天文与天体物理社 讲座提纲 目录 1、宇宙概观 2、周日视运动与周年视运动 3、观星设备 4、行星 5、彗星与流星雨     分宜中学 天文与天体物理社   分宜中学 天文与天体物理社  分宜中学 天文与天体物理社 1   2  3  4 分宜中学 天文与天体物理社  分宜中学 天文与天体物理社 天文入门讲座  一、宇宙概观 1、地月系 月相 朔→新月→上弦→望→下弦→残月     2、太阳系 太阳系共有八大行星，两百多个卫星，还有许多矮行星、小行星和其他小天体，处于主宰地位的当然是太阳。太阳的质量占整个太阳系的99.86%。 2、太阳系 太阳系中的 尺度通常以天文单位为单位，符号为AU。我们只需知道，天文单位是地球到太阳的平均距离，或地球公转轨道的半长径就够了。它的长度约为1.5亿千米。  Winter  从太阳到海王星，所有天体差不多都在一个扁平的空间系统中。海王星轨道半径45亿千米，只偏出中央平面1.4亿千米。相当于一个直径1米的大圆饼，厚度只有3厘米。海王星以内的大行星和较大的卫星们，都处于这个圆饼形的空间范围之内。     太阳系的物质分布有六重界限。  1  第一重是水、金、地、火4颗类地行星，体积和质量都比较小，密度较大，温度较高，有坚硬的岩石外壳，没有光环，一共有3颗卫星：地球1颗，火星2颗。     1 2    第二重是小行星带。位于火星和木星之间，分布着几千万个以岩石为主要成分的小行星，但总质量小于千分之一个地球。  2022 NEW YEAR       新 年 快 乐 “ 2022 NEW YEAR  虎年虎虎生威    虎年虎虎生威   第三重是木、土、天、海4颗类木行星。体积和质量都很大，密度很小，温度较低，没有坚硬的岩石外壳，大气层下面是液态氢组成的海洋，都有光环和许许多多的卫星。  2022/01/01 HAPPY NEW YEAR    ←左右滑动查看更多→  元 旦 节 快 乐  第四重是以冥王星为首的又一个小天体环带——柯伊伯带。有10亿至100亿颗以冰为主要成分的小天体绕太阳公转。个别沿狭长轨道来到太阳附近的便成为长尾巴的彗星。  元 旦 节 快 乐 扫码得红包  HAPPY NEW YEAR  第五重是太阳风粒子能到达的区域，最远到100个天文单位，完全笼罩着所有大行星和柯伊伯带天体，呈球状分布，太阳位于中央。太阳物理学家称这个大球为“日球”。 NEW YEAR 第六重也是最后一重在离日球边界更远的地方，叫奥尔特（彗星）云，分布着数千亿颗与柯伊伯带天体类似但质量更小的彗星，总质量与地球相当。  NEW YEAR    2、恒星世界 众星之中，除少数几个行星之外，绝大多数都是恒星。恒星都是和太阳一样的天体，只是因为距离十分遥远，才显得只有荧荧寒光。在远离城市的地方，暗夜晴空，满天繁星密密匝匝，似乎数不胜数，多得不得了，其实并不是这样。天文学家将所有观测到的恒星画成星图，列成星表，并按其亮度分成等级，再一一统计其数目。即使在最晴朗的夜晚，所有肉眼能见的星也只有3000颗左右，加上地球另一半所见的天空，全天苍穹一共有6000多颗。 20 22 HAPPY NEW YEAR   恒星的亮度等级称为星等，沿袭古希腊人的作法，用数字表示，星越亮，星等数越小。最亮的天狼星是-1.46等，肉眼能见的最暗的星是6.5等，织女星0.03等，北极星2.12等。比6.5等亮的恒星有6974颗。银河系的恒星总数大约有3000亿颗，人类能观测到的只是其中很少的一部分。 恒星的命名有几种作法，国际通用的是划分星座的命名法。它将全天划分为88个星座，每个星座各占一定的天空区域，区域有大有小。星座名称大多沿用古希腊人的叫法，以神话中的人物或动物命名。南天的一些星座是17世纪环球航海以后才取名的，所以出现一些科学技术名词。星座里的星按古人认定的亮度顺序用希腊字母排列命名。如天狼星是大犬座中第一亮星，名为大犬座α，织女星叫天琴座α，参宿七叫猎户座β等。希腊字母用完就用数字或罗马字母，比如天鹅座61。另一种方法是用专门编制的星表编号命名。如BD代表德国波恩天图星表，GC代表美国总星表，NGC代表星云星团新总表（IC代表星云星团新总表续编），M代表法国梅西叶星表。星表简称后面的数字是某星在该星表中的编号。对一些特别亮的星取有专名，如天狼，织女，北落师门等。中国古代的恒星命名方法是将星空分为若干星官。北极附近的一些星官分属三垣：紫薇垣、太微垣、天市垣。沿黄道的28星官称为二十八宿。每个星官或每宿中的恒星用数字排列。如河鼓二、轩辕十四、参宿七、毕宿五等。河鼓、轩辕是星官名，参、毕是星宿名。二十八宿中的“心宿三星”，中间那颗心宿二特别亮，又称大火星，是殷商时代判断季节指导农耕的重要星辰，也称商星。杜甫名句“人生不相见，动如参与商”，意指商星与冬季猎户座中的“猎户三星”此起彼落，永远无见面的机会。 加油 ✦ ✦     加油✦  ✦✦ 01 2、银河系及河外星系 银河是指在无月的晴夜，大气透明度好的地方能看到的横跨天空的乳白色光带，也叫天河。用望远镜可以分解出银河是由许许多多恒星和星云密集组成的。它是一个包含着3000亿颗恒星和其他天体的庞大的天体集团在地球上看到的投影，这一天体集团就是银河系。太阳是银河系的一员。银河系的形状就像一个扁平的圆盘，太阳系在盘中比较靠边的位置，从这里向圆盘四周看到盘中的恒星投影出去就是我们看到的银河。银盘是恒星相对集中的区域，直径约10万光年。中间的核球是椭球形，直径约1万光年。核球中心处有一个超大质量黑洞，相当于四百万个太阳质量。银盘里的恒星呈旋涡结构，由五条悬臂构成，这五条悬臂的名称是：英仙臂、猎户臂、人马臂、南十字臂和矩尺臂。太阳位于猎户臂内侧。 银河系中除了大量的恒星以外，还有很多由尘埃或气体等弥漫物质组成的形状各异的天体，称为星云，星云的物质密度非常稀薄，尺度很大但质量并不大。在望远镜中各种星云有非常美丽的外形，取有动人的名称，如蟹状星云、玫瑰星云、礁湖星云等。另一些看似星云的天体，实际上远在银河系之外，是与银河系同样级别的天体集团，称为河外星系，或统称为星系。如距离银河系290万光年的仙女座星系（M31），其外形、结构、自转和组成都与银河系类似，大小和质量均比银河系大一倍。在南天极附近，有两个肉眼直接可见的云雾状天体，称为大、小麦哲伦星云，是麦哲伦绕地球航行时在南美洲见到并记录下来传到欧洲的。大、小麦哲伦星云也都是远在银河系之外的信息。每个星系都和银河系一样包含着数十亿至数千亿颗恒星，直径从几千光年到几十万光年。外观多种多样，大部分有旋涡结构，银河系只是众多星系中很普通的一员。现代望远镜观测到的星系已有数百亿之多，分布在浩瀚的宇宙中。  一、周日视运动与周年视运动 1、天球 地球与其他天体之间的位置关系显然与地球自身的运动有关。地球的运动主要有两种：就是我们熟悉的自转与公转。自转运动使得地面上的人看一切天体都向相反方向旋转。公转运动由于公转轨道半径与恒星的距离相比微小得几乎可以忽略不计，所以一般来说，公转运动对恒星的方位不发生影响，但是，因为地球自转，所有恒星会整体地绕一根轴旋转，这根轴线就是地球自转轴在空间的无限延长线。以观察者为中心，以足够远距离为半径作一个球面，观察者所看到的天体位置就是天体投影在这个球面上的图像。人们可以借助集合知识，用球面上的坐标来表示天体的位置。至于天体到观察者之间的距离孰远孰近是感觉不到的，也不能用球面坐标来表达。天文学上称这样一个球面为天球。人们仰望天空时，直观感觉到与地平线现结的被称为“天穹”的半个球面就是天球的一部分。 2、天球坐标系 (1) 地平坐标系 地平坐标系的基本轴是铅垂线，观测者头顶正上方就是天顶，他所见到的天与地相接的大圆就是地平圈。基本点是天北极，也就是地球自转轴延长以后与天球相交的一点。天北极近旁刚好有一颗恒星——小熊座α（勾陈一），称为北极星。通过天顶与天北极作一大圆与地平线分别交于南点和北点，这是定义地面上南北方向的基准点，与之垂直的为东点和西点，东西南北按顺时针方向排序。 地平坐标系的一对坐标是高度（也叫地平纬度）和方位角（也叫地平经度）。 地平坐标系比较直观。只要你学会如何找天上的北极星，并据此判断正南正北方向，地平坐标系的基本大圆和基本点在天空中的位置是很容易确定的，高度和方位角的大小也比较容易估算和测量。但是，地平坐标系显然与观察者所在的地理位置有关，因为其基本轴是因地而异的，天体的地平坐标只对应某个特定的地点。此外，还因为任何一个自然天体都在天球上有东升西落的运动，它们的地平坐标随时都在变化之中。这是地平坐标系不方便的地方。 (2) 赤道坐标系 赤道坐标系的基本轴是地球的自转轴，它的延长线与天球相交于天北极和天南极。基本大圆是天赤道，也就是地球赤道平面延展以后与天球相交的大圆。自然天体东升西落的运动总是沿着与天赤道平行的小圆进行的。地球绕太阳公转的轨道平面延展以后与天球相交的另一个大圆称为黄道，黄道与赤道的交角就是地球自转轴倾斜的角度，称为黄赤交角，约等于23°26′。黄道与赤道有两个交点，每年春季太阳所在的那一点称为春分点，另一个称为秋分点。赤道坐标系的基本点是春分点。赤道坐标系中的一对坐标是赤纬和赤经。 赤道坐标系没有地平坐标系那样直观，因为人很难凭感官判断天赤道在天上的位置也无法确认春分点是天上哪一点。但赤道坐标与观察者所在的地面位置无关，对任何地点都是一样的。赤道坐标系的基本大圆和基本点都和天体一样参与东升西落的周日视运动，因而天体的赤道坐标系不因东升西落而变化，是相对固定的。赤道坐标系和地平坐标系的优缺点刚好互补。天文学中更常使用的是赤道坐标系。 3、天体的周日视运动 地球自转从被往下看是逆时针方向。人在地球上，不觉得地球自转，只看到天球在反方向旋转，每24小时旋转一圈，称为天球的周日视运动。所有天体都参与这一运动，沿着与赤道平行的小圆绕天极旋转，只有赤道上的天体才沿赤道做大圆运动。南北两极不参加周日视运动。 北极星在北天极附近，只做非常微小的周日视运动，肉眼不能察觉。北半球的居民看北极星总是在天上的一个固定的位置，它指示着正北方向。 在北半球不同纬度的地方，北天极的高度不同，赤道在天上的位置也不同。在北极，北极星在头顶上，赤道就是地平圈，所有的天体都沿着水平的小圆运动，不升也不落。夏天，太阳在地批量以上做水平运动，不会落山，没有黑夜。在赤道，北极星降到地平线上，赤道过天顶所有的天体，包括太阳都直上直下地运动，在地平线以上的时间和地平线以下的时间一样长，都是12个小时，一年四季都昼夜平分。在我们所在的纬度（27°N左右），北极星的高度等于我们当地的纬度。赤道倾斜着，所有天体也都倾斜着绕北极星运动。只有刚好在赤道上的天体才是准确的东升西落，在地平线以上的时间与在地平线以下的时间各占一半，都是12小时。在赤道以北的天体，从东偏北处升起，从西偏北处落下，在地平线以上的时间大于在地平线以下的时间；在赤道以南的天体，从东偏南处升起，从西偏南处落下，在地平线以上的时间小于于在地平线以下的时间。太阳夏天在赤道以北，日出在东北方向，日落在西北方向，昼长夜短；冬天，太阳在赤道以南，日出在东南方向，日落在西南方向。昼短夜长。 天球上通过天极与天顶的大圆称为子午圈，刚好通过正南正北方向。天体周日视运动通过子午圈称为天体中天，离天顶近的一次称为上中天，离天顶远的一次，称为下中天。天体升起时高度为0，然后高度不断增加，上中天时达到最大值，上中天后高度逐渐降低，落入地平线时又将为0。下中天是天体高度取最小值的时候。在两极，所有天体都永不升或永不落。在赤道，所有天体都有升有落。在中纬度地区，有些天体永不升，有些天体永不落。 4、太阳的周年视运动 地球绕太阳公转的轨道是一个椭圆，太阳在椭圆的焦点上，公转周期是一年。公转的方向是自西向东，与地球自转的方向一致。 人在地球上不觉得地球绕太阳运动，只看见太阳在星空背景上沿黄道运动，周期与公转周期相同。这种运动称为太阳周年视运动。 正是因为有太阳周年视运动，才有四季星空的变化。狮子、天琴、飞马、猎户是春夏秋冬四季星空中著名的星座。春季时，太阳在飞马座附近，半夜时，人们当空看到的是狮子座；夏季时，太阳移到猎户座，半夜当空的是天琴座；秋季里，太阳在狮子座中，飞马座称为半夜星空的主角；到冬季，太阳移向天琴座，人们半夜看到的是猎户座。 二、观星设备 三、行星 在地球上看来，所有的行星都被自己的轨道限制在黄道上。黄道是太阳系的平面，其背景是黄道星座。 除地球外，太阳系中还有7颗行星，其中的5颗肉眼可见：水星、金星、火星、木星和土星，它们的亮度都大于等于一等星。用双筒望远镜可以看见剩下的天王星和海王星。 如果我们长时间盯着行星，通常就会发现行星是不闪烁的。行星很少会像恒星那样闪烁——由于大气湍流的影响，即使是在最平静的夜晚，恒星看上去还是会不停地闪烁。地球大气中无处不在的湍流很容易扰乱恒星的点状图像，使其闪烁。但是，从我们的角度看来，行星并不是点状的，而是呈微小的圆盘状——小到肉眼无法分辨，却大到足以能让它们的光在通常情况下不受大气湍流的影响。 我们很少能看见距离太阳最近的水星，因为它的轨道十分靠近太阳，每年进入我们视线的时间只有几周。水星的亮度在0等左右浮动。仅出现在日落后的暮色或者日出前的霞光中。除非是特意寻找水星，否则你可能永远也不会注意到它。水星的外形很像月球，表面布满了大大小小的环形山。水星的自转轴直立而没有倾斜，不存在一年四季的变化。水星的自转速度非常慢，一昼夜有176个地球日那么长，相当于两个水星年，也就是说，水星绕太阳公转两圈，才自转一圈。由于以上诸多原因，再加上水星是距离太阳最近的行星且大气层极稀薄，使得水星的自然环境非常恶劣，昼夜温差达600℃以上，几乎不可能有生命存在。 金星是天空中首屈一指的宝石。它是距离太阳第二近的行星，也是距离地球最近的行星。亮度达到-4等时，金星极为明亮，不熟悉它的人也许根本不会把它当成天体。金星呈耀眼的白色，是夜空中仅次于月亮的第二亮的天体。金星最近的对手是木星，但木星的亮度还不及它的一半，而恒星中最亮的天狼星的亮度只有它的8%。金星的优势很大程度上在于它离地球很近，它与地球的最小距离只有0.3个天文单位，约是月亮距离的100倍。金星堪称地球的姊妹，因为它的质量和体积都和地球差不多。但金星的大气层非常稠密，大气压比地球大90倍。光学望远镜无法看透云密雾掩下金星的真面目。美国发射的麦哲伦号金星探测器，通过雷达探测了97%以上的金星表面：到处都是炽热的火山地貌，最高峰12000米。金星上一昼夜长117天，一年长225天。一年有两天。大气成分97%是二氧化碳，温室效应十分严重，温度高达480℃，昼夜温差很小。自转轴也基本上是立直的，不存在一年四季的变化。金星的自转方向与公转方向相反，太阳和所有天体都西升东落。金星这位地球的姊妹，空有黄金般璀璨的外表，实为不容任何生命存活的炼狱。 金星和水星都是地内行星，会出现盈亏现象，也会出现凌日现象。 火星 火星比地球小，质量只有地球的十分之一，大气稀薄，大气压不足地球的百分之一。火星与地球相似之处是它的自转周期24小时37分和自转轴倾斜25°左右，因而有和地球一样的昼夜长短变化和一年四季变化，不过火星的一年有680多天。昼夜温差和年温差都很大，变化于20℃与-139℃之间。地面用望远镜看火星，有一年四季的颜色深浅变化，特别明显的是两极地区的白色极冠，冬日扩大，夏季消融。火星上有高山、盆地、平原、沙丘、陨击坑和干涸的河床。最高峰奥林匹斯山高25000米。很长一段时间天文学家都认为火星极冠的主要成分是二氧化碳干冰，但一些新的研究表面水冰也占一定的成分。火星土壤富含红色的氧化铁，常有持续数月的大风暴把红壤卷上高空，使天空呈桃红色。2004年以来对火星的探测结果，认为火星曾经有过大量的水，一些照片显示大水冲刷过的痕迹。火星有两颗卫星，体积都很小，形状奇特，距离火星较近。 木星 木星是太阳系行星家族中的巨无霸。它的肚子里能装得下1300个地球，质量是其余七个行星总和的两倍半。木星为液态氢组成的海洋包围着，海深1.6万千米。其下是液态金属氢和氦，深4.4万千米，岩石组成的内核只是地球直径的1.6倍。木星的大气层厚约1000千米，82%是氢，17%是氦，其余是甲烷和氨，不含水蒸气。由甲烷和氨形成的云雾布满木星上空，望远镜看到的条状带是它的云层，而不是液体表面。著名的大红斑有两个地球大，是由含磷化合物组成的气体旋涡，从伽利略时代发现以来，历400年未曾平息。木星有百余颗卫星，4颗较大的用小望远镜可以看到，也是最早为伽利略所发现，称为伽利略卫星。 土星 土星是夜空中的超级明星，望远镜可见的所有天体都无法与之相比，主要原因当然是它那无与伦比的光环。土星的光环占了相当大的空间。从它的外边缘到内边缘，其长度相当于地月距离的2/3。它由无数块围绕着土星的冰块和岩石组成，其中每块都有自己的轨道，公转周期从内边缘的4小时到外边缘的14小时不等，所以它们很少发生碰撞。由于亮度不同和存在缝隙，土星环很明显地被分为几个环，其中最宽的叫做卡西尼环缝，其宽度相当于一个北美洲的宽度。土星是肉眼可见最远的行星，内部结构与木星相似。土星是最轻的行星，密度只有水的69%，是唯一能“漂浮”在水面上的行星。 天王星和海王星 天王星和海王星有诸多相似之处，二者自转周期也差不多（约18小时）。它们都有液氢和液氦的海洋和浓密的大气，也都有光环。不同的是自转轴的倾斜角度：海王星倾斜约30° ，有与地球相似的四季变化；而天王星倾斜近90°，是唯一一个“躺在”轨道面上自转的行星。天王星的全球大部分地区“一年”之中都有最极端的昼夜长短变化：从连续好多年的全天黑夜到为期几年的有一点蒙蒙曙光；每天18小时有昼有夜的日子不长，又进入连续好多年的永昼；在经为期几年的黄昏景色和有昼有夜的日子，重新回到全天黑夜，84年重复一次。 四、彗星与流星雨 彗星是天王星和海王星这两颗巨行星形成时残留下来的飞行冰山。今天，有数十亿颗彗星存在于海王星和冥王星轨道外的冰冷区域中。它们按照巨大的轨道绕太阳转动，绕一圈需要几百年甚至数千年的时间。偶尔地，来自海王星或者是从太阳系旁边经过的恒星或星云的微弱引力会影响其中一座宇宙冰山，把它送上一条前往地球所在的内太阳系的道路。 随着彗星接近太阳，冰在阳光的照射下就会开始蒸发。在真空中，蒸汽会形成一片数倍于地球的巨大气体和尘埃云。太阳光压以及太阳风中不断向外流动的电子和质子会把这些气体和尘埃云向后推，形成彗尾——确切地说是两条彗尾，一条白色的尘埃尾和一条蓝色的等离子尾，后者在彩色照片中比肉眼观测更加清晰。这些彗尾的长度可达数百万千米。 我们每个人都可能遇到过这样的事：匆匆瞥一眼布满星星的天空——也许只有一秒，就在这时，空中平静的景象被一颗流星打破了。流星体是微小的太空碎片，小到手掌就能盛放上千颗。但它们能在夜空中发出短暂而明亮的闪光——它们以6万千米/小时的速度冲入地球的高层大气，结束了自己的生命，这才发出了如此耀眼的光。由于这样高的速度，一颗普通大小的流星体，在一秒钟内就能蒸发。突然出现的闪光正是由于蒸发时产生的高热量所致。 地球每天都会经过至少400吨流星物质，其中大部分是不会产生可见流星的微小尘埃。另有少数大到足以形成可见的流星。在罕见的情形下，一块大到能在高温的坠地过程中幸存下来的物质被称为陨星。 流星雨中的流星是彗星留下的碎片。在和太阳密近会合的过程中，彗星会抛洒出流星物质。这些冰质天体会部分蒸发，释放其中的尘埃和较大的冰，它们会沿着彗星的轨道散开，就像是一个漏了的沙袋所留下的痕迹，当地球穿过它们时，流星雨就发生了。  |
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