清华大学天文学导论笔记

天文学史

开普勒三定律（椭圆轨道、运行速度、轨道与周期）

引力摄动：另一颗行星的引力导致某行星绕太阳的运动不符合两体假设 非牛顿引力摄动：水星、金星近日点进动验证了爱因斯坦广义相对论

钟慢效应：μ介子寿命为2.2×10-6s，以光速运动也仅能行进600m，而宇宙射线在大气外层产生的近光速μ介子却可以以到达地球表面。 引力透镜：由于质量对光的吸引，若被观测的星体与观测者连线上有大质量星系（透镜星系），观测者可能观察到多个像（爱因斯坦十字、双爱因斯坦环）

天体视运动

天体的周日视运动：由于地球自转导致的天体视运动

太阳：东升西落，与当地正午通过天子午线达到最高点，两次通过子午线间的时间为一太阳日（24h）

北京东经116.5度，东八区标准东经120度，北京时间正午12时时北京的太阳时为11点46分

赤道参考系：

把天空幻想为大球，北极指向北天极，南极指向南天极，赤道扩展为天赤道。北天极对地面的高度等于北半球该地的纬度。天赤道与天极的弧距离总是90度，与地平面相交于正东正西方向，且恰好看到一半。天球自东向西旋转，每小时旋转15度，所有星体的视运动轨迹都平行于天赤道。 地平参考系：

以正头顶为天顶，子午线从正南到正北穿过南天极、天顶和北天极平分天球。本地参考系中天体位置在始终改变。

赤道上，一切星体都垂直于地平面升起和落下，所有星体都可见且在地平面上方12个小时 周年视运动：天球坐标系上恒星的坐标固定，由于地球公转导致太阳在天球上向东运动。这也导致了每天同一时间天空状况不同（因为太阳时制）

太阳：太阳在天球上的位置始终自西向东移动，每年环绕天球一周，其在天球上的轨迹称为黄道。太阳绕天球一周的时间是365.24天。

太阳日：24h，太阳连续两次到达子午线的时间。

恒星日：23h56min，恒星连续两次到达子午线的时间。恒星日表明了地球自转的真实周期。 由于太阳一直向东运动，所以恒星比太阳运动的快一点。由于我们使用太阳时，恒星每天升起、穿过子午线、下落的时间都要提前约4分钟，经过一个太阳年后回到原地。

360 degrees24×60min

4 min/day=

365.24 days360degrees月球视运动：月球也在天球上向东漂移，27.323天后回到原处。月球的盈亏周期称为交合周期，为29.5天

黄道与节气：黄道与天赤道夹角为23.5度，且相交于春分点和秋分点。按顺序距这两点最远的点是夏至点和冬至点。

天球坐标系

把地球的经纬网络透射到天球上构成了赤道坐标系，在赤道坐标系中恒星的赤道坐标固定不变

赤纬(Dec, declination)：用δ表示，天赤道0度，北天极+90度，南天极-90度

赤经(RA, right ascension)：用α表示，从春分点算起，在天赤道上由西向东分为24小时。 例子： Polaris: RA=2h31min, Dec=89?15’ Sirius: RA=6h45min, Dec=-16?43’ 若A星比B星的RA大1h，则通过子午线、地平线时，B比A早1h

恒星时：某地某时刻的恒星时等于此时此刻与子午线重合的赤经。恒星日比太阳日短，所以恒星时比太阳时快。

时角τ=θ –α，τ<0表明恒星在子午线以东。-6<τ<6时天体可见。

地轴进动：北天极在不断运动，带动天赤道移动，春分点向西移动，每20年约移动1min

辐射与望远镜

光源相对于观测者的运动会导致观察到的辐射频率改变，称为多普勒效应。

Δλ??= λ0??因此，吸收光谱中一些特征谱线（如氢的Balmer线系）会发生移动 望远镜的功能： 1.聚光

Itelescope

2.减小衍射，提高角分辨率

δ=

1.22λDtelescope

????????????????????2= ??0

??0

大气窗口：地球大气层对可见光、小部分近红外线和部分无线电波透明，其他波段的光会被完全吸收（水蒸气阻止红外辐射2~10km，臭氧阻止紫外辐射20~40km，原子和分子阻止高能射线）

空间望远镜：可以接受更广的波段（红外观测深空），不受天气和大气扰动的影响

太阳系

太阳系内绝大部分质量（99.9%）集中在太阳。除太阳外太阳系绝大部分质量集中在气态巨行星（木星、土星、天王星、海王星） 所有行星围绕太阳公转的方向都一致，且和太阳的自转方向一致。而且大部分行星的自转和公转同向。 类地行星

1.靠近太阳

2.铁（镍）核心和岩石外壳 3.没有或极少卫星

4.体积小，质量不大而密度大 5.大气稀薄 水星

铁质，0卫星，地面阳光亮度极大无法观察，布满陨石坑，稀薄大气，主要是气态钠和氦气，表面昼夜温差极大 金星

距地球最近的行星，-4.4等，云层反射率极高。自转轴方向与公转方向相反，也和其他行星相反，自转轴几乎与公转平面垂直，没有四季之分。自转周期243天。气压为地球的90倍，90%二氧化碳、3%氮气、少量二氧化硫，温室效应严重，表面各处温差很小且没有昼夜温差，是太阳系最热的行星。表面被硫酸云覆盖，因此陨石坑很少 地球

平均比重5.5，是密度最大的行星，1卫星。最深处为铁镍的地核，内核固态外核液态，天然放射性物质维持地热。地心旋转导致了地球磁场，磁轴不通过地球中心。地磁场俘获太阳风中的带电粒子并导向两磁极，导致了极光。月球和太阳导致了潮汐 月球

月球内部活动已经停止，有简单和复杂环形山，引力太小不能舒服大气，温度从-100摄氏度到130摄氏度，平均表面温度-42摄氏度。月球成因？ 火星

质量仅为地球的1/10，大气压为地球的1%，大气主要为二氧化碳，平均气温极低，温差极大，气候剧烈变化，多风多沙尘暴。可能有水。没有活火山但有火山活动痕迹，有极深的峡谷。2卫星，已潮汐锁定 类木行星

1.体积大，质量大，密度小（比重0.7~1.7） 2.拥有许多卫星

3.岩石或者铁和信，液态 4.大气层浓密，自转较快 木星

与赤道平行的云带，太阳系内体积和质量最大的行星，比重1.3，自转周期10小时，导致两极扁平。内部引力坍缩，引力势能转化为热能，导致木星向外辐射能量超过从太阳得到的能量，但未发生核反应。主要成分为氢和氦，气压极大核心为金属相的氢，所以磁场十分强大，有持续300年的大红斑和暗淡光环，四颗伽利略卫星，61卫星 土星

密度最低，为0.7，与木星相似，光环和卡西尼缝。光环的内外围有一颗卫星，称为牧羊卫星，其引力作用将离群的碎片拉回光环。有31~61颗卫星最著名的是土卫六Titan（最大的土星卫星，浓厚的氮气大气，甲烷湖泊，生命？）。 天王星

轨道周期84年，60K，主要成分为H和He，大气中的甲烷散射蓝光，大气较为平静。自转轴几乎与公转平面平行，所以季节变化极端。与土星和木星相似，有岩石核心，有光环。 海王星

与天王星极为相似，蓝色。大气活跃，有小黑斑 矮行星

谷神星（火星与木星之间，所含淡水比地球多），冥王星（密度2.3，大气主要为氮，轨道偏心率极大，周期248年，自转周期6.39天，与第戎构成双行星，且互相潮汐锁定）

小行星带

阿登型：地球轨道以内 阿莫尔型：地球轨道外侧 阿波罗型：地球与火星之间 特洛伊型：与木星轨道相同

最大的小行星是谷神星，岩石，铁/镍，碳三种 彗星

是太阳系构建过正中遗留的碎片，反映了太阳系的起源。与小行星成分相同，由夹杂了岩石的水冰构成。分为开放轨道（双曲线，仅经过太阳一次）和封闭轨道（椭圆，周期） 彗星可能来源于柯伊伯带或者太阳系最外侧的球壳状的奥尔特云。 流星

流星体一般小于10米，可能来自小行星带或者彗星残留。流星是流星体高速进入地球大气层时的发光的现象。地球穿过彗星轨道时，彗星一路散落的残骸会进入地球大气层形成流星雨。流星落到地面形成陨石，陨石的年龄和太阳系相同，可能含有氨基酸，是原始生命的征兆。

太阳系的起源

太阳自转，行星公转、大部分行星自转均同向，且太阳的自转轴与行星轨道垂直，内行星金属含量高且致密，外行星密度小，富含氢，小行星的化学成分与行星、卫星都不同。 星云假说

尺度数光年的星云被超新星冲击波出发，引力克服气压坍缩，尺度减小，自转加快。自转方向上的离心力平衡引力，径向坍缩减慢，自转轴方向的坍缩不受影响，星云变得扁平，坍缩为原始恒星和吸积盘。吸积盘中尘埃互相吸引，密度涨落产生了一些~100米的小天体。一些小天体在互相碰撞过程中被击碎，一些吸引尘埃增长到1公里以上的星子，星子可以保持稳定并吸引更小的小天体而增长，最终生长为行星。吸积盘内部尘埃下落距离更长所以内盘更热，挥发性物质只能在外盘保留，内盘保留了难熔物。

原始行星周围也形成了吸积盘，最终形成了卫星。也有一些卫星是被俘获的小行星（火星），或星子与地球碰撞的残骸。小行星和彗星是未能长大的星子

系外行星

恒星太亮，导致无法发现其周围的行星。但是可以在系外恒星周围发现尘埃环，因为反射光亮度随反射体直径平方增强，单位体积中反射体数目随直径立方增多，所以颗粒越小，散射的恒星光越多。 观察系外行星：

1.可以通过直接成像的方法发现系外行星，

2. 也可以通过观测恒星在垂直视线方向的摆动来推测行星轨道。 3. 还可以通过多普勒效应观测恒星在视线方向的运动测量行星轨道。 4. 行星挡在恒星前的时候恒星会变暗

5. 当恒星-行星系统从引力透镜后面经过后，亮度会提高 系外行星与太阳系行星的区别

1. 存在“热木星”：质量巨大，与恒星极为靠近

2. 轨道偏心率极大 系外生命：

1. 超级地球：岩质，质量与地球相近（5~10倍） 2. 存在液态水

3. 大气、光谱由于生命活动而发生变化

太阳

太阳的直径为109倍地球直径，平均比重1.4，核心比重150，72%H(w)，26%He(w) 太阳是气态恒星，表面自转速度不同，赤道自转周期25日，极点附近35日。

辐射区：核反应产生γ光子，激发其他物质释放能量较低的光子，导致辐射转移：光子数增多，能量降低。

对流区：能量以对流形式传播，气体温度降低，光子被吸收的概率增加，因此辐射转移的效率下降，对流称为主要传热手段。

光球层：太阳的光学表面层，非常薄，气体密度恰好可以使光线通过，又不会被更外层的原子吸收。温度5800K。从核心产生的γ光子需要数万年才会以几千个可见光光子的形式到达太阳表面（光球层）（random walk）

一些气体在对流层吸收能量上升到光球层，释放热量变冷以后在沉降会对流区，形成米粒组织。

色球层：光球层之上，亮度低，温度比光球层高，有针状体细小突起 日冕：密度极低，可以延伸到太阳半径10倍以上，温度高达106K

太阳的能量来自于热核反应，5%以电子中微子的形式释放，其余以电磁辐射形式释放。 太阳黑子是光球层中温度较低(4200K)的区域，数目变化以11年为周期，太阳黑子成对出现且有强磁场相连，磁场阻止了对流层热气体上升至光球层，从而导致黑子温度较低。太阳黑子数目和地球气候有相关性。

日珥是色球层中被太阳磁场束缚的气体爆发后产生的强劲气流 耀斑是更猛烈地爆发，会释放强大的紫外线、可见光和太阳风。耀斑爆发的粒子云可达0.7c，以太阳风形式1~2天抵达地球。

太阳风：来源于日冕，飞离太阳的的侄子和电子，速度400~500km/s，约经4天抵达地球。太阳风在地球磁场作用下移向两极形成极光。 日珥、耀斑、黑子和太阳磁场都相关。 太阳正在变大，变亮

太阳表面的小区域在进行震荡。

恒星

被自身引力束缚，在核心发生热核反应的气态球。 距离测量：相隔半年时间恒星视位置的变化称为恒星视差p（用角秒表示），三角法给出d=1/p，1角秒对应的d称为1个pc（1个秒差距）。恒星越远，视差越小。 恒星视亮度：??=?2.5log10(??/??0)，选择定标值??0作为0等星亮度。 距离加倍，星等约增加1.5

绝对星等：恒星在10pc(32.6lightyear)处的视星等 光度：L=4πd2??，低光度恒星更多

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