天体物理讲义01

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1、《普通天文学》天体物理绪论天文学是研究宇宙的科学。宇宙：四方上下曰宇，往古来今曰宙。——《淮南子》宇宙包含了所有的空间、时间、物质和能量。空间尺度：从极小到极大最遥远星系银河系邻近恒星太阳地球人类细胞原子质子夸克1026m10-20m10-10m100m1010m1020m地球太阳系恒星世界星团恒星的演化恒星的形成银河系宇宙岛——河外星系活动星系星系集团最遥远的星系时间跨度：从过去到将来向前：太阳的过去、大爆炸、时间的起点向后：太阳的演化、宇宙的未来宇宙演化的历史天文学的研究特点天文学研究的基础——观测（观察和测量）天文观测是一

2、种“被动”的试验观测→理论→观测距离极远时标极长物理条件极端复杂（温度、密度、压强、磁场）天文学的发展天体测量学：天体的位置和变化规律天文学的发展天体的运动定律与天体力学天文学的发展19世纪中叶，天体物理学诞生天体光度和光谱的测量。观测技术和理论工具飞速发展。光学天文学→射电天文学、空间天文学→全波天文学。量子论、相对论、原子核物理学、高能物理学。关于本课程学习目的和要求学习内容成绩测定联系方式lixd@nju.edu.cn仙女座星系，距离300万光年人们怎样去研究如此遥远的天体？第一章恒星的观测§1.1辐射基本知识§1.2恒星

3、的距离和大小§1.3恒星的星等§1.4恒星的光谱和赫罗图§1.5双星和恒星质量§1.6天文望远镜§1.1辐射基本知识1.电磁辐射人们获得天体信息的渠道主要有四种：电磁辐射(electromagneticradiation)宇宙线(cosmicrays)中微子(neutrinos)引力波(gravitationalwave)电磁辐射是其中最为重要的一种。LIGOHomestake金矿中微子实验室电磁辐射是以变化的电磁场传递能量、具有特定波长和强度的波（波动性）。波长范围：＜0.01Å–30m1Ångstrom=10-10m(波长λ

4、)×(频率ν)＝光速c=3×1010cms-1根据波长由长到短，电磁辐射可以分为射电、红外、光学、紫外、X射线和γ射线等波段，可见光又可分解为七色光。电磁辐射由光子构成（粒子性）光子的能量与频率（或颜色）有关：频率越高（低），能量越高（低）。E=hν,其中Planck常数h=6.63×10-27ergs-1PlanckEinstein大气窗口(atmosphericwindow)地球大气阻挡了来自空间的电磁辐射的大部分，仅在射电和光学部分波段较为透明。不透明度2.黑体辐射（blackbodyradiation）黑体(blackb

5、ody)能吸收所有的外来辐射（无反射）并全部再辐射的理想天体。黑体辐射具有特定温度的黑体的热辐射。大部分正常恒星的辐射可以近似地用黑体辐射来表示。不同温度黑体的辐射谱Stefan-Boltzmann定律单位面积黑体辐射的能量F＝σT4其中Stefan-Boltzmann常数σ＝5.67×10-5ergcm-2s-1K-4Wien定律黑体辐射最强处的波长λmax与温度之间的关系为λmaxT＝0.29(cmK)高温黑体主要辐射短波，低温黑体主要辐射长波。不同辐射波段的太阳光学紫外X射线射电不同辐射波段的银河系不同波段的旋涡星系M81

6、光学中红外远红外X射线紫外射电不同温度天体的辐射OmegaCentauriSunAdim,youngstar(shownhereinred)nearthecenteroftheOrionNebulaRhoOphiuchiPlanck定律温度为T的单位面积黑体，在单位时间、单位频率内、向单位立体角发射的能量为平方反比定律单位面积接收到的辐射强度F与光源距离d的平方成反比F∝d-23.电磁波谱Kirchoff定律热的、致密的固体、液体和气体产生连续谱；热的、稀薄的气体产生发射线；连续辐射通过冷的、稀薄的气体后产生吸收线。恒星形成区M

7、17中的热气体辐射谱太阳光谱原子结构和谱线的形成原子结构：原子核+围绕原子核旋转的电子（云）。（量子化的）电子轨道的大小反映了原子能态的高低。当电子从高能态跃迁到低能态，原子释放光子，产生发射线；反之产生吸收线。吸收或发射的光子能量为hν＝En2-En1吸收线的产生过程氢原子光谱（波长单位：nm）Lyman线系n1=1Balmer线系n1=2Paschen线系n1=3Brackett线系n1=4Pfund线系n1=5n2=2121.63102.6656.3497.2486.11875595.0434.112824050693.8

8、410.2109426307460┆∞91.2364.782114602280氢原子光谱谱线与恒星的化学成分不同元素的原子具有不同的结构，因而有不同的特征谱线。通过比较太阳光谱和实验室中各种元素的谱线，可以确定太阳大气的化学成分。按质量计，70%H,28%He和