第一章 天體及其研究方法
　　本章導(dǎo)讀：
　　地球是宇宙中的一個(gè)天體，那么，如何觀測(cè)天體？如何獲悉天體的信息？天體是如何演化的？如何從整體上認(rèn)識(shí)地球？ 所有這些問(wèn)題都是人類(lèi)所關(guān)心的。本章將對(duì)天體及研究天體的主要方法進(jìn)行介紹。
　　1.1 天體及天體系統(tǒng)
　　1.1.1 天體概念及主要天體
　　1. 天體概念
　　宇宙中所有物質(zhì)和能量，統(tǒng)稱(chēng)為天體。天文學(xué)研究的對(duì)象就是天體。常見(jiàn)的有自然天體（如黑洞、星系、恒星、類(lèi)星體、行星、□□、彗星、流星體等）和人造天體（如人造□□、飛行器等）。在地球上看，天體都在天上。但實(shí)際上，地球也是一個(gè)自然天體，不過(guò)對(duì)人類(lèi)而言，地球是一個(gè)特殊的天體。
　　□. 主要天體簡(jiǎn)介
　�。�1）恒星是天體中的主體。一般由熾熱的氣體組成的、自身會(huì)發(fā)熱發(fā)光的球狀或類(lèi)球狀天體，稱(chēng)為恒星。太陽(yáng)就是一顆恒星，除了月球和行星外，我們?cè)谝雇硭��?jiàn)到的天空群星大多為恒星（關(guān)于恒星的特點(diǎn)將在第□ 章介紹）。由成團(tuán)的恒星組成的、被各成員星的引力束縛在一起的恒星群稱(chēng)為星團(tuán)，一般分為球狀星團(tuán)和疏散星團(tuán)兩種。
　�。ā酰┬行侵咐@恒星運(yùn)行、自身不會(huì)發(fā)可見(jiàn)光的、以其表面反射恒星光而發(fā)亮的天體。據(jù)現(xiàn)代天文觀測(cè)獲知，行星并不是太陽(yáng)系獨(dú)有的。天空中每10 顆恒星至少有1 顆其周?chē)�有行星，甚至可能不�? 顆行星。□1 世紀(jì)以來(lái)，人類(lèi)已經(jīng)在800 多顆恒星周?chē)�發(fā)現(xiàn)了1000 多顆行星（候選體星），*多在一顆恒星周?chē)�發(fā)現(xiàn)了7 顆行星。目前人類(lèi)對(duì)太陽(yáng)系外行星的探索興趣空前高漲。
　�。�3）□□指繞行星運(yùn)行、自身不會(huì)發(fā)可見(jiàn)光、以其表面反射恒星光而發(fā)亮的天體。如太陽(yáng)系內(nèi)的月球就是地球的□□。據(jù)科學(xué)報(bào)道，截至□0□0 年發(fā)現(xiàn)的太陽(yáng)系自然□□數(shù)多達(dá)160 顆以上。
　�。�4）彗星主要由冰物質(zhì)組成，以圓錐曲線(xiàn)（包括橢圓、拋物線(xiàn)和雙曲線(xiàn)）軌道繞恒星運(yùn)行。當(dāng)靠近恒星時(shí)，因冰物質(zhì)受熱融化、蒸發(fā)或升華，并在恒星粒子流的作用下（如太陽(yáng)風(fēng)）拖出尾巴的天體。至今人們僅觀察到太陽(yáng)系內(nèi)的彗星。
　�。�5）流星體指太陽(yáng)系中較小的天體，其軌道千差萬(wàn)別。在太陽(yáng)系中有些流星體是成群的，稱(chēng)為流星群。當(dāng)流星體或流星群進(jìn)入地球大氣層時(shí)，由于速度很快，進(jìn)入地球大氣層因摩擦生熱而燃燒發(fā)光，形成明亮的光跡，稱(chēng)為流星現(xiàn)象。大流星體未燃盡而降落在地面，稱(chēng)為隕星。有些隕星中含有許多種礦物元素，尤其□□來(lái)還發(fā)現(xiàn)在一些隕星中存在有機(jī)物。
　�。�6）星云和星系 星云是指銀河系空間氣體和微粒組成的星際云，一般它們體積和質(zhì)量較大，但密度較��；形狀不一，亮暗不等。早期人類(lèi)在星云性質(zhì)未被了解之前，曾把星云分為河內(nèi)星云和河外星云兩種。隨著觀測(cè)手段的進(jìn)步，人類(lèi)已區(qū)分出河內(nèi)星云的實(shí)質(zhì)就是銀河系內(nèi)的一些星際物質(zhì)；河外星云就是現(xiàn)在指的“河外星系”，簡(jiǎn)稱(chēng)“星系”。梅西葉天體（或M 天體）是特指的110 個(gè)星系和星云。深空天體（deep sky object，DSO）指的是天空上除太陽(yáng)系天體（如行星、彗星或小行星）或恒星天體外，用肉眼難以見(jiàn)到，但用探測(cè)器可獲悉的弱暗星系等天體（如M31、M104 等）。
　　（7）星際物質(zhì) 是存在于星系和恒星之間的物質(zhì)和輻射場(chǎng)的總稱(chēng)（除包括星際氣體、星際塵埃和各種各樣的星際云外，還包括星際磁場(chǎng)和宇宙線(xiàn)），星際物質(zhì)在天體物理的準(zhǔn)確性中扮演著關(guān)鍵性的角色（因?yàn)樗�是介于星系和恒星之間的中間角色），在現(xiàn)代天體物理中，星際物質(zhì)研究越來(lái)越受到人們重視。
　�。�8）人造天體在1957 年人造□□上天以后才有的天體，包括現(xiàn)有人造□□、宇航器（宇
　　宙飛船）和空間站等。雖然有的人造天體已解體，失去設(shè)計(jì)時(shí)的功能，但每一塊小碎片（宇宙垃圾）仍然是人造天體。據(jù)估計(jì)，現(xiàn)運(yùn)行在宇宙空間的人造天體已有上萬(wàn)個(gè)，為避免碰撞，國(guó)際組織或一些國(guó)家已開(kāi)展對(duì)它們進(jìn)行監(jiān)測(cè)和監(jiān)控。
　�。�9）可視天體和不可視天體（暗物質(zhì)）在宇宙中存在大量的物質(zhì)和能量，人類(lèi)把肉眼看得見(jiàn)的（在可見(jiàn)光波段）稱(chēng)為“可視天體”，看不見(jiàn)的稱(chēng)為“不可視天體”或“暗物質(zhì)和暗能量”�，F(xiàn)代天文研究表明，宇宙中存在大量暗物質(zhì)與暗能量。
　　1.1.□ 天體系統(tǒng)
　　宇宙中的天體是相互作用的�；ビ幸�力聯(lián)系的若干天體所組成的集合體，稱(chēng)為天體系統(tǒng)。常見(jiàn)的有地月系、太陽(yáng)系、銀河系、河外星系、星系團(tuán)、總星系。天體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)各異、大小懸殊。地球在宇宙中的相對(duì)位置如圖1.1。與地球關(guān)系密切的天體系統(tǒng)有地月系、太陽(yáng)系、銀河系。
　　1.□ 獲取天體信息的方法
　　除用肉眼外，人類(lèi)主要是通過(guò)望遠(yuǎn)鏡等天文儀器觀測(cè)天體運(yùn)動(dòng)、研究天體的特性及演化。獲悉天體信息的主要渠道有電磁波、宇宙線(xiàn)、中微子、引力子等。通過(guò)這些手段，人們可以了解有關(guān)天體的信息（如恒星的光度、溫度、顏色、壽命等）以及天體的演化規(guī)律。
　　1.□.1 電磁波
　　電磁波（electromagnetic wave ）是在真空或物質(zhì)中通過(guò)傳播電磁場(chǎng)的振動(dòng)而傳輸電磁能量的波。它具有波動(dòng)性和粒子性?xún)煞N性質(zhì)。任何目標(biāo)物都具有發(fā)射、反射和吸收電磁波的性質(zhì)，目標(biāo)物與電磁波的相互作用，構(gòu)成了目標(biāo)物的電磁波特性，它既是現(xiàn)代遙感探測(cè)的依據(jù)，也是人類(lèi)通過(guò)電磁波獲取宇宙天體信息的主要方法。就波長(zhǎng)來(lái)說(shuō)，我們眼睛所能感覺(jué)到的，只是全部電磁波中很狹窄的一部分，即所謂的可見(jiàn)光，其波長(zhǎng)范圍為0.4～0.8μm（1μm=10.4cm）或4000～8000.（1.=10.8cm）。其他不可見(jiàn)光的電磁波有：紫外線(xiàn)100～4000.，X 射線(xiàn)0.01～100.，γ射線(xiàn)<0.01.，紅外線(xiàn)7000.～1mm ，無(wú)線(xiàn)電短波1mm～30m ，無(wú)線(xiàn)電長(zhǎng)波>30m。電磁波光譜如圖1.□ 所示。
　　圖1.□ 電磁波光譜圖
　　由于地球大氣對(duì)天體輻射的吸收、反射和散射等作用，所以天體只有某些波段的輻射能到達(dá)地面，人們把這些波段形象地稱(chēng)為“大氣窗口”。大氣窗口指大氣對(duì)電磁輻射吸收和散射很小的波段，這些波段對(duì)地面觀測(cè)獲取天體信息非常有利。主要有以下幾個(gè)大氣窗口：①光學(xué)窗口，能透過(guò)可見(jiàn)光；②紅外窗口，紅外輻射主要由水分子所吸收，只有很少部分能在地面觀測(cè)；③射電窗口，在射電波段有一個(gè)較寬的窗口。若要觀測(cè)天體的全波段輻射，就必須擺脫地球大氣的屏障，需到高空和大氣外層進(jìn)行觀測(cè)。在地球大氣上界和地面獲取太陽(yáng)能差異情況如圖1.3 所示，其衰減強(qiáng)度隨波長(zhǎng)而異。
　　1.□.□ 宇宙線(xiàn)
　　宇宙線(xiàn)主要指來(lái)自宇宙的各種高能粒子流，包括質(zhì)子、α粒子、電子、不穩(wěn)定的中子和μ子等。不過(guò)，除中微子外，接收宇宙線(xiàn)必須用各種粒子探測(cè)器到大氣上界進(jìn)行。目前，人類(lèi)在這方面研究雖已取得一定成果，但對(duì)太陽(yáng)系之外的宇宙線(xiàn)還沒(méi)辦法做到系統(tǒng)化觀測(cè)。
　　圖1.3 大氣上界和地面獲取太陽(yáng)能
　　中微子質(zhì)量雖極其微小，但穿透本領(lǐng)很強(qiáng)。通過(guò)對(duì)中微子觀測(cè)，人類(lèi)可以獲悉恒星內(nèi)部熱核反應(yīng)的信息，但不易觀測(cè)�！�00□ 年，賽德伯勒中微子天文臺(tái)已成功地觀測(cè)到來(lái)自太陽(yáng)的中微子，這對(duì)研究太陽(yáng)內(nèi)部意義重大，也解決了困惑人類(lèi)多年的“太陽(yáng)中微子之謎”。
　　1.□.3 引力子
　　在引力場(chǎng)中，由引力波傳播的載體，稱(chēng)為引力子。人類(lèi)通過(guò)對(duì)它們的研究，可以間接得到天體的一些信息。令人興奮的是在□016 年初人類(lèi)首次直接探測(cè)到引力波的存在。引力波的發(fā)現(xiàn)讓人類(lèi)認(rèn)識(shí)宇宙增加了一個(gè)通道，也為人類(lèi)探索宇宙的奧秘提供了另一種手段。
　　此外，天外來(lái)客（如隕星）、宇航取樣等，也是人類(lèi)了解宇宙天體的渠道。
　　1.3 觀測(cè)天體的主要工具和數(shù)據(jù)處理
　　目前人類(lèi)能觀測(cè)的宇宙范圍為150 億～□00 億光年，但肉眼能直接觀測(cè)到的天體是很有限的。因此，在歷史上，天文學(xué)家就一直致力于觀測(cè)手段的改進(jìn)和天文觀測(cè)儀器的研制�？梢哉f(shuō)，從伽利略望遠(yuǎn)鏡到哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，每一次觀測(cè)手段的改進(jìn)和新觀測(cè)儀器的研制，都推動(dòng)了天文學(xué)的發(fā)展。望遠(yuǎn)鏡是人眼的延伸，從光學(xué)到射電波段，再到其他多波段觀測(cè)；從地面到航空航天觀測(cè)，天文儀器不斷更新，天文望遠(yuǎn)鏡的功能也日趨完善，人類(lèi)獲取的天體信息也越來(lái)越多。為更好地了解地球的宇宙環(huán)境，了解天體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。本節(jié)將簡(jiǎn)要介紹天球和天球坐標(biāo)、星圖和星表、天文望遠(yuǎn)鏡等以及天文數(shù)據(jù)處理方法等。
　　1.3.1 天球
　　1. 天球的概念
　　引力使運(yùn)動(dòng)宇宙中的天體能保持相對(duì)的平衡。當(dāng)人們抬頭仰望天空時(shí)，從視覺(jué)上很難辨別出天體距離的遠(yuǎn)近，似乎是等距的，它們同觀測(cè)者的關(guān)系，猶如球面上的點(diǎn)與球心的關(guān)系。這樣太陽(yáng)、月亮和恒星看起來(lái)似乎都分布在一個(gè)很大的球面上（稱(chēng)天球）。地球上的人無(wú)論走到什么地方，都有這種感覺(jué)。天空的晝夜□化表明，天球不但存在于地平之上，而且還有一半隱入地平之下。
　　天文學(xué)對(duì)天球是這樣定義的：以觀測(cè)者為中心、以任意長(zhǎng)為半徑的一個(gè)假想的球體（圖1.4）。它可作為研究天體視位置和視運(yùn)動(dòng)的輔助工具。如太陽(yáng)每日的東升西落、月球在天空中的圓缺□化、日月食現(xiàn)象出現(xiàn)、行星的動(dòng)態(tài)□化等都可借助天球來(lái)表示。
　　圖1.4 天球示意圖
　　□. 天球的類(lèi)型
　　由于研究任務(wù)不同，天球中心可以選擇為觀測(cè)者、地心、日心或銀心等，相應(yīng)地就有觀測(cè)者天球、地心天球、日心天球和銀心天球等。地心天球，是地球上的觀察者所構(gòu)成的天球，它以地心為天球中心，但地球上的觀察者只能在地面上觀察，地心與地面的差距就是地球半徑，在較大尺度的宇宙空間里，地球半徑或直徑的距離是可以忽略不計(jì)的，這就是天球的半徑定義為任意的原因。所以，地心天球與以地面上的觀察者為中心的天球是可以被看作是一致的，僅在必要的時(shí)候才作某些修正。地心天球主要用以表示太陽(yáng)系以外的天體視位置和視運(yùn)動(dòng)。日心天球，以日心為天球中心，即假設(shè)觀察者處于日心位置，這種天球主要用于表示太陽(yáng)系以?xún)?nèi)天體的視位置和視運(yùn)動(dòng)。銀心天球，以銀心為天球中心，即假設(shè)觀測(cè)者在銀心位置，這種天球主要用于研究星系運(yùn)動(dòng)。
　　3. 天球上的基本點(diǎn)和基本圈
　　在天球上定義一些假想的點(diǎn)和大圓（基本線(xiàn)和基本圈），以便確定天體在天球上的視位置，或研究天體的視運(yùn)動(dòng)。因此，利用天球可以把各個(gè)天體方向間的相互關(guān)系的研究，分為球面上點(diǎn)與點(diǎn)或點(diǎn)與線(xiàn)或線(xiàn)與線(xiàn)之間相關(guān)位置的研究。同一球面上*大的圓，其圓心在球心的稱(chēng)為“大圓”，其他的圓則稱(chēng)為“小圓”。為此，我們先了解天球上的一些基本點(diǎn)和基本圈（圓）。
　�。�1）天頂和天底 沿觀測(cè)者頭頂所指的方向作鉛直線(xiàn)向上無(wú)限延伸，與天球相交的一點(diǎn)稱(chēng)為天頂（Z）；天球上距天頂180° 的點(diǎn)，即鉛垂線(xiàn)在觀測(cè)者腳底向地平以下無(wú)限延伸，與天球相交的另一點(diǎn)稱(chēng)為天底（Z′），觀測(cè)者的眼睛則為天球的中心，如圖1.5 所示。
　�。ā酰┑仄饺νㄟ^(guò)地心，并垂直于觀察者所在地點(diǎn)的垂線(xiàn)的平面與天球相割而成的圓為地平圈，或表述為通過(guò)天球中心而垂直于天頂和天底連線(xiàn)的平面稱(chēng)為地平面，地平面與天球相交而成的大圓，稱(chēng)為“地平圈”，如圖1.5 中的NWSE 。地平圈把天球分成可見(jiàn)和不可見(jiàn)的兩個(gè)半球。天體每日視運(yùn)動(dòng)運(yùn)行到距地平圈以上*高點(diǎn)稱(chēng)為“上中天（Q）”，運(yùn)行到距地平圈*低點(diǎn)稱(chēng)為“下中天（Q′）”。
　�。�3）北天極和南天極天軸是地軸的無(wú)限延伸。天軸與天球相交的點(diǎn)就是“天極”。天極有兩個(gè)：北向的稱(chēng)“北天極（P）”；南向的稱(chēng)為“南天極（P′）”（有人稱(chēng)“天北極”和“天南極”）。離北天極約1°處有一顆不太亮的星，即小熊座α，中文名“勾陳一”，即現(xiàn)代北極星。南天極及其近旁沒(méi)有亮星，故沒(méi)有南極星，所謂“南極老人星”，其實(shí)離南天極還很遠(yuǎn)，離天赤道反而近，只因我國(guó)地處北半球，北方根本看不到這顆星，南方看那顆星在南邊天際。所以才有“南極老人星”（即船底座α）的說(shuō)法。
　�。�4）天赤道與北天極和南天極距離相等，且垂直于天軸的大圓，稱(chēng)為“天赤道”，即地球赤道平面無(wú)限擴(kuò)大與天球相割而成的大圓。它把天球分成南、北兩個(gè)半球。
　�。�5）四方點(diǎn)（或四正點(diǎn)）通過(guò)天頂和天底、北天極和南天極的大圈與地平圈相交的兩點(diǎn)中，靠近南天極的那一點(diǎn)稱(chēng)為南