天体物理概论2

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高二物理天体运动讲义

高二物理天体运动讲义

第五讲万有引力定律一行星的运动1.地心说2. 日心说二开普勒天文学三定律:1. 开普勒第一定律(轨道定律)2. 开普勒第二定律(面积定律)3. 开普勒第三定律(周期定律)三万有引力定律1. 内容任意两个物体之间都存在着相互作用的引力,引力的大小与这两个物体质量的乘积成正比,与它们之间的距离的平方成反比。

表达式:221 r mmGF2. 万有引力常量引力常量G是英国物理学家卡文迪许,巧妙利用扭秤装置,在牛顿发现万有引力定律一百多年以后,于1798年第一次在实验室里比较准确地测量出来。

G=6.67×10-11N·m2 /kg23. 万有引力定律的适用条件仅仅适用于质点或可以看作质点的物体。

相距较远(相对于物体自身的尺寸)的物体和质量均匀分布的球体可以看作质点,此时,式中的r指两质点间的距离或球心间的距离。

4. 万有引力定律的应用(1)计算中心天体的质量和密度(2)发现未知天体四天体的运动1. 运动模型天体运动可看成是匀速圆周运动──其引力全部提供天体做圆周运动的向心力。

2.人造地球卫星(1)第一宇宙速度:也叫环绕速度,是人造地球卫星在地球表面附近做匀速圆周运动的速度。

既是卫星绕地球圆周运动的最大速度,也是发射卫星的最小速度,大小为7.9km/s。

(2)第二宇宙速度:也叫脱离速度,是使物体挣脱地球引力束缚的最小发射速度,大小为11.2km/s。

(3)第三宇宙速度:也叫逃逸速度,使物体挣脱太阳引力束缚的最小发射速度,大小为16.7km/s。

3. 地球同步卫星(1)同步卫星:所谓地球同步卫星,是相对于地面静止,和地球自转具有相同周期的卫星。

同步卫星必须位于赤道正上方距地面一定高度处。

(2)地球同步卫星的“六个一定”:①位置和绕行方向一定。

所有同步卫星都在赤道的正上方,运行方向与地球自转方向一致。

②周期一定。

同步卫星的运转周期与地球自转周期相同,即T =24h ③角速度一定。

同步卫星的角速度等于地球的自转角速度。

《天体物理小知识》课件

《天体物理小知识》课件
天体物理学家参与设计和实施空间探测任务,探索 太阳系和宇宙深空中的天体。
载人航天
天体物理学家为载人航天任务提供技术支持 和科学指导,确保宇航员的安全和任务成功 。
宇宙探索
暗物质和暗能量的性质,揭示宇宙中
隐藏的物质和能量。
宇宙微波背景辐射
02
天体物理学家研究宇宙微波背景辐射,了解宇宙大爆炸后宇宙
天体物理的研究范围
总结词
天体物理的研究范围包括天体的结构、组成、演化过程、相互作用以及宇宙的 起源和演化等。
详细描述
天体物理的研究范围非常广泛,包括恒星的形成和演化、行星和卫星的物理特 性、星系的结构和演化、宇宙射线、黑洞和暗物质等。这些研究有助于我们深 入了解宇宙的起源和演化,以及天体的形成和演化过程。
值。
04
天体物理现象
黑洞
黑洞是一种极度密集的天体,其引力强大到连光也无法逃逸 。黑洞的形成通常与恒星死亡有关,当一颗质量巨大的恒星 耗尽燃料并发生超新星爆炸后,其核心可能会坍缩形成黑洞 。
黑洞的内部被称为事件视界,任何进入这个区域的物质和光 线都会被无情地吞噬,永远无法返回。尽管我们无法直接看 到黑洞,但可以通过观测黑洞对周围环境的影响来推断其存 在。
宇宙射线研究
天体物理学家研究宇宙射 线,了解其产生机制、传 播途径和与天体的相互作 用。
星系和恒星演化
通过观测星系和恒星的演 化过程,天体物理学家能 够揭示宇宙的起源、演化 和最终命运。
航天技术
卫星导航
天体物理学家利用卫星轨道和时间测量技术 ,为全球卫星导航系统提供精确的定位和时 间服务。
空间探测
行星探索
人类通过探测器对行星进行探索,已 发现多个可能适宜人类居住的行星。
卫星

天体物理概论 lesson02-c

天体物理概论 lesson02-c

地球位于宇宙中心静止不动。 每个行星都在一个称为“本轮”的小圆形轨道上匀速转动 本轮中心在称为“均轮”的大圆轨道上绕地球匀速转动, 但地球不是在均轮圆心,而是同圆心有一段距离



水星和金星的本轮中心位于地球与太阳的连线上,本轮中 心在均轮上一年转一周 火星、木星、土星到它们各自的本轮中心的直线总是与地 球-太阳连线平行,这三颗行星每年绕其本轮中心转一周 恒星都位于被称为“恒星天”的固体壳层上。 日、月、行星除上述运动外,还与“恒星天”一起,每天绕 地球转一周,于是各种天体每天都要东升西落一次。
角尺寸


太阳比月球大 400倍 太阳到地球的 距离是月球到 地球距离的 390倍 月亮和太阳角 尺寸相近, 0.5°
angular diameter linear diameter sin ( small angle) 206,265 distance
3.6 日食

土星 火星 狮子座星 月球
月球轨道和黄道比较接近
地球
3.4 月球运动

月球公转周期 27.321 661天 自转周期27.321 66155 天 两者相当接近, 看到的月球总是 同一面


月相

地球上看到的 月球被太阳照 明部分的称呼 月球环绕地球 旋转时,地球 、月球、太阳 之间的相对位 置不断地变化

1850年英国天文学家普森 1等星要比6等星亮100倍 星等被量化 重新定义后的星等,每级之间亮度则相差2.512倍 但1到6级星等并不能描述所有天体的亮度,天文学 家延展本来的等级─引入负星等概念;如-21 mag
视星等:mV
F2 F1 100
Magn. Diff. 1 2 … 5

天体物理概论2

天体物理概论2
1
§3. 2. Dark & Light Matter
Most of matter invisible.
2
Evidence for dark matter
Galaxies rotate much faster in their outer regions. extended dark matter surrounding galaxies.
between state n and the ground state.
12
General form of Boltzmann Equation
Rather than Nn gn exp[ E ],
N1 g1
kT
Generally,
Nn
g
n
exp[
En kT
]
gn exp[ E ],
Nn gn exp[ E ],
N1 g1
kT
Where n is the principle quantum number, Nn is the number of atoms in which electrons are in the nth energy level (e.g., N1 is the number of atoms with electrons in the ground state), gn is the statistical weight (e.g., for hydrogen, gn=2n2), and ⊿E is the energy difference
11
Boltzmann Equation
For LTE, the equations of statistical equilibrium are much simplified and the population of states is given by the Boltzmann Equation:

天体物理概论总复习

天体物理概论总复习

Lulu.2011天体物理概论一、 名词解释:1. 视星等;为考察星体的目视亮度,把最亮的星做为1等星,肉眼都能看见的做为6等星,这就是视星等2. 绝对星等;10pc 处恒星的视星等3. 岁差;就是地轴绕着一条通过地球中心而又垂直于黄道面的轴线的缓慢圆锥运动,周期为26000年,由太阳、月球和其他行星对地球赤道隆起物的吸引力所造成,结果是春分点逐渐向西移动。

即地球进动。

4. 恒星时;恒星时是天文学和大地测量学标示的天球子午圈值,是一个地方的子午圈与天球的春分点之间的时角。

恒星日比平太阳日短约1/365(相应约四分钟或一度)。

5. 天文单位(AU );一个日地距离为1AU 。

天文常数之一。

天文学中测量距离,特别是测量太阳系内天体之间的距离的基本单位。

1976年,国际天文学联会把一天文单位定义为一颗质量可忽略、公转轨道不受干扰而且公转周期为365.2568983日(即一高斯年)的粒子与一个质量相等约一个太阳的物体的距离。

149,597,870,691±30米(约一亿五千万公里或9300万英里)。

6. 大气窗口;电磁波通过大气层较少被反射、吸收和散射的那些透射率高的波段成为大气窗口。

通常把太阳光透过大气层时透过率较高的光谱段称为大气窗口。

7. Fraunhofer 线:太阳光谱中的吸收线,是处于温度较低的太阳大气中的原子对更加炽热的内核发射的连续光谱进行选择吸收的结果。

8. pp 链;即质子‐质子链反应。

是恒星内部将氢融合成氦的几种核聚变反应中的一种,是太阳和其它恒星燃烧产生能量来源的理论。

9. CNO 循环;是恒星将氢转换成氦的两种过程之一,碳、氮、和氧核在循环中担任催化剂并且再生。

总结果是:14422e H He e v +→++10. 3alpha 过程;恒星内氢聚变停止之后,核塌缩,温度升高,3alpha 过程开始发生。

3个氦相撞。

总反应:41232H C γ→+11. 秒差距;是最标准的测量恒星距离的方法,建立在三角视差的基础上。

天体物理概论_向守平_第一章绪论探索宇宙12天体物理学简史资料

天体物理概论_向守平_第一章绪论探索宇宙12天体物理学简史资料

§1.2 天体物理学简史真正意义上的天体物理学开始于十九世纪。

由于分光学、光度学和照相术广泛应用于天体的观测研究,对天体的结构、化学成分、物理状态的研究形成了完整的科学体系。

天体物理学发展史上的一些主要事件是:(注:科学家在天体物理学领域的重大进展已经获得了十几次诺贝尔物理奖)1859年德国物理学家克希霍夫发现,太阳光谱的吸收线是由于太阳光球发出的连续光谱被太阳大气吸收所致,这可以说是天体物理学的开创性工作;1864年英国天文爱好者哈根斯和意大利教士塞西分别用摄谱仪证认出一些恒星的元素谱线,哈根斯并根据多普勒效应测定了一些恒星的视向速度;1869年英国天文学家洛基尔在太阳光谱中首次发现氦线,之后到1895年才由英国化学家雷姆塞在地球上发现了氦;1885年哈佛大学天文台开始用物端棱镜方法,对恒星光谱的分类作大规模的研究,此后到1924年,共完成225,000多颗星的光谱分类,这是近代天文史上的巨作,为以后的研究提供了丰富的资料;1914年由依巴谷卫星测定了三角视差的4万多颗近距离恒星的赫罗图。

1915年纵坐标分别用绝对星等及光度表示,横坐标分别用色指数和温度表示1915年爱因斯坦发表广义相对论,并求出水星近日点进动的精确值;同年,美国天文学家亚当斯发现测定恒星距离的分光视差法,使得恒星距离测量的范围由几百光年(三角视差法的上限)达到几千光年;1917年爱因斯坦发表《根据广义相对论对宇宙学所作的考查》一文,为现代宇宙学的奠基之作;1919年英国天文学家爱丁顿领导的日食观测队发现太阳引力使光线偏转的现象,成为爱因斯坦广义相对论的天文学验证之一;1920年代印度天文学家萨哈发表恒星大气电离理论,同时德国天文学家埃姆登和史瓦西、英国天文学家爱丁顿等建立了系统的恒星内部结构理论,爱丁顿并从理论上导出了恒星的质光关系;1929年美国天文学家哈勃发现星系的红移-距离关系,为现代大爆炸宇宙学奠定了观测基础;1930年1932年前苏联物理学家朗道预言存在完全由中子构成的恒星——中子星;1934年德国天文学家巴德与瑞士天文学家兹威基提出,中子星是超新星爆发的产物;1937~1939年德国物理学家魏茨泽克和美国物理学家贝特提出质子-质子反应和碳氮循环两种核反应,创立了恒星核能源理论;1939年美国物理学家奥本海默和沃尔科夫建立了中子星的理论模型,预言中子星的直径只有几千米,密度可达每立方厘米几亿吨;1944年荷兰天文学家范德胡斯特从理论上提出存在星际中性氢21厘1948年美国物理学家伽莫夫预言,宇宙创生于一次热大爆炸,并预言可以观测到温度大约为10K的大爆炸背景辐射遗迹;1951~1954年美国、荷兰和澳大利亚的天文学家先用光学的方法,继而用射电方法发现并描绘出银河系的旋涡结构;1959年美国用高空气球进行γ辐射观测,发现宇宙γ射线源,之后又发现太1963年美国用射电方法发现星际有机分子;1964年同年旅美荷兰天文学家施密特发现类星体;1965年美国工程师彭齐亚斯和威尔逊发现3K宇宙微波背景辐射;1967年英国天文学家休伊士和贝尔发现脉冲星;1968年以上称为六十年代四大天文发现。

天体物理概论教学大纲

天体物理概论教学大纲

天体物理概论教学大纲天体物理概论教学大纲天体物理学是研究宇宙中各种天体及其相互作用的科学。

它涵盖了广泛的研究领域,包括星系、恒星、行星、宇宙演化等。

天体物理学的发展对我们理解宇宙的起源、结构和演化具有重要意义。

因此,天体物理概论作为天文学和物理学的交叉学科,是培养学生对宇宙的探索精神和科学思维的关键课程之一。

一、引言天体物理学的起源可以追溯到古代文明时期,人类通过观测天体来推测宇宙的奥秘。

随着科学技术的进步,我们对宇宙的了解也越来越深入。

天体物理学的研究范围涵盖了宏观宇宙和微观粒子的相互作用,为我们揭示了宇宙的起源、演化以及可能存在的其他生命形式。

二、天体物理学的基本概念1. 星系:星系是由恒星、行星、气体、尘埃等组成的庞大天体系统。

我们所在的银河系是一个典型的星系,包含了数十亿颗恒星。

2. 恒星:恒星是由气体聚集形成的巨大天体,通过核聚变反应释放出巨大的能量。

恒星的演化过程对于理解宇宙的发展具有重要意义。

3. 行星:行星是绕恒星运行的天体,包括地球、火星、木星等。

它们的形成和演化与恒星的起源有着密切的关联。

4. 宇宙演化:宇宙的演化是指宇宙从诞生到现在的发展历程。

通过观测宇宙微波背景辐射、星系的分布以及宇宙膨胀等现象,我们可以了解宇宙的起源和未来的发展趋势。

三、天体物理学的研究方法1. 观测方法:天文学家通过使用望远镜和其他观测设备来观测天体。

观测数据的收集和分析是天体物理学研究的基础。

2. 理论模型:天体物理学家通过建立数学模型来解释观测数据,并根据模型进行预测。

理论模型的建立需要依赖物理学和数学的知识。

3. 计算模拟:天体物理学家使用计算机模拟的方法来研究天体的演化过程。

计算模拟可以模拟宇宙的起源、星系的形成以及恒星的演化等过程。

四、天体物理学的前沿研究领域1. 暗物质和暗能量:暗物质和暗能量是目前宇宙学中的两个未解之谜。

它们对宇宙的结构和演化起着重要的作用,但我们对它们的本质和性质了解甚少。

文科物理- 第2章 永恒的经典 第1节 天体运动与历法

文科物理- 第2章 永恒的经典  第1节 天体运动与历法

14
天体运动的本原动力 :宇宙大爆炸
大爆炸与宇宙起源
15
膨胀的宇宙(如同一个人使劲吹气球)
充当这种膨胀的斥力是暗能量(人们目前 无法得知其究竟为何物而姑且取的名字)
16
天体在本原动力以及引力场的作用下产生了 天体运动的公转和自转,包括银河系在内的 诸多星系除去自转外还要围绕宇宙中心做公 转运动。 在银河系中,太阳系是围绕着银河中心运转, 也称为太阳系的公转运动。太阳系中的八大 行星除去围绕太阳进行公转外还要自转,这 种自转现象是宇宙中一切天体基本的运动规 律,是昼夜变化的原因所在。
41
古代的干支纪日法,干是天干,支是地支。十干和 十二支依次组合,形成“六十甲子”: 甲子 乙丑 丙寅 丁卯 戊辰 己巳 庚午 辛未 壬申 癸酉 甲戌 乙亥 丙子 丁丑 戊寅 己卯 庚辰 辛巳 壬午 癸未 甲申 乙酉 丙戌 丁亥 戊子 己丑 庚寅 辛卯 壬辰 癸巳 甲午 乙未 丙申 丁酉 戊戌 己亥 庚子 辛丑 壬寅 癸卯 甲辰 乙巳 丙午 丁未 戊申 己酉 庚戌 辛亥 壬子 癸丑 甲寅 乙卯 丙辰 丁巳 戊午 己未 庚申 辛酉 壬戌 癸亥 用上述“六十甲子”来记录日序,从甲子开始到癸 亥结束,六十天为一周,循环记录。 42

春秋时期,人们已将一年分为春、夏、秋、 冬四季。
31
封建社会秦汉时期,天文学有了很大发展,全国 制定统一的历法。司马迁参与制定的《太初历》, 具有节气、闰法、朔晦、交食周期等内容,是中 国有完整资料的第一部传世历法。 隋唐时期,又重新编定历法,并对恒星位置进行 重新测定。来自唐中宗李显时期绘的星图就包含 了1350多颗星,这反映了中国在星象观测上的高 超水平。


古代纪月,一般是按序数来纪,如一月、二月、三 月……只是把一月称作正月,或元月,十一月叫冬月, 十二月叫腊月。 古代纪年的方法:(1)谥号纪年法。先秦时一般用 王侯即位的年次前边加上谥号来纪年,如鲁隐公元年, 齐醒公十年等,这种纪年方法叫谥号纪年法。(2) 年号纪年法。公元前141年,汉武帝刘彻即位,使用 年号“建元”,首创年号纪年法。以后历代帝王都仿 照他而建制自己的年号。如汉武帝建元元年,明太祖 洪武三十一年,清圣祖玄烨六十一年。(3)干支纪 年法。它是运用十天干与十二地支相配合而形成的纪 年方法。天干地支循环相配成六十个不同的组合,每 个单位代表一年,一个轮回是60年,周而复始,循环 不已。
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Ionization & the Saha Eq.
The ionization state of a gas in LTE can be expressed in a fashion similar to the Boltzmann Eq. ,
N K +1 2U K +1 2πme kT χ = ( ) exp[ K ], NK ne U K h2 kT
1 3 m < v 2 >= kT 2 2 <v2>: mean-square particle speed. Root-mean-square (r.m.s) particle speed:
vrms ≡ < v 2 > = 3kT / m
most probable speed: mean speed:
2
§3. 2. Dark & Light Matter
Most of matter invisible.
3
Evidence for dark matter
Galaxies rotate much faster in their outer regions. extended dark matter surrounding galaxies. Dark matter is needed to bound galaxy clusters. Gravitational lensing Mtotal >>Mvisible 2 independent pieces of evidence for DM in GCs.
E Nn gn = exp[ ], N 1 g1 kT
Where n is the principle quantum number, Nn is the number of atoms in which electrons are in the nth energy level (e.g., N1 is the number of atoms with electrons in the ground state), gn is the statistical weight (e.g., for hydrogen, gn=2n2), and ⊿E is the energy difference between state n and the ground state.
8
§3. 4. The Gaseous Universe
H & He Metallic-like liquid H at the center of Jupiter Temperature T Density ne State of ionization Spitzer (1978): for T<8x104K, particle encounters are almost always elastic. thermal timescale ~ hours – years astrophysical gases are in thermal equilibrium. H (n=2)
vmp = 2kT / m
8kT 8 RT = πm πM
10
<v> =
the ideal gas
An ideal gas is a gas that obeys the ideal gas law (particle pressure):
Pp = nkT =
where ≡
ρ m H
kT
<m> 1 = mH mH N
where UK+1 & UK are the partition functions of the (K+1)th & Kth ionization states, respectively, ne is the electron density, me the electron mass, χK is the energy required to remove an electron from the ground state to the Kth ionization state. e.g., hydrogen only has one electron to be removed, & can only exist in the singly ionized or neutral states, the Saha Eq. reduces to,
=
1 2 X + 3Y / 4 + Z / 2
(ionized )
+ electron degeneracy
P = Pp + Prad
11
Statistical equilibrium, (Local) Thermal Equilibrium=(L)TE
collision excitation/de-excitation absorption excitation/ionization emission de-excitation The populations of energy levels are determined by including all processes that both populate & de-populate any given level. In a steady state, the transition rate into any level equals the rate out – statistical equilibrium. Equations of statistical equilibrium are set up for each level and involve the density of the particles, the energy density of the radiation field, and coefficients describing collisional, radiative, and spontaneous transition probabilities. The coefficients may themselves be functions of other quantities, such as quantum mechanical parameters or temperature. Extremely complex simplification If a gas is in TE, the energy in the radiation field is in equilibrium with the kinetic energy of the particles. LTE: a gas has TE properties, but only locally.
12
Boltzmann Equation
For LTE, the equations of statistical equilibrium are much simplified and the population of states is given by the Boltzmann Equation:
(%) LightWeighted Fractional Contribution
40 30 20 10 0 30 20 10 0 80 60 40 20 0 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 log10(t) (Gyr) 0.5 1 1.5 2
IMF = Initial Mass Function: The admixture of stars of different masses when first formed.
M<8Msun planetary nebula WD
Zhou+06
M>8Msun SNe II elements heavier than Fe Typical kinetic energy ~ 1051 erg
7

star formation history & IMF
60 50
Lu, Zhou, Wang et al. 2006
1
§3. 1. The Big Bang
Part 4. Cosmology
Not an event occurred sometime somewhere. Spacetime came into being with the Big Bang.
Redshifts of galaxies The age of the Universe vs. oldest stars: 12.7 – 13.2 Gyr CMB = Cosmic Microwave Background Abundances of light elements nucleosynthesis in the first moments
How to know T, ne, and H+/H0 ?
9
Kinetic temperature & MaxwellMaxwell-Boltzmann velocity distribution
Gas, energy changed between particles via elastic collisions Statistical mechanics Maxwell-Boltzmann velocity distribution kinetic temperature
X = 0.77, Y = 0.23, Z = trace
Stellar evolution & ISM enrichment Part II. Stars
P-P chain (M<1.5Msun) He: the only product
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