基礎天文cheat sheet（下）
第八講 太陽
整體結構：核心區、輻射區、對流區、光球、色球、過渡區、日冕
太陽與恆星的能源：熱核聚變反應
質子-質子鏈
碳氮氧迴圈
恆星內部的流體靜力學平衡
太陽中微子的探測：
中微子與
（氯）相互作用，生成
（氬）
俘獲內殼層電子
退激發釋放光子
太陽中微子失蹤案
太陽內部結構與成分與太陽標準模型差異
中微子振盪（Neutrino oscillation）：中微子事實上沒有失蹤，只是在離開太陽後轉化成μ中微子和τ中微子，躲過了此前的探測，同時間接證明中微子具有質量。
低質量主序星 （
）：輻射區 ＋ 對流包層
標準太陽模型
質量連續性方程
流體靜力學平衡
能量守恆
能量傳輸
物態方程（理想氣體、簡併氣體）
產能率公式
不透明度公式
日震學：利用太陽表面的振盪可以研究太陽的內部結構
日珥和耀斑都與黑子活動有關
太陽的半徑、質量和光度分別是多少？
太陽半徑：695，500公里
質量：為
千克，是地球的33萬倍
太陽光度：
瓦（
erg/s）
太陽的能源機制是什麼？何為太陽中微子疑難？如何解釋？
熱核反應 中微子比實際的少：變成了別的從而被漏掉
太陽內部可分為哪三個區域？寫出其對應的半徑和溫度範圍。
名稱半徑溫度核心0~0。25800W~1500W輻射0。25~~0。8550W~800W對流0。85~11W~50W
太陽大氣主要有哪三部分組成？寫出其化學成份的前三種主要元素。
光球
色球
日冕
氫氦氧？？
太陽的活動主要體現在哪幾個觀測現象上？太陽黑子為何看起來是黑的？
黑子、日珥、耀斑、太陽風 因為溫度比周圍低
第九講 恆星及其演化
恆星的表面溫度：
有效溫度
色溫度
色指數
色指數的大小反映了天體的溫度
恆星的光譜型：O， B， A， F， G， K， M （Oh， Be A Fine Guy （Girl）， Kiss Me！）
恆星質量：
絕大多數恆星的質量在0。1
（褐矮星）到120
（超巨星）
質光關係：恆星的光度同質量的某次方成正比
體積（半徑
）：
超巨星：100-1000
巨星（giants）：10-100
矮星：1或<1
主序恆星的質量-半徑關係： R ～ M 0。5-1
分光視差：利用恆星的光譜特徵測定恆星的距離。光譜→絕對星等→距離模數→距離d=10（m-M+5）/5
恆星的演化：
形成：含氣體和塵埃的分子云在自引力作用下塌縮－>原恆星（protostar）－>主序恆星
主序星->紅巨星->水平支->漸近巨星支->行星狀雲/白矮星或超新星爆發->中子星/黑洞
以太陽的光度、半徑、質量為單位寫出典型恆星的光度、半徑、質量範圍。
光度：
質量：0。1-120
半徑：0-1000
按溫度由高到低的順序寫出恆星的光譜型及每一光譜型對應的溫度範圍。
畫一個簡單的赫羅圖，在上面標出各類恆星的大致位置。
試簡單描述1個太陽質量恆星的演化過程。質量分別為0。1，1，10，30個太陽質量的恆星的最後演化結局有何不同？
極低質量（～0。1
）的恆星將演化為氦白矮星。
低質量 （M <2 。25
）白矮星
大質量：中子星
超大質量：黑洞
第十講 雙星與變星
一、雙星型別：
目視雙星
天體測量雙星
分光雙星：透過子星軌道運動引起的譜線的Doppler位移確定其雙星性質。
食雙星：子星相互交食造成亮度變化的雙星。
二、洛希瓣和雙星分類
洛希瓣：當子星充滿洛希瓣後，在內拉格朗日點附近的物質處於不穩定狀態，受到小擾動就會流向伴星，產生物質交流。 分類：不相接、半相接、相接
物質傳輸：星風傳輸、洛希瓣滲溢
大陵佯謬：亞巨星子星的前身星是此雙星系統中質量較大的主序星，它先演化充滿洛希瓣。物質傳輸使得兩子星的質量發生逆轉。
X-射線雙星：主星為緻密天體（中子星／黑洞），伴星為普通恆星。
三、變星的分類
脈動變星：大質量造父變星脈動週期長，非常好的標準燭光
經典造父變星
室女W造父變星
天琴BR型星
爆發變星：
激變變星
新星 （novae）
再發新星 （recurrent novae）：不止一次類似新星爆發的激變變星。
類新星變星 （nova-like variables）：與新星光學特徵類似，有幾個星等亮度起伏，但不來源於爆發活動
矮新星 （dwarf novae）：爆發週期短
磁激變變星（magnetic white dwarf binaries）
超新星：亮度突然增加一百億倍，變幅超過17等
I型（無氫線）
II型（有氫線）
食變星
什麼是食雙星？畫出食雙星光變曲線的示意圖。
子星相互交食造成亮度變化的雙星
何為洛希瓣？按kopal分類雙星可分為哪三類？
洛希瓣：由臨界等勢面包圍的空間。 不相接雙星、半相接雙星、相接雙星
何為大陵佯繆（Algol Paradox）？ 如何解釋？
大陵佯謬：質量小的反而演化快 亞巨星子星的前身星是此雙星系統中質量較大的主序星，它先演化充滿洛希瓣。物質傳輸使得兩子星的質量發生逆轉。
脈動變星分為哪三類？畫出它們在週期－光度關係圖上的大致位置。
經典造父變星
室女W造父變星
天琴RR型星
激變變星是如何組成的？它們可分為哪幾類？
白矮星與紅矮星構成的半相接雙星。
新星 （novae）
再發新星 （recurrent novae）：不止一次類似新星爆發的激變變星。
類新星變星 （nova-like variables）：與新星光學特徵類似，有幾個星等亮度起伏，但不來源於爆發活動
矮新星 （dwarf novae）：爆發週期短
磁激變變星（magnetic white dwarf binaries）
第11講 超新星與緻密天體
I型與II型超新星：
譜線特徵：I型（Ia， Ib/Ic）—無H線； II型—有H線
光變曲線不同（II型有平臺）
爆發機制：
Ia超新星爆發：雙星系統中吸積白矮星的C爆燃。
Ib/Ic， II型超新星爆發：大質量恆星的核坍縮。
超新星遺蹟
氣體星雲
強射電輻射和高能輻射源
分類
殼層型
實心型
混合型
白矮星：當初始質量小於8
的恆星演化到紅巨星時候，因熱脈衝，其包層被拋射出去形成行星狀星雲，而其核心形成碳、氧白矮星
光譜分類DA（有H無HeI）、DB（有HeI 4471埃線無H），DC（連續譜無明顯譜線），DO（HeII線強），DZ（只有金屬線，無H或He），DQ（C原子或分子吸收
質量
（平均
，上限1。4）
半徑
密度
中子星：高質量（>8-10
） 恆星內部的核反應過程在恆星中心形成Fe核。Fe核坍縮形成中子星（
，電子簡併壓降低 → 加速核心坍縮）。超新星爆發
特徵質量M ～1。4
， 半徑R ～10 km
由外向內依次為：
表層大氣 ～0。1－10cm
外殼～0。3 km， 固態金屬（Fe， e-）
內殼～0。6 km， 原子核、遊離中 子、電子 。
內部：超流中子和超導質子
核心：超子/奇異物質？
脈衝星：
傾斜自轉的磁中子星
脈衝週期 = 自轉週期
輻射能源：
中子星轉動能
能損率
輻射機制
磁偶極輻射 →
燈塔效應
強磁場 → 輻射呈束狀
傾斜轉子 → 輻射週期性掃過觀測者產生脈衝訊號
LIGO直接探測到兩中子星併合產生的引力波
磁星
四、黑洞（如果經歷超新星爆發後，中心殘留天體質量：
， 將演化為黑洞。）它保持的物理引數只有質量、角動量和電荷
Schwarzschild黑洞（不轉）
中心奇點
視面
光層
引力半徑：黑洞並不一定是極高密度的天體，而只是必須緻密到足以束縛住光
引力紅移
Kerr黑洞
黑洞有角動量
觀測黑洞：
恆星級：X射線雙星
中等質量黑洞
星系級黑洞（超大質量黑洞）：
，通常位於星系核心
五、伽瑪射線暴（Gamma-Ray Bursts）
I型和II型超新星有何區別？SN 1987A屬哪一類超新星？
譜線特徵：I型（Ia， Ib/Ic）—無H線； II型—有H線
光變曲線不同（II型有平臺）
II型
寫出白矮星的質量和半徑範圍。其質量上限是多少？
質量 M ～ 0。2-1。1
（平均 ～ 0。6
，上限1。4）
半徑 R ～
cm
寫出一典型中子星的質量和半徑。簡述脈衝星的斜轉子模型。
中子星體積小（R～10km）、質量大（～1。4
）
傾斜自轉的磁中子星
脈衝週期 = 自轉週期
輻射能源：
中子星轉動能
能損率
輻射機制
磁偶極輻射 →
G
燈塔效應
強磁場 → 輻射呈束狀
傾斜轉子 → 輻射週期性掃過觀測者產生脈衝訊號
黑洞按質量大小分為哪四類？它們的質量分別大約是多少？
原初，
g
恆星級，
中等質量，
超大質量，
何為伽瑪射線暴？有何證據顯示它們來自於銀河系外？
是來自宇宙空間的
-射線在短時間內突然增強的現象。
各向同性分佈證明是來自銀河系外，光譜分析
第12講 星團、星際介質
一、星團
相同距離、同時誕生、質量不同
赫羅圖脫離主序的位置對應著星團的年齡
二、星際介質（星際氣體&星際塵埃）
星際氣體：
主要由H構成（90%）， 其次為He（~9%）以及少量金屬元素
在不同環境下H的存在方式不一樣，如HI區（中性原子氣體）、HII區（電離氣體）、H2分子云（分子氣體）
星際分子
星際分子分佈在大的、冷的、緻密的暗雲中。
H2分子含量最豐富，其次為CO
分子云觀測：通常觀測13CO（光薄）來直接測量分子氣體的柱密度。
星際雲間的空間中也存在氣體，稱為雲際氣體（intercloud gas）。主要有中性的稀薄氣體和更稀薄、典型密度0。1
的熱氣體（～
K）
、典型密度
的熱氣體，稱為雲際冕氣 （coronal gas） 。
星際塵埃（Interstellar Dust）
星際消光
星際紅化
成分： 矽（silicate）或石墨（graphite）微粒， 外面被冰或二氧化碳包裹。
光學觀測：
發射星雲
反射星雲
暗星雲
星際輻射場和磁場
星團可分為哪兩類？它們的大小和質量大致在什麼範圍？其分佈和年齡有何差異？
星際氣體主要包括哪三種？哪兩類在銀河系佔的比例高？
主要由H構成（90%）， 其次為He（~9%）以及少量金屬元素
星際塵埃的組成成分是什麼？何為星際消光和星際紅化？塵埃的熱輻射在什麼波段？
矽（silicate）或石墨（graphite）微粒， 外面被冰或二氧化碳包裹。
星際消光 （interstellar extinction） 星際塵埃對星光的吸收和散射造成星光強度的減弱。
星際紅化 （interstellar reddening） 星際塵埃對星光的散射隨波長的變化而不同，對藍光散射較多而對紅光散射較少，因而造成星光顏色偏紅。
在紅外產生輻射
星雲有哪三種類型？其顏色有何不同？
發射星雲（emission nebulae）
主要包括大質量恆星周圍的電離HII區、行星狀星雲等，顏色偏紅
反射星雲 （reflection nebulae）
星雲透過塵埃反射附近的熱星的星光而發光， 顏色偏藍
暗星雲 （dark nebulae）
大量塵埃阻擋了星雲內部或後面恆星的星光
第13講 銀河系
銀河系結構：銀河系是一個具有旋渦結構的盤狀星系。質量
，直徑
ly （>30 kpc）
主要成分：（1） 銀盤 （disk） 、 （2） 核球 （bulge） 、 （3） 銀暈 （halo）
星族：發現星系暈與核球中的恆星明顯比盤中的恆星顏色偏紅。
星族I恆星 年輕的、富金屬恆星（金屬丰度為太陽值的0。1-2。5倍）主要位於銀盤中，繞銀心作圓軌道運動 。如疏散星團。
星族II恆星 年老的、貧金屬恆星（金屬丰度為太陽值的0。001-0。03倍），主要位於銀暈和核球中，以銀心作為中心球對稱分佈繞銀心作無規則的橢圓軌道運動。如球狀星團。
旋臂的理論解釋
旋臂不是物質臂
密度波理論
自傳播恆星形成理論
銀心
由銀心附近恆星的運動推測在銀心集中了
的質量。
人馬座（Sagittarius）A的尺度 < 10 AU
超大質量的黑洞
銀暈
球狀星團
熱氣體
暗物質：在所有波段都不產生輻射，僅有引力作用。
銀河系的起源
初始狀態
約100-140億年前，原初氣體雲 （~100 kpc） 在引力作用下坍縮。
原初氣體雲只由H和He構成，沒有重元素。
在坍縮過程中形成緻密的核心和雲塊。
銀暈形成
銀盤形成
銀河系主要由哪三部分組成？畫出銀河系結構的示意圖。銀河系的直徑大約是多大？
銀盤、核球、銀暈，直徑
ly
何為星族I和星族II恆星？它們在銀河系的分佈有何不同？
星族I恆星 年輕的、富金屬恆星（金屬丰度為太陽值的0。1-2。5倍）主要位於銀盤中，繞銀心作圓軌道運動 。如疏散星團。
星族II恆星 年老的、貧金屬恆星（金屬丰度為太陽值的0。001-0。03倍），主要位於銀暈和核球中，以銀心作為中心球對稱分佈繞銀心作無規則的橢圓軌道運動。如球狀星團。
有何證據顯示銀河系存在超大質量黑洞和暗物質？
由銀心附近恆星的運動推測在銀心集中了~
的質量。
人馬座（Sagittarius）A的尺度 < 10 AU
簡述銀河系的可能起源。
初始狀態、銀暈形成、銀盤形成
第14講 河外星系與星系團
星系分類：
橢圓星系：主要由星族Ⅱ恆星構成
透鏡狀星系：介於橢圓星系和旋渦星系之間的、無旋臂的盤星系
旋渦星系：在星系盤、特別是旋臂上主要是星族I恆星以及氣體和塵埃，核球和星系暈主要由星族Ⅱ恆星組成。
棒旋星系
不規則星系：富含星際氣體、塵埃和年輕恆星
星系距離和質量：
造父變星的周光關係
標準燭光法
星系的速度彌散—光度經驗關係
紅移法
旋渦星系的旋轉曲線
橢圓星系中恆星的無規運動
星系的形成與演化
自下而上模型（bottom-up）
由上而下模型（top-down）
如果恆星形成較快， → 星系內的氣體很快被用光， → 沒有星系盤形成， → 橢圓星系。
如果恆星形成較慢， → 星系內有大量的氣體形成星系盤， → 盤內的恆星形成， → 旋渦星系。
星系集團
本星系群
銀河系、仙女星系（M 31）等附近約30個星系組成
包含 3個旋渦星系（銀河系、M 31、M 33），4個不規則星系（大、小麥哲倫雲等），和20多個橢圓星系。
星系團
不規則星系團—形態鬆散，主要由旋渦星系組成
規則星系團—結構緻密、球對稱分佈，主要由橢圓星系和透鏡狀星系組成
星系際氣體
星系間的相互作用
星系形態的變化和星暴 （starburst） 現象
星系的併合和吞食 → 巨橢圓星系的形成
超星系團 （superclusters）
宇宙的大尺度結構 （large scale structure）
巨洞的典型大小為50 Mpc
活動星系
射電星系（radio galaxies）
賽弗特星系（Seyfert galaxies）
蠍虎（BL Lac）天體（BL Lac objects）
類星體（quasars）
特徵：
高光度
非熱連續輻射
快速光變
特殊形態
強發射線和偏振輻射
射電星系 （radio galaxies）
緻密型，射電輻射來自核心（core）
延展型，射電輻射來自雙瓣
賽弗特（Seyfert）星系：不尋常的亮核和發射線
I型和Ⅱ型兩類。前者同時具有很寬的H線和相對較窄的電離金屬線，後者僅有窄線
類星體（Quasars）
實際上是紅移了的H和其他元素的發射線。
類星體實際上是活動星系核
有哪些證據顯示仙女座大星雲M31是恆星系統，而且是銀河系外的星系？
哈勃分解出“仙女座大星雲” （M31） 中的造父變星。故是恆星
估計距離800kpc，超過最遠球狀星團的距離
簡述星系的Hubble分類。銀河系可能是什麼型別？
橢圓星系、透鏡狀星系、旋渦星系、棒旋星系和不規則星系
棒旋星系
簡述星系形成的bottom up模型。有何觀測證據？
Hubble空間望遠鏡的深場觀測發現位於2000 Mpc距離之外存在大量的不規則的小星系（超過同類星系在近距離星系中的比例）。
本星系群主要由哪些星系組成？不規則星系團和規則星系團有何區別？
由銀河系、仙女星系（M 31）等附近約30個星系組成。包含 3個旋渦星系（銀河系、M 31、M 33），4個不規則星系（大、小麥哲倫雲等），和20多個橢圓星系。
不規則星系團—形態鬆散，主要由旋渦星系組成
規則星系團—結構緻密、球對稱分佈，主要由橢圓星系和透鏡狀星系組成
活動星系可分為哪四類？活動星系的能源是如何產生的？如何估算類星體的中心黑洞質量？
射電星系（radio galaxies）、賽弗特星系（Seyfert galaxies）、蠍虎天體（BL Lac）、類星體（quasars）
緻密型，射電輻射來自核心（core）
延展型，射電輻射來自雙瓣
遙遠黑洞的質量可以由一些簡單關係得到：
，V和L可由圍繞黑洞運動的氣體速度（譜線線寬）和發光強度（連續譜輻射光度）給出
第15講 宇宙學（一）
1、 宇宙學原理
在大尺度上宇宙是均勻的，宇宙是無邊界的。
在大尺度上宇宙是各向同性的，宇宙沒有中心
2、膨脹宇宙與標準宇宙模型
牛頓的宇宙：宇宙無限
奧爾伯斯佯謬：夜晚的天空應該像白天一樣明亮
宇宙的年齡是有限的和紅移，而後者是最重要的效應。
我們只可能觀測到宇宙視界（天體的退行速度達到光速處）內的天體的輻射。
Seelinger 佯謬：無限引力效應
宇宙是有限的
Einstein靜態宇宙模型
加入一個起斥力作用“宇宙常數”Λ項，得到一個靜態宇宙模型（有限無邊，沒有中心）
Friedman膨脹宇宙模型
膨脹宇宙的演化取決於宇宙中的物質自引力或密度ρ的大小。
定義宇宙密度引數
， 束縛宇宙，熱死亡/震盪
， 開放宇宙，冷死亡
， 臨界束縛宇宙，冷死亡
哈勃定律與星系紅移
宇宙年齡
， V不隨時間變化，
億年，
，
億年，
，
億年
由於
，
億年。
大爆炸宇宙學
解釋了為何氦元素的丰度為25%左右；
並且預言了有10K 左右的充滿宇宙空間的背景輻射
宇宙的減速與加速膨脹
宇宙成分：4%可見，23%暗物質，73%暗能量
3、宇宙微波背景輻射
它記錄著從光子與物質脫耦時（最後散射面）到現在整個宇宙演化過程中的資訊
漲落：宇宙演化早期存在微小的不均勻性，正是這種不均勻性導致了星系的形成。
4、宇宙的演化
目前的宇宙是物質主導的
在宇宙早期是輻射主導的
演化歷史
Planck時代：引力、強相互作用力、弱相互作用力、電磁力統一為一種力。0。01cm
大統一理論時代：引力與其他力分離
重子時代：弱相互作用力與電磁力分離
輕子時代：正負電子對形成過程結束
核時代（原初核合成）：核反應的結果是，在幾分鐘內，幾乎所有的中子被消耗光，宇宙中的可見物質只有質子、氦核和電子。
原子時代：物質開始在宇宙中占主導地位。電子與原子核結合形成原子。輻射與物質（重子）退耦
星系時代（“宇宙再電離”）
恆星時代（從10億年前到現在）
宇宙先減速膨脹，後加速膨脹
何為奧爾伯斯佯謬？應該如何解釋？
宇宙微波背景輻射兩次獲得諾貝爾獎的原因是什麼？
發現
黑體形式、各向異性
宇宙在什麼時間前是輻射主導的？輻射主導又可分為哪幾個時代？
Planck時代：引力、強相互作用力、弱相互作用力、電磁力統一為一種力。0。01cm
大統一理論時代：引力與其他力分離
重子時代：弱相互作用力與電磁力分離
輕子時代：正負電子對形成過程結束
核時代（原初核合成）：核反應的結果是，在幾分鐘內，幾乎所有的中子被消耗光，宇宙中的可見物質只有質子、氦核和電子。
原子時代：物質開始在宇宙中占主導地位。電子與原子核結合形成原子。輻射與物質（重子）退耦
星系時代（“宇宙再電離”）
恆星時代（從10億年前到現在）
宇宙氦元素丰度比恆星演化理論的預計高出多少？應如何解釋？
25%宇宙早期原初丰度
第16講 宇宙學(II)
1、暴漲宇宙（inflation）
視界與平直問題 在暴漲前宇宙的大小遠小於視界大小，不存在沒有因果聯絡的區域；因而具有相同的溫度，暴漲後的宇宙依然具有相同的溫度。
暴漲宇宙
2、重子聲波震盪（Baryon Acoustic Oscillation）
標準燭光：如Ia型超新星
標準尺度：有沒有一種“尺子”，它在宇宙不同時期“本徵”尺度是一樣的？有，就是BAO，重子聲波振盪
3、暗物質與暗能量
暗物質
星系旋轉曲線；有些星系團和矮星系中暗物質的比例可達95%以上
Bullet Cluster子彈頭星系團（被認為最直接的證據之一）。兩個較小星系團相碰撞而成。兩個星系團中的星系在暗物質勢井隨暗物質幾乎無摩擦的穿過；而氣體由於摩擦的作用，明顯滯後於暗物質。
引力透鏡
組成
非重子
冷暗物質
暗能量
用來解釋宇宙的加速膨脹；也就是具有強大的“排斥力”
4、宇宙大尺度結構的形成
物質不均勻性的形成條件
暗物質
暗物質確定宇宙中物質的總體分佈和大尺度結構
5、宇宙再電離與第一代天體
引入暴漲理論是為了解決哪兩個疑難問題？
宇宙大小超過視界大小，不存在因果，溫度不應相同
宇宙是平直的
什麼是重子聲波振盪？
早期宇宙高溫高密等離子體被電子散射，緊緊耦合在一起；從而重子和光子耦合。考慮一點有非常高的原初密度（和高壓），等離子體以聲波向外一起擴散（聲速超過光速一半！）
舉例說明暗物質存在的幾個證據
星系旋轉曲線
Bullet Cluster子彈頭星系團
引力透鏡
目前發現的最遠的星系和類星體的紅移各是多少？計算一下紅移為11的星系的Lyman alpha譜線（靜止波長1216埃）的觀測波長應是多少微米？
最早星系紅移11，類星體7。5
