第四章-天文學(xué)重要的基本概念

1、1,第四章 天文學(xué)重要的基本概念,1 恒星距離及其測(cè)定2 恒星的大小和質(zhì)量3 恒星的亮度，視星等，熱星等和熱改正4 恒星的絕對(duì)星等和光度5 恒星的輻射與光譜,,,2,1 恒星的距離及其測(cè)定測(cè)量距離的重要性： 我們?nèi)庋壑荒苤篮阈窃谔烨蛏系耐队暗奈恢谩?兩顆挨得很近的恒星，實(shí)際上在縱深方向上可能離得非常遙遠(yuǎn)，遠(yuǎn)的暗的星也就可能比近的實(shí)際上更亮！,,3,4,不知道恒星的距離就不能確定恒星空間的真實(shí)分布、運(yùn)動(dòng)速

2、度、大小和質(zhì)量、發(fā)射電磁波的真實(shí)強(qiáng)度，等等。,,5,怎樣測(cè)量恒星的距離？ 方法： 三角視差，分光視差，造父視差，力學(xué)視差，星團(tuán)視差，平均視差，哈勃定律，等等。,6,三角視差法(trignometric parallax) ： 基線越長(zhǎng)，可測(cè)量的恒星距離越遠(yuǎn)。,D = B/sinρ,7,Experiment: what’s parallax?,8,視差（角）： 天文上，兩個(gè)相對(duì)靜止的觀測(cè)者在兩個(gè)不同的位置上

3、看到同一天體的方向之差。恒星太遠(yuǎn)了，視差角太小，基線要非常長(zhǎng)！ 日地平均距離a,9,三角視差測(cè)量的困難：地球上的基線太短： 地球直徑約1.3萬(wàn)公里（1.3×10-9光年） 最近恒星4.3光年，角度太小無(wú)法測(cè)量地球軌道提供3億公里基線，情況好轉(zhuǎn)！,10,11,距離單位 恒星之遙遠(yuǎn)，遠(yuǎn)到無(wú)法用公里來(lái)做單位天文學(xué)家特別定義了3把不同的尺子:1)天文單位（AU）:

4、 太陽(yáng)和地球之間的平均距離稱為 1“天文單位”，1AU=1.49597870*1011米2)光年（ly): 光1年所走的距離，1 ly=0.946053*1016米，約10萬(wàn)億公里,12,1角秒,1秒差距,地球軌道,太陽(yáng),天文單位,3）秒差距（pc）：把恒星視差為1角秒時(shí),恒星所對(duì)應(yīng)的距離作為一種單位:“秒差距”,13,恒星的距離通常以秒差距 (parsec) 或光年 (light year) 作為單位。令a =

5、1 AU 為平均日地距離（1天文單位），r為恒星的距離，則 1 秒差距是周年視差為1″的恒星的距離。1 秒差距 (pc) = 3.086×1018厘米 (cm) = 3.26光年 (ly) = 206265天文單位 (AU),14,恒星距離越遠(yuǎn)，它的視差越小 恒星越近，視差越大恒星距離和恒星視差成反比： r：秒差距，π″：角秒例如：織女星的視差為 0″.12， 則距離＝8.1秒

6、差距。,,15,隔半年的兩次觀測(cè)，觀測(cè)同一顆星，其視位置會(huì)發(fā)生變化,AB：3億公里,,,16,最近的恒星,α Centauri Proxima ρ= 0.76″r=1.3 pc（4.3 ly）,Barnard星ρ= 0.55″ r = 1.8 pc (6.0 ly),,,17,早期視差測(cè)量恒星距離非常遙遠(yuǎn)，視差極為微小哥白尼在創(chuàng)立日心學(xué)說(shuō)時(shí)，曾嘗試測(cè)量恒星視差（未成功），以證明地球圍繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)哥白尼之后經(jīng)過(guò)了三百來(lái)年的

7、努力，1838 年才測(cè)量出恒星的視差 如：天鵝座61的視差為 （現(xiàn)代測(cè)量值為0".29，它相當(dāng)于從12公里處看一個(gè)1分硬幣所成的張角）,18,限制 由于受到地球大氣擾動(dòng)的影響，周年視差的精確測(cè)量受到限制。 地面望遠(yuǎn)鏡的角分辨本領(lǐng)一般不超過(guò)0.01″Hipparcos衛(wèi)星（1989年8月發(fā)射）

8、的角分辨率達(dá)到0.001″，測(cè)量了約100萬(wàn)顆恒星的距離。三角測(cè)距法只適用于近距離（≤30-500 pc）的恒星。 恒星的周年視差都小于1″,19,恒星不恒 恒星的相對(duì)位置幾乎保持不變； 明亮程度也似乎不發(fā)生變化； 因而稱它們?yōu)楹阈?事實(shí)上，恒星有很高的運(yùn)動(dòng)速度： 有的可超過(guò)每秒一千公里 亮度也在發(fā)生變化： 各類變星，造父變星是特殊的一類,20,

9、造父變星 造父變星 1784年，發(fā)現(xiàn)仙王座δ星是變星（我國(guó)叫做“ 造父一”）：造父一最亮?xí)r是3.6等，最暗時(shí)是4.3等,周期性變化（5.37天） 后來(lái)發(fā)現(xiàn)的造父變星越來(lái)越多， 成為一種類型：造父變星,21,造父變星的周光關(guān)系勒維特在研究小麥哲倫星云中1777顆 變星時(shí)，發(fā)現(xiàn)其中25顆造父變星： 它們的視星等從12.5等到15.5等， 光變周期從2天到120天；發(fā)現(xiàn)了造父變星的周光關(guān)系: 造父變星越亮，

10、光變周期越長(zhǎng),22,造父變星的周光關(guān)系測(cè)出一批知道距離的造父變星得到光變周期和絕對(duì)星等關(guān)系,23,造父變星測(cè)距法 測(cè)出造父變星的光變周期： 利用周光關(guān)系曲線得到造父變星的 絕對(duì)星等； 由關(guān)系式 M＝ m＋ 5－ 5 lg r，算出 造父變星的距離； 可測(cè)定遙遠(yuǎn)的造父變星及其中含有造父 變星的天體系統(tǒng)：如星團(tuán)、星系等的距 離。 “量天尺”,24,2 恒星的大小和質(zhì)量,恒星的

11、大?。?角直徑非常小，最大的不超過(guò)0".05 線直徑范圍： 大：幾百到一兩千倍D⊙ 小：白矮星10-2 D⊙ ； 中子星直徑只有 20公里,25,測(cè)量結(jié)果： 根據(jù)恒星體積的大小可以把它們分成以下幾類：超巨星 R ~100-1000 R⊙巨星 R ~10-100 R⊙矮星R ~ R⊙恒星的大小分布為：10-5 R⊙ (中子星) 103 R⊙(超巨

12、星),26,恒星的質(zhì)量： 范圍（理論）：65M⊙—0.08M⊙ 觀測(cè)驗(yàn)證很好直接測(cè)：太陽(yáng)和部分雙星,27,3 恒星的亮度，視星等，熱星等和熱改正,亮度 (brightness)：在地球上單位時(shí)間單位面積接收到的天體的輻射能。 視亮度的大小取決于三個(gè)因素： 天體的光度、距離和星際物質(zhì)對(duì)輻射的吸收和散射。,28,視星等： 古希臘天文學(xué)家希帕恰斯（Hipparcos）在公元前

13、150年左右首先創(chuàng)立表征恒星亮度的系統(tǒng)： 按明暗程度分成6個(gè)等級(jí)（1等星-6等星）。星等值越大，視亮度越低。 肉眼能見(jiàn)到的約有6000顆恒星。,29,眼睛看起來(lái)最為明亮：1等星看起來(lái)比1等星稍暗一些：2等星再暗一些的：3等星，依此類推眼睛剛能看到的：6等星,30,星等值越大，視亮度越低。,,,1等星,6等星,,31,視星等的科學(xué)性 1850年，普森發(fā)現(xiàn)星等和亮度有一定的關(guān)系： 星等按等

14、差級(jí)數(shù)增加，亮度按等比級(jí)數(shù)減小 1等星比6等星亮100倍； 相鄰2個(gè)星等的亮度差2.512倍： (100)1/5=2.512,32,星等分別為m1和m2的恒星亮度之比為 E1/E2 = 10-0.4 (m1-m2)m1－m2=－2.5log (E1/E2)或m =－2.5log (E/E0)，其中E0為定標(biāo)常數(shù)。取零星等的亮度為單位： 普森公式：m=-2.5lgE,33,視星等越大恒

15、星越暗,34,視星等的種類：,視星等的測(cè)量通常是在某一波段范圍內(nèi)進(jìn)行的。根據(jù)測(cè)量波段的不同，視星等可以分為目視星等(mv)、照相星等(mp)、光電星等和仿視星等(mpv)，等等。,35,輻射星等(mr)：測(cè)量恒星亮度的輻射探測(cè)器對(duì)所 有波長(zhǎng)的輻射都是一樣敏感時(shí)所測(cè)得的星等；熱星等(mb)：在輻射星等的基礎(chǔ)上作過(guò)大氣消光和儀器消光兩項(xiàng)改正之后的星等；熱改正(B.C.或BC)：熱星等與目視星等之差（ mb - mv）;

16、累積星等：對(duì)有視面天體各部分的亮度求和而得到的星等。,36,色指數(shù)(color index) 在不同波段測(cè)量得到的星等之差，如U-B, B-V等。,37,4 恒星的絕對(duì)星等和光度,視星等不是恒星真實(shí)發(fā)光能力， 視星等表征觀測(cè)者接收到的能量。光度L (luminosity)：天體在單位時(shí)間內(nèi)輻射的總能量，是恒星的固有量。絕對(duì)星等：天體位于10 pc 距離處的視星等，它實(shí)際上反映了天體的光度。 絕對(duì)星等表征恒星輻射

17、能力。,38,對(duì)同一顆恒星：E10/Er = (10/r ) -2M－m =－2.5 log(E10/Er) = 5－5 log r(pc) 或: M＝ m＋ 5 + 5lgπ" 對(duì)不同的恒星： M1－M2 =－2.5 log (L1/L2)M－M⊙=－2.5 log (L/L⊙)其中L⊙= 3.86×1033 ergs-1, M⊙= 4.75m 距離模數(shù) (distanc

18、e modulus) ：m-M r=10(m-M+5)/5,39,光度和體積、溫度的關(guān)系：恒星的光度由其溫度和表面積決定： 溫度愈高光度愈大； 表面積（半徑）愈大光度也愈大； Stefan-Boltzmann定律：光度 L= 4πR2σT4σ=5.67032(71)×10-5爾格·厘米-2·度-4·秒-1光度大的恒星叫做巨星，光度比巨星更大的叫超巨星；光度小的稱為

19、矮星。光度大的巨星，體積也大 光度小的矮星，體積也小,40,光度和絕對(duì)星等都是指恒星的輻射： 適用于光學(xué)，紅外、紫外、射電、Χ 及γ射線波段光度單位：爾格/秒；通常以太陽(yáng)光度 為單位恒星之間的光度差別非常大： 光度最大的恒星比太陽(yáng)約強(qiáng)106倍； 光度最小的恒星只有太陽(yáng)的10-6,41,光度與絕對(duì)星等之間的關(guān)系,,,,,,,,10,000,100,1,0.01,0.0001,-5.25,-0.25

20、,+4.75,+9.75,+14.75,光度L/L⊙,絕對(duì)星等,42,5 恒星的輻射與光譜,43,恒星的電磁輻射,44,大氣窗口(atmospheric window) 地球大氣阻擋了來(lái)自空間的電磁輻射的大部分，僅在射電和光學(xué)部分波段較為透明。,45,不同輻射波段的太陽(yáng),光學(xué),紫外,X射線,射電,46,不同輻射波段的銀河系,47,不同波段的旋渦星系M81,光學(xué) 中紅外

21、 遠(yuǎn)紅外,X射線 紫外 射電,48,太陽(yáng)光譜,典型的恒星光譜,49,恒星光譜的形成,恒星的連續(xù)譜來(lái)自相對(duì)較熱、致密的恒星內(nèi)部。 吸收線來(lái)自較冷、稀薄的恒星大氣。,,,50,Oh, Be A Fine Guy (Girl), Kiss Me!,Harvard光譜分類 ：根據(jù)恒星光譜中Ba

22、lmer線的強(qiáng)弱，恒星的光譜首先被分成從A到P共16類。后來(lái)經(jīng)過(guò)調(diào)整和合并，按照溫度由高到低的次序，將恒星光譜分成O, B. A, F, G, K, M七種光譜型(spectral type).每一種光譜型可以繼續(xù)分為0-9十個(gè)次型太陽(yáng)的光譜型為G2,51,根據(jù)恒星光度的高低，將恒星分為I –VII七個(gè)光度級(jí)。光度級(jí)數(shù)值越小，表明恒星的光度越高。Ia—最亮超巨星Ib—次亮超巨星II—亮巨星III—巨星IV—