天文学导论总结

天文学导论复习提纲20XX版

为了练习打字而对黑心英语书店的上古资料的重新排版，正在进行中。

注意⚠️：仅仅是重排版，未校对内容正确性！将来有时间可能会挨个检查。

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一、概念

1. 亮度$E$（流量、照度）：观测者所在位置，单位时间、单位面积接收到的天体辐射的能量，一般用$E$表示。

2. 光度$L$：单位时间内天体辐射的总能量，一般用$L$表示。

3. 视星等$m$：描述人眼看到的天体的视亮度。古希腊的喜帕恰斯把人眼能看到的所有天体根据亮度分为6等，其中最亮的为一等星，最暗的为六等星。后来人们拓展了星等的范围，并且发现星等每相差5等，亮度就差100倍（因此星等差1，亮度差2.512倍）。视星等对应于亮度，不能反映天体的实际发光本领。

4. 绝对星等$M$：假设把天体放置在距离地球$10pc$处时，看到的视星等定义为天体的绝对星等。绝对星等对应于光度，反映了天体的实际发光本领。

5. ==岁差：由于地球自转轴的空间指向和黄道面的长期变化而引起的春分点移动的现象。==

6. 平太阳时：假想的平太阳沿着天赤道均匀运动，连续两次上中天的时间间隔定义为一个平太阳日。平太阳日是一年之中真太阳日的平均长度。

7. 世界时：取Greenwich平太阳时为世界时（UT）。

8. 恒星时：由天球上春分点的周日视运动所确定的时间。春分点连续两次上中天的时间间隔定义为一个恒星日，一个恒星日均匀地划分为86400恒星秒。一个恒星日比一个世界日少3m56s（UT），也就是说，86400 Sidereal s=86164 UT s。

9. 天文单位（$AU$）：把地球到太阳的平均距离定义为一个天文单位。$1AU\approx1.496$亿千米。一般用于表示太阳系内天体之间的距离。

   ==⇩==

10. 视差：地球、太阳、遥远天体构成一个直角三角形，其中地球和遥远天体的连线为斜边，定义地球和太阳连线所对的那个角的大小为天体的视差。

    

11. 秒差距（pc）：天体距离我们的距离越远，视差越小。把视差的大小为一个角秒时天体到我们的距离定义为一个秒差距。解三角形容易证明$1pc\approx3.26ly\approx206264.8AU$。

12. 大气窗口：电磁波通过大气层时较少被反射、吸收、散射的那些透射率较高的波段被称为大气窗口。通常也把太阳光透过大气层时透过率较高的光谱段称为大气窗口。大气窗口的光谱段主要有：微波波段（$300-1GHz/0.8-2.5cm$），热红外波段（$8-14\mu m$），中红外波段（$3.5-5.5\mu m$），近紫外，可见光和近红外波段（$0.3-1.3\mu m，1.5-1.8\mu m$）。

13. Fraunhofer线：太阳光谱中的吸收线。1814年德国物理学家J.夫琅和费利用自制的光谱装置观察太阳光时，在明亮的彩色背景上观察到576条狭细的暗线。其中最明显的8条用A到H字母标记。这些暗线被称为夫琅和费谱线。实际上约有30000多条。这些谱线是处于温度较低的太阳大气中的原子对更加炽热的内核发射的连续光谱进行选择吸收的结果。

14. pp链：质子-质子链反应是恒星内部将氢融合成氦的几种核融合反应的一种，另一种主要是碳氮氧循环。pp链反应在太阳或者更小的横恒星上占有主导的地位。pp链是太阳和这些恒星燃烧产生能量来源的理论。质子可以经由波函数的隧道，穿过排斥障碍而在比传统预测更低的温度下进行融合反应。

15. CNO循环：碳氮氧循环，有时也称作贝斯-魏茨泽克循环，是恒星将氢转化成氦的另一种过程。

16. 3-alpha过程：

17. 极光：

18. 行星：满足以下三个条件的天体称为行星：围绕恒星绕转；自身引力足以克服其刚体力而使天体呈球形；能够清空轨道附近的其他天体。

19. 矮行星：只满足前两条而不满足最后一条的称为矮行星，例如冥王星。

20. 微引力透镜：发生在恒星级天体中的引力透镜现象。与发生在星系尺度上的引力透镜现象相比，微引力透镜的源天体质量很小，光的偏转要小得多，通常情况下难以直接观测到微引力透镜所成的像，而只能观测到光度在瞬间增强的现象。银河系内存在相当数量的恒星级黑洞、褐矮星、红矮星、白矮星、行星等较暗弱的天体，它们造成的微引力透镜现象能够在短时间内令背景光发生畸变。因此微引力透镜效应为研究这些天体提供了非常重要的手段。

21. 色差：又称作色像差，是透镜成像的一个严重缺陷，色差简单来说就是颜色的差别，发生在多色光为光源的情况下，单色光不产生色差。可见光的波长范围大约$400-700nm$，不同波长的光，颜色各不相同。在通过透镜时的折射率也不同。这样物方一个点，在像方则可能形成一个色斑。色差一般有位置色差，放大率色差。位置色差使像在任何位置观察，都带有色斑或者晕环，使得像模糊不清；而放大率色差使像带有彩色边缘。光学系统最主要的功能就是消色差。

    色差是指光学上透镜无法将各种波长的色光都聚焦在同一点上的现象。它的产生是因为透镜对不同波长的色光有不同的折射率（色散现象）。对于波长较长的色光，透镜的折射率较低。在成像上，色差表现为高光区与低光区交界上呈现出带有颜色的“边缘”，这是由于透镜的焦距与折射率有关，从而光谱上的每一种颜色无法聚焦在光轴上的同一点。色差可以是纵向的，由于不同波长的色光的焦距各不相同，从而它们各自聚焦在距离透镜远近不同的点上；色差也可以是横向或平行排列的，由于透镜的放大倍数也与折射率有关，此时它们会各自聚焦在焦平面上不同的位置。

22. 消色差双合透镜：由两种不同材质的透镜组合而成，消色差透镜的用途是把两种不同颜色的光聚焦到同一点，或者称为修正色像差。

    普通消色差透镜是指将三种波长（蓝光、绿光和红光）的光线的色差进行校正的透镜组。色差是源于不同波长的光线在玻璃里面的色散和折射系数的差异，从而导致不同波长的光线有不同的焦点。利用不同材料的搭配，例如冕牌和火石玻璃在汇聚透镜和发散透镜中的搭配，每种玻璃的色散可以被另一种玻璃所补偿，从而使得综合色差降至最低。两片式消色差透镜是消色差透镜中结构最简单的一种，它分为两种类型：双胶合与双分离型。

23. 衍射极限（Airy斑）：一个理想的点光源经过光学系统成像，由于衍射的限制，不可能得到理想的像点，而是得到一个弗朗禾费衍射像。因为一般光学系统的口径都是圆形，弗朗禾费衍射像就是所谓的艾里斑。这样每个物点的像就是一个弥散斑，两个弥散斑靠近后就不好区分，这样就限制了系统的分辨率，这个斑越大，分辨率就越低。这个像是物理光学的限制，是光的衍射造成的。

    衍射极限公式是
    $$
    \sin\theta = 1.22\lambda/D
    $$
    其中$\theta$是角分辨率，$\lambda$是波长，$D$是光圈直径。当$\theta$很小时，$\sin\theta\approx\tan\theta\approx d/f$，其中$d$是最小分辨尺寸，$f$是焦距，推导出
    $$
    \begin{eqnarray}
    \frac{d}{f} &=& \frac{1.22\lambda}{D} \
    A &\equiv& \frac{d}{1.22\lambda}=\frac{f}{D}
    \end{eqnarray}
    $$
    $A$是光圈的$f/D$值。当$d$等于成像元件像素点尺寸$p$时，$A$就是衍射极限光圈。

24. 常见的望远镜类型及光路构造：

    • 折射式：伽利略望远镜、开普勒望远镜。
    • 反射式：经典牛顿式望远镜、卡塞格林式望远镜。
    • 折反式：施密特卡塞格林式望远镜、马克苏托夫卡塞格林式望远镜。

25. 望远镜的基本参数：

    • 放大率
    • 视场
    • 焦比
    • 极限星等

26. 主动光学：为了消除望远镜的光学系统及支架受重力和温度等因素影响引起的变形而拆用的一种波面校正技术。

27. 自适应光学：由大气引起的波面误差可以由一个可变形的镜面进行实时校正的光学技术。

28. 综合孔径技术：将若干天线或者镜面按照一定的形式排列成阵，以得到大接收面积和高分辨率的成像技术。地面上一条固定基线的相关干涉仪能够观测到天体亮度分布的一个傅里叶分量，改变基线的空间指向或者基线的长度，可以得到一系列天体亮度分布的傅里叶分量，综合这些观测结果，作傅里叶反变换就可以获得天体的亮度分布，即天体的射电图像。

    利用地球自转去改变固定基线在空间的指向来实现综合的要求，称为地球自转综合。既改变基线长度或指向又结合地球自转效应来实现综合称为超综合。综合孔径射电望远镜的空间分辨率取决于观测中所用的最长基线。它探测微弱天体能力的指标（即灵敏度）则取决于各个天线的总接收面积。

29. 宇宙线：来自宇宙中的具有相当大能量的带电粒子流。

30. 引力波：与流体力学中性质迥异的一种波动。Einstein认为万有引力的本质是一种与电磁波类似的波动，称为引力波。引力波是时空曲率的扰动以行进的波的形式向外传递。

31. 激光干涉引力波天文台（LIGO）：于美国路易斯安那州的列文斯顿和华盛顿州的汉福德建造的两个引力波探测器。探测器采用迈克尔逊干涉仪和法布里-珀罗干涉仪的原理。设计目标是探测密近双星、超新星爆发、致密星并合、宇宙弦等天体物理过程中产生的引力波。于1999年11月建成，耗资3.65亿美元。

32. 激光干涉空间天线（Laser Interfermoter Space Antenna，LISA）：是一个由美国国家航空航天局（NASA）和欧洲空间局（ESA）合作的引力波探测计划，计划建造一个空间引力波天文台。LISA将利用激光干涉的方法精确测量信号的相位，从而对于来自宇宙间遥远的引力波源的低频且微弱的引力波进行探测。

33. 色指数：天文学中利用颜色来显示恒星表面温度的一个标量。要测量出这个量，观测者需要使用两种不同的滤镜，例如U和B或者B和V，依次序测出目标天体的光度。这是一套很常用的通带或滤镜测光系统，U是对紫外线灵敏的滤镜，B是对蓝光灵敏的滤镜，V是对黄绿色的可见光灵敏的滤镜。使用不同滤镜测得的光度差分别称为U-B或B-V的色指数。色指数的数值越小，恒星的颜色越接近蓝色（温度越高）；反之颜色越红（温度越低）。

34. 赫罗图：由丹麦天文学家赫茨普龙和美国天文学家罗素分别于1911年和1913年各自独立提出的。后来的研究发现，这张图是研究恒星演化的重要工具。赫罗图是恒星的光谱类型和光度之间的关系图。赫罗图的纵轴是光度或者绝对星等；而横轴则是光谱类型或者恒星的表面温度，从左向右递减。恒星的光谱型通常可以大致分为O、B、A、F、G、K、M七种。

35. 主序带和主序星：主序带是赫罗图上一条恒星大量分布的窄带。主序带上的恒星称为主序星。

36. 宇宙距离阶梯：是天文学中决定天体距离的一系列方法。要对一个天体进行真正“直接”的距离测量，只有在天体与地球之间足够接近的情况下才能做到（距离$1000pc$）。

37. 造父变星及其周光关系：造父变星是一种周期性脉动的变星，它的光变周期与绝对星等的变化具有确定的关系，即周光关系。仙王座$\delta$是这类变星中第一颗被证认出的，由于它的中文名是造父一，因此这类变星得名“造父变星”。造父变星利用周光关系可以测量恒星和星系的距离。

    • 长周期造父变星：又称为经典造父变星，属于星族I，是年轻的恒星，其绝对星等$M$与光变周期$P$的关系为
      $$
      M = -1.43+2.81\log10P
      $$

    • 短周期造父变星：又称为室女W型变星，属于星族II，是年老的恒星，光变周期短于一天，其绝对星等$M$与光变周期$P$的关系为
      $$
      M = -0.35+1.75\log10P
      $$

38. 白矮星：是小质量恒星演化末期的产物，由电子简并物质构成的小恒星。它们的密度极高，一颗质量与太阳相当的白矮星体积只有地球一般的大小，微弱的光度则来自于过去储存的热能。我们所属的星系内$97%$的恒星最终都会变成白矮星。

39. 中子星：是恒星演化到末期，经由引力塌缩发生超新星爆发之后，可能成为的少数终点之一。一颗典型的中子星质量介于1.35-2.1倍太阳质量，半径则在$10-20km$（质量越大半径收缩得越小），也就是太阳半径的20000-70000分之一。因此，中子星的密度在$8\times10^{13}-2\times10^{15}g/cm^{3}$，此密度大约是原子核的密度。

40. 黑洞视界：也称为事件视界，是一种时空的曲隔界线，指的是在事件视界以外的观测者无法利用任何物理方法获得事件视界以内的任何事件的资讯，或者受到事件视界以内事件的影响。因为即使速度快如光也无法逃脱事件视界的范围，因此又了“视界”的译词，作为外界观测者可以看见范围的界限。从这点，事件视界所包住的时空对外界的观测者而言看起来是黑的，而出现了“黑洞“这名称。在事件视界以内的事件将不能被观察，因为黑洞的引力场在此界限后将大的连光子都逃不出来。

41. 洛希瓣（Roche Lobes）：

42. 核塌缩超新星：是年老的极超巨星在临终前的爆发。这种超新星的威力比起一般的超新星要大得多，剩下的核心会直接塌缩为黑洞，在黑洞自转的两极会以光速发射出高能量的等离子体，充斥着伽马射线。

43. Ia型超新星：白矮星吸积伴星物质爆炸产生。白矮星由电子简并压抵抗引力，它的质量上限为1.44倍太阳质量的钱德拉塞卡极限，超过这个质量，电子简并压不再能够抵抗引力，白矮星将会塌缩。如果一颗白矮星能够由伴星获得质量而逐渐增长，在它接近极限之际，它的核心温度将会达到碳融合所需要的温度。如果白矮星与另一颗恒星合并，它将立刻因为超过极限而开始塌缩，因此再度提高温度至超越核融合所需要的燃点。在核融合开始的几秒钟之内，白矮星内极大比例的质量就会发生热失控的反应，释放出大量能量，成为一颗超新星。

    这类超新星由于通过质量累积的机制，只有在达到一定的质量时才能爆发，因此导致最大光度的一致性。因为超新星的视星等随着距离而改变，稳定的最大光度使得它们的爆发可以用来测量宿主星系的距离。

44. SN1987A：1987年2月24日在大麦哲伦云内发现的一次超新星爆发，是自1604年开普勒超新星（SN1604）以来观测到的最明亮的超新星爆发，肉眼可见，位于蜘蛛星云的外围，距离地球大约$51400pc$。由于这是在1987年发现的第一颗超新星，因此被命名为“1987A”。SN1987A爆发的光线于1987年2月23日到达地球，亮度于5月达到顶峰，视星等达到3等，之后渐渐转暗。

45. 脉冲星：中子星的一种，会周期性地发射脉冲信号的形体。脉冲星是快速旋转的中子星。中子星具有强磁场，运动的带电粒子会发出同步辐射，形成与中子星一起转动的射电波束。由于中子星的自转轴和磁轴一般并不重合，每当射电波束扫过地球时，就会接收到一个脉冲。脉冲星靠消耗自转能而弥补辐射出去的能量，因而自转会逐渐放慢。但是这种变慢非常缓慢，以至于信号周期的精确度能够超过原子钟。而从脉冲星的周期就可以推测出其年龄的大小，周期越短的脉冲星越年轻。

46. 磁星：中子星的一种，它们拥有极强的磁场，通过其产生的衰变，使之能够源源不断地释放出高能量的电磁辐射，以X射线和伽马射线为主。

47. 伽马射线暴（GRB）：伽马射线暴是来自天空中某一方向的伽马射线强度在短时间内突然增强，随后又迅速减弱的现象，持续时间在0.1-1000秒，辐射主要集中在$0.1-100MeV$的能段。

48. 疏散星团：由数百颗至数千颗由较弱引力联系的恒星所组成的天体，直径一般不超过数十光年。疏散星团中的恒星密度不一，但与球状星团中的恒星高度密集相比，疏散星团中的恒星密度要低很多。疏散星团只见于恒星活跃形成的区域，包括旋涡星系的悬臂和不规则星系。疏散星团一般来说都很年轻，只有数百万年的历史，比地球上的不少岩石还要年轻。对于观测恒星的演化而言，疏散星团是不可多得的天体。这是因为同一个疏散星团中的成员不论年龄还是化学组成都十分接近，易于观测星团成员中的些微差异。

49. 球状星团：球状星团是外观呈球形，在轨道上绕着星系核心运行，很像卫星的恒星集团。球状星团因为被重力紧紧束缚，使得恒星高度地向中心集中因此外观呈现球形。被发现的球状星团多位于星系的星系晕中，远比在星系盘中发现的疏散星团拥有更多的恒星。

50. 发射星云：能发射出各种不同色光的游离气体云（即等离子体），造成游离的原因通常是来自临近恒星辐射出的高能量光子。这些不同的发射星云有些类型是HII区，也就是年轻恒星诞生的场所，大质量恒星的光子是造成游离的来源；而行星状星云是垂死的恒星抛射出来的外壳被暴露的高热核心加热而被游离的。

51. 中性氢区（HII区）和射电21厘米谱线：中性氢区是一种由中性氢原子组成的星际云。这些区域并不明亮，但是会辐射出21厘米（$1420MHz$）的谱线（氢原子在它的基态，有两个超精细结构子能级。星际物质中处于基态的中性氢原子的碰撞结果，在这两个子能级间引起跃迁，便形成21厘米谱线的辐射。实验室测的它的频率为$1420.406MHz$，这是射电天文观测到的第一条谱线，也是最重要的谱线之一。它是研究星际中性氢原子分布、银河系和河外星系结构的重要手段）。这条谱线的发生几率很低，所以必须要有很大量的氢原子存在才能看见这条谱线。当有游离区域在前方时，HI区会与扩张的游离气体（比如电离氢区）碰撞，只要被游离的区域达到HI区的$10^{-4}$（也就是一万个里面有一个），发出的光就会比21厘米线更为明亮。

52. 旋涡星系：旋涡星系是由大量的气体、尘埃和恒星组成的，有旋臂结构的扁平状星系，有下列结构特征：

    • 有相当大的总角动量；
    • 中心有核球的结构，被周围的星系盘环绕着。
    • 旋涡星系的核球类似于椭圆星系，有许多老年的属于第二星族的恒星，并且通常会有大质量黑洞隐藏在中心。星系盘是扁平的，伴随着星际物质、年轻的第一星族恒星、疏散星团，共同绕着核球旋转。

    旋涡星系的名称来自由核球向外成对数螺线在星系盘内延伸，并有恒星形成的明亮螺旋臂。螺旋臂相对的可以区分出有星系盘结构却没有螺旋臂结构的透镜星系的。旋涡星系的星系盘外通常会有球形的星系晕，其中主要是年老的第二星族恒星，也有许多被聚集在环绕着星系核的球状星团内。

53. 椭圆星系：椭圆星系是哈勃星系分类中的一种类型，具有下列的物理特征：

    • 恒星的运动是以不规则的运动为主，不同于旋涡星系的以自转运动为主，只有少许的不规则运动；
    • 只有少许的星际物质、年轻的恒星很少、疏散星团的数量也不多；
    • 恒星多是年老的、第二星族的恒星；
    • 较大的椭圆星系，都有以老年恒星为主的球状星团；
    • 椭圆星系通常呈黄色或红色，质量和尺度有很大的范围：小的只有一万秒差距，大的超过十万秒差距，质量从$10^{7}$到接近$10^{13}$倍太阳质量。

54. 活动星系核（AGN）：活动星系核是一类中央核区活动很强的河外星系。这些星系显得比普通星系活跃，从射电波段到伽马射线的全波段里都发出很强的电磁辐射，光度大约在$10^{36}-10^{41}J/s$之间，人们将它们称为活动星系。活动星系核是这些星系明亮的核心部分，尺度通常在一光年上下，只占据了整个活动星系的一小部分。但由于其光度大大超过宿主星系，因此活动星系核通常也指整个活动星系。1960年代类星体发现以来，又相继发现了许多具有类似特征的天体，都是河外星系，统称为活动星系核。特征如下：

    • 光谱具有很高的红移，表明距离远在宇宙学尺度上，同时光度很高，远远高于普通的星系；
    • 具有快速的光变，光变时标从数小时到数日不等，显示其尺度只占整个星系的很小一部分；
    • 光谱中具有非常宽的发射线；
    • 具有非热辐射谱；
    • 具有光学或射电的喷流现象。

55. 类星体：类星体是迄今为止人类所观测到的最遥远的天体，绝大多数类星体都具有非常大的红移（大部分至少100亿光年）以及高光度和强射电的性质。观测发现，类星体远远小于星系的尺度；但是计算表明，类星体的辐射功率远远超过了普通星系，有的竟然达到银河系辐射总功率的数万倍，而它们的大小又远比星系小，这就提出了能量疑难，也就是说：类星体如此巨大的能量从何而来？它们的能量机制是什么？据推测，在100亿年前，类星体比现在数量更多，光度更大。

56. 1960年代天文学四大发现：脉冲星、类星体、宇宙微波背景辐射、星际有机分子。

57. 视超光速：垂直于视线方向的速率超过光速。如下图所示，$v=\beta c$ 是喷流实际运动速率，而观测到的是垂直于视线方向的速率。这种超光速现象仅仅是由于喷流方向和观测者视线方向的夹角很小，且速度接近光速产生的相对论效应抵消了大部分红移，使得我们产生了超光速的错觉。
    $$
    (V_{垂直}){app} = \frac{\Delta x{垂直}}{\Delta t_{obs}} = \frac{\beta c\sin\theta}{1-\beta\cos\theta}
    $$

    

58. 活动星系核的统一模型：活动星系核的统一模型试图将两种或两种以上的活动星系核用一个模型进行描述，不同类型的活动星系核只是由于观测视角的不同。射电弱活动星系核和射电噪活动星系核分别具有各自统一的模型：射电弱统一模型和射电噪统一模型。

    射电弱统一模型认为塞弗特I型星系是直接观察到的光度较低的活动星系核本身，塞弗特II型星系则是由于视线方向上受到了环绕在吸积盘周围的遮蔽环的阻挡。如果活动星系核的光度较高的，直接观测到的就不是塞弗特I型星系而是类星体。

    射电噪统一模型主要关注于高光度的射电噪类星体，它们能够与窄发射线射电星系用类似射电弱统一模型的方式统一在一起，即射电星系被遮蔽环遮挡住了视线，而类星体没有。如果视线方向与喷流夹角非常小，则会观察到蝎虎座BL型类星体（blazar）。

59. 宇宙学红移：由于宇宙在膨胀，使得遥远天体发出的光波被拉长，谱线因此变红，称为宇宙学红移（由此可以得到哈勃定律）。
    $$
    |\frac{\Delta f}{f}| = |\frac{\Delta\lambda}{\lambda}| = |\frac{v}{c}| = |z|
    $$

60. Hubble定律：河外星系的视向退行速度与距离成正比，即距离越远，视向退行速度越大，比例常数称为哈勃常数，大约是$70km/s/Mpc$。
    $$
    v = H\times D
    $$
    其中$v$是星系的退行速度，单位$km/s$；$D$是相对距离，单位$Mpc$；$H$是哈勃常数。这个速度——距离关系在1929年由哈勃发现，称为哈勃定律。在宇宙学研究中，哈勃定律成为支持宇宙大爆炸理论的一个重要证据以及宇宙膨胀理论的基础。但哈勃定律中的速度和距离均是间接观测得到的量。速度——距离关系和速度——视星等关系，是建立在观测红移——视星等关系及一些理论假设前提上的。哈勃定律原来由对正常星系观测而得，现在已经应用到类星体或其他特殊星系上。哈勃定律通常被用来估计遥远星系的距离。

61. 宇宙大爆炸：大爆炸是描述宇宙诞生初始条件及其后续演化的宇宙学模型，这一模型得到了当今科学研究和观测最广泛且最精确的支持。宇宙学家通常所指的大爆炸观点为：宇宙是在过去有限的时间之前，由一个密度极大且温度极高的太初状态演变而来（根据2010年所得到的最佳观测结果，这些初始状态大约存在于133亿年至139亿年之前），并经过不断的膨胀到大今天的状态。

62. 宇宙微波背景（CMB）：又称$3K$背景，是一种充满整个宇宙的电磁辐射。特征和绝对温标为$2.725K$的黑体辐射相同，频率则属于微波范围，它显示了宇宙自大爆炸之后在不断冷却的事实。宇宙微波背景实际上是一群古老的光子。由于光速有限，我们看到的越是遥远的物体，实际上看到的是它越早之前发出的光。因此在宇宙之中，当我们看向遥远的天体时，实际上是看到它们过去的样子，甚至我们也可以看到140亿年前的宇宙。宇宙微波背景是在宇宙大爆炸之后10万年左右发出的，它们经过140亿年的时间才到达地球被我们看到。1992年COBE卫星第一次成功看到了全天早期宇宙的长相，记载了各个不同方向上古老光子的强度，这项发现推翻了人们过去认为的早期宇宙的光应该是均匀分布的观点。

63. 宇宙暴涨：宇宙暴涨或暴涨理论是指早期宇宙中一段快速膨胀的过程，从大爆炸之后的$10^{-36}s$开始，持续到$10^{-33}-10^{-32}s$之间。在负压力的真空能量的驱使下，宇宙在这段期间空间膨胀了至少$10^{78}$倍。在这个理论的架构下，所有的可观测宇宙都起源于一个极小的因果性相依的区域。同时暴涨理论也为宇宙大尺度结构的形成提供了可能的解释：早起微观尺度宇宙中的量子涨落在宇宙暴涨时期被极度放大，促成了大尺度结构的形成。

64. 暗物质：指无法通过电磁波的观测进行研究，也就是不与电磁力产生作用的物质。人们目前只能通过重力产生的效应得知，并且已经发现宇宙中有大量暗物质存在。暗物质占宇宙$23%$的质能。暗物质的存在可以解决大爆炸理论中的不自洽性，对于结构的形成也非常关键。

65. 暗能量：是一种充溢空间的、增加宇宙膨胀速度的难以察觉的能量形式。暗能量假说是当今对宇宙加速膨胀的观测结果的解释中最为流行的一种。在宇宙学标准模型中，暗能量占据了宇宙$73%$的质能。

66. 天球坐标系：

    • 天体在天球上的位置只反映天体视方向的投影，天球上的任意两个天体的距离用角距离表示。观测者位于天球球心 O。

    • 一些定义：地球自转轴所在为天轴，天轴与天球交于北天极 P和南天极 P’，赤道面于天球交于天赤道。假设观测者位于天球球心，头顶所在方向为天顶 Z，另一个方向为天底 Z’。过北天极和天顶的大圆定义为天子午圈。观测者所在平面为真地平面，真地平面与天球面交于地平圈。地平圈与天子午圈交于两个点，靠近北天极的为北点 N，另一个为南点 S。

      

    • 在想象的时候，可以认为地球不转而天球绕着天轴自东向西旋转。如果不考虑自行，则恒星在天球上的位置是固定的（恒星就像是“镶嵌”在天球面上，这也是为什么古人把它叫做“恒”星），天球绕着天轴的旋转带着上面的恒星一起旋转。

    • 地平坐标系：用地平高度和方位角描述一个天体的位置。

      • 地平高度 $h$：天体与球心的连线与真地平面的夹角，角度量纲。

        天顶距 $z=90^\circ-h$。

      • 方位角 $A$：从南点向西算。

      • 周日平行圈：天体在一天之中的视运动在天球上划出的轨迹是一个平行于天赤道的圆（因为天体都自东向西绕着天轴运动）。

      • 上（下）中天：天体的周日平行圈与天子午圈交于两个点，靠近天顶（天底）的称为上中天（下中天）。

    • 赤道坐标系：

      • 太阳在天球面上运动的轨迹是黄道。黄赤交角：$23.5^\circ$。
      • 黄道与赤道交于两个点，太阳沿着黄道由南向北运动时穿过天赤道的那个点为春分点，另一个为秋分点。
      • 赤经 $\alpha$ ：Right Ascension（RA)，春分点（恒星时为零）到当前位置的夹角，向东算，常用恒星时为单位，$0-24h$。
      • 赤纬 $\delta$：Declination，天体与天球球心的连线与天赤道面的夹角。
      • 如前所述，我们考虑的是天球的旋转，而地球是静止的。黄道和赤道都是固连在天球上的，因此春分点也是固连在天球上的，和其它恒星一样随着天球的转动而转动。这样在不考虑岁差的情况下，天体的赤经和赤纬就不随观测时间和观测地点的变化而改变。
      

    • 下图的结论 Declination = Elevation - （90°-Latitude）不恒成立，与天体位置有关。

      

67. 时间的定义：

    • 当地太阳时（真太阳时）：太阳中心连续两次上中天的时间间隔定义为一个真太阳日，分为 24 小时。真太阳下中天定义为真太阳日的零点。真太阳时不均匀，因为地球公转轨道为椭圆且存在黄赤交角。

    • 平太阳时：为了避免真太阳时的不均匀性，我们考虑一个假想点（称为平太阳）沿着天赤道均匀运动，定义平太阳中心连续两次上中天的时间间隔为一个平太阳日，也分为 24 小时。平太阳日就是日常生活中使用的时间，它也可以看做真太阳日在一年之中的平均长度，且平太阳和真太阳在每一年的春分重合。平太阳下中天定义为平太阳日的零点。

      • 春分日，真太阳、平太阳、春分点三者重合。此后，平太阳和春分点的周日视运动沿着天赤道；真太阳的周日视运动位于某个赤纬圈（周年视运动沿着黄道）。

    • 恒星时：定义春分点连续两次上中天的时间间隔为一个恒星日，等价于定义地球相对于遥远恒星的自转周期时长。春分点上中天定义为该地的恒星日零点。

      • 前面已经讲到，春分点也会和其他恒星一样随天球一起转动（自东向西），且春分日真太阳、平太阳、春分点三者重合，假设这一点在地球上的投影为 O。对于 O 点的观测者而言：

        首先考虑真太阳，如果假设它也”镶嵌“在天球上，那么一个真太阳日结束之后，它应该和春分点一同回到 O 点。然而，真太阳实际上还存在着沿黄道面的本动（自西向东），每一年绕黄道运行一圈。因此真太阳除了和天球一同（自东向西）转动之外，每天还会沿着黄道（自西向东）运动一个微小的距离。而且这一距离不是常数 （因为地球的公转是椭圆）。

        对于平太阳同理，如果假设它也”镶嵌“在天球上，那么一个平太阳日结束之后，它应该和春分点一同回到 O 点。然而，平太阳实际上还存在着沿天赤道的本动（自西向东），每一年绕天赤道运行一圈。因此平太阳除了和天球一同（自东向西）转动之外，每天还会沿着天赤道（自西向东）运动一个微小的距离。和真太阳的不同之处在于，平太阳日是均等的，因此平太阳每天相对于春分点向东移动的量也是一个定值。

        例如，设春分时刻春分点和平太阳重合于 O 点，那么一个恒星日结束后，春分点回到了初始位置 O，但是平太阳由于多了一个本动，还没有回到 O 点，也就是说对于 O 点的观测者而言，平太阳日还没有结束，平太阳还需要再跟随天球转动 $\Delta t$ 时间才会回到 O 点。这等价于如果我们以平太阳日为参考，当一个平太阳日结束后，春分点领先平太阳 $\Delta t$ 时间。第二个平太阳日结束后，春分点领先平太阳 $2\Delta t$ 时间； 第 364 个平太阳日结束之后，春分点领先平太阳 $364\Delta t$ 时间。当一个平太阳年结束后，春分点正好领先平太阳一圈，也就是说平太阳转 365 圈，春分点转 366 圈，因此恒星日的长度相当于平太阳日长度的 365/366，即：恒星日比平太阳日短 3 分 56 秒。

        

      • 根据上述定义，显然有：恒星过天子午圈的恒星时=该天体的赤经。

      • 一个例子：秋分日的平子夜时分，平太阳（因而秋分点）下中天，因此春分点上中天，恒星时为零点。即秋分日恒星时和平时都是零时。

      • 进一步地，根据日期就可以求得这一天子夜时分上中天天体的赤经；反之给定子夜时分上中天天体的赤经，也可以计算出是哪一天。

二、简答

1.日心说的观测证据是什么？

2.如何测量太阳系的年龄？

利用放射性同位素衰变。因为放射性元素以特殊的衰变速率从母同位素衰变至子同位素，因此能够通过比较每种同位素的含量来判断岩石的年龄。目前可以接受的太阳系年龄计算来自于两种同位素的比较，即陨石中的铀238衰变为铅206，铀235衰变为铅207.这种比较依赖于铀238和铀235的比率。

3.太阳中元素的分布有什么特点？

4.太阳中铁元素的来源是什么？

由太阳形成前的某颗恒星的核合成产生，通过超新星爆发抛射出来。

5.如何测量恒星的表面温度？

利用黑体辐射定律和光谱分析。恒星的有效温度决定了其光谱型，每种光谱对应相应的温度。

6.列举几种探测中微子的原理。

• 1956年美国物理学家莱尼斯和科恩小组，利用萨瓦纳河工厂的反应堆，进行的一次实验。实验反应堆产生强大的中子流并伴随有大量的$\beta$衰变，放射出电子和反中微子，反中微子轰击水中的质子，产生中子和正电子，当中子和正电子进入到探测器中的靶液时，中子被吸收，正电子与电子湮灭，产生高能$\gamma$射线，从而判定反应的产生。
• 位于日本岐阜县的超级神冈探测器是利用切伦科夫辐射来探测中微子的。超级神冈探测器的主体部分是一个建设在地下1000米深处的巨大水罐，盛有约50000吨高纯度水，罐的内壁则附着11000个光电倍增管，用来探测中微子穿过水中时发射出的切伦科夫光，从而捕获中微子的踪迹。

7.什么是太阳中微子短缺问题？

8.中微子振荡的观测和实验证据有哪些？

9.太阳黑子为什么黑？

因为太阳黑子的温度比太阳光球层表面的温度要低$1000-2000\degree C$，所以看上去像一些深暗色的斑点。

10.利用日全食检验广义相对论的基本原理是什么？

我们观测恒星的光学辐射都是在夜晚，因为要避开太阳耀眼的光芒。只有在日全食的食既至生光的短暂期间，当月球把太阳圆面完全遮挡的时候，来自太阳方向的恒星才可能被观测到。这些恒星发射的光字由于太阳引力场的影响而偏离了直线，使得我们观测到的恒星位置与它们的实际位置（即夜晚的位置）存在偏移。这个位置偏移很小。

11.简述系外行星的探测方法及原理。

• 动力学方法：行星围绕恒星运动，恒星也围绕质心运动（轨道半径小），恒星的运动比行星的运动好测量；
• 视向速度法：恒星相对我们有径向运动，产生红移和蓝移；
• 凌星法（掩食）：行星阻挡了恒星光，使得恒星变暗，恒星阻挡了行星的星光，使得光度略微减小；
• 天体测量法：恒星在左右运动；
• 微引力透镜方法：基于广义相对论，光线在引力场中弯曲，微引力透镜效应使得恒星的光度增加；
• 直接成像法；
• 脉冲星计时法：脉冲星发射非常有规则的信号，脉冲星到地球的距离略有变化，Doppler效应。

12.简述Tev Cherenkov望远镜的探测原理。

13.氢原子光谱主要有哪些线系？大致在什么波段？

• 莱曼线系：位于紫外光波段；
• 巴尔末线系：位于可见光波段，紫外（$363.56nm-635.3nm$）
  • $H_\alpha-656.3nm$，红色
  • $H_{\beta}-486.1nm$，绿色
  • $H_{\gamma}-434.0nm$，中蓝色；
• 帕邢线系：位于红外光波段的谱线；
• 布拉开线系：位于红外光波段；
• 浦芬德线系：位于红外光波段；
• 汉弗莱线系。

14.什么是恒星的光谱型？太阳的光谱型是什么？

根据恒星的光谱特征所作出的分类。现在通用哈佛分类法，光谱类型按字母序列O、B、A、F、G、K、M的次序命名。太阳属于G2V光谱型，有效温度为$5770K$。

15.如何测量恒星的大小？

直接测量：参宿四；

光学干涉：比邻星；

利用光度和有效温度。

16.天狼星B（白矮星）的平均密度是如何通过观测知道的？

质量：利用Kepler第三定律，由轨道半长轴的长度和轨道周期计算出双星的质量和。再由双星各自到公共质心的距离的比值得到双星质量比，进而求得每一颗子星的质量。

半径：直接观测得到。

18.中子星为什么存在游离的中子而没有衰变成质子？

中子在$\beta$衰变过程中产生少量的质子，当这些质子占据了足够多的质子能态后，就会使得中子的$\beta$衰变过程不能进行，即中子的能量低于电子和质子能量总和，稳定的中子星也就形成了。

引力强大，引发反$\beta$衰变，因此中子星内部同时存在$\beta$衰变和反$\beta$衰变，中子与质子处于动态平衡。而在引力场极大的情况下，反$\beta$衰变为主。

19.为什么说核塌缩超新星在爆发的过程中释放的总能量是其前身星一生中释放总能量的10倍之多？

爆发过程中有巨大的引力能释放。

20.有哪些证据表明蟹状星云的辐射来自相对论性电子在磁场中的同步辐射？

1953年史克洛夫斯基提出蟹状星云的射电辐射机制是同步加速辐射，很快被光学偏振观测所证实。

21.中子星的自转速度为什么大多很快（～$1ms$）？

角动量守恒，前身恒星半径大自转慢，塌缩后半径小自转快。

22.中子星的表面磁场为什么大多很强（～$10^{12}G$）？

磁通量守恒，塌缩使得表面积变小而磁通量不变，因此磁场变强。

23.中子星有哪些品种？它们的辐射能源分别是什么？

主要有：脉冲星、X射线脉冲星、磁星。辐射能源分别是：转动能、下落气体释放的引力能、磁能。

24.黑洞主要存在于哪些天体系统中？

星系中心和双星系统。

25.伽马射线暴在银河系还是在宇宙学距离上？如何通过观测知道的？

宇宙学距离。

1980年代，基于Ginga卫星的观测结果，许多人相信伽马射线暴是发生在银河系中的一种现象，成因与中子星有关，并围绕中子星建立起数百个模型。20世纪80年代中期，美籍波兰裔天文学家帕钦斯基提出，伽马射线暴发生在银河系外，是位于宇宙学距离上的遥远天体，然而这种观点并没有得到普遍认可。

1991年美国发射了康普顿伽马射线天文台（CGRO），这颗卫星的八个角上安装了八台同样的仪器BASTE，能够定出伽马射线暴的方向，精度大约是几度。几年时间里，对3000余个伽马暴的系统巡天发现，伽马射线暴在天空中的分布是各向同性的，支持伽马射线暴发生在宇宙学距离上的观点。

如果伽马射线暴确实发生于宇宙学尺度上，那么由它的亮度就可以推断，伽马射线暴必定具有非常巨大的能量，往往在几秒钟之内释放出的能量就相当于几百个太阳一生中所释放出的能量总和，是人们已知的宇宙中最猛烈的爆发。

26.伽马射线暴主要分为哪两类？它们的爆发机制分别是什么？

伽马射线暴的持续时间一般在0.1秒到1000秒左右，以2秒为界，大致可以分为长暴和短暴两类，典型的持续时间分别为30秒和0.3秒。

长暴：长暴持续时间在2秒钟到几分钟不等。一颗高温、超大质量的沃尔夫-拉叶星（Wolf-Rayet star）塌缩形成黑洞时产生。超致密物质组成的极高能物质盘在黑洞边缘形成，并且从黑洞的两极以接近光速的速度发射出狭窄的喷流。这些喷流穿透恒星表面，并且将恒星撕裂，发生Ib或Ic型超新星爆发。如果一束喷流直接指向我们，我们就会看到一个伽马射线暴。伽马射线暴通常会伴随着一个延迟的余辉，波长范围从X射线到可见光到射电波段。这些余辉时在暴发后的几小时、几天、甚至几周内，喷流穿过周围的星际介质时产生的。

短暴：短暴可以短至几个毫秒，它们显示出了惊人的余辉匮乏——只有通过余辉我们才能精确测定爆发的位置。因此天文学家几乎没有机会进行后续观测，研究短暴的本质。一个主流理论认为，它们是在两颗中子星（或者是一颗中子星和黑洞）相互绕转，分裂成一个发射出喷流的盘，最终塌缩为一个单独黑洞的过程中产生。这样的事件结束得极其迅速，只产生出很少的余辉，甚至根本没有余辉。

27.暗物质存在的证据有哪些？

• 对旋涡星系的观测。由观测知道它们围绕着自己的中心旋转。但是如果它们只包含我们观测到的恒星和气体，则旋转速率就高到足以把它们甩开。事实上它们没有被甩开，而是继续围绕其中心在高速旋转。因此，在旋涡星系中必然存在某种看不见的物质形式，其吸引力足以把旋转的星系牢牢抓住，而不被甩开；
• 通过对星系团的观测发现，这些星系团中的个别星系的运动速度是如此之高，如果没有足够的引力把星系抓到一起，这些星系团就会飞散开去。观测表明，能够把它们吸引成团所需要的质量比所有星系的总质量都要大很多，因此在星系团中除了我们观测到的星系以外，必然还存在另外的物质，即所谓的暗物质。
• 最早提出证据并推断暗物质存在的是1930年代荷兰科学家Jan Oort和美国加州工学院的天文学家弗里茨·兹威基等人。弗里茨·兹威基观测旋涡星系的旋转速度时发现，星系外侧的旋转速度较Newton引力预期的要快，因此推测必有数量庞大的质能拉住星系外侧，以使其不致因为过大的离心力而脱离星系。2006年，美国天文学家利用Chandra X射线望远镜对星系团进行观测，无意间观测到了星系团碰撞的过程，星系团碰撞威力之猛，使得暗物质与正常物质分开，因此发现了暗物质存在的直接证据。

28.由于尘埃吸收，光学望远镜不能观测到银河系中心，哪些波段可以？

射电波段、红外线、X射线（大气层之外）。

29.银河系中心黑洞的质量是如何测量的？

• 利用恒星动力学，推导中心天体质量；
• 通过视界大小计算。

30.测量Hubble常数的方法有哪些？

• 利用造父变星定标，测定距离和红移，根据红移计算出退行速度，则$H_{0} = v/d$；
• 引力透镜观测；
• WMAP+其它观测。

31.知道了Hubble常数，如何进一步估算宇宙的年龄？

假设星系的退行速度恒定，根据Hubble定律
$$
v = H_{0}d
$$
可以得到宇宙的年龄为
$$
t = \frac{d}{v} = \frac{1}{H_{0}}
$$
观测得到星系的退行速度和到我们的距离，就可以倒推得出宇宙的年龄。

32.画出一颗太阳质量大小的恒星在赫罗图上的演化轨迹，并简要表明其演化的不同阶段发生的主要物理过程。

p242

33.画出Hubble音叉图，简述椭圆星系与旋涡星系特性的主要区别。

图略。

区别：

• 形态：旋涡星系有由恒星和气体构成的星系盘和星系晕，棒旋星系的核心还有星系棒；椭圆星系呈球形或椭球形，除中心核外一般无其他明显结构；
• 气体和尘埃：旋涡星系的星系盘含有大量气体和尘埃，星系晕气体和尘埃少；椭圆星系没有或只有很少的冷气体和尘埃，有大量热气体；
• 星族：旋涡星系的星系盘含有年轻和年老的恒星，星系晕只有年老恒星；椭圆星系只有年老的恒星；
• 恒星形成：旋涡星系的旋臂中有恒星形成过程；椭圆星系近期没有明显的恒星形成过程；
• 恒星运动：旋涡星系盘中的恒星和气体绕核心作圆周运动，晕中的恒星绕核心作无规则运动；椭圆星系中的恒星绕核心作无规则运动。

34.主序星、中子星、白矮星在静力学平衡的情况下与引力相抗衡的是什么力？

• 主序星：核聚变造成的辐射压（理论上对质量没有上限，但恒星质量超过120倍太阳质量后，强烈的星风会使恒星不断丢失物质）；

• 中子简并压；

• 电子简并压。

35.AGN一般有哪些共同特点？

• 光谱具有很高的红移，表明距离远在宇宙学尺度上，同时光度很高，远远高于普通的星系；
• 具有快速的光变，光变时标从数小时到数日不等，显示其尺度只占整个星系的很小一部分；
• 光谱中具有非常宽的发射线；
• 具有非热辐射谱；
• 具有光学或射电的喷流现象。

36.支持宇宙大爆炸起源的主要观测证据有哪些？

• 红移：从地球的任何方向看去，遥远的星系都在离开我们而去，因此可以推出宇宙在膨胀，且离我们越远的星系，远离的速度越快；
• 哈勃定律：哈勃定律是一个关于星系之间相互远离速度和距离的确定的关系式，仍然是说明宇宙的运动和膨胀；
• 氢与氦的丰度：大爆炸宇宙学模型预测出氢占$75%$，氦占$25%$，已经由观测证实；
• 微量元素的丰度：对于这些微量元素，模型中所推断出的丰度和实测的相同；
• 宇宙微波背景辐射：根据大爆炸模型，宇宙因为膨胀而冷却，现今的宇宙中仍然应该存在当时产生的辐射余烬，1965年，$3K$背景辐射被探测到；
• 背景辐射的微量各向异性：证明宇宙最初的状态并不均匀，所以才有现在宇宙中的星系和星团的产生；
• 宇宙大爆炸理论的新证据。

37.望远镜为什么越大越好？

• 收集光子的面积大，能看到很遥远、很暗弱的天体；
• 分辨本领高：能看到很小的细节。

38.为什么火星的原初大气已经基本逃逸（无氢、氦）？

氢原子质量小，类地行星的引力不足以将其束缚住，故而其已经基本逃逸。

39.地球适合生命存在的条件有哪些？

• 足够长的恒星和行星寿命；
• 适宜的恒星光度；
• 稳定的低偏心率行星轨道；
• 适宜的自转倾斜度；
• 具有合适成分的行星大气（有机分子）；
• 附近存在一个大质量的木星。

40.如何测量恒星质量

恒星质量是恒星的最重要的是物理量之一，也是恒星的结构合理恒星的演化的决定性因素。

• 求恒星质量最基本的方法是利用物理双星的轨道运动，用这种方式方法论所求得的质量称为动力学质量，具体方法：
  • 如果目视双星有可靠的视差，则可以应用Kepler第三定律，由轨道半长轴的长度和轨道周期算出两颗子星的质量和。再由两颗子星离公共质心距离的比值得到两颗子星的质量比，进而求出每一颗子星的质量。例如利用这种方法求得的天狼甲、乙两星的质量分别为2.143和1.053倍太阳质量。
  • 如果双谱分光双星已得到分光解，而这对双星又是食双星并且已知其测光解中的轨道倾角，就可求得两颗子星的质量。用此方法求得的食双星大陵五甲、乙两星的质量分别为3.7和0.81倍太阳质量。
  • 如果双谱分光双星已得到分光解，而这对双星又是干涉双星并且已知其轨道倾角，就可求得两颗子星的质量。用此方法求得的角宿一甲、乙两星的质量分别为10.9和6.8倍太阳质量。
  • 双谱分光双星分光解加上由偏振观测所得到的轨道倾角也可以得出两颗子星的质量。例如Plaskett星（HD47192，麒麟座的一颗六等星）的质量就是这样推算出来的。
• 利用已知半径的白矮星的引力红移量求白矮星质量；
• 根据真半径和表面重力加速度推算恒星的质量（即分光质量或大气质量）；
• 根据恒星的质量与光度的统计关系（质光关系），从光度推算质量；
• 利用恒星在赫罗图上的理论演化轨迹估计恒星质量（即演化质量）；
• 对于已知半径的脉动变星，可以由脉动周期估计平均密度，从而得出质量（即脉动质量）。

但是后面几种方法都不如动力学质量可靠。

三、证明

1. 试推导金斯质量（用中心引力天体的质量、气体的温度和密度表示）。
2. 利用海森堡不确定原理定性推导Airy斑大小的表达式。
3. 推导射电喷流的视超光速的表达式。

四、计算

1. 太阳的视星等为$-26.7^{m}$，月亮的视星等为$-12.6^{m}$，求它们的亮度差？

   答案略。

2. 如果绝对星等的定义是把恒星想象移动到$100pc$处的视星等，那么绝对星等和视星等之间的关系将如何表示？

   答案略。

3. 一颗星用蓝光观测比用红光观测显得更亮，那么其$B-V$是大于还是小于0？

   答案略。

4. 一台$150mm$口径的望远镜的极限星等是多少（取夜间人眼瞳孔的直径为$7mm$）？

   答案略。

5. 假设观测波长为$5500$埃，求一台$150mm$口径的望远镜的分辨率。

   答案略。

6. GRB 980425是距离我们最近的、并且是第一个探测到与超新星成协的伽马射线暴，它的红移是z=0.008，试估计该伽马暴的（由于宇宙膨胀导致的）退行速度，以及它的距离（取哈勃常数为$H_{0}=71km/s/Mpc$）。该伽马暴在银河系之内还是之外？

   由Hubble定律和红移
   $$
   v = H_{0}d = cz
   $$
   得到
   $$
   d = \frac{cz}{H_{0}} = \frac{3\times 10^{5}km\cdot s^{-1}\times0.008}{71km\cdot s^{-1}\cdot Mpc^{-1}} = 33.80Mpc
   $$
   我们知道银河系直径十万光年，约$30kpc$，因此该伽马暴在银河系外。

7. 从太阳的总能源和太阳的辐射光度的角度，试估算太阳的寿命。

   假设太阳完全由氢元素组成，太阳内部核反应的效率为$\eta=0.007$，并且只有太阳核心的$10%$具有发生核反应所需的条件。太阳的质量和光度如下：
   $$
   M_{sun} = 2\times 10^{30}kg \
   L_{sun} = 4 \times 10^{26} J/s \
   $$
   所以有
   $$
   \tau_{sun} = 0.1\times\frac{\eta M_{sun} c^{2}}{L_{sun}} = \frac{0.1\times0.007\times 2\times10^{30}\times(3\times10^{8})^{2}}{4\times10^{26}}s = 3.15\times10^{17}s
   $$
   我们知道一年约有$\pi\times10^{7}s$，因此可以得到太阳的寿命为$10^{10}yr$，即100亿年。

8. 已知月球围绕地球公转的参数为：轨道半径$3844km$，周期27.32天。利用Kepler第三定律计算地球同步轨道卫星绕地球公转的轨道半径。

   答案略。

9. 星际消光、星际红化是的恒星看起来变暗、变红。如果是利用一颗造父变星的周光关系确定其距离，则星际消光和星际红化对距离的测定将有何影响？

   周光关系告诉我们，根据造父变星的光变周期可以得到其光度（因此得到绝对星等），根据视星等和绝对星等的关系
   $$
   M = m + 5 - 5\lg d
   $$
   “变暗、变红”相当于让$m$减小，但是$M$是天体的本征量保持不变，因此计算出的距离$d$减小。

10. 简单地取强相互作用的力程为$1fm$，试估计氢聚变所需要的温度。实际上恒星内氢聚变所需的温度仅为$10^{7}K$，为什么？

11. 若已知氢和氦原子核的质量，试计算氢聚变的产能率。

    答案略。

12. 望远镜的焦距为$1000mm$，目镜的焦距为$11mm$，光路中再放置一个两倍放大率的Barlow透镜，试计算该望远镜的放大率。如果该目镜的field stop 为$9mm$，则该望远镜的视场是多大？

五、判断

1. 天体物理学研究的开端最早可以追溯到爱因斯坦的广义相对论。❌
2. 双黑洞并合与双中子星并合都可以既产生电磁信号又产生引力波信号。❌
3. 恒星日比太阳日短一点的原因是地球自转。❌
4. 地球上的人用肉眼直接看到的是太阳的光球层。❌
5. 彗星通常有两个彗尾：原子彗尾和离子彗尾。✅
6. 日冕物质抛射的成分有电子、质子等。✅
7. 金斯质量要远大于太阳质量。✅
8. 太阳内部核聚变产生的高能光子平均大约需要100000年才可以到达太阳表面。✅
9. 行星表面的实际温度主要由对阳光的吸收率决定。❌
10. 流星所发出的光是反射太阳的光。❌
11. 月球大小的周期性变化使得我们看到其角尺寸大小的变化。❌
12. 由于月球被地球完全潮汐锁定，所以我们只能看到月球50%的表面。❌
13. 银河系主要是由恒星与星际介质组成。❌
14. 星暴星系具有很剧烈的恒星形成活动，可以产生很强的红外和射电辐射。✅
15. 对双中子星并合、引力透镜、宇宙微波背景辐射、造父变星这四种现象的观测都可以用来测量哈勃常数。✅
16. 宇宙演化过程中涉及到的阶段包括暴涨、黑暗时代、减速膨胀、加速膨胀等。✅
17. 活动星系核具有显著光变的根本原因在于其能量来源——中心核区的核反应水平并非稳定不变的。❌
18. 活动星系核的功率谱可以很直观地描述活动星系核的光变功率在不同吸积率水平上的分布情况。❌
19. 宽线区反响映射实验是当前人们测量活动星系核中心超大质量黑洞的质量的一个有效手段。✅
20. 对吸积盘开展的连续谱反响映射实验可以帮助我们了解吸积盘的尺寸、吸积物理等。✅
21. 金星的相的变化能够被日心说解释而不能被地心说解释。✅
22. 天球坐标系只要由地球上的地理坐标系进行无限延伸就可以得到。❌
23. 行星的形成涉及到原恒星T-Tauri相的影响、尘埃吸积、星子碰撞等过程。✅
24. 太阳产生的高能电子中微子主要来自PP III链反应。✅
25. 太阳能量来源主要来自PP I链反应。✅
26. 月全食的时候月亮不是完全黑暗的原因是地球大气层散射的太阳光照射到月球上。✅
27. 甲烷、二氧化碳、水蒸气都属于温室气体。✅
28. 具有相同光谱类型的恒星，其本征光度也相同。❌
29. 关于天球坐标系与地球上的地理坐标系，赤经与地理经度的原点不同，并且赤经与地理经度的刻度/单位不同。✅
30. 行星可以同时存在原初大气和次级大气。✅
31. 月球正面比反面具有更多的月海，月球表面上环形山的分布不是均匀的。✅
32. 超级月亮将更能引发地球上的自然灾害。❌
33. 太阳耀斑持续时间一般在10分钟左右。✅
34. 太阳风沿着地球磁极进入地球大气层可以形成极光。✅
35. 动力学方法是利用恒星绕恒星——行星系统的质心运动来寻找地外行星的。✅
36. 利用微引力透镜法探测地外行星，获得的行星信息很少，而且对小质量的行星更敏感。✅
37. 利用微引力透镜法探测地外行星，可以得知行星的大小。❌
38. 质量小于等于8倍左右太阳质量的恒星的演化归宿为白矮星。✅
39. 质量大致介于8-20倍太阳质量之间的恒星的演化归宿为中子星。✅
40. 质量大于200倍太阳质量左右的恒星，由于质量过巨，演化归宿只能是黑洞。❌
41. 质量大于20倍太阳质量左右的恒星的演化归宿为黑洞。✅
42. 人们最初意识到宇宙在膨胀主要是基于星系红移与造父变星的观测。✅
43. 处于可宜居带的地外行星的大小都和地球相仿。❌
44. 分光视差法测量恒星距离不受星际消光、红化的影响。❌
45. 一般来说，行星状星云的膨胀速度比超新星遗迹的膨胀速度要快。❌
46. 高度遮蔽活动星系核的辐射基本上被遮蔽了，所以我们无法探测到它们。❌

六、选择

1. 以下哪些天文发现没有获得诺贝尔物理学奖（AB）
   A. 类星体的发现
   B. 大爆炸宇宙学
   C. 中微子振荡
   D. 脉冲双星的发现
2. 下面关于探测地外行星的视向速度法的说法正确的是（B)
   A. 很容易测量具有大轨道的行星
   B. 利用的是多普勒效应
   C. 可以准确测量行星的质量
   D. 适用于各种恒星-行星系统
3. 下面哪个或哪类天体可以算是太阳系内最大的天体(A)
   A. 彗星
   B. 地球
   C. 流星
   D. 木星
4. 下面关于探测地外行星的脉冲星计时法的说法正确的是（ABC)
   A. 可以达到很高的测量精度
   B. 可以探测小质量的行星
   C. 观测上容易实现
   D. 可以应用到一般的恒星-行星系统
5. 以下关于Tev切伦科夫望远镜的说法正确的是 （C）
   A. 簇射过程可以持续相当长的时间
   B. 极高能伽玛光子和宇宙线粒子产生的信号基本相同
   C. 把地球大气作为整个探测系统的一部分
   D. 簇射粒子的运动速度比光速小很多
6. 地外行星的动力学探测方法包括(ACD)
   A. 脉冲星计时法
   B. 微引力透镜法
   C. 天体位置测量法
   D. 视向速度法
7. 下列哪个系统发生掩食的概率最高（A)
   A. 类太阳-木星系统
   B. 类太阳-水星系统
   C. 类太阳-地球系统
   D. 类太阳-土星系统
8. 利用直接成像法搜寻地外行星的缺点是（AC）
   A. 恒星与行星亮度对比度大不易观测行星
   B. 不能研究行星的光谱
   C. 一般要依赖空问观测
   D. 不能估计行星的大小
9. 选出正确的说法（B)
   A. 掩食法不能测量行星大气
   B. 地球上存在生命需要满足不少条件
   C. 目前发现的地外行星及候选者的总数大约为3000个
   D. 目前发现的地外行星都是恒星-单行星系统
10. 下面关于掩食法的说法，正确的是（B）
    A. 不能测量恒星大气
    B. 空间观测容易进行
    C. 观测的概率相当高
    D. 是发现地外行星数目第二多的方法
11. 下列说法正确的是 （C)
    A. 球面反射镜面存在好的焦点
    B. 对望远镜镜面光滑平整程度的要求与观测波长无关
    C. 使得天体入射的光进行相干叠加是天文学家最想获得的效果
    D. 色差的存在有利于获得好的成像结果
12. 下面说法错误的是（BD）
    A. 主动光学对主镜镜面的修正是低频的
    B. 主动光学需要用激光器来产生人造定标星
    C. 自适应光学主要用于移除/减弱大气湍流的影响
    D. 自适应光学对主镜镜面的修正是高频的
13. 以下说法正确的有（BC）
    A. 中等质量恒星的演化结局可以是白矮星或者中子星
    B. 中等质通恒星的主要产能方式可以是pp链，也可以是CNO循环
    C. 3alpha过程需要的温度比氢聚变需要的温度高一些，这对于智慧生命能够存在是很重要的
    D. 氦闪的出现主要是受到简并中子压的影响
14. 以下4个选项，哪些说法是正确的（ABCD）
    A. 综合孔径技术可以大幅提高角分辨率
    B. 射电观测的—个优势是不被尘埃吸收
    C. 可以从射电波段对银心进行观测
    D. 射电望远镜的主焦面设计在低频观测具有优势
15. 下面关于伽玛射线暴 (GRB） 余辉观测的说法，正确的是（ABD）
    A. 证明GRB在宇宙学距离上
    B. 证明GRB可能是成束的准直喷流
    C. 证明GRB可能和小质量恒星的死亡有关
    D. 证明GRB发生在星系中
16. 下面说法不正确的有（AC）
    A. 发射星云和暗星云不能在同一区域存在
    B. 可见光波段无法观测到银心，但是射电波段与X1射线观测可以
    C. 人们通过电离氢发射的21cm线观测了解了银河系的结构
    D. 位于银心的超大质量黑洞可以产生从射电到X射线的宽波段辐射
17. 下面说法正确的有（BD）
    A. 随着宇宙的膨账，星系的运动速度可以逐渐超过光速
    B. 宇宙微波背景辐射是支持大爆炸宇宙学的强有力的观测结果
    C. 宇宙微波背景辐射的谱是一个很好的幂律谱
    D. 暴涨模型的提出主要是为了解决大爆炸宇宙学的平坦性及视界问题
18. 下列哪项不属于或不能给出暗物质存在的观测证据（C）
    A. 星系团的动力学观测
    B. 引力透镜的观测
    C. 椭圆星系的旋转曲线测量
    D. 星系中的热气体观测
19. 以下哪个观测结果不能帮助我们了解宇宙的组成（D）
    A. 哈勃常数观测
    B. la型超新星
    C. 微波背景辐射
    D. X射线背景辐射
20. 下列哪个说法是正确的（B)
    A. 观测微波背景辐射给不出宇宙曲率的信息
    B. 哈勃常数的测量精度在不断提高
    C. 哈勃定律的最初发现所基于的观测数据质量非常好
    D. 星系的红移和蓝移都是宇宙大爆炸产生的

七、索引

1.按页码

不带括号的页数是天文学导论中的，（）中的页数是天体物理概观中的

CH1

金星的相P2：伽利略根据日心说画出金星相的变化，日心说的证据

天球P8：假想圆球，天体在天球上的位置反映视线方向投影

视星等P6：m1-m2=2.5×log10（f1/f2） 0等：织女星； 仿视星等、色星等（P45）

绝对星等P209：M=m-5log10（d/10pc）（P46）

岁差P9：原因——地球的进动，故星表需指明时间

太阳时P11：当地太阳时为太阳两次过同一位置（天顶）的时间差，（定义为约）24小时；各地时间不同

原子钟：铯133原子超精细能级间跃迁周期的9 192 631 770倍为1秒；地球自转变慢，故加上闰秒

恒星时P13：以遥远恒星为标准（恒星平行光），由于地球公转，所以恒星日比太阳日短一些，为23h56m4.09s

恒星简介（P14）

星系和星系团简要（P15）

爱因斯坦光钟P15；秒定义为光子一个往返（对比静钟和动钟里秒的长度）

天文单位（AU）：日地距离，1AU=149 597 870.691 km

开普勒三大定律P20：一、焦点在太阳的椭圆轨道 二、面积速度不变 三、T2正比于a3

CH2

太阳系年龄P39；4.6×109 yrs

星云假说P39；太阳系起源于巨大的分子云（P84）

金斯质量（ppt）；气体云超过金斯质量后塌缩（P85,P86）

行星的形成P41；新生恒星周围的气体，尘埃吸积，形成行星

太阳属性的测量P43：直径—距离+角直径；质量—牛顿第三定律；密度—半径+质量，光度—距离+流量；温度—维恩位移定律

黑体辐射P47；E=σAT4 （W）

大气窗口；通常把太阳光透过大气层时透过率较高的光谱段称为大气窗口。大气窗口的光谱段主要有：微波波段（0.310GHz/0.03-1m），热红外波段（814um），中红外波段（3.55.5um），近紫外、可见光和近红外波段（0.31.3um,1.5~1.9um）。

Fraunhofer线P49；太阳的吸收线（无发射线∵各向异性；碰撞退激发）

pp链P53；41H —> 4He +2e++2中微子+2γ（P92）

CNO循环P233（P93）

3alpha过程P234（P107）

太阳中微子问题P57；探测到的中微子只有理论预言的三分之一（P121）

太阳的结构P59；太阳大气：光球层、色球层、日冕

太阳的活动；太阳风P61，太阳黑子P62，日珥、耀斑P65

太阳黑子P62；温度较低；可用于测太阳表面转动速度

日全食检验广义相对论P69；星光偏折

Shapiro时延P71；有无太阳处于中间时雷达往返火星的时间差

CH3

行星的定义P75：1、绕太阳公转；2、质量足够大，近球形，流体静力学平衡；3、轨道附近不存在其它质量大致相同的天体

行星的属性P79-85：质量、密度、周期、温度、大气

彗星P129：小的太阳系天体，近日时大气扩散，可成慧尾

CH4

地外行星的探测方法：1、动力学方法（1）视向速度法（多普勒效应）P135 （2）脉冲星计时法P138 （3）天体位置测量法P148 2、凌日法（掩食）P142 3、微引力透镜方法P145 4、直接成像法（ppt）

地球上存在生命的有利条件（ppt）：足够长的恒星和行星寿命；适宜的恒星光度（行星距离）；稳定的低偏心率行星轨道；适宜的自转倾斜度；具有合适成分的行星大气；具有磁场；月球稳定地球自转轴；附近存在一个大质量的木星

秒差距：1pc=1AU/1’’

微引力透镜P145；

CH5

望远镜基本类型及构造：伽利略望远镜、开普勒望远镜（ppt）；牛顿式（侧面开孔）P17；卡塞格林式（底面开孔）P172；施密特（球差校正板）P172；马克苏托夫式P174

色差P158：波长（色）不同，折射率不同，现象如在绿光的焦平面上，亮的绿色光斑周围有紫色的环（蓝色+红色）

消色差双合透镜P159：f=a/(2n1-n2-1)

衍射极限（Airy斑）：δθ=1.22λ/d

望远镜分辨率：δθ=1.22λ/d

放大率：物镜焦距/目镜焦距

视场：观测视场=目镜视场/放大率；目镜视场=视场光阑直径（目镜直径）/焦距

焦比：f/x=物镜焦距/物镜口径，一般来说 f/x的x越小，视场越大

主动光学P175：低频，修正主镜由于自重和热胀冷 缩所造成的形变，其触动器一般位于主镜的后面

自适应光学P175：高频，修正大气湍流对星光波前的扭曲，其触动器位于校正光路中的弹性镜面后方，需要人造定标星

（地球转动）综合孔径技术P188：天线阵干涉，增大有效孔径；利用地球自转

宇宙线P197：90%质子+9%氦核+1%电子+少量的重核

引力波P199：两种偏振模式（Weber共振棒）致密天体并和（黑洞、中子星）

激光干涉引力波天文台（LIGO）P200

激光干涉空间引力波天文台（LISA）P201：探测中等质量黑洞的并合；宇宙残留引力波（太阳辐射压与太阳风的影响）

CH6

三角视差法测距P206：d = A/θ（P72）

恒星自行P208；（角秒/年）会对测距产生影响

（恒星）色指数P214：不同波段星等差如B-V（P49）

恒星光谱P214（P51）

氢原子光谱P215：莱曼，巴尔末，帕申…

哈佛光谱分类P216:OBAFGKM，子类0-9 太阳G2

分光视差法P217：基本假设：同一类型的恒星的绝对光度一致，知m和M得距离d（P73）

恒星的赫罗图P219：颜色-星等图（P60）

主序星P220：赫罗图上窄带，正在进行氢核聚变为氦（P60）

CH7

宇宙距离阶梯P285：雷达测距->三角视差法->主星序重叠法->造父变星周光关系->Ia型超新->Tully-Fisher关系（P77）

恒星属性测定:

造父变星及其周期-光度关系；恒星演化的晚期，变得不稳定，甚至大小周期性振荡，如造父变星，其周期和光度有很好的相关关系，可用作标准烛光（P74）

白矮星P240；恒星死亡后行星状星云中心存在一暗的、白-蓝白的星，电子简并压支撑

，质量上限为钱德拉塞卡极限（P106,P139）

中子星P250：>8Msun恒星死亡（P110,P142）

不同质量恒星的演化（一些演化典型阶段、元素合成）；Low mass（0.05-0.5太阳质量）P231，Mid mass（0.5-0.8）P232，类太阳恒星P241，High mass（>8）P243

洛希瓣P243；密近双星质量交换（P127）

核塌缩超新星P246：II型（蟹状星云）、Ib、Ic型（P114）

Ia型超新星：双星系统，一个是巨星，一个是白矮星。质量极大的白矮星吸取巨星的物质（主要是氢），当达到1.44个太阳质量时，会发生碳爆轰，核爆炸后没有遗留产物（P115）

SN1987A P248

脉冲星P252-259：旋转的中子星，不断地发出电磁脉冲，周期非常稳定，缓慢地变慢（P147）

黑洞视界P259：视界内光都无法逃脱，Rs=2GM/c2（P158）

引力红移（ppt）：光子远离黑洞波长变长（P160）

伽玛暴（GRB）（ppt）（P178）

CH8

疏散星团P266：～几百个恒星，形状不规则，恒星较年轻，主要位于旋臂附近

球状星团P267；恒星数目更多，引力束缚更紧密，球状，恒星较年老，多位于核球和银晕内

发射星云P268：恒星形成，HII区（P188）

射电21厘米谱线P271（P187）

漩涡星系P277；构成：核球、（棒、环、）盘、旋臂、晕；核球恒星年老，颜色偏红；旋臂有剧烈的恒星形成活动，恒星年轻，颜色偏蓝。按照核球比例和旋臂缠绕紧密程度分类。

旋转曲线；（P202）

椭圆星系P275：无星系盘，颜色偏红，主要由年老恒星构成。恒星形成活动不剧烈，冷气体少或无，热气体多。按照椭率分类。（P201）

透镜星系：无旋臂的盘星系（介于椭圆星系与旋涡&棒旋星系之间的过渡型星系）。主要由年老恒星构成，气体少。

不规则星系P283：质量小。以年轻星族为主，气体含量多，恒星形成活动剧烈。（P205）

哈勃星系分类P284：哈勃音叉图（P201）

星爆星系P289：恒星形成剧烈。年轻恒星辐射加热尘埃，产生红外辐射。超新星爆发的激波加速电子，产生射电波段的同步辐射。（P206）

活动星系核（AGN）P291：星系中心处于吸积状态的超大质量黑洞。观测倾角不同会导致非常不同的观测特征。有一类为类星体（quasar，QSO）。（P216,P227）

类星体P293：极亮的活动星系核（P222）

视超光速：（P230）

活动星系核的统一模型；（P227）

星系群P295；星系数目一般少于50。（P232）

星系团P295：比星系群更大，最多可到几千个成员星系。成员星系相互引力束缚，之间存在大量热气体，（P233）

超团P297：由星系团和星系群构成，尺度更大。成员星系不再受引力束缚，可以相互退行。（P233）

CH9

宇宙学红移P307:（P255,P272）

星系退行的Hubble定律P304：v=H0/d（P252,254）

哈勃常数P307

宇宙大爆炸P301 （P291）

原初核合成P313（P294）

宇宙微波背景（CMB）P309（P298）

宇宙暴涨P312（P311）

宇宙暗物质P316（P316）

宇宙暗能量P316（P324）

宇宙的组成P325

人择原则P326（P332）

2.按首字母

A：暗物质p264；
B：变星：p58：分光变星；物理变星；脉动变星；造父变星p59；白矮星p135；暴胀p307；
C：超新星分类p65；磁星p152；
D：灯塔效应p144；大爆炸模型p254；
F：分辨率计算方法p23；
G：观测方法及部分望远镜简介p15；光谱p47；光致分解p108；伽马射线暴GRBp174；
H：恒星（简要）p14；恒星的哈佛分类法p52；赫罗图、主序星、等半径线p56；恒星质量测定p74：质光关系p75；恒星年龄p77；赫罗图（星团）p78；恒星形成其他条件p83；原恒星p85；核聚变的pp链、CNO循环p88；恒星结构基本方程p98；氦闪p103；褐矮星p109、黑矮星p138；黑洞p153；寻找黑洞p169；活动星系核p212；哈勃常数，哈勃关系p72，p248、p250，p252
J：简并压p93；
L：零龄主序p99；洛希瓣p123；
M：密近双星的演化p121；脉冲星p143；
Q：钱德拉塞卡极限p111、p137；
R：人则原则p328；
S：色指数、色温度p45；史瓦西半径、视界p155；喷流的视超光速运动p226；
T：太阳系p3-p12；天体距离测定方法p67：三角视差法p68；分光视差法p69；造父变星测距法p70；
X：星系和星系团（简要）p15；星等及其计算p41；星际红化、星际消光p47；新星p62；星云塌缩的金斯判据p80；金斯质量、波长p81、p297；
星际物质p178；星际分子p187；星系形态p197；星系质量测定p203；星系团p228；本星系群、超星系团、空洞p229；星系的形成与演化p233；
W：温度p44；有效温度p47；
Y：亚巨星在赫罗图上垂直上升至红巨星p102；不同质量演化结果p109；引力波辐射p131；引力红移p156；银河系p207；宇宙学红移p249；
宇宙微波背景辐射p254；元素丰度p259；宇宙的年龄p260；宇宙学原理p265；宇宙学常数p276；宇宙临界密度p275；宇宙的演化p288；引力透镜p315；
Z：周光关系p61；中微子及探测p114；太阳中微子之谜、中微子振荡p117；中子星及黑洞的吸积p128；中子星p138；中性氢与21cm谱线p182；正反物质p262；

八、问题

1. 概念不清楚

   • 坐标和时间是第一章的重点之一。大部分关于坐标的题都可以通过画图解决（注意有时需要分类讨论，比如第五题）。时间部分主要问题在于对概念不清楚，由于地球的公转，世界时秒和恒星时秒的长度是不一样的（见PPT p35-36），所以UT s和Sidereal s不能直接简单相加。
   • “精确到个位、十分位数或者更高的精度”。
   • 加减法要计算对。

2. 题干要看清楚，什么单位