天文学基本知识

大学物理

章天文学基础知识1.星座和恒星命名2.地球的自转、公转和天体的视运动3.四季星空4.天球坐标5.天体距离及其测量方法6.视星等和绝对星等7.其它测距法2021/5/91大学物理

2.1星座和恒星命名

星座是什么？星座是人们为了观测研究方便把星空人为地划分为若干区域古人划分星空形成风格各异的星座文化公元前3000年左右

古巴比伦人把星空中亮星连起来勾画成牛、羊、蝎子等形象2021/5/92大学物理

中国古代：分为四大区，东苍龙，西白虎，南朱雀，北玄武。二十八宿，我国古代神话中28个神仙

古希腊人：希腊神话中的人物或动物来为星座命名，共40多个。2021/5/932021/5/942021/5/952021/5/96大学物理

星座不是有机整体星座只是某一方向范围内所有天体的集合(亮星）银河系中的恒星、星云河外星系、类星体……

在同一个星座内的天体的距离极其悬殊.2021/5/972021/5/98大学物理

什么是黄道十二宫？

太阳视运动经过12个星座称十二宫，大约每个月经过一宫，（12个星座大小一同，12个宫则平均占30度）。

春

夏

秋

冬

1,双鱼宫

4,双子宫

7,室女宫

10,人马宫

2,白羊宫

5,巨蟹宫

8,天秤宫

11,摩羯宫

3,金牛宫

6,狮子宫

9,天蝎宫

12,宝瓶宫

黄道：太阳在天球上视运动的轨道

2021/5/99大学物理

天文学上的一些距离：月球：38.4万千米(平均）日地距离：15,000万千米(AU)金星：4,100万千米火星：2,5576万千米（2003年8月29日）（6万年一次）

2021/5/910大学物理

最近的恒星是半人马座的比邻星：距离地球4.3光年牛郎星：16光年，织女星：25光年，北极星：680光年银河系中最远的恒星：8万光年

2021/5/911大学物理

最近的星系（大、小麦哲伦星云）

16万和19万光年仙女星系：220万光年远距离星系：几亿光年～上百亿光年

2021/5/912大学物理

星座和恒星名字古希腊人：分成48个星座，主要是北天的恒星

1928年，国际天文学联合会

把全天分为88个星座，其中沿用了很多希腊人起的名字各个星座大小不同，星数差别很大

2021/5/913大学物理

神话人物类：仙女座，仙王座，武仙座，猎户座，动物类：大熊座，小熊座，金牛座，杜鹃座；仪器用具类：罗盘座，时钟座，圆规座，六分仪座，显微镜座，望远镜座书中附录有星座表

2021/5/914大学物理

千亿颗恒星如何取名

我国古代给一些亮星起的名字天狼、北斗、大角、牛郎、织女、造父

国际命名方法：不能重名又要便于记忆

姓：星座名

名：该星座中的星以亮度排队以希腊字母α,β,γ…

例如：小熊座α（北极星）2021/5/915大学物理

希腊字母24个，故只能给2112颗星命名在希腊字母用完后接着再用阿拉伯数字继续排如小熊座6星，大熊座56星等

2021/5/916大学物理

其它天体命名

星云和梅西叶天体（M天体）射电源、X射线源、γ射线源、红外源、紫外源超新星和超新星遗迹脉冲星和类星体河外星系（星表）

最普通的命名法：名字＋位置如脉冲星：PSR1133＋16

2021/5/917大学物理

2.2地球的自转和公转哥白尼的贡献

究竟是太阳绕地球转还是地球绕太阳转？

行星运动规律的解释，引起宇宙观的革命

缺点：

太阳不是宇宙中心，太阳系只是银河系的普通一员

太阳不是静止不动，也绕银河系中心运动

哥白尼1543年提出日心说，到1846年才被完全证实。

2021/5/918大学物理

地球自转和天体的周日视运动

地球从西往东自转太阳东升西落星空也东升西落只有北极星例外天上的群星都绕北极星画出一个个大小不等圆圈

2021/5/919大学物理

2021/5/920大学物理

北极星变迁的原因－－地轴进动地球是椭球体，并斜着身子绕太阳公转太阳和月球的引力对地球赤道隆起的部分产生一个力矩，导致地球自转轴绕黄极作缓慢的圆锥运动（黄极是地球轨道平面的法线方向）

约2.6万年绕黄极转一周

2021/5/921大学物理

北极星的变迁现在是小熊座α公元前3000年是天龙座右枢公元14000年将是织女星

2021/5/922大学物理

地球的公转

我们坐在快速行驶的火车上可以从路旁景物迅速地后退判断火车在运动。地球在轨道上运动，如果两旁有各种景物，我们也可以判断地球在运动。但地球的近处没有任何景物。只有远处的星空可以作为参照物。

2021/5/923大学物理

恒星离我们太远，须长时间观测才会发现它们位置的变化。

星空的四季变化是地球公转的最重要证据。

地球的轨道运动自转轴与轨道平面的法线成230.53。

2021/5/9242021/5/925大学物理

2.3四季星空在地球上只能看见背着太阳方向的天空中的恒星

地球绕太阳的公转导致星空也随季节的变化而不同

2021/5/9262021/5/927大学物理

春季星空

小熊座

α星是北极星大熊座，大熊星座中有北斗七星，顺着斗勺边缘上两颗星的联线可找到北极星狮子座头部由六颗星组成,狮子座流星雨

2021/5/9282021/5/929大学物理

狮子座流星雨

99年热点天象（流星雨暴）

流星并非来自狮子座，是辐射点

实际上是彗星喷发或分裂的流星群物质散布在其轨道上，每当地球穿越彗星轨道时，就发生流星雨。

每年11月17日左右，地球穿越狮子座流星群（坦普尔－塔特尔彗星轨道）就发生流星雨。

33年出现一次流星雨暴，原因是这个彗星的周期是33年。

2021/5/930大学物理

2021/5/931大学物理

夏季星空

银河横跨天空

天鹰座

牛郎星

在银河的东岸

天琴座织女星

在银河的西岸

天鹅座在银河中形如大“十”字天鹅座X-1（X射线源）

2021/5/932大学物理

2021/5/933大学物理

天鹅座X-1（X射线源），是黑洞候者，

黑洞看不见，但在双星系统中的黑洞可以感觉到它的存在，双星观测可以估计伴星质量。

天鹅座X-1是密近双星，质量大于5.5太阳质量，

是黑洞的最可能候选者。

2021/5/934大学物理

秋季星空

仙后座有五颗相当明亮的恒星排列成拉丁字母W的形状

W字开口的一面正对着北极星仙女座肉眼可见，仙女座大星云是人类认识的第一个银河系以外的星系

2021/5/935大学物理

2021/5/936大学物理

仙女座大星云人类认识的第一个银河系以外的1920年美国科学院“宇宙尺度”大辨论

仙女座大星云是否在银河系之外？没有结论。

1923年哈勃证实仙女座的距离为90万光年，远在银河系之外

确认是河外星系

2021/5/937大学物理

冬季星空

猎户座

有三颗亮星，好比猎人的腰带

主星α参宿四，红超巨星

大犬座

天狼星，全天最亮的恒星

双星系统，伴星是第一颗白矮星

2021/5/938大学物理

金牛座

昴星团有七颗主要亮星

蟹状星云和它的脉冲星

1054年超新星爆发的遗迹

2021/5/939大学物理

2021/5/940大学物理

看星图

星图种类繁多

星图上的南北方向和普通地图相反

使用地图時，平放在地上，

使用星图時，須要把星图，高举过头，抬头看星空

2021/5/941大学物理

星空运转的规律1，地球自转导致整个星空从东向西围绕我们运转一周，恒星每小时自西向东运行

15度，4分钟1度；2，地球绕太阳的公转，每年365天转一周（360度）每天约移动1度，这导致恒星每天大约提前4分钟升出地平线，或者过中天。

2021/5/942大学物理

黄道十二宫和“星座文化”

2021/5/943大学物理

星座能决定人的性格和命运吗？

星座书《幸运星座××年》

人出生的月份对应一个星座每个人都有一个星座（认识12个星座）“星象学家”：不同星座能够决定人的不同性格、一生机遇和机缘。

2021/5/944大学物理

2021/5/945大学物理

不同星座对人会产生不同的影响吗？

天体的辐射对地球的影响：太阳最大，其它恒星和星系的影响微乎其微！

2021/5/946大学物理

引力可能产生影响引力影响：太阳最大，月球次之。和距离的平方成反比！恒星和星系，距离我们太遥远了，对地球的影响接近于零撞击地球彗星、小行星、陨星等撞击地球（影响大）但很少发生。

2021/5/947大学物理

3.4天球坐标系借鉴地球的地理坐标基本点：北极、南极基本圈：赤道、纬圈，经圈、本初经圈纬度、经度

2021/5/9482021/5/949大学物理

纬度：从赤道面起算到北极0～90o

到南极0～－90o经度：从本初经圈起算

（通过格林尼治天文台）向东方向，东经0～180o

向西方向，西经0～180o杭州东经120度10分,北纬30度15分

2021/5/950大学物理

天球1，用肉眼或望远镜看天体，分不清它们的远近，好象是镶嵌在无穷远处的球面上：一个虚拟的天球！2，天球是以地球为中心，但这仅仅是一种方法，用起来方便

2021/5/9512021/5/952大学物理

3，太阳和太阳系的行星在天球上的视运动4，恒星也在运动（自行），短时期不会明显看出恒星在天球上的相对位置发生变化

可以认为恒星固定在天球上

2021/5/953大学物理

天体位置：观测者和天体的联线与天球的交点

视运动：天体在天球球面上的运动

2021/5/954大学物理

天球坐标系1，赤道坐标系

2，地平坐标系

3，黄道坐标系

4，银道坐标系只要求掌握赤道坐标系

2021/5/955大学物理

赤道坐标系

基本圈：赤道、纬圈、经圈基本点：北天极（南天极）春分点(3月21日）赤纬赤经2021/5/956大学物理

赤道坐标系子午圈春分点地平圈赤道天极赤纬时角，赤经赤经从春分点起算，时角从子午圈算起

2021/5/957大学物理

春分点和秋分点

地球轨道面（黄道面）和赤道面的交点2021/5/958大学物理

赤道坐标系天体M的赤纬从天赤道起算第一赤道坐标系(时角坐标系）时角从子午圈起算，顺时针时角随观测地不同、时间不同而变化。第二赤道坐标系(赤道坐标系)

赤经从春分点起算，逆时针赤经不随观测地及时间而变化2021/5/959大学物理

赤经参考点：春分点

春分点在天球上的视位置和恒星一样也作周日运动，所以与恒星的距离不变坐标值不随时间变化，和观测地位置无关2021/5/960大学物理

优越的赤道坐标系英国著名学者李约瑟评价：现代国际通用的是中国古代的赤道坐标系，而不是希腊古代的黄道坐标系。坐标值不随时间变化，也不受观测点地理位置的影响，可唯一确定恒星在天球上的位置。

2021/5/961大学物理

问题：在地球上某处观测天体有没有永远不落的天体？有没有永远不升起的天体？

2021/5/962大学物理

在地球的北极：（北极星在头顶）地平圈与天赤道平行所有天体的周日平行圈与地平圈和天赤道平行所有的北天的天体都围绕着北极星转圆圈不会落到地平圈之下所有的南天的天体都看不到

2021/5/963大学物理

在地球赤道地区：地平圈与天赤道垂直所有天体的周日平行圈都与地平圈垂直没有永远不会落到地平线以下的星也没有永不升起的星星

南天和北天的天体都可以观测

2021/5/964大学物理

在其它纬度地区：既有拱极星也有永不升起的星还有有升有落的星由赤纬与当地地理纬度决定

2021/5/965大学物理

2.5

恒星距离和视差测距法

测量距离的重要性

我们肉眼只能知道恒星在天球上的投影的位置，不知道恒星的距离就不能确定恒星空间的真实分布、运动速度、辐射的真实强度。

2021/5/966大学物理

距离单位

恒星之遥远，远到无法用公里来做单位

天文学家特别定义了3把不同的尺子1.天文单位

太阳和地球之间的距离约1亿5千万公里，称为1个“天文单位”2.光年,光1年走的距离（大约10万亿公里）3.秒差距(pc)

1秒差距等于3.26光年

2021/5/967大学物理

近处的恒星可以用三角测量法

2021/5/968大学物理

在地球上利用三角测量法的困难

地球上的基线太短，地球直径1.3万公里（1.3×10－9光年）

最近恒星4.3光年

角度太小无法测量地球轨道提供3亿公里基线，情况好转，可用测恒星周年视差的方法估计距离。

2021/5/969大学物理

周年视差

观测某一恒星，隔半年再观测一次，由于地球绕太阳作轨道运动，我们是在相距2倍日地距离在基线两端观测这颗恒星的。结果可发现恒星在天球上的视位置会发生变化，也就是有视差。测量其视差，便可以得到距离。（见右图）

2021/5/970大学物理

2021/5/971大学物理

1秒差距的定义

（见右图）：对1个天文单位的距离（日地距离）视差为1角秒时的距离为1秒差距（pc）

2021/5/972大学物理

1秒差距约等于3.26光年或30万亿公里

恒星距离和恒星视差成反比

恒星距离越远，它的视差越小

恒星越近，视差越大

距离（秒差距）＝l／视差（角秒）

恒星距离非常遥远，视差极为微小，

2021/5/973大学物理

哥白尼在创立日心学说时曾尝试测量恒星视差，以证明地球围绕太阳运转，但未成功。

哥白尼之后经过了三百来年的努力，1838年才测量出第1颗恒星的视差：天鹅座61的视差为0.31角秒，它相当于从12公里处看一个1分硬币所成的张角。

2021/5/974大学物理

周年视差的局限性

利用三角视差法测定了大约7千颗较近的恒星的距离，绝大多数恒星距离太遥远，它们的视差位移小于0.001角秒，根本测量不出这样的小角度。

2021/5/975大学物理

2.6恒星的星等和光度

视星等

公元前2世纪古希腊希帕恰斯首先用肉眼估计了星的亮度，按明暗程度分成6等级：

眼睛看起来最为明亮：1等星

看起来比1等星稍暗一些：2等星

再暗一些的：3等星，依此类推

眼睛刚能看到的：6等星

星的亮度越大，星等越小

肉眼能见到的约有6000颗恒星

2021/5/976大学物理

视星等的科学性

1850年，普森注意到，星等和亮度有一定的关系：

星等按等差级数增加

亮度按等比级数减小

1等星比6等星大约亮100倍

相邻2个星等的亮度差2.512倍

取零星等的亮度（E）为单位

普森公式：m=－2.5×lgE

2021/5/977大学物理

绝对星等

视星等不是恒星真实发光能力，有的星发光强度大，可看起来暗(距离远），可有的星发光强度不大，但看起来亮（距离近）。把恒星移到10秒差距(32.6光年）处

，再比较它们的亮度（目视星等），其目视星等叫做绝对星等。（相等的距离）

2021/5/978大学物理

视星等和绝对星等的关系

M＝m＋5－5logDm表示目视星等，M表示恒星的绝对星等，D表示恒星的距离（以秒差距为单位）。由D和m算出恒星的绝对星等M。

天狼星的视星等是-1.45等，距离为2.7秒差距，绝对星等＋1.5等。太阳离我们最近，看起来光辉夺目，它的目视星等达到-26.7等，绝对星等才只有＋4.83等。

2021/5/979大学物理

恒星的光度和亮度

光度L(luminosity)：天体在单位时间内辐射的总能量，是恒星的固有量。

亮度F(brightness)：在地球上单位时间单位面积接收到的天体的辐射量。

亮度的大小取决于三个因素：天体的光度、距离和星际物质对辐射的吸收和散射。

2021/5/980大学物理

光度单位：尔格/秒

适用于光学，红外、紫外、射电、Χ及γ射线波段。恒星之间的光度差别非常大。超巨星“天津四”的光度比太阳约强五万倍，天狼星的伴星是一颗白矮星，其光度不到太阳的万分之一。

2021/5/981大学物理

光度和体积、温度的关系

恒星的光度由其温度和表面积决定，温度愈高光度愈大。表面积愈大光度也愈大。光度大的恒星叫做巨星，光度比巨星更强的叫超巨星，光度小的称为矮星。

光度大的巨星，体积也大。光度小的矮星，体积也小。

2021/5/982大学物理

2.7其它测距法

分光视差法造父变星法红移法

H－R图法超新星法

2021/5/983大学物理

1分光视差法测距离

1902年，丹麦天文学家发现恒星光谱中电离锶谱线的强度和恒星的绝对星等有关系。1914年，美国天文学家建立起利用光谱谱线强度确定恒星视差的方法。

测定出未知距离的恒星的特征谱线强度比率后就可求出绝对星等。再利用视星等、绝对星等和距离的关系式，求出恒星的距离。

非常暗弱的恒星不可能获得光谱资料，分光视差法失灵。

2021/5/984大学物理

2造父变星法

1784年，发现仙王座δ星是变星，我国叫做“造父一”。造父一最亮时是3.6等，最暗时是4.3等，周期性变化（5.37天）。后来发现的造父变星越来越多，成为一种类型－－造父型变星。

造父变星的光变曲线：变化周期几天至几月。

2021/5/985大学物理

造父变星的周光关系

勒维特是美国一位两耳失聪的女天文学家，研究小麦哲伦星云中1777颗变星，其中25颗造父变星,测到视星等（从12.5等到15.5等）光变周期（从2天到120天），