天文学基础知识

天文学基础知识内容天文学的基本概念天文学的研究方法和特点宇宙概观天文学的分支学科天文学研究的意义天文学的起源和发展中国天文学2一、天文学的基本概念什么是天文学？天文学的研究对象天体天文学与气象学的区别与联系天文学与地球科学的区别与联系3１什么是天文学？天文学是人类认识宇宙的一门自然科学；它观测和研究各种天体和天体系统，研究它们的位置、分布、运动、结构、物理状况、化学组成和起源演化规律；是自然科学中的基础学科之一；4２天文学的研究对象地球大气层内的物体和现象通常不是天文学的研究对象，除非它们起源于太空。研究对象是宇宙空间中的天体和其他宇宙物质。天文学观测和研究它们的位置、分布、运动、形态、结构、物理状态、化学组成、相互关系和起源演化。5天体和宇宙物质天体：指宇宙空间(太空)中的一切实体，包括自然天体和人造天体。其他宇宙物质：指行星际、星际和星系际的弥漫物质和各种微粒辐射流以及作为物质存在形式的电磁场和引力场等。6天文学与气象学的区别与联系两者以地球大气层为分界，研究对象分别为大气层之外和之内。大气对天文现象、天文学研究产生影响。许多天文现象又会影响气候和天气。7天文学与地球科学的区别与联系地球本身是一个运行于宇宙空间中的天体。它的空间运动、它与其他天体的相互作用、它的起源与演化等属于天文学的研究范畴。大气科学、海洋科学、地球物理学、地球化学、地质学等，研究地球自身的属性则属于地球科学的范畴。地球科学的某些成果会推动并丰富天文学相关领域的研究，而且地学与天文学的某些分支学科相互交叉而形成新的边缘学科。8二、天文学的研究方法和特点9１天文学研究的特点观测（观察和测量）是主要的研究手段。观测工具的改进和观测方法的革新会推动天文学的发展。天文学是沿着观测——理论——观测的途径发展的。研究对象距离远，时标长，物理条件极端复杂（密度、温度、压强、磁场），因此，在实验室里难以进行模拟研究。从“一瞬”来研究“一生”，即利用天体的空间广延性与时间广延性相统一的特性，来研究天体和宇宙的演化。10２天文学的研究方法天文学的研究方法试验陨星登月理论探讨观测古代的纯肉眼观测光学望远镜肉眼分光测光照相CCD射电望远镜空间探测天文学以对天体的观测作为基本的研究方法11天文学的观测工具英国的巨石阵考古家认为它是用于观测太阳和月亮升起的位置与时间。12它的主轴线、通往石柱的古道和夏至日早晨初升的太阳，在同一条线上13天文学的观测工具中国的浑仪浑仪是用来测量天体球面坐标的一种仪器。浑仪结构复杂，是由一环套一环的同心圆环构成，好像一个镂空的球体，这些圆环分别代表地平圈、子午圈、赤道圈、赤经圈、黄道圈和白道圈。东汉时的天文学家张衡说过：“立圆为浑”，因此称这种仪器为浑仪。14天文学的观测工具中国的简仪郭守敬（1231-1316年），河北邢台人，元代著名的天文学家。简仪从浑仪的复杂结构中分离出来，分解成由赤道环和赤经环组成的赤道经纬仪和由地平环及地平经环组成的地平经纬仪两个独立的仪器。这样的简仪结构十分简单，大大增加了观测的视野，克服了浑仪的两个最大缺陷，大大提高了观测精度。赤道经纬仪和地平经纬仪是分装在同一个长方形的铜基座上，总称为简仪。15紫金山天文台的古观象仪浑仪（左）和简仪（右），明代复制16天文学的观测工具光学望远镜1718哈勃太空望远镜19射电望远镜202122空间探测器Explorer1-5，1958：1-8Pioneer3&41958:12；1959:323个人一小步，人类一大步24神舟飞船25三、宇宙概观宇宙的概念宇宙大爆炸理论宇宙学宇宙的层次结构26１宇宙的概念广义：物质现象的总和，指无限多样、永恒发展的物质世界。是由空间、时间、物质和能量所构成的统一体。宇宙是时间和空间的总和。哲学上，宇宙是指与精神世界相对的客观物质世界，是无始无终，无边无际的。27１宇宙的概念狭义(可观测宇宙)：指一定时代观测所及的最大天体系统，即天文学中的“总星系”。天文学所称的宇宙，是广漠空间以及其中存在的各种天体和各种形态的物质的总称。28universe和cosmos前者强调的是物质现象的总和，后者强调的是整体宇宙的结构或构造。人类认识宇宙是一个无限深化的过程，在某一个具体的时间断面上，人类只能认识到由有限对象组成的具体的宇宙。目前普遍认为：宇宙产生于大爆炸，宇宙是平坦的，并在做加速膨胀。29２宇宙大爆炸理论宇宙大爆炸理论是俄裔美国科学家伽莫夫在1948年提出来的。这个理论认为，宇宙开始是个高温致密的火球，它不断地向各个方向迅速膨胀。当温度和密度降低到一定程度，这个火球发生了剧烈的核聚变反应。随着温度和密度的降低，宇宙早期存在的微粒在引力作用下不断聚集，最后逐渐形成今天宇宙中的各种天体。这一理论体系被称为“宇宙大爆炸模型”，与DNA双螺旋模型、地球板块模型、夸克模型一起，被认为是20世纪科学中最重要的四个模型。30空间时间31３宇宙学Cosmology从整体角度探讨宇宙结构和演化的天文学分支学科。现代宇宙学包括密切联系的两个方面，即观测宇宙学和理论宇宙学。前者侧重于发现大尺度的观测特征，后者侧重于研究宇宙的运动学和动力学以及建立宇宙模型。32４宇宙的层次结构物质世界可分为微观世界、宏观世界和宇观世界。33４宇宙的层次结构天文学所研究的对象大多属于宇观世界。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。各种天体分别处于宇宙的各个层次之中。34(1)地月系和卫星系统3536(2)太阳系、恒星和行星系统37恒星，永恒吗？行星系统38(3)恒星集团恒星有集群的趋势多颗恒星聚集形成恒星系统双星聚星(多合星)星团(疏散星团、球状星团)39双星最简单的恒星系统是两个互相绕转的双星两颗子星除了引力作用外，还有密切的物理联系，比如物质交换质量大的是主星，质量小的为伴星英仙座双星团40星团当在一起绕转的恒星超过十颗时称为星团昴星团及其反射星云（年轻的疏散星团）位于金牛座41疏散星团NGC3293（星团中的橙色亮星正在迅速变老，很可能是星团中下一个超新星）疏散星团比较稀疏，成员星较少，外形不太规则42疏散星团NGC2682(M67)最老的疏散星团之一，年龄100亿年43玫瑰星云和疏散星团NGC2244(玫瑰星云看起来像玫瑰花，一百万年前疏散星团NGC2244在其间形成，并使星云明亮可见)44球状星团M3(NGC5272，在猎犬座)球状星团的成员星常达几万甚至上千万颗，形状比较规则，分布比较均匀45球状星团——杜鹃47，NGC10446(4)银河系和星系星系是包含了几亿至几十亿颗恒星以及无数双星、聚星、星团的庞大恒星系统。太阳所在的星系称为银河系。银河系以外的其他星系称为河外星系。星系按形态大致分为旋涡星系、棒旋星系、椭圆星系和不规则星系。银河系是一个旋涡星系。47银河系仙女星系48这张哈勃图像是2005年8,9月拍摄的。NGC1309位于距离我们地球１亿光年远的地方。它是波江座中200颗星系中的一颗。由哈勃空间望远镜于2004年9月拍摄的一系列照片拼接而成，NGC1300的直径大约6900光年（21Mpc），位于波江座。49巨椭圆星系M87。澳大利亚的英－澳天文台(Anglo-AustralianObservatory)拍摄M87，呈圆球型或椭球型。椭圆星系呈圆球型或椭球型。中心区最亮，亮度向边缘递减。椭圆星系半人马A射电源(CentaurusA)。此星系大约是在10亿年前，由两个星系面对面碰撞后形成的。HST拍摄。50孔雀座(Pavo)中距离为75万光年的棒旋星系NGC6872与它北面邻居星系IC4970(NGC6872中心上方)相互作用。欧洲南方天文台(EuropeanSouthernObservatory)的甚大望远镜(VeryLargeTelescope，VLT)拍摄。长蛇座(Hydra)中两个相互作用的旋涡星系。Subaru望远镜拍摄。51肉眼能见的最近的河外星系：大麦哲伦云(距银河系169000光年）52(5)星系集团星系也有结团的现象，其结团的倾向比恒星更为强烈，在已发现的数十亿个河外星系中，很少是单独存在的。两个互相有联系的星系成为双重星系，三五个或十来个在一起运动的星系称为多重星系，而10~100个星系组成的星系集团称为星系群。100~1000个星系组成的则叫星系团。53星系群NGC3190星系群NGC5985武仙座星系团54宇宙的层次结构55地月系和卫星系统太阳系、恒星和行星系统恒星集团银河系和星系星系集团注意区别：星团、星系、星系团四、天文学的分支学科56天体测量学天体测量学球面天文学方位天文学实用天文学天文地球动力学57天体力学天文动力学形状和自转理论历书天文学数值方法定性理论摄动理论天体力学58天体物理学天体物理学太阳物理等离子体天体物理太阳系物理学相对论天体物理学恒星物理学宇宙学恒星天文学天体演化学星系天文学射电天文学高能天体物理学空间天文学分子天文学宇宙化学59五、研究天文学的意义科学意义实际意义哲学意义60１科学意义——基础学科之一天文学与物理学相互促进、并肩发展天文学有力推进了数学的发展天文学的发现对化学的发展也有推动作用一些天文因素与气象现象直接相关天文学与地学相互渗透有助于探索生命起源问题61思考：天文学与你所学的专业有何联系？62２实际意义——为生活、生产服务时间服务(授时与编历)天文大地测量与天文导航历史年代考证太阳活动预报人造卫星和航天近地小行星监测63３哲学意义——科学的宇宙观正确认识人类在自然界中的地位和人类与自然的关系树立了事物运动和发展的观点天文学的研究对象涵盖了许多具体的哲学范畴，揭示了自然界固有的辩证法64六、天文学的起源和发展天文学的起源各种天文现象(太阳东升西落、四季更迭)直接影响人类的生活，引起人类的注意农牧业发展需要掌握时间、季节变化规律人类的好奇心和求知欲65古代天文学古埃及古巴比伦古印度古希腊6667天文学的发展第一次飞跃：认识到地球是球形的，日月星辰远近不同，它们的运动有规律可寻，从天象观测来编制历法和星表。68天文学的发展第二次飞跃：哥白尼提出宇宙日心体系，形成太阳系的概念。69天文学的发展第三次飞跃：万有引力定律和天体力学的建立。第四次飞跃：认识到太阳系有其产生到衰亡的演化史。(星云假说)第五次飞跃：建立银河系和星系概念。第六次飞跃：天体物理学兴起。第七次飞跃：绝对时空观到相对论时空观的革命。70七、中国天文学中国古代天文学－精确完善的历法研究－完整系统的天象记录－灵巧精密的天文仪器－宇宙本源问题的精辟见解71圭表72日晷73浑仪74简仪75天象仪76北京观象台77登封观星台78漏壶“午时三刻”？中国古人将1昼夜分为12个时辰，子时、丑时、寅时、卯时、辰时、巳时、午时、未时、申时、酉时、戌时、亥时；如子时从现在的23点到1点但是时辰的刻度太大，不便于精确计时，所以又将一昼夜分为100刻，而刻度的单位源于漏壶中的刻度7980国内天文台站介绍国家天文台：于2001年4月成立在原北京天文台（1958年建）基础上建立下属单位有：云南天文台、南京天文光学技术研究所、乌鲁木齐天文站和长春人造卫星观测站。紫金山天文台：建成于1934年9月的紫金山天文台是我国自己建立的第一个现代天文学研究机构，前身是成立于1928年2月的国立中央研究院天文研究所。上海天文台：中国科学院上海天文台成立于1962年，它的前身是法国天主教耶稣会1872年建立的徐家汇观象台和1900年建立的佘山观象台由于历史悠久，并在国际上有较大的影响，继续保留中国科学院直属事业单位的法人资格，学术上受国家天文台的宏观协调和指导。国家授时中心：原陕西天文台812007年后光学天文重要设备地域分布兴隆佘山昆明怀柔扶仙湖1米红外太阳望远镜丽江高美古紫紫金山天文台82东经：E117º34‘30”北纬：N40º23'36”平均海拔：186.8m年