科普天文學(xué)（完美版）模板兩篇

通識課天文學(xué)概論教師：馬1麗第二章天球坐標(biāo)系

宇宙是一本永遠(yuǎn)在我們面前打開的大書，它是用數(shù)學(xué)語言寫成的，其中有三角形、圓及其他幾何圖形。只有學(xué)會(huì)它的語言，我們才能讀懂它，否則只能在黑暗的迷宮中瞎逛。

——伽利略2.1建立球面坐標(biāo)系的基本原則2.1.1天球

天球是一個(gè)想象的旋轉(zhuǎn)的球，理論上具有無限大的半徑，與地球同心。天空中所有的物體都想象成是在天球上。與地球相對應(yīng)，它有天赤道，天極。以觀察者為中心，以足夠遠(yuǎn)為半徑把地軸延伸到天球上的位置，就是天球的北極和南極把地球的赤道伸延到天球上的位置，就是天球赤道了

觀察者所看到的天體的位置就是天體在這個(gè)球面上的投影。天體到觀察者之間的距離是感覺不到的，通常用球面上的坐標(biāo)來表示天體的位置。球面幾何

幾何學(xué)的一門分科。研究球面上圖形的幾何學(xué)。是古代從研究天體在天球上的“視運(yùn)動(dòng)”發(fā)展起來的，其中專門研究球面上三角形的性質(zhì)的稱為“球面三角”。球面幾何學(xué)在航海學(xué)和天文學(xué)都有實(shí)際且重要的用途。2.1.2球面的幾何性質(zhì)

在平面幾何中，基本的觀念是點(diǎn)和線。在球面上，點(diǎn)的觀念和定義依舊不變，但線不再是“直線”，而是兩點(diǎn)之間最短的距離，稱為最短線。在球面上，最短線是大圓的弧，所以平面幾何中的線在球面幾何中被大圓所取代。同樣的，在球面幾何中的角被定義在兩個(gè)大圓之間。結(jié)果是球面三角學(xué)和平常的三角學(xué)有諸多不同之處。例如：球面三角形的內(nèi)角和大于180°。在古典天文學(xué)的研討中，觀察星星的方向可以用單位球面上的一個(gè)點(diǎn)來標(biāo)記它，而兩個(gè)方向之間的角度（亦即方向差）則相應(yīng)于單位球面上兩點(diǎn)之間的球面距離(sphericaldistance)。這也就是為什么古希臘天文學(xué)和幾何學(xué)總是合為一體的，而且古希臘的幾何學(xué)家對于球面三角學(xué)(sphericaltrigonometry)的投入程度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過他們對于平面測量學(xué)的興趣，因?yàn)椤噶刻斓膶W(xué)問」才是他們所致力去理解者；它的確比丈量土地、計(jì)量財(cái)產(chǎn)等更引人入勝2.1.2球面的幾何性質(zhì)（2）用任何一個(gè)平面去切割球面，切痕都是圓。如果切割平面過球心，圓的直徑最大，成為大圓，不過球心時(shí)，直徑較小稱為小圓。

球面上任意兩點(diǎn)之間的連線以大圓弧為最短。大圓弧的長度是一個(gè)角量度，通過其對球心的張角來量度。通過球面上任意兩點(diǎn)（與球心在同一條直線上的兩點(diǎn)除外）可以作一個(gè)唯一的大圓。球面上任意兩個(gè)不同的大圓必然相交于兩點(diǎn)，兩點(diǎn)的連線必然過球心。球面上圓的極：設(shè)⌒ABC為球面上的一個(gè)任意圓（圖F3.2），它所在的平面為MABC，又設(shè)PP’為垂直于平面MABC的球直徑，則它的兩個(gè)端點(diǎn)P和P’叫做圓⌒ABC的極。如果用一句話來表達(dá)，可以這樣說：垂直于球面上一已知圓（不論大圓或小圓）所在平面的球直徑的端點(diǎn)，叫做這個(gè)圓的極。球面上某一圓的極和這個(gè)圓上任一點(diǎn)的角距，叫做極距?？梢宰C明，極到圓上各點(diǎn)的角距都是相等的；如果所討論的圓是一個(gè)大圓的話，則極距為90°。球面角：兩個(gè)大圓弧相交所成的角，叫做球面角。它們的交點(diǎn)叫做球面角的頂點(diǎn)。大圓弧本身叫做球面角的邊。圖F3.3繪出了兩個(gè)相交的大圓弧⌒PA和⌒PB，O為球心，⌒PA所在的平面為POA，⌒PB所在的平面為POB，兩者的交線為OP。球面角∠APB用POA和POB所構(gòu)成的兩面角來量度。球面三角形：把球面上的三個(gè)點(diǎn)用三個(gè)大圓弧聯(lián)結(jié)起來，所圍成的圖形叫做球面三角形。這三個(gè)大圓弧叫做球面三角形的邊，通常用小寫拉丁字母a、b、c表示；這三個(gè)大圓弧所構(gòu)成的角叫做球面三角形的角，通常用大寫拉丁字母A、B、C表示，并且規(guī)定：A角和a邊相對，B角和b邊相對，C角和c邊相對（如圖F3.4所示）。三個(gè)邊和三個(gè)角合稱球面三角形的六個(gè)元素。GG’AA’2.1.2

建立球面坐標(biāo)的條件選擇一條通過球心的直線作為基本軸，選擇一個(gè)特定的大圓作基本圓選擇球面上的任意點(diǎn)作基本點(diǎn)約定坐標(biāo)量度的方向和范圍基本軸是地球自轉(zhuǎn)軸基本軸和地球的兩個(gè)交點(diǎn)是北極和南極?；敬髨A是赤道，基本點(diǎn)是英國格林威治天文臺(tái)所在地G。地球表面的任一地點(diǎn)A有兩個(gè)坐標(biāo)：地理經(jīng)度和地理緯度。通過北極和A點(diǎn)作大圓與赤道交于點(diǎn)A’，通過北極和G點(diǎn)作大圓交于G’，弧長AA’稱為A點(diǎn)的地理緯度?；￠LG’A’稱為A點(diǎn)的地理經(jīng)度。緯度由赤道到兩極度量各90°，約定向北為正，向南為負(fù)；經(jīng)度由G‘向東西度量，正負(fù)各180度，約定向西為正，向東為負(fù)。大圓1’對應(yīng)的弧長是為1.85千米——海里。2.2三種常用的天球坐標(biāo)系2.2.1地平坐標(biāo)系地平坐標(biāo)系的基本軸是鉛垂線，它與天球的交點(diǎn)Z稱為天頂。他所見到的天與地相接的大圓就是地平圈。地平坐標(biāo)系中的基本圈是地平圈，基本點(diǎn)是天頂和天底。地平坐標(biāo)系的一對坐標(biāo)是高度h（地平緯度）和方位角（地平經(jīng)度）地平高度即地平緯度，它是一種線面角，即天體方向和觀測者的連線與地平圈的夾角。方位角即地平經(jīng)度，是一種兩面角，即午圈所在的平面與通過天體所在的地平經(jīng)圈平面的夾角。特點(diǎn)

地平坐標(biāo)系比較直觀，只要你學(xué)會(huì)如何找到天上的北極星，病據(jù)此判斷正南、正北方向，地平坐標(biāo)系的基本大圓和基本點(diǎn)在天空中的位置是很容易確定的。

地表各點(diǎn)位置不同，地平坐標(biāo)系的基本圈（地平圈）和基本點(diǎn)（天頂和天底），也隨之不同。地平坐標(biāo)值是因地因時(shí)而不同。隨時(shí)間和地點(diǎn)的變化而變化是該坐標(biāo)系的顯著特征。

地平坐標(biāo)系能把天體在當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐奶炜瘴恢弥庇^地、生動(dòng)地表示出來。例如，若某人造衛(wèi)星在某時(shí)刻的地平坐標(biāo)值為：方位270°，高度45°，則說明，此時(shí)該人造衛(wèi)星在正東方的天空，其仰角為45°。2.2.2赤道坐標(biāo)系赤道坐標(biāo)系的基本軸是地球自轉(zhuǎn)軸，基本大圓是天赤道，也就是地球赤道面延展以后與天球相交的大圓。作天球上一點(diǎn)的赤經(jīng)圈，從天赤道起沿此赤經(jīng)圈量度至該點(diǎn)的大圓弧長為緯向坐標(biāo)，稱為赤緯。赤緯從0°到±90°計(jì)量，赤道以北為正，以南為負(fù)。赤緯的補(bǔ)角稱為極距，從北天極起，從0°到180°計(jì)量。從春分點(diǎn)起沿天赤道逆時(shí)針向量到天球上一點(diǎn)的赤經(jīng)圈與天赤道交點(diǎn)的弧長為經(jīng)向坐標(biāo)，稱為赤經(jīng)。赤經(jīng)從0°到360°或從0h到24h計(jì)量。地球繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道平面延展以后與天球相交的另一個(gè)大圓稱為黃道，黃道與赤道的交角就是地球自轉(zhuǎn)軸傾斜的角度，稱為黃赤交角，約為23°26’。黃道與赤道有兩個(gè)交點(diǎn)，春季太陽所在的那點(diǎn)稱為春分點(diǎn)，另一個(gè)為秋分點(diǎn)。赤道坐標(biāo)系的基本點(diǎn)是春分點(diǎn)，用白羊座的符號γ表示。赤道坐標(biāo)系的特點(diǎn)：赤道坐標(biāo)系沒有地平坐標(biāo)系那樣直觀，更無法確定春分點(diǎn)是天上哪一點(diǎn)。但赤道坐標(biāo)系與觀測者所在的地面位置沒有關(guān)系，對任何點(diǎn)都是一樣的。赤道坐標(biāo)系的基本大圓和基本點(diǎn)都和天氣一樣參與東升西落的周日視運(yùn)動(dòng)，因而天體的赤道坐標(biāo)系是相當(dāng)固定。天文學(xué)中更常用赤道坐標(biāo)系。2.2.3

黃道坐標(biāo)系黃道坐標(biāo)系與赤道坐標(biāo)系類似，基本大圓是黃道，基本軸是于黃道面垂直的軸，它與天球交于兩點(diǎn)：北黃極Π和南黃極Π’，基本點(diǎn)是春分點(diǎn)γ。約定黃緯從黃道向北黃極和南黃極量度，正負(fù)各90°，黃經(jīng)從春分點(diǎn)起算，沿著與天體東升西落相反的方向度量，用度、分、秒單位。從0°到360°。黃道坐標(biāo)系的原點(diǎn)可以建立在地心或日心上。北黃極Π的赤道坐標(biāo)是：赤經(jīng)18h，赤緯δ=90°-ε（ε是黃赤交角）。黃道坐標(biāo)系適用于表示太陽系內(nèi)天體的位置和運(yùn)動(dòng)。由于太陽本身是在黃道上運(yùn)行的，因此用太陽黃經(jīng)來表示其位置，用太陽黃經(jīng)的變化來表示太陽的視運(yùn)動(dòng)是特別適宜的。例如，在春分日太陽黃經(jīng)為0°，夏至日為90°，秋分日為180°，冬至日為270°太陽系內(nèi)其它天體的運(yùn)行，也可以用其黃道坐標(biāo)值來表示。2.3天體的周日視運(yùn)動(dòng)地球自轉(zhuǎn)從北往下看時(shí)逆時(shí)針方向。人站在地球上，不覺得地球自轉(zhuǎn)，只看到天球在反方向旋轉(zhuǎn)，每24小時(shí)旋轉(zhuǎn)一圈，稱為天球的周日視運(yùn)動(dòng)。所有的天體都參與這一運(yùn)動(dòng)，沿著與赤道平行的小圓繞天極旋轉(zhuǎn)，只有赤道上的天體才沿著赤道做大圓運(yùn)動(dòng)，南北兩極不參與周日視運(yùn)動(dòng)。北極星在北天極附件，只做非常微小的周日視運(yùn)動(dòng)，肉眼不能覺察。北半球的居民看北極星總在天上一個(gè)固定的位置，它只是正北方。北極星的高度等于當(dāng)?shù)氐木暥圈眨械奶祗w也都傾斜著繞北極星運(yùn)動(dòng)（傾角90°-φ）。天球上通過天極與天頂?shù)拇髨A稱為子午圈，剛好通過正南正北方向。天體周日視運(yùn)動(dòng)公共子午圈稱為天體中天，離天頂近的一次（常在地平線之上）稱為上中天，離天頂遠(yuǎn)的一次稱為下中天。天體的中天對任意一個(gè)緯度，會(huì)出現(xiàn)三種情況：天體永遠(yuǎn)在地平圈上，即使下中天也一樣，這是恒顯圈。當(dāng)赤緯加上地理緯度的絕對值大于90°的情況下（當(dāng)赤緯的絕對值大于地理緯度的余角時(shí)）。天體永遠(yuǎn)在地平圈下，即使上中天也一樣，這是恒隱圈。當(dāng)赤緯減去地理緯度的絕對值大于90°的情況下（當(dāng)天體在另一個(gè)半球，且赤緯的絕對值大于地理緯度的余角時(shí)）。上中天在地平圈之上，下中天在地平圈之下，這是另一種情況（當(dāng)天體赤緯的絕對值小于地理緯度的余角時(shí)）。地平坐標(biāo)也可以轉(zhuǎn)換成赤道坐標(biāo)：赤道坐標(biāo)轉(zhuǎn)為地平坐標(biāo)：在數(shù)學(xué)公式中，以A代表方位，a代表高度。以δ表示赤緯，H表示時(shí)角。φ為觀測者所在地的緯度。λ和β代表黃經(jīng)和黃緯,α和δ代表赤經(jīng)和赤緯,ε=23°26′20.512″即黃赤交角(地軸傾角).黃道坐標(biāo)->赤道坐標(biāo)

sinδ=sinεsinλcosβ+cosεsinβ

cosαcosδ=cosλcosβ

sinαcosδ=cosεsinλcosβ-sinεsinβ赤道坐標(biāo)->黃道坐標(biāo)

sinβ=cosεsinδ-sinαcosδsinε

cosλcosβ=cosαcosδ

sinλcosβ=sinεsinδ+sinαcosδcosε2.4太陽的周年視運(yùn)動(dòng)2.4.1太陽的周年視運(yùn)動(dòng)是地球公轉(zhuǎn)的反應(yīng)由于地球每年（恒星年）繞太陽公轉(zhuǎn)一圈，而地球上的人通常感覺不到地球的運(yùn)動(dòng)，正如坐在行駛的車輛中的人感覺周圍的物體向后運(yùn)動(dòng)一樣，看到的是太陽在恒星組成的星空背景上向后運(yùn)動(dòng)，每年轉(zhuǎn)一圈。太陽在周年視運(yùn)動(dòng)中，大約穿過十二個(gè)星座。太陽視運(yùn)動(dòng)的方向不是與地球公轉(zhuǎn)方向相反，而是與地球公轉(zhuǎn)方向相同，均為自西向東（在北黃極上空看為逆時(shí)針方向）。/NorthStar/Unit4/unit4_sub1.htm白羊座天秤座摩羯座巨蟹座雙子座獅子座雙魚座天蝎座人馬座金牛座室女座水瓶座蛇夫座“斗柄東指，天下皆春”的說法。連接斗口的兩顆星（β和α），并延長到這兩顆星距離五倍遠(yuǎn)的地方，就會(huì)找到較為明亮的北極星1.獅子吼天——春季星空2.星漢燦爛——夏季星空3.飛馬當(dāng)空——秋季星空4.獵戶威武——冬季星空

雄偉的獅子座正在天空中，它是春夜星空的中心，頭部像鐮刀，尾部像三角形，頭西尾東，很像一只獅子。它的最亮（α）星，叫軒轅十四，位于黃道上，月亮和行星經(jīng)常運(yùn)行到它的附近。獅子座的南面有橫跨天空的長蛇座，頭西尾東，已全部展現(xiàn)在天空中。在長蛇座的尾部，角宿一的西南方有小而易見的烏鴉座，多亮星。由大角、角宿一和獅子座β星構(gòu)成的三角形，稱為“春季大三角”。夏夜的銀河，橫貫?zāi)媳?，氣勢磅礴，最引人注目的是銀河帶的幾個(gè)星座?？椗呛优＠尚窃阢y河兩“岸”放射光芒，織女星是天琴座α星，牛郎星也叫河鼓二，是天鷹座α星，和銀河之中的天鵝座α星，中文名字叫天津四，構(gòu)成了“夏季大三角”。夏季的銀河極為壯美，但只能在沒有燈光干擾的野外才能欣賞到。夏夜星空是指每年六至八月，晚上八時(shí)到第2天凌晨所見到的星空。由牛郎星沿銀河南下，可找到人馬座，其中的6顆星（μ、λ、φ、δ、τ、ξ）組成“南斗六星”，與西北天空大熊座的北斗七星遙遙相對。人馬座部分的銀河最為寬闊和明亮。因?yàn)檫@是銀河系中心的方向。“飛馬當(dāng)空，銀河斜掛”，這是秋季星空的象征。北斗的斗柄指西，但接近北方地平線，不易見。巡視秋季星空，可從頭頂方向的“秋季四邊形”（又稱為“飛馬－仙女大方框”）開始，這個(gè)四邊形十分近似一個(gè)正方形，而且當(dāng)它在頭頂方向時(shí)，其四條邊恰好各代表一個(gè)方向。秋季四邊形由飛馬座的三顆亮星（α、β、γ）和仙女座的一顆亮星（α）構(gòu)成，十分醒目。將四邊形的東側(cè)邊線向北方天空延伸（即由飛馬座γ星向仙女座α星延伸），經(jīng)由仙后座，可找到北極星，沿此基線向南延伸，可找到鯨魚座的一顆亮星（β）。這條長長的南北線差不多在赤經(jīng)Oh的位置，記住它，估算星星的位置就很方便。將四邊形的西側(cè)邊線向南方天空延伸（即由飛馬座的β星向α星延伸），在南方低空可找到秋季星空的著名亮星北落師門（南魚座α星），南魚座北面的摩羯、寶瓶座均缺少亮星，不易辨認(rèn)。沿此基線向北延伸，可找到仙王座。冬夜的星空是壯麗的！全天最著名的獵戶座是冬夜星空的中心，它的周圍有許多明亮的星座和它組成了一幅光彩奪目的星空圖案。冬夜銀河的位置與秋夜的正好相反，由東南向西北斜掛天穹，著名的大犬、獵戶、雙子、金牛、御夫、英仙、仙后星座均由東南向西北依次排列在銀河的周圍。最引人注目的，是高懸于南方天空的獵戶座。夾在紅色亮星參宿四（獵戶座α星）和白色亮星參宿七（獵戶座β星）之間的三星（獵戶座δ、ε、ζ）頗為吸引人，在我國民間把它叫做三星。在三星下方不遠(yuǎn)處，有一個(gè)肉眼可見的氣體星云，就是著名的獵戶座大星云。順著三星向南偏東尋去，可找到全天最亮的天狼星（大犬座α星）。在參宿四的正東，另有一顆亮星南河三（小犬座α星）。參宿四、天狼星和南河三組成著名的“冬季大三角”。二十四節(jié)氣春雨驚春清谷天，夏滿芒夏暑相連，秋處露秋寒霜降，冬雪雪冬小大寒。二十四節(jié)氣的命名反應(yīng)了季節(jié)、氣候現(xiàn)象、氣候變化等。表示寒來暑往變化的有：立春、春分、立夏、夏至、立秋、秋分、立冬、冬至八個(gè)節(jié)氣；象征溫度變化的有：小暑、大暑、處暑、小寒、大寒五個(gè)節(jié)氣；反映降水量的則是：雨水、谷雨、白露、寒露、霜降、小雪、大雪七個(gè)節(jié)氣；反應(yīng)物候現(xiàn)象或農(nóng)事活動(dòng)的節(jié)氣有：驚蟄、清明、小滿、芒種四個(gè)節(jié)氣。不同緯度處太陽的視運(yùn)動(dòng)赤道式日晷日晷在北京紫禁城內(nèi)的赤道式日晷最簡單的日晷只是在圓盤的中心穿過一根平行于地球自轉(zhuǎn)軸的棒子，而圓環(huán)的平面與地球的赤道面平行。盤的兩面都被標(biāo)示上時(shí)間，以便能利用棒的投影來指示時(shí)間。通常正午位在環(huán)的最低處，早上6點(diǎn)標(biāo)示在環(huán)的西側(cè)，黃昏的6點(diǎn)在環(huán)的東側(cè)。在冬季，盤的北側(cè)照不到陽光，必須使用盤的南側(cè)；在夏季，陽光照射在盤的北側(cè)，南側(cè)的盤面就不能使用了。日地距離與四季冷暖變化的原因春季星空春季星空的主要星座有：大熊座、小熊座、獅子座、牧夫座、獵犬座、室女座、烏鴉座長蛇座。在天頂略偏東北的方向，可以看到北斗七星，斗口兩顆星的連線，指向北極星．而此時(shí)的斗柄，正指向東，所以有云：斗柄東指，天下皆春．斗柄南指，天下皆夏．斗柄西指天下皆秋．斗柄北指，天下皆冬．而順著斗柄的指向，可以找到一顆亮星，即牧夫座的大角．然后到達(dá)室女座的主星角宿一．在大熊座的附近，可以找到一個(gè)叫做獵犬座的小星座，其中有一個(gè)漩渦星云，即M51,是有名的河外星系．室女座被奉為主管農(nóng)業(yè)的神，從它的主星角宿一略向西南，是由四顆星組成的烏鴉座烏鴉座的下面是長蛇座的尾部．長蛇座從東向西，橫跨半個(gè)多天空，是全天最大的星座之一．長蛇頭部的東北，是著名的獅子座．它是春夜星空最輝煌的中心．獅子星座的主星，中名軒轅十四，是處于黃道上的一顆一等星．有時(shí)有明亮的行星走近時(shí)，就非常好看了．春季星空夏季是看星的好時(shí)節(jié)，天黑以后向西看，就找到獅子星座．獅子座東面是室女座,還有天蝎座。在天空南方，比較低的星空閃耀著一顆紅色的亮星，它是天蝎座的主星心宿二，也是一顆處在黃道上的亮星．天蝎座的明顯特征是有三顆星等距成弧擺開，心宿二恰在圓心．在中國古代天文學(xué)中，天蝎屬商星，獵戶屬參星．剛好一升一落，永不相見，于是有詩人說："人生不相見，動(dòng)如參與商．"天蝎座東面，就是人馬座，人馬座的東半部分，有六顆星，被稱為南斗．在天蝎與人馬一帶的星空，有一條白茫茫的光帶，那就是銀河了．順著銀河向東北找，可以看到緊靠著一個(gè)四邊形的織女星和帶著左右兩顆小星的牛郎星．而與著這兩顆亮星組成一個(gè)三角形的一顆亮星，就是天津四，它和它所屬的天鵝座的其它星組成了一個(gè)十字，很好辨認(rèn)．北斗七星此時(shí)在西北天，找到牧夫座后，向東，在差不多天頂?shù)奈恢?，有個(gè)半圓形的星座，叫做北冕座，就象一個(gè)鑲滿珠寶的皇冠，這里聚集著大量的星系．秋夜的星空晴朗透明，也是看星的好機(jī)會(huì)．在西南地平線上，人馬座已經(jīng)斜掛在那兒了．古書上說："北斗闌干南斗斜"就是指這．西方的天空還有牛郎織女在竊竊私語，天津四也在那做電燈泡而南方卻只有一顆孤獨(dú)的亮星北落師門．東北角上升起了兩顆亮星：五車二（御夫座主星），畢宿五（金牛座主星）．夏季星空“飛馬當(dāng)空，銀河斜掛”，是秋季星空的象征。秋季四邊形的4顆星分別叫做室宿一、室宿二、壁宿一、壁宿二【即飛馬座的三顆亮星（α、β、γ）和仙女座的一顆亮星（α）】。秋夜星空多的是王公貴族：仙王，仙后，仙女，英仙，飛馬，鯨魚．天頂偏東是飛馬座．仙女座就是在飛馬座東北的一字形星座．仙女座北面是W形的仙后座．仙后座西面是仙王座，東面是英仙座．英仙座的大陵五是著名的食變星，鯨魚座中有一個(gè)長周期變星叫芻蒿增二（即鯨魚座ο星）。英仙座與仙后座之間是英仙座雙重星團(tuán)．仙女座則有一個(gè)著名的大星系：仙女座大星云．這是一個(gè)比銀河系還大得多的星系，也是北半天中距離我們最近的一個(gè)星系．秋季星空的亮星較少，但像仙女座河外星系（M31）這樣的深空天體卻比比皆是。秋季星空冬季雖然寒冷，但星空卻極其壯麗．獵戶座是冬季星空的中心．在廈門的緯度，入夜后，就可看到三顆排列整齊的亮星，民間說"三星高照"就是它們了．三星的周圍有四顆亮星和三星組成一個(gè)長方形，就是獵戶座．三星就是獵戶的腰帶．三星連線想左下方延長，就能遇到全天最亮的恒星：天狼星．它是大犬座的主星．從三星向右上方延長就是紅色亮星畢宿五．旁邊是五車二．金牛座東南是雙子座，在向東是巨蟹座，再往東是獅子的頭部了．獵戶座的西南是漫長巨大卻十分暗淡的波江座．主星水委一，要到廣東才依稀看到獵戶座正南方是天兔，天鴿座．在往南是船底座的主星老人星．獵戶座的三星下方，有一片亮斑，那就是獵戶座大星云．三星最左邊的那顆旁邊是馬頭星云．金牛座的昴星團(tuán)是一個(gè)極好看的疏散星團(tuán)．大約由500顆恒星組成。冬季星空第四章

恒星

恒星的位置看來固定不變，因而古人稱之為“恒”星，即固定不動(dòng)的星。一般來說，恒星都是氣體球，沒有固態(tài)表面，通過自身引力聚集而成。它區(qū)別于行星的一個(gè)重要性質(zhì)是它自己能夠強(qiáng)烈發(fā)光。太陽是一顆恒星。恒星是指由內(nèi)部能源產(chǎn)生輻射而發(fā)光的大質(zhì)量球狀天體。參數(shù)變化范圍質(zhì)量M10-1M⊙≤M≤102M⊙

半徑R10-3R⊙≤R≤103R⊙

表面溫度T103K≤T≤105K光度L10-4L⊙≤L≤106L⊙

M⊙是太陽的質(zhì)量，R⊙是太陽的半徑，L⊙為太陽的光度。對恒星的研究表明：恒星主要是由氫組成的氣體球。氫聚變成氦而放出能量，然后氦又可聚變成更重的元素放出能量，因此恒星的化學(xué)組成同她得年齡有關(guān)。恒星的信息源

恒星具有極高的溫度，有大量的激烈運(yùn)動(dòng)著的電離的電子，發(fā)出強(qiáng)大的電磁波輻射（電磁波是原子中的電荷作變速運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的）。波長范圍從最長的無線電波到最短的γ射線。電磁波：可見光其他信息源：宇宙線、中微子、引力波、射電波、X射線、γ射線、紅外線來自恒星以及其他天體的輻射穿過地球大氣層是，很多波段都被大氣分子吸收掉了。屏蔽紫外線的主要是大氣中得臭氧層和氧原子、氧分子、氮分子；屏蔽一部分紅外線的主要是大氣中得水分子和二氧化碳分子。有兩處透明窗口：光學(xué)窗口和無線電窗口，為人類天文學(xué)的發(fā)展提供了必要地信息通道。

光學(xué)窗口：0.35~22微米可見光和一部分紅外線（17~22微米半透）。

無線電窗口：1毫米~30米的無線電波段。不同波長的電磁波，其光子多具有的能量是不同的。光子的能量E與波長的關(guān)系λ的關(guān)系為式中c是傳播速度，焦耳

秒稱為普朗克常數(shù)。波長愈短，能量愈高。電磁波在本質(zhì)上是相同的，僅在波長頻率和光子能量方面有所差別。（c是傳播速度）波長不同的電磁波在真空中得傳播速度都一樣。波長λ和頻率ν之間滿足公式波長愈短，頻率愈高。不同波長的電磁波也可以用頻率來表示，換算公式頻率波長赫茲微米波長和光子能量之間有固定的關(guān)系，電磁波譜有事也用光子能量來描述。光子能量的單位常用電子伏特（eV）來表示。電子伏特是一個(gè)電子通過1伏特電位差時(shí)獲得的能量，1電子伏=1.6022x10-19焦耳。電子伏在無線電波段常用頻率；在光學(xué)波段常用波長；在X射線和γ射線波段用光子能量來描述.4.1恒星參數(shù)的測定

4.1.1.恒星的距離

恒星離我們非常遙遠(yuǎn)，除太陽外，離我們最近的恒星是半人馬座比鄰星，距離約為4×1013千米，4.22光年。天文學(xué)上常用的距離單位：①天文單位，即日地平均距離，為1AU=149597870千米=1.49597870×1011米②光年，光在一年中走過的距離，1l.y.=0.946053×1016米③秒差距，周年視差為1″對應(yīng)的距離，1pc=3.08568×1016米1光年=0.307秒差距1秒差距=206265AU周年視差π=1''的恒星與地球的距離r為206265AU，這個(gè)距離定義為1秒差距（1pc）。秒差距（Parsec,縮寫pc）測定恒星距離最基本的方法是三角視差法，此法主要用于測量較近的恒星距離。然而對大多數(shù)恒星說來，這個(gè)張角太小，無法測準(zhǔn)。所以測定恒星距離常使用一些間接的方法，如分光視差法、星團(tuán)視差法、統(tǒng)計(jì)視差法以及由造父變星的周光關(guān)系確定視差，等等。這些間接的方法都是以三角視差法為基礎(chǔ)的。恒星距離的測定恒星的距離是借助于測定周年視差而獲得的

r=a/π太陽到恒星的距離為r,單位為光年或秒差距日地平均距離為a，單位為天文單位恒星的周年視差為π，單位為弧秒三角視差法測距離三個(gè)著名恒星距離名稱視差距離比鄰星0.76

″4.3光年織女星

0.12″27光年天狼星0.37″8.8光年光速：c=3.0x108m/s最快飛機(jī)速速：v=1.0x108m/h=3.0x104m/s

光度為恒星的能量發(fā)射率，即整個(gè)星面每秒釋放的能量，用L表示。他在國際單位的典型表示法式是瓦特(Watt)，在c.g.s.制是爾格/秒，或是以太陽光度來表示，也就是以太陽輻射的能量為一個(gè)單位來表示。太陽的光度是3.827×1026瓦特。

一顆恒星的光度決定于恒星的表面溫度和表面積——較大的恒星比同溫度的較小恒星輻射更多的能量，所以，表面溫度相同(因而顏色相同)的兩顆恒星可能有極不相同的光度，而光度相同的兩顆恒星可能有完全不同的表面溫度(和顏色)。

光度是與距離無關(guān)的真實(shí)常數(shù)，亮度則明顯的與距離有關(guān)，而且是與距離的平方成反比，亮度通常會(huì)以視星等來量度，那是一種對數(shù)的關(guān)系。4.1.2恒星的光度、照度和和星等光度（luminosity）

恒星看起來的明暗程度稱為視亮度，簡稱亮度，就是指照度，用E表示。

照度是每單位面積所接收到的光通量。SI制單位是勒克斯(lx=lux)，1(勒克斯)=1(流明/平方米)。對于接受天體輻射的人眼或儀器來說，單位時(shí)間入射到其單位面積的能量。表示某處感應(yīng)器感應(yīng)到的恒星的能量。照度（Illuminance）

在天文學(xué)上，星的亮度用星等表示。古人按照星的明暗程度把星星分為6個(gè)亮度等級，天球上約20顆最亮的星稱為一等星，肉眼剛剛能看到的星稱為六等星。通常以拉丁字母m表示星等。這個(gè)星等系統(tǒng)原則上保留到現(xiàn)在，并給予標(biāo)準(zhǔn)化后推廣到特別亮的天體以及肉眼看不見但用望遠(yuǎn)鏡能看見的暗星上去。

星等是衡量天體光度的量。在不明確說明的情況下，星等一般指目視星等。為了比較天體的發(fā)光強(qiáng)度，采用絕對星等。絕對星等M的定義是，把天體假想置于距離10秒差距處所得到的視星等。若已知天體的視差π（以角秒計(jì)）和經(jīng)星際消光改正的視星等m，可按下列公式計(jì)算絕對星等：M=m+5+5lgπ。對應(yīng)不同系統(tǒng)的視星等有不同的絕對星等。天體光度測量直接得到的星等同天體的距離有關(guān)，稱為視星等，它反映天體的視亮度。一顆很亮的星可以由于距離遠(yuǎn)而顯得很暗（星等數(shù)值大）；而一顆實(shí)際上很暗的星可能由于距離近而顯得很亮（星等數(shù)值?。?。對于點(diǎn)光源,則代表天體在地球上的照度。星等常用m表示。對應(yīng)不同探測器有各種星等系統(tǒng)。星等（magnitude）星等系統(tǒng)：目視星等、照相星等、光電星等視星等絕對星等4.1.3恒星的大小、質(zhì)量和密度

恒星的真直徑可以根據(jù)恒星的視直徑（角直徑）和距離計(jì)算出來。常用的干涉儀或月掩星方法可以測出小到0.01的恒星的角直徑，更小的恒星不容易測準(zhǔn)，加上測量距離的誤差，所以恒星的真直徑可靠的不多。根據(jù)食雙星兼分光雙星的軌道資料，也可得出某些恒星直徑。對有些恒星，也可根據(jù)絕對星等和有效溫度來推算其真直徑。星名視差(弧秒)角直徑（弧秒）線直徑（太陽直徑為1）獵戶座α0.005″0.047″1000鯨魚座α0.023″0.056″480金牛座α0.048″0.021″94御夫座α0.073″0.004″13天狼A0.375″0.006″1.85太陽1.00天狼B0.375″0.000077″0.044范瑪倫星0.235″0.000019″0.009觀測結(jié)果：恒星的直徑相差很大，大的有太陽直徑的幾百倍甚至一兩千倍，小的只有不到太陽直徑的十分之一。

恒星的質(zhì)量是很重要的一個(gè)參量，但是除太陽外，目前只能對某些雙星進(jìn)行直接測定，其他恒星的質(zhì)量都是間接得到的，如通過質(zhì)光關(guān)系來測定的。4.1.4恒星的質(zhì)量 1、測定雙星質(zhì)量的基本原理是依據(jù)開普勒第三定律——雙星系統(tǒng)的總質(zhì)量與軌道半長徑的立方成正比，與軌道周期的平方成反比結(jié)合天體測量法測出兩子星相對質(zhì)心的距離

和,則可知兩子星的質(zhì)量比從而可求出每個(gè)子星的質(zhì)量２、質(zhì)光關(guān)系：

對于質(zhì)量大于0.2M⊙的主序星，恒星的質(zhì)量和光度之間有很好的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，稱之為“質(zhì)光關(guān)系”。恒星的質(zhì)量越大，其對應(yīng)的光度越強(qiáng)。一般符合如下關(guān)系

1924年愛丁頓從理論上導(dǎo)出絕對光度為L的恒星與其質(zhì)量M有L=kM3.5的簡單關(guān)系,其中k為常數(shù)。 lg(L/L⊙)=3.8lg(M/M⊙)+0.084.2恒星光譜及其相關(guān)性質(zhì)

太陽的光譜是紅、橙、黃、綠、青、靛、紫七色，原因是什么呢？

4.2.1光譜概念的物理基礎(chǔ)

量子力學(xué)創(chuàng)立于20世紀(jì)初，是研究電子、質(zhì)子、中子以及原子和分子內(nèi)其他亞原子粒子運(yùn)動(dòng)的一門科學(xué)。相對于量子力學(xué)，牛頓力學(xué)稱為經(jīng)典力學(xué)。利用牛頓力學(xué)，人們認(rèn)識了太陽系。同樣，人們想象一個(gè)原子就是一個(gè)小太陽系：核在中心，電子在固定的軌道繞核“公轉(zhuǎn)”。但按照量子力學(xué)的說法，原子中沒有電子運(yùn)動(dòng)的軌道，只能說電子可能出現(xiàn)在什么地方。天文學(xué)包括天體力學(xué)、天體物理學(xué)等數(shù)十個(gè)分支和量子力學(xué)的建立，使人們能正確地認(rèn)識微觀世界，愛因斯坦狹義相對論和廣義相對論的建立改變了人們對時(shí)間和空間本質(zhì)的認(rèn)識，同時(shí)也給了天文學(xué)家更深入認(rèn)識恒星和天體的一個(gè)理論工具。4.2.2恒星光譜與氫原子譜線光譜有連續(xù)光譜，線光譜和帶光譜。太陽光譜其實(shí)并不是一條連續(xù)的光帶，而是帶有許多暗線條

氫原子光譜（巴爾默系，背景彩色是為了表示三條光譜線的位置而加進(jìn)去的）。

4.2.3

光譜在恒星研究中的應(yīng)用 1、確定恒星的化學(xué)組成 2、確定恒星的溫度 3、確定恒星的視向速度和自轉(zhuǎn)光譜型顏色表面溫度（開）典型星O藍(lán)40000~25000參宿一B藍(lán)白25000~12000參宿五A白11500~7700織女星F黃白7600~6100小犬座αG黃6000~5000太陽K橙4900~3700牧夫座αM紅3600~2600心宿二恒星光譜的分類

4.2.4恒星的光譜、顏色和表面溫度之間的關(guān)系Oh!BeAFairGirlKissMe.4.2.5恒星的赫羅圖丹麥科學(xué)家赫茨普龍(E.Hertzsprung)于1911年，天文學(xué)家羅素（H.N.Russell）于1913年，分別的繪制了恒星的光譜—光度圖。Innerradiative,outerconvectivezoneInnerconvective,outerradiativezoneCNOcycledominantPPchaindominant4.3變星和新星變星：亮度在較短時(shí)期內(nèi)有顯著變化的星為變星。新星:有少數(shù)星的亮度可在幾天內(nèi)猛增幾萬倍，較原有星等減少10-14等，把這些突然爆發(fā)的星稱為新星。超新星:超新星的爆發(fā)規(guī)模比新星還要大，它發(fā)亮?xí)r亮度的增幅為新星的數(shù)百至數(shù)千倍，拋出的氣殼速度可超過104km/s。是所有變星中最壯觀的一類，是恒星的災(zāi)變性爆發(fā)。輻射能估計(jì)為1042~1043J,拋出的物質(zhì)質(zhì)量達(dá)1~10m⊙,動(dòng)能達(dá)1043~1044J。4.3.1造父變星造父變星又稱長周期造父變星或經(jīng)典造父變星，是脈動(dòng)變星的一種，這類變星的亮度變化是周期性的，一般周期在1.5～80天之間。周光關(guān)系：周期和絕對星等之間的關(guān)系。造父變星的平均絕對星等M與其周期的對數(shù)lgP近似成直線關(guān)系周光關(guān)系新星4.3.2新星和超新星

亮度會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)迅速增加，達(dá)到極大后慢慢減弱，幾年或幾十年后恢復(fù)到原來的亮度，這種星叫新星。

有些恒星爆發(fā)時(shí)規(guī)模比新星更巨大，

光度增加1億倍，這種星稱為超新星。超新星蟹狀星云（M1，或NGC1952）位于金牛座ζ星東北面，距地球約6500光年。它是個(gè)超新星殘骸，源于一次超新星（天關(guān)客星，SN1054）爆炸。氣體總