第二章 地球的宇宙环境

第三节 恒星和星系

天体：
① 聚集态：各类星体
② 弥散态：星云
③ 星际物质：星际气体、星际尘埃

恒星
星系、银河系、河外星系

201 恒星

201-1 恒星及其自行

恒星的空间速度 = 视向速度 + 切向速度
视向速度：离观察者远去为正，向观察者接近为负
切向速度：表现为恒星在天球上的位移（自行）

201-2 恒星的发光和光谱

大多数恒星的质量不小于太阳质量的10%，也不大于太阳质量的10倍。
能发光的天体，其质量至少要达到太阳质量的百分之几到百分之十。

光谱：

颜色	表面温度
红色	约为3000K
黄色	约为6000K
白色	约为10000-20000K
蓝色	约为30000-100000K

大多数恒星的化学组成：氢（约占90%）、氦（约占10%）、其他元素（不足1%）

201-3 多普勒效应

奥地利物理学家多普勒（1803-1853）
测定光的多普勒效应：观察光的谱线的变化
光谱发生红移（波的频率降低，波长变长）：天体正在退行
光谱发生紫移（波的频率升高，波长变短）：天体在向我们接近
一种测定天体视向速度的方法：测定天体的光的波长变化

201-4 恒星的亮度和光度

亮度：地球上受光强度 / 明暗程度
光度：本身的发光强度

视星等（m）：天体亮度等级
绝对星等（M）：天体光度等级

星等↑，恒星亮度↓

一等星与六等星，星等相差5等，亮度相差100倍。
相邻两星等的亮度比率（级数的公比）R：R⁵ = 100，R = 2.512

天狼星：-1.45等
金星（最亮时）：-4.22等
满月：-12.73等
太阳：-26.74等

普森公式：m = -2.5lgE（m：星等、E：亮度）

标准距离：10秒差距 = 0.1″视差的距离 = 32.6光年
M = m + 5 - 5lgd（d：距离、m：视星等、M：绝对星等）
若d = 10（秒差距），则5lgd = 5，M = m，即绝对星等 = 视星等。

201-5 恒星的多样性

单星、双星（如天狼星）、星团
已知恒星中，双星占1/3

光学双星 / 视双星 / 假双星、物理双星
食双星
半人马座α（南门二）：三合星

疏散星团、球状星团

变星、新星、超新星

变星：
① 食变星 / 几何变星（如英仙座β / 大陵五）
② 脉动变星 / 物理变星
③ 爆发变星：新星、超新星

巨星、超巨星、白矮星

丹麦天文学家赫茨普龙（1873-1967）、美国天文学家罗素（1877-1957）
光谱-光度图 / 赫罗图
主星序、主序星：90%以上
红巨星：温度低、光度大、体积很大
超巨星
白矮星：温度高、光度小、体积很小

脉冲星、中子星
灯塔效应
脉冲星：天体辐射的表现形式
中子星：脉冲星的物理实质

201-6 恒星的演化

202 星系

202-1 银河与银河系

银河 / 天河
英国天文学家赫歇耳（1738-1822）
银河系

银河平均宽度：约为20°
银道与天赤道交角：62°

夏秋之交的黄昏，银河最为明显。
冬去春来的黄昏，银河十分暗淡，不引人注目。

银河系：
① 组成：恒星（一、两千亿颗）、星云、星际物质
② 总质量：约为太阳质量的1400亿倍（恒星约占90%，星云和星际物质约占10%）
③ 形状：一个又圆又扁的圆盘体，直径约为8万光年；中部较厚，边缘很薄，状如铁饼
④ 银极：距南北天极各为62°

核球：长径约10000-13000光年，厚约10000光年
银盘：内侧较厚，约2400-4800光年；外侧较薄，约800光年
银晕：大体成球状，范围很大

202-2 太阳在银河系中的位置和运动

① 太阳（或太阳系）的位置，很接近银河系赤道平面（即银道面）：银河的中线大体上把天球分成相等的两半
② 太阳不位于银河系中心，而是偏踞银盘的一侧：银河两半圈的明暗程度不同；如果太阳位于银河系中心，那么银河各部分的亮度应该大体相同

太阳的位置距银心约2.4万光年
向银心所在方向（在人马座），太阳距银盘边缘约6.4万光年：恒星特别密集，银河显得最宽最亮
在同银心相反的方向，太阳距银盘边缘只约1.6万光年：恒星分布稀疏，银河显得十分暗淡

运动：
① 绕转银心的运动：绕转速度为250km/s，绕转周期为2.5亿年
② 相对于邻近恒星的运动：奔赴点：武仙座方向（近织女星），速度为20km/s

太阳及其邻近的恒星，好似飞行中的群蜂：它们既成群结队地朝某个目标飞行（绕银心转动），又相互间杂乱无章地穿插运动（恒星间的相对运动）。

202-3 河外星系

河外星系 / “河外星云”
星系群
本星系群：约有40个星系
银河系、大麦哲伦云（距离为16万光年）、小麦哲伦云（距离为19万光年）组成一个三合星系

仙女座大星云 / M₃₁：北天唯一的、肉眼勉强可见的河外星系，距离为220万光年

星系团
室女座星系团：距离为6000万光年，占据长40°、宽15°的天空区域，直径为6000万光年，包含2500余个星系

总星系：现有观测工具所能涉及的全部宇宙空间和已被觉察的10亿个星系

202-4 宇宙

宇宙：天地万物的总称，客观存在的物质世界，广漠的空间和存在与其中的天体和弥漫物质

“四方上下曰宇，往古来今曰宙”——《尸子》（尸佼，战国时代）

现代宇宙学所研究的宇宙 / 科学上的宇宙：观测到的宇宙 / 总星系

美国天文学家哈勃（1889-1953）

哈勃定律：星系的退行速度同它的距离成正比：星系愈远，退行速度愈快

大爆炸宇宙学

202-5 天文新发现

① 类星体：新型的“类星射电源”（辐射较强无线电波的天体）
② 3K微波背景辐射 / 宇宙背景辐射
宇宙空间并不空，物质及其能量是普遍存在的
在天空的各个方向上，都有绝对温度2.7K、强度近似相等的微波辐射
③ 星际有机分子：生命现象并不是地球所独有，而是宇宙间的普遍现象

第四节 太阳和太阳系

203 太阳

太阳质量：地球质量的33万余倍 / 太阳系九大行星质量总和的700余倍

203-1 太阳的距离、大小和质量

天文单位：地球与太阳的平均距离
天文上测定天体距离：三角测量法（地球半径+天体的地平视差）（不直接用这个方法测定太阳的距离）
推算太阳的距离：通过对某一个小行星距离的测定，解二元一次方程

日地距离：1.49597892 $\times$ 10⁸ km = 1.496 $\times$ 10⁸ km
太阳的平均视半径：16′
太阳半径：R = 700000 km（地球半径的109倍）
太阳表面积：地球表面积的12 000倍
太阳体积：地球体积的1 300 000倍

太阳质量：M = 1.989 $\times$ 10³⁰ kg 或 1.989 $\times$ 10²⁷ t（地球质量的33万余倍，或全部行星质量总和的745倍）

太阳的平均密度：1.41 g/cm³（核心密度可高达160 g/cm³）

太阳表面的重力加速度：27.4 m/s²

203-2 太阳的热能、温度和热源

太阳常数：8.16 J/(cm²*min)
太阳辐射总量：3.826 $\times$ 10²⁶ J/s
太阳单位面积发射的功率：6.284 $\times$ 10³ J/(cm²*s)
有效温度：5770K
辐射温度：5700K以上
太阳内部：热核聚变（4个氢原子核结合成1个氦原子核）

203-3 太阳的大气

太阳是一团灼热的气体求，无所谓相对于固体表面的大气层。

太阳大气：十分灼热、稀薄
组成：因高温电离的等离子体

① 光球
厚度：约500km
有效温度：5770K
密度：地面大气的万分之几

② 色球
厚度：约2000km
亮度：光球的千分之一
边缘：锯齿状 / 针状体
温度：低层约1万度、高层可达几万甚至几十万度（温度逆升现象）
结构和物理状态：十分复杂

③ 日冕
范围：延伸很广，可达太阳半径的几倍甚至十几倍，没有明确的上界
亮度：很弱，色球的千分之一
肉眼只有在日全食时才可见到。
形状和大小：变幻无定
密度：极低
温度：很高，达百万度以上
日冕膨胀、太阳风

203-4 太阳活动

太阳活动
宁静太阳、扰动太阳

黑子
温度：约4500K
范围：多半：日面南北纬5°-25°之间；甚少：赤道和高纬区域

太阳活动周期
峰年、谷年

光斑（光球上）
耀斑 / 色球爆发（色球上） → 电磁辐射、粒子辐射 → 磁暴、极光
日珥（色球上）

204 太阳系

204-1 太阳系的发现

托勒密的“地心”宇宙体系 / 地心说：天动，宇宙中心是地球
哥白尼的“日心”宇宙体系 / 日心说：地动，宇宙中心是太阳

行星的视动

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行星的留、逆行现象，可以通过GeoGebra模拟演示。
① 地内行星（水星、金星）
S：太阳
E：地球
P：行星
A：行星的投影

② 地外行星（火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星）
S：太阳
E：地球
P：行星
A：行星的投影

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哥白尼体系的缺陷：
① 固体的恒星球层
② 不动的中心天体
③ 匀速的圆周运动

德国天文学家开普勒（1571-1630）：“天空立法者”

行星运动三定律 / 开普勒定律：
① 行星运动第一定律 / 轨道定律 / 开普勒第一定律
② 行星运动第二定律 / 面积定律 / 开普勒第二定律
③ 行星运动第三定律 / 周期定律 / 开普勒第三定律

牛顿（1642-1727）
① 扩展了开普勒第一定律
② 论证了开普勒第二定律
③ 修正了开普勒第三定律，推导出万有引力定律

204-2 太阳系的组成

① 太阳
② 九大行星：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星
五星 / 五行：水星、金星、地球、火星、木星、土星
七曜：水星、金星、地球、火星、木星、土星、太阳、月亮
③ 小行星：已发现并正式命名或编号的：近2500颗
④ 彗星、流星体：已被发现的：约1600颗

204-3 行星

以地球轨道为界：
① 地内行星：水星、金星
② 地外行星：火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星

以小行星带为界：
① 内行星：水星、金星、地球
② 外行星：火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星

提丢斯-波得定则

① 行星在接近的平面上，沿近乎圆形的轨道运动（水星、冥王星除外）
② 行星的自转方向与公转方向相同（金星、天王星除外）
③ 地内行星的自转周期长，木星、土星的自转周期很短（因此，木星、土星都显得比较扁）

根质量、大小、化学组成分类：
① 类地行星：水星、金星、地球、火星
② 类木行星：木星、土星、天王星、海王星

巨行星：木星、土星
远日行星：天王星、海王星、冥王星

性质	类地行星	类木行星
质量	小	大
平均密度	高	低
化学组成	以重物质为主（中心有铁核，含金属元素比例较高）	以轻物质为主（主要为氢、氦、氖等）
固体表面	有	无
光环	无	有
温度	高	低

204-4 彗星

哈雷彗星
长半径：17.95 AU
偏心率：0.967
远日距：35.31 AU
近日距：0.59 AU
公转：逆转
周期：76 年

短周期彗星
非周期彗星

① 彗核：组成：固体颗粒、尘埃、冰冻的水汽、甲烷、氨、二氧化碳等
② 彗发：云雾状的包层
③ 彗尾：方向总是背向太阳

离子彗尾：平直，主要由CO⁺离子组成，常呈蓝色（太阳光作用下的荧光）
尘粒彗尾：弯曲，主要由微尘组成，黄色（反射的太阳光）

即使是最明亮的彗星，也只有当它通过近日点前后才能用肉眼观测到。

204-5 流星和流星体

流星
火流星：亮度超过-5等
偶发流星
流星雨
流星群

陨星：降落到地面
① 石陨星 / 陨石：主要由硅酸盐组成
② 铁陨星 / 陨铁：主要由铁镍金属组成
③ 石铁陨星：介于陨石和陨铁之间

陨星坑

204-6 太阳系起源的星云假说

太阳系的特征：
① 共面性
② 同向性
③ 近圆性

德国哲学家康德（1724-1804）
法国天文学家拉普拉斯（1749-1827）

康德-拉普拉斯星云假说

第五节 月球和地月系

205 月球

太阳、太阴

月球对地球的作用：
① 距离上的接近、相互绕转
② 月相的圆缺变化 → 一种天然的和最早的历法
③ 日月有相同的视大小 → 发生日食现象
④ 对地球上的潮汐现象起着主导作用

1969-1972年间：美国阿波罗登月计划

205-1 月球的距离和大小

三角测量法测定月地距离：
基线：地球半径
天体的视差：从天体到基线两端的连线所夹的角 / 地球半径对该天体所张的角
地平视差：天体位于地平时的视差（视差最大）

月球的地平视差：57′
地球半径：6371 km
月地距离：384 400 km

月球的地心平均视半径：15′33″
月球的半径：r = 1738 km（地球赤道半径的27.25%）
月球的表面积：约为地球表面积的7.4%（(27.25%)²）
月球的体积：约为地球体积的2.03%，或1/49（(27.25%)³）
月球的质量：7.196 $\times$ 10²² kg（地球质量的1/81.3）
月球的平均密度：3.341 g/cm³（约为地球平均密度的60.5%）
月面的重力加速度：1.622 m/s²（约为地面重力加速度的1/6）

205-2 月球表面

月海：广阔的平原，大范围的熔岩流，反照率低，显得阴暗
西部：危海、澄海、静海、丰富海、酒海
东部：风暴洋、雨海、云海、湿海、汽海

月陆：一般高出月海2-3km，反照率高，显得明亮

环形山 / 月坑：数量达33 000个以上，大小十分悬殊，内侧坡度陡峻，外侧坡度平缓
最明显：第谷环形山

月球山脉：高度达7000-8000m，数量不多。向月海的一面陡峭，呈明显的断崖状；向月陆一侧较平缓
月球上最高的山峰：高达9000m

辐射纹

月谷

205-3 月面的物理状况

月球的微重力 → 不能保持大气
月面逃逸速度：2.4 km/s（地面逃逸速度是11.2 km/s）

① 没有大气，声音得不到传播
② 没有大气，无法保持水分
③月面的温度变化十分剧烈

月球的内部构造：
① 月壳：厚度约60km
② 月幔：月面下60-1000km
③ 月核：1000km以下，温度约为1000K，可能由硅酸盐类物质组成

刚性的岩石圈：月壳+月幔
软流圈：月核

月球几乎没有磁场，也没有地球那样的磁层。

206 地月系

206-1 地月系的绕转

地月系：月球绕转地球构成的一个天体系统

月球绕地球公转的轨道：
椭圆
半长轴 / 月地平均距离：384 400 km
偏心率：0.0549
近地点距离：363 300 km
远地点距离：405 500 km
月球的视半径：16′46″ - 14′41″（近地点时月轮较大，远地点时月轮较小）

白道：月球轨道在天球上的投影
黄白交角：5°9′
月球赤纬：±23°26′±5°9′
月球直射点可达：赤道南北28°35′

天文上的月	参考点
恒星月	恒星
近点月	近地点
交点月	黄白交点
朔望月	太阳

恒星月：
月球绕转地球的真正周期
长度：27.3217日 / 27日7时43分12秒

平均角速度：每日13°10′ / 每小时33′
月球运动的线速度：（平均）每小时3672km / 每秒1.02km（接近近地点：速度最快；过远地点：速度最慢）

月球是天空中唯一可以“目睹”其运动的天体：
向东运动：每小时15°（随天球周日运动）
向西运动：每小时0.5°

206-2 月相和朔望月

月相：
① 太阳照射月球的方向
② 地球上观测月球的方向

朔望月（月球同太阳的会合周期）：29.5306日 / 29日12时44分3秒

距角：在天球上同太阳的角距离

① 月亮愈圆，夜晚见月时间愈长；月亮愈窄，见月时间愈短
② 月相、时刻、月亮方位三者之间有固定的联系

峨眉月：农历月底，黎明出现在东方，形状如同眉毛