IB 物理/天体物理 SL
在我们自己的宇宙中，存在着许多天体，每个天体都有自己独特的性质；行星也不例外。
| 行星 | 质量/kg | 半径/m | 轨道半径/m | 轨道周期（平均） |
|---|---|---|---|---|
| 水星 | 3.30 x 1023 | 2.44 x 106 | 5.79 x 1010 | 88.0 天 |
| 金星 | 4.87 x 1024 | 6.05 x 106 | 1.08 x 1011 | 224.7 天 |
| 地球 | 5.98 x 1024 | 6.38 x 106 | 1.50 x 1011 | 365.3 天 |
| 火星 | 6.42 x 1023 | 3.40 x 106 | 2.28 x 1011 | 687.0 天 |
| 木星 | 1.90 x 1027 | 6.91 x 107 | 7.78 x 1011 | 11.86 年 |
| 土星 | 5.69 x 1026 | 6.03 x 107 | 1.43 x 1012 | 29.42 年 |
| 天王星 | 8.66 x 1025 | 2.56 x 107 | 2.88 x 1012 | 83.75 年 |
| 海王星 | 1.03 x 1026 | 2.48 x 107 | 4.50 x 1012 | 163.7 年 |
| 冥王星（现在是矮行星） | 1.50 x 1022 | 1.15 x 106 | 5.92 x 1012 | 248.0 年 |
注意：火星以外的所有行星都是气态巨行星；例如，木星是一颗失败的恒星。
有了这些给定的性质和正确的方程，你就可以找到任何这些行星的体积和密度。
体积：
r=行星或球体的半径
密度：
M=质量
V=体积
双星：两颗恒星绕着共同的中心运行。
黑矮星：白矮星冷却后的残骸。它的光度非常低。
黑洞：时空奇点：非常大质量恒星演化的最终结果。
褐矮星：没有达到足够高的温度来引发核聚变的气体和尘埃。这些天体继续收缩并冷却。
脉动变星：一颗光度变化的恒星。光度急剧增加，然后以一个明确的周期逐渐下降。周期与恒星的绝对光度有关，因此可用于通过将脉动变星作为标准烛光来估计恒星的距离。
星系团：两个或多个彼此足够靠近的星系，以至于它们通过引力相互影响。
彗星：一个主要由冰和尘埃组成的小天体，以椭圆轨道绕太阳运行。
星座：一群恒星，形成特定的图案或设计。
星团：受引力束缚的星系/恒星系统。
星座：一群星系/恒星，被赋予特定的名称。例如，12 个黄道带星座——双鱼座、白羊座、金牛座、双子座、巨蟹座等等。
暗物质：星系中太冷而无法辐射的物质。它的存在是通过技术而不是直接视觉接触推断出来的。
星系：由恒星、气体和尘埃组成的巨大集合，它们通过彼此之间的引力束缚在一起。我们的星系被称为银河系。
星际介质：填充恒星之间空间的气体和尘埃。星际物质的密度非常低，每立方厘米空间大约有一个气体原子。
主序星：一颗正在进行氢核聚变形成氦的普通恒星。
中子星：一颗非常致密的恒星，仅由不带电的中子组成。当非常大质量的恒星爆炸时，它们会留下这个中子“球”，从而产生中子星。中子星比白矮星小，密度极高。它是微观的，是微观量子物理学的典型例子。
星云：来自拉丁语中的“云”。用于标记空间中的所有东西，现在被称为星团或星系。它有时仍然用于表示气体和尘埃的浓集。
新星：一颗白矮星突然增加光度，这是由附近恒星的物质落入白矮星引起的。
视差：由于地球绕太阳运行，恒星相对于更远恒星背景的视运动。该角度是在一年中的不同时间测量的。太阳到地球的距离是已知的。距离以秒弧（秒差距）的视差角来指定。在较远的距离上，不确定性变得太大，无法应用。示例：角度 = (6_10-5)° = (6_10-5)° (3600) = 0.22´´ 弧度（秒弧）以秒差距表示：1/0.22´´ = 4.5 pc。
行星状星云：红巨星抛出的外壳。
脉冲星：以毫秒到 4 秒不等的规律间隔发出尖锐、强烈的无线电波脉冲。它们似乎是快速旋转的高磁化中子星。脉冲是高能带电粒子。随着能量的辐射，自转和脉冲速率逐渐减慢。
类星体：小型、异常明亮的河外天体，具有高红移。它们似乎不符合哈勃定律。它们像附近的恒星一样亮，但显示出非常大的红移。根据哈勃定律，类星体要么非常遥远且难以置信地明亮（比普通星系亮数千倍），要么比红移表明的更近。存在未解决的亮度问题或未解决的红移问题。一种理论是类星体可能是由黑洞驱动的。
红矮星：一颗非常小的恒星，温度低。它呈现相对的红色。
红巨星：表面温度低的明亮恒星。当恒星核心中的氢聚变成更重的氦时，就会产生这些恒星。重力迫使恒星收缩，但同时它也升温。核心周围的氢现在燃烧得更猛烈，导致恒星的外壳膨胀并因此冷却。这种低表面温度产生更长波长的光。
星团：一群物理上彼此靠近的恒星，由同一气体云坍塌形成。
超新星：巨大的恒星爆炸。当非常巨大的恒星爆炸时，就会发生这种情况。根据爱因斯坦的定律 E=mc2，铁形成后，聚变无法进行。恒星坍缩，因为没有力量可以超过引力。当无法进一步压缩时，它会猛烈爆炸，发出极其明亮的光。
白矮星：当恒星中所有的燃料耗尽时，就会形成白矮星。重力迫使恒星（质量小于 1.4 个太阳质量）收缩并在高压下升温。原子失去了一些电子。它变成一个小的、热的白色矮星。
星团是空间中彼此靠近的一群恒星，由同一气体云形成。另一方面，星座只是一群似乎彼此靠近的恒星，因为它们在太空中形成了一个可识别的图案。在星团中，恒星因恒星核心的高温而相互吸引，导致质子因氢核聚变而发生静电排斥。星座看起来像是彼此靠近的恒星。天球是使它们看起来像是物理上靠近的恒星的原因。[LG,JD]
光年是衡量太阳系外距离的单位。它是光在一年的时间里传播的距离。光速为每秒 186,287.5 英里。您可以通过将一分钟中的秒数（60）乘以一小时中的分钟数（60）来计算一年中的秒数。然后将其乘以一天中的小时数（24），并将该结果乘以一年中的天数（约 365.25）。一光年等于 9.46 x 10^15 米，这也等于 0.3068 秒差距 (Pc)。
示例：距离地球最近的恒星（比邻星）的距离为 4.31 光年，等于 1.3 秒差距。这意味着向比邻星发送信息需要 4.3 年。
星系中恒星之间的平均距离约为 1 秒差距，等于 3.26 光年。同一星系团内星系之间的平均距离在 100 千秒差距 (kpc) 到几百千秒差距 (kpc) 之间。不同星系团中的星系之间相距几兆秒差距 (Mpc)。1 Mpc 等于 1000 kpc。
在夜间，恒星和星座似乎从东向西移动，但星座的相对位置没有改变。天球是地球周围恒星和星座所在的区域。北极星，即北极星，位于北天极，似乎一动不动。其余的恒星和星座似乎围绕北极星旋转。恒星似乎移动的越少，它们在北部或南部的距离就越远。当地球自转时，半球看到恒星和星座的不同景象。
为了让地球每年旋转一周，每天必须发生微小的变化。每晚的变化为 0.986 度，不容易被察觉。
所有恒星都遵循一个简单的质子-质子循环，以保持引力和压力之间的平衡。当恒星消耗燃料时，它的温度会升高，因此压力也会升高。这是为了保持试图压缩恒星的巨大引力之间的平衡所必需的。在恒星生命周期的开始，恒星主要由氢组成；事实上，它们由 98% 的氢组成。质子-质子循环有三个基本阶段
1.) 两个氢原子聚变形成一个氘原子，外加一个正电子和一个中微子。每个正电子都会湮灭，产生 2γ（伽马）粒子 [它们反过来被吸收并重新发射，每γ（伽马）粒子产生 200,000 个光子。]
2.a.) 一个氘原子和一个氢原子聚变形成氦原子和一个γ（伽马）粒子。
2.b.) 另一个氘原子和一个氢原子聚变形成氦原子和一个γ（伽马）粒子。[到目前为止，已经产生了 4γ（伽马）粒子，即 800,000 个光子。那是一颗明亮的恒星！]
3.) 两个氦原子聚变形成一个重氦原子。
一旦恒星中的氢耗尽，它就开始消耗从氢反应中产生的氦。根据恒星的颜色，您可以找出它消耗的是哪种燃料。这就是赫罗图的由来。
恒星的稳定性取决于两种相反力量之间的平衡。平衡取决于引力，它可以使恒星坍缩，以及辐射压力，它可以使恒星膨胀。这种平衡是通过核聚变获得的，核聚变为恒星提供保持高温所需的能量，因此恒星的辐射压力足以抵抗引力收缩。
"光度是恒星每秒辐射的能量总量；也就是说，它是恒星辐射的功率。正如下一节所述，光度取决于恒星的表面温度和表面积。" 简单地说：光度取决于恒星的温度和半径（表面积）。
光度是恒星内部化学反应的结果。
亮度是视亮度接收到的每秒每单位面积的能量。
b=L/4πd-2 Wm-2
视亮度与固有光度成正比，其中视亮度使用电荷耦合器件 (CCD) 测量，电荷耦合器件在被光子击中时释放一个电子。
黑体是指吸收所有照射到它上面的电磁辐射的物体。斯特藩-玻尔兹曼定律可用于确定黑体以电磁波形式发射的辐射。要更深入地了解斯特藩-玻尔兹曼定律，请参阅 F.2.8 节。维恩位移定律将波长与表面温度联系起来。维恩常数为 2.90 x 10^-3 Km。这意味着温度越高，辐射能量最大发射的波长越低。
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波长（纳米）与强度（任意单位）的关系图
随着总强度的增加，曲线峰值（最强波长）的相对强度会降低，而最强波长会越来越长（能量越来越低）。
维恩位移定律指出，温度越高，黑体辐射能量最多的波长就越短。
维恩位移定律公式如下：λmax= b/T 其中λ表示最大波长（米），T表示黑体的温度（开尔文），b为常数，约为2.90 x 10-3Km。
斯蒂芬-玻尔兹曼定律可以用来计算恒星的亮度和观测者到恒星的距离。亮度可以用来确定恒星的绝对亮度。计算亮度的公式为：L=σAT4。
斯蒂芬-玻尔兹曼常数：σ = 5.67 x 10-8Wm-2K-4
A= 表面积
T= 温度
一旦亮度计算出来，将其代入b=L/4πd2公式中的L。
d= 此公式中的距离。
这将允许你计算出恒星的绝对亮度。
恒星的表面温度可以通过测量其辐射能量最多的波长来确定。大多数恒星的化学成分基本相同，但呈现不同的吸收光谱。这是因为不同的恒星具有不同的温度。吸收光谱提供关于恒星温度和化学成分的信息。根据其颜色，恒星被划分为七个光谱类型。
光谱类型总结
光谱类型 有效温度 (K) 颜色 H巴尔末系特征 其他特征 M/MSun R/RSun L/LSun 主序寿命
O 28,000 - 60,000 蓝色 弱电离He+谱线，强紫外连续谱 20 - 60 9 - 15 90,000 - 800,000 1 - 10 Myr
B 10,000 - 28,000 蓝白色 中等 中性He谱线 3 - 18 3.0 - 8.4 95 - 52,000 11 - 400 Myr
A 7,500 - 10,000 白色 强 强H谱线，电离金属谱线 2.0 - 3.0 1.7 - 2.7 8 -55 400 Myr - 3 Gyr
F 6,000 - 7,500 黄白色 中等 弱电离Ca+ 1.1 - 1.6 1.2 - 1.6 2.0 - 6.5 3 - 7 Gyr
G 4,900 - 6,000 黄色 弱 电离Ca+，金属谱线 0.85 - 1.1 0.85 - 1.1 0.66 - 1.5 7 - 15 Gyr
K 3,500 - 4,900 橙色 很弱 Ca+，Fe，强分子，CH，CN 0.65 - 0.85 0.65 - 0.85 0.10 - 0.42 17 Gyr
M 2,000 - 3,500 红色 很弱 分子谱线，例如TiO，中性金属 0.08 - 0.05 0.17 - 0.63 0.001 - 0.08 56 Gyr
已知氢是正常主序星的主要元素，占其质量的70%，其次是氦，占20%。其余部分由更重的元素组成。
| 类型 | 温度 | 颜色 |
|---|---|---|
| O | 30 000 - 60 000 | 蓝色 |
| B | 10 000 - 30 000 | 蓝白色 |
| A | 7 500 - 10 000 | 白色 |
| F | 6000 - 7500 | 黄白色 |
| G | 5000 - 6000 | 黄色 |
| K | 3500 - 5000 | 橙色 |
| M | 2000 - 3500 | 红色 |
决定了恒星的命运。
视差是用来描述太空中的两个物体之间的距离。当地球上的观测者在相隔六个月的两个不同时间拍摄一颗相对较近的恒星，背景是遥远的恒星时，目标恒星的图像相对于更遥远的恒星背景似乎发生了移动。地球观测者的基线位移为2个天文单位（AU）。按照惯例，计算结果被归一化为一个AU，即地球轨道半径，因此测量到的视位置变化的一半被认为是目标的“视差”。
一个弧度秒的视差称为一个秒差距。由于我们知道地球轨道半径，简单的欧几里得几何学允许我们计算出，一颗表现出一个弧度秒位移的恒星距离地球3.26光年，即一个秒差距。
哈勃定律：v = Hd，其中v是速度，H是哈勃常数，d是距离。它描述了哈勃的观测结果，即大多数其他星系的频谱中的谱线都发生了红移，并且红移量大约与星系到我们的距离成正比。因此，速度与距离成正比。H大约为75km/s/Mpc。需要注意的是，这对近邻星系并不适用，原因有两个。一是计算距离的误差范围约为15%，而我们对近距离的距离有更精确的测量方法；二是地球仍然是许多较近星系系统的一部分，因此速度差异可以忽略不计。还要注意，这是一个随着新数据的不断涌现而变化的值。哈勃定律实际上描述了天体彼此远离的速度，并且随着星系离得越远，它的速度就越快。
用恒星视差法测定距离是通过定期测量一颗恒星相对于固定背景的变化来实现的。然后，你用面积变化进行一些简单的代数运算。在近距离情况下，它的精度远高于哈勃定律，但哈勃定律对于远距离来说更好，尽管它的误差范围很大。
美国物理学家A. Penzias和R. Wilson（1956年）探测到来自天空各个方向的微波辐射，无论白天还是黑夜。这种辐射就像黑体在3开尔文温度下辐射的辐射，因此被称为3K辐射。
这一发现支持了大爆炸理论，该理论认为宇宙应该发出强烈的短波辐射。辐射扩散开来，均匀地填充了膨胀的宇宙。随着时间的推移，它冷却下来，达到现在观测到的3K温度，并现在以微波的形式撞击地球。
一颗恒星的绝对星等取决于其视星等。恒星的视星等是地球上观测到的恒星亮度的一种相对分类系统。视星等的数值越大，恒星越暗淡。这与绝对星等有关，因为绝对星等是指一颗恒星在 10pc 距离处观察到的视星等。为了确定绝对星等，可以使用以下公式：M=m+2.5log(100/d2)
视星等的例子如下：天枢星的视星等为 +0.05，它距离地球 14pc。估计它的绝对星等。
要解决这个问题，我们使用以下公式：M=m+2.5log(100/d2)
然后我们将变量代入，得到以下结果：M=+0.05+2.50log(100/142)
M=2.55log(100/196)= -.745252982
所以估计的绝对星等为 -.745252982
光度是指恒星每秒辐射的能量。简单来说，就是恒星辐射的功率。光度取决于恒星的表面温度和表面积。为了将光度与光谱联系起来，恒星的光度越高，它在光谱中的位置就越高。
脉动变星：一颗恒星的光度在一段时间内急剧增加然后缓慢下降，这段时间与恒星的光度有关。脉动变星用于估计恒星的距离。光变曲线的周期与峰值光度之间存在关系。一些脉动变星的周期为 1 到 50 天。变星提供了恒星结构的信息，帮助发展恒星结构理论。
在绝对星等和视星等中，天文学家会根据恒星在地球上观察者的眼中看起来的亮度对其进行分类。星等越高，恒星越暗淡，恒星的亮度用 1-6 的数字表示，这些数字表示恒星的星等。并非所有恒星都位于相同的距离，这是恒星星等分类的因素之一，而恒星的亮度也会发生变化，就像两颗位于相同位置、相同方向、相同亮度的恒星一样。
“标准烛光”是指那些被称为脉动变星的恒星，因为脉动变星的描述方式与蜡烛相同。一颗蜡烛离另一颗蜡烛越远，观察者看到的亮度和光度就越低。距离是导致恒星的光度和亮度随着其离观察者越远而降低的因素。
由于脉动变星的亮度会增加然后逐渐衰减，因此在光度-周期图上会呈现出曲线。由于其亮度呈周期性变化，因此图形呈现出类似正弦曲线的图像。恒星的外层会周期性地收缩和膨胀。当它向外膨胀时，是因为恒星的表面以高速向外移动，因此亮度更高；而当它变暗时，是因为表面向内移动。
如果宇宙是无限的，为什么我们观察到黑色的夜空？一个无限的宇宙不应该包含无限数量的恒星，这样无论我们朝哪个方向看，天空都应该是明亮的吗？
奥伯斯佯谬质疑为什么夜空是黑暗的。如果宇宙是无限的，因此包含无限数量的恒星，那么理论上应该有无限量的能量从恒星辐射出来，使夜空无限明亮。奥伯斯佯谬适用于所有无限模型，但不适用于有限模型。这是因为
- 恒星的数量是有限的，并且每颗恒星的寿命也是有限的。
- 宇宙的年龄是有限的，并且位于事件视界之外的恒星的光还没有足够的时间到达地球。
- 接收到的辐射会发生红移，因此能量更低。
我们现在所处的物质和辐射最初都集中在一个极其炎热和密集的火球中，它发生了爆炸，产生了大爆炸。在几秒钟内，物质在 3 个维度中加速，以非常快的速度膨胀和发展。时间成为了衡量这种膨胀速度的尺度，它是必要的第四维度。
空间曲率（也称为四维时空）：根据爱因斯坦的广义相对论，光也受重力的影响。这意味着光可以被“弯曲”到行星周围，并沿着一条弯曲的路径传播。光必须经过两点之间可用的最短距离，这意味着弯曲路径是最短距离，因此空间本身是弯曲的。
开放宇宙：由于宇宙的曲率为负，宇宙将永远继续膨胀。
扁平宇宙：曲率为零，宇宙是无限的。
封闭宇宙：曲率为正，因此宇宙是有限的。
所有这些都可以通过非欧几里得几何来展示，其中三角形中角度的总和要么小于180°，要么超过180°。
大爆炸模型：大约十到二十亿年前，宇宙中所有的物质和能量都集中在一个区域，从该区域迅速膨胀。这种膨胀始于空间中某个地方发生的爆炸。太空中没有重力作用于这次爆炸的碎片，因此它以与它距爆炸地点的距离成正比的速度远离爆炸地点。因此，碎片离爆炸越远，它移动的速度就越快，反之亦然，它离爆炸越近，它移动的速度就越慢。
大爆炸模型与四种基本力有关，这些力包括：引力、强力、弱力以及电磁力。据推测，这些力最初是一体的，后来才分离成四种力。
创造一个扁平宇宙所需的密度称为临界密度。它约为5×10^-26kgm^-3。