天文学导论全册配套精品完整课件

1、天文学导论全册配套精品天文学导论全册配套精品完整课件完整课件天文学导论天文学导论康德：“世界上有两件东西能够深深地震撼人们的心灵，一件是我们心中崇高的道德准则，另一件是我们头顶上灿烂的星空”。爱因斯坦：“宇宙中最不可理解的事情是宇宙是可以理解的。”教材阅读教材阅读 Chapter 1: Why Learn Astronomy? APPENDIX 1: Mathematical Tools APPENDIX 2: Physical Constants and Units APPENDIX 3: Periodic Table of the Elements课程基本信息课程基本信息 课程中文名称：天

2、文学导论 课程英文名称：INTRODUCTION TO ASTRONOMY 课程学时数： 3学时/周 * 16周 = 48 学时 课程学分：3张有宏的办公信息张有宏的办公信息 办公室: 天文台3层 电话: 62794780 邮箱: 助教：负责答疑、课外活动助教：负责答疑、课外活动 李文雄办公室：天文台二层电话箱： 张凯程办公室：天文台二层电话：箱： 芮黎明：办公室：天文台二层电话：箱：主教材主教材 http:/ 图书馆有一本纸版 电子版：请到网络学堂的课程文件下载课件课件 课件较为详细，考试内容全部依据课件 课件放在

3、网络学堂上供大家课前预习和课后复习 所有课件仅供学习用，请勿传播！课程目的课程目的 利用大量天文图片，通过观测现象来理解行星、恒星、星系的物理机制以及宇宙的整体性质。 系统介绍现代天文学知识和前沿进展，使不同专业的学生对现代天文学有一个比较广泛且比较深入的了解。第第1讲：天体的视运动讲：天体的视运动 由地球的自转、公转以及地轴进动所导致的天体的视运动规律星座天体的周日、周年视运动天球坐标系月相日月食北天极附近的星轨 北极星北极星第第2讲：天体的运动讲：天体的运动(天文学发展史天文学发展史) 托勒密的地心说 哥白尼的太阳中心说 第谷的杰出观测 开普勒的行星运动定律 伽利略的天文大发现 牛顿的引力

4、理论 爱因斯坦的相对论现代天文学（科学）是如何建立和发展的!第第3讲：光与天文望远镜讲：光与天文望远镜 天文学家所获得的宇宙信息几乎都来自宇宙天体所发射的光（辐射） 光（辐射）是电磁波：全（多）波段天文学 多信息天文学 Multi-messenger astronomy 宇宙线、中微子、引力波（即将探测到？）各种类型的天文望远镜第第4讲：讲： 太阳系太阳系1：八八大行星大行星类地行星类地行星Venus 金星Mercury 水星Mars 火星 Earth 地球类木行星类木行星Jupiter 木星Uranus 天王星Neptune 海王星Saturn 土星第第5讲：太阳系讲：太阳系2：“矮行星矮行

5、星”和小天体和小天体Asteroids小行星Comets 彗彗星星Meteors 流星（体）流星（体）Meteorites陨石陨石矮行星矮行星太阳系的形成太阳系的形成第第6讲：系外行星（与地外生命）讲：系外行星（与地外生命） 数千系外行星已被发现 主要探测方法和重要结果 太阳系不是惟一的！ 生命是否普遍存在？ 已发现超级地球、准地球？ “地外生命存在吗？我们能够和外星人联系吗？我们将会和外星人联系吗？”第第7讲：太阳与恒星讲：太阳与恒星 太阳的结构 太阳的能源 太阳的活动 日地关系恒星恒星 恒星参数的测定视星等距离颜色温度质量双星双星天鹅座天鹅座 CygnusCygnus星团星团第第8讲：讲：

6、 恒星的形成恒星的形成 星际介质 恒星的形成 主序恒星第第9讲：小质量恒星的演化讲：小质量恒星的演化 白矮星 双星的演化 Ia型超新星爆发行星状星云第第10讲：大质量恒星的演化讲：大质量恒星的演化 超新星爆发对于我们的存在至关重要！ 中子星 黑洞（恒星级）第第11讲：膨胀宇宙讲：膨胀宇宙宇宙学原理宇宙在膨胀宇宙开始于大爆炸宇宙微波背景辐射 大爆炸核合成第第12讲：星系讲：星系 星系的分类 银河系概观 星系中的恒星 星系由暗物质主导 类星体与活动星系核 星系中心的超大质量黑洞第第13讲：当代宇宙学讲：当代宇宙学宇宙的物质密度加速膨胀的宇宙与暗能量暴胀宇宙最早期宇宙多重宇宙第第14讲：宇宙的大尺度

7、结构讲：宇宙的大尺度结构星系团与大尺度结构结构的起源第一缕星光星系的演化银河系的形成与演化像天文学家那样思考：行星像天文学家那样思考：行星像天文学家那样思考：行星像天文学家那样思考：行星 2006，冥王星由行星到矮行星。太阳系8大行星，什么到底是行星？ 行星原始意义：相对于背景恒星（图案）改变位置（金木水火土） 天王星（移动缓慢）：1781，赫歇尔 （小行星带）：谷神星（1801），智神星（1802），婚神星 （1804），灶神星（1807） 。小行星（赫歇尔）PK 行星 海王星，肉眼不可见。1864，预言后被发现像天文学家那样思考：行星像天文学家那样思考：行星 19世纪早期，11 个行星！1

8、（1845），3（1847），7（1851）。1868，美国海军天文台用asteroids标定这些小天体,small planets (1892)，minor planets (1900), asteroids (1929) 1930, 发现冥王星，大小与重量（地球），第9个行星。质量冥王星。第10行星？或 冥王星应定义为不同类型的天体？ 2006年8月，布拉格，IAU，新定义矮行星：冥王星，阋神星，谷神星，等科学：利用识别出的规律理解世界科学：利用识别出的规律理解世界数学是科学（规律）的语言数学是科学（规律）的语言 科学表示法 比率 几何 代数 比例 单位课外活动课外活动分组，组长负责制，第

9、二周落实课外活动内容：1.天文台观星2.认识星座3.研究性学习 课外活动课外活动1：天文台观星：天文台观星 观测时间：每周五晚8-10点，具体活动方式随后通知 要求写出一个关于观星活动的书面报告，包括观测过程和所看天体的观测描述，字数不少于200字课外活动课外活动2：认识星座：认识星座 以小组为单位，借助观星软件，到室外认识星空课外活动课外活动3：研究性学习：研究性学习 利用教材每章 中给出的网址，在教材的每一部分中，每位学生选择自己感兴趣的一个网址，学习其中的内容，回答教材所列出的问题 组长进行协调，组内同学所选择的网址不能重复 对于每一部分，小组集中进行讨论与交流，每位同学要口头汇报 教材

10、共分为4部分，每位同学学习4个网址，每个小组共集中讨论4次天文学导论天文学导论课外活动要求课外活动要求 课外活动以小组为单位进行，实行组长负责制，助教协助 课外活动要给出一个全面的书面总结，由组长主持完成 课外活动评分：由组长负责，组内所有同学参加投票，评分由高到底分为A、B、C三个等级，各占组内人数的1/3课程成绩：分数课程成绩：分数 课程总成绩以期末考试成绩为主 课外成绩作为期末考试成绩的调解 期末考试第16周的周二晚上随堂期末考试闭卷考试填空题 + 选择题 + 是非题天文学导论天文学导论第第1 1讲讲天体的视运动天体的视运动本讲内容本讲内容1.星座与星图2.地球自转：天体的周日视运动3.

11、地球公转：天体的周年视运动4.地球自转轴进动与岁差5.月相6.日月食教材阅读教材阅读 Chapter 2：Patterns in the SkyMotions of Earth APPENDIX 6：Observing the SkyA-161、星座与星图、星座与星图 1929年，国际天文联合会（IAU）正式把全天划分为88个星座，并清楚界定每一个星座的边界。因此每颗星属于且只能属于一个星座 星座名用来命名星星天狼星：官方名为大犬座星附录五：亮星表附录六：星座昴星团 M45埃及，公元前1275年中国，公元840年欧洲，公元1540年星图星图 地图平放地上 星图高举过头仰望之，使星图所标方向与实

12、际方向一致 星座只是天上一个一个的区域，并不表示每个星座的星星之间存在一定的内在联系，例如以引力而被束缚的一个系统。而且星座仅代表本天区中较亮的星专业星图专业星图 昴星团 M452 2、 地球自转：天体的周日视地球自转：天体的周日视运动运动坐地日行八万里巡天遥看一千河天体的周日视运动天体的周日视运动 每天，太阳、月球以及星星都东升西落，是地球自西向东自转所造成的假象，故称天体在天空上所经历的路径称为天体的周日视运动天似穹庐，笼盖四野天似穹庐，笼盖四野天顶天顶子午线子午线南南北北地平面（圈）地平面（圈） 东西头顶的星空取决于你在地球头顶的星空取决于你在地球表面上的纬度和当地时间表面上的纬度和当地

13、时间天球（天球（celestial sphere）太阳的太阳的周日视运动周日视运动 太阳每天东升西落，于当地正午通过子午线达到最高点（上中天） 地方正午：太阳到达子午线（不一定是12点）地方子夜： 太阳连续两次到达正午的时间为24小时，称为一个太阳日（the solar day），即我们的一天世界时 Universal Time (UT) 天文事件通常用世界时（UT） 或 Coordinated Universal Time (UTC) ，近似为 the local time for Greenwich （ the Greenwich Mean Time (GMT) 格林尼治平时） 世界时与本

14、地时间的转换：北京时间=UT+8小时 北京地方时和北京时间完全是两码事！北京时间正午12点（东经120度）时，北京地方时（东经116.5度）即太阳时为11点46分，所以此时北京的太阳在子午线以东约3.5度，再过约14分钟北京“真”正午天球北极北极南极南极赤道赤道北天极北天极南天极南天极天赤道天赤道东把天空幻想为一个大水晶球，所有天体把天空幻想为一个大水晶球，所有天体包括太阳、月亮和星星等都镶嵌在天球包括太阳、月亮和星星等都镶嵌在天球上，而地球则孤悬于天球的中央上，而地球则孤悬于天球的中央天体的周日视运动天体的周日视运动 地球自西向东自转，造成天体每天东升西落的错觉拱极星：靠近南北天极，永不落北

15、极星：最靠近北天极，似乎永远 静止不动北极星（北天极）的高度北极星（北天极）的高度 北极星（北天极）相对于地面的高度取决于观测者所在的地理纬度，例如在北京，北极星在正北离地面约40度高的位置地赤道北京：东经116度22分北纬39度58分南北天极：不变的参考点南北天极：不变的参考点 南北天极的高度等于观测者所在地的地理纬度 可幸的是，在北半球，在非常靠近北天极的地方有一颗相当亮的星，即北极星，为我们指引方向 在北半球有些星永远不会东升：居住在北半球的人永远看不到接近南天极的星 居住在南半球的人永远看不到接近北天极的星 可惜的是，南天极附近没有亮星，所以没有“南极星”为南半球居民指引方向（南十字座

16、）天赤道不变的参考点 到天极的弧距离总是90度 所有恒星沿与天赤道平行的路径由东向西运动（圆弧轨迹） 在地球上无论何时何地：天赤道总是与地平面精确地相交于正东正西方向总能看到1/2天赤道 在地球两极，天赤道=地平线天顶、地平线和子午线：本地参考系 天顶和子午线的位置不随观测者的地平线移动天顶总是与地平线成 90 度角子午线由南到北平分半个天球 星星的位置相对于天顶和子午线在变：天球在转动观测者在地球上移动 任何通过子午线的天体都处于距离地平面的最高位置（夜晚的星星，白天的太阳）：中天 天体的运行（圆弧）轨迹与地平面的夹角为：90 度-观测者所在地理位置的纬度（=天赤道与地面夹角）在北极在北极天

17、顶天顶=北天极北天极 NCP地平线圈地平线圈= =天赤道天赤道地地( (天天) )轴轴所有星星沿与地平面平行的圆轨迹运行，从不下落头顶北极星在北京在北京! (40N) 90度-纬度= 纬度在北京：向东看在北京：向东看 天体从东偏北方向升起90度-纬度南在北京：向西看在北京：向西看 天体向西偏北方向落下北90-纬度在北京向：北看在北京向：北看 可见北极星和拱极星北天极北天极东东北极星北极星（北天极）高度随地理纬度降低而降低。星星环绕北天极转圆圈北半球可见的恒星视运动北半球可见的恒星视运动北天极附近星星视运动轨迹在地球赤道上在地球赤道上所有星在地平面上12小时所有星垂直于地平面升起和下落“可见所有

18、星”3、地球公转：天体的周年视运、地球公转：天体的周年视运动动斗转星移斗转星移 每晚同一时刻，看到的星空连续变化When the Earth is Here these stars are overhead at midnight When the Earth is Here these stars are overhead at midnight 黄道（ecliptic）、黄道十二宫（Zodiac） 每（白）天同一时刻，太阳相对于背景恒星的位置向东移动直观现象在天球上，恒星的位置及其相对位置（星座图样）是“固定不变的”整个天球包括太阳一天转动一圈，但通过仔细观察你会发现这个规律并不完全正确1

19、. 每昼同一时刻，太阳位置缓慢改变 2. 每晚同一时刻， 星星位置（通过子午线）在缓慢变化3. 每昼同一时刻，太阳位置相对于星星向东缓慢移动黄道：太阳的周年视运动黄道：太阳的周年视运动 地球的公转造成太阳在天球上的位置自西向东缓慢移动（滞后于恒星）再回到原处（相对于背景星）的周期为一年（365.24天） 共走了 360 度 太阳每天向东移动大约1度 2个太阳视直径恒星日与太阳日 Sidereal and Solar Day 太阳日=24小时：太阳连续两次到达子午线的时间 恒星日23小时56分：恒星连续两次到达子午线的时间 一个恒星日比一个太阳日短约4分钟 结论：相对于太阳日：恒星每天升起、上中

20、天和下落的时间都提前约4分钟 恒星日是地球真实的自转周期，不随其绕太阳公转而变化，为23小时56分恒星日与太阳日的图示解释天体的周年视运动（轨迹？）天体的周年视运动（轨迹？） 星星回归原处的周期为一年 一个特定星星一个月后升起的时间将提前约2个小时： 30 d 4 分钟/天 = 120 分 = 2 小时 一年后这颗恒星将在同一时刻升起： 2 小时 x 12 月/年 = 24 小时四季更替四季更替 太阳辐射能力（） 日地距离（） 阳光入射角（）错误解释：日地距离的变化错误解释：日地距离的变化 地球公转轨道近似为圆轨道，日地距离的微小变化改变不了地球的温度 南北半球季节应相同Elliptical

21、orbit Far from the Sun, the planet experiences winter Close to the Sun, the planet experiences summer Not! 地球自转轴不垂直黄道面地球自转轴不垂直黄道面 地球的自转轴与其公转轨道面（黄道面）不垂直，成 23.5 度夹角 如果地球自转轴和公转轴平行，就不会有季节!太阳永远位于天赤道上（与黄道重合）Right Angle 季节更替标志：春、秋分，夏、冬至 天赤道与黄道面的夹角为23.5度 相交的两点分别称为春分点和秋分点 在黄道上距春分点和秋分点最远处则称为夏至点和冬至点 在地球绕日运动中太阳

22、东升和西落的方位角不断变化 并造成一年一度四季的更迭 地球气候的改变滞后于地球吸收太阳热量的改变4、地球自转轴的进动与岁差、地球自转轴的进动与岁差地球自转轴进动周期26,000年北天极的位置以北黄极为中心画一大圆北极星是轮换的北极星是轮换的 天赤道移动：岁差天赤道移动：岁差 （黄道固定 +）天赤道移动 春（秋）分点缓慢向西移动，每26,000年沿天赤道巡回一圈 岁差：每年的二分点提前来临（季节移动？）东太太 阳阳5、月球运动与月相、月球运动与月相月球总是同一面对着地球 同步自转：月球的自转周期=月球的公转周期月亮的会合周期 (synodic period) ： 新（满）月到新（满）月， 29.

23、53 天月相 the changing phases of the Moon 月相：地球人所看到的月球被太阳所照亮的一半的大小 月相与月亮位置（升起、经过子午线、下落的时间）天球上，月球相对于背景恒星的视运天球上，月球相对于背景恒星的视运动动新月非新月!再次新月月球的恒星周期(sidereal period) 月球相对于背景恒星也向东漂移，但月亮的漂移非常快，一天大约13度 月球回到原处（相对于恒星）的周期约为27.32 天，即月球的恒星周期 月球绕地球的公转周期: 会合周期 29.53 天？ 恒星周期 27.23天？ 6、（日月）食：通过阴影、（日月）食：通过阴影日食：地球通过月球的阴影日食

24、：地球通过月球的阴影 日全食（total solar eclipse） 日偏食（partial solar eclipse） 日环食（annular solar eclipse）本影本影半影半影日全食日全食 月球和太阳的视大小几乎相同日全食奇景：钻石环日全食奇景：钻石环 接 近 日 全 食 的 時 候 ， 由 於 月 球 的 邊 緣 丁 點 的 凹 凸 不 平 ， 部 分 太 陽 光 線 會 在 凹 位 漏 了 出 來 ， 形 成 不 連 續 的 光 點 。 在 日 全 食 前 的 一 刻 我 們 只 能 見 到 太 陽 的 極 小 部 分 如 下 圖 所 示 這 個 現 象 稱 為 鑽鑽 石

25、石 環環 （贝利珠） 日 全 食 時 ， 天 昏 地 暗 ， 宛 如 暮 色 朧 合 四 野 ， 天 上 你 可 看 見 亮 星 和 行 星 ， 太 陽 表 面 由 於 被 月 球 完 全 掩 蓋 ， 原 本 非 常 暗 淡 的 日日 冕冕 這 時 清 晰 可 見 。 一 般 來 說 ， 日 全 食 過 程 約 維 持 兩 分 鐘 左 右 ， 接 著 鑽 石 環 復 現 ， 日 全 食 結 束 日全食奇景日全食奇景Corona 日冕Prominences 日珥日偏食日偏食日环食日环食 月球轨道并非正圆有时日全食，有时日环食日环食日环食 【由于潮汐摩擦作用，月球正渐渐远离地球，数万年后，月球的视

26、直径会变得很小，届时地球上便再也不能看到日全食了，只能看到日环食】日全（环）食全过程日全（环）食全过程日全食时长永远不大于日全食时长永远不大于7.5分钟分钟！ 全球日食概率 1/3 日全食 1/3 日偏食 1/3 日环食 同一地点，日偏食概率 日全食概率 月球半影直径约7000千米 月球本影宽度约270千米 月球公转速度约3400千米/小时 地球（赤道）自转速度1670千米/小时 地球弯曲表面西“近期近期”中国日全食中国日全食20082008年年8 8月月1 1日（西北地区）日（西北地区）20092009年年7 7月月2222日（长江流域）日（长江流域）20102010年年1 1月月1515日

27、日 日环食日环食20352035年年9 9月月2 2日（北京）日（北京）月食（月食（Lunar eclipse）：月球通过地球的阴）：月球通过地球的阴影影 月全食（total lunar eclipse）:完全进入本影 月偏食（penumbral lunar eclipse）:部分进入本影月全食全过程月全食全过程 红月亮曝光时间长 白点为背景星 月全食时月亮变为黄铜色或血红色，这是由于地球大气中的尘埃颗粒折射阳光中的红光并到达月球所致 地球本影直径大于2.5倍月球直径 月全食可持续大约1小时40分食大约每食大约每11个月发生个月发生2次次交点线月球轨道面摆动：每年19.4度，使得食季(ecli

28、pse season)每5个月20天出现一次天文学导论天文学导论第第2 2讲讲天体的运动天体的运动（天文学发展史）（天文学发展史）本讲内容本讲内容 古希腊的地球中心说 现代天文学的诞生哥白尼、第谷、开普勒和伽利略 牛顿的万有引力定律 爱因斯坦的相对论 （后记：中国古代天文学简介）教材学习教材学习 Chapter 3 (Motion of Astronomical Bodies) 3.1 - 3.6 Chapter 4 (Gravity and Orbits) 4.1 - 4.2 Chapter 18 (Relativity and Black Holes) 18.1 - 18.31、古希腊的地

29、球中心说、古希腊的地球中心说 古希腊学者首先采用观测（例如东升西落）和模型（地心说）相结合的科学研究方法来解释并预言宇宙的运动规律毕达哥拉斯毕达哥拉斯亚里斯多德亚里斯多德托勒密托勒密地心说的基本模型行星的逆行难题行星的逆行难题相对于背景恒星，行星为什么是“流浪汉”？（需数月观测）1. 顺行：向东2. 逆行：向西3. 逆行时行星变亮地心说的基本模型不能解释行星的逆行和亮度变化火星视逆行（火星视逆行（ 2009-2010 ）托勒密：本轮 Epicycles 行星不是固定在同心球层（均轮）上，而是固定在本轮上，但是本轮固定在同心球层上 本轮中心和本轮（即行星）均沿同一方向作匀速圆周运动本轮本轮均轮均

30、轮 水星、金星的本轮中心和地球及太阳的中心永远连成一条直线 水星、金星与太阳几乎同升同落本轮本轮托勒密托勒密西方思想停滞的中世纪 托勒密于公元150年在长达13卷名为Almagest (The Greatest天文学大成/至大论）的巨著中发表了他的地球中心说 这个理论所预测的行星位置和实际位置的误差在数度之内，因此主宰西方世界约1500年之久！ 菲洛劳（Philolaus）：“中心火学说” Samos 萨摩斯岛的Aristarchus (亚利斯塔克，310-230 BC）：太阳中心说 无观测证据或数学模型能否定地心说“星星之火，没有燎原”2。现代天文学的诞生。现代天文学的诞生 哥白尼：太阳中心

31、说（首次揭示真实，革命） 第谷：杰出的天文观测（ ？） 开普勒：行星运动三定律（经验规律） 伽利略：现代天文学（科学）的诞生（理论）Copernicuss heliocentric universe哥白尼的太阳中心学说Nicolai Copernicus1473-1543 Poland对行星逆行的解释 逆行：小轨道行星（地球）比大轨道行星（火星）绕日公转得更快：地球“追上”火星 亮度变化：行星到地球的距离在变化哥白尼革命 托勒密宇宙论的3个主要错误观点：1、中心； 2、运动； 3、物质 哥白尼挑战了1，但没有挑战2，且隐含了3 托勒密体系是教堂根深蒂固的教条 +日心说预测行星运动的“准确性”和

32、地心说不相上下 日心说不被接受Uraniburg 第谷第谷布拉赫的杰出观测布拉赫的杰出观测 天文堡，望远镜之前，最好的天文仪器和最精确的观测Tycho Brahe (1546-1601 )第谷的主要天文贡献 对行星（特别是火星）的观测为开普勒建立正确的太阳系模型提供了至关重要的数据 1572发现一颗超新星，现为第谷超新星（遗迹） 开普勒 Johannes Kepler (1571-1630) 行星运动定律（理论直觉） 1600年，成为第谷的助手 1605年，发现行星运动定律（1609发表） 光学，开普勒式望远镜开普勒第一定律：轨道形状开普勒第一定律：轨道形状 行星以椭圆轨道环绕太阳运行，太阳位

33、于椭圆的一个焦点上近日点远日点(太阳系太阳系) 行星轨道近似圆轨道行星轨道近似圆轨道开普勒第二定律：行星速度开普勒第二定律：行星速度 行星和太阳的（假想）连线在相同的时间内扫过相等的面积 行星越接近太阳则运行速度越快 地球轨道速度：平均：29.8 km/s近日点：30.3 km/s远日点：29.3 km/s开普勒第三定律：轨道周期开普勒第三定律：轨道周期 行星公转周期的平方和其到太阳的平均距离（半长轴）的立方成正比 (公转周期)2 = (常数) x (半长轴)3 “世界是和谐的世界是和谐的” 土星土星 木星木星 火星火星 地球地球 金星金星 水星水星开普勒猜测（理论直觉）：太阳对行星的磁吸引伽

34、利略：望远镜与运动学定律Galileo Galilei (1564-1642) 意大利天文学家与（实验）物理学家提供了证明哥白尼学说至关重要的天文观测奠定了正确理解物体在地球表面运动的动力学和引力的基础关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话星空使者 望远镜不是伽利略发明的，荷兰商人发明了望远镜 伽利略是“第一个”(1609年)使用望远镜观测天空的人，首次利用仪器增强人类的天文观测能力伽利略与望远镜伽利略的主要天文发现伽利略的主要天文发现 月球表面不光滑，有陨坑(命名环形山) 太阳黑子，且运动 太阳自转 银河：大量恒星 绕木星旋转的4颗卫星（伽利略卫星），首次发现天上有不绕地球转动的天体！金星越亮

35、，看起来越小（远）金星越亮，看起来越小（远） 证明哥白尼太阳中心说是正确的“毕竟地球还在转动” 伽利略的天文与运动学发现挑战了罗马教皇的权威。被宗教裁判所定罪为“异端邪说”，被终身监禁（10年）3。牛顿的引力理论Sir Isaac Newton (1642-1727) 最伟大的科学家之一，25岁前完成主要科学贡献微积分：用数学描述物理运动学三定律万有引力定律光的微粒理论 制造第一个反射式光学望远镜 自然哲学的数学原理剑桥大学的三一学院牛顿运动学三定律牛顿运动学三定律1. 惯性定律2. F = ma 3. 作用力与反作用力牛顿运动学第一定律牛顿运动学第一定律 (惯性定律惯性定律)牛顿运动学第二定

36、律牛顿运动学第二定律 F = ma牛顿运动学第三定律牛顿运动学第三定律万有引力定律：理解宇宙的关键万有引力定律：理解宇宙的关键牛顿对月球环绕地球轨道运动的思考牛顿对月球环绕地球轨道运动的思考轨道：一个物体环绕另一个物体自由轨道：一个物体环绕另一个物体自由下落下落宇航员宇航员“失重失重”，但没有逃离地球的，但没有逃离地球的引力引力4。爱因斯坦的相对论。爱因斯坦的相对论 牛顿运动学定律的适用范围：低速（速度远小于光速） 牛顿万有引力定律适用于弱引力场，例如太阳系（水星除外）高速和强引力场高速和强引力场 高速（v0.1c）情况下会发生什么新现象？ 强引力场的时空性质如何？爱因斯坦(Albert Ei

37、nstein 1879-1955)对空间和时间中的运动和引力做出了新的诠释：狭义相对论 Special Relativity (1905)广义相对论 General Relativity (1915)狭义相对论 所有运动都是相对于一个选定的参考系的，这正是爱因斯坦相对论中“相对” 的真正含义 长度、时间和质量是相对的，依赖观测者相对于所选定的参考系的运动狭义相对论狭义相对论四维时空 Four-dimensional spacetime 时间和空间是相对于观测者的运动的，且不互相独立 时间和空间在一起构成四维时空（三维空间和一维时间） 牛顿的绝对时空狭义相对论效应对于以相对论速度做匀速直线运动的

38、物体，一个静止的观测者将会发现【在运动方向上】该物体的：1. 长度收缩 (length contraction) 尺子变短 2. 时间膨胀 (time dilation) 时钟变缓 3. 惯性（质量）增加光速不变光速不变光速是最快速度光速是最快速度宇宙射线宇宙射线 cosmic rays 宇宙射线（极高能高速粒子，多为质子）在通过地球大气外层时产生大量做相对论速度运动( 0.995c)的介子 介子衰变周期=2.2*10-6 s ，最多穿行600米。但它们却在穿越15千米后到达地球表面 这是因为它们相对于我们的运动速度接近光速，因此它们内部的时钟（相对于静止的我们）比静止介子的时钟慢得多 但是在

39、快速运动介子的参考系中，其时钟运转正常， 其寿命仍为2.2*10-6 s（相对论运动大气层厚度缩短）宇宙射线宇宙射线 cosmic rays物质物质 = 能量能量 爱因斯坦质能方程： 能量能量 = 质量质量 (光速光速)2 E = mc2 静止能量；静止质量m广义相对论广义相对论 General Relativity (GR) 质量弯曲时空的理论质量：引力(牛顿)= 时空弯曲(GR)弯曲时空中，光不走直线惯性质量惯性质量=引力质量引力质量F = ma2rGMmF m ：低抗运动改变(加速度，惯性）的大小的量度m：所感受到的吸引力的大小的量度伽利略发现：所有物体都以相同加速度下落的推论 引力(加

40、速度)等效于加速度 自由下落 = 自由漂浮失重：没有实验能区分这两种情况惯性参考系惯性参考系引力（加速度）= 等效的匀加速度静止在地球表面 g= 9.8 m/s2 无引力场中向上加速度 a = g = 9.8 m/s2 两个电梯内（非惯性参考系）的实验结果相同：小球下落的加速度都是 9.8 m/s2 ，不能区分等效原理等效原理 Equivalence Principle “在一个封闭的小空间短时间内没有实验能区分引力场和等效的匀加速度”自由下落 = 自由漂浮 广义相对论的基石光线弯曲 Light Bending等效原理 光线在强引力场中要弯曲三种情况下，电梯外的观测者均看到光沿水平方向运动！引

41、力是时空的弯曲 因为光走“自然路径（测地线）”，所以光线弯曲 时空是弯曲的 加速度导致光线弯曲 加速度导致时空弯曲 等效原理： 加速度 = 引力 爱因斯坦假设：所谓的引力其实就是时空弯曲的结果！质量扭曲其附近的时空结构质量扭曲其附近的时空结构质量越大，时空弯曲越显著质量越大，时空弯曲越显著GR观测证据：非欧几何观测证据：非欧几何 地球绕太阳公转轨道的周长 2* 地球到太阳中心的距离 （10千米）GR观测证据：水星轨道进动观测证据：水星轨道进动GR观测证据观测证据: 引力透镜引力透镜 gravitational lensing引力透镜: 行星、恒星、星系、星系团、暗物质有可能看到背景类星体的多个

42、相同的像爱因斯坦十字透镜星系GR观测证据：时钟不再同步观测证据：时钟不再同步 靠近大质量天体的时钟变慢 1960年：5楼的时钟比地下室的时钟稍快 2010年：最先进的原子钟，一只置于地面，另一只放在“海拔”33厘米处（引力比地面引力小了两千万分之一）。测量结果表明，高处的原子钟比地面上的每世纪快一千亿分之一秒。引力红移引力红移 gravitational redshift引力红移引力红移 gravitational redshiftGR的其它应用与预言的其它应用与预言 GPS 引力波 gravitational waves（后记：中国古代天文学）（后记：中国古代天文学） 星座（星宿、星宫）赤道

43、坐标系 太阳黑子：公元前140年，欧洲（807年） 日食：约4000年前，650次（春秋战国-元末1368年） 彗星、流星和陨石 新星和超新星 “夏商周断代工程”与古代天文研究 古代天文仪器 张衡、祖冲之、一行、沈括、郭守敬等扩展阅读扩展阅读 天文学简史（牛津通识读本）霍斯金(Michael Hoskin)著、陈道汉译，译林出版社，(2010-06出版) 天文学简史 G.伏古勒尔 著，罗玉君、李珩 译， 中国人民大学出版社 (2010-04出版) 剑桥插图天文学史霍斯金主编，江晓原等译，山东画报出版社，2003年3月出版 科学世界2010年第9/10期，时空幻象深入浅出介绍相对论的时空观 科学

44、世界2012年第2期：光速不变天文学导论天文学导论第第3讲讲辐射与天文望远镜辐射与天文望远镜本讲内容本讲内容1. 电磁（波）辐射2. 黑体辐射3. 原子与谱线4. 多普勒效应5. 光学天文望远镜6. 全波段望远镜教材学习教材学习 Chapter 5: Light Chapter 6: The Tools of the Astronomer1。电磁波（辐射）。电磁波（辐射） 有关宇宙信息的绝大多部分都来源于天体发出(恒星）或反射（月球）的电磁辐射宇宙线，中微子，引力波（？） 辐射是宇宙中最令人惊异的东西物质的温度、运动、化学成分、密度和结构等宇宙信息！ 要研究宇宙，首先要正确理解辐射的基本特征以

45、及用来探测辐射的设备天文望远镜光是什么（现象）？光是什么（现象）？ 牛顿让一束太阳光（白光）通过棱镜后看到类似于彩虹（光谱）的色散现象：光是各色光的混合 光谱 spectrum：光强作为颜色（波长）的函数 定量分析色散色散 dispersion光是什么（物理）？光是什么（物理）？ 麦克斯韦(Maxwell： 1831-1879)：如果变化的磁场产生电场，那么变化的电场（振荡电荷）产生磁场变化的电场和变化的磁场互相触发，且以光速自行向前传播，即电磁波或电磁辐射(electromagnetic waves or radiation） 电磁波是自行以光速(真空)传播的振荡电场和振荡磁场，其振荡方向互

46、相垂直，并都垂直于传播方向波长、频率、光速、振幅波长、频率、光速、振幅可见光可见光 Optical (visible) light: 波长波长-颜色颜色 麦克斯韦说：（可见）光其实就是一种电磁波。不同颜色的光对应于不同波长的电磁波 可见光（4000-7000 ）的典型波长单位： 1 （埃）= 0.1 nm （纳米） =10-10 m =10-8 cm 红 6500 黄 5500 绿 5000 蓝 4500 电磁波谱电磁波谱 electromagnetic spectrum 电磁波的波长范围很广：10-12 米光年 伽马射线： = 0.1 X射线： 0.1-100 紫外线 (UV)： 100 -

47、 4000 可见光： 4000 7000 红外线 (IR)： 7000 - 1 mm 射电波: 1 mm 10 km 更长没有定性的差别：均由相同的麦克斯韦方程组描述只有定量的差别：波长、频率、颜色、能量 探测技术很不同人眼仅能感知极小波长范围(4000-7000)的电磁波!电磁辐射的传播 电磁波可在真空中传播 所有电磁辐射在真空中的传播速度相同，即光速，与和无关传播速度在玻璃、水等介质中降低 光速不变：测量光速与测量者和光源之间的相对速度无关电磁辐射的波粒二象性 光子photon 光的粒子性 光子无质量，但有能量。光子能量越高，则频率越高，波长越短： 相同波长（颜色）的光子的集合就构成特定波

48、长的电磁波)( /chchE（光）强度（光）强度2。黑体辐射。黑体辐射 只要温度高于绝对零度，物体便会放射出不同频率的电磁波 物件加热：低温红外线，温度升高红光黄光白光蓝光黑体黑体(普朗克普朗克)谱谱 blackbody (Planck) spectrum 黑体：因为温度而辐射；辐射=吸收 黑体谱的形状只与物体(恒星)的表面温度有关 热辐射谱 thermal spectrum：仅由温度决定维恩位移定律 Wiens Law 温度降低，黑体谱的峰值向长波方向移动 恒星颜色 恒星温度恒星颜色恒星颜色 恒星温度恒星温度 太阳光谱峰值波长=500nm斯忒藩-玻耳兹曼定律 Stefan-Boltzmann

49、 Law 单位时间单位面积，温度高黑体比温度低黑体的辐射能量多得多 (blue versus red object)16244k3000k6000- 流量 flux （F）：一个天体单位时间单位面积所辐射的能量 光度 luminosity（L）：一个天体单位时间的总辐射 天体的辐射本领4TSSL)( area) (surface Ls cmemittedenergy 2地球：地球：R=6378km，表面，表面T = 288K辐射的平方反比定律：测量距离的原理 恒星的光到达观测者时的强度和距离的平方成反比：亮度：视星等亮度：视星等 亮度：观测者单位面积单位时间所接收到的能量（光子数）光度：正比距

50、离：平方反比 光度 = 亮度 x 4距离2 对半径为R的球体恒星：424TRL= 亮度 x 4距离2 恒星半径双星的例子Cygnus天鹅座 ?伯克利校星3。原子与光谱。原子与光谱 光谱通常不是连续的。恒星光谱上叠加大量的吸收线和发射线，这是因为连续辐射通过气体时（恒星大气），其中的原子会吸收（激发）或发射（退激发）特定频率的光子，就形成了光谱中的吸收线或发射线连续谱、吸收线和发射线的原理连续谱、吸收线和发射线的原理视线方向星际介质的化学成分谱线：原（分）子的谱线：原（分）子的“指纹指纹” 谱线：单一波长（频率、能量）的辐射 实验室已知：每种物质（原子，分子）都吸收或发射表明自己特征的谱线系列

51、仔细分析恒星（气体）光谱中的谱线系列便可得知恒星表面（气体）物质的化学成分 为得到谱线的信息，需要分光术 spectroscopy 把辐射按照其波长分解开 谱分辨率玻尔的原子模型玻尔的原子模型 (1913)Niels Bohr(1885-1962) “太阳系模型太阳系模型”？电子云：概率电子云：概率原子仅具有特定的、离散的能原子仅具有特定的、离散的能级级原子能级决定其发射或吸收光子的波原子能级决定其发射或吸收光子的波长长发射线发射线 emission line发射线发射线 emission line吸收线吸收线 absorption line吸收线吸收线 absorption line发射线与

52、吸收线是原子的指纹发射线与吸收线是原子的指纹氢原子的谱线系列 莱曼线系 Lyman Series： 紫外波段 巴尔末线系 Balmer Series：可见光波段氢原子的巴尔末线系photoncphoton24HphotonEEEEhh恒星的吸收线谱：元素恒星的吸收线谱：元素光谱（谱线）比图像重要得多！ 天体的图像+光谱 天体的温度、化学成分、运动速度和方向、密度+天文学天文学=3*106倍 如此快速自转要求太阳的自引力必须是2*108 倍强才能hold住自己 坍缩星际云的角动量不守恒？还是考虑不周全？ 解决坍缩星际云角动量谜团的关键在于坍缩的方向性：星际云坍缩为一个盘而不是直接坍缩为一个球（恒

53、星） 物质首先下落到具有转动结构的吸积盘，其平面垂直于星云的自转轴 通过作为中转站的吸积盘，物质成为正在中心形成的恒星（原恒星）的一部分 物质下落是沿近似椭圆轨道靠近原恒星，其路径只有进口，没有出口 从相反方向下落的物质迎头相撞，会聚于吸积盘处而形成吸积盘 垂直于吸积盘方向的运动戛然而止，而平行于吸积盘方向的运动转化为吸积盘的角动量 星际云的大部分角动量结束于吸积盘而非中心的原恒星 登陆吸积盘的大部分物质成为恒星的原材料，或又被抛回星际空间（有时以喷流形式） 一小部分物质留在吸积盘上。正是恒星形成过程的剩余物质（残留的吸积盘）成为形成行星系的原材料星体的成长 在原行星盘内，气体的随机运动将较小

54、的颗粒吹入较大的颗粒内。从只有几微米大小开始，通过静电吸附较小的颗粒，较大的尘埃颗粒变得更大 100米大小的物体结合时必须轻微，否则猛烈的碰撞会使它们再裂解为许多小碎片 1千米大小的物体称为星子，其质量足够大而对附近物体引力吸引 星子的增长加快，较大的星子很快吸引完其轨道附近的大部分小物体 最终的胜利者的质量足够大，成为行星 正如太阳系那样，行星的大小不一3、原行星盘内热外冷、原行星盘内热外冷 当原子分子落到吸积盘上，它们的有序运动同方向一起下落突然转变为随机的热运动朝各个方向运动，气体变热 在气体落向吸积盘的过程中，其引力势能首先转化为动能，引起气体加速。当气体碰到吸积盘，运动戛然而止，其动

55、能又转化为热能，气体温度升高 到达内盘的下落气体因为在原恒星的引力场中走的距离更远而转化更多热能，使内盘比外盘更热 原太阳的热辐射（引力能转化为热能，表面温度几千K，光度是太阳的许多倍）加热内盘比外盘更高的温度原行星盘的温度差异决定了演化为星子和行星的尘埃颗粒的成分 内太阳系的行星由岩石包裹铁镍金属核构成 外太阳系的天体（包括卫星、巨行星和彗星）主要由多种挥发性物质的冰态组成 行星成分的上述规则会被改变 被称为行星迁移的引力散射强迫行星离开其诞生的位置。天王星和海王星形成于木星和土星轨道附近，后被木星和土星的引力驱赶到今天的位置 大量系外热木星的发现，表明轨道角动量损失（给盘）引起行星缓慢向内

56、迁移固体行星吸积大气 固体行星一旦形成，它将进一步吸引原行星盘中的气体而继续成长 由于强烈的原太阳风和辐射压会驱散吸积盘中的剩余气体，气体吸积必须很快结束（对木星，大约一千万年） 质量巨大的固态行星对聚集和维系氢和氦等轻元素气体具有显著的优势 强大的引力使得大质量的年轻固态行星在其周围形成“微型吸积盘”，气体由吸积盘旋入固体行星 行星形成时获得的气体称为原始大气 大行星的原始大气很多，主导像木星这样的巨行星的质量。微吸积盘中的固体物质后来凝聚为“迷你太阳系”：环绕行星公转的一群卫星 质量低的行星从原行星盘中所获得的原始大气随后逃逸。今天像地球这样的行星的大气为次生大气，是由火山从行星内部喷出来

57、的二氧化碳等气体，或由移步到内太阳系的彗星带来（水、有机物等挥发性物质）4、太阳系的身世、太阳系的身世 50亿前，太阳还是个被一个原行星盘环绕的原恒星 几十万年后，盘中的大部分尘埃凝聚成星子在靠近太阳的内区，星子由岩石和金属组成在远离太阳的外区，星子由岩石、金属、冰和有机物组成内太阳系形成岩质类地行星 5个星子很快成长为各自轨道附近的主导质量，不断增强的引力使得它们捕获大部分剩余星子，或者把一些星子从盘的内区（几个天文单位以内）抛出。主导星子最终成长为类地行星水星、金星、地球和火星是存活下来的类地行星 在4个类地行星形成后的几亿年间，环绕太阳的剩余物质继续雨点般地砸落到它们的表面 这些类地行星

58、成长的伤痕如今在它们的表面依然可见水星表面古老的大陨石坑记录了年轻太阳系的最后时光 原太阳成为太阳前，原行星盘内区的气体依然丰沛 地球和金星也许hold住了稀薄的原始大气（氢和氦），但很快逃逸出去 类地行星诞生时没有浓密的大气，直至环绕今天的金星、地球和火星的次生大气的产生 水星离太阳最近，质量小，连次生大气也维系不了，至今几乎无大气外太阳系形成巨行星 距离太阳5AU以远的区域，星子并合形成多个5-10倍地球质量的天体，除了岩石和金属外，它们还含有挥发性的冰和有机化合物 通过核吸积气体俘获过程，在这些行星核周围形成微吸积盘，俘获大量的氢和氦，并被灌进行星 4个大质量的天体成为今天的巨行星（木星

59、、土星、天王星和海王星的）的核 大质量的木星核能够俘获并维系300倍地球质量的气体 其它行星核俘获少量的气体。可能因为核的质量小，或因为可用气体少（位于更外区域）。土星吸积100倍地球质量的气体，而天王星和海王星仅抓住了几倍地球质量的气体 核吸积可能需要1千万年才能使木星长成，但原行星盘也许在一半的时间就烟消云散了，没有氢和氦气体再供给木星了 原行星盘意外地飞快破裂为质量等同于巨行星的团块的盘不稳定过程也许能弥补核吸积过程的瓶颈 由于引力能转化为热能，巨行星核的引力把其周围的气体压缩加热。原木星和原土星（温度5万 K）曾热得发出深红色的光芒 微吸积盘中剩余的物质凝聚成绕巨行星（或小行星）公转的

60、天然卫星并非所有的星子都能成为行星 小行星和彗星核是存活到今天的星子 木星与火星之间的区域（称为小行星带，包含很多早期太阳系留下的星子）受到木星强大引力的搅动，那里的星子没有并合为一个行星 太阳系最外区的星子也存活到今天，仍保持原行星盘形成时的挥发性物质。由于稀疏而不能长大。诸如冥王星和阋神星这样的冰星子成为太阳系外区的彗核，是来自太阳系形成时的相对纯洁的样品早期太阳系必定是狂暴混沌的场所 很多太阳系天体显露出灾难性碰撞曾经发生过的证据火星南北半球地形的巨大差异水星的一个环形山，在水星的另一侧对应一个巨大的隆起土卫一的一个陨击坑达其直径的1/3天王星的自转轴几乎平行其公转轨道平面地球曾被火星大