现代天文学复习资料.doc

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1、宇宙线物理 交叉于多种学科l 天文学和高能天体物理l 粒子物理与核物理l 空间物理l 大气环境等宇宙线的发现 美国物理学家密立根认为宇宙线是由不带电的光子组成。密立根认为，在宇宙中，16个氢原子聚合成了个氧原子时，生成光子，产生宇宙射线。他还把宇宙线叫做原子“诞生时的哭叫”。 另一位美国物理学家康普顿认为宇宙线是由带电粒子组成。康普顿等人发现宇宙线存在“纬度效应”，宇宙线强度随地球的纬度不同而不同，这一结论是由康普顿亲自走访了6个国家和60多位科学家分别进行观测而获得的。 1932年，康普顿亲自走访了五大洲，行程约为八万公里，南到新西兰的杜恩庭，北到北极圈；上至高山顶峰，下至海平面进行测量。同

2、年9月，康普顿在北极圈内宣告宇宙线确实存在“纬度效应”，并肯定了它是由带电粒子组成。 宇宙线是什么？ 宇宙线是自动送上门来的宇宙空间的高能粒子流。 宇宙线主要是由质子、氦核、铁核等裸原子核组成的高能粒子流；也含有少量中性的珈玛射线和能穿过地球的中微子流。（不同能段成分的构成比例不相同） 产生于太阳系的宇宙线，称为太阳宇宙线；与之相对应还有银河宇宙线和河外宇宙线。研究宇宙线物理意义 长途跋涉的空间旅行，带来空间的许多信息是人类研究空间环境的参照 来自遥远的的银河系或者以外，是我们目前了解太阳系以外的唯一物质参考 宇宙线活动的强弱直接影响到人类赖以生存的空间环境 对于人类的航天事业的发展有重大的影

3、响 二十世纪30至50年代，作为当时唯一可利用的高能粒子源，在宇宙线中相继发现了一系列基本粒子，推动了早期粒子物理学和高能加速器的发展。30年代 50年代 人们把这种宇宙线粒子加速器无偿提供的高能粒子流作为“粒子炮弹“去轰开基本粒子世界的大门，促成了粒子物理学和高能人工加速器的发展。相继在宇宙线中发现了： 宇宙线物理是实验的科学 宇宙线物理以实验为基础，而又基于实验和理论密切结合发展的。宇宙线能谱特点宇宙线能量与宇宙线的流量费米加速机制 1949年Fermi提出宇宙线粒子在与星际磁场的碰撞过程中能够获得能量，得到加速。Fermi加速机制对于宇宙线能谱给出很好的解释。宇宙线研究的几大热门 g源、

4、g暴 中微子n物理（2002年诺贝尔奖） 反物质与暗物质 “膝区物理” 极高能物理Open questions : 宇宙射线是怎样产生的？它的产生机制是什么？ 什么过程把它们加速到如此高的能量的？l 超新星爆发？l 高速旋转的中子星？l 活动星系核？ 为什么宇宙线能谱拐折？l 膝区l 踝区l 趾区？ GZK截断？实验的主要目的寻找宇宙线源 带电粒子（主要是质子、核子和电子）受到星际介质、行星际磁场，太阳风磁场，地球磁层的调制和偏转，失去了产生地的方向信息。 以中性稳定粒子流（g,中微子）为探针，是我们研究宇宙线起源，加速机制和传播过程的主要手段。宇宙射线伽玛天文 对光子全波段范围的观测对于全面

5、了解星体演化和宇宙线的起源有重要意义。 不同能区的光子对应不同的物理过程，而且有不同的观测手段。空间实验直接探测 g天文的EGRET时代 美国宇航局NASA发射CGRO卫星1991年4月5日发射升空，标志着人类对g天文的研究揭开了新的一页。（1991-1999）EGRET主要贡献2、给出宇宙线银河起源的证据3、给出第一张弥散伽玛射线的辐射天图反映了宇宙线与星际介质和光子背景的相互作用4、证认了BLAZARS是一种能够产生大量g射线的活动星系核（AGN）5、做出了宇宙线各向同性的比较准确的测量GLAST的挑战 未来GLAST对g天文贡献的期待l 2007年发射l 目标：寻找河外Blazer，证认

6、EGRET不明源，高能g暴的探测，寻找暗物质等空间实验的优势探测高能宇宙线对实验仪器的要求 探测器有效面积大 张角大（open angle） 收集时间长地面宇宙线实验观测 面积不受限制 收集时间不受限制 张角接近2p立体角广延大气簇射（EAS）Extensive Air Shower 地面实验对高能宇宙线间接测量。 高能宇宙线粒子进入大气层，与大气层中的空气中的原子核发生多次核作用，形成级联簇射，从而产生大量次级粒子的过程。 级联：电磁级联，强子级联和混合级联广延大气簇射的纵向发展 宇宙线进入大气层，与空气核相互作用产生大量次级粒子 地面探测器通过探测次级粒子的效应来推断原初宇宙线的特性l 次

7、级粒子数目与原初能量相关l 次级粒子到达的时间反映原初粒子的方向l 簇射中m子的比率与原初粒子的类型（质子、核子、光子）相关广延大气簇射横向分布 横向分布EAS（广延大气簇射）阵列实验AGASA、 MILAGRO、 TIBET ASg 、ARGO-YBJ，CASA-MIA，HEGRA， 。IACT(大气 Cherenkov 成像望远镜）实验WHIPPLE， CANGROO，MAGIC，VERITAS，CAT，HESS，。AGASA AGASA covers an area of about 100 km2 and consists of 111 detectors on the ground

8、MilagroCANGROO实验 CANGAROO Collaboration of Australia and Nippon (Japan) for a GAmma Ray Observatory in the Outback,国际合作，利用成像 Cherenkov 望远镜阵列研究VHE（甚高能）GAMMA天文的位置在Woomera, Australia. HESS实验介绍 大气契仑柯夫成像望远镜实验 位于纳米比亚 多国合作（德、法、英、捷克、波兰、爱尔兰、纳米比亚、亚米尼亚、南非等）Hess 成果（截至到2006年） 不到三年的时间公开发表在国际有影响的著名刊物上的文章为29篇（其中不算国

9、际会议文章） 其中Nature 上发表3篇 science上发表2篇 其成果在2005年印度召开的国际宇宙线会议上引起不小的轰动。 共计发现（探测到）TeV能区gamma射线源25个，并且还在不断更新中意合作ARGO实验为何来此？ 高海拔（米）的优势蕴藏着物理的优越 羊八井得天独厚的地理位置把优越性发挥到极致（地形，气候，生活，能源，交通，友邻等） 利用这些条件作别人做不了的科研工作宇宙线各向异性扣除掉各向异性后全天显著性分布图参加合作单位中意ARGO-YBJ实验 中方（发言人 曹臻） 中科院高能物理所 西藏大学 西南交通大学 云南大学 山东大学 郑州大学 香港大学 河北师范大学 44人 意方

10、（B.Dettorre Piazzoli） Napoli大学物理系及INFN Napoli分部 Lecce大学物理系及INFN Lecce分部 罗马二大学物理系及INFN 罗马二分部 罗马三大学物理系及INFN 罗马三分部 CNR都灵宇宙地物所及INFN都灵分部 INFN Catania分部 INFN pavia 分部 Salerno大学 Sonnio 大学 39人ARGO将开展的主要研究课题q 100GeV g点源的寻找和监测。q 把对宇宙g暴的观测扩充到整个10GeV-TeV能区。q 利用月球和地磁场组成的巨型空间“磁谱仪”，以宇宙线“月亮阴影”法测定宇宙线中的反质子丰度，获取这些信息是判

11、定宇宙远方是否存在反物质星系的重要判据。 q 膝区物理的突破q 作为基本的日地环境参数长期持续监测宇宙线及其反映的太阳活动和行星际大尺度磁场的变化，并研究地球环境与太阳活动变化间的关联。 ARGO实验进展顺利我们满怀希望的期待着 第一讲 天文学的研究对象和内容研究对象： 天文学所研究的对象涉及宇宙空间的各种星星和物体，大到月球、太阳、行星、恒星、银河系、河外星系以至整个宇宙，小到小行星、流星体以至分布在广袤宇宙空间中的大大小小尘埃粒子。 天文学家把所有这些星星和物体统称为天体。 从这个意义上讲，地球也应该是一个天体，不过天文学只研究地球的总体性质而一般不讨论它的细节。-地球物理 人造卫星、宇宙

12、飞船、空间站等人造飞行器的运动性质也属于天文学的研究范围，可以称之为人造天体。天文与气象？ 不少人往往分不清天文和气象有什么区别，电话打到天文台问天气情况是常有的事。也许天文和气象都是研究“天上”的东西而使人产生混淆，而香港天文台经常发播台风警报更使人误认为天文台就是研究天气情况。 其实，天文学研究的天和气象学研究的天是两个完全不同的概念。 天文学上的“天”是指宇宙空间，气象学上的“天”是地球大气层。 天文学家研究地球大气层以外各类天体的性质和天体上发生的各种现象天象，气象学家则研究地球大气层内发生的各种现象气象。 预报日食、月食的发生和流星雨的出现是天文学家的事，而预报台风、高温、寒潮则是气

13、象学家的职责。 天文学（Astronomy = Star + Law）空间尺度：从极小到极大宇宙中的天体由近及远分类为几个层次： 太阳系天体：包括太阳、行星（其中包括地球）、行星的卫星（其中包括月球）、小行星、彗星、流星体及行星际介质等。恒星和恒星集团 银河系中的各类恒星和恒星集团：包括变星、双星、聚星、星团、星云和星际介质。太阳是银河系中的一颗普通恒星。星系 河外星系，简称星系，指位于我们银河系之外、与我们银河系相似的庞大的恒星系统，以及由星系组成的更大的天体集团，如双星系、多重星系、星系团、超星系团等。此外还有分布在星系与星系之间的星系际介质。 天文学还从总体上探索目前我们所观测到的整个宇

14、宙的起源、结构、演化和未来的结局，这是天文学的一门分支学科宇宙学的研究内容。时间跨度：从过去到将来天文学的研究特点天文学按照研究的内容可分为天体测量学、天体力学和天体物理学三门分支学科。 天体测量学 天体测量学是天文学中发展最早的一个分支，它的主要内容是研究和测定各类天体的位置和运动，建立天球参考系等。 利用天体测量方法取得的观测资料，不仅可以用于天体力学和天体物理研究，而且具有应用价值，比如用以确定地面点的位置。 目前，天体测量的手段已从早期单一的可见光波段，发展到射电、红外等其他电磁波段，精度也不断提高，并且从地面扩展到空间，这就是空间天体测量。 天体力学 天体力学主要研究天体的相互作用、运动和形状，其中运动应包括天体的自转。早期的研究对象是太阳系天体，目前已扩展到恒星、星团和星系。 牛顿万有引力定律和运动三定律的建立奠定了天体力学的基础，使研究工作从运动学发展到动力学。因此，实际上可以说牛顿是天体力学的创始人。 今天，我们可以准确地预报日食、月食等天象，和天体力学的发展是分不开的。 天体物理 天体物理是天文学中最年轻的一门分支学科，它应用物理学的技术、方法