第一章 宇宙 将宙反象(天球及其上面的天象)与实(学推理所得的字宙直相)楼一,贯道起来,并用 发展变化的眼光来观察字宙,才能形成完整的料学字宙观,本的内容围绕这一主超腰开 学习目标】 学习人纸所见的常见天求的本科点,以及吧测天果所需的系本天球坐标识 把厘星空节文化的是本律,系男阵测星 了朝人是从现剂现出发索宇安的主美,进一少合宇宙现息仁本度的线 了解字宙的本关体一她星的演化 了宇宙从大爆起源,及其之后的系,部河至,太阳系,乃重地起的思体图律 【关留词点由 字安天球天王空字宙挥索但里的演化大烁作字宙学说起
第一节天体和星空 示, 现代科学展示的宇宙真实票原是观测,推理的结果,它与人们直接看到的天意 有相大的差距。本节将讲还零见的基本天皋,了解星空随季节变化的基本机律和 不网日期观测星空的特点,以便联系实际观测星空,为今后遷步认识宇宙,学会将 现象和本盾相统一,形成完整的科学宇宙观打下基础 晴朗的夜跳,举目向天,深邃淼的宇宙引起人们无限的 想和求知望。经过长期努力,人们发现,自己生括在一个 称为地球的“宇宙航船”上,正在沿着一条比地球直径大两万 三千多倍的近圆轨道,绕太阳运转,在空旷的太阳系空间,还 分布着其他行星,小行星和蟹星等太阳系天体,它们绕太阳运 行的轨道可达几十,甚至几百个地球轨道半径以外。 太阳系以外是更加空旷的星际空间,很远很远才能遇到 恒星,离太阳系最近的一颗恒星,同地球的距离约为42光 如此远分布着的一千多亿颗 恒星,以及恒星间极其稀薄的星际 气体和尘埃,共同组成了银河系 在银河系中,半数以上的恒屈构成 双星、聚星(3-10颗)和星团;屈 际气体或尘埃在某些地方相对集 聚,则表现为星云(图1,1)。如果 将银河系比做一个直径10千米的 国盘,那么,地球绕日公转轨道直 径仅约0.003毫米,要用微镜才 能看见 图11户准太星云 银河系如此庞大,可是,它也 吸其稀恒星的光将星云臂亮 只是我们宇宙中数十亿个相互远离 章字
的星系(图1,2)中的普通一员。如果将我们的字宙比 做一个直径10千米的圆球,那么,银河系仅一枚铜钱大 现代科学证实,宇宙是物质世界,不仅巨大无比,而 且字宙中所有的天体都有着产生、发展和消亡的历史 以上就是现代科学描绘出的字宙,可是,这个字宙 景象与人们直接看到的现象,即吉人所说的天象,是有 很大差距的。事实上,二者之间是理性认识与感性认识 的关系,要想将眼前的天象与科学推理的宇宙景象统 贯通起来,学会联系实际观察星空,必领从基本天 图1.2位于大细座的旋演星系 象谈起。 如果从河系外吸喜很河系大体就是这种态 活动 查找有关天体和天体系就尺度的数据,计算它们之河的对大小。 ‖!天球和人眼中的天象 (-)天球 地面观测者眼前的字宙是一个以观 者为球心、布洞天体的半球形天空,称 为“天穹”(图13a)。尽管人们只能观 察天穹,而且由于白天日光强,看不到 天穹上的众多天体,但 是,古人早就通过一些 现象,判断出天体应该 布整个球形天空,人 天体错户座 们把这个假想的圆 称为天球。天体在宇宙 空间的分布实际上是 立体的,但是由于天体 非常遥远,肉眼分辨不 出它们的远近,所以看 上去分布在间一个天⑥ 球面上(图1,3) 第一节天体和星空|3
,六千机其余为日,月玉大(统 天球上肉眼可见的天体,绝大部分是 火、木、土)和偶见的彗星,流屈体等太阳系天体,以 及少数的星云、虽团和星系,银河系在天球上的投影 呈現为一条跨越星空的光带—“银河”(图1,4)。 天体有亮有语,人们用“星等”来表示天体的亮 度,越亮的天体,星等值越小,例如,最亮的15颗恒 星为1等,0等,甚至为-1.46等(大犬座a星,即 天狼屈)。人眼可见的最一批恒星,约为6等星。金 屈是最亮的行屈,屈等可达一4.4等 测定天体的距离 即使用望远镜,人联也难以直接区分天体的远近。天体距禹是通过精密测量、分析 和理而得到的,例扣,对校近的, 们树隔平年(即从图1.5的A、B两位 置)测量该位星空间方向的差异,也就是 图量出图1,5中的a角,已知a角和地球 公转轨道的直径AB,就可以利用三角公 式算出该恒至的距离 注意很选的他星相对位置没有 变化,图中李大了地球公转轨道 的平径 图15量近惜星的高 思考 二)天体在天球上的位置和运动 1.你能列举出可观察的现象 天体在天球上的位置变化有三个基本特点 说明地平面以下那半个天球的存在 第一。恒星星空图像德定。古人早就发现 2白天的天上也布离天体吗?无论何时何地,所见恒星间的相对位置“恒定 2试释“银河”天原的成园,(太阳除外),换言之,空的外貌是相当稳定的, 提:银河系工国左状,太阳系好像一个镶接着点点繁星的固体球光 于其中。) 屈屈空图像相对稳定,给研究带来了裂大 的方便。人们按恒星在天球上的分布形态把星空 章字
若干区域,每个区城为一个星座,并予以命名。整个星 划分为88个屈座。屈座内的主要恒星,由亮到暗,依 用希胆字母或数字来标识,例如小熊星座a、B,Y等 十万年前和十万年后的北斗七星 他星和星系世界的天体都处于永恒的运动中,但由 于距离太运远,它们之间的相对位置变化在不长的时期 内很难察觉,要经过多年观测积累才能发,什学家们 推测,北斗七星(大熊星座)在很长的时期内还将呈勺 子状,但十万年后,现在的勺子状将不复存在 测18北斗七星愁状的壶化 第二,恒星星空母日绕轴旋特一周,带动所有天 体每天现东升西落动。这种运动称为周日运动 天轴是地轴的无限延伸,它是屈空周日旋转的 转轴,对北半球观察者来说,地平面以上的那个天轴 端点附近有一颗较亮恒屈—小熊屈座a,它在天球 上的投影常被用来作为天轴端点的标志,因而被称 为北极星。与天轴垂直的天球大圆称为天赤道(图 1,8e)。天轴与天赤道的关系,与地球的地轴和卖道 的关系相似 第一节天体和星空|5
屈空周日运动是地球自转的反映,星空周日运动的周期就 是地球自转周期。地球上的人们感觉不到地球自转,相反,他 们感觉星空在绕地轴(及其廷伸方向)转动,天轴倾斜度(天 轴的地平倾角)等于当地地理纬度(图18b),地面上的正南 正北方向即天轴的投影。在不同纬度,人们观察到的天体周 日运动状况不尽相同 思考 1,图1,7是在夜间用照相机续曝无数小时后梅摄的,照片清楚地显现较亮恒 星的周日运动轨迹。试将时在天球中心的观测者照时对准的方向,在图1.84中 画箭头表示出来,并加以解释 2.依据图1.勋说明,天轴倾纤度等于当地地理纬度中,天权影即地面南北 方向。(提示;:同宇宙树比,地球大小只相曾于一个点;地轴的平行线与地轴一样 都指向极其运远的北星。 3.19是地球上的观测者在三个纬度(0°.40°N和90°N)看到的天体周日 运动状况。试在图中标明,b,《分别是哪个纬度的情形?描送不同纬度观测到的 天体用日运动轨迹的特征,并回答哪个络度能够看到的星座最 第三,太阳系天体在跟随星空周日旋转的同时,还嫒慢或 輕缓慢地在星空上移动,其中,太阳每年沿着一条称为黄道的轨 道,相对星空移动一周。黄道穿过十二个星座,称为黄道十二星 座或黄道十二宫,太阳系其他天体相对星空的运行要复杂一些 但绝大多数都在黄道附近 台代蚀星和行星这两种名称是怎么来的? 一章字宙
思考 太阳系天体相对星 空移动,是国为地球和 太阳系天体皆绕太阳公 转。1.10中的 地球公转轨道面,中夹 的内,外分别表示地 球和火星的轨道,四周 是位于地球公转枕道面 无限廷伸的平面。即黄 ( 道函)附近的十二个星 座。饥定在时刻1,地 和火星分别位于A和A 大约两个多月后,至时 …∵ 1.地球在位置A时 从地球看太阳在哪个星 图11D公转运动中从地球看太 以火星为例)对屋空位置的业化 座方向?看文星在哪个 星座方向?地球到置 B叶,看太阳和火星的方 图110天联上的黄道与天道 向分别移到哪个星座? 2,分析地球公转轨道函与赤道平面是什么关 系?想一想,黄道面与天赤道而工多大的文商? !天球仪和天球坐标系 (-)天球仪 为了模拟上述三个基本天象特点 古人很早就制作了天球仪(图1,11)。教 学用的天球仪如图1.12所示 图111北取古观象合天球仅 第一节天体和星空|7
绘有里座和主要星、可绕 丧有转的坚直圆柩,能活动 桂动的王空球壳,以此 地嵌人地干圈的槽中,以便调 叔星空馬日动 天赤道 整天种对地平的候角 地平在 活动 利用天球仪演示以下不纬度处能够观测到的星空周日运动状况和星座的情 况:0°,40°H,90°,你所在的络度 (二)天球标系 为了定量插述天体在天球上的位置,人们建立了天球坐 标系,就像在地球上建立地理坐标系一样,天球坐标系有多 种,我们至少应了解其中的两种,以便在观测屈空括动中, 掌据“天体位置”的两种基本概念 一种是赤道坐标系,它依据天轴和天赤道,建立在恒星 层空上,因而体现天体在恒屈层空上的位置。卖道坐标分为 素经和赤纬(图1,13),赤经以贺道与天赤道的一个交点(春 分点)为起点,逆时针方向(从北极星看)度量,从°量到 360°。赤纬从天卖道向南、北两极度量,与地理纬度的度量 b天体的赤(=t90 方法类似。在天球仪的星空球充上,能够明且地看到类似于 图!1赤道标 地球仪上的经纬网,这就是赤道坐标系的经纬网
利用天球仪读蚀星的赤道坐标 方法示范;在图1、14的天球仪星空 上,天度a(天津四)赤纬约为+4 赤经约为310°(江意,该天球仪星空上 每隔15°给一条纬度线和一条经度线 依此方法,请你在天球仪上读取 织女星,牛郎星的赤经和赤纬 天球饺阻空上的经两 另一种是地平坐标系,它依据地平圈而理立,因面 体现天体相对当地地平的位置。地平坐标分为方位角 和地平高度(图1.15),分别体现天体在当地的地理方 位和地平线上下的高度。天球仪的地平圈上一般标有 方位角的刻度(见图1.14中的地平圈),观测者可自己 估计地平高度 天为 思考 估测图 中织女星的方位角和地平高度,方位角在“车北、东南,西北 西南”四项中选择;地平高度在“很高,蘧中,较低,地平线下”四项中选择 2.短期内,蚀星的赤道坐标是否变化?太阳系天体的赤道坐标呢? 5.位星的地平坐标短期内是否变化? !星空季节变化 星空季节变化是指人们所观测到的某相同时刻的星空,随 季节的变携而变化。由于人们多在黄昏后观察屈空,屈空季世 变化的“层空”,常常指黄昏后某时刻的屈空 图1.16-图1.19给出大约北纬35处,有代表性的四季洗 9时屋空。图中,表示恒星的圆点越大,星等越小,恒屈就越亮 从四季星空图上可清楚地看到“斗转星移,岁月流逝”的 现象:在每一个季节交替中,各屈座在天空上的位置都发生明 第一节天体和星空9
t15春星空(4月中悔晚8时》 图1.1亭星空(10月中句线s时》 1s冬足空(月中句晚8封 这量图是图面朝下仰天观时用的,回此围上左东右西左是东方升起的星 右伤非平附近的座则快落山,东升落的路线大体上是围绕北极星的弧线,阴影是河 显的变化,以从春到夏为例。春天指向东的北斗七屈斗柄,到 夏天转向南:在春季星空相继西落的猎户等星座,在夏季星 空中已消失(转入地平面以下)高挂春季星空的狮子座到夏 季已西落:春季在东方的牧夫等星座到夏季已位于西天:春 季在东方刚升起的武仙等屈座,到夏季已在高处;而在夏季 的东方屈空,则出现了春季未见的天琴、天鹰等屈座 10|第一意字宙