北京大学现代天文学复习题.docx

第一讲 天文学的发展
1，简评我国古代天文学的成就和不足。
大量观测数据:星座\黑子日食\彗星流星\超新星
长于:历法\天文仪器研制\观测与天象记录 短于:天文理论
2，简述托勒密的地心说，为什么这一错误的学说能统治1500年之久？
1)位于中央静止不动，行星、月亮、太阳和恒星绕地球转转动）。
依次为地球、月球、水星、金星、太阳、火星、木星、土星和恒星天。
行星逆行和留的现象：本轮：行星绕小圆轨道运动；均轮：本轮中心围绕地球运转的大圆轨道。行星运动的合成轨迹显示顺行和逆行。调整本轮和均轮的角速度和半径使合成轨迹与观测结果一致。
行星视运动速度不均匀: 地球不在各均轮的中心处，均轮相对于地球都是偏心圆。从地球上看，本轮中心在均轮上的运行并不等速。
2)奉为钦定理论的基督教教会势力。实践是检验真理的标准，判断地心说是否是谬误，只能由天文观测来确定。
3，简述哥白尼日心说的要点及伟大意义。
1）太阳为中心水星（80天）金星（9个月）地球（1年）月球绕地球（1月）火星（2年）木星（12年）土星（30年）恒星天（不动）
2)近代天文学奠基。给出太阳系的真实图像。相当严谨的理论，正确地描述了6个行星绕太阳的轨道运动。可定量计算，解释行星的顺行、逆行及留现象；
可以预报5大行星、太阳、月球在未来某时刻的视位置。
3）不对：太阳静止，太阳中心，椭圆轨道/困难之处：周年岁差、光行差
4，什么是开普勒三大定律？它们有什么重要性？
1所有行星皆以椭圆形轨道环绕太阳运行，而太阳则处在椭圆的一个焦点上。
2假若在行星和太阳之间画一条直线，在同等时间之下，这条直线所扫过的面积皆会相等。行星越接近太阳，运行速度越高。
3开普勒第三定律：行星公转周期的平方=轨道半长轴的立方。
天体运行-〉物理规律 天体物理起点 天空立法
5，什么是天球？试说明天球赤道坐标系的定义和优点。（ppt）
北天极确定，赤道面，经度起算点为春分点（黄道赤道交点）
坐标值不受时间变化和观测点地理位置影响
岁差和章动
岁差：在太阳，月亮和其它行星的引力作用下，地球自转轴在空间不断发生变化（进动）。导致天球的天轴变化。天轴绕黄道面的垂直轴（黄轴）旋转，以大约26000年的周期在空间描绘出一个圆锥面。对天体位置的测量造成误差。
章动：岁差中的一种轻微不规则运动，使自转轴在方向的改变中出现如“点头”般的摇晃现象。章动来自於潮汐力。1728年发现。
北天极不断变化；现在北极星附近。以后就不是了。
公元前二世纪希腊依巴谷发现岁差。他自己测量的恒星位置与150年前别人测量的位置有系统的变化，推论是由于春分点在变。公元330年前后，中国虞喜也独立发现。
第二讲 光学望远镜
1，试说明光学望远镜的种类和主要的特点。
书P23折射式（透镜）、反射式（凹面镜）、折反射式（&修正镜）
折射——色差，视场大 反射——磨制精度（球差），表面光亮度，视场小
折反射（施密特）——大天区，高清晰度
2，叙述光学望远镜主要参数的定义。P30
（1）、分辩角和分辨率——刚刚能被望远镜分辨开的天球上两个发光点之间的角距，用δ(弧度）表示，越小，分辨率越高。波长越短，分辨率越高！
δ=1.22λ/D（D为物镜的有效口径，λ为λ射光的波长）。
（2）、极限星等（灵敏度）——将望远镜指向天顶区域，用肉眼透过望远镜所能看到的最暗的恒星星等，称为极限星等。
（3）、视场——能够被望远镜良好成像的天空区域，直接在观测者眼中所张的角度称为
视场或视场角。放大率越大，视场越小。视场小，看到的天区小，对巡天之类的观测很不利。
折反式望远镜的视场最大。抛物面镜口径越大，视场越小！
（4）、放大率——放大率= 物镜焦距与目镜焦距之比； 放大率要适当，并不是越大越好；口径不同，放大率可能相同
（5）、口径、焦距、相对口径——A=D/f
口径越大，分辨率越高！灵敏度越高！视场越小！
3，简单叙述大型望远镜遇到的主要技术难题和三大新技术。
1，镜面加工精度：1/20波长2，反射镜自重、温度变化和风力引起的变形3，地球大气湍流引起波前的变化
1镜面拼接技术（小镜面）/2主动光学方法（调镜子）/3自适应光学系统（加改正镜）
多台望远镜干涉/空间探测
4，简评我国光学望远镜的发展。
第三讲 射电天文望远镜
1，评说射电天文的诞生 无线电-〉天文，二战，优缺点鲜明，多方面技术发展配合
2，叙述单天线射电望远镜的结构和工作原理。
（多抛物面）天线＋接收器（放大器）＋数据采集（计算机）＋纪录器
3，什么是射电望远镜的灵敏度和分辨率？
灵敏度：最小流量密度S_Min 分辨率：可以接收到的电磁波与主轴交的角
4，评述赖尔对射电天文学的贡献，他成功的关键是什么？
综合孔径望远镜
5，简评我国射电望远镜的发展。
第四讲 月球
1，简述月球起源的几种学说，你的看法如何？
4种
俘获说：原是小行星，运动到地球附近的时，被地球的引力俘获，成为地球的卫星。
同源说：在太阳系形成之初，地球和月球由同一块尘埃气体云凝聚而成。
分裂说：认为在太阳系刚形成时，地球和月球原是一个天体。地球温度很高，还没有凝固，高速自转使赤道部分物质甩出形成了月球。
大冲撞说，在地球形成初期温度较高，一个比地球小一些的天体和它相撞，撞出许多物质抛入空中，部分被撞出的物质滞留在地球附近，经过长时间的冷却凝聚，变成了月球。
2，简述月球空间探测的主要结果。
3，试评述“阿波罗”登月的意义。
4，简评我国的嫦娥探月计划。
“绕”：绕月飞行对月球进行整体的、全面的、综合性的探测。
“落”：向月球发射软着陆器，月球车在月球表面巡视勘察。
“回”：向月球发射携带小型采样返回舱的软着陆器，采集重要样品后返回地球。
三个阶段总共需要大约20年时间。07年开始实现“绕”
第五讲 行星
1，简述太阳系八个行星的最重要特征。为什么要把冥王星降级为矮行星？
冥王星直径2300千米。远比其它行星小。
1978年发现冥王星的卫星，计算出冥王星和卡戎的总质量仅有地球的1/400。
冥王星的偏心率达到0.25以上，其他行星的轨道几乎接近圆形。
冥王星的自转周期（大于6天）比相邻的6颗行星长很多。更具有柯伊伯带天体特征
2，为什么金星有晨星和昏星2个名字？试解释地外行星火星的合日和冲日，有什么特点？
1下合以后，内行星的公转角速度比地球的大，逐渐偏离太阳出现在太阳的西侧，行星先于太阳升起和下落，只有早晨可以看见，称为晨星。上合以后，内行星出现在太阳的东侧，太阳先升起先落下，行星随后，只有黄昏以后才可以看见，称为昏星。
2合日时，行星与太阳同升落，看不见行星。冲日时，行星离地球最近，最亮，整夜都能看见。
3，试评述空间探测对行星研究的重要性。
天文学方法上的一次巨大飞跃 ----空间探测
发射宇宙飞船行星附近，掠过或环绕，进行近距离、全面的观测； 发射探测器在行星表面软着陆实地探测； 把宇航员送上火星及其它行星或卫星，亲自进行考查、探测和实验；
4，为什么科学家特别重视火星的空间探测？
与地球很像，距离也很近，直径6796千米；火星自转24小时27分接近地球，公转687日，有四季变化（黄赤交角23°27’），火星大气层，稀薄；存在极冠；两个卫星，比月球小。
可能存在生命！！
5，试评论小天体撞击地球的可能性及人类应采取的对策。
5万吨级的陨星，每10万年有一个。而造成恐龙灭绝的、直径10千米、重达1万亿吨的陨星平均一亿年有一个。
用核弹炸毁小行星；直径100米以内的，需要一颗数万吨级的核弹；用强激光系统摧毁小行星，速度快、精度高、拦截距离远、不受干扰等优点。但目前还没有。改变小行星运行轨道，避免与地球相撞。
第六讲 地外文明
1，为什么太阳系中只有地球上生机勃勃？
地球型生命存在的5个条件1）合适的温度；2）液态的水3）适宜的大气层4）足够长的时间5）必要的有机物的化学元素，没有完全符合的
2，人类已经有哪些搜索“地外文明”的活动？有无意义？
宇宙通讯，拜访地外文明，寻找太阳系外适宜居住行星
3，如何看待UFO现象？
4，试叙述搜寻太阳系外行星系统的方法。P363
直接获得恒星和它的行星的图象，很困难，但必须用特大光学望远镜；
间接的方法，检测出行星系统对恒星的影响。
太阳系附近搜索，脉冲星，光学望远镜发现，直接拍摄系外行星图像
未来：红外波段，干涉系统
第七讲 太阳
1，太阳的基本结构如何？各层的特点如何？
观测确定：大气分3层 光球、色球和日冕
理论推论：内部分3层 日核、辐射区和对流区。
观测不到，靠理论推测，作为边界条件的光球，可由观测给出数据。
内核约0.25太阳半径。它集聚了太阳大部分质量，光球辐射的能量也是通过日核区的氢原子核聚变为氦的过程释放出来的，因此又称核反应区。
辐射层来自0.25－0.86太阳半径。日核产生的能量通过这一区域已辐射的形式向外发出。辐射层的温度较核心低得多，约70万K。
对流层从0.86太阳半径至太阳表面，太阳大气在这层中间呈现剧烈的上下对流状态。对流层的存在是由于这一层中氢原子的电离和复合造成的。
光球：地球接收到的太阳辐射来自光球。光球温度：5777K，底层高一些，顶层低一些。厚度约500千米，顶部密度： 8×10－7克/厘米3太阳常数是地球大气外每平方米面积接收到的太阳辐射总能量：1368焦
色球：在光球之上，厚度约2000千米；色球层象是“燃烧的大火球“，布满针状体；温度比光球高,但比光球暗，日食时才能看见；它发出氢原子656.28纳米红色谱线，光球却没有，色球望远镜用这一波长观测色球。 密度色球密度：10－7 ～10－14克/厘米3
日冕：太阳大气的最外面一层：内冕和外冕；约0.3个和几个太阳半径；密度比色球更低：<10－14克/厘米3；温度更高，达几百万度；日冕的形状变化不定，有时圆形，有时扁圆形，有时又呈不规则的形状；
2，试叙述日全食形成的原理。
~月盘遮挡太阳形成本影和半影，月球运动形成全食带
~月球绕地球在白道面；地球绕太阳在黄道面，有5度的交角。 日、地、月一年中只有当地球处在A,B两点附近时才可能发生日月食。
3，试评太阳黑子的11年周期的发现及其意义。P107
天文爱好者、药剂师寻找火神星时发现。各种现象的预测和解释。
4，太阳有哪几种活动现象？对地球有什么影响？
缓变型：太阳黑子，宁静日珥
局部剧烈型：太阳耀斑（电离层扰乱，通讯，宇宙飞行器，极光）
日珥（宁静、活动、爆发）
冕洞（与地球磁暴相关），日冕瞬变，太阳震荡
5，名词解释：
磁流体力学：
宇宙中既有等离子体又有磁场。阿尔文发现等离子体在磁场中运动的一个新现象：磁冻结——等离子体和带着磁力线一起运动，相当于磁力线冻结在物质里面了，或者说等离子体粘连在磁力线上了。
等离子体是流体要遵从流体力学的规律。 等离子体在磁场中运动又要遵从电动力学的规律。 仅用流体力学或电动力学都不能正确解释它们在磁场中的运动的特征
中微子；
太阳的能量来自氢核合成氦核的聚变反应，每形成一个氦原子核就会释放出
２个中微子。 太阳每秒钟要释放1.4×1038个中微子。地球表面每平方厘米的面积上，每秒钟就要遭受到几百亿个太阳中微子的轰击。
β衰变：一个孤立中子或在原子核中的中子衰变为一个质子和一个电子的过程。 β衰变后能量变小了，违反了能量守恒的规律，泡利坚持能量守恒定律，假定这些能量被一个取名为中微子的新粒子带走了。
中微子可能有电子质量的几百分之一。中微子没有电磁相互作用和核子间的强相互作用，所以中微子几乎不与任何物质发生作用，极难探测。
失踪之谜：所探测到的中微子数目仅为理论值的1/3，另外2/3的太阳中微子不见了。 发现有三种中微子：电子型中微子，μ中微子和 t 轻子中微子。若中微子具有质量，这三种中微子之间就可以彼此来回转化（振荡）。
氢聚变反应和太阳能源
4个氢原子核总质量： 4.0291原子质量单位
氦原子核质量： 4.0015原子质量单位+2
质量亏损： 0.0276原子质量单位
爱因斯坦方程 E=mc2 质量亏损转换为能量
1克氢的聚变： 6.21×1011焦耳
太阳质量＝4×1033克，70％为氢，若有一半氢聚变为氦，足用350亿年

第八讲 恒星
1，什么是赫罗图？有什么重要意义？
1 纵坐标：视星等（同一星团）、绝对星等和光度
横坐标：颜色、温度和光谱型
1，主序星：自左上到右下的斜线上及附近；
2，光度高而温度低的巨星和超巨星在右上角；
3，光度低而温度高的白矮星在左下角。
4，温度非常低的星际云在最右边，原恒星的温度稍高也在右边。恒星演化反映在赫罗图上移动。
2恒星分布(按物理状态)：发现3类不同的恒星1，红巨星：温度相对低、体积大、很亮；2, 主序星占90％，停留时间最长、演化最慢。恒星的一生主要停留在主序星阶段；3，白矮星：温度高，体积小、看起来很暗。
3恒星演化：恒星的内部结构逐渐演变，其结果可以从光度和表面温度的变化上表现出来。必然在赫罗图上的位置便会沿着一定路径移动，展现出演化过程。我们不可能具体地画出某一颗星的演化过程，因为时间太长。但宇宙中的恒星有着不同的年龄，在赫罗图可以看到恒星演化的整个趋势。
2，天狼星B是怎样被证认为白矮星的？
天狼星B是一颗暗星，其亮度比天狼星A差10个星等，光度相差1万倍。表面温度比太阳的还要高。天文学规律：在温度相同的情况下，光度和恒星的表面积成正比的。 推出天狼星B的表面积特别小，直径只比地球的大一点。质量与太阳相当，密度大得不可思议！称之为白矮星。
天狼星（Sirius）双星， Porb= 50 yr
视星等 天狼A -1.45m，天狼B 8.68m
绝对星等 天狼A： 1.4m ，天狼B： 11.6m
轨道运动 M= 1.05 M⊙
有效温度 2.6×104 K R≈5×103km
===>ρ= 3.8×106gcm-3
1924年爱丁顿把天狼星B称为“白矮星”。理由是该星内部的温度非常高，原子都被电离为电子和原子核，导致体积减少，密度增加，表面积变小，往外辐射的总能量也随之减少。
3，名词解释：原恒星；主序星；红巨星；白矮星。
原恒星：收缩；主序星：稳定；红巨星：膨胀；白矮星：收缩；
1，从星云形成的原始恒星
星际云直径达千光年，密度很低，成分主要是氫。没有干扰时，它们可以千载不变。来自星系的密度波、超新星爆发的激波，附近恒星辐射的影响会使它们发生变化。弥漫的星际云在引力作用下不断收缩，导致中心的密度加大，体积缩小。在收缩过程中，大量物质向中心下落，引力势能转换为动能，导致温度升高，开始辐射红外线。高温产生向外的辐射压力逐步增强与引力相对抗的能力。不再收缩，原恒星就形成了。
2，主序星
当中心温度达到1000万度时，氢核聚变为氦核的反应持续发生，产生巨大辐射压足以和引力相抗衡，不再收缩，形成稳定的恒星。以氢核聚变提供能量的恒星均在主序星阶段，恒星中氢占大多数，可以维持很长时间。
均匀的化学组成；核心H燃烧；质量范围: 0.08 M⊙< M<～100 M⊙
质光关系和质量-半径关系； L ～ M 2.5-4, R～ M 0.5-1
3、红巨星
中心区氢全部聚变为氦，坍缩升温导致氢外壳燃烧，核反应向外层转移，推动外层膨胀，温度下降，颜色变红，变成红巨星。对中、小恒星，中心温度不够使氦产生核反应，核反应停止。导致中心塌缩，形成白矮星。
4，白矮星
在红巨星阶段，中心的氢聚变停止，收缩若使温度超过一亿度，可进行氦聚变，但燃
烧进程非常快（几万年，甚至几千年），氦很快就枯竭了。中心坍缩形成白矮星。这个
过程是逐渐的，不会象超新星那样剧烈地爆炸。
4，评述钱德拉塞卡与爱丁顿的争论。
钱：白矮星的质量越大，其半径越小；白矮星的质量不会大于太阳质量的1.44倍；
与以前的恒星研究结果完全相反。
爱丁顿权威强烈抨击钱的理论，但实验证明支持钱
5，视星等和绝对星等的定义和关系的应用
M＝ m＋ 5－ 5lg r
视星等:公元前2世纪古希腊希帕恰斯，用肉眼估计了星的亮度，按明暗程度分成等级（6级） 眼睛看起来最亮的为1等星,眼睛刚能看到的为6等星 其它按亮暗程度分为2等星～5等星. 一星等比六等星大约亮100倍。为此，规定星等相差5等，亮度之比精确为100。于是星等差一等，亮度差2.512倍(准确2.5118864倍）
人对外界刺激的生理反应(星等）和刺激因素（亮度）的对数成正比的。恒星的照度与距离平方成反比: E1 /E2=(r2 /r1)2
把天体都放到10秒差距(32.6光年)处，其目视星等叫做绝对星等;
把一颗恒星放在不同距离上，其视星等不同m1(r1)-m2(r2)=2.5×lg(E2/E1)
r1=10秒差距； m1=M； r2 和 m2 为恒星实际值
6，距离单位：天文单位、光年和秒差距的定义
以一个天文单位为底边； 顶角为1角秒； 定义其直角边为1秒差距.
1秒差距＝3.26光年
7，简单叙述周年视差测距法和造父变星的测距法
周年视差 隔半年的两次观测观测同一颗星，其视位置会发生变化，测出视差角；
造父变星测距法 测出造父变星的光变周期，根据周光关系曲线,求得绝对星等,由关系式 M＝ m＋ 5－ 5 lg r，算出造父变星的距离.如星团、星系中有造父变星，则它们的距离可代表星团或星系的距离。
第九讲 20世纪60年代四大发现
1，试叙述类星体的观测特征
1965年以后，天文学家发现一些光学天体的紫外辐射很强，射电辐射却很弱，甚至探测不到，称为蓝星体。具有很大的红移，也成类星体的候选者。
类星体的最重要的特征是巨大的红移。（红移值由观测波长和在地球上实验室测定的波长来确定）
类星体是迄今为止观测到最明亮、最遥远、最古老的天体。它的巨大红移、可以与光速比拟的退行速度和巨大能量向天文学和物理学提出了挑战。
2，说明分子谱线发现的意义
对于恒星形成、恒星演化晚期和银河系结构有重要意义；
成为观测低温度、低密度的星际云、恒星形成区、恒星包层等的重要手段。
星际有机分子的观测研究对探索地球以外的其他星球上可能存在生命物质的问题提供科学的线索和依据。
一门独特的学科――分子天文学。
3，为什么说脉冲星就是中子星？
白矮星：电子气兼并压力；中子星：中子气简并压力
1，脉冲星周期的主要观测特征
稳定而短的周期：周期1.5毫秒～8.5秒。十分稳定，可以和原子钟比美。5年观测起伏约0.3微秒。
周期缓慢的变长：脉冲星周期随时间十分缓慢地增加，变化率非常之小：
2，周期来源
天文上周期性现象是常见的，但都没有这样短。天文周期现象的三种来源： 1，双星的轨道运动周期 2，径向脉动周期 3，自转
由于周期太短，只能是体积非常小的致密星:中子星或白矮星。
3，中子星自转
中子星双星的轨道周期——轨道周期变短与脉冲星周期越来越长的观测不符；
中子星径向振荡周期——周期不准确，也不是越来越长的，与观测不符。
中子星自转周期——周期稳定,周期逐渐变长。与观测特征相符，确认是自转中子星
4，什么是宇宙微波背景辐射？说明其发现的意义。
~从热大爆炸后30分钟到约30万年时期，电子和光子之间的这种相互作用一直存在，因此稳定的原子形不成，光子也不能向外传播，宇宙处于不透明的状态。
~30万年后，宇宙冷却到约4000K；光子能量降低到不能与电子相互作用，稳定的原子便形成了；辐射的光子也可以无阻挡地传播；4000K，光学波段辐射，到今天已变为温度只有3K的微波波段的辐射。这就是著名的宇宙微波背景辐射的预言。
~从可见光变到微波波段：由于时空膨胀导致波长变长；由于退行速度特别大，红移值是1000，从光学波段变为微波波段了
~对宇宙大爆炸理论的有力支持
第十讲 X射线和伽玛射线
1，试说明X射线和伽玛射线在电磁波谱中的位置。
X射线和γ射线属于高能光子，习惯用它们的能量电子伏（ev）来表示。
可见光光子的能量在2～3ev之间；
X射线光子的能量在0.1～500kev范围；
γ射线光子则包括了500kev到1万亿kev(1016ev)的能量范围；
常把γ射线看作是高能X射线
2，试说明掠射式X射线天文望远镜的原理和它的重要性。
~X射线有很强的穿透力，无法用类似光学望远镜凹面镜或射电望远镜的抛物面天线的方法来会聚来自天体的X射线光子。
~X射线很容易被介质吸收，在介质中的折射率接近于1，也不能用光学望远镜的折射系统。
~掠射式X射线望远镜的发明是关键性的进展，解决了困惑天文学家多年的一大难题
工作原理：当入射角非常小时，如小于2度，X射线将被介质全反射，这就是掠射现象。利用X射线掠射的全反射现象来进行聚焦，让镜面几乎顺着X射线源，在焦点处聚焦。
3，试说明伽玛射线辐射暴的观测特征。
辐射变化剧烈而迅速，呈脉冲状。上升时间为0.2秒，最快的可达毫秒量级。爆发持续时间从0.1秒至100秒。
通常，一个脉冲结束后，紧接着有第二个、第三个脉冲出现（脉冲数可以有1至5个）。
某些强爆发源直径不超过1,500千米。 不知道爆发源的距离，不知道哪一个爆发最强。
爆发辐射能量范围从几Kev到几Mev，呈指数形连续谱，随着能量的增加而迅速地减小。
由于不知道爆发源的距离，无法得知辐射功率。如果是最近的恒星处，辐射功率为1034尔格／秒。比太阳的辐射功率大一个数量级。 爆发源可能在银河系外，辐射功率将要大很多数量级。

4，试说明伽玛射线暴的x射线余辉观测的重要性。
γ射线暴，距离确定困难：爆发停止就完全消；定位精度低，几度范围内无法找到对应的已知天体。X射线观测定位精度高，也就能确定位置了。
第十一讲 银河系和河外星系
1，为什么赫歇尔被尊称为“恒星之父”？P248
2，沙利普是怎样把太阳从银河系中心请出来的？）P251
沙普利改用球状星团的空间分布来估计银河系的结构——球状星团亮，看得远，数目少。
采用新的估计距离的方法：造父变星方法和天琴座RR变星方法。
发现球状星团的分布不对称，说明太阳不在银河系中心。球状星团绝大部分都分布在
人马座方向，找到了银河系中心。
3，试描述银河系的结构。
~形状象一个大铁饼。 由银盘、银晕、核球和旋臂等组成。
“大铁饼”中心凸起部分称核球，物质密集。直径8～10万光年。
太阳离中心约3.3万光年。 银河系并没有一个明显的边界。
银盘中心的核球为椭球形，几条螺旋状的旋臂从核球两端对称地延伸出来。旋臂是银河系内物质密集的部分，共发现了4条，分别叫做三千秒差距臂、英仙臂、人马臂和猎户臂。
银河系较差自转：在靠近银心的地方，接近于刚体旋转；离银心较远地方自转角速度不同，离中心越远，其角速度越小。
4，为什么哈勃被誉为“星系之父”？
利用造父变星测出河外星系距离，确认旋涡星云是河外星系。

椭圆星系、不规则星系、旋涡星系