天體物理講義01

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1、《普通天文學(xué)》天體物理緒論天文學(xué)是研究宇宙的科學(xué)。宇宙：四方上下曰宇，往古來今曰宙?！痘茨献印酚钪姘怂械目臻g、時間、物質(zhì)和能量?？臻g尺度：從極小到極大最遙遠(yuǎn)星系銀河系鄰近恒星太陽地球人類細(xì)胞原子質(zhì)子夸克1026m10-20m10-10m100m1010m1020m地球太陽系恒星世界星團(tuán)恒星的演化恒星的形成銀河系宇宙島——河外星系活動星系星系集團(tuán)最遙遠(yuǎn)的星系時間跨度：從過去到將來向前：太陽的過去、大爆炸、時間的起點(diǎn)向后：太陽的演化、宇宙的未來宇宙演化的歷史天文學(xué)的研究特點(diǎn)天文學(xué)研究的基礎(chǔ)——觀測（觀察和測量）天文觀測是一

2、種“被動”的試驗(yàn)觀測→理論→觀測距離極遠(yuǎn)時標(biāo)極長物理?xiàng)l件極端復(fù)雜（溫度、密度、壓強(qiáng)、磁場）天文學(xué)的發(fā)展天體測量學(xué)：天體的位置和變化規(guī)律天文學(xué)的發(fā)展天體的運(yùn)動定律與天體力學(xué)天文學(xué)的發(fā)展19世紀(jì)中葉，天體物理學(xué)誕生天體光度和光譜的測量。觀測技術(shù)和理論工具飛速發(fā)展。光學(xué)天文學(xué)→射電天文學(xué)、空間天文學(xué)→全波天文學(xué)。量子論、相對論、原子核物理學(xué)、高能物理學(xué)。關(guān)于本課程學(xué)習(xí)目的和要求學(xué)習(xí)內(nèi)容成績測定聯(lián)系方式lixd@nju.edu.cn仙女座星系，距離300萬光年人們怎樣去研究如此遙遠(yuǎn)的天體？第一章恒星的觀測§1.1輻射基本知識§1.2恒星

3、的距離和大小§1.3恒星的星等§1.4恒星的光譜和赫羅圖§1.5雙星和恒星質(zhì)量§1.6天文望遠(yuǎn)鏡§1.1輻射基本知識1.電磁輻射人們獲得天體信息的渠道主要有四種：電磁輻射(electromagneticradiation)宇宙線(cosmicrays)中微子(neutrinos)引力波(gravitationalwave)電磁輻射是其中最為重要的一種。LIGOHomestake金礦中微子實(shí)驗(yàn)室電磁輻射是以變化的電磁場傳遞能量、具有特定波長和強(qiáng)度的波（波動性）。波長范圍：＜0.01?–30m1?ngstrom=10-10m(波長λ

4、)×(頻率ν)＝光速c=3×1010cms-1根據(jù)波長由長到短，電磁輻射可以分為射電、紅外、光學(xué)、紫外、X射線和γ射線等波段，可見光又可分解為七色光。電磁輻射由光子構(gòu)成（粒子性）光子的能量與頻率（或顏色）有關(guān)：頻率越高（低），能量越高（低）。E=hν,其中Planck常數(shù)h=6.63×10-27ergs-1PlanckEinstein大氣窗口(atmosphericwindow)地球大氣阻擋了來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。不透明度2.黑體輻射（blackbodyradiation）黑體(blackb

5、ody)能吸收所有的外來輻射（無反射）并全部再輻射的理想天體。黑體輻射具有特定溫度的黑體的熱輻射。大部分正常恒星的輻射可以近似地用黑體輻射來表示。不同溫度黑體的輻射譜Stefan-Boltzmann定律單位面積黑體輻射的能量F＝σT4其中Stefan-Boltzmann常數(shù)σ＝5.67×10-5ergcm-2s-1K-4Wien定律黑體輻射最強(qiáng)處的波長λmax與溫度之間的關(guān)系為λmaxT＝0.29(cmK)高溫黑體主要輻射短波，低溫黑體主要輻射長波。不同輻射波段的太陽光學(xué)紫外X射線射電不同輻射波段的銀河系不同波段的旋渦星系M81

6、光學(xué)中紅外遠(yuǎn)紅外X射線紫外射電不同溫度天體的輻射OmegaCentauriSunAdim,youngstar(shownhereinred)nearthecenteroftheOrionNebulaRhoOphiuchiPlanck定律溫度為T的單位面積黑體，在單位時間、單位頻率內(nèi)、向單位立體角發(fā)射的能量為平方反比定律單位面積接收到的輻射強(qiáng)度F與光源距離d的平方成反比F∝d-23.電磁波譜Kirchoff定律熱的、致密的固體、液體和氣體產(chǎn)生連續(xù)譜；熱的、稀薄的氣體產(chǎn)生發(fā)射線；連續(xù)輻射通過冷的、稀薄的氣體后產(chǎn)生吸收線。恒星形成區(qū)M

7、17中的熱氣體輻射譜太陽光譜原子結(jié)構(gòu)和譜線的形成原子結(jié)構(gòu)：原子核+圍繞原子核旋轉(zhuǎn)的電子（云）。（量子化的）電子軌道的大小反映了原子能態(tài)的高低。當(dāng)電子從高能態(tài)躍遷到低能態(tài)，原子釋放光子，產(chǎn)生發(fā)射線；反之產(chǎn)生吸收線。吸收或發(fā)射的光子能量為hν＝En2-En1吸收線的產(chǎn)生過程氫原子光譜（波長單位：nm）Lyman線系n1=1Balmer線系n1=2Paschen線系n1=3Brackett線系n1=4Pfund線系n1=5n2=2121.63102.6656.3497.2486.11875595.0434.112824050693.8

8、410.2109426307460┆∞91.2364.782114602280氫原子光譜譜線與恒星的化學(xué)成分不同元素的原子具有不同的結(jié)構(gòu)，因而有不同的特征譜線。通過比較太陽光譜和實(shí)驗(yàn)室中各種元素的譜線，可以確定太陽大氣的化學(xué)成分。按質(zhì)量計(jì)，70%H,28%He和