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天体物理学南京大学课件chapter02

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天体物理小知识演示文稿(共91张PPT)

天体物理小知识演示文稿(共91张PPT)

不信你看！
Wow，惊呆了！！
看着只是个小星星，真实体积吓屎你！
天狼星是大犬座中的一颗双星，另一颗暗白 矮星伴星。
天狼星是一颗比太阳亮23倍的蓝白星
双星系统
双星引力波是很漂亮的漩 涡曲线~~
其实双星也叫做——恒星恋人，就像…
比双星更稀有更耀眼的是神马！！ 是四星！！
美国宇航局的“斯皮 策”太空望远镜发现 ，在长蛇星座有一个 相对年幼的星系，拥 有4颗恒星。
六，土卫二
观赏喷泉的行星际公园。
我不骗小朋友的，自己看！！！
木卫二（小球大水滴） VS 地球
再添点数据
木卫二冰层厚度平均100公里，也就是10万米深！！地球的海洋 平均深度才三公里，什么概念啊…
太平洋：平均深度3957米，最大深度11034 大西洋：平均深度3626米，最深处达9219米 印度洋：平均深度3397米，最大深度的爪哇海沟达7450米。 北冰洋: 平均深度1300米，
那，谁的密度最大呢？？？
咳咳，请翻页！（此处是为了让你有时间想一想）
天体密度——白矮星
白矮星（White Dwarf）是一种低光度、高密度、高温度的恒星。也是一 种很特殊的天体，它的体积小、亮度低，但质量大、密度极高。比如天狼 星伴星（它是最早被发现的白矮星），体积和地球相当，但质量却和太阳 差不多，它的密度在1000万吨/立方米左右（地球密度为5.5g/cm3）， 一颗与地球体积相当的白矮星（比如说天狼星的邻星Sirius B）的表面重 力约等于地球表面的18万倍。
量是如此之大，半径十公里的中子星的质量就与太阳的质量相当了。
同白矮星一样，中子星是处于演化后期的恒星，它也是在老年恒星的中心形成 的。只不过能够形成中子星的恒星，其质量更大罢了。根据科学家的 计算，当老年恒星的质量为太阳质量的倍时，它就有可能最后变为一 颗中子星，而质量小于个太阳的恒星往往只能变化为一颗白矮星。

天体(课件)

天体(课件)
天体
宇宙的起源:
目前学术界影响较大的是“大爆炸宇宙论”
“大爆炸宇宙论”是1927年由比利时数学家勒梅特提出的， 他认为最初宇宙的物质集中在一个超原子的“宇宙蛋”里， 在一次无与伦比的大爆炸中分裂成无数碎片，形成了今 天的宇宙。 宏观宇宙是相对无限延伸的。“大爆炸宇宙 论”关于宇宙当初仅仅是一个点，而它周围却是一片空白， 但是人类至今还不能确定范围，也无法验证把宇宙压缩 在一个极小空间内的假设，这还只是一种臆测。
sin a / d a 206265 1 d (AU) (pc)
1 秒差距是周年视差为1″的恒星的距离。 1 秒差距 (pc) = 3.086×1018厘米 (cm) = 3.26光年 (ly) = 206265天文单位 (AU)
宇宙的结构 • 宇宙图景 当代天文学的研究成果表明，宇 宙是有层次结构的、物质形态多样的、不 断运动发展的天体系统。
开普勒
（德国人1571---1630）
一 、开普勒定律
第一定律(轨道定律) 所有的行星围绕太阳运动的轨道都是椭圆，
太阳处在所有椭圆的一个焦点上。
说明：不同的行星， 轨道不同，半长轴 不同。
第二定律(面积定律)
从太阳到行星的连线在相同的时间内扫过
相等的面积。
t AB = t CD = t EK
则
哥 白 尼(波兰）
④与日地距离相比，其他恒星离地球都十分遥远，比日 地间的距离大得多。
哥白尼的日心说也有缺点和错误：
1.日心说认为太阳是宇宙的中心，实际上太
阳只是太阳系的中心天体，并不是宇宙的中 心。 2.日心说认为行星运行的轨道是圆，其实是 椭圆。
日心说也有缺陷，那么，天体 运动到底遵循什么样的运动规 律呢？

《天体物理小知识》课件

《天体物理小知识》课件
天体物理学家参与设计和实施空间探测任务，探索 太阳系和宇宙深空中的天体。
载人航天
天体物理学家为载人航天任务提供技术支持 和科学指导，确保宇航员的安全和任务成功 。
宇宙探索
暗物质和暗能量的性质，揭示宇宙中
隐藏的物质和能量。
宇宙微波背景辐射
02
天体物理学家研究宇宙微波背景辐射，了解宇宙大爆炸后宇宙
天体物理的研究范围
总结词
天体物理的研究范围包括天体的结构、组成、演化过程、相互作用以及宇宙的 起源和演化等。
详细描述
天体物理的研究范围非常广泛，包括恒星的形成和演化、行星和卫星的物理特 性、星系的结构和演化、宇宙射线、黑洞和暗物质等。这些研究有助于我们深 入了解宇宙的起源和演化，以及天体的形成和演化过程。
值。
04
天体物理现象
黑洞
黑洞是一种极度密集的天体，其引力强大到连光也无法逃逸 。黑洞的形成通常与恒星死亡有关，当一颗质量巨大的恒星 耗尽燃料并发生超新星爆炸后，其核心可能会坍缩形成黑洞 。
黑洞的内部被称为事件视界，任何进入这个区域的物质和光 线都会被无情地吞噬，永远无法返回。尽管我们无法直接看 到黑洞，但可以通过观测黑洞对周围环境的影响来推断其存 在。
宇宙射线研究
天体物理学家研究宇宙射 线，了解其产生机制、传 播途径和与天体的相互作 用。
星系和恒星演化
通过观测星系和恒星的演 化过程，天体物理学家能 够揭示宇宙的起源、演化 和最终命运。
航天技术
卫星导航
天体物理学家利用卫星轨道和时间测量技术 ，为全球卫星导航系统提供精确的定位和时 间服务。
空间探测
行星探索
人类通过探测器对行星进行探索，已 发现多个可能适宜人类居住的行星。
卫星

天体物理课件

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三、大爆炸宇宙学
• 宇宙学原理：宇宙在大尺度上是均匀癿
稳恒态宇宙学
• 宇宙无边无际，无始无终，基本保持同一状态 • ----若宇宙有限，其边界在何处？边界外是什么？ • ----若宇宙有限，则有中心，其中心在何处？
奥伯斯佯谬----夜空为什么是黑癿
• 一个恒星癿星光按距离平斱反比减弱 • 一个同厚度同心天球壳内癿恒星数按距离平斱 正比扩大 • ----此球壳癿亮度不距离无关，为常数 • ----宇宙无限，无限多个球 • 壳癿总亮度是无限大 • ----天空永进无限亮
星系团
• 几百个星系组成 • 直径达几百万到几千万光年 • 本星系群：银河系，仙女星系，三角星系，大 麦哲伦星云等组成
• 星座：
• 用假想的线条将亮星连接起来，构成各种各样 的图形，或人为地把星空分成若干区域，这些 图形连同它们所在的天空区域，西方叫做星座。 • 1928年，国际天文联合会正式公布了88个 星座， • 星座大小相差悬殊，所含星数也各不相同， 同一星座的星无任何物理联系。 • --星座不是星系!也不是星团!
一、天文测量 距离
• 单位 天文单位—地球到太阳之间距离 光年 • 方法 三角规差法 恒星光谱法 造父变星法 最亮恒星法
三角规差法
• 从已知距离癿两点测星体
造父变星法
• 造父变星法 • ----规星等，绝对星等(设移至32.6光年进处所见 星等) • 太阳:规星等 -26.7等; 绝对星等 4.85等 • 织女星:规星等 0.03等; 绝对星等0.6等 • ----二者之差只不距离有关
• 质光定律：恒星光度不其质量癿六次斱成正比 • 原因：质量大—>相互引力大 • —>平衡引力癿内部压力大 • (由热能和辐射能引起) • —>更快燃烧—>更亮 • 推论：越年轻越亮

天体物理学南京大学课件

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1. 恒星的光度和亮度 • 光度L (luminosity)：天体在单位时间内辐射的
总能量，是恒星的固有量。 • 亮度F (brightness)：在地球上单位时间单位面
积接收到的天体的辐射量。 视亮度的大小取决于三个因素：天体的光度、 距离和星际物质对辐射的吸收和散射。
•
2. 视星等m (apparent magnitude)
m1－m2=－2.5log (F1/F2) 或m =－2.5log (F/F0)，其中F0为定标常数。
•
部分天体的视星等
•
(2) 恒星的温度和颜色
•Betelgeus e
•Rigel
•
(3) 视星等的种类
• 视星等的测量通常是在某一波段范围内进行的 。
• 根据测量波段的不同，视星等可以分为目视星 等、照相星等和光电星等，在全波段测量得到 的星等称为热星等。
•
• 谱线与恒星的化学成分 不同元素的原子具有不同的结构，因而有不 同的特征谱线。
•
通过比较太阳光谱 和实验室中各种元 素的谱线，可以确 定太阳大气的化学 成分。
按质量计， 70%H, 28% He和 2%重元素。 按数目计， 90.8%H, 9.1%He和 0.1%重元素。
•
4. 谱线位移
• Doppler谱线位移 (Doppler shift) 由于辐射源在观测者视线 方向上的运动而造成接收 到的电磁辐射波长或频率 的变化。 远离（接近）观测者辐射 源发出的电磁辐射波长变 长（短），称为谱线红移 （蓝移）。
原子结构：原子核 + 围绕原子核旋转的电子（云）。 （量子化的）电子轨道的大小反映了原子能态的高低
。
•
• 当电子从高能态跃迁到低能态，原子释放光子 ，产生发射Fra bibliotek；反之产生吸收线。

天体物理ppt课件

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• 天体物理学是应用物理学的技术、方法和 理论，研究天体的形态、结构、化学组成、 物理状态和演化规律的天文学分支学科， 属于边缘学科之一。
天体
宇宙的基本特性 • 物质性：天体——多样性 • 运动性：天体系统——层次性
什么是天体？ • 天体指宇宙中所有的物质。
天体的类型
• 自然天体：恒星、行星、卫星、星云、流 星、彗星、星际物质（气体和尘埃）；
大爆炸说
• 伽莫夫认为，宇宙最初是一 个温度极高、密度极大的由 最基本粒子组成的“原始火 球”。根据现代物理学，这 个火球必定迅速膨胀，它的 演化过程好像一次巨大的爆 发。由于迅速膨胀，宇宙密 度和温度不断降低，在这个 过程中形成了一些化学元素 （原子核），然后形成由原 子、分子构成的气体物质. 气体物质又逐渐凝聚起星云， 最后从星云中逐渐产生各种 天体，成为现在的宇宙。
宇宙到底有多大？
• 天上的星星确实最多，比地球上的人口多得多。但不是 最暗、最小的。
• 数不清的星星，是与太阳一样能发光的恒星，许多比太 阳大得多、亮得多。月亮是地球的一颗卫星，是最小的。
• 地球与水、金、火、木、土、天王、海王、（冥王）等 行星和一些小行星及彗星围绕太阳运行。
• 除水星、金星外，其他行星都有卫星，有的多达几十颗。 • 这些行星、卫星、小行星和彗星与太阳一起构成太阳系。 • 太阳系中的所有天体都跟随太阳围绕银河中心运行。

天体物理学课件lecture02地球和太阳系

天体物理学课件lecture02地球和太阳系
令a = 1 AU 为平均日地距离（1天文单位），d为 恒星的距离，则
sina/d
da2062(6A5U ) 1(pc)
1 秒差距是周年视差为1″的恒星的距离。
1 秒差距 (pc) = 3.086×1018厘米 (cm) = 3.26光年 (ly) =恒星
Barnard星ρ= 0.55″
3. 赫罗图 (H-R diagram)
由丹麦天文学家E. Hertzsprung和美国天文学 家H. R. Russell创制的恒星的光度 - 温度分布 图。 赫罗图的横坐标也可用恒星的光谱型、色指数， 纵坐标也可用恒星的绝对星等表示。
L 恒星的分布？
T
Hipparcos卫星测量 的恒星的赫罗图。
d = 1.8 pc (6.0 ly)
α Centauri Proxima
ρ= 0.76″
d=1.3 pc（4.3 ly）
限制 由于受到地球大气扰动的影响，周年视差的
精确测量受到限制。 地面望远镜的角分辨本领一般不超过0.01″ Hipparcos卫星（1989年8月发射）
的角分辨率达到0.001″， 测量了约100万颗恒星的距离。
D = B/sinρ
周年视差 (annual parallax) 以地球轨道半长径作为基线测量恒星的距离。 周年视差ρ是恒星相对于地球轨道半长径所张 的夹角。
通过测量恒星 在天球上（相 对于遥远的背 景星）相隔半 年位置的变化 而测得。
恒星的距离通常以秒差距 (parsec) 或光年 (light year) 作为单位。
Annie Jump Cannon
根据恒星光谱中Balmer线 的强弱，恒星的光谱首先 被分成从A到P共16类。 后来经过调整和合并，按 照温度由高到低的次序， 将恒星光谱分成O, B. A, F, G, K, M七种光谱型 (spectral type).

天体力学课件

天体力学课件

F
=
mω2r
=
mv2 r
a
=
ω2r
=
v2 r
ω为角速度，以（rad/s）为单位
ω=∆∆θt （角度变化的速率）
动量定理： F=∆p/∆t
一点几何知识
椭圆的第一定义：平面内到两定点F1、F2的距离之和为常数2a（大于这两 定点之间的距离）的点M的集合（或轨迹）叫椭圆。 即：│PF1│+│PF2│=2a 其中两定点F1、F2叫做椭圆的焦点，两焦点的距离│F1F2│=2c<2a叫做椭 圆的焦距。P 为椭圆的动点。 长轴为 2a； 短轴为 2b。 定义：e=c/a e称为离心率
一条特殊性质
在某星球表面以次星球第一宇宙速度发射 一物体，物体轨迹将是一以星球球心为焦 点、星球直径为长轴的椭圆。
金星凌日每两次为一组，两次间隔8年， 两组间隔100多年。最近一组是2004年6 月8日和2012年6月6日。不过下一组就要 2117年12月11日。
行星凌日的应用
哈雷,在 用金星凌日求(算)出了日地距离。后者
开普勒太空望远镜（不是开普勒 式望远镜）运用行星凌日法寻 找地外行星（研究凌日光变曲线）。
不管是质点还是质心系，只要合外力距为零， 角动量即守恒。此时L=常矢量。
在天体系统中，多有心力系统，有心力在以 恒星为参考点时无力距，所以天体系统角动 量守恒。（此处多指太阳系，星团等。关于 观测到仙女座大星系角动量不守恒，会在第 7讲张林枫的宇宙学中暗物质部分介绍）
能量守恒公式及活力公式
能量守恒公式：1 mv2 − GMm = − GMm
注意：此时的东西指观测者视角下的 东西。
•由于地外行星公转速度较地球公 转速度慢，所以行星位置由合向 西方照方向运动。
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§2.3 太阳内部
1. 热平衡
能量传输的三种形式：辐射、传导与对 流。 太阳核心区产生的能量主要通过辐射与 对流向外传递。
辐射 (radiation)



辐射传热：恒星内部的冷物质通过吸收热 区的光子而加热。 辐射平衡：如果恒星内部产生的能量全部 由辐射向外传递，则称恒星处于辐射平衡。 辐射平衡下的温度梯度为：
① 12C + 1H → 13N +γ
② 13N → 13C + e+ +νe ③ 13C + 1H → 14N +γ ④ 14N + 1H → 15O +γ ⑤ 15O → 15N + e+ +νe
⑥ 15N + 1H → 12C + 4He
质子-质子链与碳氮氧循环核反应的比较
恒星内部的流体静力学平衡
23Na
+p
56Ni
→ 56Fe + 2e+ + 2νe
→ 20Ne + 4He → 23Mg + n → 16O + 2 4He
氧燃烧
T＞1.5×109 K
12O
+ 12O → 32S +γ → 31P + p → 28Si + 4He → 31S + n
→ 24Mg + 2 4He
当恒星内部形成Fe后，由于Fe的聚变反应 吸热而不是放热，恒星内部的热核反应由此 停止。
Degeneracy
§2.4 标准太阳模型
恒星内部的平衡条件
(1) 质量连续性方程
考虑质量为M、半径为R的气体球，
半径为r、厚度为dr的球壳所包含的质量为：
dM(r)＝4πr2ρdr
→ dM(r)/dr＝4πr2ρ
(2) 流体静力学平衡
对半径为r、厚度为dr的球壳内面积为dA的气体元， 重力 dFg＝－GM(r) dM/r2 ＝－GM(r)ρdAdr/r2 压力 dFP＝PdA－( P + dP ) dA＝－dPdA 0＝dFg + dFP＝－GM(r)ρdAdr/r2－dPdA → dP/dr＝－GM(r)ρ/ r2
(1) 质子-质子链 (pp chain)
8×106 K ＜ T ＜ 2×107 K, M ＜ 1.5M⊙ ppI: ① 1H + 1H → 2H + e+ +νe ② 2H + 1H → 3He +γ ③ 3He + 3He → 4He + 2 1H
(2) 碳氮氧循环 (CNO cycle)
T＞2×107 K, M＞1.5M⊙
dT 3 Lr ( )( 3 )( 2 ) dr 4ac T 4r
(1) 低质量主序星 ( M < 1.5-2 M⊙)
辐射区 ＋ 对流包层 核心区ε~ T4 → 能量产生于较大的内核 包层：T↓→ κ↑
太阳内部的辐射与对流区
区域 R/R(0) T (K) ρ(g/cm3 ) 能量 传输
金矿
Ar
Argon Atom
太阳中微子探测器
Sudbury Neutrino Observotary (SNO) in Canada
Super-Kamiokande Neutrino Observotary in Japan
太阳中微子失踪案
实际测量到的太阳中微子数目只有理论计算值 的约2/3。 可能的原因： (1)太阳内部结构与成分与太阳标准模型差异 (2)中微子物理——中微子振荡 电子中微子、μ中微子和τ中微子。
Hale Waihona Puke 3. 比H更重的元素的燃烧
He燃烧 (3α反应) T＞108 K 3 4He → 12C +γ ① 4He + 4He ↔ 8Be ② 8Be + 4He → 12C +γ
碳燃烧
T＞6×108 K
12C
硅燃烧
T＞1.5×109 K +γ
28Si
+
12C
→
24Mg
+ 28Si → 56Ni +γ
→
§2.2 太阳与恒星的能源
1. 太阳的能源 L⊙≈3.8×1033 ergs-1, τ⊙≈5×109 yr 可能的能源： (1) 化学反应：2H + O → H2O + E τ ≤30 yr (2) 引力收缩(Kelvin and Helmholtz) ： 辐射→压力↘→收缩→温度↗→辐射 τ ~ (GM⊙2/R⊙L⊙) ~107 yr
dT 3 Lr ( )( 3 )( 2 ) dr 4ac T 4r
其中κ 为不透明度系数。
不透明度来源： 电子束缚-束缚跃迁（原子吸收线）
电子束缚-自由跃迁（光致电离）
电子自由-自由跃迁 （轫致辐射）
不透明度对恒星结构的影响
κ↓→dL↑→Tc↓→P↓→R↓→ κ↑
κ↑→Tc↑→P↑→R↑→ κ↓
对流区 ＋ 辐射包层 核心区ε~ T17 → 能量产生于很小的内 核区（对10 M⊙恒星， 50%的能量产生于包含 2%质量的体积内）。
(3) 极低质量主序星 ( M < 0.8 M⊙) 低温 整体对流
3. 物态
气体内部的总压强主要由两部分组成： 气体粒子运动产生的气体压强和光子产生的辐 射压强 P＝Pg ＋ Prad 非简并气体 (non-degenerate gas) 理想气体状态方程 Pg＝nkT＝ρkT/μmH 其中μ: 平均分子量 ，mH : H原子质量 对完全电离等离子体： Pg＝ρkT (2X＋3Y/4＋Z/2 ) /mH 辐射压Prad＝aT4/3
太阳的化学组成
元素
Hydrogen Helium
质量丰度
73.5% 24.8%
Oxygen
Carbon Nitrogen Iron Silicon Magnesium Neon
0.788%
0.326% 0.118% 0.162% 0.09% 0.06% 0.16%
整体结构
核心区 辐射区 对流区 光球 色球 过渡区 日冕
(3) 能量守恒 L(r)—单位时间通过半径为r的球面的能量
ε(r)—单位物质在单位时间产生的能量
对流 (convection)：气体在冷热区域之间的大 规模的循环流动

产生对流的物理条件
随着恒星内部的不透明度或产能率增大，辐射温度 梯度值增大，辐射不再是传递能量的有效方式，或 辐射平衡是不稳定的，这时在恒星内部产生对流。

对流传热的物理过程 热气体膨胀上升，冷却后下沉，形成物质流动的循 环和热量的传递。
核心区 辐射区 对流区
0.0-0.25 0.25-0.85 0.85-1.0
~ 15,000,000 - 8,000,000 ~ 8,000,000 - 500,000 ~ 500,000 - 10,000
~ 160 - 10 ~ 10 - 0.01 < 0.01
辐射 辐射 对流
(2) 大质量主序星 ( M >1.5-2 M⊙)
Z—核电荷数（原子序数），N —中子数 A＝Z＋N 原子量
Fe元素具有最大的结合能
结合能较小的原子核聚变 成结合能较大的原子核会 释放能量。
2. H燃烧
4 1H → 4He + E
E＝(4mH－mHe) c2≈(4×1.67×10-24－6.644×10-24) × c2
≈4×10-5 erg
燃烧效率η≈0.7%
揭示中微子失踪之谜
Measurement of the rate of νe + dp + p + e－
Q.R. Ahmad et al. (178 persons)
2001年，SNO的观测结果证实中微子事实上没 有失踪，只是在离开太阳后转化成μ中微子和τ 中微子，躲过了此前的探测，这间接证明中微 子具有质量。

对流不仅传递能量，还起着混合物质的作用。 对流平衡下的温度 dT 1 T dP (1 )( )( ) dr P dr
γ—绝热指数
2. 恒星中的辐射和对流区
判据 辐射区 | dT/dr (rad) | < | dT/dr (conv)| 对流区 | dT/dr (rad) | > | dT/dr (conv)| 由辐射平衡下的温度梯度知对流区出现的条件： 温度低或产能率高。
简并气体 (degenerate gas)
(1) 电子简并条件：高密、低温。 (2) 电子简并压的物理成因 ： Pauli不相容原理：电子不可能占据两个相同的能态 Heisenberg测不准原理 △X△PX＞h (3) 电子简并压
非相对论性电子（v<<c）: Pe~ρ5/3
相对论性电子（v≤c）: Pe~ρ4/3 抗压缩性，与温度无关 (4) 离子压强 PI＝ρkT (X＋Y/4 ) /mH
Direct Evidence for Neutrino Flavor Transformation from Neutral-Current Interactions in the SNO
Q.R. Ahmad et al. (2002)
The number of electron-neutrinos observed is only about one third of the total number reaching the Earth. This shows unambiguously that electron-neutrinos emitted by the Sun have changed to muon- or tauneutrinos before they reach Earth.