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。
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