基础天文考试复习提纲.docx

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基础天文考试复习提纲

第二讲：

望远镜与探测器

望远镜性能指标：

聚光能力，也就是有效口径；天体成像亮度∝有效镜面面积∝有效口径D2，也就是镜面越大越好。

角分辨能力，取决于光的衍射。

分辨本领θ=1.22λ/𝑫（弧度）。

实用公式：

Θ=0.25”*λ（微米）/D（米）（λ默认为0.55um）。

天文台址要求：

天光背景暗、视宁度好、晴夜数多、干燥、风小、远离人烟又交通便利、政局稳定

为何需要建空间望远镜？

由于大气窗口，很多波段只能在太空观测

不受大气影响，图像质量可直接达衍射极限

极低的背景天光，大大提升探测灵敏度

不受环境影响，如地面灯光

不受天气影响，如刮风下雨

第三讲：

天球坐标系；时间与历法

球面三角公式：

cosa=cosbcosc+sinbsinccosA,

四方点：

天子午圈与真地平相交的两点为南北点，（靠近北天极的为北点）天赤道与真地平相交的两点为东西点。

（同样，离北天极较近的为夏至点。

）

地球表面的冷暖差距不是日地距离差造成的，而是太阳照射角度不同造成的。

天体的周日视运动：

永不下落天体：

δ≥（900－φ）

永不上升天体：

δ≤－（900－φ）

恒星时（siderealtime：

S）：

定义：

以春分点的周日视运动为依据建立的时间系统。

时间单位：

恒星日->春分点连续两次上中天的时间间隔。

真太阳时（truesolartime）:

定义：

以太阳视圆面中心的周日视运动为依据建立的时间系统。

时间单位：

真太阳日—真太阳连续两次下中天的时间间隔。

太阳在周日视运动的同时，又以逆时针方向做周年视运动，每日在黄道上自西向东约运行1度，因此真太阳时比恒星时约长4分钟。

协调世界时（coordinateduniversaltime,UTC）（协调原子时秒长与世界时时刻的时间计量系统）：

由于世界时的秒长逐年增加,势必造成世界时落后于原子时，一年内可累计达1秒左右。

为避免原子时与世界时产生太大的偏离，1972年决定采用UTC系统。

调整时刻：

每年首选是12月31日和6月30日或3月31日和9月30日的最后一秒，由国际地球自转服务中心局（IERS）根据天文观测做出决定，并预先通知。

儒略历：

置闰：

每隔三年一闰，闰年366天，加在2月。

平均历年长：

365.25日；回归年长：

365.2422日。

格里哥里历：

置闰：

凡是年数可被四整除的为闰年，世纪年如1600，1700，1800，……要被400整除才是闰年。

平均历年长：

365.2425；回归年长：

365.2422日。

儒略日（一种不用年、月的长期纪日法）：

起算点：

公元前4713年儒略历1月1日世界时12点（正午）。

约化儒略日（MJD，ModifiedJulianDate）：

起算点：

1858.11.17世界时零时

MJD＝JD－2,400,000.5（式中.5表示把起算点从正午改为子夜）

第四讲：

天体运动；测距；测光

当行星与太阳角距离达到最大值时，称为“大距”。

水星的大距角在18˚～28°之间，金星的大距则在45°~48°之间。

行星的会合周期（SynodicPeriod）：

内行星：

1/S=1/T内–1/TE；外行星：

1/S=1/TE–1/T外

行星距离的提丢斯-波德定则（Titius-Bodelaw）：

an=0.4+0.3×2n-2（AU）（水星n=-∞,金星n=2,地球n=3,火星n=4,小行星n=5,木星n=6…）

开普勒第三定律：

不同行星在轨道上公转周期T的平方与行星轨道半长径a的立方成正比（调合定律），即

地球的直径大约是月球的4倍，所以在月球轨道处、地球本影的直径仍相当于月球直径的2.5倍左右，所以绝不会出现“月环食”。

天文单位（A.U.）:

平均日地距离（1天文单位=1亿5千万公里==1.496×1011米）。

光年（L.Y.）：

1LY=9.46×1015米

1秒差距是周年视差为1″的恒星的距离：

1秒差距（pc）=3.086×1016米=3.26光年

恒星距离的测定：

三角视差法（trignometricparallax）：

利用三角法测量恒星的距离；基线越长，可测量的恒星距离越远。

三角视差测距法只适用于近距离（≤30-500pc）的恒星。

（周年视差（annualparallax）以地球轨道半长径作为基线测量恒星的距离；周年视差ρ是恒星相对于地球轨道半长径所张的夹角。

）

造父变星的周光关系测量法。

（最远距离：

~20Mpc）

标准烛光法（Standardcandle）:

L=4πD2F。

L=constant->fromapparentbrightnessFcandetermineDistanceD

红移法：

1929年Hubble等发现由星系谱线红移（z=λ/λ0-1）得到的星系退行速度V与星系的距离D成正比，称为哈勃定律V＝H0×D。

其中哈勃常数H0＝~70km*s-1/Mpc。

视星等m并不反映天体的真实亮度（因距离可不同），人们将天体置于10pc（32.6ly）距离处的视星等,可实际反映天体的光度。

天体在此距离的视星等叫绝对星等（M）。

M=m+5-5log10d（pc）

绝对星等M与光度L的关系：

M1-M2=-2.5log（L1/L2）

大气透射率与波长λ和天顶距z有关，z<60o时，‘大气质量’m（z）=1/cosz。

消光后星等mz与大气外星等m0关系：

mz-m0=kλm（z）,kλ为大气消光系数。

观测一颗星在一系列天顶距的星等mz和相应的大气质量m（z），画mz-m（z）直线（‘布格直线’），求截距（m（z）=0时）可得与大气外星等m0，求斜率可得大气消光系数kλ。

谱分辨本领（spectralresolutionpower）：

分辨最小波长差的能力，R=λ/Δλ（R越大，能分辨Δλ越小）。

棱镜的分辨率一般为465-147左右。

第五讲：

太阳系

太阳系成员：

1、太阳

2、环绕太阳的天体

a、八大行星

b、矮行星

c、太阳系小天体：

小行星、彗星、流星、陨石。

3、行星际物质和太阳风。

类地行星：

石质行星，水星、金星、地球、火星。

特征：

体积、质量小、密度大、有坚硬的岩石外壳、中心有铁镍核、金属含量高、自转慢、卫星少、没有环。

（地球主要含Fe,O,Si,Mg等）

巨行星：

木星、土星、天王星、海王星

特征：

体积大、密度小、无固体表面的流体行星、自转快、卫星多，有环带。

木星、土星：

主要由H、He组成；

天王星、海王星：

主要成分是水、甲烷和氨。

火星：

火星的大气远比地球大气稀薄，气压仅为地球大气压的0.5％～0.8％。

其主要成份是二氧化碳，占95％;氮占3％，水汽仅占0.01％。

火星云层的主要成分是干冰。

由于火星大气稀薄而干燥，使火星表面的昼夜温差变化很大，白天赤道附近最高可达20℃，晚上最低温度降到-80℃。

矮行星：

和行星一样围绕太阳运动，达到流体静力学平衡，形态近球体，唯一的区别在于矮行星未能清楚轨道内的其他小行星，彗星等天体。

目前海王星外区域发现的矮行星包括2006年列出的冥王星（Pluto）、齐娜（阋神星）（Eris）、以及2008年归入此类的妊神星（Haumea）、鸟神星（Makemake）。

其中最著名的冥王星（Pluto），2006年前一直被视为第九大行星。

由于其总质量仅为轨道内天体总质量的7%，即未能清除轨道内其他天体，因此被归类为矮行星。

太阳系小天体：

太阳系内除行星、矮行星、自然卫星外的天体，包括所有的彗星，除已定义为矮行星的所有小行星，特洛伊天体，半人马小行星（轨道半长轴介于木星和海王星之间，轨道穿过一个或者多个巨行星）。

探测系外行星的主要方法：

•Indirectmethods（commonlyused）:

•RadialVelocity（Dopplertechnique）（视向速度）

•Transit（掩食）

•Microlensing（微引力透镜）

Kepler卫星：

Preciselymeasuresthelightvariationsfromthousandsofdistantstars,lookingforplanetarytransits.

第六讲：

太阳

太阳的物理性质：

太阳半径：

695,500公里，是地球半径的109倍

质量：

1.989×1030千克,是地球的33万倍

太阳光度：

3.854×1026瓦（3.854×1033erg/s）

太阳的化学组成：

氢（73.5%）、氦（24.8%）、氧（0.788%）。

太阳与恒星的能源：

热核聚变反应：

核子1+核子2->核子3+能量

太阳中微子失踪案:

实际测量到的太阳中微子数目只有理论计算值的约1/3。

2001年，SNO的观测结果证实中微子事实上没有失踪，只是在离开太阳后转化成μ中微子和τ中微子，躲过了此前的探测，同时间接证明中微子具有质量。

太阳内部：

太阳大气有三组成部分：

光球、色球、日冕。

太阳活动：

太阳黑子、日珥、耀斑（色球爆发）。

太阳黑子原理：

第七讲：

恒星演化

典型恒星：

光度范围：

10-5至106L⊙；质量在0.1M⊙（褐矮星）到120M⊙（超巨星）之间；恒星半径范围：

从小于0.01R⊙到大于100R⊙。

光谱型：

（口诀：

Oh,BeAFineGirl,KissMe!

）

赫罗图：

典型恒星的演化通常要经历:

•核心氢燃烧的主序星阶段（MainSequence）

•核心氢燃烧枯竭后的红巨星阶段（RedGiantBranch）

•进入核心氦燃烧的水平支阶段（HorizontalBranch）

•核心氦燃烧枯竭后的渐进巨星支阶段（AsymptoticGiantBranch,AGB）

•小质量恒星形成行星状星云（PN）和白矮星（WD）/大质量恒星经过超新星爆发形成中子星或黑洞

质光关系:

对主序星，指数在3.5到4.0之间：

L/L⊙=（M/M⊙）4.0±0.02for0.4M⊙

L/L⊙=（M/M⊙）3.6±0.1for5M⊙≤M≤40M⊙

恒星半径：

第八讲：

双星与变星

双星的类型：

目视双星、分光双星、食变双星（子星相互交食造成亮度变化的双星）

内临界等势面:

同时包络两颗子星并且相接于其间一点（L1）的等势面；在L1（内拉格朗日点）,两颗子星对物质产生的作用力正好相等,Roche势达极大值

洛希瓣:

由临界等势面包围的空间

根据双星中的一颗或两颗子星是否充满洛希瓣,可以将双星分为:

不相接双星（两颗子星均未充满洛希瓣）、半相接双星（颗子星充满洛希瓣,如天琴β）、相接双星（两颗子星均充满洛希瓣,有共同对流包层，如大熊W）

大陵佯谬:

质量小的恒星（0.8M⊙）已是亚巨星，而质量大的仍为主序星，为何质量小的反而演化得快？

根据恒星演化理论，质量越大的恒星主序寿命越短，应越早进入巨星阶段。

解释：

亚巨星子星的前身星是此双星系统中质量较大的主序星,它先演化充满洛希瓣，物质传输使得两子星的质量发生逆转。

变星（光变）通常分为三类:

脉动变星（pulsating）、爆发变星（eruptive）、食变（eclipsingvariables）

脉动变星分类：

经典造父变星（I型）：

银道面附近，星族I，光度大

室女W造父变星（II型）：

远离银道面，星族II，年龄大

天琴RR型星：

周期短（<1天），光度小

（造父变星的光变主要来自表面温度的变化，且与半径变化反位相）

爆发变星包括激变变星和超新星。

激变变星：

包含一颗白矮星的半相接双星。

分类：

新星（novae）、再发新星（recurrentnovae）、类新星变星（nova-likevariables）、矮新星（dwarfnovae）、磁激变变星（magneticwhitedwarfbinaries）

超新星：

大质量恒星死亡前的爆炸过程（或白矮星吸积超过1.4M⊙后的爆炸过程（Ia））。

爆发规模远大于新星，爆发时释放总能量1044-1048J,亮度突然增加一百亿倍，变幅超过17等，比一般星系总光度还亮。

分类：

根据光谱谱线的差异，分成I型超新星和II型超新星。

I型：

光谱中没有氢线；II型：

有氢线。

II型超新星在峰值后光度的变化会有一个平台。

（如超新星1987A）

第九讲：

致密天体

白矮星基本特征：

质量M～0.2-1.2M⊙（平均～0.6M⊙）；半径R～5×108-109cm；

白矮星质量上限（Chandrasekhar极限质量）：

对He白矮星,Mch≈1.44M⊙/对CO白矮星,Mch≈1.4M⊙。

中子星：

特征质量M～1.4M⊙,半径R～10km。

脉冲星的斜转子模型：

•倾斜自转的磁中子星；

•脉冲周期=自转周期；

•辐射能源:

中子星转动能；

•辐射机制：

磁偶极辐射→B～108-1013G。

•灯塔效应：

强磁场→辐射呈束状；倾斜转子→辐射周期性扫过观测者产生脉冲信号。

根据无毛定理，黑洞可分为

按黑洞的质量来划分：

•原初（Primordial）黑洞：

宇宙大爆炸产生,其中一些（～1015g）正在死亡；

•恒星级（StellarMass）黑洞（～10M⊙）：

大质量恒星死亡的产物；

•中等质量（IntermediateMass）黑洞（～103M⊙）：

星团内部大质量恒星死亡的产物？

•超大质量（Supermassive）的黑洞（～106-109M⊙）：

存在于许多星系的中心。

伽玛暴（Gamma-RayBursts）是来自宇宙空间的伽玛射线在短时间内突然增强的现象。

•Theisotropicdistribution（各向同性分布）meansthattheburstsmustoriginateatcosmologicaldistances,farbeyondourMilkyWaygalaxy.

第十讲：

星团、星系介质

疏散星团球状星团

星际介质主要包括星际气体和星际尘埃。

星际气体主要由H构成（90%按数密度），其次为He（~9%），以及少量金属元素；按不同环境下H的存在方式不同，可以分为电离气体、中性原子气体和分子气体。

（后两种在银河系占比最多。

）

星际尘埃成分：

硅（silicate）或石墨（graphite）微粒,外面被冰或二氧化碳包裹。

星际消光：

星际尘埃对星光的吸收和散射造成星光强度的减弱。

星际红化：

星际尘埃对星光的散射随波长的变化而不同,对蓝光散射较多而对红光散射较少,因而造成星光颜色偏红。

星际尘埃可以有效地吸收光学和紫外光子，在红外波段产生辐射。

第十一讲：

银河系

银河系主要成分：

银盘（disk）、核球（bulge）、银晕（halo）。

银河系是一个具有旋涡结构的盘状星系。

质量～1012M⊙，直径～105ly（>30kpc）

星族I恒星：

年轻的、富金属恒星（金属丰度为太阳值的0.1-2.5倍）主要位于银盘中，绕银心作圆轨道运动；如疏散星团

星族II恒星：

年老的、贫金属恒星（金属丰度为太阳值的0.001-0.03倍），主要位于银晕和核球中，以银心作为中心球对称分布绕银心作无规则的椭圆轨道运动；如球状星团。

由银心附近恒星的运动推测在银心集中了～4×106M⊙的质量；人马座（Sagittarius）A的尺度<10AU->超大质量的黑洞

银河系的起源：

初始状态：

约100-140亿年前，原初气体云（只由H和He构成，没有重元素）（～100kpc）在引力作用下坍缩；有可能由几块较小的云并和成一块大的；在坍缩过程中形成致密的核心和云块；云块在坍缩过程中不断碎裂成为更小的团块

银晕形成：

约100亿年前，团块形成第一代（星族II）恒星（球状星团）；球状星团保持坍缩气体云的特征：

球对称分布，以无规则轨道绕银心旋转。

第一代恒星中的超新星爆发使气体云中重元素丰度逐渐增大，迄今球状星团中的恒星只剩下低质量恒星。

银盘形成：

气体收缩的同时旋转加快，形状变扁，银盘出现；银盘密度不断增加，第一代星族I恒星形成，恒星以圆轨道绕银心转动；随着恒星的演化和超新星爆发，新生恒星金属元素丰度逐渐增加

银河系外晕可能形成于银河系和其他小星系间的相互作用。

第十二讲：

河外星系

1924年，哈勃分解出“仙女座大星云”（M31）中的造父变星。

→证实“仙女座大星云”确实是恒星系统。

由造父变星周光关系估计“仙女座大星云”的距离150kpc（实际距离800kpc）>银河系最远的球状星团的距离（100kpc）。

->因此“仙女座大星云”必定是河外星系!

根据星系形态的不同，哈勃首先提出星系可以分为椭圆星系（E）、透镜状星系（S0/SB0）、旋涡星系（S）、棒旋星系（SB）和不规则星系（Irr）5种类型，称为哈勃分类。

银河系可能是一个SBb或SBc型星系。

自下而上模型（bottom-up）:

较小的（~106M⊙）、不规则星系首先形成；星系合并形成较大的（~109-1011M⊙）星系；在引力的作用下聚集成星系团和超星系团，产生星系团间的巨洞。

观测证据：

Hubble空间望远镜的深场观测发现位于2000Mpc距离之外存在大量的不规则的小星系（超过同类星系在近距离星系中的比例）。

本星系群（theLocalGroup）：

银河系所处的星系群，大小约1Mpc。

由银河系、仙女星系（M31）等附近约30个星系组成。

包含3个旋涡星系（银河系、M31、M33），4个不规则星系（大、小麦哲伦云等），和20多个椭圆星系。

不规则星系团—形态松散，主要由旋涡星系组成

规则星系团—结构致密、球对称分布，主要由椭圆星系和透镜状星系组成

活动星系（表现出强烈的活动性）：

射电星系（radiogalaxies）、赛弗特星系（Seyfertgalaxies）、蝎虎（BLLac）天体、类星体（quasars）

星系的活动源于核心区域（活动星系核）超大质量（106-1010M⊙）的黑洞，黑洞的物质吸积提供了活动星系的能源。

黑洞吸积盘周围区域的结构

（1）宽发射线区，大小约几光月，其中电离气体具有较高的（~104km/s）运动速度；

（2）窄发射线区，大小约10-104光年，其中电离气体具有较低的（~103km/s）运动速度。

（3）尘埃环，在宽线区和窄线区之间，大小约10-103光年。

第十三讲：

宇宙学

宇宙学原理：

在大尺度上宇宙是均匀的；在大尺度上宇宙是各项同性的。

奥尔伯斯佯谬（Olbersparadox）：

如果宇宙是无限的，且恒星的分布是均匀的，那么，在任意视线方向都有一颗恒星，或近或远；远处的恒星更暗，但是它们的数量更多，两者抵消，从而夜晚的天空应该像白天一样明亮。

现代解释：

由于宇宙膨胀，星系在离我们远去，发出的光子发生红移；宇宙的年龄不是无限的，遥远恒星的光子迄今尚未到达地球，故我们只可能观测到宇宙视界内的天体的辐射。

温度为～3000K（红移～1000，年龄40万年）时，自由电子与原子核结合形成原子（复合），辐射与物质（重子）退耦（光子可以自由运动）->今天的宇宙微波背景辐射

1965年贝尔实验室Penzias和Wilson在微波波段发现稳定的、温度只有几度的噪声，怎么也去不掉->它被证实为宇宙微波背景辐射（获得1978年诺贝尔物理学奖）

2006年诺贝尔物理学奖授予JohnC.Mather和GeorgeF.Smoot，表彰他们利用COBE发现了宇宙微波背景辐射的黑体形式和各向异性。

辐射相（0-103yr）

（1）Planck时代；

（2）大统一理论时代；（3）重子时代；（4）轻子时代；（5）核时代

氦元素丰度比理论预计高25%：

当t=103s,T=3×108K，宇宙元素丰度确定。

核合成开始时质子与中子数目比为7:

1→质子与氦核的数目比为12:

1→氦丰度25%

暴涨理论的引入是为了解决宇宙视界问题（为何视界会大大小于宇宙尺度）与平直问题（为什么Ω0应该极其接近于1，从而宇宙是平直的？

）。

暗物质存在的证据：

证据一：

星系旋转曲线；有些星系团和矮星系中暗物质的比例可达95%以上

证据二：

子弹头星系团（被认为最直接的证据之一）。

两个较小星系团相碰撞而成。

两个星系团中的星系在暗物质势井随暗物质几乎无摩擦的穿过；而气体由于摩擦的作用，明显滞后于暗物质。

证据三：

引力透镜（爱因斯坦的广义相对论的光线偏折）。

利用引力透镜可以计算引力源的质量。