天文大学教学课件

天文大学教学课件探索宇宙的奥秘本课件面向本科及研究生天文学课程，结合最新科学进展与前沿研究，带领学生深入探索浩瀚宇宙的奥秘通过系统的天文学知识讲解，从宏观宇宙结构到微观天体物理现象，帮助学生建立完整的宇宙观和科学思维方式绪论天文学的意义与发展天文学定义与研究范围天文学是研究宇宙中天体、物质分布及其运动规律的自然科学，是人类最古老的科学之一研究范围包括•天体物理学研究天体的物理性质和演化•恒星天文学研究恒星的特性、分布和运动•星系与宇宙学研究星系结构和宇宙整体演化•行星科学研究太阳系内行星及其卫星•射电天文学利用射电技术观测宇宙天文学与物理学、数学、化学等学科紧密结合，形成了多学科交叉的研究体系有两件事物填满我心灵，使它们不断惊叹和敬畏我头顶上的灿烂星空和我心中的道德法则——伊曼努尔·康德天文学的社会与哲学意义天文学简史古代天文学（公元前3000年-16世纪）1古巴比伦最早的天文观测记录，发明了黄道十二宫中国古代甲骨文中有天象记录，汉代张衡发明浑天仪2近代天文学（16-19世纪）古希腊托勒密地心说统治西方1400年哥白尼1543年提出日心说，革命性转变世界观阿拉伯保存并发展了希腊天文学成果伽利略首次使用望远镜进行天文观测，发现木星卫星现代天文学（20世纪至今）3开普勒提出行星运动三大定律爱因斯坦广义相对论重新定义引力本质牛顿万有引力定律解释了行星运动机制哈勃证实宇宙膨胀，发现星系红移彭齐亚斯和威尔逊发现宇宙微波背景辐射宇宙大爆炸理论确立，暗物质暗能量概念提出宇宙的尺度天文学单位系统天文单位AU光年ly定义地球到太阳的平均距离定义光在真空中一年走过的距离1AU=149,597,

870.7千米1ly=

9.46×10¹²千米应用测量太阳系内天体距离应用测量恒星间距离秒差距pc定义一天文单位距离在1秒角视差处的距离1pc=

3.26光年=

3.09×10¹³千米应用专业天文测量宇宙尺度是人类想象的极限从地球（直径12,756千米）到太阳系（直径约12光时），再到银河系（直径约10万光年），直至可观测宇宙（直径约930亿光年）尺度之大令人难以想象，而宇宙的真实边界可能远超我们目前的观测能力10²⁷可观测宇宙体积（立方米）930亿天球坐标系与空间定位赤道坐标系赤道坐标系是天文学中最常用的坐标系统，以地球赤道平面和春分点为参考赤经Right Ascension,α天体到春分点的角距离，沿天赤道从西向东量度，以小时、分、秒为单位（24小时=360°）赤纬Declination,δ天体到天赤道的角距离，以度、分、秒为单位，北半球为正，南半球为负天球北极/南极地球自转轴延长线与天球的交点黄道坐标系以地球绕太阳公转的轨道平面（黄道平面）为基准平面的坐标系统黄经从春分点沿黄道量度的角距离黄纬天体到黄道的角距离地平坐标系与本地观测时间与天文测量12天文时间系统儒略日与历法恒星时以春分点经过观测者子午线为参考，完整周儒略日JD从公元前4713年1月1日正午开始连续期为23小时56分4秒计数的天数，用于天文学中精确记录时间太阳时以太阳经过观测者子午线为参考，一般生活修正儒略日MJD JD减去

2400000.5的值，为了便中使用的时间于使用世界时UT以格林威治子午线的平太阳时为基准的历法演变从阴历、阳历到现代格里高利历的演变过时间系统程协调世界时UTC基于原子钟的时间标准，通过闰历法差异不同文化历法系统（如中国农历、伊斯兰秒与世界时保持同步历等）与天文观测的关系3地球自转与闰秒地球自转速率变化由于潮汐摩擦等因素，地球自转正在缓慢减速闰秒调整为保持UTC与地球自转同步，不定期在UTC中插入闰秒案例自1972年以来已插入27次闰秒，最近一次是2016年12月31日未来趋势国际计量大会考虑取消闰秒制度，改为多年一次的闰分钟调整太阳系总览太阳系基本结构太阳系边界太阳系由太阳、行星、矮行星、卫星、小行星、彗星、流星体柯伊伯带位于海王星轨道外30-50AU的环状区域，包含多数和星际物质组成，形成于约46亿年前矮行星和大量冰体散射盘受巨行星引力影响的不规则轨道天体区域内太阳系太阳风终止激波约在80-100AU处，太阳风速度从超音速降至亚音速的区域包括四颗类地行星水星、金星、地球和火星日球层顿太阳风与星际介质平衡的边界，约在120AU特点体积小、密度大、固体表面、卫星少奥尔特云假设存在于约2000-100,000AU的球壳区域，是长周期彗星的来源外太阳系

99.86%包括四颗巨行星木星、土星、天王星和海王星特点体积大、密度小、气态为主、卫星环系统丰富太阳占太阳系总质量比例×

1.98910³⁰太阳质量（千克）×

4.610⁹行星科学与地外世界探索行星结构与分类火星探测进展系外行星研究行星按照物理特性可分为以下几类火星是太阳系中与地球最相似的行星，也是人类探自1995年首次确认系外行星以来，探测技术不断发测最多的行星展类地行星水星、金星、地球、火星，岩石构成，内部分层中国天问一号2021年成功着陆，祝融号火星车完开普勒太空望远镜利用凌日法发现2600多颗系外成探测任务行星巨行星木星、土星（气态巨行星），天王星、海王星（冰巨行星）美国毅力号2021年着陆，首次携带火星直升机TESS卫星全天区巡天，已确认175颗系外行星，（机智号）5400多个候选体矮行星冥王星、谷神星、鸟神星、妊神星等，不能清空轨道环境重大发现证实火星曾有液态水环境，发现甲烷痕统计数据截至2023年，已确认超过5000颗系外行迹，可能的生命迹象星小天体与彗星小行星带分布与特征小行星主要分布在火星和木星轨道之间的小行星带中，是太阳系形成早期的残留物数量已编号小行星超过100万个，估计直径1千米的小行星有100万-200万个命名系统发现顺序编号+名称，如1谷神星、4灶神星特洛伊小行星位于木星拉格朗日点的小行星群近地小行星轨道与地球轨道相交的小行星，潜在撞击威胁陨石与撞击事件陨石是到达地球表面的小天体碎片，为研究太阳系早期历史提供了重要样本陨石分类石质陨石、铁质陨石、石铁陨石著名陨石雨吉林陨石雨（1976年）、切里亚宾斯克陨石雨（2013年）通古斯大爆炸1908年在西伯利亚发生的空中爆炸，摧毁约2000平方公里森林撞击坑巴林杰陨石坑（美国）、石林天坑（吉林）等为古代撞击的证据彗星探测任务彗星是由冰、尘埃和小岩石组成的小天体，当接近太阳时，表面物质升华形成彗发和彗尾罗塞塔号欧洲航天局的彗星探测器，2014年成为首个环绕彗星的探测器，2016年成功着陆在67P/楚留莫夫-格拉西缅科彗星上深度撞击NASA探测器于2005年向坦普尔1号彗星发射撞击器，研究彗星内部结构重要发现彗星表面发现有机分子，支持彗星可能将生命前体物质带到早期地球的假说太阳物理基础太阳结构分区太阳是一个由氢、氦组成的大质量气体球体，通过核聚变产生能量从内到外可分为核心区（半径约

0.25R☉）温度达1500万K，密度约150g/cm³，是核聚变反应发生的区域辐射区（

0.25-

0.7R☉）能量主要通过辐射方式传输对流区（

0.7-

1.0R☉）能量主要通过热对流方式传输光球层可见的表面，厚度约500千米色球层厚度约2000千米，温度升至1万K日冕外层大气，温度高达百万K日冕加热难题日冕温度比光球层高出近200倍，这一现象被称为日冕加热问题，可能的解释机制包括•磁重联释放能量•阿尔芬波传输能量•纳米耀斑持续释放能量太阳活动周期太阳黑子数量约每11年变化一次，这与太阳磁场的极性反转有关活跃期太阳耀斑和日冕物质抛射增多，可能对地球产生显著影响•引发地磁暴和极光•干扰卫星通信和电网恒星的诞生与演化恒星生命周期星云塌缩主序星巨分子云在自身引力作用下塌缩，形成致密的原恒星核心核心开始氢融合为氦的稳定恒星，在赫罗图上形成主序带在塌缩过程中，角动量守恒导致周围物质形成盘状结构（原行星盘）主序阶段是恒星生命的主要阶段，太阳将在此阶段度过约100亿年观测实例猎户座大星云中的原恒星和喷流恒星质量决定了其光度、温度、寿命和最终命运1234主序前恒星晚期演化与死亡温度不断升高但尚未达到核聚变条件的年轻恒星质量决定命运包括T陶里星和赫比格-哈罗星等类型-低质量恒星＜8M☉红巨星→行星状星云→白矮星这一阶段持续时间从数万年到数百万年不等，取决于恒星质量-中等质量恒星8-25M☉超巨星→超新星→中子星-大质量恒星＞25M☉超巨星→超新星→黑洞恒星物理观测技术基本测量参数光度测量通过测光系统（如UBVRI系统）测量不同波段的亮度视星等与绝对星等的关系M=m-5logd/10波尔兹曼定律L=4πR²σT⁴光谱分析通过棱镜或光栅将恒星光分解为光谱根据吸收线确定化学成分和物理条件MK光谱分类O、B、A、F、G、K、M七个主要光谱型视差测量哈勃定律与红移利用地球公转产生的视差测量恒星距离哈勃定律是宇宙学中的基本定律，表明遥远星系正以与距离成正比的速度远离我们距离秒差距=1/视差角秒v=H₀×d欧洲盖亚卫星测量精度可达微角秒级其中v是退行速度，d是距离，H₀是哈勃常数（约70km/s/Mpc）红移是光谱线向红端移动的现象，公式为z=Δλ/λ红移类型•多普勒红移由于光源远离观测者产生•引力红移由于强引力场导致光子能量损失•宇宙学红移由于空间本身膨胀产生重大光谱分析案例星系的类型与宇宙结构旋涡星系椭圆星系不规则星系具有明显盘面和螺旋臂结构，通常有核球和盘面组成呈椭球体形状，缺乏明显结构，星际气体和尘埃含量低缺乏对称结构的星系，常因星系相互作用或并合而形成按照臂的紧密程度分为Sa、Sb、Sc等类型按照椭率分为E0-E7，E0最圆，E7最扁恒星形成活跃，包含丰富的气体和尘埃约占星系总数的60%，我们的银河系属于SBc型旋涡星系通常包含老年恒星，恒星形成率低，约占星系总数的30%约占星系总数的10%，大小麦哲伦云是银河系的卫星不规则星系银河系结构银河系是一个包含2000-4000亿颗恒星的大型旋涡星系，直径约10万光年，中心厚度约1000光年，边缘厚度减小至数百光年10万核球中心区域直径约1万光年，包含密集的古老恒星和一个质量约400万太阳质量的超大质量黑洞Sgr A*盘面包含大部分恒星、气体和尘埃，形成明显的螺旋臂结构银河系直径（光年）晕层包围整个银盘的近球形区域，含有稀疏的古老恒星和约150个球状星团暗物质晕延伸到可见部分之外的大型暗物质结构，总质量约为可见物质的5-10倍2500亿宇宙大尺度结构宇宙网状结构SDSS项目宇宙分布图通过大规模星系巡天项目（如SDSS）观测发现，宇宙中的物质分布并不均匀，而是形成了一种被称为宇宙网的大尺斯隆数字巡天（SDSS）是天文学史上最大规模的巡天项目之一，已经绘制了度结构超过100万个星系的三维地图，覆盖了宇宙约四分之一的天区星系团包含数十到数千个星系的引力束缚系统，直径约1-10兆秒差距通过SDSS数据，天文学家能够超星系团由多个星系团组成的更大结构，直径约10-100兆秒差距•研究宇宙大尺度结构的统计特性宇宙纤维星系和星系团形成的长丝状结构，长度可达数百兆秒差距•测量宇宙学参数，如暗物质和暗能量的比例宇宙墙星系的片状集中区，如长城（Great Wall）结构•追踪宇宙结构的演化历史宇宙空洞几乎不含星系的大型空旷区域，直径可达150兆秒差距引力透镜与暗物质这种网状结构被认为起源于宇宙早期的微小密度涨落，经过138亿年的演化形成了今天所观测到的复杂结构引力透镜是大质量天体弯曲光线路径的现象，为研究暗物质提供了重要工具•通过测量背景星系像的扭曲程度可以推断暗物质分布•子弹星系团等观测证据表明暗物质确实存在宇宙的演化与宇宙学宇宙大爆炸理论基础宇宙大爆炸理论是当前最被广泛接受的宇宙起源和演化模型，主要基于以下观测证据宇宙膨胀哈勃发现的星系红移表明宇宙正在膨胀宇宙微波背景辐射宇宙早期热辐射的残余，温度约

2.7K宇宙中轻元素丰度氢、氦等轻元素的观测比例与理论预测吻合大尺度结构形成星系分布的观测与理论模型一致根据标准宇宙学模型，宇宙起源于约138亿年前的一次大爆炸，从一个极其炽热、致密的状态开始膨胀和冷却，逐渐形成了今天所观测到的结构普朗克时期10-10⁻⁴³秒四种基本力统一2大统一时期10⁻⁴³-10⁻³⁶秒暴胀时期3强力与电弱力分离10⁻³⁶-10⁻³²秒微波背景辐射宇宙极速膨胀4核合成时期宇宙微波背景辐射（CMB）是宇宙大爆炸理论的关键证据，最初由彭齐亚斯和威尔逊在1965年意外发现，3-20分钟后来被COBE、WMAP和Planck卫星精确测量原子形成5形成氢、氦等轻元素WMAP卫星测量CMB温度波动至百万分之一精度38万年Planck卫星进一步提高精度，精确测定宇宙学参数宇宙变为透明6结构形成意义CMB中的微小温度涨落记录了宇宙早期密度波动，是后来形成星系和大尺度结构的种子宇宙参数测量数亿年后恒星、星系形成基于CMB和其他观测，科学家测定了多个关键宇宙参数宇宙年龄约

138.2亿年哈勃常数约70km/s/Mpc•物质组成•普通物质

4.9%•暗物质

26.8%•暗能量

68.3%黑洞及其观测证据黑洞基本概念事件视界望远镜黑洞是时空中引力极强的区域，强到连光都无法逃脱事件视界望远镜（EHT）是一个由全球多个射电望远镜黑洞的主要特征是事件视界，一旦越过就无法返回黑组成的虚拟射电望远镜阵列，分辨率相当于能够在纽约洞可分为几类看清巴黎的报纸文字恒星级黑洞质量约为太阳质量的3-100倍，由大质量2019年成就发布人类历史上第一张黑洞照片，拍摄恒星死亡后形成对象是M87星系中心的超大质量黑洞中等质量黑洞质量约为太阳质量的100-10⁵倍，可能2022年进展发布银河系中心黑洞Sgr A*的照片存在于密集星团中科学意义直接验证了黑洞的存在，证实了爱因斯坦广超大质量黑洞质量为太阳质量的10⁶-10¹⁰倍，存在于义相对论在极端引力场下的准确性大多数星系中心原初黑洞假设在宇宙早期形成的小质量黑洞，目前尚无直接证据引力波探测引力波是时空的涟漪，由加速质量产生，由爱因斯坦在1916年预言，直到2015年才首次被探测到LIGO/Virgo探测器利用激光干涉仪探测极其微小的时空波动GW150914首次探测到的引力波信号，来自约13亿光年外的双黑洞合并GW170817首次探测到的中子星合并事件，同时观测到电磁对应体科学意义开创了引力波天文学，提供了研究黑洞和致密天体的新窗口暗物质、暗能量暗物质研究暗物质是一种只通过引力与普通物质相互作用的神秘物质，其存在证据包括星系旋转曲线1970年代，鲁宾等人发现星系外围恒星运动速度远高于预期，表明存在大量不可见物质星系团引力透镜如子弹星系团观测显示暗物质与普通物质分离宇宙微波背景温度波动模式表明宇宙中存在大量非重子物质大尺度结构形成计算机模拟表明没有暗物质就无法形成观测到的星系分布暗物质候选者包括•弱相互作用大质量粒子WIMPs•轴子Axions•原初黑洞Primordial blackholes目前多个地下实验室正在尝试直接探测暗物质粒子，如中国锦屏地下实验室、意大利大萨索国家实验室等暗能量之谜暗能量是导致宇宙加速膨胀的神秘能量形式，约占宇宙总能量的

68.3%其发现过程1998年超新星观测两个独立团队通过研究Ia型超新星发现，遥远超新星比预期更暗，表明宇宙膨胀正在加速WMAP和Planck卫星宇宙微波背景观测进一步证实了暗能量的存在重子声波振荡BAO大规模星系巡天中发现的声波化石也支持暗能量模型关于暗能量的理论包括宇宙学常数Λ爱因斯坦方程中的常数项，代表真空能量动态暗能量随时间变化的能量场，如精髓场quintessence修改引力理论如fR引力或暗质理论dark gravity现代前沿引力波天文学引力波产生机制引力波是时空的涟漪，由加速质量产生，以光速传播最强的引力波来源是致密天体的90+剧烈事件双黑洞并合两个黑洞互相绕转并最终合并，释放巨大能量，如GW150914事件中约3已探测引力波事件个太阳质量转化为引力波能量双中子星并合除产生引力波外，还会伴随电磁辐射，如GW170817事件同时观测到了伽马射线暴和光学余辉⁻10²¹黑洞-中子星并合混合系统并合过程，如GW200115事件超新星爆发非对称爆发可能产生可探测引力波LIGO灵敏度（应变）旋转中子星山或不对称形变可能产生连续引力波引力波信号具有特征性的啾啾chirp形式，频率和振幅随时间增加，反映了双星系统2015轨道收缩的过程首次探测年份LIGO/Virgo主要成果激光干涉引力波天文台LIGO和Virgo探测器已取得多项突破性成果•确认了超过90个引力波事件，大部分来自双黑洞合并•发现了存在质量缺口的黑洞，挑战恒星演化理论•通过GW170817事件，证实了重元素在中子星合并中的形成•测量了引力波传播速度等于光速，排除了某些修改引力理论•为黑洞物理提供了新测试，支持了无毛定理多信使天文学新纪元地外文明探索与Fermi悖论SETI项目历史与成果搜寻地外智能SETI是人类主动寻找银河系中其他智能文明的科学尝试，主要通过搜索人工无线电信号或光学信号OZMA计划1960弗兰克·德雷克使用Green Bank射电望远镜，针对两颗恒星进行首次现代SETI搜索NASA SETI计划1992-1993短暂运行后因预算问题被终止凤凰计划/艾伦望远镜阵列私人资助的大型SETI项目突破聆听计划2015至今由尤里·米尔纳资助的10年1亿美元项目，使用全球最大射电望远镜进行搜索，包括中国的FAST主要成果尽管发现过多个有趣信号，但至今没有确认的地外智能证据Fermi悖论及可能解释Fermi悖论是物理学家恩里科·费米提出的问题如果宇宙中存在众多先进文明，为何我们尚未见到他们？可能的解释包括稀有地球假说大过滤器假说具备复杂生命的行星极为罕见，地球可能是银河系中唯一拥有高级智能的行星文明发展中存在某种难以逾越的障碍，阻止了大多数文明发展到能进行星际旅行的阶段动物园假说先进文明知道我们的存在，但选择不干预，将地球视为一种自然保护区重大天文学发现（四大发现）脉冲星1967宇宙微波背景1965朱迪丝·贝尔和安东尼·休伊什使用剑桥射电望远镜发现了第一颗脉冲星，展现出极其规律的无线电脉冲阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊在贝尔实验室偶然发现了宇宙中弥漫的微波辐射脉冲星被确认为快速旋转的中子星，自转周期从毫秒到秒不等这一发现被解释为宇宙大爆炸的残余热辐射，是宇宙大爆炸理论的关键证据天文学上的诺贝尔奖天文学相关诺贝尔物理学奖虽然诺贝尔奖没有专门的天文学奖项，但多项天文学成就获得了物理学奖11974年黑洞与脉冲星获奖者安东尼·休伊什和马丁·赖尔成就休伊什因发现脉冲星，赖尔因在射电天文学和射电望远镜方面的开创性工作意义证实了中子星的存在，为黑洞理论提供了间接支持22006年宇宙微波背景与宇宙学获奖者约翰·马瑟和乔治·斯穆特成就发现宇宙微波背景辐射的黑体形式和微小温度涨落意义强有力支持了大爆炸理论，开创了精密宇宙学时代32011年宇宙加速膨胀获奖者索尔·珀尔马特、布莱恩·施密特和亚当·里斯中国天文学家与诺奖成就通过观测远方超新星发现宇宙膨胀正在加速虽然目前尚无中国天文学家获得诺贝尔奖，但中国科学家在多个领域取得了国际认可的成就意义导致暗能量概念的提出，彻底改变了宇宙学模型何泽慧因在宇宙射线研究中发现正电子而闻名，曾被提名诺贝尔物理学奖42017年引力波探测南仁东FAST望远镜的首席科学家和倡导者，该望远镜已成为全球最灵敏的射电望远镜获奖者基普·索恩、雷纳·韦斯和巴里·巴里什叶叔华在太阳物理和天文光学领域做出重要贡献成就LIGO探测器的概念设计和建造，以及首次引力波探测中国天文学快速发展，未来获奖前景意义开创了引力波天文学，提供了研究黑洞和中子星的新窗口•FAST望远镜在脉冲星、快速射电暴等领域的重大发现•中国引力波探测计划（天琴计划）有望取得突破性成果近年中国天文学重大进展FAST射电望远镜天宫空间站天文实验500米口径球面射电望远镜（天眼），世界最大单中国空间站搭载多项天文实验设备，建立了长期在口径射电望远镜，2020年正式投入使用轨科学实验平台技术突破主动反射面技术、轻型馈源舱悬挂系统巡天望远镜宽视场多波段时域巡天全天X射线调制望远镜研究黑洞、中子星等高能灵敏度比第二大射电望远镜高

2.5-3倍天体科学目标脉冲星搜寻、星际分子、快速射电暴、太阳爆发探测器监测太阳活动SETI等暗物质粒子探测器寻找暗物质粒子证据重大成果已发现超过660颗新脉冲星，多例快速射电暴天眼新发现FAST在投入使用后短时间内取得了多项重要科学成果快速射电暴FRB发现多个重复型FRB，对其周期性和偏振特性进行了详细研究毫秒脉冲星发现数十颗毫秒脉冲星，可用于引力波探测磁星发现并研究了多个磁星，包括奇异射电爆发现象星际分子探测到多种复杂有机分子，为研究生命起源提供线索中国天文学在近年来取得了跨越式发展，不仅建成了一批国际一流的地面和空间观测设施，还在多个研究领域取得了突破性成果除上述成就外，中国还成功实施了多项天文卫星任务，如慧眼硬X射线调制望远镜卫星、量子科学实验卫星等中国天文学家积极参与国际合作，在事件视界望远镜、平方公里阵列等国际大科学计划中发挥重要作用这些进展使中国天文学在国际舞台上的影响力显著提升未来大型天文设施JWST詹姆斯·韦伯太空望远镜NASA、ESA和CSA合作的下一代太空望远镜，2021年12月成功发射主镜

6.5米直径，由18个六边形镜片组成波段主要观测红外波段，能够看到哈勃望远镜看不到的宇宙早期位置位于日-地L2点，距地球约150万公里科学目标第一代星系和恒星、系外行星大气、星系演化等三镜恒星巡天（LSST）正在智利建设的

8.4米大型综合巡天望远镜，预计2024年投入使用独特设计

8.4米主镜与

3.4米副镜和5米三镜相机32亿像素数字相机，单次曝光覆盖

9.6平方度天区巡天效率每3晚可完成全天区成像，每点10年内约1000次观测数据量每晚约20TB数据，10年产生500PB数据库科学目标近地天体、太阳系外层、银河系结构、瞬变天体、暗能量研究等SKA平方公里阵列SKA是正在建设中的世界最大射电望远镜阵列，由南非和澳大利亚两个核心站点组成规模最终将部署数千天线，总接收面积约1平方公里地面与空间观测手段光学望远镜射电望远镜空间天文台收集可见光波段的辐射，是最传统和常见的天文望远镜类型探测无线电波段辐射，可观测隐藏在尘埃和气体中的天体轨道上的望远镜可观测地面无法接收的波段，如X射线、伽马射线和远紫外线地面大型设施甚大望远镜VLT、凯克望远镜、昊天望远镜单天线设施FAST、阿雷西博退役、帕克斯X射线设施钱德拉、XMM-牛顿、慧眼空间设施哈勃太空望远镜、詹姆斯·韦伯太空望远镜干涉阵列ALMA、VLA、VLBI全球网络伽马射线设施费米伽马射线空间望远镜优势高分辨率成像，精确光谱分析优势可全天候观测，穿透尘埃，超高角分辨率多波段斯威夫特、TESS挑战地面观测受大气影响，需要自适应光学技术挑战射电干扰日益严重，需要电波宁静区优势无大气干扰，全波段观测能力挑战成本高，维护困难，寿命有限天文台选址原则中国重要天文台天文台的选址对观测质量至关重要，主要考虑因素包括中国在全国各地建立了多个专业天文台晴夜数量全年可观测夜晚的比例紫金山天文台成立于1934年，中国最早的现代天文研究机构大气透明度影响光线穿透效率国家天文台中科院直属研究机构，管理多个观测站大气稳定性（视宁度）影响图像清晰度兴隆观测站

2.16米光学望远镜，中国第一台现代化大型望远镜光污染人工光源对夜空背景的影响青海观测站拥有

2.4米望远镜，优越的高原观测条件海拔高度高海拔减少大气吸收西藏阿里观测站海拔5100米，世界最高的光学天文台之一基础设施可达性电力、交通、通信等明安图空间天文台东北长白山区，专注于空间碎片监测上海天文台65米天马射电望远镜，参与国际VLBI网络理想的光学天文台通常位于高海拔、干燥、远离城市的地区，如智利的阿塔卡马沙漠、夏威夷的莫纳克亚山、中国的青海德令哈等天体光谱学与元素起源光谱分析基础光谱学是研究物质与电磁辐射相互作用的科学，在天文学中扮演着关键角色吸收线光谱当光通过较冷气体时，特定波长的光被吸收，形成暗线恒星大气中的元素会产生特征吸收线例如太阳光谱中的夫琅和费吸收线发射线光谱激发态的原子或分子释放能量时发出特定波长的光星云、活动星系核等发射线源例如氢原子发射的巴尔末系列、莱曼系列谱线通过分析光谱，天文学家可以确定•天体的化学成分和元素丰度•表面温度和压力•旋转速度和磁场强度元素起源与核合成•运动速度（通过多普勒效应）•引力强度（通过引力红移）宇宙中的化学元素通过不同的核合成过程产生大爆炸核合成宇宙诞生后数分钟内形成的氢、氦和微量锂恒星核合成恒星内部通过核聚变形成碳到铁的元素超新星核合成大质量恒星爆发产生铁以上的重元素中子星合并快速中子捕获产生金、铂等最重元素我们身体中的元素来源•氢主要来自大爆炸•碳、氧、氮恒星内部核聚变•钙、铁超新星爆发•金、铂、铀中子星合并事件计算机与人工智能在天文中的应用天文大数据处理AI天文发现案例现代天文观测产生的数据量呈爆炸性增长，远超人工处理能力人工智能已在多个天文领域取得突破性成果ZTF ZwickyTransient Facility每晚产生约1TB数据，检测约100万Kepler-90行星系统谷歌AI从开普勒数据中发现了第八颗行星，使该个源系统成为已知行星数量最多的系外行星系统之一盖亚卫星已发布超过10亿颗恒星的精确位置和运动数据引力透镜识别深度学习算法在SDSS数据中识别出人类可能遗漏的引LSST建成后每晚将产生约20TB数据，10年累计约500PB力透镜系统SKA预计每秒产生的数据量将达到当前全球互联网流量的数倍快速射电暴分类机器学习算法对FAST探测到的快速射电暴进行实时分类处理这些数据需要先进的计算技术分布式计算、云计算、GPU加速等超新星早期发现AI系统可以比传统方法更早识别出潜在的超新星爆发未来自动化趋势天文学正走向更高度的自动化和智能化自适应观测策略望远镜根据实时数据自主决定观测目标和策略机器学习处理管道从原始数据到科学结果的全自动处理流程虚拟天文台整合全球天文数据的统一访问框架公民科学与AI协作人类专家与AI系统协同工作，如Galaxy Zoo项目自动理论生成AI系统自动提出解释观测现象的理论模型计算机和人工智能技术正彻底改变天文学研究方式随着数据量继续增长，天文学家越来越依赖自动化工具和算法来发现和分析天体现象这种转变不仅提高了研究效率，还能发现人类可能忽略的微弱信号和复杂模式，扩展了我们的宇宙认知边界未来，天文学家的角色可能更多地转向设计算法、解释结果和提出新问题，而日常数据处理和初步分析则由AI系统完成天文观测与公开数据资源主要天文数据库现代天文学高度依赖大型数据库和档案，这些资源使研究者能够访问来自多个观测设施的数据1Simbad由法国斯特拉斯堡天文数据中心维护的天体数据库包含超过1300万个天体对象的标识和基本数据提供天体的交叉识别、参考文献和基本参数2NASA/IPAC系外星系数据库NED天文图像与数据可视化工具专注于星系和类星体的综合数据库专业的天文软件工具帮助研究者分析和呈现复杂的天文数据包含超过25万个目录和

2.6亿个天体IRAF天文图像处理系统，用于光学图像处理提供多波段数据、红移和距离信息DS9多功能天文图像查看器，支持多种文件格式TOPCAT表格数据处理工具，适合大型星表分析3Aladin交互式天空图集，可叠加多个数据源Astropy Python天文学库，提供数据处理和分析功能VizieRCASA射电天文数据处理套件天文目录和表格的在线库WorldWide Telescope微软开发的宇宙可视化平台收集了数千份已发表的天文目录允许多标准查询和交叉匹配4NASA天体物理数据系统ADS天文和天体物理学文献的数字图书馆收录超过1500万篇论文，可全文搜索提供引文跟踪和研究影响分析面向学生的资源推荐课后练习与研究探索典型天体坐标测定题北京时间与世界时换算实作练习示例已知天体的赤经α=5h34m32s，赤纬δ=+22°0052，观测地点北京（北纬39°56，东经116°20），观测时间为北京时间2023年10月15日练习示例2023年12月21日冬至日，北京时间12:00，求20:30求

1.对应的世界时UT

1.该时刻的恒星时

2.儒略日数值

2.天体的时角

3.修正儒略日

3.天体在天空中的高度角和方位角解题步骤解题思路•北京时间转世界时UT=北京时间-8小时•计算格林尼治恒星时GMST=

6.697374558+

0.06570982441908×D+

1.00273790935×H+

0.000026×T²•儒略日计算JD=367K-INT7K+INTM+9/12/4+INT275M/9+D+

1721013.5+UT/24•计算本地恒星时LST=GMST+经度/15•修正儒略日MJD=JD-

2400000.5•计算时角HA=LST-RA•计算高度角sinalt=sinδsinφ+cosδcosφcosHA•计算方位角sinA=-cosδsinHA/cosalt小型观测项目设计举例月相变化观测变星光变曲线测量流星雨统计项目目标记录一个月内月相变化，计算月球运行周期项目目标观测特定变星亮度变化，绘制光变曲线项目目标观测特定流星雨，记录流星数量和亮度所需设备相机或智能手机，三脚架所需设备小型望远镜，CCD相机所需设备广角相机，录像设备数据分析测量月球视直径变化，估算地月距离变化数据分析傅里叶分析确定变星周期，分类变星类型数据分析计算ZHR天顶流量，与历史数据比较天文学的未来与职业发展全球天文学家统计根据国际天文学联合会IAU统计，全球专业天文学家数量相对较少•IAU正式会员约13,500人（截至2023年）•包括大学教师、研究员、博士后和博士生•美国拥有最多天文学家，约3,150人•中国IAU会员近800人，增长迅速•女性天文学家占比约21%，比例逐年提高与物理学、工程学等领域相比，天文学是一个相对小众但高度专业化的学科由于研究对象遥远且难以直接干预，天文学更接近基础科学而非应用科学，这也决定了其独特的职业生态13,500800+全球专业天文学家中国天文学家21%女性天文学家比例中国天文学相关专业中国目前有多所高校和研究机构提供天文学专业教育本科阶段北京大学、南京大学、中山大学等十余所高校研究生阶段中国科学院国家天文台、紫金山天文台、上海天文台等研究所核心课程天体物理学、天体测量学、射电天文学、天文仪器学等培养特色理论与观测并重，注重计算机和数据分析能力天文学就业方向学术研究航天航空大学教师、研究所研究员卫星导航系统工程师博士后研究员空间科学数据分析师总结与思考仰望星空，逐梦科学宇宙激发探索精神与创新天文学在认识自我与世界中的作用浩瀚宇宙是人类想象力和好奇心的终极疆界从古至今，人类对星空的仰望激发了科学、哲学、艺术和文学的灵感通过探索宇宙，人类发现了自己天文学研究不仅扩展了我们对物质世界的理解，也促进了技术创新——卡尔·萨根•卫星定位导航技术源于天文测量原理天文学研究带给我们的不仅是科学知识，还有更深层次的哲学思考•医疗成像技术借鉴了射电天文学的数据处理方法•先进材料和光学技术在天文仪器研发中得到推动•我们来自何处？宇宙如何形成？•大数据和人工智能在天文研究中得到广泛应用并反哺其他领域•生命在宇宙中是否普遍存在？•宇宙的终极命运是什么？天文学的进步往往伴随着人类思维方式的重大转变从地心说到日心说，从有限宇宙到膨胀宇宙，每一次认知革命都重塑了人类对自身在宇宙中位置的理解•人类在广袤宇宙中的位置和意义是什么？这些问题不仅是科学问题，也是人文问题，它们连接着人类最基本的存在焦虑和探索渴望天文学的独特魅力在于它能够将最深刻的哲学思考与最严谨的科学方法结合起来鼓励科学探索与终身学习作为天文学学习者，我们应该保持好奇心和批判性思维跨学科学习与合作分享科学知识与激情不断提问，不盲从权威，用证据和逻辑思考宇宙中的各种现代天文学需要物理、数学、计算机科学等多学科知识，将天文知识传递给更多人，激发公众特别是青少年对科学现象开放的学习态度至关重要的兴趣，共同推动社会科学素养的提升天文学是人类集体智慧的结晶，也是未来探索的无尽前沿无论是作为专业研究者还是业余爱好者，我们都可以从仰望星空中获得灵感、知识和心灵的宁静正如爱因斯坦所说最美丽的事物是我们用理性所能体验到的宇宙的神秘性它是所有真正艺术和科学的源泉让我们怀着敬畏之心继续探索宇宙的奥秘，在这个伟大的科学冒险中找到自己的位置。