天文基础知识(1).ppt
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1、天文基础知识天文基础知识恒星和星系恒星和星系太阳和太阳系太阳和太阳系月球和地月系月球和地月系天体第一讲第一讲 恒星和星系恒星和星系恒星恒星星系星系恒星的运动恒星的运动一、恒星一、恒星恒星的距离恒星的距离恒星的发光和光谱恒星的发光和光谱恒星的亮度和光度恒星的亮度和光度星座的划分星座的划分恒星的多样性恒星的多样性恒星的概念恒星的概念恒星的演化恒星的演化恒星是由炽热气恒星是由炽热气体组成的、能够自身体组成的、能够自身发光的球形或类似球发光的球形或类似球形的天体。形的天体。质量质量巨大巨大在自引力作用下,在自引力作用下,呈球形或类球形呈球形或类球形 中心温度很高,通过中心温度很高,通过核反应发射可见光
2、核反应发射可见光 恒星的概念恒星的概念恒星的运动恒星的运动运动速度一般为运动速度一般为几十几百几十几百KM/S。视向速度和切向速度视向速度和切向速度 自行自行:由恒星运动:由恒星运动引起的在地球上观引起的在地球上观测角度的差异。测角度的差异。据测定,恒星的自行量均很小,最大的为巴纳德星1031/年,相当于从16KM外看3个硬币的宽度。在已测定的30万颗恒星的自行中,1/年只有400余 颗,一 般01/年。视向速度和切向速度视向速度和切向速度自行自行V视V切地球10万万年年前前10万万年年后后现现在在北北斗斗七七星星的的自自行行恒星的距离恒星的距离距离的测定距离的测定 周年视差法周年视差法天文学
3、上的距离单位天文学上的距离单位恒星的距离恒星的距离天文单位(A.U):光年(L.Y):秒差距(P.C):日地平均距离。光在真空中一年所走的距离。周年视差为1秒的恒星距离。1A.U=1.496108KM 1L.Y=9.5 1012KM =63240AU1P.C=3.26LY=206265AU恒星距离(p.c)=1周年视差()周周年年视视差差示示意意图图基线视差11p.c周年视差:地球轨道半径对于恒星的最大张角。有关天体有关天体的距离的距离最近的恒星:4.22光年(半人马座)牛郎星:16光年织女星:26光年北极星:682光年星座及其划分星座及其划分星座的概念星座的划分恒星的命名相互邻近的恒星所组成
4、的图形及这个图形所占据的区域 星座希腊字母 1928年,国际天文学联合会将全天划分为88个星座。黄道天区12个,北天天区29个,南天天区47个主要星座星座的由来星座的由来黄道黄道12星座星座白羊座 金牛座 双子座 巨蟹座 狮子座 室女座天秤座 天蝎座 人马座 摩羯座 宝瓶座 双鱼座恒星的命名恒星的命名主要星座主要星座春季星空夏季星空秋季星空冬季星空大熊座 牧夫座室女座狮子座天鹅座天琴座天鹰座仙后座飞马座仙女座仙王座猎户座大犬座小犬座双子座御夫座金牛座洪恩在线天文大观恒星的发光和恒星的发光和光谱光谱发光条件光谱型质量质量发展阶段发展阶段不同光谱型的不同光谱型的差别主要在于星光差别主要在于星光颜色
5、,而星光的颜颜色,而星光的颜色代表着恒星温度色代表着恒星温度的高低。的高低。光谱型颜色温度(K)O蓝35万B蓝白2万A白1万F黄白7500G黄6000K橙4500M红3000恒星的光谱恒星的光谱光谱:不同波长的光谱:不同波长的光波按波长顺序排光波按波长顺序排列成的一条光带。列成的一条光带。光谱具有不同的类光谱具有不同的类型。型。恒恒星星的的光光谱谱型型恒星的亮度和光度恒星的亮度和光度亮度和亮度和视星等视星等光度和绝对星等光度和绝对星等亮度指恒星看上去的明亮程度,光度是恒星本身的发光强度。影响亮度的因素:恒星的光度恒星的距离影响光度的因素:恒星的温度恒星的体积E1E2 d2 2 d1 2 绝对星
6、等:恒星距离为10秒差距时的视星等。绝对星等和视星等的换算绝对星等和视星等的换算视星等的由来视星等的由来古希腊学者喜帕恰斯根据肉眼观测,将全天最亮的21颗星的亮度定为1 1等,将肉眼刚好能看到的星定为等。介于其间的星按亮度大小分别定为2 2、3 3、4 4、5 5等。这便是古代的视星等。16-17后人通过测定,等星平均比等星亮100倍。根据这个关系,人们推算出星等每相差级,其亮度相差2.512倍。即:E1E2 2.512 2有有关关天天体体的的视视星星等等天体视星等太阳太阳-26.74月亮月亮-12.7金星金星-4天狼星天狼星-1.45北极星北极星2肉眼可见肉眼可见的最暗星的最暗星6绝对星等和
7、视星等的换算绝对星等和视星等的换算设一颗星,其距离为秒差距,视星等为,亮度为Em当其距离为10秒差距时,绝对星等为M,光度为EMEM Em 2.512mMM Em d2102即:2.512mM d2102(mM)lg2.512lg d2 lg1020.4(mM)2lgd2Mlgd两边取对数:恒星的多样性恒星的多样性双星和星团变星巨星、超巨星、白矮星组成数量的差异光度的差异体积的差异脉冲星和中子星双星和星团双星和星团双星:空间距离接近,彼此之间具有力学上的联系,相互环绕转动的两颗星。星团:许多恒星集中分布在一个较小的空间,彼此具有物理联系的恒星集团。食双星疏散星团球状星团北斗七星北斗七星金牛座中
8、的双星金牛座中的双星(两星彼此相距(两星彼此相距4545天文单位)天文单位)疏散星团疏散星团形态不规则包含几十至二、三千颗恒星很容易用望远镜区分巨蟹座疏散星团金牛座昴星团球状星团球状星团武仙座球状星团,250万颗恒星,2.5万光年半人马座球状星团人马座球状星团球形或扁球形包含11000万颗恒星星团中央十分密集变星变星有些恒星的光度在短时期内会发生明显的、特别是周期性的变化,这样的恒星叫变星。脉动变星新星超新星恒星体积发生周期性膨胀或收缩引起的光度变化。亮度在短时间内(几小时至几天)突然剧增,然后缓慢减弱的一类变星。爆发规模更大的变星,亮度的增幅为新星的数百至数千倍。新新星星爆爆发发1975年天
9、鹅座新星爆发前后1992年天鹅座新星的爆发年天鹅座新星的爆发超新星超新星爆发爆发超新星1987A爆发前后1987A遗迹(1994.2)1054年金牛座超新星爆发年金牛座超新星爆发“至和元年(1054年)五月,晨出东方,守天关,昼见如太白,芒角四出,色赤白,凡见二十三日。”1731年,一位英国天文爱好者在这个位置上观测到一个外形似螃蟹的天体,叫蟹状星云。超巨星超巨星巨星、超巨星、白矮星巨星、超巨星、白矮星赫罗图恒星类型赫兹普龙罗素光度温度坐标图温度 高低光度 大小不同的恒星类型不同的恒星类型主序星巨星超巨星白矮星恒星的光度随温度的升高而增大温度较低,但光度较同温度的主序星大,说明该星体积很大温度
10、高低不一,但光度都较大,说明其体积均很大温度很高,但光度较小,说明其体积小 脉冲星和中子星脉冲星和中子星中子星由中子组成的恒星脉冲星实际上是具有强磁场的、快速自转的中子星。周期性发出强烈的脉冲辐射脉冲星恒星的演化恒星的演化星云在引力作用下,不断收缩,逐渐聚集成团,形成比较密集的气体球。开始核反应,发射可见光。恒星的特点取决于恒星的质量。恒星中心区域的核反应停止,外层的氢开始核反应,恒星膨胀。核反应完全中止,恒星迅速坍缩。依质量不同,演化为矮星、中子星或黑洞矮星、中子星或黑洞恒星演化过程示意图主序星阶段巨星阶段死亡阶段原恒星阶段恒星由星云(气体和尘埃)凝聚而来。质量对主序星的影响质量对主序星的影
11、响质量大的恒星参加核反应的物质多,产生的能量大,故光度大,温度高。大质量恒星的核心温度更高,核反应消耗氢的速度比较快,因此其生命历程相对来说要短得多。影响恒星寿命的长短影响恒星温度的高低恒星的死亡恒星的死亡较小质量恒星较大质量恒星巨星阶段之后,恒星的外壳一直向外膨胀,形成行星状星云。中心部分收缩为一颗密度极大的白矮星白矮星。经历超新星爆发,星体物质大量抛射到宇宙空间,核心遗留下来两种特殊形态的天体中子星中子星或黑洞黑洞。行星状星云行星状星云宝瓶座行星状星云。天琴座环状星云太阳的归宿超新星遗迹超新星遗迹金牛座超新星爆发后的遗迹蟹状星云。中部存在一颗极致密的中子星。星云星云恒星的诞生地恒星的诞生地
12、猎户座星云M16鹰状星云原原恒恒星星形形成成示示意意星云在引力作用下收缩星云碎裂继续收缩为原恒星开始核反应 进入主序阶段猎户座红巨星猎户座红巨星太阳的未来太阳成为红巨星后的地球景观太阳成为红巨星后的地球景观恒星演化示意图恒星演化示意图二、星系二、星系星系是由大量恒星和星云构成的天体系统。银河系河外星系星系命名星系分类宇宙的起源与演化星系命名星系命名按所在星座命名按星表序号命名梅西耶星表:M31星云星团新总表:NGC224星云星团新总表(New General Catalogue)简称为NGC,共收录7840个星云、星团和星系。后面的数字是天体在该表中的编号。仙女座星系梅西耶星表梅西耶星云星团表
13、(Messier catalogue)由法国天文学家梅西耶编制,收录天体109个,简称M。M后的数字是天体在该表中的编号,称为梅西耶号数。Charles Messier星系的星系的哈勃哈勃分类分类外形呈正圆形或椭圆形,中心亮,边缘渐暗。外形呈旋涡结构,有明显的核心,有几条旋臂。外形没有明显的核心和旋臂,呈不规则的形状。旋涡星系不规则星系椭圆星系椭圆星系椭圆星系按星系椭圆的扁率从小到大分别用E0-E7表示M87E1室女座M49E4室女座NGC205E6仙女座NGC3115E7六分仪座M89E0室女座旋涡星系旋涡星系中央无棒状结构的旋涡星系,用S表示中央有棒状结构的棒旋星系,用SB表示M65Sa狮
14、子座M66Sb狮子座M51Sc猎犬座M95SBb狮子座M109SBc狮子座M58SBa室女座不规则星系不规则星系不规则星系中含有更多的尘埃和气体,用Irr表示大麦哲伦星系银河系银河系银河系结构:核球、银盘、银晕约2000亿颗恒星1400亿倍太阳质量太阳在银河系中的位置和运动距银心2.4万光年的银道面附近 250KM/S的速度绕银心旋转,周期为2.5亿年 银河系结构银河系结构核球恒星最密集的区域直径约1万光年核球银盘核球周围的扁状圆盘直径约8万光年银盘银晕银盘周围由较稀疏的恒星构成的球体 直径10万光年以上银晕银道面2.4万ly河外星系河外星系银河系之外其他星系的统称星系团:比星系群更加庞大的天
15、体系统星系群:相互邻近的星系结合而成本星系群总星系:目前观测工具所能察觉到的宇宙空间银河系的近邻美国天文学家哈勃美国天文学家哈勃1924年,哈勃哈勃准确测定出仙女座星云的距离,证明它是在银河系之外的一个巨大、独立的恒星集团。从此,仙女座星云改称仙女座星系仙女座星系。几几个个银银河河系系的的近近邻邻大小麦哲伦星系大麦哲伦星系小麦哲伦星系距离 16万光年19万光年质量1/20银河系质量1/100仙女座大星系,距离220万光年大麦哲伦星系猎犬座星系M51室女座星系M104星星系系群群后后发发座座星星系系团团宇宙的起源与演化宇宙的起源与演化宇宙的含义宇宙演化模型大爆炸宇宙学简介哲学无限的宇宙科学有限的
16、宇宙稳恒态宇宙模型演化态宇宙模型伽莫夫1948年 演化过程宇宙的未来观测证据大爆炸演化过程大爆炸演化过程100亿度基本粒子10亿度化学元素几千度气态物质宇宙的演化由热到冷。在这个时期里,宇宙体系在不断地膨胀,物质密度从密到稀,如同一次规模巨大的爆发。大爆炸理论的观测证据大爆炸理论的观测证据天体的年龄星系的退行宇宙背景辐射各种天体的年龄都小于200亿年哈勃定律:远处的星系正急速地远离我们而去,且星系退行速度与它们的距离成正比 自大爆炸至今,宇宙剩余的温度大约为3k 宇宙的未来宇宙的未来取决于宇宙的质量取决于宇宙的质量没有足够的引力阻止膨胀,宇宙膨胀将永无止境。质量足够大闭合的宇宙由此产生的巨大的
17、引力会使得膨胀最终停止并接下来收缩,最终回复到大爆炸发生时的极高密度和极高温度状态。质量不够大开放的宇宙第二讲第二讲 太阳和太阳系太阳和太阳系太阳太阳太阳系太阳系一、太 阳(一)太阳的距离、大小和质量q日地平均距离:1.496 108km(即天文单位)q大小:半径约700 000km(为地球半径的109倍)q表面积:地球表面积的12 000倍 q体积:地球体积的1 300 000倍q质量:1.9891030kg(约为地球质量的33万倍)q重力加速度:274m/s2 测定日地距离的第一步:通过小行星距离的测定,得a1-a 测定日地距离的第二步:按开普勒第三定律,二行星公转周期的平方之比,等于它们
18、同太阳距离的立方之比。设地球和小行星的公转周期分别为T和TI,那么便有 测定日地距离的第三步:解二元一次方程组推算出日地距离最新值为 1.49597892 108km。太阳质量测定:mV2/R=J=F=GMm/R2 M=RV2/Gl重力加速度:g=F/m=GM/R2(二)太阳的热能、温度和热源q太阳热能v太阳常数:8.16J/(cm2min);v平均距离,太阳直射,大气界外;v太阳辐射总量:3.826 1026J/s;v地球所得:1.74 1017J/s(占22亿分之一)。q太阳温度v根据太阳辐射热量推算的温度称有效温度;v根据太阳辐射光谱测定的温度称辐射温度;v太阳光球温度:5 770K;v
19、太阳中心温度:15 000 000K;v色球温度:100 000K;v日冕温度:1 500 000K。q太阳热源v产热过程:热核反应(氢核聚变为氦核);v产热方式:质量转化为能量;v产能中心:在太阳核心。图2-8 推测出的太阳结构与剖面示意图(三)太阳结构 太阳是我们惟一能观测到表面细节的恒星。直接观测到的是太阳的大气层,它从里向外分为 光球色球日冕(四)太阳活动:太阳大气各种变化的总称(太阳“天气变化”)q黑子:扰动太阳的明显标志。q耀斑:扰动太阳的主要标志,对地球的影响最强烈。q磁暴:电离层干扰。产生极光。二二、太太阳阳系系太阳系是由太阳、八大行星及其卫星、矮行星、太阳系小天体及行星际物质
20、组成的天体系统。太阳系的发现太阳系的组成太阳系的结构和运动太阳系的起源太阳系的发现太阳系的发现古代人对宇宙的认识托勒密的地心体系日心地动说的确立网站链接洪恩在线天文学家古代人对宇宙的认识古代人对宇宙的认识从直观上:地心说的萌芽地静天动,地居中心地动天静从运动的相对性上:地动说萌芽坐地观天地心说的代表地心说的代表天如鸡子,地如中黄。张衡:浑天说地居中心,其他天体绕地球运转。亚里士多德:地球中心说从盖天说到浑天说从盖天说到浑天说春秋时期 盖天说天在上地在下东汉时期 浑天说天如鸡子地如中黄地动说的代表地动说的代表赫拉克里的斯阿里斯塔克尚书 纬 考灵曜“与其设想整个天穹在环绕大地旋转,倒不如设想大地在
21、绕着自己的轴线旋转。”根据粗略的测量,得出“日比地大”的结论,从而断定地球绕太阳运动。地体虽静,而终日旋转,如人坐舟中,舟自行动,而人不自知。托托勒勒密密的的地地心心体体系系公元二世纪,希腊天文学家托勒密,创立了完整的宇宙体系托氏地心体系。托氏地心体系要点从亚里士多德到托勒密亚里士多德:地球中心说阿波隆尼:本轮均轮模型地球中心说图示行星亮度的变化行星的逆行行星的逆行逆 行西东本轮均轮模型本轮均 轮西东托氏地心体系要点托氏地心体系要点地球静止在宇宙中心宇宙有九重天原动天推动各层天自东向西作周日运动,同时各行星在自己的本轮上作匀速转动除恒星天外,其余七重天又都有各自的与周日运动方向相反的运动月 水
22、 金日 火 木 土 恒 原动天对地心体系的评价对地心体系的评价对地心体系的评价标志着人类认识宇宙的一个阶段符合直觉印象,比较好的解释了行星的运动,是系统的总结前人对宇宙的认识后形成的一个完整的宇宙体系。后为欧洲中世纪教会所利用教会宣扬,上帝创造了日月星辰和人,并把人放在地球上,使地球居于宇宙的中心,其他的日月星辰均是为了地球而存在的。科学只是教会恭顺的婢女,它不能超越宗教信仰所规定的界线,因而根本不是科学。恩格斯反杜林论上帝创造世界时如果向我征求意见的话,天上的秩序可能安排得更好一些。哥白尼(1473-1543)波兰天文学家。通过近40年的观测和研究,在1543年出版巨著天体运行论,彻底推翻了
23、托勒密的地心体系,提出了新的宇宙体系日心体系。日心地动说的确立日心地动说的确立哥白尼日心体系的要点太阳是宇宙的中心地球只是一颗行星,同其他行星一起绕太阳公转日月星辰的东升西落是地球自转的反映月球是地球的卫星,每月绕地球一周,同时跟随地球绕日公转日心学说的发展布鲁诺伽利略开普勒牛顿月 水 金日火木 土 恒 原动天地心体系图示:水 金火 木土 恒星天日心体系图示:布鲁诺(1548-1600)意大利哲学家意大利哲学家宇宙是无限的。在太阳系之外有着数不尽的世界,我们所看到的世界只是无限宇宙中非常渺小的一部分。太阳不是宇宙的中心,无限的宇宙根本没有中心。论无限宇宙及世界(1584年)伽利略(156416
24、42)意大利天文学家。是用望远镜观察天体并取得大量成果的第一人,被誉为“天空中的哥伦布”。月亮并不象亚里士多德所说的那样完美无缺;木星有四颗卫星,它们绕木星而不是绕地球转动;银河是由大量恒星构成的。星界的报告(1610年)开普勒(1571-1630)德国天文学家。在丹麦皇家天文学家第谷大量观测资料的基础上,开普勒总结出行星运动的三大定律,为人们描绘出行星运动的轨道,被誉为“天空立法者”。行星划出一个以太阳为焦点的椭圆;由太阳到行星的矢径在相等的时间内划出相等的面积;行星公转周期的平方与它同太阳距离的立方成正比。哥白尼天文学概论(1618年)牛顿(1642-1727)英国科学家。发明了微积分;发
25、现了万有引力定律;系统总结了物体运动三大定律;发明了反射式望远镜。如果我比别人看得远些,那是因为我站在巨人们的肩上。利用万有引力定律,英国的亚当斯和法国的勒维耶计算出当时上不为人们所知的海王星轨道,被称作“笔尖上的发现”。哥白尼的太阳系学说有三百年之久,一直是一种假说,这个假说尽管有99%、99.9%、99.99%的可靠性,但毕竟是一种假说。而当勒维耶从这个太阳系学说所提供的数据,不仅推算出还存在一个尚未知道的行星,而且还推算出这个行星在太空中的位置的时候,当后来伽烈确实发现这个行星的时候,哥白尼的学说就被证实了。恩格斯第谷的宇宙体系第谷的宇宙体系(1546-1601)木星及其卫星木星及木卫一
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