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第一章 绪论

第一节 天文总论

[1.1] 何谓天文

天文学是自然科学中的基础学科之一。它的研究对象是广袤无垠的太空中的天体与天体系统,包括天体以外各种形态的物质,以及整个宇宙。天文学是一门基于观测的学科,在天文学中,一切通过理论得到的事实都必须得到观测的检验,天文学观测和研究天体的位置、分布、运动、状态等等。

[1.2] 什么是宇宙?

“宇宙(universe)广漠空间和其中存在的各种天体以及弥漫物质的总称。宇宙是物质世界。它处于不断的运动和发展中,在空间上无边无界,在时间上无始无终。”——《中国大百科全书·天文学》“四方上下为宇,古往今来曰宙”宇宙,就是一切时间和空间的总和。

[1.3] 什么是天体?

天体顾名思义就是天上的物体,详细的说就是地球大气外的宇宙空间中一切宏观客体的总称,与高中地理课本上的定义不同,天文学上的天体包括从宇宙空间进入大气的客体(如流星),也包括掉落地面的客体(如陨石),也包括地球本身。对于微观的客体,则不属于天体,如:尘埃,有机及无机分子,基本粒子,电磁波,引力场等等。

[1.4] 天文学的意义

(1)作为基础学科的作用

       1.认识客观世界

       2.推动其他学科的研究

(2)与生产实际的联系

       1.时间、历法、年代学

       2.大地测量、导航

       3.太阳活动

       4.宇宙航行

       5.彗星与小行星的监测

(3)天文学的哲学意义

     1.丰富了唯物辩证法的内容

     2.充实了唯物辩证法的根本规律

     3.深化了许多具体的哲学范畴

 

第二节 宇宙概观

[2.1]天文学中的单位

1.天文单位(AU):地球与太阳之间的平均距离。一天文单位约等于1.5亿千米,记忆时可以通过记住光从太阳运动到地球需要8分钟,与光速(三十万千米每秒)相乘即可得。

2.光年(ly):光在真空中传播一年所经过的距离,一光年约等于9.5万亿千米,记忆时亦可通过X=V*T的公式计算。

3.秒差距(PC):日地距离在某处的张角为一角秒,此处的距离。1PC=1AU/sin1”,计算时可以通过把三角函数近似成圆弧来计算,即一角秒的正弦值约等于其对应的弧度值,一秒差距约等于31万亿千米,必须注意这是一个单位,即两秒差距等于两倍一秒差距的长度,而不等于日地距离张角为两角秒时的距离。

4. 各单位之间的换算关系

    1 pc= 3.2616 ly

        = 206 265 au

    1 ly= 0.307 pc

       = 63 240 au

    1 au= 1.5813×10-5 ly

        = 4.848×10-6 pc

[2.2]宇宙的层次结构

1.      随着人类视野的不断发展,人们看到的空间尺度也越来越多,我们可以把天体分为行星层次,恒星层次,星系层次,宇宙层次四个层次

2.      行星层次:这一层次由大大小小的行星组成,最为典型的代表是地球,行星大多绕恒星运转,最近的研究显示也存在流浪于宇宙空间的行星。

3.      恒星层次:典型代表是太阳,它是离地球最近的一颗恒星,也是太阳系的中心天体。恒星彼此距离非常遥远,离太阳最近的恒星离太阳也有4.27光年,部分恒星如太阳拥有恒星系统,也有很多恒星与其他恒星以双星和聚星形式存在。

4.      星系层次:这一层次的代表是银河系,银河系中约有3000亿颗恒星。

5.      宇宙层次:尺度最大的一个天体层次是整个宇宙。约在不足一百年之前,天文学家发现在我们的银河系之外,存在许多形态各异的与银河系尺度不相上下的星系,即河外星系。它们的数量达千亿量级,并且构成了星系团、超星系团等系统,最远的星系离我们已超过100亿光年。所有星系构成了整个宇宙,也可叫做可观测宇宙。

第三节 各种天体

[3.1]行星和卫星

太阳系有八颗行星,按离太阳远近分别是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星。除了水星和金星,其他行星都有或多或少的卫星。在太阳系外也发现了很多行星,称之为系外行星。

[3.2]恒星

按照现代天文学的认识,恒星是质量大多介于0.05 ~ 120太阳质量(m⊙)之间,靠自身的能源发出电磁辐射的天体。恒星被称之为恒星是因为它们在天空中几乎观察不到运动,但是,恒星并不是固定不动的,只是距离遥远,使用特殊的工具很容易发现他们在天球中运动。宇宙中有数量惊人的恒星,光光银河系中就有3000亿颗以上,而银河系只是宇宙中数千亿个星系的一员。

[3.3]星团

恒星具有集群分布的特性,除了双星和聚星这种简单的恒星系统之外,还存在着由众多恒星组成的更大系统——星团,星团分为两种:疏散星团和球状星团

1.      疏散星团:疏散星团,顾名思义就是其中恒星分布的较为疏散的星团,这类星团均匀的分布在银河系盘面上,也较为年轻。

一个典型的疏散星团:

2.      球状星团:成员非常密集,整体呈球状,其中的成员通常较为年老,球状星团分布在以银心为中心的大球体(银晕)中。

一个典型的球装星团:

[3.4]星云

构成星云的,是各种星际物质,这些物质主要由气体和尘埃构成,它们填充在恒星间的星际空间,星际物质中密度相对较高的构成了星云

星云按照发光机理分类,可分为三种:暗星云,发射星云,反射星云

暗星云:这种星云本身不发光,也无法被直接观测到,但是因为它们遮挡了背景中的星光,所以在空间中如同一个巨大的空洞,故而得名暗星云。

著名的马头星云就是一个暗星云:

发射星云:这类星云中往往有大质量恒星存在,大质量的恒星温度很高,会发出紫外辐射,紫外辐射是一种电离辐射,能够电离星云中的气体,气体被电离后发光,从而被人们看见,得名发射星云,发射星云通常呈红色。

一个典型的发射星云:

反射星云:反射星云和地球之间往往有恒星存在,这些恒星发出的光会照亮反射星云中的尘埃,被反射的光进入观测者的眼睛,从而得名反射星云,反射星云的颜色与照亮它的恒星有关。

图中蓝色的即为反射星云:

除了上述按照发光原因分类的星云,星云按照成因分类还可分为一下几种:

超新星遗迹:这类星云的成因是超新星爆发,在超新星爆发后,大质量恒星的外层被抛出形成了超新星遗迹,这类星云常常被观测到有体积扩大的趋势,超新星遗迹中常含有中子星或者黑洞。

超新星遗迹:

行星装星云:这类星云由中等质量的恒星在生命末期抛出其外壳得到,通常呈均匀的球形,其中常常有白矮星。

行星状星云:

[3.5]星系

星系是宇宙中一种较大的恒星系统,通常由数千万颗恒星构成。

星系按照外形分类,可分为椭圆星系,透镜星系,漩涡星系,棒旋星系,不规则星系

椭圆星系:整体呈椭圆形,按照离心率从小到大分成E0-E7 8种,其中E0为正圆形,这种星系中年老的恒星较多,星云较少。椭圆星系中质量较大的是宇宙中最大的一种星系,而质量较小的则常为其他星系的卫星星系。

典型的椭圆星系:

透镜星系:这种星系具有盘状结构,但是没有旋臂,被单独归为一类,型号为S0型。

漩涡星系:这种星系由圆球状的核心与盘绕在核心周围的旋臂构成,其中核心处的恒星较为年老,旋臂处的恒星较为年轻,漩涡星系中富含星云,质量中等,通常比最大的椭圆星系小。漩涡星系按照旋臂缠绕的从密到疏分为Sa,Sb,Sc三型。

漩涡星系:

棒旋星系:和漩涡星系几乎相同,唯一的区别是棒旋星系中间没有核球而是一个棒状的核心,银河系是一个棒旋星系。

棒旋星系:

不规则星系:这类星系形状不规则,通常不是一开始就形成的,而是被其他星系通过引力干扰发生了形变形成的,银河系的两个卫星星系(大、小麦哲伦云)就是不规则星系。

不规则星系:

 

第四节 四季星空

[4.1]天体的周日视运动

地球在自西向东自转,因为运动的相对性,地球上的人们只能观测到所有天体绕着地轴的延伸(称之为天轴)自东向西运动,周期与地球自转周期一致,为24小时左右,这就是天体的周日视运动。

在地球不同纬度的观测者看到的周日视运动形式不同,这是因为不同纬度天极(天轴在天球上的投影)高度不同造成的,如在两极,天极位于天顶,观测者看到的天体都绕着平行于地平线的圆运动;在赤道地区,天极位于地平线上,所有天体沿垂直于地平线的圆运动

三张图分别为两极,赤道,一般地区的情况

[4.2]太阳的周年视运动

由于地球在自转的同时还绕日公转一年里,太阳相对于背景恒星移动一周,而地球自转的平面于公转的平面存在一定夹角,称之为黄赤交角,这导致了太阳每天正午的高度也不同。对于地球上的观测者,把地球赤道面延伸到天球上,称之为天赤道,把地球公转轨道面投影到天球上(即太阳的周年视运动轨迹),称之为黄道,黄道与赤道相交于两点,称之为春分点和秋分点。地球的公转方向是自西向东,故太阳的周年视运动也是自西向东。

天赤道与黄道的简图:

[4.3]黄道星座

黄道星座指的是黄道经过的星座的总称,俗话说黄道十二星座,但是实际上黄道星座有十三个:双鱼座,白羊座,金牛座,双子座,巨蟹座,狮子座,室女座,天秤座,天蝎座,巨蛇座,人马座,摩羯座,宝瓶座。

[4.4]四季星空的变化

因为太阳的周年视运动,太阳在星空背景上的位置在不断变化,而星星只能在晚上看到,故而夜晚看到的星座在一年里也在发生不断的变化。如图所示,如在春季地球上看到太阳在双鱼座,白羊座,金牛座,所以在黑夜人们看到的就是与之相对的室女座,天秤座,天蝎座对应的天区,就是这样,地球上的人们在不同的季节看到不同天空。

[4.5]春季星空

[4.6]夏季星空

[4.7]秋季星空

[4.8]冬季星空


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