天文学概论教案

天津理工大学本科教学教案

第 2 周，第 1 次课章节名称：第一讲绪论

主要内容：天文学概念、天文学研究的特点、天文学发展历史、天文学学科的分类

天文学是一门古老而又新兴的科学。说它古老，是因为早在五千年前的古代中国文明时期，我国劳动人民就已经运用太阳星辰的运动规律来指导农耕生产了。说它新兴，是因为即使是在科学技术高度发展的当今，天文学仍然是推动科技理论发展的两大原动力之一。（另一个是粒子物理学）。因此，完全可以说，天文学在整个自然科学体系中的地位并不亚于牛顿三定律在经典物理中的重要作用。

天文学既自成体系，又和其它学科，尤其是近现代物理相互融合，形成了她的特点和知识内容。她既博大精深，又细致通俗。这使得爱好并研究天文学的同学们都找到了自已合适的位置，并得到了无穷的乐趣和满足。

第一讲绪论

第一节天文学研究对象和方法

一、天文学概念：

天文学属自然科学的基础学科。它是以观察及解释天体的物质状况及事件为主的学科。主要研究天体的分布、运动、位置、状态、结构、组成、性质及起源和演化。在古代，天文学还与历法的制定有不可分割的关系。天文学与其他自然科学不同之处在于，天文学的实验方法是观测，通过观测来收集天体的各种信息。因而对观测方法和观测手段的研究，是天文学家努力研究的一个方向。物理学和数学对天文学的影响非常大，他们是现代进行天文学研究不可或缺的理论辅助。

自然科学：研究大自然中有机或无机的事物和现象的科学。自然科学包括物理学、化学、地质学、生物学等等。

二、天文学研究的特点

天文研究工作不同于其它学科的研究，具有以下特点：

1.被动性

天文研究的手段主要是观测──被动地观测，它不能像其它学科那样，人为地设计实验，“主动”地去影响或变革所研究的对象，只能“被动”地去观测，根据已经存在的事实来进行分析。天文研究的过程可以用下图来简单地概括

观测─→积累资料─→分析资料─→理论

2.瞬时性：让我们来比较下面三组数据

a、天体的年龄几百万年——百多亿年

b、人类文明几千年

c、人的一生几十年——百年左右

从比较中我们不难看出，人类研究天体的演化仅是用天文学家的一生即相当于天体演化短短地一瞬间，即增加了天文学研究得困难性。

3.长期性和连续性

任何理论的形成都建立在大量的数据之上，天文学也不例外，而且对天文观测数据的积累则更是长期的、持续不断的。只有这样的数据才是有用的，才能在此基础上得出相对正确的理论。

开普勒正是在其老师第谷花费毕生精力留下的行星观测资料中发现了三大定律。第一颗脉冲星的发现正是在距今９００多年的历史记载中找到了其形成的证据等等。即使是最平常的天文观测（如：月球、太阳、变星、双星）也需要几天以至于几十年的持续观测，才能有所收获，得出

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结论。因此，天文工作者必须要具有持之以恒的毅力和认真细致的工作态度，否则就连皮毛都不可能学到。

综上所述，我们可以给天文学下一个定义：所谓天文学就是在极其“短暂”的千百年的时间里，以基本上“被动”的观测方法面向广阔无边的宇宙空间，探索各类天体在漫长历程中的存在和演变的一门学科。

三、天文学的研究对象：

天文学的研究对象是各种天体。地球也是一个天体，因此作为一个整体的地球也是天文学的研究对

象之一。最初，古人观察太阳、月球和天空中的星星来确定时间、方向和历法，并记录天象。

随着天文学的发展，人们已经探测到了200亿光年的范围，根据尺度和规模，天文学的研究对象可以分为：

1．行星系统

包括行星、围绕行星旋转的卫星和大量的小天体，如小行星、彗星、流星体。太阳系是目前能够直接观测的唯一的行星系。但是宇宙中存在着无数像太阳系这样的行星系统。

2．恒星系统

现在人们已经观测到了亿万个恒星，太阳只是无数恒星中很普通的一颗。

3．星系系统

人类所处的太阳系只是处于由无数恒星组成的银河系中的一隅。而银河系也只是一个普通的星系，除了银河系以外，还存在着许多的河外星系。星系又进一步组成了更大的天体系统，星系团。

4．宇宙

一些天文学家提出了比超星系团还高一级的总星系。按照现在的理解，总星系就是目前人类所能观测到的宇宙的范围，半径超过了100亿光年。

在天文学研究中最热门、也是最难令人信服的课题之一就是关于宇宙起源与未来的研究。对于宇宙起源问题的理论层出不穷，其中最具代表性，影响最大，也是最多人支持的的就是1948年美国科学家伽莫夫等人提出的大爆炸理论。根据现在不断完善的这个理论，宇宙是在约137亿年前的一次猛烈的爆发中诞生的。然后宇宙不断地膨胀，温度不断地降低，在宇宙年龄约10年时星系开始形成，并逐渐演化为今天的样子。

5．现代天文学研究的领域非常广泛，有许多非常热门的研究课题。例如：引力的本质、脉冲星、黑洞和γ射线暴等等。

四、天文学基本名词

1．天体又名星体：顾名思义为天空中的物体。

宇宙 - 银河系 - 星云、太阳系:太阳-行星- 彗星 - 卫星 - 小行星 - 陨石

2．太阳系：阳系的中心是太阳，虽然它只是一颗中小型的恒星，但它的质量已经占据了整个太阳系总质量的99.85％，太阳以自己强大的引力将太阳系中所有的天体紧紧地控制在他自己周围，使它们井然有序地围绕自己旋转。同时，太阳又带着太阳系的全体成员围绕银河系的中心运动。太阳系内迄今发现了九颗大行星。有时称它们为“九大行星”。按照距离太阳的远近，这九大行星依次是：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星以及最远的冥王星。天津理工大学本科教学教案

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水星、金星、地球和火星也被称为类地行星。除了水星和金星外，其他的行星都有卫星。在火星和木星之间还存在着数十万个大小不等，形态各异的小行星，天文学家将这个区域称为小行星带。此外，太阳系中还有超过1000颗的彗星，以及不计其数的尘埃、冰团、碎块等小天体。

太阳系中的各个天体主要由氢、氦、氖等气体，冰（水、氨、甲烷）以及含有铁、硅、镁等元素的岩石构成。类地行星、地球、月球、火星、木星的部分卫星、小行星主要由岩石组成；木星和土星主要由氢和氦组成，其核可能是岩石或冰。

3.天球：天球就是以观测者为球心，以无限大为半径所描绘出的假想球面，我们看到的天体（星星、月亮、太阳）是其在这个巨大的圆球的球面上的投影位置。

4.天体周日视运动：由于地球自转（自西向东），所以地面上的观测者看到的天体在一天中在天球上自东向西沿着与转轴垂直的平面内的小圆转过一周。

5.子午圈

过观测者的天顶和南北天极的大圆。

6.中天

天体经过观测者的子午圈时，叫做中天。由于地球的自转，天体一天要穿过子午圈两次，其中离观测者天顶较近一次叫上中天。另外一次叫下中天。

7.黄道

简单的说就是太阳在天球中的运行轨迹。由于运动的相对性，所以黄道也就是地球公转轨道与天球的交线。

8.目视星等

公元前２世纪，希腊天文学家伊巴谷将恒星按照其亮度分为六等。亮度越大，星等越小。后来发现，

一等星比六等星约亮１００倍，所以定义“星等”每差一等，亮度差２．５１２倍。如果比一等星还亮２．５１２倍为０等，比0等星还要亮２．５１２倍的为－1等... ...?依次类推。

下面是一些较亮天体的目视星等

天狼星（大犬座α）－1.6等

金星（大距时）－4.4等

木星－2.7等

满月－12.7等

太阳－26.74等

9.太空：外层空间简称“空间”或“外空”指的是地球稠密大气层之外的空间区域，並沒有明确的界線分野。一般定义为大约距离地球表面100千米之外的空间。又称为宇宙空间。

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第二节古代天文学

天文学的历史已经有几千年了。古代的天文学家通过观测太阳、月球和星星等天象，确定了时间、方向和历法。这也是天体测量学的开端。如果从人类观测天体，记录天象算起，天文学的历史至少已经有5、6千年了。天文学在人类早期的文明史中，占有非常重要的地位。埃及的金字塔、欧洲的巨石阵都是很著名的史前天文遗址。

第三节近代天文学

天文学的研究范畴和天文的概念从古至今不断发展。在古代，人们只能用肉眼观测天体。2世纪时，古希腊天文学家托勒密提出的地心说统治了西方对宇宙的认识长达1000多年。直到16世纪，波兰天文学家哥白尼才提出了新的宇宙体系的理论——日心说。到了17世纪，意大利天文学家伽利略创制了天文望远镜，第一次看到了太阳、月球和一些行星的表面。也在同时代，牛顿创立的牛顿力学使天文学出现了一个新的分支学科天体力学。天体力学的诞生，使天文学从单纯描述天体的几何关系和运动状况进入到研究天体之间的相互作用和造成天体运动的原因的新阶段，在天文学的发展历史上，是一次巨大的飞跃。

第四节现代天文学

19世纪中叶天体摄影和分光技术的发明，使天文学家可以进一步深入地研究天体的物理性质、化学组成、运动状态和演化规律，从而更加深入到问题的本质，从而也产生了一门新的分支学科天体物理学。这又是天文学的一次重大飞跃。

1950年代，射电望远镜开始应用。到了1960年代，取得了称为“天文学四大发现”的成就：微波背景辐射、脉冲星、类星体和星际有机分子。而与此同时，人类也突破了地球的束缚，可以到天空中观测天体。除可见光外，天体的紫外线、红外线、无线电波、X射线、γ射线等都能观测到了。这些使得空间天文学得到了巨大的发展，也对现代天文学的成就产生了很大的影响。

★天文学学科的分类:天文学的分支主要可以分为理论天文学与观察天文学两种。天文学观察家常年观察天空，并将所得到的信息整理后，理论天文学家才可能发展出新理论，解释自然现象并对此进行预测。天文学中习惯于按照研究方法和观测手段来分类：按照研究方法可分：天体测量学、天体力学、天体物理学；按照观测手段可分：光学天文学、射电天文学、红外天文学、空间天文学。

其它更细分的学科还有：天文学史-业余天文学-宇宙学-星系天文学-超星系天文学-远红外天文学-伽马射线天文学-高能天体天文学-无线电天文学-太阳系天文学-紫外天文学-X射线天文学-天体地质学-等离子天体物理学-相对论天体物理学-中微子天体物理学-大地天文学-行星物理学-宇宙磁流体力学-宇宙化学-宇宙气体动力学-月面学-月质学-运动学宇宙学-照相天体测量学-中微子天文学-方位天文学

-航海天文学-航空天文学-河外天文学-恒星天文学-恒星物理学-后牛顿天体力学-基本天体测量学-考古天文学-空间天体测量学-历书天文学-球面天文学-射电天体测量学-射电天体物理学-实测天体物理学-实用天文学-太阳物理学-太阳系化学-星系动力学-星系天文学-天体生物学-天体演化学-天文地球动力学-天文动力学。

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业余天文学：就是通常意义上的天文爱好者所从事的天文活动。一般采用天体观测的形式，通常使用可移动式望远镜和肉眼进行观察。虽然对多数天文爱好者来说，科学研究不是其主要目的；但在对可见星的观测，小行星的追踪，彗星、流星的报告等等方面，都做出了贡献。而这些成果仍然是吸引其他爱好者们继续做出贡献的重要途径之一。一些天文爱好者常常进行集体观测活动，这样的集体活动被称为交流会（star party）。

初学者：在初次学习观测时，最好从辨认星座和行星开始。星座是在夜空中的一个很好的标志物，可以对很多肉眼可见的天体进行定位。

一、天体测量学

天体测量学(astrometry)天体测量学是天文学中最古老也是最基本的一个分支，主要是研究和测定天体的位置和运动，建立基本参考坐标系和确定地面点的坐标。测量天体就必须知道天体的位置和天体的距离。对天体位置的确定可以通过在天球上建立坐标系的方法来实现。在此仅介绍比较通用的赤道坐标系。

根据天球的理论，我们将地球的赤道面无限延伸，令其与天球相交的大圆为天赤道。地球自转轴与天球的交点分别为南北天极。过两天极的大圆称为赤经圈或时圈。黄道与天赤道有两个交点，其中的升交点（即春分点）被定为赤经零度。赤纬的定义方法与地球纬度的定位相同，天赤道以北为正，以南为负。这样，每个天体的位置就可以通过由赤经和赤纬构成的一对数来唯一的表示了。

关于天体的距离，这里仅介绍三个天文学中常用的单位──光年，天文单位和秒差距。

光年:就是光一年所走的路程。

１光年＝36532433600330万公里＝94605亿公里。

可见是多么远的一段距离。下面是一些典型的距离

比邻星（离太阳最近的恒星） 4.22 光年

银河系直径 8.15 万光年

宇宙深度（大小）150 亿光年

天文单位:为地球到太阳的平均距离。太阳光到达地球约是8分钟，所以，1天文单位≈8360330万公里≈1.5亿公里。天文单位在研究太阳系内部天体时是比较常用的单位。

秒差距:是由于一年中地球在轨道上的运动而产生的天体在天球上视位置的微小变化叫做周年视差，如果天体的周年视差为１角秒，那么定义它的距离就是一个秒差距。

通过计算知： 1秒差距＝ 3.2616光年＝ 206265天文单位

二、天体力学

天体力学是建立在牛顿万有引力定律基础之上的，主要研究天体在引力作用下的运动状态问题。具体牵涉的是一些复杂的计算，在这里仅介绍两个小内容。

1.地球的岁差

由于地球的自转，我们可以把地球想象成一个旋转的陀螺。解决陀螺旋转的问题，力学上有专门的理论。地球的旋转满足刚体绕定点转动中的拉格郎日情况。

2.地球的章动

地球将既绕一中心轴进动，又在进动轨迹平均位置附近做微小摆动（章动）。其中的进动就叫做地球的岁差，其周期大约是25800年，章动周期是18.6年。

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地球的岁差反映在天球上就是天极点的运动。也就是说，随着岁月的流逝，天极点将在天球上画出

一个大圆。我们知道，现在的北天极几乎指向北极星，那么，再过 1.2?万年后，北天极将指向织女星（天琴座α），那时的人们在晚上将定义织女星为正北方了。

三、天体物理学

天体物理学用物理学的知识和手段来理解我们利用天文观测设备以及探测器所获得的天体的各种信息，是天文学和物理学的分支学科。天体物理学几乎包括了现代天文学的所有方面，对它的介绍被归入天体演化学部分。

四、光学天文学

谈到光学天文学免不了要提及望远镜。从种类上分，望远镜主要有四种

1.伽利略式（折射式）

2.开普勒式（折射式）

3.牛顿式（反射式）

4.施密特式（折反射式）

由于在物镜前加了一个改正镜，可以做到无球差，视场大，而且也可以制造得很大。目前世界上最大的施密特望远镜位于德国陶登堡史瓦西天文台，改正镜口径为1.34米。

下面我们再来了解一下绝对星等的概念

前面讲了目视星等，我们知道天体的视亮度不仅与天体本身的发光强度有关，还和天体离我们的距离有关。为了能够反映天体本身的真实发光强度，我们把天体假想置于距离地球１０秒差距处所得到的目视星等就是该天体的绝对星等。

太阳的目视星等是－26.74等，但如果假想把太阳移到离我们１０秒差距处，我们将发现它只不过是一颗非常普通的五等小星。太阳的绝对星等是＋4.85，而天津四（天鹅座α）的绝对星等是-7.3。

五、射电天文学

射电天文学是通过射电天文望远镜接收到的宇宙天体发射的无线电波信号来研究天体的物理、化学性质的一门学科。

射电天文学诞生于20世纪30年代。1931年，美国贝尔实验室的央斯基用天线阵接收到了一个周期24小时的干扰电波。经分析，他认为这个无线电波来自银河系中心，并于1933年公布了这一发现。随后美国人雷伯在自家的后院建造了一架口径9.5米的天线，并在1939年接收到了来自银河系中心的无线电波。雷伯根据自己的观测结果绘制了第一张射电天图。射电天文学从此诞生。雷伯本人被尊称为“射电天文学之父”。

六、空间天文学

空间天文学是在高层大气和大气外层空间区域进行天文观测和研究的一门学科。随着现代高科技的发展，我们可以通过向太空发射观测卫星，建立空间站来达到目的，这就诞生了空间天文学。

七、天体演化学

天体演化学可以说是近现代天体物理的中心。它包罗万象，近到地球，远到宇宙深空，几乎包括了全部观测和研究对象。下面将按由小到大，由低到高的层次顺序逐一简介。

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1.太阳其中光球层、色球层、日冕层统称为太阳大气，光球层之下的对流层、辐射区、核反应区称为太阳内部。从太阳中心至约四分之一太阳半径处，集中了太阳物质质量的一半，称此区域为核反应区。这个区域的温度高达１５００万度，压强达２５００亿个大气压，使氢核聚变为氦原子核成为可能。太阳所发射能量的99％就是从这产生的。从核反应区至0.8?太阳半径处存在着一个辐射区，这个区包含有太阳总物质的10％。再往外就是对流区。由热核反应所释放出的能量以辐射方式通过辐射区向外传输，而在对流区，能量向外传输的主要方式是对流。

光球是太阳最外面的一层，厚约５００公里。由于光子在该层很少被再吸收或散射，因而能通过它上面的色球、日冕传播到周围空间。我们肉眼所直接看到的太阳表面层就是光球层。光球层上还有很多新的结构和现象，比如说米粒组织、黑子、光斑等。

色球介于光球层和日冕层之间，厚约２０００公里。一般只有在日全食时才能看到，通常由于地球大气散射阳光而形成的较亮的背景光掩没了色球所发出的光。在日全食食甚的短暂时间中，日面边缘呈现出的狭窄的玫瑰红色的发光圈层就是色球层。色球层的很多现象都是现在所没有解释清楚的。如：日

珥、耀斑、谱斑以及最令人难以置信的从色球层到色球－日冕过渡区的反常升温（温度从低层的4600开上升到层顶的约几万开尔文）。

日冕层是太阳大气的最外层，由高温、低密度的等离子体组成。日冕层的气体温度继续反常上升，高达几百万开。使引力不足以束缚热电离气体粒子，从而导致其不断向外流出，形成被称为太阳风的粒子流。

通过以上介绍发现，仅仅是对太阳这颗普通但对人类又是非常重要的恒星，我们还知道的甚少。还有许多未解之谜等待我们去探索，去回答。

2.太阳系

①太阳系位置

太阳系位于银河系内，其星体位置是在离银心１０千秒差距，偏银面向北约８秒差距处。

②太阳、行星、卫星

了解太阳系，首先需了解太阳系中各类天体名称。

太阳是一颗很普通的恒星，恒星是由炽热气体组成的能自己发光的球状或类球状天体。在太阳系中只有太阳自身会发光，其它天体都是因为反射太阳光才被我们发现的。

在椭园轨道上环绕太阳运行的近似球状的天体被称为行星。太阳系目前有九大行星。按从内到外的顺序依次是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王、海王和冥王星。为了研究问题方便以及按各行星本身特点不同，九大行星又有不同的分类，

见下图：

┏━━━类地行星━━━┓┏━━━类木行星━━━┓

水星金星地球火星（小行星带）木土天王海王冥王

┗地内行星┛┗━━━━━━━地外行星━━━━━━━━┛

由于行星质量、大小、密度以及化学组成不同可以把九大行星分为类地行星和类木行星；根据各行星与地球的相对位置，又将它们分成地内行星和地外行星；分布于火星与木星轨道之间，沿椭园轨道绕太阳运行的小天体构成一个小行星带。我国在小行星的发现方面处于世界领先水平。

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③太阳系其它天体

A、彗星：在扁长轨道上绕太阳运行的一种质量较小的天体，呈云雾状的独特外貌。彗星的外貌和亮度随着它离太阳远近而显著变化。当它远离太阳时，呈现为朦胧的星状小暗斑，其较亮的中心部分叫作“彗核”。彗核外围的云雾包层称为“彗发”。它是在太阳的辐射作用下由彗核中蒸发出来的气体和微小尘粒组成的。彗核与彗发合称为“彗头”。当彗星走到离太阳相当近的时候，彗发变大，太阳风和太阳的辐射压力把气体和微尘推开生成“彗尾”。由于彗星的这种独特外貌，中国民间又称其为扫帚星。

B、流星：行星际空间叫做流星体的尘粒和固体块闯入地球大气圈同大气摩擦后燃烧产生的光迹。流星体的体积一般都不比小石子大，但速度很高。据估计每年落到地球上亮度大于１０等的流星约２０００吨，一般认为后半夜看到的流星比前半夜多。

④太阳系的起源

关于太阳系的起源主要有三种学说。

A、灾变说：认为行星物质是因某一偶然的巨变事件从太阳中分出的。比如由于另一颗恒星走近或碰到太阳，或者由于太阳爆发，从太阳分出的物质后来形成行星。

B、俘获说：认为太阳从恒星际俘获物质。形成原始星云，后来演变成行星。

C、共同形成说：认为整个太阳系所有形体都是由同一原始星云形成的，星云中心部分的物质形成太阳，外围部分的物质形成行星等天体。

3. 银河系

牛郎和织女的传说故事可能谁都有耳闻。夏夜星空，很容易找到牛郎星（天鹰座α）和织女星（天琴座α）。在两者之间，你就会发现一条由无数颗密密麻麻的小星连成的似云雾的带状体，它就是传说中的那条无情的天河。现在我们知道，它只是银河系的一部分在天球上的投影。太阳系就是存在于银河系这个典型的旋涡状星系中的一条旋臂上。

银河系的中心在人马座方向。银河系的核球是一个扁球形的致密区，其外边缘离银心约为５千秒差距。核球内有许多恒星、分子和尘埃云，核球的中心有一个半径只有几个秒差距的小区域，称为银核。

银核中有银河系中最密集的恒星群、电离气体和尘埃，银核所拥有的质量相当于１０００万个太阳质量；银盘是银河系的主体，其形状如扁球圆盘，中间厚而边缘薄，直径约为２５千秒差距。5.河外星系

4.河外星系在银河系之外，还存在许多发光天体，被称为河外星系。河外星系的研究始于本世纪２０年代。哈勃（一位在天文学领域可与爱因斯坦齐名的天体物理学家）通过仙女座星云（Ｍ31）中的造父变星计算得出，Ｍ31是属于银河系之外的恒星系统。

表现形状从圆到椭圆的星系称为椭圆星系。椭圆星系中央区较密，主要是由重元素含量较少的恒星组成。

而且星云、星际尘埃含量很少。

旋涡星系是指具有旋涡结构的星系。根据形状不同可分为正常旋涡星系和棒旋星系两大类。银河系和仙女座星系都是典型的旋涡星系。它们的中心区都具有圆形隆起的核球，外侧有星系盘。星系主

体的外部包裹着近似球状结构的星系晕。

除了以上两类星系，还有外形不规则且无明显核心和旋臂的不规则星系。最著名的是银河系的两个

伴系──大麦哲伦云和小麦哲伦云。

星系在宇宙中的分布并不是均匀的，而是表现出集结成大小不同的系统的倾向。按包含星系天津理

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的多少和空间尺度的大小，从小到大依次称为星系群、星系团、超星系团。银河系和大小麦哲伦云构成了本星系群，并与附近的仙女座星系，以及１百万秒差距以内的４０多个星系（矮球星系）集聚成本星系团。离本星系团较近的还有室女座大星系团（含2500多星系）和后发座星系团等。以室女座星系团为中心，在２０兆秒差距的大尺度范围内的五十多个星系团构成了本超星系团。

正是由于星系分布的这种极度的不均匀性，使得有关星系起源和演化的理论屡屡受挫。按照现有的种种模型都无法完美的解释宇宙空间物质分布的如此大的不均匀度。这使得这方面的问题与宇宙学一并成为理论研究的热点和难点。

5 .宇宙学

本世纪二十年代，从哈勃发现河外星系和谱线普遍红移开始，宇宙学理论模型逐渐发展并完善起来。从爱因斯坦的静态宇宙模型到现在公认的大爆炸宇宙模型（已被称作标准宇宙模型）；从单纯的应用广义相对论到现代较活跃的量子引力理论，人们正在慢慢地揭开所谓上帝那神秘的面纱，去了解宇宙的产生和演化。

1929年，美国著名天文学家哈勃通过对当时所能观察到的几十个星系的研究发现，它们所发出的谱线都普遍向红端偏移了，而且，星系离我们越远，红移量就越大。从开普勒位移的有关知识我们知道，这说明：所有的星系都在以一定的速度离我们远去，而且，红移量越大，退行的速度就越大。因此，我们就很自然地想到──宇宙正在膨胀，就像一只正在不断吹大的，上面点满花点的气球。

既然所有的星系都在彼此远离，而如果这种方式在过去任一时刻又并未改变的话，那就必然得出一个结论：回朔到过去某一时刻，即离现今约150亿年前，?宇宙中所有的物质都聚集在一个很小很小的区域内。在此区域内，温度极高，密度极大，不存在原子、电子，更没有什么银河系、太阳系；随着宇宙的膨胀，温度降到1000亿亿亿开尔文时，由于强相互作用，形成了夸克和电子等轻子，之后又出现了质子和中子等基本粒子。宇宙处于这一阶段的时间极短，约在宇宙诞生的１分钟之后，温度下降到可进行核聚变反应的程度，宇宙中逐渐形成了氘、氦以及少量的锂；到１５分钟左右的时候，由于进一步膨胀，温度下降到不足以点燃核聚变反应。经过计算，那时宇宙中氢约占四分之三，氦约占四分之一，这与现在观测所得的数据完全一致；大约在大爆炸之后１万年，温度降到约为几千开，宇宙中主要是一些气状物质；随后有些气体聚成气云，形成原星系，进而演化为星系；最后伸缩并产生了各种各样的星的体系，成为我们今天所观察到的宇宙的样子。我们的太阳就是这亿万颗恒星中的一员。随着太阳系和地球的继续演化，在一定条件下出现了万物，并最终产生了能够认识宇宙的人类，产生了你我，产生了我们大家。我们在为宇宙的奥秘而惊讶的同时，只有不断探索和学习研究，才能了解到宇宙的真正的和谐，真正的美！

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第 4 周，第 3 次课章节名称：第二讲宇宙概观

主要内容：太阳系、四季星空。

第二讲宇宙概观

在我们生活着的地球之外，是高远无垠的星星世界，称之为宇宙。宇宙是一个没有边界、无始无终、充满了无穷奥秘的世界。探索宇宙的历史和未来是人类永恒的欲望。

第一节太阳系

一、宇宙

宇是指空间的总体，宙是指时间的总体，一切物质都在不停地运动着，而且永远离不开它们的存在和运动的空间及运动和发展持续长短的时间。所以，宇宙是一切物质运动的空间和时间，是一切物质不可分离的存在形式；它处于不断地运动和发展中，在空间上无边无际，在时间上无始无终。我国早在2300多年前，就有关于宇宙的朴素辩证法的观念，《墨子》（战国时代）“宇，弥异所也，久（宙），弥异时也”，《尸子》（汉初成书）：“四方上下曰宇，往古来今曰宙”；《灵宪》（东汉张衡）：“宇之表无极，宙之端无穷”。这些，都科学地说明：空间的范围是无边无际的；时间延伸是无穷无尽的。

人类对宇宙的认识，是目视所及的天体开始的。何谓天体：天体（heavenly body；celestial body）是宇宙空间一切星辰的统称。如太阳、地球、月亮、行星和恒星等。发热发光的天体称为恒星；围绕着恒星运转的天体称为行星；而围绕着行星运转的天体称为卫星；还有近半个世纪，人类成功发射的人造地球卫星和人造行星等，称为人造天体。如太阳就是一个恒星，地球是它的九大行星之一，月球是地球的卫星。而太阳又是银河系里的一颗普通的恒星，银河系外又有河外星系、星系团、总星系。

二、银河系

太阳系所在的星系，是一个旋涡星系，称为银河系。银河系由2000亿颗以上恒星所组成。恒星以外，还有各种类型的银河星云和星际气体与尘埃。银河系在宇宙空间是一个扁率较大的扁球型旋转体，具有两个或更多的悬臂，其中心在人马座方向。旋转体的长径约为10万光年，短径约为1万光年。太阳约位于离银河中心3.3万光年的扁球体对称面附近。整个银河系在不停地绕其短径作旋转运动。太阳系里的一切天体都跟着太阳以每秒250公里速度环绕银河系中心转动，环绕一周约需2亿年之久。银河系扁球形旋转体的对称面称为银道面，而银道面扩大到天球上的大圆叫做银道。银河系除了自转以外，作为一个整体，还朝着麒麟座（在大犬座以北，小犬座以南）方向以每秒214公里的速度运动着，因此，银河系在宇宙间的旋转很象一个运动的车轮，一方面它本身在旋转，同时又在不断地前进。

1．银河

俗称天河。在晴朗的夏夜，总有一条气势磅礴的光带自南向北横贯天空，这就是银河。在我国民间至今还流传着牛郎织女渡天河一年一度相会的神话。欧洲人把银河称为“牛奶色道路”。因为太阳系是在银河系的银道面附近，且偏离银河系中心的地方，所以从地球上观看天空时，沿着银道面的各个方向所看到的恒星要比其它方向的恒星密集的多，形成一条亮带称为银河。天鹅座、天鹰座、天琴座、天蝎座等25个著名星座就分布在银河上或其两侧。

2．恒星

在无数明星中，除了少数行星外，都是自己会发热发光、且相互之间的位置似乎不动的天体，称为恒星。太阳就是距我们最近的一颗恒星。其他恒星离我们都非常遥远，最近的比邻星也在4光年以外。夜间能见到的星，绝大多数系属恒星。恒星并非不动，而是以相当大的速度在不停地

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运动着，只因它们离地球极其遥远，故在天球上的视位移非常缓慢，其位移角距以“秒”为单位，通常每年不大于0.1〞，少数离地球较近的恒星，如：半人马座α星（南门二）每年位移3.7〞，1000年也仅位移1°；牧夫座α星（大角）每年位移仅略大于2〞。因此几百年内都看不出恒星相互间的位置有何明显变化。用肉眼能见到的恒星有6000多颗。《星历》恒星视位置表中列出的恒星有2000多颗。

恒星中主要是氢气，其次是氦。在700万摄氏度以上的高温下，四个氢原子聚变成一个氦原子核，同时放出巨大的能量。这就是热核反应。氢弹所以能发生威力无比的爆炸，正是这种反映的结果，在恒

星内部，每时每刻都有许多“氢弹”在“爆炸”，使恒星长期不断地作为一个炽热的气体大火球而发热发光。恒星的温度从中心向表面逐渐降低。不过，即使是恒星的表面温度也仍然十分惊人，最低的有两千多度，最高的可达到4万度，太阳的温度是六千度。恒星的表面温度决定了恒星的颜色。这正如一块炽热的铁，当温度增高时，它的颜色由红变黄、变白、甚至变蓝。

恒星是宇宙中最基本的成员。恒星是有生命的，它既有出生的一天，也有消亡的一天。但一批恒星“死”去了，又会有一批新的恒星诞生。而且恒星的数量之多是我们难以想象的，据2003年来自天文学前沿的消息，英国和澳大利亚的天文学家公布了可见宇宙中恒星数量的最准确的计算结果：大约731022——700万亿亿颗，很明显，比世界上所有沙滩和沙漠中的沙粒还要多。所以宇宙中永远存在着无数个“太阳”。

在恒星漫长生命旅程中，恒星最稳定、持续时间最长的阶段是壮年期，称为主序星。主序星阶段最短的有几百万年、最长的可达10万亿年。太阳正处于这个稳定阶段，它已经稳定地“燃烧”了足足50亿年了。太阳在主序星阶段的时间可长达100亿年。恒星的晚年，称为红巨星。恒星在该阶段它内部的氢氦热核反应基本停止。这时，恒星的中心部分在引力作用下发生强力收缩，使温度升高，并且使外壳急剧膨胀，整个恒星就变成一颗亮度大，温度低的红色星——红巨星。像太阳这样的恒星，在红巨星阶段大约能停留10 亿年。一颗垂死的恒星爆炸后就彻底解体了，部分物质化为碎片和云烟，飘散到太空中，剩下的物质则迅速坍缩为很小的中子星或黑洞。

①光年

由于恒星距离我们很远，用公里来计算恒星的距离很不方便。天文学上常采用“光年”作为计量相距甚远的天体间距离的一种单位。光每秒的速度299，792公里，光一年内所走的距离称为1光年，约等于9.4631012公里。例如天狼星距离地球约为8.6光年，即它所发的光，在空间需行经8.6年才到达地球；任何时刻在地球上看到的天狼星的光是它在8.6年前该时刻所发出来的。牛郎与织女的距离是16光年，如果二者用无线电波通信，一来一往就需要32年。在太阳系里也可用“光分”作为计量太阳与行星间距离的一种单位。光在一分钟内所走的距离称为一光分，约等于17，987，520公里。例如太阳距离地球约为8.3光分，即太阳所发的光，在空间需行经8.3分钟才到达地球；太阳距离冥王星约为327.4光分，即太阳所发的光，在空间需行经327.4分钟即5小时27分才到达冥王星。

②视星等

区分天体亮度强弱的等级。星越亮，星等的数字越小。亮度减少，等级降低。在实用天文中，以天体的视亮度分等级。其分等方法是以肉眼在晴朗黑夜能见到最暗的星为6等星，取亮度为6天津理工大学本

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等星100倍的星为1等星。两相邻星等的亮度比率等于2.512(5√100 )。据此，亮度为6等星的2.512倍的星为5等星，亮度为5等星的2.512倍的星为4等星，以此类推。而亮度为1等星2.512倍的星为0等星，亮度为0等星2.512倍的星为-1等星。由于星与星之间亮度相差的倍数往往不正好是2.512倍，因此星等往往不是整数，而是带有小数。例如天蝎座α星的星等是 1.2；大犬座α星(全星空最亮的恒星)的星等是-1.6。人们习惯上所谓1等星的星等为1.5以上(包括负星等)；2等星为1.51～ 2.50；3等星 2.51～ 3.50。满月时月亮平均星等是-12.5；太阳的平均星等是-26.7；金星(全星空最亮的星体)最亮的星等为-4.4。

思考题2.1

1．谓宇宙、天体、恒星、行星、卫星、人造天体？

1.何谓银河系、银河系的尺度、形状及太阳系在银河系中的位置？

3．按形状特点分类星系有哪几种？它们的区别是什么？

4．恒星的主要特征是什么？

5．为什么用光年作为天文距离单位？

6．何谓星等、全星空最亮的恒星、星星？

三、太阳系

太阳和以太阳为中心、受其引力支配而环绕它运动的天体所构成的系统,称为太阳系。太阳系的成员包括太阳和9个大行星，从中心往外依次为水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星

和冥王星；许多小行星，其中1600多个轨道以确定的；66个卫星以及无数的彗星和流星。它属于银河系。整个太阳系又以每秒250多公里的速度环绕银河系中心旋转。

1．太阳

太阳是太阳系的中心天体，是银河系中一颗恒星。太阳是一个炽热的气体球，表面温度为6000°C 左右，越向内部温度越高，中心温度约1500万度。太阳的主要成分是氢和氦。按质量计，氢约占71%，氦约占27%，还有少量氧、碳、氮、铁、硅、镁、硫等。它不停地进行氢聚变氦的热核反应，产生巨大的能量，以辐射的方式，由内部转移到表面，向空间发射。其中只有二十万分之一的能量辐射到地球,是为地球上光和热的主要来源,使地球上的生命得到生存。太阳的直径为139万公里，是地球直径的109倍；其质量为231030千克，是地球质量的33万倍，等于所有行星质量总和的745倍；平均密度为1.4克/立方厘米；太阳辐射的总功率可达4310千瓦，如此巨大的辐射能量，是以消耗太阳自身的质量换来的。太阳的消耗程度400万吨/秒，维持这样的消耗太阳还能持续照耀我们50亿年以上，对于地球上万物生灵代代相传，真是日久天长啊！

太阳具有强大的引力，是控制太阳系中天体运动的主要力量源泉。其中九大行星有序地自西向东绕太阳运动。太阳至地球的平均距离为149，597，870公里（1976年国际天文学联合会规定为一个天文单位）。肉眼看到的表面层称为光球，光球上面的一层称为色球，最外层称为日冕，这几层组成太阳的大气。太阳视半径的平均值为16′（从地球上观测）。太阳上出现的斑点称为黑子，它对地面上的气候、磁场等均有影响。我国对黑子的记载最早，如汉代?淮南子2精神训

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?：“日中有踆乌”，踆乌即黑子。欧洲到十七世纪才明确认识到太阳黑子。太阳也在自转，其周期在日面赤道带约25天，越近两极越长（两极区为35天）。

2．九大行星

按照一定轨道绕着恒星运转的星球，称为行星。行星本身不发光，太阳系中已知有九大行星和许多小行星（目前已发现的小行星有1600多颗）。由于行星同地球一起绕太阳运转，使得它们在星空上的视位置变化较快。九大行星在各自的轨道绕太阳自西向东旋转，其中水星离太阳最近，依次是金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星。按行星轨道位置分类：水星和金星位于地球轨道内侧称为地内行星，其余的行星均位于地球轨道外侧，称为地外行星。按构成行星物质分类：与地球一样具有岩石圈的水星、金星、火星。称为类地行星，木星与土星的表面都流动液态氢海洋，称为类木行星。木星和土星亦可称为巨行星。

①水星（Mercury）是太阳系九大行星中距离太阳最近的一颗行星，直径4872公里，质量0.3331024千克，在九大行星中排行到数第二。水星至太阳的距离0.583108公里（0.39天文单位）。水星上没有大气层，昼夜温差很大，白天经太阳暴晒后，表面温度可达500℃以上，夜晚热量很快散失，地表温度可降到零下170℃。水星公转周期88天，自转周期59天。它的自转方向与公转方向相同，据计算，水星上的一昼夜为176天，白天和黑夜各88天，那么水星上的“一天”就相当于水星上的“两年”，从地球上看水星，它略带红色，在星空中是一颗亮星。由于水星离太阳最近，明亮的阳光常常淹没水星的身影，所以肉眼很难看到。

②金星(Venus)直径12105公里，质量4.86831024千克。金星至太阳的距离1.083108公里（0.72天文单位）。金星的体积、质量都和地球相近，它也有大气层。人类为了探询金星是否存在生命，向金星发射了行星探测器，证明金星的大气中有一层又热又浓又厚硫酸云层。大气的主要成分是二氧化碳，占97%。金星大气层形成了全球性的“大温室”效应，地面温度在480摄氏度以上。显然，在这样的环境中，生命是难以存在的。金星公转周期225天，自转周期243天。由于它的自转方向与公转方向相反，所以在金星上看到的太阳是西升东落。金星的逆向自转，使得金星上的一昼夜比它自转一周的时间要短得多。据计算，金星上的一昼夜为117天，白昼和黑夜各为59天。金星上的“一年”大约只有“两天”。金星离太阳较近，一般只能在清辰或黄昏才能看见，人们称它为晨星或昏星。金星是天空中除太阳和月亮以外最亮的星，星等可达-4.4。金星在东西距角附近时，在晴朗的白天有时也可看见，甚至用天文望远镜可观测到金星的盈亏现象。

③地球(Earth)在九大行星中，按离太阳近远的顺序排行，地球是第三，地球至太阳的距离1.49603108公里（一个天文单位）；论大小，地球在太阳系大家庭中排列第五，它的直径12756公里，质量

5.97431024千克，全球5.1亿平方公里的表面积中，有70.8%为辽阔的海洋所覆盖，陆地和岛屿仅占29.2%。地球被一层厚厚的大气圈所包围，它的主要成分是氮气和氧气。按含量来分，氮占75%，氧占23%，其他惰性气体约占2%。地球上的“温室”效应很低，地面平均气温15摄氏度左右。地球公转周期365.26天，自转周期23小时56分。地球的自转产生了地球上的昼夜交替；地球的公转产生了星空的变化。地球自转轴与地球公转轨道面不垂直，夹角66°33′，产生了地球上的四季变化和地球五带（热带，南、北温带，南、北寒带）的划分。在太阳系的九大行星中，地球即是普通的一员，又是一颗极不平凡的星球。地球上有浩瀚的海洋、广袤的

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森林、洁白的雪花、温暖的阳光、可爱的动物、聪慧的人类......构成了一幅多么美妙的实景画面啊！在太空,由我们中国太空第一人杨立伟拍摄的地球画面，地球是一个极其秀丽的蓝色星球。地球上无与伦比的优越条件，是其他行星不具备的。所以人类一定要万分地珍惜、爱护地球——目前唯一的人间伊甸园。

④火星（Mars）又称小地球。火星比地球小得多，它的直径6786公里，体积只有地球的15%，质量0.64231024千克,只有地球的11%。火星位于地球的外侧，它绕太阳平均轨道半径2.283108公里（1.52天文单位）。用肉眼观测，火星呈火红色。火星公转周期687天，自转周期24小时37分。火星上看到的太阳也是东升西落。火星上也有大气，但极为稀薄，其中95%是二氧化碳，还有少量的氮气和氩气等。火星上有很强的“温室”效应。火星白天最高温度可达28摄氏度，而夜间即可降到零下132摄氏度。人类发射的飞船已成功地登上了火星，证明火星表面只是干燥、荒凉、寂寞、寒冷的旷野。到目前为止，还没有发现火星上有任何生命存在形式。尽管如此，人类对探索和研究的所有的星体中，只有火星最有可能是人类移居的星球。

⑤木星(Jupiter)堪称太阳系九大行星老大，其直径143760公里，它的体积是地球的1300多倍；质量1899.36231024千克，质量是地球的318倍，是其余八大行星质量之和的2.47倍。天文学上把木星这类巨大的行星称为“巨行星”，西方把它称为天神“宙斯”，我国称它为“岁星”。它的轨道半径7.783108公里（5.20天文单位），木星绕太阳公转一周约需12年时间，因此，几乎每年地球都有一次机会位于太阳和木星之间。在这些日子里，太阳落山时，木星正好升起，人们整夜都可见到它。木星轨道外的其它行星也有这一特征。木星与太阳此升彼降的现象每年推后约一个月。木星自转周期9小时50分，是九大行星中自转最快的。它呈明显的扁球状，赤道直径与两极直径之比100:93。自1973年以来，美国发射的“先驱者”10号等宇宙飞船相继飞往木星，观测资料表明，木星是一个流体行星，它的表面是一个高温高压的液态氢海洋，深度达5万多公里。木星大气主要由氢和氦组成，有1000多公里厚。目前发现木星共有16颗卫星，它们与具有强大引力的木星的组成类似一个小太阳系。1994年7月17日～22日，苏梅克2利维彗星猛烈撞击木星，在人类有史以来是空前严重的太阳系天体撞击事件。天文学者提前一年对此作了预报。

⑥土星(Saturn)是九大行星中仅次于木星的另一颗巨行星，其直径120417公里，体积是地球的745倍；质量568.61131024千克，是地球的95倍。土星至太阳的距离14.273108公里（9.54天文单位）。土星的赤道直径与两极直径之比为100:90，是太阳系中最扁的一颗行星。土星有一个美丽的光环，厚度仅20公里、宽度却有20万公里，由无数的小石块和小冰块组成。土星作为太阳系中第二号巨行星，土星有不少地方与木星相似，土星也是一个没有大陆的流动液态氢的汪洋世界，土星浓密的大气层主要由氢和氦组成。土星的密度只有水的70%，如果宇宙有一个海洋，土星就可以漂浮在海面上，而其他行星则将沉入海底。土星公转周期29年，自转周期10小时14分。土星有多达23颗卫星围绕它旋转，其中土卫六是太阳系中第二颗大卫星，直径5150公里，比月球的直径还大1674公里,是冥王星直径的两倍多。

⑦天王星(Uranus)是人类在太阳系中发现的第一颗新行星。在此之前，人们只知道太阳系中有水、金、地球、火、木、土六颗行星。1781年3月13日晚，恒星天文学之父——赫歇尔用自制的大

望远镜发现了天王星。这一发现，使人类第一次突破了太阳系以土星为界的范围，在天文学上具有深远的意义。天王星也是一个大行星，它的直径52300公里，体积是地球的60多倍。质量86.808天津理工

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31024千克，是地球的14.5倍。至太阳的距离28.713108公里（19.19天文单位）。由于距离太阳十分遥远，所以它从太阳得到的热量极其微弱。据测算，天王星的表面温度在零下200摄氏度以下。天王星的自转周期为15.5小时，公转周期84年。天王星奇特之处，它是躺着自转绕太阳公转的，赤道面与轨道面近于垂直。在“夏季”和“冬季”，天王星的自转轴朝着太阳，“夏季”天天是白昼，“冬季”天天是极夜。在“春季”和“秋季”，天王星上有了白天和黑夜之分。不过，愈靠近两极，有昼夜变化的年月就愈短。天王星有15颗卫星。

⑧海王星(Neptune)是经过天文学家们大胆地假设、复杂缜密地计算，在理论预告的位置上发现的。作为太阳系九大行星之一，海王星只是一颗普通的行星，直径49493公里，质量102.36431024千克。与太阳的平均距离44.973108公里（30.06个天文单位）。它的公转周期约为165年，自转周期19小时12分。海王星距离太阳遥远，接受到的光和热很少，因而它的表面又暗又冷，温度在零下200摄氏度以下。海王星大气层主要是氢，颜色呈淡绿色。海王星有8颗卫星环绕，其中海卫一体积比月球还大且顺行，海卫二很小（直径400公里）且逆行。

⑨冥王星(Pluto)是九大行星中最小、距离最远的一颗行星。它的直径2551公里，比月球还小。质量0.01331024千克。质量仅为月球的六之一。它的公转周期248年，自转周期6天9小时。与太阳的平均距离约59.143108公里(39.53天文单位)，太阳的光线需跑过约5个半小时才能抵达冥王星。因此冥王星是一个十分阴冷黑暗的世界，冥王星的名字就取自罗马神话“地狱”里的“阎罗王”神的名称。冥王星绕太阳公转轨道的偏心率比其他行星都大，远日距离与近日距离之比约3:2。冥王星在近日点附近，它的轨道在海王星轨道之内，距离太阳比海王星还近。由于两个轨道面不相合，因此不会两星碰撞。冥王星有一颗卫星，冥卫一的公转周期与冥王星的自转周期相同，都是6天9小时，它是迄今为止人们所知道的唯一的天然同步卫星。那么，冥王星是不是太阳系的尽头呢？有没有第十大行星？还需人类更深入地探测。

3．月亮

月亮(moon)是地球唯一的天然卫星，不发光的固态天体。它的直径3476公里，是地球直径的四分之一，月亮的平均视半径约16′。与地球的平均距离384400公里(1.28光秒)，是距离地球最近的自然天体。月球本身不发光，我们看见的月光是它反射太阳的光，且有盈亏现象。月球的体积只有地球的四十八分之一，面积与亚洲面积差不多，质量为地球的八十一分之一，密度为地球的五分之一，重力是地球的六分之一。月亮的引朝力是太阳引朝力的2.17倍，因此地球上的潮汐现象主要随月亮的运动规律而变化。由于月亮的自转方向和周期与它的公转方向和周期相同，都是自西向东和27.32天，所以月亮总是以同一半球面对着地球，另一半球则永远背着地球。月亮上没有大气、水分和磁场。表面温差很大，太阳照到的一面，温度高达130摄氏度，而太阳照不到的一面温度低至零下180摄氏度。1969年7月21日（北京时间），美国宇航员阿姆斯特朗和奥尔德林乘坐的“阿波罗11号”宇宙飞船，在经过三天三小时五十分的飞行后，终于第一次成功地登上了月球，从此开辟了人类航天史上的新纪元。经多次考察表明，月球上没有生物。月球上的物质组成与地球很相似，月岩中含有铝、铁、钛、镁等诸多元素，可以相信在二十一世纪，人类一定会重返月球，开发月球资源，为全人类造福。

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第 4 周，第3 次课章节名称：第二讲宇宙概观

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思考题2.2

1.简述太阳的主要尺度?

2.目前太阳正处于恒星发展的哪个阶段?

3.何谓天文单位？

4.行星的主要特征是什么?

5.为什么水星上的“一天”就相当于水星上的“两年”?

6.为什么金星上的“一年”大约只有“两天”?

7.为什么地球是太阳系中目前唯一适宜生命繁衍的星球?

8.为什么只有火星最有可能是人类移居的星球?

9.作为九大行星中巨行星的代表木星主要特征是什么? 通过苏梅克2利维彗星猛烈撞击木星的事件,你有什么启示?

10.土星美丽的光环由什么组成?

11.天王星绕太阳公转有什么奇特之处,且画出天王星绕太阳公转的轨迹?

12.海王星的发现为什么被人们誉为科学预见的光辉典范?

13.冥王星的轨道穿越海王星的轨道,那么两星会碰撞吗?

14.从冥王星上观测太阳的视半径是多少?

15.简述月亮的主要尺度？

16.从月亮上看地球的视半径是多少？

17.人类重返月球有什么意义?

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第 5 周，第 4 次课章节名称：第二讲宇宙概观

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第二节恒星世界

德国著名哲学家伊曼努尔2康德在1788年其名著《实践理性批判》有一段名言“世界上有两件东西能够深深地震撼人们的心灵，一件是我们心中崇高的道德准则，另一件是我们头顶上灿烂的星空”。时光流逝200多年，至今都在启迪人类纯洁的灵魂。在漫长的人生旅途中，岁月沧桑，一切都在变化。惟有仰望星空，灿烂的日月星辰始终向我们展示它那和谐、恬静而又神秘的宇宙画面，令人心驰神往、净化心灵，感悟真正的永恒、忠诚。

星移斗转、日月轮回，目视辨认恒星，认识整个星空，在航海、航空、航天等多领域有着重要实用价值。还可以增加日常生活中的无穷乐趣。目视认星的办法，一是先识别具有某种特殊形状且容易辨认的星座及其明亮的恒星，再从几个明亮恒星间的相互位置（几何图形）关系去寻找其它星座的星体；二是根据恒星的颜色、亮度来辨认。

1．星座与星名

为了认识恒星，把分布在天球上肉眼能看到的恒星，按照它们排列的形状，分为若干星群或区域，称为星座(constellation)。每一个星座多按想象形态，取古代希腊神话中的人物，禽兽或物品等名称，如猎户、狮子、天琴座等而命名，称为星名(star name)。南天的一些星座是17世纪环球航海以后才取名的，所以出现了一些科学技术名词。如显微镜、六分仪、罗盘、望远镜等。恒星的命名有几种做法，最通用的是，星座中每一恒星按照亮度在星座名称后面按次序附以希腊字母或数字，最亮的是α，其次是β，再次是γ等等。如大熊座α星、仙女座β星。较亮的星还有专名，如天琴座α星，专名叫织女一（Vega）、牧夫座α星，专名叫大角（Arcturus）、大犬座α星，专名天狼（Sirius）。希腊字母不够用则以阿拉伯数字编排，如天鹅座61星、天兔座27星。有极少数例外，因为有些是变星，有些则是当时星等测量有误。如双子座β星（北河三）比双子座α星（北河二）要亮，因为北河三星等为 1.2,而北

河二是双星,星等分别为2.0、2.8。此外，则用它所在星表的简称和星号来命名，如GC2504、BD+35°3930等。GC代表美国总星表，BD代表德国波恩天图星表。星表简称后面的数据是某星在该星表中的编号。+35°表示该星北赤纬35°。我国是世界上最早绘制星图的国家，我们的祖先根据太阳视运动的黄道带（zodiac），赤经每30°划分为一宫，共分为黄道十二宫（zodiacal signs）。按宫序为白羊(Aries)、金牛(Taurus)、双子(Gemini)、巨蟹(Cancer)、狮子(Leo)、室女(Virgo)、天秤(Libra)、天蝎(Scorpio)、人马(Sagittarius)、摩羯(Capricornus)、宝瓶(Aquarius)和双鱼(Pisces)。在1928年国际天文会议上，规定将全天星空统一划分为88个星座，并以子午圈和赤纬圈构成划分出互相衔接的星座的边界线。凡在这个区域内的恒星皆属于该星座。如牧夫座、大熊座、天鹰座等等。在88个星座中，北天星座有29个，南天星座有47个，黄道星座有12个，在天津地区可以看到60多个星座。

2．全天最亮的21颗

即21颗一等或一等以上的恒星，按亮度从大到小依次排列为：1.天狼（大犬座α）星等-1.6；2.老人（船底座α）-0.9；3.南门二（半人马座α）三合星0.3——1.7；4.大角（牧夫座α）0.1；5.织女（天琴座α）0.1；6.参宿四（猎户座α）变星0.1——1.2；7.五车二（御夫座α）0.2；8.参宿七（猎户座β）0.3；9.南河三（小犬座α）0.5；10.水委一（波江座α）0.6；11.马腹一（半人马座β）0.9；

12.河鼓二（天鹰座α）0.9；13.毕宿五（金牛座α）1.1；14.十字天津理工大学本科教学教案

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架二（南十字座α）1.2；15.心宿二（天蝎座α）1.2；16.角宿一（室女座α）1.2；17.北河三

（双子座β）1.2；18.北落狮门（南鱼座α）1.3；19.十字架三（南十字座β）1.3；20.天津四（天鹅座α）1.3；21.轩辕十四（狮子座α）1.3。

3．四季星空

晴朗夜间所看到的星罗棋布的天空，称为星空(starry sky)。由于太阳周年视运动和天体周日视运动的缘故，在不同季节里相同时间内所见到的星空也不一样，人们把每季度内各月份夜间所看到的2100颗左右那一部分星空，即与太阳赤经相差180°附近的星空，称为该季度星空。

思考题2.3

1.何谓星座？

2.简述恒星的几种命名方法？

3.何谓全天最亮的21颗恒星?

4.何谓星空?

5.何谓黄道十二宫?

一、春季星空

春分前后全夜所见到的是以大熊座—狮子座—室女座—南十字座为中心的星空。见图5-4-1 “春季星空图”。辨认恒星时，举起星图，把图面朝下，使图上的北极星与天空的北极星一致。便可按星图认星。

（1）大熊座：在天北极附近，由七颗亮星组成象水杓状的星座，称为大熊星座，简称大熊座，俗称北斗。杓口由大熊座α（天枢）星等2.0、β（天璇）2.4、γ（天玑）2.5、δ（天权）3.4四星组成。斗柄由大熊ε（玉衡）1.7、δ（开阳）2.4和ε（摇光）1.9三星组成。北斗七星中，“玉衡”最亮，亮度几乎接近一等星（星等1.7）。“天权”最暗，是三等星，其余五颗都是二等星。在“开阳”附近有一颗很小的伴星，叫“辅”，它一向以美丽、清晰的外貌引起人们的注意。古代阿拉伯人征兵时，把它当做测验士兵视力的“试验星”。从“天璇”(Merak)通过“天枢”(Dubhe)向外延伸一条直线，大约延长5倍多些，就可见到一颗和北斗七星差不多的星星，这就是北极星（Polaris）。北极星是二等星，北极星的方向，就是地球的正北方。大熊星座是北天极区最亮、最重要的星座，在北纬41度以北地区，终年可见大熊星座围绕北极星旋转而不隐没。大熊星座是我国人民非常熟悉的星座，早在周朝的典籍中就载有“斗柄指东，天下皆春；斗柄指南，天下皆夏；斗柄指西，天下皆秋；斗柄指北，天下皆冬”。这说明我国劳动人民很早就注意观察北斗七星斗柄的指向来判断季节的交替。

（2）小熊座：北极星是小熊座α星(Polaris)，星等 2.1。小熊座和大熊座形状相似，也由七星组成，俗称小北斗。小熊座比大熊座小些，北极星在斗柄的末端，略带黄色，小熊座其余各星较暗，均为

三、四等星。杓柄的弯曲方向与北斗七星相反，杓口与大熊座的斗口相对。

（3）狮子座：由大熊座α、β星连线向南延伸，大约在这两星距离的七倍处，便可找到一形状象卧伏的狮子，称为狮子座。大熊座α、β二星连线向南正好拦腰通过狮子座中部。其中，西边的六颗星组成反写的问号“？”，这就是狮子的头部和前爪。其中最南面、在问号的一点上，一颗最亮、呈蓝白色，是狮子座α星，也是这个星座中唯一的一颗一等星，专名叫轩辕十四

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（Regulus），星等为 1.3。由于轩辕十四位于黄道上被中外称为“春星之王”。靠东边的另外三颗星，构成一直角三角形，最东面的淡橙黄色二等星是狮子座β星，专名五帝座一（Danebola），星等 2.2，它是狮子的尾部。春季星空的中央线（秋分点赤经）就在这附近通过，将狮子座两颗亮星和连线向东延长便可找到牧夫座α星（大角），向西延长则可找到冬季的小犬座α星（南河三）。

（4）牧夫座顺大熊座的斗柄南延，或连接狮子座α和β星向东延长至该两星间的距离1.5倍处，有一颗橙白色的一等星，即牧夫座α星，专名大角（Arcturus）。大角星是北天一颗著名的亮星，呈橙黄色，星等0.1，属于一等星，它的亮度为全天第四。被称为春夜第一亮星。

（5）室女座沿着北斗星的斗柄弧形，经过大角继续延伸大约相同的距离，可见一颗蓝白色的亮星，是室女座α星，专名角宿一（Spica），星等1.2，属一等星。连接角宿一，大角和五帝一座构成一个大等边三角形。室女座和狮子座都在黄道上，若把狮子座α星（轩辕十四）和室女座α星（角宿一）连接起来，便可看出黄道的大致走向。在室女座西南方附近有四颗三等星构成的船帆状的四边形，是乌鸦座

（Corvus），其帆桁指向室女座α星（角宿一）。

（6）长蛇座连接狮子座γ星和α星向西南方向延长至该两星间距离的两倍半处，可看到一颗天津理

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二等星，它是长蛇座α星，专名星宿一(Alphard)，星等2.2。

（7）南十字座在室女座α星的正南偏西，距室女座α星与大角星间的角距约1.5倍处，可见到有四颗较亮的星，连接其对角线，象一个十字，称南十字座。最南的一颗呈蓝色的一等亮星，叫南十字座α星，专名十字架二（Acrux），星等1.2。在它东面的一颗蓝色一等星为南十字架座β星，专名十字架三（Mimosa），星等1.3。靠北的γ星为十字架一（Gacrux），是颗二等星，星等1.6。西面的δ星为十字架四，是三等星，星等3.1。南十字架座是南天极附近最著名、最小的星座，很容易辨认。它在南半球如同北斗星在北半球一样重要，为过往的舰船、飞机、行人指引方向。其中十字架二是最南的亮星，称为近南极星。澳大利亚、新西兰等南半球国家的国旗，都以南十字星座为基本标志，可见它的意义的重要。

（8）半人马座紧挨南十字座的东面，有两颗并列的一等星，便是半人马座。东面的一颗为半人马座α星，专名南门二（Rigil Kent）。南门二是一颗三合星。在恒星世界中，南门二离太阳最近。距离我们有40万亿公里即4.26光年。因此,天文学家称它“比邻星”。西面的一颗为半人马座β星，专名马腹一（Hadar），呈蓝白色，最亮时星等可达0.6。半人马座和南十字星座只有在北纬23度以南的地区，才有可能看到它。

思考题2.4

1. 画出春季星空图并说明辨认恒星的方法？

2. 何谓“试验星”，且说明它的名称、位置、星等？

3. 何谓“春星之王”、“春夜第一亮星”，且说明它们的名称、位置、星等？

4. 如何识别北极星？

5. 何谓“近南极星”、“比邻星”且说明它们的名称、位置、星等？

二、夏季星空

夏至前后，全夜所见到的是以天琴座——天鹅座——天鹰座——天蝎座为中心的星空，见图5-4-2 “夏季星空图”。

（1）天鹅座：从北极星向东南方向，可见一条白茫茫的轻纱般的银河（Milky Way）由东北向西南奔泻而下，在银河的北段，有五颗星组成一个漂亮的大十字形星座，形如天鹅，称为天鹅座。它与初夏南天的南十字座遥遥相对，因而人们又称之为“北天十字架”，较短的横轴可以看作天鹅的两翼，横跨银河，较长的轴可以看作鹅身，天鹅座居银河上。其中北侧的一颗亮星（长轴顶端）是天鹅座α星，专名天津四（Deneb）。我国古代把天鹅的身子看作一只渡船，因而有“天津”的名字。天津四呈白色，星等1.3。它距离我们大约1700光年，是全天最亮的恒星中距离我们最远的一颗。它的直径是太阳直径的100多倍，质量是太阳的22倍，发光本领比太阳强10万多倍，是恒星中名副其实的“超级巨人”。大约再经过8000年，天津四将成为北极星。

(2)天琴座：天琴座是夏夜星空中一个美丽的小星座。它是“夏季大三角”的一个组成部分。在天鹅座附近，银河的西北边有一颗银白色的亮星，这就是人们所熟悉的织女星，即天琴座α星，专名织女（Vega）。它是夏夜星空中最著名的亮星之一。在西方称为“夏夜的女王”。在我国牛郎织女每年的七月初七跨过由喜鹊搭的桥相聚的神话故事家喻户晓。织女星旁边有四颗星组成的小平行四边形，人们传说这是织女用来织布的梭子，我们可以把它作为辨认织女星的标志。织女星

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的直径是太阳直径的3.2倍，体积为太阳的33倍，表面温度为8900摄氏度，呈青白色，星等0.1。它是北半球天空中三颗最亮的恒星之一，距离地球大约26光年。织女星有较高的北赤纬，在北方地区，夏季常可以看见它傍晚时在西边，而次日早晨它又已经从东方升起了。13000年后织女将成为北极星。

（3）天鹰座：与织女星遥遥相对，在织女星的东南方向，银河的东边的一颗呈黄色亮星，就是民

间称为牛郎星的天鹰座α星，专名河鼓二（Altair），俗称“牛郎星”，是夏季夜空中十分著名的亮星。牛郎星距离地球大约16光年，星等0.9。我国民间把牛郎星和它“一”字形排列的二颗小星叫扁担星，好似牛郎挑着他的两个小孩，这是识别牛郎星的极好标志。连接天琴座α星（织女一），天鹰座α星（河鼓二）和天鹅座α星（天津四），构成一个巨大的直角三角形，这就是著名的“夏季大三角形”，织女星位于直角顶端处，牛郎星位于大三角形的南端。这三颗星的位置关系，恰如民间歌谣中称：“牛郎东，织女西，天鹅就在河中飞”。

（4）蛇夫座是连接天鹅座α星和β星向西南方向伸延，与河鼓二、织女组成近似的等腰三角形的一颗二等星，星等2.1，即为蛇夫座α星，专名侯（Rasalhague）。

（5）天蝎座：顺看天鹅飞来的方向，在银河的南段，由一颗一等亮星——天蝎α星（心宿二）、5颗二等星和10颗三等星蜿蜒排列着一个形状象横写的“S”形的星座，这就是天蝎座。天蝎座是著名的夏季星座，在整个夏季天蝎座雄距在黄昏的南天夜空中，十分醒目。西边有三颗星构成蝎子头部，居中最亮的一颗星是天蝎座α星，专名心宿二，呈火红色，星等1.2，是全天最红的恒星。在希腊语中称它为“火星之敌”。我国古代，把心宿二称为“火”或“大火”。专门设置人员观测确定季节。如《尧典》中说：“日永星火，以正仲夏”。意思是说，在白天长的时候，黄昏时，大火在南天空，就知道夏历五月到了。每年从夏到秋，心宿二在黄昏后的星空中逐渐西沉，于是“大火西流”便表示秋季的到来。东南方一串弯曲地排列的星，恰似蝎子带刺的尾巴，天蝎座是夏季南方天空整夜能见到的最显著的星座。连接天蝎座α星（心宿二）和春季星空中的牧夫座α星（大角）以及室女座α星（角宿一）是一个特别巨大的直角三角形，直角顶端在室女座α星（角宿一）处。

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（6）人马座在天蝎座尾部东北面银河中最明亮处，闪烁着一群几乎与天蝎座尾部相连接的星，这是人马座。夏季星空的中央（赤经）线就在天蝎尾与人马座之间通过，人马座无明显的亮星，只有人马座ζ星，专名斗宿四（Nunki）,星等2.1。还有人马座ε星，专名箕宿三（Kaus Australis）,星等2.0。

（7）南三角座在天蝎座头部的正南方，也在半人马座并列两巨星南门二和马腹一的东南方，有三颗星组成小直角三角形，叫南三角座。其中靠东面较亮的星是南三角座α星，专名三角形三，星等1.9。是夏季星空中最靠南的亮星，它也是整个星空中最靠近南天极的两颗二等星之一。另一颗是冬季星空船底座β星（南船五）。

（8）北冕座连接牧夫座α星（大角）和天琴座α星（织女一）的直线上，有一个马蹄形小星座，很象一顶皇冠，叫北冕座。居中的一颗是北冕座α星，专名贯索四，星等 2.3，是一颗二等星。图5-4-2

思考题2.5

1.画出夏季星空图并说明辨认恒星的方法？

2.何谓“北天十字架”？

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3.何谓“夏夜女王”，且说明它的名称、位置、星等？

4. 何谓“夏季大三角”？

4.何谓“大火西流”？

6. 8000年后、13000年后谁将成为北极星？

三、秋季星空

秋分前后，全夜所见到的是以仙后座——飞马座——南鱼座——波江座为中心的星空。见图5-4-3“秋季星空图”。

（1）飞马座和仙女座（Andromeda）在夏季星空天鹰座的东侧，可找到一个大正方形，是由飞马座α、β、γ和仙女座α四星组成，亦称“方座”，它是秋季星空的中心。仙女座α（壁宿二）在东北角上。由方座西侧两星α、β连线向北延伸可指向北极星，由方座东侧两星即仙女座α星和飞马座γ星向南延伸约一倍处，差不多就是春分点（Υ）的位置，此二星靠近赤经等于0°的时圈（2）南鱼座由方座西侧两星β、α连线向南延伸约3.5倍处，有一颗红色一等亮星，星等

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1.3，这就是南鱼座α星，专名北落师门（Fomalhaut）在南鱼座α星附近宽阔的天空中没有其它一等亮星了，因而这颗星极易辨认。航海者经常用它来定位，它与另外八颗常用亮星共称“航海九星”。其余八颗星是：天鹰座α星（河鼓二）、天蝎座α星（心宿二）、室女座α星（角宿一）、狮子座α星（轩辕十四）、小犬座α星（南河三）、金牛座α星（毕宿五）、白羊座α星（娄宿三）、飞马座α星（室宿一）。这九颗星的赤纬都不超过南北30°，而且每两颗星之间的赤经间隔都约为3小时左右，在全球除两极附近外，各个大洋上都能观测到这九颗星。

（3）鲸鱼座由方座东侧的仙女座α星和飞马座γ两星连线向南，在春分点附近越过天赤道，约在距边长2.5倍处，是一颗半空中唯一亮星鲸鱼座β星，专名土司空，星等2.2,是一颗二等星。

（4）波江座和船底座（Carina）由飞马座找到南鱼座α星（北落师门）后，向东南引一直线可指向波江座α星，专名水委一（Achernar）。再往东南继续延伸便是星空中第二颗最亮的恒星，船底座α星，专名老人（Canopus）。呈青色，星等-0.9。水委一和老人在南天球赤纬50°以上，北纬30°以南的地方才能见到它们。

（5）仙后座由方座东侧两星向北延伸，可找到由五颗亮度几乎相同的连成一个不规则的“W”或“M”字形的星座，这就是仙后座。它与北极星为准，与大熊座遥遥相对，在天空中甚为显著。仙后座西侧的β、α、γ三星所构成的角平分线可指向北极星（三星均是二等星）。仙后座的赤经与大熊座相差将近12小时，当看不到大熊星座时，也是识别北极星的好方法。这个星座的重要性在于它接近北极星，对于中北纬以上的地区来说，它是拱极星。

（6）白羊座连接方座北侧两星向东延伸，在不远处有两颗并列的星，靠北的一颗是二等星白羊座α星，专名娄宿三(Hanal)，星等 2.2。靠南的一颗是三等星白羊座β星，专名娄宿一(Sheratan)，星等2.7。

（7）凤凰座是由鲸鱼座α星向南延伸，有一颗二等星，便是凤凰座α星，专名火鸟六，星等2.4。它与土司空和北落师门组成一等腰三角形。其顶点在土司空。

（8）天鹤座是在南鱼座的南面，有一颗二等星，即天鹤座α星，专名天鹤一。它与凤凰座α星和南鱼座α星构成一个近似正三角形。

思考题2.6

1. 画出秋季星空图并说明辨认恒星的方法？

2. 何谓“方座”？

3. 何谓“航海九星”？

4. 何谓“拱极星”？

四、冬季星空

冬至前后，全夜所见到的是以猎户座——御夫座——大犬座——船底座为中心的星空。见图5-4-4 “冬季星空图”。冬季星空是亮星最多的季节，包括8颗一等星和19颗二等星。

（1）猎户座面向南方，可以见到由七颗亮星组成的猎户座。猎户座横跨天赤道南北，其中四颗亮星组成一个大的四边形，其余三颗小星紧排于四边形的中央，俗称三星，像猎人的腰带，靠西边的猎户座δ（参宿三）就位于天赤道。星座东北角的一颗红色一等星是猎户座α星，专名

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参宿四（Betlgeuse）,西南的白色一等星是猎户座β星，专名参宿七（Rigel）。猎户座是全天88个星座中最华丽、最明亮的星座。它拥有两颗一等星，5颗二等星，3颗三等星，和15颗四等星。可谓明星的荟萃之地。

（2）金牛座沿猎户座中的三颗小星向西北方向延伸，可看到组成拉丁字母V形状的星座，便是金牛座。其中有一颗橙红色的一等星是金牛座α星，专名毕宿五（Aldebaran），是黄道中最亮的一颗恒星，星等 1.1。继续延伸可指向淡蓝色星群，叫昂星团（Pleiades），俗称七姐妹（seven sisters），是识别金牛座的明显标志。

（3）大犬座大犬座是南天的一个小星座，但因星座中有一颗全天最亮的恒星天狼星，所以十分引人注目。沿猎户座三星向东南方向延长，便可见到一颗清白色的亮星，这就是著名的大犬座α星，专名天狼，星等-1.6。它是全天最亮的恒星。大犬座ε星，专名弧矢七，亮度如一等星，星等1.6。大犬座内共有122颗六等星以上的恒星。

（4）小犬座在大犬座北面、猎户座的，有一颗一等星，便是小犬座α星，专名南河三（Procyon）。它与大犬座α星、猎户座α星组成一个巨大的等边三角形，十分醒目地挂在冬季的夜空中，这就是著名的“冬季大三角形”。