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1 江林华 王然科维理天文与天体物理研究所

2 教学计划 教学计划 : 共计 45 学时, 其中教室授课 42 学时 ( 周三上课, 18:40-21:30pm, 三教 103), 观测实践 3 学时 成绩测定 : 平时作业 (20%) 观测实践 (10%) 随堂测验(20%) 期末笔试(50%) 联系方式 : 王然 [email protected] 江林华 [email protected] 助教 : 吴晋 [email protected]

3 参考书 Fundamental Astronomy (8 th edition), Hannu Karttunen et al., Springer 2007 Astronomy Today (8 rd edition), Eric Chaisson, Steve McMillan 天文学教程 ( 上 下册 ), 胡中为等, 高等教育出版社,2003 基础天文学, 刘学富主编, 高等教育出版社, 2004 天文学新概论 ( 第四版 ), 苏宜编著, 科学出版社,2009

4 课程安排 序号日期内容 1 9 月 14 日 绪论 2 9 月 21 日 天文望远镜 3 9 月 28 日 天球与天球坐标系, 时间 历法 4 10 月 12 日 天体的运动与距离, 测光与光谱观测 5 10 月 19 日 行星与小天体 6 10 月 26 日 太阳 7 11 月 2 日 恒星及其演化 8 11 月 9 日 双星与变星 9 11 月 16 日 超新星与致密天体 月 23 日 观测实习 ( 时间可能根据天体调整 ) 月 30 日 星际介质和星团 月 7 日 银河系 月 14 日 河外星系和星系团 月 21 日 宇宙学 I 月 28 日 宇宙学 II

5 教学安排 考试时间 2017 年 1 月 11 日晚上 PPT available at:

6 第一讲绪论 Astronomy 字面意识是 law of the stars 来自于希腊语 αστρονομιά (astronomia) 其中 α στρον (astron, stars ) νο μος (nomos, law )

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8 猎户座 α( 参宿四 ): 红超巨星, 大约 10~30 太阳质量恒星演化到晚期, 壳层膨胀冷却, 向周围抛射大量物质 Credit : ution

9 VLT IR image Kervella et al HST HST UV image of Betelgeuse Dupree & Stefanik 2013 VLT NIR image at 37 milliarcseconds resolution Credit:ESO and P. Kervella VLT 参宿四处于红超巨星, 正在将大量的物质抛出到星际介质中 通过不同波段的观测, 可以看到恒星周围包层物质的分布

10 猎户座分子云复合体 : 巨分子云, 恒星形成区, 距我们约 1450 光年距离, 尺度约为 240 光年, 包括了很多发射星云, 反射星云, 暗星云 HII 区 (M42, 巴纳德环 M78, 马头星云 M43 等 ), 猎户座 OB1 星协 ( 腰带三星等具有共同起源的大量 O B 型大质量恒星, 以及更多的小质量恒星, 正在形成的原恒星等 ) 研究恒星形成的天然实验室 Credit : Rogelio Bernal Andreo - HeadToToes.jpg

11 天文学研究 : 认知星空, 运用物理规律理解天体 宇宙的演化 ; 寻找天体 : 天球坐标系 周日视运动 ; 观测天体 : 天文望远镜 ; 天体的性质 : 星等 光度 质量 温度 密度 Credit : Rogelio Bernal Andreo - HeadToToes.jpg

12 天体系统的概述 ; 古代天文学 ; 中国古代天文学发展 ; 其他古文明 ; 近 现代天文学的进展 ; 天体物理学的发展 ; 天文学与物理学 ; 天文学与技术 ;

13 地球和月亮 地球 : 半径 6400km, 质量 6x10 24 kg; 月亮 : 半径 1700km, 质量 1.4x10 22 kg; 地月距离 :3.8x10 5 km

14 嫦娥探月 2013 年 12 月 14 日 21 点 11 分 我国嫦娥三号着陆器和玉兔号月球车成功在月球软着陆 在国际上首次利用测月雷达实测月壤厚度 (1~30 米 ) 和月壳岩石结构 (1~3 千米 ); 首次在软着陆地点利用数据转发器精确测定地月间距离, 进行月球动力学研究 ; 首次开展日地空间和太阳系外天体的月基甚低频射电干涉观测, 进行太阳射电爆发与空间粒子流 光千米波辐射 日冕物质抛射行星低频噪声和太阳系外天体的甚低频观测研究 ; 首次在月球上采用极紫外相机观测太阳活动和地磁扰动对地球空间等离子层极紫外辐射的影响, 研究该等离子层在空间天气过程中的作用 ; 首次进行月基光学天文观测, 研究太阳系外行星系统 星震和活动星系核

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16 太阳系

17 太阳 - 我们的恒星 太阳参数 : 半径 7x10 5 km; 质量 M 2x10 30 kg ; 光度 L 3.8x10 26 W; 日地距离 ( 天文单位 AU)1.5x10 8 km

18 不同辐射波段的太阳图象 光学 紫外 X 射线 射电

19 NASA 火星车 Curiosity 发布最新火星照片 Image/Video Credits: NASA/JPL-Caltech/MSSS

20 彗星 流星雨与陨石雨

21 恒星演化 恒星世界 球状星团 太阳系外行星探测

22 银河系 千亿颗恒星 半径 : 3x10 17 km 河外星系

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24 活动星系 核心光度 >100 倍银河系总光度 ; 核心半径 < 十万分之一的银河系半径 ;

25 M81 M82 中性氢气体图像 : 揭示星系间的相互作用 (image courtesy of NRAO/AUI)

26 星系团 :( 由几百个星系组成, 大小为银河系的一千倍 ) 秒差距 (pc):3.086x10 13 km 光年 (ly): km, pc 本星系群 本超星系团 (33Mpc) Image Gredit: Wikipedia.org ~3.1 Mpc

27 银河 超星系团 大尺度纤维结构 可观测宇宙 Image Gredit: Wikipedia.org Laniakea Supercluster

28 中国古代天文学 文者, 象也 天先垂文象, 日月五星及慧孛皆谓以谴告一人, 故曰 天文 淮南子天文训 注 ; 上下四方曰宇, 往古来今曰宙 -- 尸子 ; 癸酉贞日夕又食 七日己巳夕有新大星并火 商代甲骨文中出现的关于日食 月食 新星的记载

29 中国古代天文学 二十八宿 : 为观测日 月 金 木 水 火 土五行星, 将黄道 天赤道附近的恒星背景划分为二十八个区域 ; 通过 入宿度 ( 天体与二十八宿距星距离 ), 去极度 ( 天体与北天极距离 ) 测定天体位置 ;

30 中国古代天文学 甘石星经 见于史册中最早的星表, 大致成书于战国时期, 魏人石申著 天文 8 卷, 齐人甘德著 天文星占 8 卷, 合称 甘石星经, 原书佚失, 在一些相关史籍中, 如唐代的 开元占经, 有零散抄录 ; 周髀算经 -- 我国最古老的天文学和数学著作, 大致成书于西汉时期 : 牵绳游仪法测二十八宿第二宿初见星的宿度 : 第一宿初见星 引自 彩图本中国古天文仪器史 绳 表 圆周长 365 又 1/4 尺 东 第一宿度 西 游仪

31 中国古代天文学 浑仪, 用于测定天体的位置, 最早产生的年代不详, 历朝历代不断改进 ; 到元朝郭守敬将圆环结构简化, 制成简仪 ; 另外, 中国古代著名的天文仪器还有标明 演示天体位置运动的浑象等 六合仪 : 子午双环 三辰仪 : 二分圈 六合仪 : 赤道圈 六合仪 : 地平圈 三辰仪 : 黄道圈 四游仪 : 赤经环, 窥管 三辰仪 : 二至圈

32 中国古代天文学 水运仪象台 : 北宋苏颂发明, 将浑仪, 浑象和报时装置结合, 通过水力推动自动运转, 实现天体的测量 运行演示 报时等功能 ; 引自 彩图本中国古天文仪器史

33 图引自维基百科 中国古代天文学 北京古观象台 : 明 清两代和民国时期的国家天文台 ; 明朝后期, 随着西方传教士的进入, 西方的近现代天文仪器逐渐被介绍到中国 ; 清代的天文仪器主要由西方传教士设计 ( 如, 比利时传教士南怀仁改进丹麦天文学家第谷的设计建造的六件仪器 ), 包括黄道经纬仪 赤道经纬仪 地平经仪 ( 左 ), 纪限仪 ( 中上 ) 象限仪 ( 右 ), 天体仪 ( 中下 ) 等

34 中国古代天文学 史书中的天象记叙与历史年代的断代 争议 : 燧人上观辰, 察辰心而出火 尸子 路史 ; 日中星鸟, 以殷仲春, 日永星火, 以正仲夏, 宵中星虚, 以殷仲秋, 日短星昴, 以正仲冬 尚书 尧典 ; 岁有十二月, 日有十二辰, 子午为经, 卯酉为纬, 天周二十八宿, 而面有七星, 四七二十八星, 房昴为纬, 虚张为经 黄帝内经 ; 懿王元年, 天再旦于郑 竹书纪年

35 一 中国古代天文学 对 1054 年超新星爆发的记载 : 至和元年五月已丑, 出天关东南可数寸, 岁余稍没 --- 宋史志卷九

36 其他古文明中的天文学 埃及 : 公元前 年已经繁荣 金字塔 : 南北非常准确 ; 北门正中入口与地面 30 的通道对北极星 昼 : 日出 日落 ; 夜 : 日落 日出 ; 季节不同小时 长夜不同 阴阳历 :1 年 =365 日 ; 1 月 =29.5 日, 每年 12 个月 +5 天 上埃及神庙天花板上的天文图案 引自 剑桥插图天文学史

37 古巴比伦天文 : 泥板文献中记载了公元前 164 年, 哈雷彗星临近地球 古希腊天文学 : 古希腊的哲学家 自然科学家对天体运动法则的探询和认知对后来的西方近代天文学的发展有着深远的影响, 其中著名的如 : 毕达哥拉斯学派 : 认识到大地是球形的, 提出 cosmos( 宇宙的理性秩序 ) 这一概念 ; 亚里士多德 : 对于地球大致是圆形的论证 ; 喜帕恰斯 : 太阳运动模型, 星等 ; 托勒密 : 发展了地心说体系

38 西方近 现代天文学 16 世纪研究行星在星空背景的运动, 终于导致了哥白尼日心说 对宗教的打击很大 1609 年, 伽里略制造了第一台天文望远镜, 使人类大开眼界 (2009 年是国际天文年, 纪念伽里略使用望远镜 400 年 ) 17 世纪是日心学发展的高峰 牛顿应用行星的运动, 概括和验证了万有引力定律, 并创立了 天体力学, 使天文学从描述天体位置的几何关系, 进入到研究天体之间相互作用的阶段 从研究运动, 到研究造成这些运动的原因, 人类第一次把天体做为力学实验的精确的 实验室

39 天体物理学的诞生 19 世纪中叶以来物理学的发展把天文学推到一个新阶段 对天体亮度测量和光谱分析诞生了天体物理学 1814 年德国夫琅和费用分光镜观测太阳光谱, 发现了太阳的光谱线 这被认为是天体物理学诞生的标志 人类第一次能研究天体的化学组成和物理性质 ( 如温度 压强 光度 能量的产生 以及演化过程 ) 天体物理学就是应用物理学技术 方法 理论研究天体形态 结构 化学组成物理状态和演化规律的学科

40 (1)19 世纪中叶到 20 世纪 1950 年代 特点 : 局限于光学观测, 观测的天体现象是静态的! 望远镜 : 1.02m 折射望远镜 (1897 年 ), 设在美国叶凯士天文台 2.5m 反射望远镜 (1917 年 ), 设在美国威尔逊山天文台 折反射望远镜 (1948 年 ), 改正镜 1.22m/ 主镜 1.86 米, 设在美国帕洛马山天文台 观测到 : 太阳系 ; 太阳系所在的银河系 银河系有 ( 千亿 ) 恒星, 宇宙中有 10 9 ( 十亿 ) 个河外星系

41 (2) 1950 年代 - 现在 ; 天体物理学迅速发展, 已成为天文学的主流 全波段 : 观测手段覆盖了所有的电磁波段, 从无线电波段 红外 光学 紫外 X 射线到 射线 全方位 : 从地面 ( 光学波段 无线电波段和部分红外波段 ) 地下 ( 中微子探测 引力波探测 ) 到空间 ( 红外 紫外 X 射线到 射线 ) 剧烈活动 : 观测到的天体不再是从前所见那副 宁静的面孔 它们爆发的能量之大, 时变之快, 范围之小, 实属前所未见, 闻所未闻 能源之惊人 : 类星体和星系核心单位时间内发射的能量可以比太阳高出 倍

42 类星体的发现和类星体巡天 类星体 : 中心超大质量黑洞处于高速吸积 剧烈演化的阶段, 是我们研究黑洞和星系演化的理想样本 随着观测技术的革新 ( 例如 CCD 在天文观测的广泛使用 ), 类星体探测技术的不断成熟, 已知的类星体样本的数目剧烈增加 引自 :Richards et al. 2009, ApJS, Efficient Photometric Selection of Quasars from the Sloan Digital Sky Survey. II. ~1,000,000 Quasars from Data Release 6

43 星系的哈勃 (Hubble) 定律 由星系谱线红移得到的星系退行速度 V 与星系的距离 D 成正比, 称为哈勃定律 V=H 0 D 其中 H 0 为哈勃常数

44 大爆炸宇宙学 1940s Gamov 等提出宇宙起源于 150 亿年前一次猛烈的大爆炸 随着宇宙膨胀和温度降低, 原初元素相继形成 Gamov 等预言 5-50K 的宇宙大爆炸的残余背景辐射 1965 年 Penzias 和 Wilson 在 7.35 厘米波长发现宇宙背景中存在温度为 3.5 K 各向同性的黑体辐射, 被证实为宇宙微波背景辐射 (CMB) 因此荣获 1978 年诺贝尔物理学奖 2006 年诺贝尔物理学奖授予 John C. Mather 和 George F. Smoot, 表彰他们发现了宇宙微波背景辐射的黑体形式和各向异性

45 宇宙的演化历史 大爆炸 宇宙黑暗时期 宇宙再电离时期 星系的演化 太阳系形成

46 天体物理学的新发展 宇宙的加速膨胀 由于物质 ( 引力 ) 的存在, 宇宙的膨胀应该减慢 但对遥远 Ia 超新星的观测发现宇宙在加速膨胀 暗能量! SN 1997ff Perlmutter,Schmidt 和 Riess 获得 2011 年诺贝尔物理学奖

47 天体物理学的新发展 寻找太阳系外行星系统与地外文明探索 我们人类是唯一的吗? 已发现几百颗木星质量的太阳系外行星!

48 行星接收到的能量 开普勒卫星发现与地球类似的太阳系外行星 已发现上千个太阳系外行星 恒星的表面温度 可居住带 452b: 距地球 1400 光年 地球

49 宇宙中黑洞的形成 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 > 3 M, 将演化为黑洞 恒星的演化及结局

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51 天文学与物理学 广义相对论的建立和检验 广义相对论是关于引力相互作用的理论, 天体现象中有许多引力占主导地位的场合, 因此关于广义相对论一系列实验检验都是由天文学完成的, 这个理论依赖于天体的检验, 而天体的研究又促进其理论的发展, 形成了一个独立的分支学科 : 相对论天体物理 引力红移 (z=gm/rc 2 ); 在白矮星观测中被证实 水星近日点进动 ( 观测与广义相对论预言相符 ) 光线经过大质量物体时弯曲 ( 被日全食时的观测证实 ) 引力波的间接验证 ( 脉冲星 PSR B ; Hulse & Taylor 获 1993 年诺贝尔物理学奖 )

52 Laser Interferometer Gravitational-Wave Observation (LIGO) 2016 年引力波的探测 激光干涉引力波探测器 : 利用光束传播过程中, 受引力波影响, 对于固定传播距离, 传播时间发生变化 LIGO: 两个引力探测器, 分别位于路易斯安那州的 Livingston, 和华盛顿州的 Hanford

53 LIGO 首次直接探测到引力波 ; 双黑洞的并合过程

54 通过同一事件到达 Livingston Hanfort 两个探测器的时间延迟, 可以对黑洞并和事件发生的位置给出初步的测量 Image Gredit : LIGO/Axel Mellinger

55 天文学与物理学 天文学为物理学提供难得的太空实验室 能量 : 太阳光度 L = erg/s; 中子星功率 : ~10 38 erg/s~10 5 L ; 超新星爆发 : 仅光学波段 L~10 41 erg/s~10 8 L ; 星系核的光度 : L~10 45 erg/s~10 12 L ; 射线暴 : L~10 51 erg/s ~10 18 L 温度 : 高 : 超新星爆发时核心的高温可以达到 10 8 ~10 10 K 低 : 宇宙空间 ~0K 密度 : 低密 : 星际介质 0.1 个分子 /cm 3 ( 空气 个 /cm 3 ); 高密 : 太阳 : 160g cm -3 ; 白矮星 : g/ cm 3 ; 中子星 :10 14 ~10 15 g/ cm 3 磁场 : 低磁场 : 星系磁场 ~ 微高斯 ; 强磁场 : 中子星 :10 12 ~10 14 G

56 天文学与物理学 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

57 天文学与物理学 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 ; 射线暴的能源 ; 黑洞系统 ; 宇宙膨胀

58 天文学与物理学 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, 希图用 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 11 项 17 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

59 爱因斯坦和哈勃在 100 英寸望远镜前 物理学家 + 天文学家

60 天文学与技术 工业 : 成像与通讯 柯达 Technical Pan 胶片最初是为观测太阳的天文学家记录太阳表面结构的变化而发明, 后来被医学和工业光谱分析师 工业摄影家和艺术家们广泛使用 电荷耦合元件 CCD 在 1976 年首次在天文学领域开始使用 在很短的几年内它们不仅就替代了望远镜上的传统胶片, 而且很快在个人照相机 网络摄像头和手机中得以使用 ( 哈勃太空望远镜上使用超灵敏的 CCD) 很多成功的通信公司最初都是由射电天文学家成立的 电脑语言 FORTH 最初发明后被用于美国基特峰的望远镜, 在此基础上继而发展成为一个高度盈利的公司 (Forth Inc.) 现在它还被联邦快递 FedEX 用于邮件追踪 著名的通信公司 AT&T 使用了天文学图像处理和分析软件 (IRAF), 一种美国国立光学天文台编写的软件, 来分析电脑系统和固体的物理图像 最常用的来自天文学的发明就是无限局域网 (WLAN) 1977 年, John O Sullivan 发明了一种用来锐化射电望远镜拍摄到的图像的方法 同样的方法被应用于普通的无线电信号, 特别是那些专门用于加强电脑网络的信号, 这现在成为所有无限局域网技术中不可或缺的一部分

61 新世纪的天文学 Credit: ROYAL OBSERVATORY, EDINBURGH/SPL The United Kingdom Infra-Red Telescope: 3.8m telescope for infrared surveys The known most distant quasar ULAS J at z=7.086, i.e billion years (Gyr) ago, when the Universe was 0.77 Gyr old. 在 UKIRT 巡天中作为候选体被发现, 并通过 VLT 中 Antu 望远镜拍摄光谱得到证认 The Very Large Telescope (VLT): Four 8.2m telescopes

62 The Atacama Large Millimeter/submillimeter Array 毫米 / 亚毫米波干涉望远镜阵列 The Karl Jansky Very Large Array: 射电干涉望远镜阵列

63 ALMA observations of V883 Ori ALMA 对年轻恒星周围原行星盘的观测 : 分辨原行星盘的结构到 0.03 尺度, 探测到盘的结构, 分为两个部分, 在 0.1 (42AU) 有明显分界 : 年轻恒星的爆发引起雪线的外移 L A Cieza et al. Nature 535, (2016) doi: /nature18612

64 新世纪的中国天文学 上世纪中国天文设备 2000 年前建成的 :2.16 米口径的光学望远镜, 太阳磁场望远镜,25 米口径射电望远镜,28 面天线的综合孔径射电望远镜,13.7 米直径毫米波射电望远镜等 和国际上天文研究强国相比, 我国天文学还比较落后, 研究条件还比较差, 原始性 创新性特强的课题还太少 我国的国力还不够强! 我国最大的光学望远镜是 2.16 米, 但美国 1917 年有口径 2.54 米的反射望远镜 我国最大的射电望远镜口径是 25 米, 但国际上在 60 年代就有口径 64 米 76 米 305 米口径的射电望远镜 而且我国还没有一个天文卫星上天

65 上海天文台 65 米射电望远镜 天马 进入试观测阶段 新疆拟建设 110 米射电望远镜

66 正在贵州建设的 FAST-500 米射电望远镜 ( 世界上最大单口径望远镜 )

67 LAMOST- 大天区面积多目标光纤光谱望远镜 ( 郭守敬望远镜 ): 已建成的世界上光谱观测效率最高的光学望远镜 (4 米级, 5 度视场, 4000 根光纤 ); 已得到 500 万恒星光谱和参数, 远多于其它巡天 ; 早期数据释放 :

68 新世纪的中国天文学 中国的大型天文项目 : 探月工程 ( ); 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); 暗物质卫探测星 悟空 (2015); HXMT ( 空间硬 X- 射线调制望远镜, 2016); 南极天文台 空间站 天琴计划,12 米光学近红外望远镜,DATE5 THz 望远镜 ; 国际合作 :SKA TMT

69 新世纪的中国天文学 竞争激烈 国外新一代 X 射线卫星设备 :10 多亿美元 ; 空间红外设备 :10 多亿美元 ; 新射电望远镜 : 10 多亿美元 ;11 台光学望远镜 (8-10 米口径 ): 10 多亿美元 ; 下一代空间望远镜 20 多亿美元 前景美好 国力增强, 国家重视, 对天文投入增大 ; 新设备具有竞争力 ; 国际合作密切 急需人才 天文界优秀人才缺乏 ; 需要多方位 多渠道培养

70 作业 ( 思考题 ) 1 你对天文学的哪些领域有兴趣? 天文学的哪些研究成就最吸引你? 你希望从基础天文课上学到哪些知识? 2 你觉得成为一个优秀的天文学家应具备哪些条件? 如何看待天文学与物理学的关系并举例说明? 3 我国近年来正在建设哪些大的天文项目? 你如何看待我国天文研究的前景? 发展中国天文最急迫的需求是什么?