恒星与星云是宇宙中最基本最主要的天体。

恒星是由炽热气体（等离子体）组成，能够自行发光发热的球形或类球形天体。

一、太阳

1. 日地平均距离

即天文单位 = AU = $1.496\times10^8km$（约 1.5 亿千米：地平视差法、激光测距法）

2. 太阳的物理特征

• 角半径：16′
• 线半径：$7.0\times10^5km=109R_⊕$
• 质量：$2.0\times10^{30}kg=332000M_⊕$
• 密度：$150\sim1.4\sim10^{-15}g/cm^3$
• 转动周期：25.4~34.4 days
• 温度：$1.5×10^7\sim5800\sim10^7K$
• 光度：$3.8×10^{26}W$

求太阳质量：

假如 f 代表地球所受的向心力，m、v 代表地球的质量和速度，Ｒ 代表地球的公转半径，那么：
$$f=\frac{m v^{2}}{R}$$
根据万有引力定律，有：
$$\begin{align*}&F=G\frac{Mm}{R^2} \\ &\Rightarrow\frac{m v^{2}}{R}=G \frac{M m}{R^{2}} \\ &\Rightarrow M=\frac{Rv^2}{G}\end{align*}$$

3. 太阳的化学组成

4. 太阳的热能与温度

graph TD
A[太阳常数]-->B[太阳的总辐射]-->C["太阳表面温度（有效温度/辐射温度）"]-->D[T = 5770 K]

T 是太阳辐射层的温度，即光球的温度；太阳的总辐射 $Q=3.8\times10^{26}J/s$；太阳常数 $l_0=1.36 kw/m^2\cdot s$：

5. 太阳的结构

（1）太阳内部结构

• 核心区（0~0.25 R），1500 万 K，质量 50%
• 辐射区（0.25-0.8 R），质量 49.9%，内层光子吸收再辐射 -> 可见光
• 对流区（0.8-1 R），质量<0.1%，对流、湍流传热 - 光球的底层

（2）太阳外部结构——太阳大气

光球层

• 厚度 500 km
• 密度最大，$10^{-7}g/cm^3$
• 温度最低，5770 K
• 光谱吸收线确定 68 种元素
• 太阳半径按光球层确定
• 临边昏暗现象、米粒组织

色球层

• 厚度 2000 km
• 密度 $10^{-8}g/cm^3$
• 温度：底 4200 K~顶 50 万 K
• 亮度仅为光球 1/100

日冕层

• 范围可拓展至 4~5 倍太阳半径
• 温度 $10^6~10^7K$
• 密度 $10^{-15}g/cm^3$

6. 太阳活动

（1）形式

graph TD
A[形式]-->B[黑子]-->G[光球]
A-->C[光斑]-->G[光球]
A-->D[耀斑]-->H[色球]
A-->E[日珥]-->H[色球]
A-->F[太阳风]-->I[日冕]

黑子

光球上不规则的黑色区域，大小约 10000 千米，温度约 4000~4500 K，通常成群出现，可能是一种带电物质的旋涡气团，而且有很强的磁场。

耀斑

色球的某些区域有时会突然出现大而亮的斑块，叫做耀斑，也叫色球爆发。耀斑爆发是太阳活动最激烈的显示。

日珥

发生于色球层突出日面边缘的物质抛射现象。

高约几万公里，进入日冕层，物质主要为色球与日冕的冷气体云，可形成浮云、喷泉、圆环、拱桥等不同结构。

太阳风

日冕物质抛射。

（2）太阳活动对地球的影响

• 太阳电磁波 - 电离层扰动 - 无线电波通讯中断
• 太阳大气高能带电粒子流 - 扰乱地球磁场 - 磁暴
• 高纬地区产生极光

• 生物效应

  • 航空育种
  • 循环系统（高血压）
  • 神经系统（中风概率）
  • 呼吸系统（流感）

人类如何应对太阳活动

• 空间天气预报
• 子午工程

二、恒星和星云

（一）恒星

1. 恒星的距离

• 半人马 α：4.22 ly
• 天琴 α：26.3 ly

PS：1 ly=6.3 万 AU；1 pc=3.26 ly

2. 恒星的大小

体积差异大，质量差异小。半径可相差 $10^5$（体积 $10^{15}$）。

3. 恒星的运动

恒星不恒。

4. 恒星星座

为了认识恒星，国际上把全天球上的恒星，按其排列的几何图形分为若干个区域，并称这些区域为星座。

5. 恒星的发光和光谱

研究恒星光谱的意义

• 反映恒星的温度高低（蓝色温度最高，红色最低）
• 了解恒星的化学组成
• 推知恒星的运动特征

6. 恒星的亮度和光度

（1）概念

恒星的亮度（E）是指地球上受光强度，即恒星的明暗程度；光度（L）是指恒星本身的发光强度。

• 视星等（m）：表示天体亮度等级
• 绝对星等（M）：表示天体光度等级

全天可见恒星 6000 颗，目视极限 6.5 等（数字越大越暗）

亮度与距离

$$\frac{E_1}{E_2}=\frac{{d_2}^2}{{d_1}^2}$$

（2）星等与亮度的关系

1. 星等愈小，亮度越大；星等愈大，亮度越小
2. 星等以等差级数减小，亮度以等比级数增大

$$\frac{E_{m_0}}{E_m}=2.512^{m-m_0}$$

（3）光度与亮度的关系

恒星在 10 pc 处的视星等——衡量恒星本身的发光强度：

$$\frac{d^2}{10^2}=\frac{E_M}{E_m}=2.512^{m-M}$$

$E_M$ 和 $E_m$ 为恒星在 10 pc 处和原始位置的亮度，M 和 m 为绝对星等和目视星等，d 为用 pc 表示的天体距离。

光度和亮度的差可度量天体距离：

$$M=m+5-5\lg d$$

例题

1. 1918 年天鹰座新星爆发时，绝对星等 M 为 8.8 m，在多少秒差距处，看起来像满月（12.7 m）一样明亮？织女星（天琴座）的视星等为 0.1，若其距离增加为 10 倍，这时，它的星等将是几等？肉眼还能看得到它吗？

解：

$$\begin{align*}\frac{d^2}{10^2}=2.512^{m-M},m=12.7,M=8.8 \\ \Rightarrow d\approx 60\end{align*}$$

$$\begin{align*}&\frac{{d_1}^2}{{d_2}^2}=2.512^{m_1-m_2} \\ &\Rightarrow 100=2.512^{m-0.1} \\ &\Rightarrow m\approx 5.1\end{align*}$$

m<6.5，肉眼可见。

2. 史书记载公元 1054 年天空出现一颗亮度为 -6 等的新星，距离为 2000 pc，求：

   1. 其绝对星等是多少？
   2. 其实际爆炸时间距今多少年？

2.1. 解：

$$\begin{align*}M=m+5-5\lg d,m=-6,d=2000 \\ \Rightarrow M=-17.5\end{align*}$$

2.2. 解：

$$\begin{align*}2000pc=2000\times3.26ly=6520ly \\ 2023-1054=969 \\ 6520+969=7489\end{align*}$$

7. 恒星的多样性

（1）以恒星的存在形式划分

graph TD
A[单星]
B[双星]-->D[光学双星]
B-->E[物理双星]
C[星团]-->F[疏散星团]
C-->G[球状星团]

光学双星（假双星）

投影位置接近，但无空间联系。

物理双星

空间位置接近，相互绕转。

1. 目视双星
2. 分光双星
3. 食变双星

（2）以恒星视亮度变化来划分

graph TD
A[不变星]
B[变星]-->D["食变星（外因）"]
B-->E["物理变星（内因）"]
E-->F[脉动变星]
E-->G[爆发变星]
G-->H[耀星]
G-->I[新星]
G-->J[超新星]

1. 光学变星（几何变星）

同食变星（英仙座 β，大陵五）

2. 物理变星——脉动变星

• 天琴座 RR 型变星（短周期造父变星）
  0.05~1.5 天，变幅 1~2 星等，绝对星等 0.5 等
• 经典造父变星（长周期造父变星）
  1~50 天，变幅 0.1~2 星等，周期越长，光度越大

造父变星：光变周期与它的光度成正比，可用于测量星际的距离（造父变星测距法）：

$$M=-1.43-2.81\lg P$$

3. 物理变星——爆发变星

   1. 新星
      亮度在几小时至几天内突然剧增，然后缓慢减弱的恒星
   2. 超新星
      爆发规模比新星更大，增亮幅度为新星的数百至数千倍，抛出速度可超过 10000 km/s 的气壳（毁灭性）。

（3）按体积大小分

大多数恒星质量在 0.1~10⊙ 之间，但体积差异悬殊。分为矮星、巨星、超巨星（体积大小无法直接辩认，通过恒星的光度与温度的关系来确认）。

赫罗图：以恒星的光谱型（或温度）为横坐标，以它的光度（或绝对星等）为纵坐标，每颗恒星按照各自的光谱型和光度，在图上占有一定的位置。

（二）星云

星云是由星际空间的气体和尘埃结合成的云雾状天体。

graph LR
A[星云]-->B[星云]---C[星系内非恒星状的气体尘埃云]
A-->D[河外星云]---E["实质是银河系外的星系、星团，改称河外星系"]

星云是星际尘埃、星际气体与弥漫星光组成的云雾状天体，可产生星际消光和星际红化作用。

• 星云：n>10 个原子/cm³
• 星际介质：n<10 个原子/cm³
• 最高真空度：32000 个原子/cm³

1. 按照形状分类

弥漫星云和行星状星云。

2. 按照发光性质

发射星云、反射星云和暗星云。

三、星系

空间上分离、而由引力束缚在一起的恒星（千亿，10¹¹）和星际物质的集合体。

（一）银河系

• 银河是银河系主体在天球上的投影（环天光带）
• 银河平均宽度 20°，与天赤道成 62° 斜交

1. 银河系的结构

1. 银晕：直径 10 万光年（球状）银冕（直径 30 万光年）
2. 银盘：直径 8 万光年（太阳距银心 2.8 万），银赤夹角 63.5°
3. 核球：直径 2 万光年（银心）
4. 旋臂：英仙臂，人马臂，猎户臂（太阳）等（年轻天体）

2. 银河系的运动

（1）银河系自转

• 自转方式：较差自转
• 自转周期：2.25~2.5 亿年（宇宙年）

（2）整体运动

银河系以 214 km/s 的速度向麒麟座方向前进。

（3）银河系内部运动

太阳在银河系中的运动

• 相对于银心的旋转，其速度为 250km/s，绕转周期为 2.5 亿年；
• 相对于邻近恒星的运动：太阳系以 20km/s 的速度向武仙座方向（近织女星）前进，谓之奔赴点。

（二）河外星系

哈勃：M31 为最早发现的河外星系。河外星系数量大于千亿个。

1. 河外星系的分类

根据星系形态，哈勃首先提出星系可分为：椭圆星系、透镜状星系、旋涡星系、棒旋星系和不规则星系。漩涡星系 >60%，椭圆星系 <30%，不规则星系 <15%。

2. 河外星系的运动

（1）星系退行

哈勃定律：$V=HD$

V 为星系退行速度，D 为星系距离，H 为哈勃常数

• 测量星系的距离：$D=\frac{V}{H}$
• 测量宇宙的年龄：$T＝\frac{D}{V}＝\frac{1}{H_0}$（假设宇宙的膨胀均匀）

星系越远，视向速度（退行速度）越大

（2）星系碰撞

星系群中星系距离较星系直径小，碰撞概率大

四、星系群与星系团

（一）星系群

具有一定力学联系，但成员数目较少（<50 个）的星系集团。

（二）星系团

具有一定力学联系，成员星系数目成百上千的星系集团（超星系团）。

五、总星系：所有星系的总称

总星系=已知的宇宙

总星系是人类用现有的观测手段和方法，所能观测与探测到的宇宙空间全部范围。

• 宇宙年龄半径 137 亿年
• 空间半径 465 亿 ly
• 哈勃望远镜的极限 130 亿 ly