探索宇宙奥秘：天体物理学课件

探索宇宙奥秘天体物理学课件欢迎进入壮观的宇宙世界本课程将带领您穿越浩瀚星河，探索宇宙最深奥的秘密从闪烁的恒星到神秘的黑洞，从宏大的星系结构到宇宙诞生的奥秘，我们将共同揭开这些天体现象背后的物理本质天体物理学站在物理学与天文学的交叉点上，运用物理理论和方法研究宇宙中的天体它既探索宇宙中最微观的粒子行为，又解释最宏观的宇宙结构，是人类理解自然的重要窗口让我们开始这场激动人心的宇宙探索之旅课程概述天体物理学定义研究范围天体物理学是研究宇宙中天体的研究范围涵盖恒星形成与演化、物理性质和行为的学科，它结合星系结构与动力学、宇宙学、高了天文观测数据与物理理论，解能天体物理学等多个领域这些释宇宙中的各种现象从最小的研究利用从射电到伽马射线的各亚原子粒子到最大的超星系团，种波段观测数据，结合理论模型天体物理学提供了一个理解宇宙和数值模拟，构建对宇宙的全面运作方式的统一框架认识学习目标通过本课程，学生将掌握天体物理学的基本概念和理论框架，了解现代天文观测技术，培养分析和解释天文数据的能力，并能够运用物理原理解释各种天体现象，为进一步深入研究或相关领域工作奠定基础天体物理学的历史发展1古代天文学（公元前3000年-16世纪）早期文明如巴比伦、埃及和中国开始系统记录天象古希腊天文学家如托勒密提出地心说模型，主导欧洲天文学长达一千多年这一时期的天文学主要是描述性的，未能解释天体运动的物理机制2科学革命（16-18世纪）哥白尼提出日心说，开启天文学革命开普勒发现行星运动三大定律，描述行星轨道特性伽利略首次使用望远镜进行天文观测，发现木星卫星等现象牛顿提出万有引力定律，为天体运动提供理论基础3现代天体物理学诞生（19-20世纪）光谱分析技术出现，使天文学家能研究恒星化学成分爱因斯坦的广义相对论革命性地改变对引力和宇宙的理解哈勃发现宇宙膨胀，宇宙大爆炸理论形成射电天文学发展，极大扩展了观测范围4当代天体物理学（20世纪末至今）空间望远镜如哈勃太空望远镜发射，提供前所未有的清晰天文图像引力波和暗物质被发现，多信使天文学兴起计算机模拟和大数据分析技术的进步为天体物理学研究提供强大工具，开启新的研究范式基础物理概念回顾牛顿力学热力学电磁学牛顿三定律是理解天体运动的基础第热力学第一定律（能量守恒）帮助我们麦克斯韦方程组统一了电磁现象，预言一定律（惯性定律）说明天体在无外力理解恒星能量平衡；第二定律（熵增加了电磁波的存在电磁波谱从射电到伽作用下保持匀速直线运动；第二定律（）解释宇宙演化的方向性恒星内部的马射线，是我们获取宇宙信息的主要渠F=ma）量化力与加速度的关系；第三定高温高压环境使核聚变反应成为可能，道洛伦兹力解释带电粒子在磁场中的律（作用力与反作用力）解释天体间的释放能量维持恒星的辐射黑体辐射理运动，对理解恒星磁场、太阳活动和宇相互作用万有引力定律（F=GMm/r²）精论是理解恒星和宇宙微波背景辐射的关宙射线至关重要等离子体物理学是研确描述了天体间的引力关系，成功解释键，普朗克公式精确描述不同温度天体究恒星内部和星际物质的基础行星运动规律的辐射特性天文观测技术

（一）光学望远镜射电望远镜数据处理系统光学望远镜是天文学最早使用的观测工具，射电望远镜接收来自宇宙的无线电波，揭示现代天文观测产生海量数据，需要强大的计从伽利略的简易望远镜发展到今天口径达10了许多在光学波段不可见的天体现代射电算机系统处理数据处理包括图像校准、去米级的巨型地面望远镜现代光学望远镜采望远镜体积巨大，如中国的天眼FAST直径噪、拼接和分析等步骤人工智能和机器学用自适应光学技术克服大气扰动，配备高灵达500米干涉技术将多个射电望远镜连接习技术越来越多地应用于天文数据处理，能敏度CCD相机和光谱仪，能捕捉极其微弱的形成虚拟的巨型望远镜，如甚长基线干涉测自动识别和分类天体，发现人类可能忽略的天体光线智利的甚大望远镜（VLT）和夏量（VLBI）可达到毫角秒分辨率，足以观测微弱信号和规律，大大提高了观测效率和科威夷的凯克望远镜代表了当前技术的最高水遥远星系中心的超大质量黑洞学产出平天文观测技术

（二）1哈勃太空望远镜2詹姆斯·韦伯太空望远镜3引力波探测器1990年发射的哈勃太空望远镜彻底改变作为哈勃的继任者，詹姆斯·韦伯太空2015年，激光干涉引力波天文台（LIGO了我们对宇宙的认识它在地球轨道上望远镜专注于红外观测，将探测比哈勃）首次直接探测到引力波，开创了引力运行，避开了大气层干扰，提供了前所更遥远的宇宙它的主镜直径达

6.5米，波天文学新纪元引力波探测器能监测未有的清晰宇宙图像哈勃望远镜观测是哈勃的

2.7倍，能力大大增强韦伯望到黑洞合并、中子星碰撞等剧烈天体事波段从紫外到近红外，已运行超过30年远镜将在拉格朗日L2点运行，能探测宇件产生的时空涟漪欧洲的Virgo探测器，发现了数千个星系，测量了宇宙膨胀宙早期形成的第一批恒星和星系，研究和未来的太空引力波探测器如LISA，将速率，揭示了黑洞的存在，并拍摄了著系外行星大气成分，寻找生命迹象帮助科学家构建更全面的宇宙图景，探名的深空视场图像测电磁波无法观测的暗物质和暗能量电磁波谱X射线波长比伽马射线长但仍被大气层吸收，通过空间望伽马射线远镜观测高温天体，如吸积盘、超新星遗迹和星系波长最短，能量最高的电磁波，源自最剧烈的宇宙团热气体钱德拉X射线天文台是代表性观测设备2事件，如超新星爆发、伽马射线暴和活动星系核1受大气吸收，主要依靠空间望远镜观测紫外线被臭氧层吸收，需要高空或太空观测探测高温恒星、活跃星系核和行星大气层的特性银河演化探3测器（GALEX）对数百万星系进行了紫外巡天5红外线被尘埃和气体散射较少，能看穿星云观察内部恒4可见光星形成区域斯皮策太空望远镜和即将升空的詹姆人眼可见波段，是天文学最早和最广泛使用的观测斯·韦伯太空望远镜以红外观测为主窗口大气对可见光相对透明，能通过地面望远镜观测恒星、星系、行星表面等微波和射电波是波长最长的电磁波，对应宇宙中最冷的物质它们能穿透星际尘埃和地球大气，是观测冷气体云和宇宙微波背景辐射的重要手段大型射电望远镜阵列如ALMA和SKA专门接收这些波段信号，探测宇宙早期结构和星系际气体分布天体测量学基础几何视差1最直接的宇宙距离测量方法，利用地球绕太阳运动产生的视角变化测量恒星距离光度距离2基于天体的已知亮度与观测到的亮度对比计算距离光谱视差3通过分析恒星光谱特征推断其内禀亮度，进而计算距离天体测量学是天文学最古老的分支之一，专注于精确测量天体位置和距离几何视差是最基础的方法，但仅适用于较近的恒星（约500秒差距内）欧洲盖亚卫星已为超过十亿颗恒星提供了高精度视差测量，彻底改变了我们对银河系结构的认识标准烛光如造父变星和Ia型超新星在远距离测量中扮演关键角色这些天体的内禀亮度可以被准确确定，通过比较观测亮度可以计算出距离哈勃常数的测定和宇宙膨胀速率的确定都基于这些方法天体测量学的进步直接推动了现代宇宙学的发展天体光度学表观星等从地球观测到的天体亮度对数尺度绝对星等假设天体位于10秒差距处的亮度色指数不同波段亮度之差，反映天体温度星等-距离关系m-M=5logd/10，其中d单位为秒差距波尔兹曼定律L∝R²×T⁴，描述黑体辐射的总能量与温度关系天体光度学研究天体的亮度和颜色特性，是理解天体物理性质的基础表观星等是人类直接观测到的亮度，而绝对星等则反映天体的内禀亮度，两者之差（距离模数）可用于计算天体距离星等体系源自古希腊时代，由希帕克斯最初提出，现代星等体系则由波格森在19世纪建立色指数是测量天体温度的重要工具通常使用B-V色指数（蓝色和视觉波段亮度之差），较蓝的天体有更高的表面温度光谱能量分布与黑体辐射曲线的对比可以精确确定天体温度，进一步结合亮度，就能确定天体的大小和能量输出了解这些基本参数是分析恒星演化和星系特性的第一步恒星物理

（一）有效温度K绝对星等恒星是宇宙中最基本的天体之一，其基本参数包括质量、半径、温度、亮度和化学成分等恒星的质量是最关键的参数，通常在

0.08至150太阳质量之间，直接决定了恒星的演化轨迹和寿命不同质量恒星的寿命差异巨大，八太阳质量以上的大质量恒星可能只有几百万年寿命，而红矮星可能存活上万亿年赫罗图（H-R图）是理解恒星性质最重要的工具，上图展示了恒星温度与亮度的关系该图上的主序带聚集了大多数恒星，反映了氢聚变阶段的恒星特性图中还可以清晰看到红巨星、白矮星等不同演化阶段的恒星位置分析星团中恒星在H-R图上的分布，可以推断星团的年龄和演化历史，这是研究银河系形成与演化的重要方法恒星物理

（二）核心区域恒星最中心区域，温度达到数百万至上亿度，密度极高，是核聚变反应发生的场所太阳核心温度约1500万度，密度约150g/cm³，核心区约占恒星半径的25%氢聚变成氦的过程通过质能转换释放能量，支撑整个恒星反抗引力塌缩辐射区核心外围区域，温度仍然很高，能量主要通过光子辐射方式向外传输光子在此区域经历随机行走过程，被反复吸收再发射，一个光子可能需要长达10万年才能穿过辐射区大质量恒星的辐射区更为显著，占据恒星体积的大部分对流区温度降低到约200万度以下，能量传输以热对流为主热等离子体上升，冷等离子体下沉，形成巨大的对流单元太阳对流区占其外30%的半径，对流运动在表面形成可见的粒状结构低质量恒星可能完全为对流结构，而高质量恒星对流区可能很薄光球层恒星最外层的可见表面，光学厚度接近于1，光子可以自由逃逸到太空中太阳光球层温度约5800K，产生连续光谱和各种吸收线光球层之上是色球层和日冕，温度反而升高，形成恒星大气的温度反转现象，这一现象至今没有完全解释清楚恒星演化

（一）分子云塌缩阶段1恒星形成始于巨大分子云中的密度扰动当局部区域密度超过临界值，引力将克服气体压力和磁场阻力，导致云团塌缩塌缩过程中，云团角动量守恒导致旋转加速，形2原恒星阶段成扁平的原行星盘此阶段持续约10⁵年，中心温度逐渐升高，但辐射主要来自引力势能释放中心区域形成低温高密度的原恒星核，周围环绕着尘埃和气体盘原恒星通过吸积周围物质不断增长，引力能转化为热能和辐射此时恒星主要在红外波段发光，被尘埃包围难以直接观测随着温度升高，尘埃被蒸发，形成紫外辐射驱动的双极喷流，减主序前阶段3缓了恒星旋转速率当中心温度达到几百万度时，恒星内部开始进行氘聚变和氦-3反应，但尚未开始稳定的氢聚变恒星位于H-R图上的海恩斯线右侧，缓慢收缩并向主序移动这一阶段恒星往往表现出T Tauri型变星特征，包括强烈的光度波动和发射线阶段持续时间与4进入主序恒星质量成反比，从数百万到数千万年不等当核心温度达到约1千万度（精确值取决于恒星质量）时，稳定的氢聚变开始，恒星结构达到流体静力学平衡氢主要通过质子-质子链或CNO循环转化为氦，释放的能量与引力收缩平衡，恒星停止收缩并进入稳定的主序阶段恒星正式诞生，位于H-R图的主序带上，位置取决于其质量恒星演化

（二）核心氢耗尽1氦核心形成，壳层氢聚变开始次巨星阶段2核心收缩，外层膨胀红巨星分支3外层显著膨胀，低温高亮度氦闪4低质量恒星经历核心氦闪，高质量恒星平稳点燃水平分支5核心氦燃烧，表面温度升高当恒星耗尽核心氢燃料后，其演化速度显著加快对于类太阳质量恒星，核心主要由氦组成，无法继续聚变，开始收缩升温核心外围的氢层达到足够温度开始聚变，推动外层膨胀，恒星变成红巨星此时恒星半径可增加数百倍，表面温度降至约3000K，但总亮度大大增加当核心温度达到约1亿度时，氦开始聚变形成碳对于质量小于

2.3太阳质量的恒星，这一过程以爆炸性的氦闪开始；更大质量恒星则平稳点燃氦氦聚变阶段完成后，低质量恒星无法点燃更高级别的核燃料，最终通过脉动抛射外层，形成行星状星云，核心成为白矮星整个红巨星阶段持续约10亿年，占恒星总寿命的很小一部分恒星演化

（三）白矮星形成超新星爆发超新星遗迹质量不足以引发碳聚变的恒星（小于8太阳质量超过8太阳质量的恒星能够经历更复杂超新星爆发后，抛射物以极高速度膨胀，形质量）在氦燃烧完成后，将抛射外层形成行的核聚变阶段，形成从氦到铁的元素铁核成超新星遗迹这些遗迹在射电波段特别明星状星云，留下由碳和氧组成的高密度核心形成后，无法通过聚变释放更多能量，核心显，如蟹状星云是1054年超新星爆发的产物这个核心就是白矮星，直径通常与地球相在引力作用下迅速塌缩核心塌缩时释放的遗迹气体与星际介质相互作用，形成复杂似，但质量接近太阳质量，导致极高的密度能量将外层抛出，产生灿烂的超新星爆发，的震波和磁场结构这些高能环境加速宇宙（约10⁶g/cm³）白矮星由简并电子气压支亮度可超过整个星系超新星是宇宙中除铁射线粒子，并促进分子云塌缩形成新一代恒撑，不再有核反应发生，缓慢冷却辐射以外更重元素的主要来源，这些元素对生命星，完成恒星生命循环形成至关重要中子星1形成机制2物理特性中子星是大质量恒星核心坍缩超新中子星是已知宇宙中密度最高的天星爆发的产物当铁核心质量超过体之一，直径仅约20公里，质量为钱德拉塞卡极限（约

1.4太阳质量）

1.4-2太阳质量，平均密度达到核子时，电子简并压无法支撑核心，电密度（约10¹⁴-10¹⁵g/cm³）中子星子与质子结合形成中子，释放大量表面重力极强，约为地球的10¹¹倍，中微子这个过程称为中子化，导逃逸速度接近光速由于角动量守致核心急剧收缩，形成由中子组成恒，中子星自转速度极快，周期可的超致密天体整个过程仅需几秒短至毫秒级它们还拥有极强磁场钟，产生的中微子携带走绝大部分，强度达10¹²-10¹⁵高斯，远超任何人引力势能造磁场3内部结构中子星内部存在多层结构最外层是铁原子组成的坚硬地壳，厚约1公里；下层是超流性质的中子液体；核心可能存在更奇异的物质状态，如超导夸克物质或奇异物质由于极端密度，中子星内部的物理学处于当前理论边界，研究中子星有助于验证极端条件下的物态方程和强相互作用物理脉冲星物理本质发现历史高速旋转的强磁场中子星，磁极发出窄束电磁辐21967年剑桥大学研究生贝尔和休伊什发现规律性1射无线电脉冲信号脉冲机制3磁轴与旋转轴不重合，形成灯塔效应5科学价值精确计时验证广义相对论，探测引力波，研究星际介质4脉冲周期稳定性可达10⁻¹⁴级别，是宇宙原子钟脉冲星是一类特殊的旋转中子星，由于磁场轴与旋转轴不重合，沿磁极方向产生的聚焦辐射束会像灯塔一样扫过空间当辐射束扫过地球时，我们观测到规律的脉冲信号，周期从毫秒到数秒不等脉冲星最初被误认为可能是外星文明信号（小绿人一号），后来证实为自然现象脉冲星分为普通脉冲星（周期约1秒）和毫秒脉冲星（周期约1-10毫秒）两大类毫秒脉冲星被认为是通过吸积伴星物质回收的老年脉冲星，自转速度显著加快双脉冲星系统如PSR B1913+16的轨道周期缓慢减小，提供了引力波存在的首个间接证据，使发现者赫尔斯和泰勒获得1993年诺贝尔物理学奖脉冲星的高精度计时还可用于构建脉冲星计时阵，探测超长波长引力波黑洞

（一）理论起源物理本质史瓦西黑洞黑洞概念可追溯至18世纪米歇尔和拉普黑洞是时空中引力极端强大的区域，强最简单的黑洞模型是无电荷、无自转的拉斯的暗星设想，但现代黑洞理论建到连光都无法逃脱黑洞的边界称为事球对称黑洞，由史瓦西度规描述其事立在爱因斯坦的广义相对论基础上件视界，是一个单向膜——物质和信件视界半径为R=2GM/c²，质量为太阳质1916年，施瓦西求解爱因斯坦场方程，息只能进不能出根据广义相对论，黑量的黑洞事件视界半径约为3公里史瓦得到描述无旋转球对称黑洞的精确解洞内部存在时空奇点，那里的曲率无限西黑洞完全由质量决定，这体现了著名后来，彭罗斯和霍金证明了在一定条件大，已知物理定律失效然而，量子引的黑洞无毛定理——黑洞只有质量、下引力坍缩必然导致奇点形成，为黑洞力理论可能会解决奇点问题，这是当前角动量和电荷三个外部可观测参数理论奠定了坚实基础理论物理学的前沿研究方向黑洞

（二）克尔黑洞黑洞热力学观测证据具有自转的黑洞由克尔度霍金发现黑洞并非完全黑2019年4月，事件视界望远规描述，其结构比史瓦西，而是会辐射热能，称为镜团队发布了人类历史上黑洞复杂自转会使事件霍金辐射黑洞可以具有第一张黑洞照片——M87星视界变形，并在视界外形温度和熵，事件视界面积系中心超大质量黑洞的阴成静止极限面，两者之间与黑洞熵成正比黑洞熵影2020年又公布了银河的区域称为极移区在极是宇宙中单位体积内最大系中心黑洞Sgr A*的图像移区内，任何物体都必须可能的熵，这引发了全息这些直接图像证实了广随黑洞旋转方向运动克原理的提出——三维空间义相对论的预言，显示了尔黑洞的自转能够从周围内的信息可以完全由其二黑洞周围光被引力弯曲形物质提取能量，为活动星维边界表示这一发现将成的光环结构此外，系核和类星体的高能辐射量子力学、热力学和引力2015年首次探测到的引力提供能源统一起来，意义深远波信号来自双黑洞合并，为黑洞存在提供了另一强有力证据双星系统双星动力学双星演化潮汐锁定银河系中约一半恒星属于双星或多星系统双星系统的演化比单颗恒星复杂得多，两颗双星系统中，潮汐力会使恒星自转减慢并最双星中两颗恒星绕共同质心运行，轨道依据恒星可以通过潮汐力和物质交换相互影响终与轨道周期同步，这就是潮汐锁定现象开普勒定律描述根据轨道周期和视向速度当一颗恒星膨胀到超出其洛希瓣（重力平衡当两颗恒星都被潮汐锁定时，它们会永远面变化，可计算系统总质量和轨道特性双星点）时，物质会流向伴星，导致质量转移对彼此同一面类似地，许多卫星对其主行分为真双星（物理连接）和光学双星（视觉这种质量交换可能导致新星爆发、超新星爆星也呈潮汐锁定状态，如月球永远只有一面投影）真双星又可分为食双星、分光双星发或伽马射线暴等剧烈现象大约50%的Ia朝向地球密近双星中的潮汐力特别强，可和测双星，这些不同类型为研究恒星性质提型超新星来自双白矮星系统的合并，这对宇能导致恒星形状变形为泪滴状，这在食双星供了丰富途径宙学有重要意义光变曲线中能够观测到X射线双星吸积过程X射线双星中，致密天体（中子星或黑洞）从伴星吸积物质形成吸积盘物质在吸积盘中释放引力势能，温度升高到数百万度，主要以X射线形式辐射吸积可通过洛希瓣溢出（低质量X射线双星）或恒星风捕获（高质量X射线双星）进行吸积率通常为10⁻¹⁰至10⁻⁸太阳质量/年类型与分类X射线双星根据伴星质量分为高质量和低质量两类高质量X射线双星（HMXB）中伴星通常为O或B型恒星，寿命短暂（约10⁷年）低质量X射线双星（LMXB）伴星通常为晚型主序星或红巨星，系统寿命长（约10⁹年）X射线辐射呈现周期性变化，反映了轨道周期和可能的自转周期爆发现象X射线双星常表现出爆发性行为X射线暴是核物质在中子星表面积累到临界量引发热核爆炸导致的，持续数秒至数分钟准周期振荡（QPO）反映了吸积盘内部动力学过程磁中子星吸积柱产生X射线脉冲这些现象提供了研究强引力场和极端物理条件的独特窗口行星系统我们的太阳系由太阳、八大行星、矮行星、卫星、小行星和彗星等组成四颗内行星（水星、金星、地球、火星）为类地行星，主要由岩石和金属构成；四颗外行星（木星、土星、天王星、海王星）为巨行星，主要由氢和氦组成太阳系结构的形成与演化，为理解其他恒星系统提供了重要参考截至目前，天文学家已发现超过5000颗系外行星探测方法主要包括凌星法（观测恒星亮度周期性微弱减弱）、径向速度法（测量恒星受行星引力导致的多普勒频移）、直接成像（利用冠状仪遮挡恒星光）、引力微透镜法（利用行星引力透镜效应）和天体测量法（测量恒星位置的微小周期性变化）这些方法各有优缺点，可探测不同类型的行星行星形成理论原行星盘形成恒星形成过程中，由于角动量守恒，部分物质形成围绕年轻恒星旋转的扁平盘阿尔玛望远镜（ALMA）已直接观测到多个年轻恒星周围的原行星盘这些盘通常持续约一千万年，由气体（主要是氢和氦）和约1%的固体尘埃颗粒组成尘埃颗粒大小从亚微米到微米级，成分包括硅酸盐、碳和冰尘埃颗粒增长原行星盘内的尘埃颗粒通过布朗运动和差异沉降相互碰撞并粘合，逐渐形成厘米至米级大小的颗粒这一过程受到一米障碍挑战——超过厘米大小的颗粒容易受气体阻力影响快速向内迁移并落入恒星解决方案可能包括局部涡旋捕获、粘滞性增强或尘埃颗粒急速成长，跳过危险区域行星胚胎形成尘埃聚集体进一步增长形成千米级的小行星，然后通过碰撞和聚合形成行星胚胎（直径约月球至火星大小）这一过程需要约10万至100万年行星胚胎的形成可能受到流束效应帮助，即尘埃颗粒在气体环境中受到气体阻力，向压力最大处聚集，形成局部高密度区域，加速聚合过程气体巨行星形成当行星胚胎质量达到约10个地球质量时，足以从原行星盘中快速吸积气体形成巨大的气体包层这一过程称为核吸积模型，是目前解释气体巨行星形成的主流理论另一种理论是重力不稳定模型，认为原行星盘在某些条件下可能直接碎裂形成气体巨行星，但这要求较少见的高质量、冷却快速的盘太阳物理

（一）核心辐射区太阳核心直径约为太阳总直径的25%，温度高达辐射区从核心边界延伸到太阳半径的约70%处，温1500万K，密度约150g/cm³在这些极端条件下，度从800万K下降到200万K在这个区域，能量主原子完全电离为等离子体，氢核通过质子-质子链要通过光子辐射传输由于等离子体的高密度，反应转变为氦，释放巨大能量核能产生率取决光子平均自由程很短，被不断吸收再发射，沿随于温度的四次方，因此仅中心区域够热以维持聚机路径缓慢向外扩散辐射区物质处于水平分层12变核心每秒转化约600万吨氢为氦，光子需要约状态，相对静止，对热扰动稳定，没有大尺度流10万年才能从核心到达太阳表面动光球层对流区光球层是太阳的可见表面，厚度约500公里，温占太阳外层30%的区域是对流区，温度从200万K下度约5,800K这里的气体密度低到足够让光子自43降到约5,800K在这里，温度梯度大到足以使气由逃离，形成我们观察到的连续光谱光球层呈体团块上浮，形成对流热气体上升，冷却后下现粒状结构，称为光球粒，是对流单元的顶部沉，形成巨大的对流单元这些对流元胞在太阳黑子是光球层上的黑暗区域，温度较低（约表面形成肉眼可见的粒状结构对流是能量从辐4,000K），由局部强磁场引起太阳自转存在差射区向表面传输的主要方式，也产生太阳磁场的速性，赤道区域旋转周期约25天，极区约为35天发电机效应太阳物理

（二）色球层色球层位于光球层之上，厚度约2,000公里，温度从4,000K上升至20,000K在日全食期间，色球层呈现红色光环这里出现温度反转现象——随高度升高而温度升高，这一现象尚未完全解释清楚，可能与磁场重联释放能量有关色球层中可观测到显著的谱线发射，如H-α线，常用于研究太阳爆发活动色球网状结构和耀斑在此区域最为明显日冕日冕是太阳最外层大气，延伸数百万公里，温度高达100-300万K日冕的高温是太阳物理学中著名的日冕加热问题，可能机制包括磁波加热和纳米耀斑等日冕等离子体沿磁力线构成各种结构，如日冕环、日冕洞和日冕流太阳风起源于日冕，以超音速（约400-800km/s）向外流动，形成行星际空间环境太阳活动周期太阳活动呈现约11年周期变化，表现为黑子数、耀斑频率、日冕物质抛射等现象的周期性变化每个周期开始，黑子出现在中纬度；随后，新黑子出现在越来越低的纬度，形成著名的蝴蝶图太阳磁场每22年完成一次极性反转这些周期活动由太阳内部差速自转产生的发电机效应驱动，是理解太阳和恒星磁活动的关键日冕物质抛射日冕物质抛射（CME）是太阳大气中最剧烈的爆发现象，每次可抛射约10¹⁵-10¹⁶克物质，以数百至数千千米/秒的速度进入行星际空间CME常与耀斑和暗条爆发相关联，由磁场重联释放储存的磁能当CME到达地球附近时，可引发地磁暴，干扰通信和电力系统，产生极光CME是太阳-地球关系研究和空间天气预报的核心内容。