，單位時間入射到其單位面積的能量。表示某處感應器感應到的恒星的能量。照度（Illuminance）

在天文學上，星的亮度用星等表示。古人按照星的明暗程度把星星分為6個亮度等級，天球上約20顆最亮的星稱為一等星，肉眼剛剛能看到的星稱為六等星。通常以拉丁字母m表示星等。這個星等系統(tǒng)原則上保留到現(xiàn)在，并給予標準化后推廣到特別亮的天體以及肉眼看不見但用望遠鏡能看見的暗星上去。

星等是衡量天體光度的量。在不明確說明的情況下，星等一般指目視星等。為了比較天體的發(fā)光強度，采用絕對星等。絕對星等M的定義是，把天體假想置于距離10秒差距處所得到的視星等。若已知天體的視差π（以角秒計）和經(jīng)星際消光改正的視星等m，可按下列公式計算絕對星等：M=m+5+5lgπ。對應不同系統(tǒng)的視星等有不同的絕對星等。天體光度測量直接得到的星等同天體的距離有關，稱為視星等，它反映天體的視亮度。一顆很亮的星可以由于距離遠而顯得很暗（星等數(shù)值大）；而一顆實際上很暗的星可能由于距離近而顯得很亮（星等數(shù)值?。τ邳c光源,則代表天體在地球上的照度。星等常用m表示。對應不同探測器有各種星等系統(tǒng)。星等（magnitude）星等系統(tǒng)：目視星等、照相星等、光電星等視星等絕對星等4.1.3恒星的大小、質(zhì)量和密度

恒星的真直徑可以根據(jù)恒星的視直徑（角直徑）和距離計算出來。常用的干涉儀或月掩星方法可以測出小到0.01的恒星的角直徑，更小的恒星不容易測準，加上測量距離的誤差，所以恒星的真直徑可靠的不多。根據(jù)食雙星兼分光雙星的軌道資料，也可得出某些恒星直徑。對有些恒星，也可根據(jù)絕對星等和有效溫度來推算其真直徑。星名視差(弧秒)角直徑（弧秒）線直徑（太陽直徑為1）獵戶座α0.005″0.047″1000鯨魚座α0.023″0.056″480金牛座α0.048″0.021″94御夫座α0.073″0.004″13天狼A0.375″0.006″1.85太陽1.00天狼B0.375″0.000077″0.044范瑪倫星0.235″0.000019″0.009觀測結(jié)果：恒星的直徑相差很大，大的有太陽直徑的幾百倍甚至一兩千倍，小的只有不到太陽直徑的十分之一。

恒星的質(zhì)量是很重要的一個參量，但是除太陽外，目前只能對某些雙星進行直接測定，其他恒星的質(zhì)量都是間接得到的，如通過質(zhì)光關系來測定的。4.1.4恒星的質(zhì)量 1、測定雙星質(zhì)量的基本原理是依據(jù)開普勒第三定律——雙星系統(tǒng)的總質(zhì)量與軌道半長徑的立方成正比，與軌道周期的平方成反比結(jié)合天體測量法測出兩子星相對質(zhì)心的距離

和,則可知兩子星的質(zhì)量比從而可求出每個子星的質(zhì)量２、質(zhì)光關系：

對于質(zhì)量大于0.2M⊙的主序星，恒星的質(zhì)量和光度之間有很好的統(tǒng)計關系，稱之為“質(zhì)光關系”。恒星的質(zhì)量越大，其對應的光度越強。一般符合如下關系

1924年愛丁頓從理論上導出絕對光度為L的恒星與其質(zhì)量M有L=kM3.5的簡單關系,其中k為常數(shù)。 lg(L/L⊙)=3.8lg(M/M⊙)+0.084.2恒星光譜及其相關性質(zhì)

太陽的光譜是紅、橙、黃、綠、青、靛、紫七色，原因是什么呢？

4.2.1光譜概念的物理基礎

量子力學創(chuàng)立于20世紀初，是研究電子、質(zhì)子、中子以及原子和分子內(nèi)其他亞原子粒子運動的一門科學。相對于量子力學，牛頓力學稱為經(jīng)典力學。利用牛頓力學，人們認識了太陽系。同樣，人們想象一個原子就是一個小太陽系：核在中心，電子在固定的軌道繞核“公轉(zhuǎn)”。但按照量子力學的說法，原子中沒有電子運動的軌道，只能說電子可能出現(xiàn)在什么地方。天文學包括天體力學、天體物理學等數(shù)十個分支和量子力學的建立，使人們能正確地認識微觀世界，愛因斯坦狹義相對論和廣義相對論的建立改變了人們對時間和空間本質(zhì)的認識，同時也給了天文學家更深入認識恒星和天體的一個理論工具。4.2.2恒星光譜與氫原子譜線光譜有連續(xù)光譜，線光譜和帶光譜。太陽光譜其實并不是一條連續(xù)的光帶，而是帶有許多暗線條

氫原子光譜（巴爾默系，背景彩色是為了表示三條光譜線的位置而加進去的）。

4.2.3

光譜在恒星研究中的應用 1、確定恒星的化學組成 2、確定恒星的溫度 3、確定恒星的視向速度和自轉(zhuǎn)光譜型顏色表面溫度（開）典型星O藍40000~25000參宿一B藍白25000~12000參宿五A白11500~7700織女星F黃白7600~6100小犬座αG黃6000~5000太陽K橙4900~3700牧夫座αM紅3600~2600心宿二恒星光譜的分類

4.2.4恒星的光譜、顏色和表面溫度之間的關系Oh!BeAFairGirlKissMe.4.2.5恒星的赫羅圖丹麥科學家赫茨普龍(E.Hertzsprung)于1911年，天文學家羅素（H.N.Russell）于1913年，分別的繪制了恒星的光譜—光度圖。Innerradiative,outerconvectivezoneInnerconvective,outerradiativezoneCNOcycledominantPPchaindominant4.3變星和新星變星：亮度在較短時期內(nèi)有顯著變化的星為變星。新星:有少數(shù)星的亮度可在幾天內(nèi)猛增幾萬倍，較原有星等減少10-14等，把這些突然爆發(fā)的星稱為新星。超新星:超新星的爆發(fā)規(guī)模比新星還要大，它發(fā)亮時亮度的增幅為新星的數(shù)百至數(shù)千倍，拋出的氣殼速度可超過104km/s。是所有變星中最壯觀的一類，是恒星的災變性爆發(fā)。輻射能估計為1042~1043J,拋出的物質(zhì)質(zhì)量達1~10m⊙,動能達1043~1044J。4.3.1造父變星造父變星又稱長周期造父變星或經(jīng)典造父變星，是脈動變星的一種，這類變星的亮度變化是周期性的，一般周期在1.5～80天之間。周光關系：周期和絕對星等之間的關系。造父變星的平均絕對星等M與其周期的對數(shù)lgP近似成直線關系周光關系新星4.3.2新星和超新星

亮度會在很短的時間內(nèi)迅速增加，達到極大后慢慢減弱，幾年或幾十年后恢復到原來的亮度，這種星叫新星。

有些恒星爆發(fā)時規(guī)模比新星更巨大，

光度增加1億倍，這種星稱為超新星。超新星蟹狀星云（M1，或NGC1952）位于金牛座ζ星東北面，距地球約6500光年。它是個超新星殘骸，源于一次超新星