天文学导论复习资料

第一讲天文学导论●古希腊天文学：毕达哥拉斯，亚里斯多德（地球中心学说），托勒密的地球中心学说天文学的发展期：哥白尼、第谷、开普勒和伽利略牛顿的万有引力定律爱因斯坦的相对论●开普勒第一定律：（轨道形状）所有行星皆以椭圆轨道环绕太阳运行，而太阳位于椭圆的一个焦点上●开普勒第二定律：（行星速度）行星和太阳的（假想）连线在相同的时间内扫过相等的面积。

行星越接近太阳则运行速度越快近日点，运动最快远日点，运动最慢●开普勒第三定律：（轨道周期）行星公转周期的平方和其到太阳的平均距离的立方成正比(公转周期)2 = (常数) x (平均距离)3第二讲天体的视运动●月相与食无关天体的视运动月全食时月亮变为黄铜色或血红色，这是由于地球大气中的尘埃颗粒折射阳光中的红光并到达月球所致●内行星：水星，金星外行星：火星、木星、土星、天王星和海王星●头顶的星空取决于你在地球表面上的位置和当地时间●北京时间正午12点（东经120度）时，北京地方时（东经116.5度）即太阳时为11点46分，所以此时北京的太阳在子午线以东约3.5度，再过约14分钟北京“真”正午●南北天极：不变的参考点北天极：北极星南天极：南十字座●天赤道：不变的参考点所有恒星沿与天赤道平行的路径由东向西运动（圆弧轨迹在地球两极，天赤道=地平线●天顶、地平线和子午线：本地参考系天顶和子午线的位置不随观测者的地平线移动相对于星星来讲，天顶和子午线的位置在变天体的运行（圆弧）轨迹与地平面的夹角为：90 度-观测者所在地理位置的纬度（=天赤道与地面夹角）●在北极：所有星星沿与地平面平行的圆轨迹运行，从不下落赤道上：所有星垂直于地平面升起和下落“可见所有星”●太阳在天球上的视运动轨迹称为黄道●太阳日=24小时：太阳连续两次到达子午线的时间恒星日=23小时56分：恒星连续两次到达子午线的时间恒星日是地球真实的自转周期，不随其绕太阳公转而变化，均为23小时56分●月球回到原处（相对于恒星）的周期约为27.323 天，此为恒星周期●两个天体之间的距离常用它们与观测者之间的夹角表示，即角距●北京：东经116度22分；北纬39度58分本初子午线：格林尼治天文台●把地球的经度、纬度投影到天球上便成为天球的赤道坐标系赤纬：从天赤道开始至两极Dec [–90，90] 度赤经：用小时、分和秒的时间单位来表示，并由西向东由0增加到24小时赤经的计算起点为春分点，在天赤道上由西向东分为24小时地球“24小时”自转一周360度赤经1小时对应地球自转15度▪对于赤经相差1小时的两颗恒星，例如，RA2-RA1= +1小时：•恒星1比恒星2早1小时通过你的子午线（上中天）•如果不是拱极星，恒星1比恒星2早1小时从东方升起●某地某时刻的恒星时等于此时此刻位于子午线上的恒星的赤经（天球上与子午线重合的赤经）赤经小于地方恒星时的恒星位于子午线以西赤经大于地方恒星时的恒星位于子午线以东●一颗恒星的时角τ、赤经α和当地的恒星时θ之间的关系为τ= θ−ατ< 0, 在子午线以东（α> θ）τ> 0, 在子午线以西（α< θ）第三讲辐射与天文望远镜●黑体谱：连续谱的形状只与物体(恒星)的表面温度有关•其峰值波长（颜色）由其表面温度决定温度降低，黑体谱的峰值向长波方向移动•冷物体产生长波（低频）辐射•热物体产生短波（高频）辐射●辐射的平方反比定律：强度x 距离2 = 常数（恒星辐射能力）●关于天文望远镜的常见误解(wrong) 放大作用:大型望远镜把天体放得更大(Right) 聚光作用：使（暗弱）天体的图像更亮更清晰(wrong) 望远镜究竟可以看到多远的天体？只要一个物体足够亮，无论多远都可以看到(right) 望远镜可以看到多暗的天体？或望远镜可以看到几等星?只要一个物体足够暗，无论多近都看●光学望远镜的类型：折射式望远镜反射式望远镜第四讲太阳系(1) 行星●行星是一个具有如下性质的天体：（a）位于围绕太阳的轨道上，（b）有足够大的质量来克服固体应力以达到流体静力平衡的形状(近于球形)，以及（c）已经清空了其轨道附近的区域。

矮行星是一个具有如下性质的天体：（a）位于围绕太阳的轨道上，（b）有足够大的质量来克服固体应力以达到流体静力平衡的形状（近于球形），（c）还没有清空其轨道附近的区域，以及（d）不是一颗卫星。

其它所有围绕太阳运动（不是卫星）的天体被定义成“太阳系小天体”。

●气态巨（外）行星的大质量是由于其体积大，而不是由于其密度大内行星（岩石）是最致密的●内行星轨道基本上在同一平面内水星轨道面最扁与黄道面夹角最大(7度)●相对黄道面，冥王星轨道面倾斜很大（17度）●水星—铁质行星水星几乎没有大气●金星— 炼狱行星自转方向和其它行星相反自转轴没有倾斜，几乎和公转平面垂直，所以金星没有四季之分自转非常缓慢，恒星日=243天浓密大气与严重的温室效应金星的云和酸雨金星的表面光滑●地球—金锁轨道上的行星平均密度约为水的5.5倍，密度最大的行星●月面上较暗的部分称为月海maria, 滴水全无，只是远古时期月壳形成时凝固了的熔岩月面上较亮的部分称为山，其实不是山，而是由大量星际物质撞击月面时所形成的环形山（陨坑）（伽利略命名）月球无大气●火星—红色行星和地球一样，火星拥有极冠，但主要为固态的二氧化碳(干冰) 和少量水冰, 且夏消冬长火星年有680多天0.53倍地球半径虽然大气主要由二氧化碳组成，但是火星大气太稀薄，不能有效束缚太阳能，因此它的表面温度变化很大：-130°C -- 30°C。

由于火星距离太阳遥远，所以表面平均气温很低火星表面：火山和峡谷火星有两颗细小且不规则的天然卫星，较大一颗（火卫一）的直径仅27千米自转周期=公转周期。

极可能是俘获的小行星●木星—行星巨无霸太阳系内体积和质量最大的行星低密度木星主要成分▪主要成分为氢和氦(like Sun), 以及少量的甲烷和氨▪表面气压极大，超过地球的1000倍，以致木星的中心由金属相的氢组成（光）环系统也是四颗类木行星的共同特征木星有61个卫星●土星—有光环的“天神”▪在众多行星中，密度最低(0.7g/cm^3），比水轻，“水上漂”光环的厚度约1公里，主要由数毫米至数米的尘埃和冰块组成●天王星—躺着自转的行星与木星和土星不同，天王星的大气相对较为平静，因而缺乏表面特征，云带不显著天王星拥有岩石核心●海王星—最远的行星海王星的大黑斑第五讲太阳系(2) 矮行星、小天体与太阳系形成●谷神星：最大小行星，1号小行星阋神星: 最大矮行星●冥王星—“古怪的小家伙”冥王星的基本特征质量小于地球的1%，半径约1150千米，比月球（半径约1740千米）还小冥王星表面及其大气由氮组成，从其密度推断，它应有坚固的表面查戎和冥王星互为同步卫星查戎是整个太阳系已知惟一的天然同步卫星●小行星—“天上的灾星”(535000颗)小行星带：位于火星和木星轨道之间的一个“垃圾场”，距离太阳约2.8（2.0-3.3）AU特洛伊型小行星：和木星具有共同轨道的小行星群小行星带的基本特征▪轨道周期：3.2-6年▪由岩石与金属构成的块状小天体▪直径大于250千米的小行星不足20颗▪大部分形状不规则，非球形，●彗星—脏兮兮的雪球彗星的基本特征彗星和小行星具有共同的起源彗星质量~ 10-11地球质量，体积大，密度很低，因而是结构松散、多孔的天体彗星的结构慧核：彗星中心是一颗由凝固了的气体和尘埃组成的、直径小于10公里的细小彗核彗尾：彗尾永远是背着太阳的●太阳系知多少？▪行星椭圆轨道椭度轻微，几乎近似为圆轨道▪行星公转自西向东▪自转轴相对于轨道面的倾斜度小（金星和天王星是例外，可能碰撞引起）▪行星的化学成分不同，大致随到太阳的距离变化：内行星致密、富含金属，而外行星体积大、富含氢▪行星包含太阳系大约90%的角动量，但太阳却包含太阳系超过99%的质量●1. 星云坍缩：巨分子云裂变后的其中一块云：太阳（原始）星云2. 星云自转随坍缩加快3. An accretion disk forms 形成吸积盘对于自转的星云，因为离心力平衡引力，坍缩的程度具有方向性：自转使得垂直于自转轴方向上的坍缩减慢，但是不影响沿自转轴方向的坍缩，所以自转的星云渐渐变得扁平4. 小物体成长为大物体星子：行星的种子星子的增长方式：凝聚碰撞吸引5. 原行星盘：内热外冷6. 固态的原行星吸积大气7.卫星的形成月球可能是星子和地球碰撞的残骸火星的两个卫星可能是俘获的小行星8.原太阳和原行星的最后凝聚像星云坍缩一样，原太阳和原行星也在自引力的作用下开始坍缩，最终形成一个太阳和（被若干个卫星环绕的）若干个行星●太阳系的故事：微缩版太阳系是恒星和行星形成理论的一个具体验证星云坍缩为原太阳和原行星盘由岩石组成的类地行星形成于内太阳系巨大外行星的核的形成和内行星一样，由星子形成，但是外行星能够俘获并束缚大量气体外行星的卫星形成于其周围的小吸积盘小行星和彗星是存活到今天的星子月球可能碰撞的残骸各个行星形成的年代和顺序？第六讲系外行星与地外生命●尘埃盘(Dust Disks)暗示行星的存在●尘埃反射星光的总亮度是一个行星的10^12 倍每块岩石的（反射）亮度正比于r2，岩石的数目反比于r3●探测系外行星的5大技术1. 直接成像法北落师门b（Fomalhaut b）：年轻的行星HR 8799bcd：放大版的太阳系2. 天体测量学法3. 视向速度法4. 行星掩食法5. 微引力透镜法●脉冲星是倾斜的自转磁中子星●系外行星的统计特征：（与太阳系大不同）质量大，距恒星近第七讲太阳与恒星●太阳是靠自身引力而束缚在一起的一个气态球，主要成分为氢和氦。

太阳核心的温度和压力异常大，使得氢聚变为氦（热核聚变），释放出巨大能量●太阳化学成分▪以质量计：•氢：72%•氦：26%•其它元素：2%▪以粒子数计：•~ 90% 氢•~ 10% 氦▪等离子体态●太阳温度中心: 1.5 x 10^7 K光球层: 5800 K日冕: 10^6 – 10^7 K（太阳黑子: 4800 K ）●太阳的较差自转: 太阳不是固体，其表面的自转速度在不同纬度是不同的，赤道附近转得最快，两极最慢▪太阳黑子和许多太阳活动都是由较差自转造成的●太阳结构1. 太阳核心至20%半径处，密度最大，50%太阳总质量温度高达1500万K等离子（气）态：离子自由游荡太阳的引擎：通过氢聚变为氦的热核反应，释放出巨大能量2. 辐射区至太阳半径70%处，能量以辐射转移形式向外传播的区域太阳核心产生的是伽马射线光子辐射转移3.对流区能量以对流形式向外传播的地方，至半径99%处（即太阳的外层）离核心越远，气体温度越低（约200万K），开始变得不透明，光子很容易被吸收，辐射转移的效率因而很低，因此在太阳最外层，对流取代了辐射转移成为传播能量至太阳表面更重要的方式4. 光球层Photosphere：“发光的球体”▪对流区的上部是光球层，即我们每天所看到的太阳，是太阳“大气”中非常薄的一层，厚度仅500千米，气体密度为地球大气的10%▪我们之所以看到光球层，是因为它的气体密度正合适。