第三篇太陽和恒星世界(2)恒星的測量

第三篇太陽和恒星世界(2)

——恒星物理量的測量方法

1.輻射基本知識2.恒星的光度和星等3.恒星的距離和大小4.雙星和恒星的質(zhì)量一、輻射基本知識1.電磁輻射人們獲得天體信息的渠道主要有四種：電磁輻(electromagneticradiation)宇宙線(cosmicrays)中微子(neutrinos)引力波(gravitationalwave)電磁輻射是其中最為重要的一種。

LIGOHomestake金礦中微子實驗室電磁輻射是以變化的電磁場傳遞能量、具有特定波長和強度的波（波動性）。電磁波具有波動性和粒子性。 波長范圍：＜0.01?–30m 1?ngstrom=10-10m (波長λ)×(頻率ν)＝光速c=3×108ms-1根據(jù)波長由短到長，電磁輻射可以分為γ射線、X射線、紫外、可見光、紅外和射電等波段，可見光又可分解為七色光。

51Monday,March7,2011電磁輻射由光子構成（粒子性） 光子的能量與頻率（或顏色）有關：頻率越高（低），能量越高（低）。

E=hν其中Planck

常數(shù)h=6.63×10-27ergs-1PlanckEinstein2.黑體輻射（blackbodyradiation）

黑體(blackbody)

能吸收所有的外來輻射（無反射）并全部再輻射的理想天體。黑體輻射 具有特定溫度的黑體的熱輻射。 大部分正常恒星的輻射可以近似地用黑體輻射來表示。不同溫度黑體的輻射譜Stefan-Boltzmann定律

單位面積黑體輻射的能量F＝σT

4

其中Stefan-Boltzmann常數(shù)

σ＝5.67×10-5ergcm-2s-1K-4Wien定律

黑體輻射最強處的波長λmax與溫度之間的關系為

λmax

T＝0.29(cmK)

高溫黑體主要輻射短波，低溫黑體主要輻射長波。

恒星的溫度和顏色恒星的顏色反映了恒星的表面溫度的高低。溫度越高（低），顏色越藍（紅）。Rigel

3.電磁波譜

基爾霍夫(Kirchhoff)定律(1)熱的、致密的固體、液體和氣體產(chǎn)生連續(xù)譜；(2)熱的、稀薄的氣體產(chǎn)生發(fā)射線；(3)連續(xù)輻射通過冷的、稀薄的氣體后產(chǎn)生吸收線。原子結構和譜線的形成原子結構：原子核+圍繞原子核旋轉(zhuǎn)的電子（云）。（量子化的）電子軌道的大小反映了原子能態(tài)的高低。當電子從高能態(tài)躍遷到低能態(tài)，原子釋放光子，產(chǎn)生發(fā)射線；反之產(chǎn)生吸收線。吸收或發(fā)射的光子能量為:

hν＝En2-En1譜線與恒星的化學成分 不同元素的原子具有不同的結構，因而有不同的特征譜線。4.多普勒紅移Doppler譜線紅移

(Dopplershift)

由于輻射源在觀測者視線方向上的運動而造成接收到的電磁輻射波長或頻率的變化。 遠離（接近）觀測者輻射源發(fā)出的電磁輻射波長變長（短），稱為譜線紅移（藍移）。62Monday,April25,2011藍移紅移二、恒星的光度和星等1.恒星的光度和亮度光度L(luminosity)：天體在單位時間內(nèi)輻射的總能量，是恒星的固有量。亮度F(brightness)：在地球上單位時間單位面積接收到的天體的輻射量。 視亮度的大小取決于三個因素：天體的光度、距離和星際物質(zhì)對輻射的吸收和散射。

2.視星等m(apparentmagnitude)古希臘天文學家Hipparcos(依巴谷)在公元前150年左右首先創(chuàng)立的表征恒星亮度的系統(tǒng)（1等星-6等星）。星等值越大，視亮度越低。天文學家在此基礎上建立了星等系統(tǒng)，定義星等相差5等的天體亮度相差100倍，即星等每相差1等，亮度相差(100)1/5=100.4≈2.512倍。3.絕對星等M(absolutemagnitude)

絕對星等:天體位于10秒差距（pc）距離處的視星等，它實際上反映了天體的光度。距離模數(shù)(distancemodulus)：m-M

m-M=5logr(pc)-5根據(jù)恒星光譜中Balmer線的強弱，恒星的光譜首先被分成從A到P共16類。后來經(jīng)過調(diào)整和合并，按照溫度由高到低的次序，將恒星光譜分成O,B.A,

F,G,K,M七種光譜型(spectraltype).4.恒星的光譜分類和赫羅圖Harvard大學天文臺的天文學家在1890-1910年首先提出的恒星光譜分類法。光譜型表面溫度(K)顏色特征譜線O

30,000藍強電離He線，重元素多次電離線B20,000藍白中性He線，重元素一次電離線，H線A10,000白H線，重元素一次電離線F7,000黃白重元素一次電離線，H線和中性金屬線G6,000黃重元素一次電離線，中性金屬線K4,000紅橙中性金屬線，重元素一次電離線M3,000紅中性金屬線，分子帶每一種光譜型可以繼續(xù)分為0-9十個次型。太陽的光譜型為G2。赫羅圖

(H-Rdiagram)

由丹麥天文學家E.Hertzsprung（赫茨普龍）和美國天文學家H.R.Russell（羅素）創(chuàng)立的恒星的光度-溫度分布圖。赫羅圖的橫坐標用恒星的溫度（或光譜型），縱坐標用恒星的光度（或絕對星等）表示。

LT恒星的分布？恒星在赫羅圖上的分布特征主序星白矮星紅巨星藍超巨星天空100顆最亮的恒星在赫羅圖上的分布。太陽附近5pc范圍內(nèi)的恒星在赫羅圖上的分布。依巴谷Hipparcos衛(wèi)星測量的恒星的赫羅圖三、恒星的距離和大小

1.恒星距離的測定(1)三角視差法(trignometricparallax)利用三角法測量恒星的距離 基線越長，可測量的恒星距離越遠。

D=B/sinρD50Saturday,May14,2011周年視差(annualparallax)

以地球軌道半長徑作為基線測量恒星的距離。 周年視差ρ是恒星相對于地球軌道半長徑所張的夾角。

通過測量恒星在天球上（相對于遙遠的背景星）相隔半年位置的變化而測得。恒星的距離通常以秒差距(parsec)

或光年(lightyear)

作為單位。令a=1AU為平均日地距離（1天文單位），d為恒星的距離，則1秒差距是周年視差為1″的恒星的距離。天文單位:1.4959×108km光年:1ly=9.460×1012km秒差距:1pc=3.084×1013km=3.262ly1秒差距(pc)=3.26光年(ly)=206265天文單位(AU)8Monday,March7,201111Monday,March7,201110TheBigDipperMonday,March7,2011最近的恒星

αCentauriProxima

ρ=0.76″d=1.3pc（4.3ly）Barnard星ρ=0.55″

d=1.8pc(6.0ly)2.恒星大小的測定

(1)方法直接測量法：Michelson干涉法、掩食法（僅對距離近、體積大的恒星適用）。間接測量法 根據(jù)Stefan-Boltzmann定律，恒星的光度L=4πR2σT4,通過測量恒星的光度L和表面溫度T就可以得到它的半徑R

其中R⊙=7×1010cm,T⊙=5770K。

(2)結果 根據(jù)恒星體積的大小可以把它們分成以下幾類： 超巨星R~100-1000R⊙

巨星R~10-100R⊙

矮星R~R⊙

恒星的大小分布為：

10-5R⊙(中子星) 103

R⊙(超巨星)

四、雙星和恒星的質(zhì)量

雙星由在彼此引力作用下互相繞轉(zhuǎn)的兩顆恒星組成的雙星系統(tǒng)。大部分的恒星位于雙星和聚星系統(tǒng)中。組成雙星的兩顆恒星均稱為雙星的子星（主星、伴星），以橢圓軌道相互繞轉(zhuǎn)。

雙星的軌道運動

兩顆子星圍繞公共質(zhì)心作橢圓運動，半長徑分別為a1和a2.公共質(zhì)心位于橢圓的焦點上