探索宇宙奥秘：天文学课件

探索宇宙奥秘天文学导论欢迎踏上探索宇宙奥秘的精彩旅程本课程将带领我们从最近的太阳系开始，逐步深入到遥远的星系和宇宙大尺度结构，系统学习现代天文学的基础知识与前沿发展通过深入学习天体物理学的观测现象和物理原理，我们将培养科学的思维方式，学会运用物理知识分析和理解宇宙中的各种现象这不仅是知识的积累，更是思维能力的提升和科学素养的培养让我们一起探索这个充满神秘与美丽的宇宙，从微观粒子到宏观结构，从过去的历史到未来的命运，感受天文学带给人类的智慧启迪和精神震撼课程概述知识目标能力目标深入了解天体物理学中的各种培养独立思考和分析问题的能观测现象，掌握其背后的物理力，学会运用物理知识解释天原理和科学解释，建立完整的文现象，提升科学研究和实践天文学知识体系应用的技能素质目标树立科学的世界观和方法论，培养唯物主义精神，提升物理分析能力和科学素养，增强探索未知的勇气天文学的意义人类永恒的梦想科技发展的引擎生命与宇宙的思考自古以来，人类就对星空充满好奇和向天文学研究推动了众多科学技术的发天文学帮助我们理解生命的起源和演往从古代的神话传说到现代的科学探展，从光学技术到电子学，从材料科学化，探索地外生命存在的可能性，思考索，天文学承载着人类对宇宙的无限想到计算机技术，许多现代科技都起源于人类在宇宙中的地位和未来象和探索欲望天文学研究的需要通过研究宇宙的过去、现在和未来，我通过天文学，我们试图回答人类最根本GPS导航、无线通信、医学成像等日常们能够更好地理解地球环境的珍贵，认的哲学问题我们从哪里来？宇宙是如应用的技术，都与天文学研究密切相识到保护地球家园的重要性何诞生的？我们在宇宙中是否孤独？关，体现了基础科学对社会发展的深远影响第一部分天文学基础历史发展天球系统观测技术研究方法追溯天文学发展脉络建立坐标参考框架掌握现代观测方法学习科学分析工具天文学历史发展古代天文学起源早期文明通过观察天象制定历法，建立了最初的天文观测体系古代中国的二十八宿、古希腊的星座系统都体现了人类对天空的系统性认识哥白尼革命哥白尼提出日心说，彻底改变了人类对宇宙结构的认识这一理论突破了地心说的局限，为现代天文学奠定了基础开普勒定律开普勒通过精确的观测数据，发现了行星运动的三大定律，为牛顿万有引力定律的建立提供了重要依据现代突破20世纪以来，相对论、量子力学、射电天文学、空间技术等重大突破，开启了现代天体物理学的新纪元天球系统地平坐标系统赤道坐标系统以观测者所在地点为中心，地平面为基准面以地球赤道面在天球上的投影为基准面，是建立的坐标系统，方便进行实际观测定位天文学中最重要的坐标系统，便于天体位置的精确描述黄道坐标系统银道坐标系统以黄道面为基准面建立的坐标系统，特别适以银河系银盘为基准面的坐标系统，主要用用于太阳系天体的位置描述和运动分析于研究银河系结构和恒星分布特征天文坐标系统详解地平坐标赤道坐标地平经度（方位角）从正北点开始，赤经类似于地理经度，从春分点开始沿地平圈向东测量的角度，范围0°-向东测量，通常用时角表示（0h-360°地平纬度（高度角）天体相24h）赤纬类似于地理纬度，从天对于地平面的仰角，范围-90°到赤道开始测量，范围-90°到+90°+90°赤道坐标是天文学中使用最广泛的坐标这个坐标系统与观测者的地理位置和观系统，天体的赤道坐标相对固定，不随测时间密切相关，同一天体在不同地点观测地点和时间变化和时间的地平坐标会发生变化坐标转换原理不同坐标系统之间的转换需要考虑地球自转、公转、进动等因素转换公式涉及球面三角学计算，现代天文软件可以自动完成这些复杂运算掌握坐标转换对于天文观测、天体导航、卫星定位等实际应用都具有重要意义天文观测基础光学望远镜射电望远镜空间望远镜包括折射式和反射式望远探测天体发射的射电波，不部署在地球大气层外，避免镜，通过收集和聚焦可见光受天气和日夜影响射电望大气干扰，能够观测到地面来观测天体现代大型光学远镜的发明开启了射电天文望远镜无法探测的电磁辐射望远镜直径可达10米以上，学新时代，发现了脉冲星、波段，如紫外线、X射线、能够探测极其微弱的天体类星体等重要天体伽马射线等多波段观测现代天文学采用全电磁波段观测，从射电波到伽马射线，每个波段都能提供天体的不同物理信息，实现对天体的全面认识观测技术进展自适应光学技术通过实时监测和校正大气湍流引起的像质下降，显著提高地面望远镜的分辨率这项技术使地面大型望远镜的性能接近理论极限，在某些方面甚至超越空间望远镜激光导星系统能够在任意方向创建人工参考星，为自适应光学提供实时校正信号，大大扩展了高分辨率观测的天区范围与探测器CCD CMOS电荷耦合器件（CCD）和互补金属氧化物半导体（CMOS）探测器取代了传统的照相乳胶，极大地提高了探测灵敏度和量子效率现代天文CCD具有极低的噪声、高量子效率和优异的线性响应特性，能够精确测量天体的亮度变化，为变星研究、系外行星探测等提供了有力工具干涉测量技术通过将多台望远镜的信号相干叠加，实现等效于单台巨型望远镜的角分辨率甚长基线干涉测量（VLBI）技术已实现亚毫角秒级的超高分辨率观测光学干涉仪如VLT干涉仪能够直接测量恒星的角直径，探测双星系统的轨道运动，甚至有望直接成像系外行星天文学研究方法光谱分析技术分析天体辐射的波长分布测光学原理精确测量天体亮度变化天体测量学确定天体精确位置和运动计算天体物理学数值模拟与理论计算现代天文学研究依赖于多种精密的观测和分析技术光谱分析能够揭示天体的化学成分、温度、密度等物理性质；测光学通过精确测量亮度变化研究天体的变化规律；天体测量学确定天体的精确位置和自行；而计算天体物理学则通过数值模拟验证理论模型，预测观测现象第二部分太阳系8主要行星从水星到海王星的行星家族5矮行星包括冥王星在内的矮行星群体200+已知卫星各行星的天然卫星系统亿年46太阳系年龄通过同位素测年确定的形成时间太阳系概述原始星云塌缩原行星盘形成约46亿年前，一团巨大的分子云在自身旋转的星云逐渐扁平化，形成中心的原引力作用下开始塌缩，形成原始太阳星太阳和周围的原行星盘结构云太阳风清扫行星吸积过程年轻太阳的强烈恒星风清除了盘中剩余盘中的尘埃颗粒逐渐聚集，通过引力吸的气体和尘埃，形成现今的太阳系结构积形成微行星，进而演化为行星太阳我们的恒星基本参数内部结构太阳活动太阳质量约为

1.989×10³⁰千克，半径约太阳内部从核心到表面分为不同区域太阳具有约11年的活动周期，表现为黑为696,000千米，表面温度约5778K核心区进行核聚变反应，产生太阳的全子数量的周期性变化太阳活动还包括太阳占据了太阳系总质量的

99.86%，其部能量；辐射区通过辐射传递能量；对耀斑、日冕物质抛射等现象，这些活动强大的引力维系着整个太阳系的稳定结流区通过对流运动传输能量到表面会影响地球的空间环境和气候构•核心温度约1500万K•黑子周期平均

11.1年•光度

3.828×10²⁶瓦特•核心密度约150g/cm³•磁场强度数千高斯•光谱型G2V型主序星•能量传输时间数万年•太阳风速度400-800km/s•自转周期约

25.4天（赤道）类地行星水星金星地球火星太阳系最内侧拥有极厚的二太阳系中唯一拥有稀薄的大的行星，表面氧化碳大气已知存在生命气层和四季变温度变化极层，表面压强的行星，拥有化，表面有巨大，白天可达是地球的90液态水海洋、大的峡谷和古427°C，夜晚倍，温度高达适宜的大气层老的河床，表降至-462°C金星和活跃的地质明过去可能存173°C水星是温室效应的活动地球的在液态水火没有大气层，极端例子，其磁场保护着生星是人类未来表面布满陨石逆向自转也是命免受有害宇可能移居的第坑，地质活动太阳系中的独宙辐射的伤二家园早已停止特现象害巨行星木星气态巨星之王太阳系最大的行星，质量超过其他所有行星的总和木星拥有79颗已知卫星，其中伊欧、欧罗巴、加尼米德、卡利斯托是伽利略卫星，具有重要的科学价值土星环系统奇观以其壮观的环系统而闻名，环系统主要由冰颗粒和岩石碎片组成土星的卫星泰坦拥有浓厚大气层和液态甲烷湖泊，是研究生命起源的重要目标天王星侧躺的行星自转轴倾斜角度达98度，几乎是侧躺着绕太阳公转这种极端的轴倾角导致天王星有着独特的季节变化模式，每个极地区域有长达42年的连续黑夜或白昼海王星风暴之星拥有太阳系中最强烈的风暴，风速可达2100公里/小时海王星的发现是天体力学预言的胜利，展示了牛顿万有引力定律的强大预测能力矮行星与小天体冥王星与柯伊伯带小行星带冥王星是最著名的矮行星，位于柯伊伯位于火星和木星之间，包含数十万颗小带中新视野号探测器的观测揭示了冥行星谷神星是其中最大的天体，现已王星复杂的表面地貌和活跃的地质活被归类为矮行星小行星带是研究太阳动系早期历史的重要窗口•直径约2374千米•总质量约月球质量的4%•卫星5颗已知卫星•最大天体谷神星•表面温度约-230°C•已知小行星100万颗以上彗星起源与结构彗星来自太阳系边缘的奥尔特云和柯伊伯带，主要由冰和尘埃组成当彗星接近太阳时，冰升华形成彗发和彗尾，创造出壮观的天象•彗核直径通常1-100千米•彗尾长度可达数千万千米•轨道周期数年到数万年系外行星凌星法探测当行星从恒星前方经过时，会造成恒星亮度的周期性下降开普勒空间望远镜利用这一方法发现了数千颗系外行星径向速度法行星的引力会使恒星产生微小的摆动，通过测量恒星光谱的多普勒频移可以探测到这种运动，进而推断行星的存在行星多样性已发现的系外行星呈现出惊人的多样性超级地球、热木星、海王星型行星等，这些发现极大地丰富了我们对行星形成的认识宜居性研究科学家重点关注位于恒星宜居带内的岩质行星，这些行星表面可能存在液态水，为生命存在提供了可能性第三部分恒星与恒星演化恒星诞生分子云塌缩形成原恒星主序阶段核聚变维持稳定燃烧晚期演化红巨星膨胀与核心收缩恒星终结白矮星、中子星或黑洞恒星的一生是一个壮丽的物理过程，从引力塌缩的开始到核聚变的点燃，再到最终的演化结局每个阶段都展现了物理定律在宇宙尺度上的精妙运作，质量决定了恒星的命运轨迹恒星基本特性光谱分类系统亮度与距离质量与半径恒星按表面温度分为O、B、A、F、G、视星等表示我们观测到的恒星亮度，绝恒星质量通过双星系统的轨道分析来测K、M七个主要光谱型，从最热的O型星对星等则是恒星的真实光度通过视差定，范围从

0.08倍太阳质量的褐矮星到（30000K）到最冷的M型星法、造父变星等方法测定距离后，可以100多倍太阳质量的超大质量星恒星半（3500K）每个光谱型还细分为0-9计算恒星的绝对星等径可通过干涉测量或食双星观测确定的亚型恒星的光度范围极大，从不到太阳光度哈佛光谱分类系统结合了摩根-基南光度的万分之一到太阳光度的数十万倍这质量-光度关系显示，恒星光度与质量的分类，形成了现代恒星分类的标准框种巨大差异反映了恒星质量、年龄、演3-4次方成正比，这意味着大质量恒星消架，为恒星物理研究提供了重要的分类化阶段的不同耗核燃料的速度远快于小质量恒星依据图与恒星演化HR恒星的诞生分子云条件恒星诞生于巨分子云中最密集的区域，这些区域温度极低（10-20K），密度比周围星际介质高数千倍•典型质量10⁴-10⁶倍太阳质量•尺度几十光年•主要成分氢分子和氦引力塌缩触发超新星激波、恒星风或邻近恒星的引力扰动可以触发分子云核心的引力塌缩，开始恒星形成过程•金斯质量最小塌缩质量•自由落体时间约10⁵年•温度上升引力势能转化原恒星阶段塌缩过程中形成原恒星和周围的吸积盘，物质持续从盘中落向中心的原恒星，逐渐增加其质量•吸积率10⁻⁶-10⁻⁴太阳质量/年•持续时间10⁵-10⁶年•喷流形成角动量守恒主序前演化当核心温度达到约1000万K时，氢核聚变反应开始，原恒星正式成为主序星，开始其漫长的稳定燃烧阶段•核反应点燃温度10⁷K•收缩停止辐射压平衡•剩余物质清除恒星风作用主序星阶段核聚变反应流体静力学平衡氢核聚变是主序星能量的主要来源，四个氢恒星内部的引力压缩与辐射压向外推力达到核融合成一个氦核，释放出巨大能量维持恒平衡，这种平衡状态维持了恒星数十亿年的星的稳定性稳定结构主序寿命能量传输机制恒星在主序阶段的寿命与其质量密切相关，能量从核心通过辐射和对流两种方式传输到质量越大的恒星消耗燃料越快，主序寿命反表面，不同质量的恒星具有不同的内部结构而越短和能量传输模式恒星晚期演化红巨星阶段当核心氢燃料耗尽后，恒星开始燃烧壳层中的氢，核心收缩导致外层膨胀，恒星演化为红巨星表面温度降低但总光度增加，恒星半径可达原来的几十到几百倍在这个阶段，恒星的对流包层可能将内部合成的重元素带到表面，丰富了星际介质的化学成分强烈的恒星风也会导致质量损失氦闪与水平分支对于中等质量恒星，当核心温度达到约1亿K时，氦聚变反应突然开始，称为氦闪反应稳定后，恒星在HR图上位于水平分支位置氦燃烧阶段相对较短，主要产生碳和氧这个阶段的恒星具有致密的碳氧核心和燃烧氦的壳层，外层仍然是氢渐近巨星分支氦燃料耗尽后，恒星进入渐近巨星分支阶段，具有碳氧核心、氦燃烧壳层和氢燃烧壳层的复杂结构这个阶段伴随着强烈的脉动和质量损失热脉冲现象会周期性地将核合成产物带到表面，s过程元素的合成主要发生在这个阶段，为宇宙重元素的丰度演化做出重要贡献恒星终结白矮星形成机制物理特性当低质量和中等质量恒星（质量小于典型白矮星的质量约为

0.6倍太阳质8倍太阳质量）耗尽核燃料后，外层量，但半径只有地球大小，密度达到被抛射形成行星状星云，留下的核心每立方厘米一吨的惊人程度成为白矮星•表面温度5000-50000K白矮星主要由碳和氧组成，在极端高•表面重力地球的10万倍密度下，电子简并压力阻止了进一步•磁场强度可达10⁸高斯的塌缩，形成稳定的终态结构钱德拉塞卡极限白矮星的质量存在理论上限，约为

1.4倍太阳质量超过这个极限，电子简并压力无法支撑恒星，将发生塌缩或Ia型超新星爆发这个极限值对理解恒星演化、超新星爆发机制和宇宙中的核合成过程具有fundamental importance恒星终结超新星II型超新星机制I型超新星过程超新星遗迹影响大质量恒星（质量超过8倍太阳质量）在白矮星从伴星吸积物质，当质量接近钱超新星爆发将大量重元素抛射到星际空核心形成铁核后，无法进行进一步的核德拉塞卡极限时发生热核爆炸整个白间，丰富了星际介质的化学成分激波聚变反应铁核在自身重力作用下塌矮星在爆炸中被完全摧毁，没有留下致加热和压缩周围气体，可能触发新一轮缩，形成中子星或黑洞密遗迹的恒星形成塌缩过程中产生的激波向外传播，将恒Ia型超新星具有相似的光度峰值，成为超新星遗迹中的激波还能加速宇宙线粒星外层物质以每秒数万公里的速度抛射测量宇宙距离的标准烛光，在宇宙学研子到极高能量，这些高能粒子对星际介到太空中，释放出相当于太阳100亿年总究中发挥着重要作用，帮助发现了宇宙质的电离和加热过程产生重要影响辐射的能量加速膨胀现象致密天体中子星极端密度结构脉冲星现象中子星是宇宙中密度最大的天体之一，典型质量约

1.4倍太阳质中子星具有极强的磁场（可达10¹²-10¹⁵高斯）和快速自转量，半径仅约10-15公里其密度达到原子核密度，一茶匙中磁轴与自转轴不重合时，辐射束扫过地球产生周期性脉冲，形子星物质的质量相当于一座山成脉冲星现象观测证据引力波源1967年发现的第一颗脉冲星PSR1919+21，周期为

1.337秒，双中子星系统由于引力波辐射损失能量，轨道逐渐缩小并最终其精确的周期性为中子星理论提供了直接证据目前已发现超并合这种并合事件是引力波探测器的重要观测目标，也是重过2000颗脉冲星元素合成的重要场所致密天体黑洞基本概念黑洞是时空曲率极大的区域，其引力强到连光都无法逃脱史瓦西半径定义了事件视界，任何物质一旦越过这个边界就无法返回史瓦西解爱因斯坦广义相对论的史瓦西解描述了不旋转、不带电黑洞周围的时空几何对于太阳质量的黑洞，史瓦西半径约为3公里视界特性事件视界是黑洞的表面，在视界处时间极度变慢从外部观察者角度看，物质永远无法完全跌入黑洞，但从下落者角度看，穿越视界是有限时间内的过4观测方法程黑洞本身不发光，但可以通过其对周围物质和光线的影响来探测X射线双星、引力透镜效应、事件视界望远镜成像都是观测黑洞的有效方法双星系统质量测定轨道特性通过观测双星的轨道运动和径向速度变化，双星系统遵循开普勒定律，轨道周期与半长可以精确测定恒星质量，这是确定恒星质量轴的关系可以用来测定系统的总质量1的最可靠方法高能现象质量传输致密双星系统是X射线源、伽马射线暴、引密近双星中，一颗恒星可能通过洛希瓣溢流力波等高能天体物理现象的重要产生场所将物质传输给伴星，导致新星、矮新星等爆发现象恒星中的元素合成大爆炸核合成宇宙诞生后的前20分钟内，原初核合成产生了氢、氦和少量锂，奠定了宇宙的初始化学成分恒星内部合成恒星核心的高温高压条件下，通过氢燃烧、氦燃烧等过程逐步合成碳、氮、氧等较重元素过程合成s在AGB星的氦燃烧壳层中，慢中子俘获过程合成了大约一半的重于铁的元素过程合成r超新星爆发和中子星并合中的快中子俘获过程合成了其余的超重元素第四部分星系与星系演化万亿2可观测星系估计的可观测宇宙中星系总数亿年100星系年龄最古老星系的形成时间万100光年尺度大型星系的典型直径10¹²恒星数量银河系等大型星系的恒星总数银河系结构基本参数银盘结构银心与银晕银河系是一个典型的棒旋星系，直径约银盘是银河系的主要结构，包含了大部银心包含一个质量约400万倍太阳质量10万光年，厚度约1万光年我们的太阳分恒星和气体薄盘中的年轻恒星和厚的超大质量黑洞人马座A*银晕中分布系位于距离银心约

2.6万光年的猎户臂盘中的老年恒星具有不同的运动学特征着古老的球状星团和暗物质，其质量可上和化学成分能是银盘的10倍•质量约10¹²倍太阳质量•薄盘厚度约600光年•核球半径约3000光年•恒星数量2000-4000亿颗•厚盘厚度约3000光年•银晕半径约10万光年•自转周期约

2.5亿年•旋臂数量4条主要旋臂•球状星团约150个银河系动力学。