77实测天体物理学PDF课件合辑-中国科技大学-共751页

实测天体物理学实测天体物理学ObservationalAstrophysicsObservationalAstrophysics程福臻程福臻李成李成孔旭孔旭王俊贤王俊贤蒋栋荣蒋栋荣沈志强沈志强蔡红兵蔡红兵胡景耀胡景耀李宗云李宗云2009.2.192009.2.19z天体物理学是天文学中最年轻的一个分支，它是天文学中最年轻的一个分支，它应用物理学的理论和实验技术，研究各类应用物理学的理论和实验技术，研究各类天体的物理性质和和化学组成。。z1859年，德国物理学家，德国物理学家基尔霍夫，研究太阳光，研究太阳光谱，把食盐的火焰放在太阳光束上，发现纳元谱，把食盐的火焰放在太阳光束上，发现纳元素成分，暗线重合，太阳大气有纳元素。素成分，暗线重合，太阳大气有纳元素。zz迄今为止，除了少数太阳系天体外，迄今为止，除了少数太阳系天体外，人类还无法直接与天体接触，对天体的研究都是借助于，对天体的研究都是借助于来自天体的辐射。来自天体的辐射。第一节实测天体物理学的内容实测天体物理学的内容和科学意义和科学意义zz根据预定的研究目的，根据预定的研究目的，利用相应的天文仪器，接受天体的辐射（包括射电、红（包括射电、红外、光学、紫外、外、光学、紫外、XX射线、伽玛射线在内射线、伽玛射线在内的全部电磁辐射，以及中微子、宇宙射的全部电磁辐射，以及中微子、宇宙射线、引力波等）；以及对这些辐射进行线、引力波等）；以及对这些辐射进行处理，从而获得可供进行理论分析的各处理，从而获得可供进行理论分析的各种资料。种资料。一、实测天体物理学的内容一、实测天体物理学的内容天文观测的主要环节天文观测的主要环节zz根据波长由长到短，电磁辐射可以分为根据波长由长到短，电磁辐射可以分为射电、、红外、、光学、、紫外、、X射线和和γ射线等波段，等波段，可见光又可分解为七色光。可见光又可分解为七色光。主要环节主要环节z望远镜：收集尽可能多的天体的辐射。z前置系统：根据不同的研究目的，对望远镜所收集的辐射进行必要的处理。z探测器：将天体的辐射能（已经过前置系统处理）转换为可测信号。z记录设备：能精确记录来自探测器的信号的电子仪器。z数据处理：对记录的原始观测数据进行整理和归算，得到可供理论分析应用的资料。z实测天体物理学在天体物理学的诞生和发展中起着决定性的作用。z实测天体物理学近三十年来所取得的一系列重要成就使整个天体物理学面临着新的飞跃。二、实测天体物理学的科学意义二、实测天体物理学的科学意义第二节关于本课程关于本课程光学波段偏振测量方法光学波段偏振测量方法偏振测量偏振测量六六射电、红外、紫外、射电、红外、紫外、XX、、伽玛等观测伽玛等观测光学波段成像观测方法光学波段成像观测方法光学波段分光观测方法光学波段分光观测方法光学波段测光方法光学波段测光方法望远镜、探测器、记录设备、数据处理望远镜、探测器、记录设备、数据处理常用天文坐标系与计时方法常用天文坐标系与计时方法天体辐射、大气影响天体辐射、大气影响历史、内容、意义和课程安排历史、内容、意义和课程安排内容内容标题标题章章其他波段观测其他波段观测成像观测成像观测光谱观测光谱观测光度测量光度测量观测设备观测设备坐标和时间坐标和时间天体物理的信息天体物理的信息绪论绪论八八七七五五四四三三二二一一004545学时学时((课堂课堂)+15)+15学时学时((实习实习))参考书目参考书目19861986SpringerSpringer--VerlagVerlagObservationalObservationalAstrophysicsAstrophysicsPierrePierreLenaLena199519951984198419971997年份年份CambridgeCambridgeObservationalObservationalAstrophysicsAstrophysicsR.C.R.C.SmithSmith南大南大实测天体物理学实测天体物理学黄佑然等黄佑然等北师大北师大观测天体物理学观测天体物理学刘学富刘学富出版社出版社书名书名编著者编著者学完前七章可参加实习平时习题平时习题闭卷闭卷说明说明10101010101010106060100100分数分数实习实习申请申请操作操作结果结果作业作业考试考试满分满分考核方式考核方式本课程的特点本课程的特点11、紧密结合实测的理论知识；、紧密结合实测的理论知识；22、自由选题的光学观测实习；、自由选题的光学观测实习；33、、CCDCCD及数据处理训练；及数据处理训练；44、多波段观测的基础知识介绍。、多波段观测的基础知识介绍。z天文学是研究宇宙的科学。。zz宇宙：四方上下曰宇，往古来今曰宇宙：四方上下曰宇，往古来今曰宙。宙。————《《淮南子淮南子》》zz宇宙包含了所有的空间、时间、物宇宙包含了所有的空间、时间、物质和能量。质和能量。第三节天文学天文学————观测的科学观测的科学一、空间尺度：从极小到极大一、空间尺度：从极小到极大最遥远星系银河系邻近恒星太阳地球人类细胞原子质子夸克1026m10-20m10-10m100m1010m1021m天体空间尺度（1光年～1016米）z地球直径1.3×10-9光年z太阳直径1.47×10-7光年z太阳系范围1.2×10-3光年z最近的恒星4.3光年z银河系范围105光年z最近的星系106光年z富星系团107光年z可测宇宙1.5×1010光年天体空间尺度比较示意图地球地球太阳系太阳系恒星恒星星团星团星云星云银河系银河系河外星系河外星系星系团年轻星系年轻星系最遥远的星系最遥远的星系二、时间跨度：从过去到未来二、时间跨度：从过去到未来zz向前：：太阳的过去、大爆炸、时间的起点zz向后：：太阳的演化、宇宙的未来宇宙演化的历史宇宙演化的历史三、研究方法：从三、研究方法：从观测到到理论再到再到观测z天文学研究的基础——观测（观察和测量）天文观测是一种“被动”的试验观测→理论→观测z距离极远z时标极长z物理条件极端复杂（温度、密度、压强、磁场）四、发展历史：观测的历史四、发展历史：观测的历史观测设备：肉眼→→望远镜观测地点：地面→→空间观测波段：光学→→多波段→→全波段观测范围：太阳系→→银河系→→河外学科发展：天体测量学→→天体力学→→天体物理学古代天文学古代天文学天文学的起源可以追溯到人类文化的萌芽时代。远古时代，人们为了指示方向、确定时间和季节，而对太阳、月亮和星星进行观察，确定它们的位置、找出它们变化的规律，并据此编制历法。从这一点上来说，天文学是最古老的自然科学学科之一。天体测量学：天体的位置和变化规律最古老的观测仪器—肉眼•当人类目光第一次指向星空，第一次对苍穹上的繁星点点感到惊奇的时候，最早的天文观测就开始了。•人类为了方便对星空的观测，专门修建了观星台，有的甚至建造了巨型的建筑来辅助观测。登封观星台。位于河南登封，建于元朝初年，是中国现存最早的天文台。中国古代天文观测设备北京古观象台，建于1442年。北京古观象台上的仪器从左到右依次为赤道经纬仪、天体仪(公元1673年制造)、玑衡抚辰仪(公元1744年制造)和象限仪。浑仪中国古代天文仪器“浑仪”，公元1437年仿制，陈列于南京紫金山天文台。中国铜铸天文仪器，主要用于测定天体的赤道坐标，也能测黄道经度和地平坐标。圭表中国最古老的一种铜制天文仪器，正南北方向平放的尺叫做圭，直立的柱叫做表。根据正午时表的影子的长度测定一回归年的日数和二十四节气等。公元1439年制造，现陈列于南京紫金山天文台。陈列于南京紫金山天文台的中国古代天文仪器“简仪”。元初天文学家郭守敬创制，将结构繁复的浑仪简化成把地平和赤道两种坐标系统分开，故称简仪。可减少多重环对观测天区的遮蔽。公元1437年仿制。纪限仪纪限仪于1673年制成，重达802千克，是专门用来测量天空中任意两颗星星之间距离的古仪，其基本观测方法是测量以两颗待测星到观测者的两条视线所张的角度。地平经仪制成于公元1673年，重量达到811千克，主要用于测量天体的地平方位角中国早期天文观测成就•早在殷商时期，甲骨文中有有关于日食、月食和新星的记录。•春秋时期，从鲁隐公元年（公元前722年）到鲁哀公十四年（公元前481年）的242年中，记录了37次日食，现已证明其中32次是可靠的。鲁庄公七年(公元前687年)“夏四月辛卯，夜，恒星不见。夜中，星陨如雨。”这是天琴座流星雨的最早记载。鲁文公十四年(公元前613年)“秋七月，有星孛入于北斗，”是关于哈雷彗星的最早记录。•1973年在湖南长沙三号汉墓出土的帛书中有关于行星的《五星占》8,000字和29幅彗星图。前者列有金星、木星和土星在七十年间的位置，后者的画法显示了当时已观测到彗头、彗核和彗尾,而彗头和彗尾还有不同的类型。•《汉书·五行志》记载征和四年（公元前89年）的日食，有太阳的视位置，有食分，有初亏和复圆时刻，有亏、复方位，非常具体；而河平元年（公元前28年）三月关于日面黑子的记载。则是全世界最早的记录。•《汉书·天文志》说：“元光元年六月，客星见于房”，这正是希腊天文学家喜帕恰斯所见到的新星，但喜帕恰斯没有留下关于时间和方位的记载。两汉时期的细致和精密宋代——鼎盛时期•1006年和1054年的超新星的记载，特别是1054年的超新星记录，成为当代天文学研究中极受重视的资料。•这一时期先后进行过五次恒星位置测量：第一次在大中祥符三年(公元1010年)，第二次在景佑年间（公元1034～1038年），第三次在皇佑年间（公元1049～1053年），第四次在元丰年间（公元1078～1085年），第五次在崇宁年间（公元1102～1106年）。其中元丰年间的观测结果被绘成星图，刻在石碑上保存下来，这就是著名的苏州石刻天文图。1054年超新星爆发的观测记录。著名的“蟹状星云”。“蟹状星云”是一颗1054年爆发的超新星的遗迹，距地球约6500光年。世界上现存较早的宋代大型石刻科学星图，刻于公元1247年。星图直径91.5厘米，有星1400多颗。公元10世纪的中国古星图。它是世界上现存最早的星图之一，现列于英国不列颠博物馆。中国宋朝（公元12世纪）的28宿古星象图。两千多年来两千多年来,,中国保存下来的有关日食、月中国保存下来的有关日食、月食、月掩星、太阳黑子、流星、彗星、新食、月掩星、太阳黑子、流星、彗星、新星等丰富的记录，是现代天文学的重要参星等丰富的记录，是现代天文学的重要参考资料。考资料。位于韩国庆州的古观星台，建于七世纪。国外古代天文观测设备位于英国索尔兹伯里北面的著名巨石阵。巨石阵主轴线指向夏至日出方位，其中两块巨石的连线指向冬至日落方向。从空中俯瞰巨石阵。玛雅古天文台。它是一组建筑群，从一座金字塔上的观测点望去：东、东北和东南庙宇分别是春(秋)分、夏至和冬至日出方向。印度德里古天文台，建于1724年。西方古代天文观测的成果——星座z五千年前，在美索不达米亚平原居住，过着牧羊生活的加而尔底亚人，每天晚间眺望星星，将人与动物连接起来，他们创造了三十六个星座，其中有十二个延用至今。z星座的发明，可是说是光学天文学最早的成就之一。星座的确立z到了公元前二世纪，亚力山德里亚的杰出天文学家——托勒密把之前天文学家所记载的内容及另外增加整理的资料，整理出四十八个星座，即为“托勒密”四十八星座，一直延用至今。z随著大航海时代的来临，人们发现“托勒密”四十八星座已经不够用了，于是到了十六世纪，许多天文学家来到南天，加进了更多的星座。z到了一九三○年，当国际天文联合会开大会时，决定把全天划成八十八个星座，这便是我们现在所用的划分。喜帕恰斯和星等的确立z喜帕恰斯被誉为现代天文学之父，他首先将天上的星星按明暗程度分成了六个等级，肉眼可见的最亮的星定为一等星，肉眼可见的最暗的星定为六等星。直到1850年,英国天文学家普森提出一个星等规定为亮度比的2.512倍，定量的给出了星等的定义。z除了星等的区分外，喜帕恰斯也在公元前134年绘制了西方第一份星表，这一份星表帮助哈雷发现恒星的“自行运动”。肉眼时代最伟大的观测家—第谷z第谷是卓越的天文仪器制