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（借黑洞第一次爆照之际，蹭一波热度哈哈）
第一讲 绪论
星系的哈勃(Hubble)定律：V = H_0 \times D，其中H_0为哈勃常数
大爆炸宇宙学
太阳的结局：不是黑洞，而是白矮星 大质量恒星（> 20 M_⊙ ）经历超新星爆发后, 如中心残留天体质量 M>3M_⊙ , 将演化为黑洞。
关于广义相对论一系列实验检验都是由天文学完成的
天文学为物理学提供难得的太空实验室
中国古代天文的一些成就？
- 公元前2400年已有专职天文官;
- 系统形成于公元前770-220年。商代甲骨文中就出现关于日食、月食、新星的记载。天文学仅次于医学和农业，与数学并列，是当时四大自然学科之一。
- 《周髀算经》是我国最古老的天文学和数学著作，大致成书于西汉。
- 16世纪前著名的天文学家有：张衡、郭守敬等。
- 浑仪：用于测定天体的位置
- 浑象：标明、演示天体位置运动
- 测量精确、历史悠久
- 观测超新星
如何看待天文学与物理学的关系并举例说明？
- 天体物理揭示了迄今最令人迷惑的物理学世界，为物理工作者提供了难得的实验基地，为新理论提供了源源不断的新素材，是当今自然科学的最前沿阵地之一。
- 天文学中的新发现给物理学以极大冲击：太阳中微子失踪问题、太阳耀班高能过程、类星体、活动星系核的能源机制，暗物质，暗能量,伽玛射线暴，宇宙喷流等等向物理学理论提出了重大挑战。
- 高能物理，引力理论，核物理、凝聚态物理、等离子体物理等都可能在天文学中找到重要的应用和突破
- 相互促进
- 20世纪初物理学家预言 光线在太阳引力场中弯曲； 水星近日点的运动规律; 引力场中的光谱红移； 中子星的存在； 宇宙微波背景辐射的存在； 黑洞的存在； 引力波
- 天文学观测的贡献 万有引力定律； 氦元素的发现； 热核聚变的概念； 白矮星理论； 视超光速现象； 类星体与活动星系核；\gamma射线暴的能源; 黑洞系统； 宇宙膨胀
- 物理学家涉足天文学领域的研究成为必然。天体物理学已成为物理学的重要分支。
- 天文学家也密切注视物理学的发展，试图用物理学的原理来解释我们宇宙的过去、现在和将来。
- 天文学的发展已对物理学产生重大影响。从1970年开始，已有12项、20位天体物理学家获得诺贝尔物理学奖。大多数项目的研究成果是物理学和天文学最完美的结合。
我国近年来正在建设哪些大的天文项目？
- 探月工程（2007-2019）
- LAMOST(4米大天区面积多目标光纤光谱望远镜, 2008)
- FAST(五百米口径球形射电望远镜, 2016)
- 暗物质探测卫星“悟空”(2015);
- HXMT(空间硬X-射线调制望远镜“慧眼”, 2017)
- 南极天文台、空间站光学平台、12米光学红外望远镜、SKA、TMT。。。
第二讲：天文望远镜
认识宇宙的途径：
使用望远镜的目的
- 增加我们能接收到的光子总数,即灵敏度
- 增加我们细节的分辨本领,即分辨率
光学天文望远镜
- 折射望远镜
- 优点：焦距较大、相对口径较小，工作视场大；对镜筒弯曲不敏感。
- 缺点：有残余色差，对紫外、红外波段的辐射吸收厉害，难以浇制和磨制。
- 反射望远镜
- 优点：口径大，无色差，对镜面材料要求低，易磨制。
- 缺点：视场较小，镜面互相挡光。需重新反复镀反射面，部件组装、校准困难。
- 折反射望远镜
- 优点：视场大、成像质量好（改正镜改正了像差）。适用于观测有视面天体（行星、星云）。适于巡天和流星、人造卫星观测。
- 缺点：改正镜难磨制，不能做得很大。
主动光学技术、自适应光学技术和大镜面拼接等先进技术的发展，突破了对光学镜面口径限制。
为何说口径是望远镜最重要的参数？口径2米的光学望远镜角分辨率约为多少角秒？
- 聚光本领 I\propto \pi D^2
- 分辨本领 \theta = 1.2\lambda/D
因此，衡量望远镜的重要参量是口径。
\theta=1.2\times500\times10^{-9}/2=3\times10^{-7}=1.7\times10^{-5}\text{度}
按光路的不同，反射望远镜可分哪几种？分别画出它们的光路示意图。
决定天文台址的最重要参数是什么？在我国哪些地方可能找到好的地面天文台址？
- 城市光污染
- 空气清洁度
- 少云
- 干冷
- 高、广阔空地
- 大气视宁度
为何要进行空间天文观测？哪些波段的观测只能在空间进行？LIGO探测引力波的原理是什么？如何探测不同频率的引力波？
哈勃空间望远镜在大气外运行不受地球大气的吸收、散射和大气抖动的影响。因而有高的分辨本领，宽的工作波段及高的灵敏度。
远红外、紫外、 \gamma 射线、X射线
激光干涉探测引力波
使用不同波长激光，改干涉臂长
第三讲 天球与天球坐标系
球面三角的基本公式
\frac{\sin a}{\sin A} = \frac{\sin b}{\sin B} = \frac{\sin c}{\sin C}\\ \cos a = \cos b\cos c + \sin b\sin c\cos A\\ \cos A=-\cos B\cos C +\sin B\sin C\cos a
地理坐标： 经度 \lambda ,纬度 \phi
天极，天赤道，天顶，天底，真地平，天子午圈，四方点，卯酉圈，黄道，黄极，黄赤交角，二分点，二至点
当地的地理纬度等于北极星的地平高度
- 地平坐标系 (最直观)
- 地平高度 h: 由真地平沿过天体的地平经圈向天顶、天底量度
- 方位角 A: 由北点沿真地平顺时针度量到过天体的地平经圈
- 时角坐标系
- 原点：子午圈与天赤道南边的交点。
- 赤纬 δ：由天赤道沿过天体的赤经圈向两极方向度量 （00 -±900）
- 时角 t：由原点沿天赤道顺时针量至天体所在赤经圈 （0h – 24h）
- 赤道坐标系（最重要）
- 原点：春分点(vernal equinox)
- 赤纬 δ (Dec: declination)：同上
- 赤经 α (RA: right ascension)：由春分点沿天赤道逆时针方向量至天体所在赤经圈 （0h –24h; 0-360o) （1h=15o）
- 黄道坐标系
- 原点：春分点
- 黄纬β：由黄道沿过天体的黄经圈向两边度量 （00 — ±900）
- 黄经λ：由春分点沿黄道逆时针量至天体所在黄经圈与黄道的交点（00 – 3600)
- 银道坐标系
- 原点：银道与赤道的北交点（1958年前）银河系中心方向（现在）(α=17h45.7m, δ=-29o)
- 银纬 b：由银道向北（南）度量（00 - ±900）
- 银经 l：由银河系中心逆时针量至天体所在银经圈与银道的交点 （00 – 3600)
永不上升与永不下落天体 永不下落天体：δ≥（900－φ） 永不上升天体：δ≤－（900－φ）
天体的中天 1、上中天：在天极以南过子午圈。 2、下中天：在天极以北过子午圈。
当太阳位于：
- 春分点时:（3月21日） α＝0h δ＝00
- 夏至点时:（6月22日） α＝6h δ＝230.5
- 秋分点时:（9月23日） α＝12h δ＝00
- 冬至点时:（12月22日）α＝18h δ＝－230.5
公转和自转轴倾斜是四季变化的原因
两颗星赤道坐标分别为α1 = 10 h, δ1 = 30 和α2 = 12 h, δ2 = 45， 用球面三角公式求二者之间的角距离。
\cos a = \cos b\cos c + \sin b\sin c\cos A
在地球北纬 30^\circ 处，当春分点位于西点时，问北点、东点和南点的赤经和赤纬分别是多少？
- 北点：270° 60°
- 东点：180° 0°
- 南点：90° -60°
写出春分、夏至、秋分、冬至四点的赤经和赤纬坐标。太阳分别运行到这四点的日期大约是多少？
- 春分 0° 0° 3月21日
- 夏至 90° 23.5° 6月22日
- 秋分 180° 0° 9月23日
- 冬至 270° -23.5° 12月22日
北京地理纬度约为40度，对北京观测者来说永不下落和永不上升的天体的赤纬范围分别是多少？
永不下落： \gt50^\circ
永不上升： \lt-50^\circ
地球上冷暖变化的主要原因是什么？
公转和自转轴倾斜是四季变化的原因
第四讲 时间与历法
时间计量的基本原则
- 选择某一运动规律已掌握，运动状态可观测到的具体事物。
- 选取该事物的某一运动过程为时间的基本单位。
- 选取该事物的某一运动状态为时间计量的起算点。
时间计量系统
- 恒星时
- 定义：以春分点的周日视运动为依据建立的时间系统。
- 时间单位：恒星日—春分点连续两次上中天的时间间隔。
- 起始点：上中天
- 等于春分点的时角 S = tr = α+ t
- 真太阳时
- 定义：以太阳视圆面中心的周日视运动为依据建立的时间系统。
- 时间单位：真太阳日—真太阳连续两次下中天的时间间隔。
- 起始点：下中天
- m_⊙ ＝ t_⊙＋ 12h
- 真太阳时比恒星时每日约长4分钟 m_⊙ ≈ s ＋ 3m56s
- 真太阳时不是均匀的时间计量系统。
- 平太阳时
- 定义：以平太阳的周日视运动为依据建立的时间系统
- 时间单位：平太阳日—平太阳连续两次下中天的时间间隔
- 起始点：下中天
- 平太阳时以平太阳的时角度量 ： m = t_m + 12\mathrm{h}
- 平太阳时是我们最经常使用的计时系统
- 真太阳的时角与平太阳的时角之差，为时差 η= t_⊙ – t_m 时差的零点与极大值：一年中 η 四次为零，四次为极大值
北京时间不是北京地方平时，二者相差约14.5分钟。
国际日期变更线：由西向东每过一个时区，就要增加一个小时，因此，由西向东越过日界限，日期减少一天；而由东向西越过日界限，日期增加一天。
时间换算：
- 1恒星日=365.2422/ 366.2422平太阳日：m＝s（1－1／366.2422）
- 已知平时求恒星时： S＝S_o＋M（1＋1／365.2422）
为什么要对世界时 (地球自转时间) 进行改正? 世界时不是一个均匀的时间计量系统
原子时
- UT＝TAI－0s.0039
- 原子时是一种均匀的时间计量系统，秒长固定，测定容易。
- 但它是一种“物理时”，与前两种“天文时”在实现方式上有根本的区别。
协调世界时（UTC）
- 世界时与原子时的折衷协调产物
- 由于世界时的秒长逐年增加,势必造成世界时落后于原子时，一年内可累计达1秒左右。为避免原子时与世界时产生太大的偏离，1972年决定采用UTC系统。
历法
- 太阴历：（回历）以朔望月为基本单位。
- 优点： 日期和月相吻合很好，对于预测海洋潮汐、安排渔业生产等有一定的作用。
- 缺点：与季节变化严重脱节，使太阴历不适用于农牧业的需要。
- 太阳历：（公历）以回归年为基本单位。
- 阴阳历：（农历）以朔望月计月，以回归年计年，二者兼顾。
- 优点：既能使每个年份基本符合季节变化，又使每一月份的日期与月相对应。
- 缺点：历年长度相差过大，制历复杂，不利于记忆。
儒略日（JD，Julian date） 起算点：1858.11.17 世界时零时
真太阳时比恒星时每日约长几分钟？原因是什么？
太阳在周日视运动的同时，又以逆时针方向做周年视运动，每日在黄道上自西向东约运行1度，因此真太阳时比恒星时约长4分钟。
哪些原因导致基于天文方法得到的时间精度不高？比它更精确和稳定的时间标准是什么？
影响的因素——扰动地球自转的各种力
- 极移
- 地球自转不均匀
- 季节变化（上半年慢，下半年快）
更标准的是原子时
为什么要采用协调世界时（UTC）？利用它如何调整时刻？
这是世界时与原子时的折衷协调产物：
- 大地测量、天文导航、空间探测器的跟踪、定位需要以地球自转为依据的世界时时刻，精密校频等物理领域则要求以原子时为基准的均匀时间间隔。
- 由于世界时的秒长逐年增加,势必造成世界时落后于原子时，一年内可累计达1秒左右。为避免原子时与世界时产生太大的偏离，1972年决定采用UTC系统。
- 协调：用跳秒（也叫闰秒即增加1s或减少1s）的方法，使其与世界时（UT1）的偏离在0s.9之内。（通常是正闰秒）
- 调整时刻：每年首选是12月31日和6月30日或 3月31日和9月30日的最后一秒，由国际地球自转服务中心局（IERS）根据天文观测做出决定，并预先通知。
儒略历和格里哥里历的闰年分别是如何设置的？试比较它们的平均历年长和回归年长的差异。
儒略历：每隔三年一闰，平均历年长：365.25日
格里历：改为400年97闰，回归年长：365.2425
回归年长： 365.2422
天文学家们经常采用的儒略日（JD）的起算时间是什么时候？约化儒略日（MJD）是如何定义的？
儒略日起算点：公元前4713年儒略历1月1日世界时12时
约化儒略日起算点：1858.11.17 世界时零时
第五讲 天体的运动与距离
内行星和外行星的不同
- 相对太阳的位置：
- 外行星：可以位于太阳东侧的任何位置，即外行星阳的地心黄经之差00-3600之间任意取值；
- 内行星：只能在太阳附徊，即内行星和太阳地心之差只能在一定的范围化。
- 运动路线：
- 内行星：上合—东大距—留—下合—留—西大距—上合
- 外行星：合—西方照—留—冲—留—东方照—合
行星的会合周期（E：地球公转周期E = 365.256 ；S：会合周期；T：行星公转周期。 ）
- 内行星： \frac{1}{S} = \frac{1}{T_内} – \frac{1}{E}
- 外行星： \frac{1}{S} = \frac{1}{E} – \frac{1}{T_外}
行星距离的提丢斯-波德定则（水星n=-∞, 金星n=2, 地球n=3,火星n=4,…）
a_n=0.4+2^{n-2}\times0.3(AU)
严格推导出开普勒第三定律为
a^3/T^2＝G(M_1＋M_2)/4π^2
日食的分类
月食的分类
恒星的距离
- 雷达测距
- 三角视差法（只适用于近距离（≤30-500 pc）的恒星）
- 1 秒差距：周年视差为1″的恒星的距离（1 秒差距 (pc)=3.086×1016米= 3.26光年）
- 天文单位（A.U.）: 平均日地距离（1天文单位=1亿5千万公里== 1.496 x 1011米）
- 光年（L.Y.）：1LY = 9.46 x 1015米
- 分光视差
- 恒星视差
- 脉动变星
- 标准烛光
- 红移法
傍晚前后，可否在东方看到金星和水星？
不能
写出提丢斯－波德定则，并利用其求出金星、火星和木星离太阳的距离。
a_n=0.4+2^{n-2}\times0.3,\text{(AU)}
火星的会合周期为780天，求它的公转周期和到太阳的距离。
1/S=1/E-1/T_\text{外}\\ \frac{T_1^2}{T_2^2}=\frac{a_1^3}{a_2^3}
为何没有‘月环食’？想象月球上的居民在新月的时候看到地球是什么相？在满月的时候呢？
因为地球的体积远比月球大。新月看满地，满月看新地
由近到远测量天体距离的方法有哪些？
第六讲 测光与光谱观测
- 光度（luminosity; L）：天体在单位时间内辐射的总能量
- 视亮度（brightness; F）：在地球上单位时间单位面积接收到的天体的辐射能量
- 视星等m (apparent magnitude)：定义星等相差5等的天体亮度相差100倍。星等值越大,视亮度越低。
- 绝对星等M (absolute magnitude)： M=m+5-5 log d (pc) M1-M2 =-2.5 log (L1/L2)
消光
\begin{equation} P_\lambda(z) = P_\lambda(0)^{m(0)}\\ m(z) = \sec z=1/\cos z\\ m_z-m_0 = -2.5\lg P_\lambda(z)=k_\lambda m(z)\\ k_\lambda =-2.57\lg P_\lambda(0) \end{equation}
The distance of a star is r = 100 pc and its apparent magnitude m = 6. What is its absolute magnitude
M=m+5-5 \log d \text{(pc)}=1
The absolute magnitude of a star is M = 2 and the apparent magnitude m = 8. What is the distance of the star?
d=10^{(m-M +5)/5}=1000\text{pc}
一类星体绝对星等为-24, 其光度应是太阳的多少倍（太阳绝对星等为4.75）？
M_1-M_2 =-2.5 \log (L_1/L_2)\approx 10^{11.5}
在天顶距为40,55,65度时分别测得一恒星视星等为0.90,0.98,1.07等，求其未受大气消光前的星等。
一原子的两条谱线波长分别为3726和3729，试问光谱分辨率至少多大才可能观测到这两条谱线？用棱镜作为色散装置可以做到吗？
光栅、棱镜、棱栅
第七讲 行星和小天体
太阳系成员：太阳，大行星，矮行星，卫星，小行星，彗星，流星体，行星际物质
原始太阳星云旋转碰撞，太阳与其他恒星相撞，太阳俘获
大行星分类：
水星
- 辰星
- 亮度0.3等
- 白昼的温度高达+400℃，而在夜间的温度降至-170 ℃左右。
金星
地球
火星
- -2.01等
- 大气稀薄，二氧化碳主要成分，云的主要成分为干冰
- 白天赤道附近最高可达20℃，晚上最低温度降到-80℃
- 有两颗小卫星
木星
- 不是固体球，液体
- 氢占82％,氦占17％
- -140℃
近地小行星：
- 阿坦型 （Aten）
- 阿波罗型（Apollo）
- 阿莫尔型（Amor）
流星
- 12～72km/s
- 水的密度的1/20，固体
- 偶发流星、周期流星（流星雨）
- 火流星不完全烧蚀形成陨石
“较正确”的 太阳系知识
- 太阳系由内围四个较像地球的较小行星，和外围四个较像木星的庞大行星组成，两组行星间有一条小行星带，而海王星之外，还有一组叫柯伊伯带的小星群，及彗星的故乡奥尔特云。
- 太阳系由八个行星及卫星 、一些“矮行星”及“小天体”组成。
- “八个行星”:水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星
- “矮行星”:首批成员有谷神星(Ceres)、冥王星(Pluto)和齐娜(Eris、2003 UB313）三个天体；2008年加入鸟神星(Makemake)和妊神星(Haumea)
- “ 小天体”: 其它环绕太阳运行的天体
掩食
太阳系的成员包括哪些天体？
太阳，大行星，矮行星，卫星，小行星，彗星，流星体，行星际物质
八大行星中，哪些为类地行星？哪些为类木行星？它们有哪些明显不同？
- 类地行星：水星、金星、地球、火星 体积小、密度大、中心有铁镍核、金属含量高、自转慢、卫星少。
- 类木行星：木星、土星、天王星、海王星 体积大、密度小、主要由H 、He组成、无固体表面的流体行星、自转快、卫星多。
简单叙述一下火星的大气和温度情况？你认为火星上有可能存在生命吗？
- 大气稀薄，二氧化碳主要成分，云的主要成分为干冰
- 白天赤道附近最高可达20℃，晚上最低温度降到-80℃
- 有两颗小卫星
可能有生命吧。。
太阳系的矮行星和小天体各包括哪些？把冥王星不列为大行星有哪些理由？
- 谷神星(Ceres)、冥王星(Pluto)和齐娜(Eris、2003 UB313）、鸟神星(Makemake)和妊神星(Haumea)
- “ 小天体”: 小行星、彗星
发现太阳系外行星的方法主要有哪几种？画出Kepler卫星发现系外行星方法的示意图。
掩食、微引力透镜、视向速度、直接观测 |
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窥视卡
雷达卡
发表于 2022-12-14 15:06:26
提升卡
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