科普天文学课件下载两篇

6.4星系的距离造父变星的方法:使用周期-光度关系对经典造父:测量造父变星的周期找到其光度比较视星等找到它的距离b)Ia型超新星(双星系统中一个白矮星吸积的崩溃):Ia型超新星有众所周知的标准光度

与视星等相比

得到距离这两种都是标准烛光方法:知道绝度星等(光度)

对比视亮度

得到距离造父变星

造父变星因典型星仙王座δ而得名。仙王座δ星最亮时为3.7星等，最暗时只有4.4星等，这种变化很有规律，周期为5天8小时47分28秒。这称作光变周期。造父变星具有的光变周期和绝对星等之间的关系-——周光关系。周光关系1940年代，工作的德国天文学家巴德发现，造父变星分为两类，星族Ⅰ经典造父变星，绝对星等与M光变周期P的关系为：M=-1.43-2.81lgP星族Ⅱ的短周期造父变星（又称室女W型变星）：M=-0.35-1.75lgP可以通过造父变星的光变周期求得绝对星等。造父变星（Cepheid）的距离测量

测量光变周期利用周光关系可以从光变周期P推算绝对星等M视星等m则可直接测量距离r便可由公式lgr=(m-M+5-A)/5算得。lgr=(m-M+5-A)/5于是距离r便可求出。最远的星系Clusterofgalaxiesat~4to6billionlightyears在非常大的距离,只有星系的总体特征可以用来估计他们的光度

距离.到其他星系距离的测量:

哈勃定律（TheHubbleLaw）E.Hubble(1929):哈勃发现河外星系视向退行速度vr与距离d成正比，即距离越远，视向速度越大。vr=H0*dH0

≈70km/s/Mpcisthe哈勃常数

通过多普勒效应测量vr

，然后推导出距离。红移哈勃(EdwinP.Hubble)（1889～1953）/link?url=GPTCUoWlfXlpJqeGof-870tDnq-ocDqiZgTJeG4WDccZD-hCVBn1n1_-xf_bAbYB哈勃对20世纪天文系作出许多贡献，被尊为一代宗师。其中最重大者有二：一是确认星系是与银河系相当的恒星系统，开创了星系天文学，建立了大尺度宇宙的新概念；二是发现了星系的红移-距离关系，促使现代宇宙学的诞生。天文学家银河系外距离尺度许多星系通常距离我们的星系数百万或数十亿秒差距。常用的距离单位:百万秒差距（Mpc）=Megaparsec

=1millionparsec十亿秒差距（Gpc）=Gigaparsec

=1billionparsec数百万或数十亿年的“回溯时代”1秒差距=3.2616光年=206265天文单位=308568亿公里6.5星系的大小和光度截然不同的大小和光度:从小型、低光度不规则星系(比银河系更小和更低的光度)到巨型椭圆星系和大型螺旋,几倍银河系的大小和光度。星系旋转曲线观测横过星系的频率谱线从整个星系谱线的蓝、红移

推出旋转的速度转动速度与距银河系中心距离的图示:旋转曲线。6.5星系的质量依据旋转曲线，应用开普勒第三定律（Kepler’s3rdlaw）可以推导出星系的质量星系的质量和其他属性超大质量黑洞通过测量星系中心附近恒星的速度：推出中心的质量

黑洞!几百万,超过十亿个太阳质量!

超大质量黑洞暗物质架构可见物质：

恒星,

星云,

尘埃,…等等,我们发现大多数物质是不可见的!

这些暗物质的本质目前还不能被理解。一些想法:棕矮星,小黑洞,奇异的基本粒子。6.6星系群星系通常不是孤立存在的,而是形成了较大的星系群。富星群:

1,000或更多星直径~3Mpc,凝聚在一个大型星系贫星群:

小于1,000星系(经常只有几个),直径只有几Mpc,一般不凝聚向中心星系群中热气体星系之间的空间不是空的,而是充满了热气体(在x射线可观察到)这种气体仍受引力束缚提供更进一步的证据表明暗物质存在。昏迷（Coma）星系团VisiblelightX-rays我们的星系群:本地组银河系（MilkyWay）仙女座星系（Andromedagalaxy）小麦哲伦星系（SmallMagellanicCloud）大麦哲伦星系（LargeMagellanicCloud）邻近星系一些本地组的星系很难观测到,因为从我们的视线观测它们位于我们银河系的中心的背后。SpiralGalaxyDwingeloo1相互作用的星系CartwheelGalaxy尤其是在富星团，星系可以碰撞和相互作用。星系碰撞可以产生潮汐尾。经常触发活跃的恒星形成:星爆星系NGC4038/4039星系环和潮汐尾有潮汐尾的星系相互作用例子。“老鼠”计算机模拟产生类似的结构。模拟星系相互作用数值模拟星系相互作用在重现潮汐作用像桥梁、潮汐尾和星系环是非常成功的。星系合并NGC7252:恒可能是十亿年前两个星系合并的结果。中心处小星系遗迹在反向旋转。M64射电图像:中心区域反向旋转!巨椭圆星系中多个星核。星系相食大与小星系的碰撞往往导致完整的破坏较小的星系。

小星系被较大的一个“吞下”.这个过程称为“星系相食”。NGC5194星爆星系星爆星系通常具有非常丰富的气体和尘埃,在红外波段表现明亮。超亮红外星系M82CocoonGalaxy大尺度结构超星系团=星系团的集合广阔的区域空间完全是空的:“空隙”超星系团出现沿墙排列和细丝。最远的星系通过望远镜看到的最遥远的星系是宇宙只有~10亿岁的星系。6.7活动星系其星系核中伴随剧烈能量释放的星系。

“活动星系核”(=AGN)比整个银河系还要亮几千倍;能量在一个和我们太阳系相仿的区域释放!星系的光谱从一个普通的星系获取的光谱:星系的光应该主要是星光,因此应该包含许多从单个恒星光谱吸收线。西佛（Seyfert）星系NGC1566CircinusGalaxy不寻常的旋涡星系:

非常亮的核

辐射线光谱.

变化:~50%在几个月内最有可能的能量源:吸积成一个超大质量黑洞(~107–108Msun)相互作用的星系SeyfertgalaxyNGC7674活跃星系通常与相互作用的星系相关,可能最近的星系合并的结果。常常伴随相反方向的高速外流。SeyfertgalaxyNGC4151宇宙喷流和射电叶很多活跃星系显示强大的射电喷流CygnusA的射电图像喷流中物资的运动接近光速(“相对论性喷流”)。高温点:喷流释放的能量与周围物质的相互作用射电星系射电图像叠加在光学图像上人马座（Centaurus）A(“CenA”=NGC5128):是离我们最近的活动星系核（AGN）.喷流在射电和X射线波段也是可见的；表现为相同的位置上亮点。红外图像显示星系核附件温暖的气体.射电星系(2)Radioimage3C129:星系穿过星际物质的证据。Radioimageof3C753C75:两个星系核合并的证据。射流偏转(SLIDESHOWMODEONLY)射电喷流的形成喷流的动力来自超大质量黑洞对物质的吸积。黑洞扭曲的磁场有助于限制喷流物质以及产生同步辐射。吸积盘喷流M87M87=处女座星系团中心的巨型椭圆星系光学和无线电观测检测喷气速度~1/2c。Jet:~2.5kpclong活动星系核中存在黑洞的证据椭圆星系M84:谱线的移动表明中心附近气体的高速旋转。VisualimageNGC7052:恒星速度暗示黑洞的存在。西佛星系模型吸积盘浓密的尘埃环气体云UV,X-rays辐射线超大质量黑洞西佛I:黑洞附近气体云快速运动产生的强、宽辐射线西佛II:远离黑洞气体云慢速运动产生弱、窄辐射线BH其他类型的星系核和星系核的统一射线星系:喷流端点的高能的“射电叶”，喷流的能力在那里耗散。CygA(radioemission)Observingdirection其他类型的星系核和星系核的统一(2)指向我们的喷流辐射增强（“多普勒增强”），背向我们运动的喷流（反向喷流）辐射减弱。类星体或BL型天体(属性非常类似于类星体,但没有发射线)观测方向NGC4261的尘埃环用哈勃太空望远镜可以直接看见尘埃环。正常星系中的黑洞仙女座（Andromeda）星系M31:没有被有效的吸积到黑洞X射线源大多是黑洞吸积的恒星物质。黑洞和星系的形成相互作用的星系不仅产生潮汐尾等,但也推动物质向中心

触发星系核活动.这样的相互作用可能在螺旋结构的形成上也扮演了一定的角色。星系的形成

今天最能被接受的观点是原始扰动的成长形成今天我们所观察到的所有结构，原始扰动诱发局部地区气体的物质密度增加，形成星团和恒星。这种模型的一种结果是在早期宇宙的一些地区因为有较高一点的密度而形成了星系，因此星系的诞生与早期宇宙的物理息息相关。第四章

恒星

恒星的位置看来固定不变，因而古人称之为“恒”星，即固定不动的星。一般来说，恒星都是气体球，没有固态表面，通过自身引力聚集而成。它区别于行星的一个重要性质是它自己能够强烈发光。太阳是一颗恒星。恒星是指由内部能源产生辐射而发光的大质量球状天体。参数变化范围质量M10-1M⊙≤M≤102M⊙

半径R10-3R⊙≤R≤103R⊙

表面温度T103K≤T≤105K光度L10-4L⊙≤L≤106L⊙

M⊙是太阳的质量，R⊙是太阳的半径，L⊙为太阳的光度。对恒星的研究表明：恒星主要是由氢组成的气体球。氢聚变成氦而放出能量，然后氦又可聚变成更重的元素放出能量，因此恒星的化学组成同她得年龄有关。恒星的信息源

恒星具有极高的温度，有大量的激烈运动着的电离的电子，发出强大的电磁波辐射（电磁波是原子中的电荷作变速运动时产生的）。波长范围从最长的无线电波到最短的γ射线。电磁波：可见光其他信息源：宇宙线、中微子、引力波、射电波、X射线、γ射线、红外线来自恒星以及其他天体的辐射穿过地球大气层是，很多波段都被大气分子吸收掉了。屏蔽紫外线的主要是大气中得臭氧层和氧原子、氧分子、氮分子；屏蔽一部分红外线的主要是大气中得水分子和二氧化碳分子。有两处透明窗口：光学窗口和无线电窗口，为人类天文学的发展提供了必要地信息通道。

光学窗口：0.35~22微米可见光和一部分红外线（17~22微米半透）。

无线电窗口：1毫米~30米的无线电波段。不同波长的电磁波，其光子多具有的能量是不同的。光子的能量E与波长的关系λ的关系为式中c是传播速度，焦耳

秒称为普朗克常数。波长愈短，能量愈高。电磁波在本质上是相同的，仅在波长频率和光子能量方面有所差别。（c是传播速度）波长不同的电磁波在真空中得传播速度都一样。波长λ和频率ν之间满足公式波长愈短，频率愈高。不同波长的电磁波也可以用频率来表示，换算公式频率波长赫兹微米波长和光子能量之间有固定的关系，电磁波谱有事也用光子能量来描述。光子能量的单位常用电子伏特（eV）来表示。电子伏特是一个电子通过1伏特电位差时获得的能量，1电子伏=1.6022x10-19焦耳。电子伏在无线电波段常用频率；在光学波段常用波长；在X射线和γ射线波段用光子能量来描述.4.1恒星参数的测定

4.1.1.恒星的距离

恒星离我们非常遥远，除太阳外，离我们最近的恒星是半人马座比邻星，距离约为4×1013千米，4.22光年。天文学上常用的距离单位：①天文单位，即日地平均距离，为1AU=149597870千米=1.49597870×1011米②光年，光在一年中走过的距离，1l.y.=0.946053×1016米③秒差距，周年视差为1″对应的距离，1pc=3.08568×1016米1光年=0.307秒差距1秒差距=206265AU周年视差π=1''的恒星与地球的距离r为206265AU，这个距离定义为1秒差距（1pc）。秒差距（Parsec,缩写pc）测定恒星距离最基本的方法是三角视差法，此法主要用于测量较近的恒星距离。然而对大多数恒星说来，这个张角太小，无法测准。所以测定恒星距离常使用一些间接的方法，如分光视差法、星团视差法、统计视差法以及由造父变星的周光关系确定视差，等等。这些间接的方法都是以三角视差法为基础的。恒星距离的测定恒星的距离是借助于测定周年视差而获得的

r=a/π太阳到恒星的距离为r,单位为光年或秒差距日地平均距离为a，单位为天文单位恒星的周年视差为π，单位为弧秒三角视差法测距离三个著名恒星距离名称视差距离比邻星0.76

″4.3光年织女星

0.12″27光年天狼星0.37″8.8光年光速：c=3.0x108m/s最快飞机速速：v=1.0x108m/h=3.0x104m/s

光度为恒星的能量发射率，即整个星面每秒释放的能量，用L表示。他在国际单位的典型表示法式是瓦特(Watt)，在c.g.s.制是尔格/秒，或是以太阳光度来表示，也就是以太阳辐射的能量为一个单位来表示。太阳的光度是3.827×1026瓦特。

一颗恒星的光度决定于恒星的表面温度和表面积——较大的恒星比同温度的较小恒星辐射更多的能量，所以，表面温度相同(因而颜色相同)的两颗恒星可能有极不相同的光度，而光度相同的两颗恒星可能有完全不同的表面温度(和颜色)。

光度是与距离无关的真实常数，亮度则明显的与距离有关，而且是与距离的平方成反比，亮度通常会以视星等来量度，那是一种对数的关系。4.1.2恒星的光度、照度和和星等光度（luminosity）

恒星看起来的明暗程度称为视亮度，简称亮度，就是指照度，用E表示。

照度是每单位面积所接收到的光通量。SI制单位是勒克斯(lx=lux)，1(勒克斯)=1(流明/平方米)。对于接受天体辐射的人眼或仪器来说，单位时间入射到其单位面积的能量。表示某处感应器感应到的恒星的能量。照度（Illuminance）

在天文学上，星的亮度用星等表示。古人按照星的明暗程度把星星分为6个亮度等级，天球上约20颗最亮的星称为一等星，肉眼刚刚能看到的星称为六等星。通常以拉丁字母m表示星等。这个星等系统原则上保留到现在，并给予标准化后推广到特别亮的天体以及肉眼看不见但用望远镜能看见的暗星上去。

星等是衡量天体光度的量。在不明确说明的情况下，星等一般指目视星等。为了比较天体的发光强度，采用绝对星等。绝对星等M的定义是，把天体假想置于距离10秒差距处所得到的视星等。若已知天体的视差π（以角秒计）和经星际消光改正的视星等m，可按下列公式计算绝对星等：M=m+5+5lgπ。对应不同系统的视星等有不同的绝对星等。天体光度测量直接得到的星等同天体的距离有关，称为视星等，它反映天体的视亮度。一颗很亮的星可以由于距离远而显得很暗（星等数值大）；而一颗实际上很暗的星可能由于距离近而显得很亮（星等数值小）。对于点光源,则代表天体在地球上的照度。星等常用m表示。对应不同探测器有各种星等系统。星等（magnitude）星等系统：目视星等、照相星等、光电星等视星等绝对星等4.1.3恒星的大小、质量和密度

恒星的真直径可以根据恒星的视直径（角直径）和距离计算出来。常用的干涉仪或月掩星方法可以测出小到0.01的恒星的角直径，更小的恒星不容易测准，加上测量距离的误差，所以恒星的真直径可靠的不多。根据食双星兼分光双星的轨道资料，也可得出某些恒星直径。对有些恒星，也可根据绝对星等和有效温度来推算其真直径。星名视差(弧秒)角直径（弧秒）线直径（太阳直径为1）猎户座α0.005″0.047″1000鲸鱼座α0.023″0.056″480金牛座α0.048″0.021″94御夫座α0.073″0.004″13天狼A0.375″0.006″1.85太阳1.00天狼B0.375″0.000077″0.044范玛伦星0.235″0.000019″0.009观测结果：恒星的直径相差很大，大的有太阳直径的几百倍甚至一两千倍，小的只有不到太阳直径的十分之一。

恒星的质量是很重要的一个参量，但是除太阳外，目前只能对某些双星进行直接测定，其他恒星的质量都是间接得到的，如通过质光关系来测定的。4.1.4恒星的质量 1、测定双星质量的基本原理是依据开普勒第三定律——双星系统的总质量与轨道半长径的立方成正比，与轨道周期的平方成反比结合天体测量法测出两子星相对质心的距离

和,则可知两子星的质量比从而可求出每个子星的质量２、质光关系：

对于质量大于0.2M⊙的主序星，恒星的质量和光度之间有很好的统计关系，称之为“质光关系”。恒星的质量越大，其对应的光度越强。一般符合如下关系

1924年爱丁顿从理论上导出绝对光度为L的恒星与其质量M有L=kM3.5的简单关系,其中k为常数。 lg(L/L⊙)=3.8lg(M/M⊙)+0.084.2恒星光谱及其相关性质

太阳的光谱是红、橙、黄、绿、青、靛、紫七色，原因是什么呢？

4.2.1光谱概念的物理基础

量子力学创立于20世纪初，是研究电子、质子、中子以及原子和分子内其他亚原子粒子运动的一门科学。相对于量子力学，牛顿力学称为经典力学。利用牛顿力学，人们认识了太阳系。同样，人们想象一个原子就是一个小太阳系：核在中心，电子在固定的轨道绕核“公转”。但按照量子力学的说法，原子中没有电子运动的轨道，只能说电子可能出现在什么地方。天文学包括天体力学、天体物理学等数十个分支和量子力学的建立，使人们能正确地认识微观世界，爱因斯坦狭义相对论和广义相对论的建立改变了人们对时间和空间本质的认识，同时也给了天文学家更深入认识恒星和天体的一个理论工具。4.2.2恒星光谱与氢原子谱线光谱有连续光谱，线光谱和带光谱。太阳光谱其实并不是一条连续的光带，而是带有许多暗线条

氢原子光谱（巴尔默系，背景彩色是为了表示三条光谱线的位置而加进去的）。

4.2.3

光谱在恒星研究中的应用 1、确定恒星的化学组成 2、确定恒星的温度 3、确定恒星的视向速度和自转光谱型颜色表面温度（开）典型星O蓝40000~25000参宿一B蓝白25000~12000参宿五A白11500~7700织女星F黄白7600~6100小犬座αG黄6000~5000太阳K橙4900~3700牧夫座αM红3600~2600心宿二恒星光谱的分类

4.2.4恒星的光谱、颜色和表面温度之间的关系Oh!BeAFairGirlKissMe.4.2.5恒星的赫罗图丹麦科学家赫茨普龙(E.Hertzsprung)于1911年，天文学家罗素（H.N.Russell）于1913年，分别的绘制了恒星的光谱—光度图。Innerradiative,outerconvectivezoneInnerconvective,outerradiativezoneCNOcycledominantPPchaindominant4.3变星和新星变星：亮度在较短时期内有显著变化的星为变星。新星:有少数星的亮度可在几天内猛增几万倍，较原有星等减少10-14等，把这些突然爆发的星称为新星。超新星:超新星的爆发规模比新星还要大，它发亮时亮度的增幅为新星的数百至数千倍，抛出的气壳速度可超过104km/s。是所有变星中最壮观的一类，是恒星的灾变性爆发。辐射能估计为1042~1043J,抛出的物质质量达1~10m⊙,动能达1043~1044J。4.3.1造父变星造父变星又称长周期造父变星或经典造父变星，是脉动变星的一种，这类变星的亮度变化是周期性的，一般周期在1.5～80天之间。周光关系：周期和绝对星等之间的关系。造父变星的平均绝对星等M与其周期的对数lgP近似成直线关系周光关系新星4.3.2新星和超新星

亮度会在很短的时间内迅速增加，达到极大后慢慢减弱，几年或几十年后恢复到原来的亮度，这种星叫新星。

有些恒星爆发时规模比新星更巨大，

光度增加1亿倍，这种星称为超新星。超新星蟹状星云（M1，或NGC1952）位于金牛座ζ星东北面，距地球约6500光年。它是个超新星残骸，源于一次超新星（天关客星，SN1054）爆炸。气体总质量约为太阳的十分之一，直径六光年，现正以每秒一千公里速度膨涨。星云中心有一颗直径约十公里的脉冲星。这超新星爆发后剩下的中子星是在1969年被发现。其自转周期为33毫秒（即每秒自转30次）。中国的史料中有很多关于1054年超新星剧烈爆发的珍贵记录资料。4.4不同的恒星系统双星，为包含两颗恒星的系统，在相互引力的影响下，两颗恒星绕着它们共同的引力中心描绘出闭合的轨道。较亮的子星为主星，较暗的子星为伴星。双星的两个成员都称为双星的子星，较亮的子星称为主星，较暗的称为伴星。（一）目视双星

在望远镜里能直接用眼睛看出是两颗星的双星双星（二）分光双星

用光谱分析的方法发现的双星双星（三）

交

食

双

星

聚星，三颗到十几颗恒星聚集到一起