基礎天文 上冊 張鴻 主要參考資料 天文學 物理學新視野 庫特納著 蕭耐園 胡方浩譯 湖南科技出版社 AstronomyToday 5thed Chaisson McMillan PrenticeHallFundamentalAstronomy Karttunen Oja Poutanen Donner Springer 網上資源 http www opencourse info AstronomyToday 致謝和說明 本課件中采用了許多他人的影像資料 這些資料來自網上 書本掃描 他人課件等 在此非常感謝這些資料的作者 由于資料比較多 而且來源復雜 這里無法將作者一一列出 特此說明 所有資料的版權均屬于原作者 本課件只用于本人的教學工作 不作其它用途 第一章 緒論 世界上有兩件東西能夠深深地震撼人們的心靈 一件是我們心中崇高的道德準則 另一件是我們頭頂上燦爛的星空 伊曼努爾 康德 1 1天文學的研究對象和方法 一 天文學的研究對象 1 天文學的研究對象 研究對象是宇宙及其中的天體和各種形態的物質 天文學觀測和研究它們的位置 分布 運動 形態 結構 物理狀態 化學組成 相互關系和起源演化 天體是指太空中的一切實體 包括自然天體和人造天體 各種形態的物質是指行星際 星際和星系際的彌漫物質和各種微粒輻射流以及作為物質存在形式的電磁場和引力場等 地球大氣層以內的物體和現象通常并不是天文學研究的對象 除非源于太空 地球作為一個天體 也屬于天文學的研究范疇 天體的屬性 2 天文學和氣象學的區別和聯系 天文學和氣象學的分界 概而言之就是大氣層 研究對象分別位于大氣層之外和之內 大氣天文觀測 天氣 大氣折射 大氣吸收 大氣擾動 大氣地球自轉 地極移動 自轉速率 黃赤交角氣候地球自轉季風太陽活動氣候和天氣 3 天文學與地球科學的區別和聯系 地球結構地球自轉日月潮汐天文觀測板塊運動和地震 二 天文學的研究方法 天文學研究的特點 觀測 觀察和測量 是主要的研究手段 觀測工具的改進和觀測方法的革新會推動天文學的發展 天文學是沿著觀測 理論 觀測的途徑發展的 研究對象距離遠 時標長 物理條件極端復雜 密度 溫度 壓強 磁場 從 一瞬 來研究 一生 即利用天體的空間廣延性與時間廣延性相統一的特性 來研究天體和宇宙的演化 天文學的研究方法 天文學的觀測工具 英國的巨石陣 關于巨石陣的用途 比較一致的說法是用于對日月運行的觀測 它代表著一年有八個節氣的歷法 天文學的觀測工具 中國的渾儀 渾儀是用來測量天體球面坐標的一種儀器 在戰國時代已經開始制造了 不過那時不一定稱為渾儀 渾儀結構復雜 是由一環套一環的同心圓環構成 好像一個鏤空的球體 這些圓環分別代表地平圈 子午圈 赤道圈 赤經圈 黃道圈和白道圈 東漢時的天文學家張衡說過 立圓為渾 因此稱這種儀器為渾儀 渾儀在應用過程中 不斷得到改進 但總的思路是增多圓環結構愈加復雜 遮擋星空的范圍增多 影響觀測 此外 要求多重圓環安裝要同心 這是十分困難的 由此導致渾儀產生偏心差 天文學的觀測工具 中國的簡儀 郭守敬 1231 1316年 河北邢臺人 元代著名的天文學家 簡儀從渾儀的復雜結構中分離出來 分解成由赤道環和赤經環組成的赤道經緯儀和由地平環及地平經環組成的地平經緯儀兩個獨立的儀器 這樣的簡儀結構十分簡單 大大增加了觀測的視野 克服了渾儀的兩個最大缺陷 大大提高了觀測精度 赤道經緯儀和地平經緯儀是分裝在同一個長方形的銅基座上 總稱為簡儀 紫金山天文臺的古觀象儀渾儀 左 和簡儀 右 明代復制 天文學的觀測工具 光學天文望遠鏡 The100 135 300cmSchmidttelescopeatKvistabergisthelargestopticaltelescopeinSwedenandwasoperationalin1963 HubbleSpaceTelescope 天文學的觀測工具 射電望遠鏡 NRAO140FootTelescope inGreenBank WestVirginia Explorer1 5 1958 1 8 Pioneer3 41958 12 1959 3 Apollo11wasthefirstmannedmissiontolandontheMoon 1969 7 天文學的觀測工具 空間探測器 神舟五號 載人飛船成功發射升空 三 天文學的分支學科 四 宇宙概觀 1 宇宙的概念 天文學所稱的宇宙是廣漠空間以及其中存在的各種天體和各種形態的物質的總稱 現有的觀測表明 我們所處的宇宙是平坦的 并在做加速膨脹 四方上下曰宇 往古今來曰宙 淮南子 空間 時間 2 物質的層次結構 微觀 宏觀和宇觀 地月系和衛星系統 太陽系 恒星和行星系統 根據2006年布魯塞爾召開的IAU大會決議 冥王星被降為dwarfplanet 從而被排除在經典行星之外 現在只有8大經典行星 Resolution5A TheIAUthereforeresolvesthatplanetsandotherbodiesinourSolarSystembedefinedintothreedistinctcategoriesinthefollowingway 1 Aplanet 1 isacelestialbodythat a isinorbitaroundtheSun b hassufficientmassforitsself gravitytoovercomerigidbodyforcessothatitassumesahydrostaticequilibrium nearlyround shape and c hasclearedtheneighbourhoodarounditsorbit 2 Adwarfplanetisacelestialbodythat a isinorbitaroundtheSun b hassufficientmassforitsself gravitytoovercomerigidbodyforcessothatitassumesahydrostaticequilibrium nearlyround shape 2 c hasnotclearedtheneighbourhoodarounditsorbit and d isnotasatellite 3 Allotherobjects 3 orbitingtheSunshallbereferredtocollectivelyas SmallSolarSystemBodies 1 Theeightplanetsare Mercury Venus Earth Mars Jupiter Saturn Uranus andNeptune 2 AnIAUprocesswillbeestablishedtoassignborderlineobjectsintoeitherdwarfplanetandothercategories 3 ThesecurrentlyincludemostoftheSolarSystemasteroids mostTrans NeptunianObjects TNOs comets andothersmallbodies Resolution5B Inserttheword classical beforetheword planet inResolution5A Section 1 andfootnote1 Thusreading 1 Aclassicalplanet 1 isacelestialbody and 1 Theeightclassicalplanetsare Mercury Venus Earth Mars Jupiter Saturn Uranus andNeptune IAUResolution Pluto Resolution6ATheIAUfurtherresolves Plutoisadwarfplanetbytheabovedefinitionandisrecognizedastheprototypeofanewcategoryoftrans Neptunianobjects Resolution6BThefollowingsentenceisaddedtoResolution6A Thiscategoryistobecalled plutonianobjects 恒星集團 恒星有集群的趨向 最簡單的恒星系統是兩顆相互繞轉的雙星 質量大的是主星 質量小的是伴星 兩子星之間除引力作用之外 還有更密切的物理聯系 比如物質交換 有兩顆以上恒星組成的恒星集團稱為聚星 也成為多合星 當在一起繞轉的恒星超過十顆時稱為星團 星團成員對于周圍的場星通常有整體的運動 星團分為球狀星團和疏散星團 疏散星團成員星比較少 在十幾到幾百顆之間 外形不規則 大多分布在銀道附近 球狀星團是銀河系中恒星分布最密集的地方 這里恒星分布的平均密度比太陽附近恒星分布的密度約大50倍 中心密度則大到1000倍左右 球狀星團成員星通常達幾萬到上千萬顆 形狀規則 在業已發現的約121個球狀星團中 約有30個在人馬座中 銀心 其余的分布在銀河系邊緣 圍繞銀心形成形成一個近乎球狀的暈輪 球狀星團的年齡一般要疏散星團的年齡大得多 英仙座雙星團 昴星團及其反射星云 年輕的疏散星團 疏散星團NGC3293 星團中的橙色亮星正在迅速變老 很可能是星團中下一個超新星 疏散星團NGC2682 M67 最老的疏散星團之一 年齡100億年 NGC5139isalsoknownasOmegaCentauri thelargestandbrightestglobularinourskies M3isoneofthenicestglobularclusterstogracethenorthernskies ItislocatedintheconstellationCanesVenatici NGC5272 在獵犬座 球狀星團 杜鵑47 NGC104 銀河系和星系 星系是包含了幾億至幾十億顆恒星以及無數雙星 聚星 星團的龐大恒星系統 太陽所在的星系成為銀河系 河外星系按形態大致分為旋渦星系 棒旋星系 橢圓星系和不規則星系 銀河系是一個漩渦星系 銀河系和星系 銀河系 仙女星系 這張哈勃圖像是2005年8 9月拍攝的 NGC1309位于距離我們地球 億光年遠的地方 它是波江座中200顆星系中的一顆 由哈勃空間望遠鏡于2004年9月拍攝的一系列照片拼接而成 NGC1300的直徑大約6900光年 21Mpc 位于波江座 巨橢圓星系M87 澳大利亞的英 澳天文臺 Anglo AustralianObservatory 拍攝M87 呈圓球型或橢球型 橢圓星系呈圓球型或橢球型 中心區最亮 亮度向邊緣遞減 橢圓星系半人馬A射電源 CentaurusA 此星系大約是在10億年前 由兩個星系面對面碰撞后形成的 HST拍攝 TheLargeMagellanicCloud LMC TheSmallMagellanicCloud SMC Lenticular S0 Galaxies Messier84Thelenticulargalaxiesarediskgalaxieswithoutanyconspicuousstructureintheirdisks Thisisprobablybecausetheyhaveeitherusedupmostoftheirinterstellarmatter sothattheyconsistofoldstarsonly whichhavefoundasmoothandevendistributioninthediskbythetime orbecausethegalaxyhasnotcloselyencounteredanyneighborinthepastfewhundredmillion orfewbillion years IrregularGalaxies SpiralGalaxies andotherdisks Lenticular S0 Galaxies EllipticalGalaxies 星系之間的相互作用 孔雀座 Pavo 中距離為75萬光年的棒旋星系NGC6872與它北面鄰居星系IC4970 NGC6872中心上方 相互作用 歐洲南方天文臺 EuropeanSouthernObservatory 的甚大望遠鏡 VeryLargeTelescope VLT 拍攝 長蛇座 Hydra 中兩個相互作用的旋渦星系 Subaru望遠鏡拍攝 星系集團 星系也有結團的現象 其結團的傾向比恒星更為強烈 在已發現的數十億個河外星系中 很少是單獨存在的 兩個互相有聯系的星系成為雙重星系 三五個或十來個在一起運動的星系稱為多重星系 而10 100個星系組成的星系集團稱為星系群 星系群NGC3190 14英寸望遠鏡拍攝 星系群NGC5985 長蛇座 Hydra 中距離至少為3億光的星系群 攝于1999年1月12