天体及相对论解读

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1、天文知识入门天文知识入门 光速C= 299792458m/s BY 元昔 不同的参考系中观察物体的运动情况可能不同，物体在空间移动这 一概念也是相对的 在不同参考 系中观察物 体的运动情 况 第二节第二节 经典时空观与相对论时空观经典时空观与相对论时空观 5.经典时空观的困惑 当火车未动乘客行 走, 观察者认为乘客 的速度为V2 V1 当火车以V1运动, 乘客 行走, 观察者认为乘客 的速度为V2+ V1 经典时空观经典时空观相对论时空观相对论时空观 主主 要要 结结 论论 同时的绝对性同时的相对性 时间间隔的绝对性运动的时钟变慢 空间距离的绝对性运动的尺子变短 质量不变质量随速度的增大而增大

2、 主主 要要 内内 容容 时间和空间彼此独立, 互不关联，且不受物 质或运动的影响。 时间和空间相互关联，质 量随物体的运动状态的改 变而改变。 第二节第二节 经典时空观与相对论时空观经典时空观与相对论时空观 4.物体质量随速度的增加而增大 时空相对性的实验验证 1966年用子作了一个类似于双生子旅游的实验，让子沿一直径为14米 的圆环运动再回到出发点，实验结果表明运动的子的确比静止的子寿 命更长。 第二节第二节 经典时空观与相对论时空观经典时空观与相对论时空观 1971年，科学家将铯原子钟放在喷气式飞机中作环球飞行，然后与地面 的基准钟对照实验结果与理论预言符合的很好这是相对论的第一次 宏观

3、验证 思考 什么是“光年”？ 其意思是指光在真空中沿直线传 播一年的距离约为94605亿千米 光年是计量天体间距离的单位， 一般被用于衡量天体间的距离。 宇宙 宇宙是由空 间、时间、物 质和能量所构 成的统一体。 是一切空间和 时间的总和。 天体 天体 简单天体 行星 恒星 亚恒星 变星 彗星 复合天体 恒星系统 星系 星云 星系团 星系云 大范围天 体 宇宙 可观测宇 宙 星风 星际物质 星系际介 质 恒星 恒星是由炽热气体组成的，是能自己发光的 球状或类球状天体。由于恒星离我们太远， 不借助于特殊工具和方法，很难发现它们在 天上的位置变化，因此古代人把它们认为是 固定不动的星体，我们所处的

4、太阳系的主星 太阳就是一颗恒星。 恒星是大质量、明亮的等离子体球。 恒星诞生于以氢为主，并且有氦和微量其他 重元素的云气坍缩。一旦核心有足够的密度 ，有些氢就可以经由核聚变的过程稳定的转 换成氦。恒星内部多余的能量经过辐射和对 流组合的携带作用传输出来；恒星内部的压 力则阻止了恒星在自身引力下的崩溃。 恒星是夜空中最亮的天体恒星是夜空中最亮的天体 天球 天球是研究天体的位置和运动而引 进的一个半径为任意的假想圆球。 实际星星和我们的距离有远有近， 我们看到的是它们在这个巨大的圆 球球面上的投影，这个假想的圆球 就称为天球，它的半径是无限大。 而地球就悬挂在这个天球中央。 星座看起来随着天球运动

5、是由于地 球自身的运动引起的，其中对星空 变化较为显著的乃地球的自转和公 转。由于地球自转，星空背景每天 绕天轴转动一圈；星空也随着季节 的变化而缓慢变化，经过一年之后 ，星空与一年之前的星空几乎一 致。 恒星的运动 小熊座 小熊座距北天极最近的一个北天星座。 小熊座标示着北天极的所在，星座中最 亮星小熊座即是目前的北极星。 把小熊座中的七颗亮星连接起来，能构 成与大熊座的北斗七星相类似的一个斗 型，因此这七颗星也被称作小北斗。在 斗柄开始处是小熊座，它是目前的北 极星，指示着北天极。 通过大熊座北斗斗口的两颗星大熊座( 天璇)和大熊座(天枢)朝斗口方向外引 一条直线，并延长至这两颗星距离的五

6、 倍远，即可以找到北极星。 小熊座 仙女座 天琴座 天鹅座 温度和光谱型（横轴） 表面温度光谱谱型 30000K以上蓝光（O） 1000030000K蓝白(B) 750010000K纯白(A) 60007500K黄白色(F) 50006000K黄(G) 35005000K红橙(K) 20003500K红(M) 绝对星等（纵轴） 亮 暗 超巨星 巨星矮星 0-11-5 太阳 黄矮星（光谱为G2V） 太阳直径大约是1392000（1.392106 ）公里，相当于地球直径的109倍；体 积大约是地球的130万倍；其质量大约 是21030千克（地球的330000倍）。 从化学组成来看，现在太阳质量的大

7、约 四分之三是氢，剩下的几乎都是氦，包 括氧、碳、氖、铁和其他的重元素质量 少于2%。 天狼星 （A1V）蓝巨星 天狼星（sirius）属大犬座中的一颗一等星 ，是夜空中最亮的恒星。根据巴耶恒星命名 法的名称为大犬座星。在中国属于二十八 星宿的井宿。天狼星、南河三和参宿四对于 居住在北半球的人来看，组成了冬季大三角 的三个顶点。 绝对星等 1.42 温度 9940K 天狼星位置 参宿四 读音shn xi s 参宿四为参宿第四星，西名Betelgeuse，又名猎户座星（ Orionis），是一颗处于猎户座的红超巨星（猎户座一等 星）。它是夜空中除太阳外第十亮的恒星。在冬季夜空中 ，它与大犬座的天

8、狼星、小犬座的南河三组成冬季大三 角。 绝对星等 6.05 温度3500K 恒星的演化 （二）中年期 中年期时形成主序星 恒星有不同的颜色和大小。从高热的蓝色到 冷却的红色，从0.5到20个太阳质量。 恒星的亮度和颜色依赖于其表面温度，而表 面温度则依赖于恒星的质量。大质量的恒星 需要比较多的能量来抵抗对外壳的引力，燃 烧氢的速度也快得多。恒星形成之后会落在 赫罗图的主星序的特定点上。 （1）小而冷的红矮星会缓慢地燃烧氢，可 能在此序列上停留数千亿年。 （2）而大而热的超巨星会在仅仅几百万年 之后就离开主星序。 （3）像太阳这样的中等恒星会在此序列上 停留一百亿年。太阳也位于主星序上，被认 为

9、是处于中年期。 在恒星燃烧完核心中的氢之后，就会离开主 星序。 恒星的演化 （三）成熟期 在耗尽了核心的氢燃料之后，燃 烧将会移至核心外围的氢气层。 因为惰性的氦核本身没有能源， 便因为重力而收缩并被加热，在 上面的氢也会跟着一起收缩，因 此融合的速度会增加，产生更多 的能量，导致恒星变得更为明亮 (比原来亮1,00010,000倍)并且 使体积膨胀。体积膨胀的程度超 过发光能力的增加，因此表面的 有效温度下降。表面温度的下降 使得恒星的颜色倾向红色，因此 称为红巨星。 红巨星 恒星的演化 （四）衰退期 当红巨星的外部区域迅速膨胀时，氦核受反 作用力却强烈向内收缩。经过几百万年，氦 核燃烧殆尽

10、，此时，外壳仍然是以氢为主的 混合物，而在它下面有一个氦层，氦层内部 还埋有一个碳球。核反应过程变得更加复杂 ，中心附近的温度继续上升，最终使碳转变 为其他元素。与此同时，红巨星外部开始发 生不稳定的脉动振荡：恒星半径时而变大， 时而又缩小，稳定的主星序恒星变为极不稳 定的巨大火球，火球内部的核反应也越来越 趋于不稳定，忽而强烈，忽而微弱。此时的 恒星内部核心实际上密度已经增大到每立方 厘米十吨左右，我们可以说，此时，在红巨 星内部，已经诞生了一颗白矮星。当恒星的 不稳定状态达到极限后，红巨星会进行爆发 ，把核心以外的物质都抛离恒星本体，物质 向外扩散成为星云，残留下来的内核就是我 们能看到的

11、白矮星。 白矮星 结局一：白矮星 白矮星是一种低光度、高密度、高温度的恒 星。也是一种很特殊的天体，它的体积小、 亮度低，但质量大、密度极高。比如天狼星 伴星（它是最早被发现的白矮星），体积和 地球相当，但质量却和太阳差不多，它的密 度在1000万吨/立方米左右。因为它的颜色 呈白色、体积比较矮小，因此被命名为白矮 星。 恒星的演化 （四）衰退期 结局二：中子星 中子星的前身一般是一颗质量比 太阳大8倍的恒星。它在爆发坍缩 过程中产生的巨大压力，使它的 物质结构发生巨大的变化。在这 种情况下，不仅原子的外壳被压 破了，而且连原子核也被压破 了。原子核中的质子和中子便被 挤出来，质子和电子挤到一

12、起又 结合成中子。最后，所有的中子 挤在一起，形成了中子星。显然 ，中子星的密度，即使是由原子 核所组成的白矮星也无法和它相 比。在中子星上，每立方厘米物 质足足有一亿吨重甚至达到十亿 吨。 当恒星收缩为中子星后，自转就会加快 ，能达到每秒几圈到几十圈。同时，收 缩使中子星成为一块极强的“磁铁”， 这块“磁铁”在它的某一部分向外发射 出电波。当它快速自转时，就像灯塔上 的探照灯那样，有规律地不断向地球扫 射电波。当发射电波的那部分对着地球 时，我们就收到电波；当这部分随着星 体的转动而偏转时，我们就收不到电 波。所以，我们收到的电波是间歇的。 这种现象又称为“灯塔效应”。 恒星的演化 （四）衰

13、退期 结局三：黑洞 黑洞是由质量足够大的恒星在核 聚变反应的燃料耗尽而“死亡” 后，发生引力坍缩产生的。黑洞 的质量极其巨大，而体积却十分 微小，它产生的引力场极为强劲 ，以至于任何物质和辐射在进入 到黑洞的一个事件视界（临界点 ）内，便再无力逃脱，甚至目前 已知的传播速度最快的光（电磁 波）也逃逸不出。 走进太阳系 恒星：太阳 行星：水星、金星、地球、火星、土星、木星、天王星、海王星 卫星： 月球（地球卫星）、木卫一 ( 木星卫星)、木卫二 ( 木星卫 星)、木卫三 ( 木星卫星)、木卫四 ( 木星卫星)、 土卫六 ( 土星卫星 )、天卫一 ( 天王星卫星)、 海卫一 ( 海王星卫星) 小行

14、星带：谷神星、智神星、婚神星、灶神星等 柯伊伯带：冥王星、卡戎、鸟神星、妊神星等 彗星 太阳 光球 对流层上面的太阳大气，称为太阳光 球。光球是一层不透明的气体薄层， 厚度约500千米。它确定了太阳非常清 晰的边界，几乎所有的可见光都是从 这一层发射出来的。 色球 色球位于光球之上。厚度约2000千 米。太阳的温度分布从核心向外直到 光球层，都是逐渐下降的，但到了色 球层，却又反常上升，到色球顶部时 已达几万度。由于色球层发出的可见 光总量不及光球的1%，因此人们平 常看不到它。只有在发生日全食时， 即食既之前几秒种或者生光以后几秒 钟，当光球所发射的明亮光线被月影 完全遮掩的短暂时间内，在日

15、面边缘 呈现出狭窄的玫瑰红色的发光圈层， 这就是色球层。平时，科学家们要通 过单色光色球望远镜才能观测到太阳 色球层。 日冕 日冕是太阳大气的最外层，由高温、 低密度的等离子体所 组成。亮度微弱 ，在白光中的总亮度比太阳圆面亮度 的百分之一还低，约相当于满月的亮 度，因此只有在日全食时才能展现其 光彩，平时观测则要使用专门的日冕 仪。日冕的温度高达百万度，其大小 和形状与太阳活动有关，在太阳活动 极大年时，日冕接近圆形；在太阳宁 静年则呈椭圆形。自古以来，观测日 冕的传统方法都是等待一次罕见的日 全食在黑暗的天空背景上，月面 把明亮的太阳光球面遮掩住，而在日 面周围呈现出青白色的光区，就是人

16、们期待观测的太阳最外层大气日 冕。 日冕 太阳黑子 太阳耀斑 太阳风 水星 水星（英语：Mercury，拉丁语：Mercurius ），中国称为辰星，是太阳系八大行星最内 侧的一颗。它也是最小的，并且有着八大行 星中最大的轨道偏心率。它的轨道每87.968 地球日绕行太阳一周而每公转2.01圈时也自 转了3圈。 当它最亮时，在技术上应该很容易就能从地 球上看见，但因为在天空中太靠近太阳，实 际上并不容易找到。因此，除非有日食，否 则在阳光的照耀下通常是看不见水星的。 金星 夜空中亮度仅次于月球，排第二，金星要在 日出稍前或者日落稍后才能达到亮度最大。 它有时清晨出现在东方天空，被称为“启明 ”；傍晚处于天空的西侧。 金星是一颗类地行星，因为其质量与地球类 似，有时被人们叫做地球的“姐妹星”，也 是太阳系中唯一一颗没有磁场的行星。在八 大行星中金星的轨道最接近圆形，偏心率最 小，仅为0.7%。 金星 美国加州大学洛杉矶分校地球物理学教授拉 塞尔表示，闪电是云与云碰撞导致的，大约 出现在金星