1、天 文 学,主讲教师：刘广深 教授 徐冬梅 讲师 ,课程安排,第一讲 引言（ 课程目的与安排）， 宇宙概观 第二讲 太阳系 第三讲 恒星物理 第四讲 银河系，河外星系与活动星系 第五讲 宇宙学 第六讲 天体的距离 第七讲 天文仪器的发展与天文研究手段的更新 第八讲 人类认识宇宙,第一讲 引言,天文学的研究对象宇宙概观,天文学的研究对象,宇宙中各类天体及其系统: 天体的空间位置, 空间分布, 空间运动 天体的形态, 结构, 物理状况, 化学组成 天体间相互关系 天体的起源与演化天体或天体系统 地球大气以外宇宙空间的各类客体,两个问题:,1 天文学与气象学? 2 天文学有什么用?,问题一: 天文与
2、气象的关系,气象: 地球大气范围内的现象 风云雨雪, 电闪雷鸣, 冷热变化 等等,天文: 地球以外天体的一切现象 地球本身也是一个天体 有关联 地球大气影响天文观测 天气决定观测的成败 (地面光学, 红外) 大气扰动影响成象质量 大气折射影响观测精度 等等 其他现象,厄尔尼诺现象与地球自转有关,南美洲,亚洲,西太平洋,东太平洋,天文与气象,地球绕太阳公转 黄道与赤道 存在23交角气候的四季变化,天文与气象,月球对地球 的引力作用海水每天的潮起潮落,问题二: 天文学有什么用 ?,天文学是一门古老的学科,是一门观测的科学, 在历史上它与人类的生产活动和日常生活密切 相关, 例如: 季节的变化, 潮
3、水涨落, 野外方向的确定等等,中华文明为什么能在5000年的历史长河上不断 繁荣发展, 中国古代天文学的高度发达有重要的 作用 ! 李政道, 2001, 北京,1。天文学对基础学科的作用,数学：天体位置的确定，观测数据的处理都需要数学。 推动数学发展的动力 物理：经典力学体系，万有引力定律的发现 研究太阳系内天体的运动的需要海王星的发现 证实了万有引力定律 广义相对论的科学验证：天文学家极端条件下的物理规律：天体环境 天体物理学 (Astrophysics) 主流学科 化学：He元素是天文学家在太阳光谱上首先发现的。研究宇宙中气体和尘埃的相互作用，形成机制。元素的起源 天体化学 (Astroc
4、hemistry) 新兴学科,宇宙中各类元素的丰度分布,天体化学,1。天文学对基础学科的作用,生物：天文学家通过研究不同天体环境中的生物分子，了解构成生命的组件的起源、这些生物分子如何构成生命、生命怎样与其诞生的环境互相影响，以及最终探究生命能否及怎样扩展到其母行星之外。 地外文明天文生物学 (Astrobiology) 新兴学科地外生物学 (Exobiology),2。天文学对技术科学的推动作用,天文望远镜 ：光学，机械，控制天文探测器 ：CCD(电荷耦合器件)，军事应用天文干涉技术：射电，光学空间望远镜 ：航空航天技术等等,目前世界上最大的单个地面望远镜,口径 10 米,甚长基线射电干涉仪
5、 Very Long Baseline Interferometer -VLBI,EVN台站分布,上海,乌鲁木齐,VSOP (日本1997),空间 射电望远镜口径 8 米,欧洲南方天文台VLT 4 个 8 米 光学望远镜,组成光干涉仪，口径可达 100米，光学波段，2012年,哈勃空间望远镜(1990),按收天线口径 D2.4 m,下一代空间望远镜（NGST, 2012）,D 8m,3。天文学对哲学的意义 人类如何认识宇宙,地心说日心说大爆炸理论太阳系的起源到宇宙的起源,4。天文学对工农业生产的作用,计量时间 时间标准,用于尖端科学 星表,年历的编制 农业生产,航海,航空,航天精密定轨, 测距
6、 卫星轨道天文高灵敏度探测器 遥感, 军事。,天文学的分支,天体测量学 天体的位置及其变化 天体力学 太阳系天体的运动规律 天体物理学 天体物理本质研究,天体物理学 ：形态，内部结构，物理状态，化学组成，相互关系起源，演化和死亡 实测天体物理 天体的观测方法，观测结果 理论天体物理 观测现象的解释,天体物理学: 天体物理本质研究,太阳物理：太阳的本质，能源问题 太阳系物理学(行星物理)： 太阳系其他小天体的性质 太阳系的起源 恒星物理：研究恒星的结构，演化和死亡 恒星天文学(银河系天文学)： 银河系恒星，恒星集团的分布和运动 星云，星际介质的物理性质，分布和运动 银河系的整体结构,天体物理学:
7、 天体物理本质研究,5. 星系天文学(河外天文学)：银河系之外 星系的形态，运动，结构，起源，演化 星系的相互作用 宇宙学的重要基础之一 6. 高能天体物理学：天体的高能现象 类星体，活动星系核 ( 吸积过程 ) 超新星爆发，脉冲星 X射线源，射线源， 暴 7. 等离子体天体物理 用等离子体物理的方法研究天文现象,天体物理学: 天体物理本质研究,8. 相对论天体物理：引力理论为基础 宇宙大尺度结构 致密天体，如中子星，白矮星，黑洞等 引力波，引力透镜 9. 宇宙学：宇宙的整体研究；观测和理论 大爆炸理论 宇宙大尺度结构的形成和演化 10. 天体演化学：太阳系，恒星，星系，宇宙 动力学演化，化学
8、演化化学元素的起源，宇宙中的分布，变化规律,天体物理学: 天体物理本质研究,从观测方法上分：光学天文学 : 地面，空间 红外天文学 ：地面，空间 射电天文学 ：地面，空间 空间天文学 ：空间探测器,X射线天文学 ：空间 (2002年 Nobel 物理学奖) 射线天文学 ：空间,2002年诺贝尔物理学奖, 2002年诺贝尔物理学奖授予美国科学家雷蒙德.戴维斯、日本科学家小柴昌俊和美国科学家里卡尔多.贾科尼，他们“在天体物理学领域做出的先驱性贡献”打开了人类观测宇宙的两个新“窗口”。 戴维斯和小柴昌俊在“探测宇宙中微子”方面取得的成就，这一成就导致了中微子天文学的诞生； 贾科尼在“发现宇宙X射线源
9、”方面取得的成就， 这一成就导致了X射线天文学的诞生。,与天体物理有关的诺贝尔物理学奖 8 项,1936年 V.F.赫斯（奥地利人） 发现宇宙射线 1948年 P.M.S.布莱克特（英国人） 改进了威尔逊云雾室方法，核物理领域和宇宙射线方面的一系列发现 1967年 H.A.贝蒂 （美国人） 发现了星球中的能源 1974年 M.赖尔、A.赫威斯（英国人） 从事射电天文学方面的开拓性研究 1978年 A.A.彭齐亚斯、R.W.威尔逊（美国人） 发现宇宙微波背景辐射 1983年 S.昌德拉塞卡、W.A.福勒（美国人） 恒星演化的物理过程的研究 1993年 R.A.赫尔斯、J.H.泰勒（美国人）发现脉
10、冲双星, 为有关引力的研究提供了新的机会 2002年 R. 戴维 斯(美国)、小柴昌俊(日本), C贾科尼(美国) 中微子天文学, X射线天文学,天 文 学,宇宙学河外星系银河系恒星太阳系太阳,天体演化学,天文学史天体测量学天体力学天体物理学,光学天文红外天文射电天文空间天文,观测手段分类,研究方法分类,数学,物理学,化学和生物学,宇宙概观,宇宙概观,HUBBLE 深空图,宇宙概观,M101 旋涡星系,宇宙概观,银河系红外图,宇宙尺度的衡量,微观世界宏观世界,电子 10 13 m 1 1010 m 最大的原子 5,地球：最高的山 8850 m地球半径 6400 km太阳系： 日地平均距离 1.
11、5 亿 km 定义为 1天文单位 ( 1AU )恒星际空间：秒差距 ( pc ), 光年 (ly),天体的距离单位, 1天文单位(AU) = 太阳到地球的平均距离 1.5 108公里 （ 1.5亿公里） 1光年( ly ) 0.95 1013公里 1秒差距 ( pc ) 3 1013 公里 1pc 3.26 ly. 2 105 AU1Kpc = 103 pc (星团与星系尺度) 1Mpc = 106 pc (星系团与宇宙尺度),最近的恒星 ：半人马 (比邻星), 1.3 pc ( 4.22 ly.) 最近的疏散星团 ：毕星团(Hyades), 44 pc (135 ly.) 最近的河外星系 ：
12、大麦云(LMC)，52 Kpc 目前发现的最远天体：180亿光年 5500 Mpc,各种层次的天体 (质量),恒星, 如太阳(系) (star) 1 (M),星团(cluster), 10 3 7 如疏散星团(open cluster), 球状星团(globular cluster),星系(galaxy) 1012 如银河系( the Milky Way),星系团(cluster of galaxies), 如Virgo, Coma 1016,超星系团 (super clusters of galaxies) 1017,宇宙 (cosmos, universe) 1018,太阳与太阳系,1.
13、太阳是一颗普通的恒星 (主序恒星) 2. 太阳系的组成: 九大行星,小行星,彗星,流 星,固体微粒等 3. 太阳系的起源: 星云学说,太阳系物理学 (solar physics)或行星物理 (planetary physics),恒星,恒星的定义:本身会发光的星球 能源：内部核燃烧 2. 星座: 天上人为划分的一些区域 3. 恒星的分类: 正常恒星和变星,黄道十二宫,白羊宫(Aries), 金牛宫(Taurus), 双子宫(Gemini) 巨蟹宫(Cancer), 狮子宫(Leo), 室女宫(Virgo), 天秤宫(Libra), 天蝎宫(Scorpius), 人马宫(Sagittarius)
14、, 摩羯宫(Capricornus), 宝瓶宫(Aquarius), 双鱼宫(Pisces),恒星集团,恒星的集合体: 双星 2颗恒星, 亮:主星;暗:伴星 多合星 3颗以上 星团 超过几十颗恒星时疏散星团, 星数 几十到几百球状星团, 星数几千到几千万,恒星世界 多彩多姿,R (km) ：107-109 M (M)：0.08-120 ：10-9-1015 g/cm3 T ：103-104 K,疏散星团Hyades (毕星团),球状星团M22,银河系和星系,星系: 比星团更高一级的层次就是星系108 到 1012 恒星,双星,聚星,星团,气体银河系 : 太阳所在的星系是一个旋涡星系河外星系 :
15、 银河系以外的星系,银河系top view,银河系光学图,银河系红外图,星系集团,星系有成团的倾向双重星系 2个有物质联系的星系多重星系 3到10余个星系群 10余到上百个星系团 上百到几千个超星系团 2到3个星系团,河外星系M101,Face-on,河外星系NGC891,Edge-on,Spiral 旋涡星系,大量的冷气体 尘埃 有年老和年轻恒星 质量 1091011M 直径 6 到 15 kpc,NGC1232,椭圆星系 Elliptical,没有(或少量)气体 没有年轻恒星 年老恒星 质量 1061013M 直径 1到150 kpc,不规则星系 Irregulars,形状非常没有规律 气
16、体和尘埃多少不定 有年老和年轻恒星 质量大约108到1010M 直径 2 到9 kpc,活动星系 如类星体,这类天体一般与星系核中的高能事件有关如黑洞,吸积盘,喷流等.,两个相互作用的星系,Coma 星系团,观测宇宙, 观测宇宙:观测所及的宇宙部分 宇宙学:研究宇宙作为整体的结构情况 宇宙学原理宇宙物质分布在大尺度上均匀和各向同性,均匀与各向同性,宇宙大尺度巡天图,宇宙的演化 从何而来，去往何方？,地球生命演化和 “宇宙年历“,50亿年 = 1宇宙年 1亿年 = 1宇宙 1400万年 = 1宇宙日 160年 = 1宇宙秒,Cosmic Calendar:,假设宇宙年龄 150亿年,历史事件 宇
17、宙大爆炸 太阳和地球形成 蓝绿藻类 有细胞核的大细胞 复杂的多细胞生命 植物和动物出现 恐龙时代 北京人出现 尼安特人出现 现代人出现 人类开始有文字记载 人类实施第一项射电观测计划,宇宙年历 3年前 第三年1月份 34月 9月 10月下旬 11月底 12月15日25日 12月31日23时 12月31日23时50分 12月31日23时55分 12月31日59分30秒 12月31日59分59.7秒,变星,稳定是指恒星处于流体静力学平衡和热力学平衡状态：在星体内部每一点上所受到了引力与压力相平衡；在星体表面每秒促辐射损失的能量与从内部产生、传递出的能量相平衡。稳定恒星的温度、光谱、亮度、体积和质量
18、都是基本上保持不变的。,在较长时间内（几年几天或几小时），亮度有明显变化的恒星都称为变星。,一、脉动变星 1 长周期变星：如鲸鱼座o，亮度像人的脉搏一样有节奏地变化，变化范围从1.7星等到10星等，平均周期为332天。 脉动变星亮度脉动变化的原因是星体有节奏的膨胀和收缩。这是主序星演化到晚期脱离主序后出现的一种结构不稳定的现象。 2 造父变星： 3 天琴座RR型变星 二、非径向脉动与特殊变星 1 非径向脉动 2 A型特殊星 3 早型发射星 4 SS433星 三、耀星、新星和超新星 1 耀星：在很短的时间内，星的亮度突然增加，增加率超过每分钟0.3个星等的星称为耀星。耀星是类似太阳耀斑的恒星突然耀亮的现象，为年轻恒星所特有。 2 新星：有时在天空中原有没有星的地方，突然出现一颗很亮的星，在12天中亮度迅速增加，达到极大后又逐渐减弱，在几年或几十年后慢慢消失。 3 超新星：一颗很大的恒星，演化到后阶段，核燃料全部耗尽的时候，辐射压力突然消失，只剩下巨大的引力，使全部物质在很短的时间里迅速拥向中心，从而引发猛烈的爆炸，亮度急剧增加。爆炸以后，原来的恒生不复存在，或全部质量抛向太空，留下一片弥漫的星云，逐渐扩散消失，一切荡然无存；或剩下少量物质，在弥漫星云中心凝聚成致密的天体中子星或黑洞。这就是超新星。,
