3第一章天体及其研究方法.ppt

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1、第一章 天体及其研究方法,第一节 天体及天体系统 第二节 获取天体信息的方法 第三节 天文望远镜 第四节 天球和天球坐标 第五节 恒星、星座和星图,第一节 天体及天体系统,一、天体概念及主要天体 二、天体系统,一、天体概念及主要天体,宇宙中所有的物质，统称天体。 天体的天文学研究的对象。 主要天体： 恒星 行星 卫星 彗星 流星体 星云和星系（深空天体） 星际物质 人造天体 暗物质,恒星并非不动； 由炽热的气体组成的仅是恒星的大气，恒星内部不一定都有气体组成； 自身发光只是恒星演化史上某一阶段的现象,指天空上除太阳系天体（如行星、彗星或小行星）或恒星天体之外，用肉眼难以见到，但用探测器可获悉的

2、弱暗星系等天体（如M31等）,二、天体系统,第二节 获取天体信息的方法,一、电磁波 二、宇宙线 三、引力子,一、电磁波,电磁波是在真空或物质中通过传播电磁场的振动而传输电磁能量的波。 任何目标物都具有发射、反射和吸收电磁波的性质，目标物与电磁波的相互作用，构成了目标物的电磁波特性，它既是现代遥感探测的依据，也是人类通过电磁波获取宇宙天体信息的主要方法。,教材P4,电磁波的单位：1m=10-4cm 1=10-8cm,大气窗口： 指大气对电磁辐射吸收和散射很小的波段。 光学窗口：能透过可见光 红外窗口：红外辐射主要由水分子所吸收，只有很少部分能在地面观测 射电窗口：在射电波段有一个较宽的窗口。,遥

3、感基础知识,二、宇宙射线,宇宙线主要指来自宇宙的各种高能粒子流，主要包括质子、a粒子、电子、不稳定的中子和子等。 中微子质量虽极其微小，但穿透本领很强。通过对中微子观测，人类可以获悉恒星内部热核反应的信息，但不易观测。,三、引力波,在引力场中，由引力波传播的载体，称为引力子。人类通过对它们进行研究，可以间接得到天体的信息。,四、其它,“天外来客（如陨石）”、宇航取样等，也是人类了解宇宙天体的渠道。,http:/ 仙后座计划：从宇宙大爆炸到人类 从大爆炸到太阳系,旅行到宇宙边缘,第三节 天文望远镜,一、光学望远镜的原理与结构 二、天文望远镜的光学性能 三、射电望远镜,附录A.1.2 P215-2

4、20,天文望远镜的功能,收集光线： 口径越大，光学质量越好， 单位时间内收集的光线就越多 就能看到越暗和越远的天体 放大视角：焦距越长，焦面像越大,二者的关系：焦比=焦距/口径 焦比越大，像越大，越暗； 光力弱 焦比越小，像越小，越亮； 光力强 口径不变的情况下，像不能无限制放大，放大到一定程序，像的亮度就太暗，无法看清也无法成像。这时就必需增大口径，以提高光线收集率。,一个认识误区： 这台望远镜能放大多少倍 ？,对天文望远镜来说，放大率不是评价望远镜性能的指标。因为对不同亮度的天体，可用的放大率相差非常大，所以放大率没有什么意义。 望远镜的主要指标： 口径、焦距、光能量集中度,望远镜能用来做

5、哪些事？,科普望远镜的功能远比专业望远镜丰富 科普望远镜是全能选手、全科医生，专业望远镜是专业选手、专科医生。 科普望远镜的功能非常多 关键看使用是否得当 是否充分发挥它的功能。,科普望远镜常用来观测： 太阳：太阳投影像，看太阳像、太阳黑子、太阳的临边昏暗现象，加装日珥镜后，还能看到日珥和美丽的红色太阳； 月亮：看月亮全貌、月面细节如月海、月陆、环形山、辐射纹等 大行星：土星、土星环、土卫、木星（条纹）、木卫、金星（相位）、火星（相位、亮度和大小的变化） 彗星：观看彗星的细节特征。,小行星：它在视场里只是一个点 人造卫星如空间站、哈勃望远镜、GPS星等等 恒星：亮的恒星（颜色、亮度）、双星、聚

6、星、变星 深空天体：星云、星团、星系，需良好的天气/暗的天空背景/优良的空气质量，在目镜里可看到美丽的亮星云、星团、星系。第一次看到它们的任何人，都会觉得星空真是很神奇！,一、光学望远镜的原理与结构 1、折射望远镜 伽利略望远镜 开普勒望远镜 折射望远镜的缺点有色差现象以及难以增大口径。,物镜,目镜,正立虚象,凸透镜,凹透镜,物镜,目镜,倒立虚象,正立实象,或,凸透镜,凸透镜,伽利略望远镜,折射望远镜,寻星镜,主镜,主镜目镜,折射望远镜,寻星镜,主镜,主镜目镜,导星镜,导星镜： 焦距长视场小,寻星镜： 焦距短放大率不高,用投影法观察太阳清晰安全,用投影法观察太阳时：在短焦距目镜前加短节圈，在长

7、焦距目镜前加长节圈。,目镜节圈,2009年是太阳黑子活动的异常少，日面几乎没有黑子，而2011年为峰年 。,2003年5月29日,2002年8月21日,2、反射望远镜,牛顿式,卡塞格林式,凹面镜,平面镜,物镜,凸透镜,目镜,物镜,凹面镜,凸面镜,凸透镜,物镜的焦距比望远镜的长度大得多！,牛顿式反射望远镜,寻星镜,主反射镜,主镜目镜,反射望远镜,极 轴,北极星 ,平衡配重,跟踪马达,北京天文台 反射望远镜,主镜直径为 2.16 米 20世纪70年代成,我国目前最大的反射望远镜,设在云南天文台，通光直径2.4米,2007年5月12日，作为我国七大天文工程之一的丽江高美古 2.4 米望远镜于云南落成

8、。,3、折反射望远镜,球面镜,马克苏托夫望远镜光学系统,弯月透镜,焦平面,特点视场大、消球差,表面镀铝膜的凹面镜的形状是球面的一部分，使恒星的像不会是一个清晰的光点，球面反射镜的这一缺陷称球差。 马克苏托夫的改正镜是一个弯月形透镜。,导星镜,1200mm口径折反射望远镜,ORION127-1500（卡马）望远镜,口径127mm焦距1500mm 赤道式跟踪。 镜筒短，携带方便。 但采用卡塞格林式折反射原理，焦距长。 有马克苏托夫弯月透镜比实际口径光通量大。 光学设计合理，机械传动精密可靠。,口径180mm焦距2700mm 有HEQ5pro赤道仪跟踪。 镜筒短，携带方便。 但采用卡塞格林式折反射原

9、理，焦距长。 有马克苏托夫弯月透镜比实际口径光通量大。 自带GOTO系统（电子寻星跟踪系统） 光学设计合理，机械传动精密可靠。,ORION180-2700(卡马) HEQ5pro,二、天文望远镜的光学性能,1、望远镜的光学性能参数 物镜口径（D）通光直径（有效口径），是望远镜聚光能力的指标。 焦距（F、f ） 相对口径（A ） 焦比（1/A ）,物镜焦距（F ）,目镜焦距（f ）,拍摄彗星、星云、星系一类大视面天体时A 值越大越好,相当于照相机的光圈数,插 图,2、望远镜的放大倍率（G） 定义式： 3、照相底片比例尺（） 定义：底片上每毫米对应天体张角的角秒数。 定义式： =206265/F

10、（F的单位为mm） （注：上式为单纯物镜拍照时适用） 1弧度=360/2=57.3=3438=206265” 案例：如物镜F=2400mm 则=86/mm,4、望远镜的分辨率（） 定义：在天球上能被望远镜分辨开的两发光点的最小角距离。（越小望远镜分辨率越高） 定义式： =1.22/D （波长口径D的单位均为mm）,=149/D (=5.5510-4mm ),=(3100A+113)/D,要提高分辨率必须增大有效口径D 的同时缩小相对口径A=D/F（即增大焦距F）,人的眼睛最敏感的波长,5、望远镜的视场角 定义：望远镜的观察范围称为视场，通常用角度表示，故称视场角。,性质：视场角与放大率G成反比

11、。,测定：,=15tS cos,15地球自转的角秒数；恒星从视场中央走到边缘的秒数tS,为恒星的赤纬（越小测量精度越高，在天赤道 =0，则cos=1，天赤道附近周日圈大，测量较准）,三、射电望远镜,1、射电望远镜是由雷达演变为接收天体发出的无线电信号的的接收及处理装置。 2、观测的特点 观测波段宽从微波到长波（波长1mm30m）。 全天候观测不受阳光、天气状况的影响。 成像与精度单台射电望远镜的定位精度及分辨率甚低，无法直接清晰成象。 3、提高观测精度 利用“甚长基线干涉法” （VLBI）可提高定位精度及分辨率。 利用射电望远镜阵提高综合孔径解决射电源的成象问题。,1、如何测定望远镜的观察视场

12、？ 2、如何提高射电望远镜分辨率？,分组实操天文望远镜,分为6组，选一组长负责，班级由学习委负责。,我国将在贵州南部建造500米射电望远镜,返 回,地 球,射电信号波前,tc=Dcos,射电望远镜阵,VLBI技术,第四节 天球与天球坐标,一、天球基本知识 二、天球上的基本点和圈 三、天球坐标系 四、各种球面坐标的关系,球面三角及定理,一、圆弧和角的量度 二、关于球体的基本概念 三、球面三角及其定理,一、圆弧和角的量度,1、角度制: 单位：度 1；分1； 秒1 含义： 圆周的1/360=1（弧） 1弧所对的圆心角= 1（角） 进制：1=60 1=60（肉眼分辨率为2 ) 2、时角制: 单位：时1

13、h ；分1m ；秒1S 含义： 进制：1h =60m 1m=60S 两者关系： 1h =15 1m = 15 1S =15,既有时间意义又有角度意义,24h =360 1h=15,1、角度制: 2、时角制: 3、弧度制： 弧度定义式： =L/r (无量纲） 当：L = r 时 =1（弧度） 360=2 r/r =2 （弧度） 1 弧度= 360/2 =（57.2958) = (57.295860) = (57.295860 60) 即: 1 弧度= 206265 或: 1=1/206265(弧度),定义：底片上每毫米对应天体张角的角秒数。 定义式： =2062625/F （F的单位为mm）,二

14、、关于球体的基本概念和定理,1、大圆和小圆：通过球心的平面截球所得的圆为大圆。 不通过球心的平面截球所得的圆为小圆,.,2、对跖点：同一球径的两个端点,3、通过球面上任意两个对跖点可作无数个大圆（必定是大圆）。,4、通过球面上任意两个非对跖点仅可作一个大圆。,5、球面上任意两点间的最短距离必为大圆弧。 （任意两点连接的约定）,6、圆的极：在球面上距离给定圆最远的两点叫 该圆之极。,三、球面三角及其定理,1、球面三角形 定义：球面上不共大圆的三点（ABC） 之间的连线（大圆弧）所组成的封闭图形 叫球面三角形（用:QABC表示）。 六元素：在QABC中，角顶分别用A、B、C 表示。 对应边分别用

15、a、b、c 表示。 六元素的量度： 边的大小用边所对的圆心角（球心角）来量度。 如：a = BC（弧的度数）=BOC b = AC（弧的度数）=AOC c = AB（弧的度数）=AOB 角的大小用角顶向两夹边所作的两条切线的夹角来量度；或用该角的两夹边所在平面的夹角来量度。,A,B,C,a,c,b,O,2、球面三角正弦定理球面三角形各边的正弦与其对角的正弦之比相等。,数学表达式：,O,D,E,F,3、球面三角边余弦定理球面三角形任意一边的余弦等于其他两边的余弦积加上这两边的正弦及其夹角余弦的连乘积。,数学表达式,cosa=cosbcosc+sinbsinccosA,E,F,一、天球基本知识,1

16、、天球的含义:天球是一个假想的无穷大的正球体。 2、天球的特性: 具有正球体的一切几何性质。 一切天体都可以投影在天球上, 天体之间的距离用角度表示。 球心可以根据讨论需要任意选定。 （日心天球、地心天球、地面天球） 同向平行射线交于天球上的一点。 地心天球和地面天球天球每日自东向西视运动一周。,同向平行射线交于天球上的一点：平行线永远不相交或在无穷远处相交事实上是一回事，因为天球上的点都是无穷远的。形象的比喻：远处的铁道看起来是两条线联结为一个点。,二、天球上的基本点和圈,（一）天极和天赤道 1、天轴地轴的无限延长称为天轴 2、天极天轴与天球的两交点称为 天极。其中P为北天极； P为南天极。

17、 3、天赤道地球的赤道平面无限扩大 与天球相交的大圆叫天赤道。 4、天球上的方向是地球上方向的延伸。 （二）天顶、天底和地平圈 1、天顶、天底过观察地点的铅垂线向上延长与天球的交点叫天顶(Z)，向下延长与天球的交点叫天底(Z)。 2、地平圈观察点的数学地平面与天球相交的大圆叫地平圈。（其中地平圈之上叫可见天球，地平圈之下叫不可见天球）,P,P,Z,Z,地平圈,天赤道,北半天球,南半天球,天球,N,S,可见天球,不可见天球,（三）天子午圈与四正点： 1、天子午圈在天球上过天极 (P、P)和某地天顶(Z、Z) 的大圆叫该地的天子午圈 。 2、中天天体通过天子午线的 瞬间叫天体中天(午圈与子圈）。

18、上中天：天体通过午圈的瞬间（即天体高度角最大时）。 下中天：天体通过子圈的瞬间（即天体高度角最小时）。 3、上点与下点天子 午圈与天赤道有两交点。 4、四正点（均在地平圈上） 地平圈与天子午圈有两交点 地平圈与天赤道有两交点，面向北点,P,P,Z,Z,Q,Q,N,S,E,W,地平圈,天赤道,北半天球,南半天球,天球,天子午圈,地平面之上的叫上点（Q）地平面之下的叫下点（Q）,近北天极的叫北点（N）近南天极的叫南点（S）,右为东点（E）左为西点（W）,（四）黄道与二分二至点 1、黄道地球的轨道平面无限扩大 与天球相交的大圆叫黄道。 黄道是太阳周年视运动的轨迹， 也是地球轨道的日心天球投影。 2、

19、黄极：是黄道 大圆之极 公元2000年北天极P与北黄极K的角距离为232621.448“ 3、二分点：天赤道与黄道的两交点 4、二至点：在黄道上的,K,黄 道,K,地球,P,P,69,天赤道,近天北极的为北黄极（K）近天南极的为南黄极（K）,降交点为秋分点（）升交点为春分点（）,天底 Z,天球上的基本点和圈（每人准备一张草稿纸，边想边画）,天 轴,天北极 P,P 天南极,Z 天顶,天 赤 道,地 平 圈,天 子 午 圈,北点,南点,东点,铅垂线,天球,用右手定则识记地球的自转。,西点,N,S,三、天球坐标系,（一）地平坐标 1、地平坐标的参考点和面 基圈是地平圈 。 极点天顶（Z）与天底（Z）

20、 辅圈过Z、Z的大圆又叫地平经圈。 原点天文学用南点（S）作起算原点， 测量学用北点（N）作起算原点。 始圈天子午圈。 2、地平纬度：天体与观察者的连线与地平面的夹角， 简称平纬又叫高度角（记号为：h）。 量度方向和范围：090，仰角为正值，俯角为负值。 3、地平经度：过天体的地平经圈与天子午圈的夹角（简称平经又叫方位角）即 MOS （记号为：A）。 量度方向和范围：自南点（S）起顺时针方向0360,Z,Z,N,S,M,M,O,h,A,地 平 圈,4、地平坐标的特点与应用： 同一天体同一时刻的方位（A）与高度（h）是随观测地点的不同而异的。 同一地点，不同天体的A、h各异，而且随天体的周日运动

21、而变化。 用于天文观测、卫星跟踪、军事、航空、航海、测量等方面。,（二）第一赤道坐标（时角坐标） 1、时角坐标的参考点和面 基圈是天赤道 。 极点北天极(P)与南天极(P)。 辅圈是过P、P的大圆 又叫赤经圈或时圈。 原点是上点（Q） 。 始圈是过Q点的辅圈即午圈。 2、赤纬：天体与地心的连线和天赤道平面的夹角 即：MOM ，记号为： 。 量度方向和范围：090，北纬为正值，南纬为负值。 3、时角：过天体的时圈平面与午圈平面的夹角 即 ： QOM ，记号为：t 。 量度方向和范围是：时角从Q起算自东向西0h24h 或0360量度。,P,P,Z,Z,Q,Q,M,M,天 赤 道,t,O,4、时角坐

22、标的特点与应用： 同一天体同一时刻的时角，因地理经度不同而异。 恒星的赤纬是不变的既无周日变化亦不随测地的变化而变化。 天体的时角是与时间同步增长。 用于天文观测和时间计量。,（三）第二赤道坐标 1、第二赤道坐标的参考点和面 基圈是天赤道 。 极点北天极(P)与南天极(P)。 辅圈是过P、P的大圆叫赤经圈。 原点是春分点（ ） 。 始圈是过点的辅圈即春分圈。 2、赤纬：天体与地心的连线和天赤道平面的夹角 即：MOM ，记号为： 。 量度方向和范围：090，北纬为正值，南纬为负值。 3、赤经：过天体的赤经圈平面与春分圈平面的夹角 即 OM ，记号为： 。 量度方向和范围是：赤经从 起算自西向东0

23、360 或0h24h 量度。,M,M,O,P,P,春分圈,天 赤 道,4、第二赤道坐标的特点与应用： 恒星的、数值相对固定，与观测地点无关（可查表求得）。 用于天文观测、制定精确星图以及宇航方面。,（四）黄道坐标 1、黄道坐标的参考点和面 基圈是黄道大圆 。 极点黄北极(K)与黄南极(K)。 辅圈是过K、K的大圆叫黄经圈。 原点是春分点（ ） 。 始圈是过点的黄经圈（无名圈）。 2、黄纬：天体与日心的连线和黄道平面的夹角 即：MOM ，记号为： 。 量度方向和范围：090，北纬为正值，南纬为负值。 3、黄经：过天体的黄经圈平面与春分点所在的黄经圈的夹 角即 OM ，记号为： 。 量度方向和范围

24、是：黄经从 起算自西向东0360,M,M,O,K,K,无名圈,黄 道,4、黄道坐标的特点与应用： 恒星的、 数值相对固定，与观测地点无关（可查表求得）。 用于天文观测、制定精确星图以及宇航方面。,1、同一地点有：天极的高度(hP)=地理纬度()=天顶的赤纬(Z)；,2、任何瞬间同一天体的时角(tM)与赤经(M)之和等于春分点的时角(tr)也等于当时天顶的赤经(Z)；即：M+tM=tr=Z ；,3、任意两地同一瞬间测得同一天体的时角之差等于这两地的经度差。即：A-B=tA-tB,天赤道,四、各种球面坐标之间的关系,天球,太阳,黄 道,天赤道,P天北极,天南极P,春分点每年西移50角秒,天球上的基

25、本点和圈（复习小结2）,岁差 （汉代刘歆发现）,K 北黄极,K南黄极,四种天球坐标比较,四、天体的周日运动和太阳的周年运动,1.不同天体的周日运动 2.不同纬度的周日运动 3.太阳的周年视运动,P 天北极,P天南极,地平圈,天赤道,图A,地球自转的后果-,导致天球的周日运动,P,P,天赤道,图B,地,平,圈,出没星区,恒显星区,恒隐星区,P,P,图C,地平圈,天体周日运动的轨迹（周日圈）平行于天赤道。,天体周日圈的大小随天体绝对值的增大而缩小。,地理纬度不同，天体周日圈的倾角不同=90- | |,春：狮子中天；太阳飞马 夏：天蝎中天；太阳猎户 秋：飞马中天；太阳狮子 冬：猎户中天；太阳天蝎,夜

26、半中星随季节的变化,East China Normal University,天球 子午圈 天赤道 黄道 地平圈 竖环 底座 螺旋,附录A.1.1 P213-214,天球仪的操作,第五节 恒星、星座和星图,一、星座与恒星命名 二、星图,附录A.2.1 P221-234,一、认识恒星的世界,一、星座与恒星命名 1、星空中的目视亮星: 行星有: 水，金，火 ，木，土等；恒星有：六千多颗。 2、星座的含义: 原指星空中亮恒星构成的图形(以希腊故事的人物命名)。 后来天文学家藉此划分天区（全天共有88个星座）。 3、恒星的命名: 姓恒星所在星座。 名恒星在星座中的亮度序号（以希腊字母，拉丁字母和数字排

27、列）。 例如：大犬座（天狼星）；猎户座（参宿四）。 又如：天琴座（织女星）；天鹰座（牛郎星）。,4、古代中国人使用的星座（宿）： 古人将北半天球分为“三垣”（紫微、太微、天市） 将黄、白道附近分为“四象”（苍龙、朱雀、白虎、玄武） 每象分七宿：共有28宿（鬼、参、箕、斗、角、心 等） 附录225-226,东方,西方,南方,北方,四象的中央为黄帝，于是便有了与我国的天地、人体五脏对应的五色。,金,火,土,水,木,中国古代的五行说,五行土 金 木 水 火,太空紫外线望远镜,星座,为了认星方便，人们用假想的线条将亮星连接起来，构成各种各样的图形，或人为地把星空分成若干区域，这些图形连同它们所在的天空

28、区域，中国称之星官，西方叫做星座。,中国古代把可见天空分为 三垣四象二十八宿,三垣：北天极及附近的三个较大天区 紫微垣（中垣）天北极周围天区 太微垣（上垣）包括紫微垣与二十八宿之间 的狮子座、后发座、室女座、猎犬座等天区。 天市垣（下垣）包括蛇夫座、巨蛇座、 天鹰座、武仙座、北冕座等天区。,二十八宿： 黄道附近的二十八个区域,四象：将二十八宿分成四组，每组七宿， 分别与四个地平方位、四种颜色相匹配。 东方苍龙，青色：角、亢、氐、房、心、尾、箕； 北方玄武，黑色：斗、牛、女、虚、危、室、壁； 西方白虎，白色：奎、娄、胃、昴、毕、觜、参； 南方朱雀， 红色：井、鬼、柳、星、张、翼、轸； 二十八宿的

29、范围有大有小，最大的为井宿，赤经跨度约为330，而最小的觜宿和鬼宿，仅有20 30 。,国际通行的星空区划 88个星座,88个星座的确定： 1928年，国际天文联合会正式公布了88个星座，并规定以1875年的春分点和赤道为基准的赤经线和赤纬线作为划分星座范围的界限。（其中北天29个，黄道12个，南天47个。） 星座大小相差悬殊，所含星数也各不相同，同一星座的星无任何物理联系。,从黄道十二宫说起,0321-0420,0421-0521,0522-0621,0622-0723,0724-0823,0824-0923,0924-1023,1024-1122,1123-1222,1223-0120,0

30、121-0219,0220-0320,1. 将观测日期与观测时间对准。,赤道,黄道,2.举星图到头顶上，将方位对准。,3.以标出纬度的圈为地平线。,4.过北极星在心中画一平分星空的线,就是空中子午线。,5.从北极星到此点的度数估计出天顶的位置。此图大概在织女星附近。,怎样使用活动星图？,潮州市：23 4022N,116 3833E,附录A.3.1 P250-251,Skymap,先熟悉明显好记的星座，再以此为中心参考星图认识其他星座。,在夏季的星空中，牛郎星、织女星和天津四三颗亮星，构成一个醒目的大三角形，称为“夏季大三角形”。牛郎星位于大三角形的南端。这个大三角形是寻找夏季星座的重要标志，到

31、了夏末，在上半夜大三角形及其附近的银河一起升起到天顶附近。,四季星空,春季大三角 牧夫座星、室女座星、狮子座星 夏季大三角 天琴座星、天鹰座星、天鹅座星 秋季四边形 飞马座、星、仙女座星 冬季大三角 猎户座星、大犬座星、小犬座星,春季大曲线,夏季星空,夏季大三角：天琴座星（织女）、天鹰座星（牛郎）和天鹅座星（天津四）组成大三角。,秋季星空,秋季四边形：飞马座、星和仙女座 组成了秋季四边形。,飞马当空 银河斜挂 灿烂的王族星座,冬季星空,冬季大三角：猎户座星（参宿四）、大犬座星（天狼）和小犬座星（南河三）组成大三角。,冬季大六边形 冬季大花环,参考网站,星友空间站 http:/www.skylook.org/ 香港太空馆http:/www.lcsd.gov.hk/CE/Museum/Space/StarShine/c_index.htm 广东省天文科普网http:/ 洪恩在线-天文大观http:/