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第2章 天文科学

宇宙

宇宙是空间和其中存在的各种天体及所有物质的总称,宇宙是物质世界。它处于不断的运动和发展中,在空间上无边无界,在时间上无始无终。人类对宇宙的认识,从太阳系到银河系,再扩展到河外星系、星系团乃至总星系。人们的视野已达到100多亿光年的宇宙深处。有人把总星系称为“观测到的宇宙”、“我们的宇宙”;也有人把总星系称为“宇宙”。宇宙天体表现出多种多样的形态:有密集的星体状态,有松散的星云状态,还有辐射场的连续状态。宇宙中的天体都有它的产生、发展、衰亡的历史,但作为总体,宇宙的产生、发展一直是宇宙学研究的主要课题之一。关于宇宙的产生可参看宇宙的大爆炸模型。

天干地支

以60为周期的序数,是中国古代用来纪日、纪年、纪数等的方法。它以十天干:甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸和十二地支:子、丑、寅、卯、辰、己、午、未、申、酉、戌、亥顺序相配组成。从甲子、乙丑……直到癸亥。干支在中国的历法史上有着重要的地位。如纪日的纪时就是将一日均分为12个时段,分别以十二地支表示,子时为现在的23点至1点,丑时为1点至3点等。在我国农村现在依然有用天干地支纪年的习惯。

二十四节气

是十二个中气和十二个节气的总称。它告诉人们太阳移到黄道上二十四个具有季节意义的位置的日期,几千年来对中国农牧业发展起了重要的作用。节气的安排决定于太阳。将一个回归年的长度等分为24份,从冬至开始,等间隔地依次相间安排各个节气和中气。这种方法叫平气。按照平气的方法,每月有一个节气,一个中气。到清代开始使用定气的方法。定气安排的节气是不均匀的,是与太阳视运动的不均匀相一致。二十四节气反映了太阳的周年视运动,所以节气在现行公历中的日期基本固定,前后相差一两天。

春季的节气为:立春(2月4日或5日,正月节)、雨水(2月19日或20日,正月中)、惊蛰(3月5日或6日,二月节)、春分(3月20日或21日,二月中)、清明(4月5日或6日,三月节)、谷雨(4月20日或21日,三月中)。夏季的节气为:立夏(5月5日或6日,四月节)、小满(5月21日或22日,四月中)、芒种(6月6日或7日,五月节)、夏至(5月21日或22日,五月中)、小暑(7月7日或8日,六月节)、大暑(7月23日或24日,六月中)。秋季的节气为:立秋(8月7日或8日,七月节)、处暑(8月23日或24日,七月中)、白露(9月7日或8日,八月节)、秋分(9月23日或24日,八月中)、寒露(10月8日或9日,九月节)、霜降(10月23日或24日,九月中)。冬季的节气为:立冬(11月7日或8日,十月节)、小雪(11月22日或23日,十月中)、大雪(12月7日或8日,十一月节)、冬至(12月22日或23日,十一月中)、小寒(1月5日或6日,十二月节)、大寒(1月20日或21日,十二月中)。

为了便于记忆,人们编出二十四节气歌诀:春雨惊春清谷天,夏满芒夏暑相连,秋处露秋寒霜降,冬雪雪冬小大寒。

宇宙的盖天说

是中国古代的一种宇宙学说。其大约始于周朝初,到公元前1世纪,已经形成了一个完整的、定量化的理论体系。按照盖天说的宇宙图式,日月星辰绕着它旋转不息。盖天说认为,日月星辰的出没,并非真的出没,而只是离远了就看不见了,离得近就可以看见它们的照耀。据汉代学者王充解释:“今试使一人把大炬火,夜行于平地,去人十里,火光灭矣;非灭也,远使然耳。今,日西转不复见,是火灭之类也。”

我们知道,现在人们已经认识到宇宙的盖天说是完全错误的,它反映了人们认识宇宙结构的一个阶段,在描述天体的运动方面也有一定的历史意义。

宇宙的浑天说

是中国古代的一种宇宙学说。浑天说最初认为:地球不是孤零零地悬在空中的,而是浮在水上;后来又发展,认为地球浮在空气中,因此有可能回旋浮动,这就是“地有四游”的朴素地动说的先河。“浑天说”认为全天恒星都分布于一个天球上,而日月五星则附丽于天球上运行,这与现代天文学的天球概念十分接近。因而“浑天说”采用球面坐标系,如赤道坐标系,来量度天体的位置,计量天体的运动。“浑天说”不只是一种宇宙学说,而且是一种观测和测量天体视运动的计算体系,类似现代的球面天文学。“浑天说”对现代宇宙学的发展起到了重要的作用。

黄道

黄道是地球绕太阳公转的轨道与天球相交的大圆。由于地球的公转运动受到其他行星和月球等天体的引力作用,黄道面在空间的位置产生不规则的连续变化,但在变化过程中,瞬时轨道平面总是通过太阳中心。从地球中心来看,黄道很接近于太阳在恒星中的视周年路径。通过精密的天文仪器,可以察觉黄道与太阳视周年路径的差别。

白道

月球绕地球公转的轨道平面无限延伸交天球于一圈,称为白道。白道与黄道有接近6度的交角(见“黄道”条)。

三垣二十八宿

中国古代为了认识星辰和观测天象,把天上的恒星几个几个地组合在一起,每个组合给一个名称。这样的恒星组合称为星宫。各个星宫所含的星数多少不等,少到一个,多到几十个。所占的天区范围也各不相同。在众多的星宫中,有31个占有很重要的地位,这就是三垣二十八宿。三垣是指紫微垣、太微垣、天市垣。二十八宿的名称为:东方七宿:角、亢、氏、房、心、尾、箕;西方七宿:奎、娄、胃、昂、毕、觜、参;南方七宿:井、鬼、柳、星、张、翼、轸。北方七宿:斗、牛、女、虚、危、室、壁。

光年

指光在真空中一年时间走的距离,是天文学中常用的距离单位。真空中的光速为299,796公里/秒。1光年等于94,605亿公里。离太阳最近的恒星是半人马座比邻星,与太阳的距离约为4光年。人类观测到的宇宙深度已达到150亿光年。

日食

是太阳被月球遮蔽的现象。月球在绕地球运动的过程中,有时会走到太阳和地球中间,这时月球的影子落到地球表面上,位于影子里的观测者便会看到太阳被月球遮住,这就是日食。月球的影子可以分为本影、伪本影和半本影三部分。在日食时,观测者有时可能在本影范围内,这时观测到的日食为全日食。在伪本影内,则见月球不能完全遮住太阳,在太阳边缘剩下一圈光环,这就是日环食。在半本影内,则见太阳的一部分被月球遮住,称为日偏食。全世界每年最多可以发生5次日食,最少也要发生2次日食,对于某一个确定的地点,平均每3年左右就可以看到一次日偏食,日全食则平均每300年才能看到一次。日食发生的条件有两个:一是月球在朔(新月)的时候,二是太阳同交点的距离在日食限以内。

月食

是月球进入地球的阴影,月面变暗的现象。地球在背着太阳方向有一条阴影,地影分为本影和半影两部分。本影没有受到太阳直接射来的光,半影受到一部分太阳直接射来的光。月球在绕地球运行过程中有时进入地影,这就发生月食。月球整个都进入本影,发生月全食;只有一部分进入本影,则发生月偏食。有时月球只进入半影,这称为半影月食。月球进入地影的现象只能发生在“望”(农历十六日前后)。月食的程度的大小用食分来表示。食分等于食甚时,月球视直径在食甚时进入本影的部分与月球视直径之比。每年发生月食的概率(包括本影和半影月食)最多为5次,最少为2次。

月相

表示月球圆缺(盈亏)的各种形状的变化。月球本身不发光,只是反射太阳光。月球绕地球运转,月球、地球和太阳三者的相对位置也在不断变化,因此,地球上的观测者所见到的月球被照亮的部分也在不断变化,从而产生不同的月相。月相依次称为新月(朔)、上弦、满月(望)和下弦。月相更替的平均周期为29.53059日,即朔望日的平均长度。中国农历日期基本符合月相变化。每月初一必定是朔,至于望,则可能发生在十五、十六、十七这三天中的任意一天,以十五、十六居多。

星等

是表示天体相对亮度的数值的量,最早人们把全天人眼可见的星按感觉的亮度分为6等,最亮的20颗星定为1等,亮度随星等数目的增加而降低,后来人们发现,1等星比6等星亮约100倍,于是,用公式将天体的亮度和星等联系起来。星等的零点由规定的某颗星的星等值来确定。

天球

天球是在天文学研究中为了确定天体的位置而假想的一个圆球。天球的半径可以认为是无穷大,包容了所有的天体。所有的天体可以认为是位于天球上。地球被看作是天球的中心。

天体

天体是宇宙中各种星体的通称。其代表宇宙中所有物质组成的集合体。包括星系、星团、恒星以及各种发光或不发光的星际物质。

天顶

天顶是观测者头上无限延伸的一点。因为地球上各点与地球中心的联线不同,各地的天顶也是不同的。

地平面

通过观测者所在地与该地方的铅垂线垂直的平面称为地平面。由于地球呈球形,地平面与观测者所在地有关。

银河系

是指太阳系所在的恒星系统。是宇宙中一个普通的星系,由于它在天球上的投影形成一条横跨星空的乳白色亮带而得名。银河系是一个透镜形的系统,太阳系不在银河系的中心。银河系90%的物质是恒星的质量。恒星在银河系空间的分布也不均匀。银河系的中心叫银心,是银河系的自转轴通过的地方。银河系的物质密集组成一个圆盘称为银盘,太阳也在银盘之中。银河系是在不停地转动的,太阳系也不断地绕银心转动。

太阳系

太阳和绕着其运动的行星以及小行星、彗星、行星的卫星等各种星际物质组成的天体系统称为太阳系。到目前为止,太阳系中共发现了九大行星(见“行星”条),太阳是太阳系中惟一有热核反应能量辐射的发光体,其他天体主要是被太阳光照射而发光。太阳系中小行星的总质量约为地球总质量的4%,其主要存在于火星和木星的轨道之间,其分为石质小行星和碳质小行星。彗星在太阳系中约有16000颗,它们也有自己的轨道以及运动周期。太阳系仅仅是银河系中极微小的部分。

太阳

是太阳系的中心天体,太阳系的九大行星和其他天体都围绕它运动。它是银河系中的一颗普通恒星。太阳距地球的平均距离约为1.496亿公里。太阳的半径为6.9万公里,是地球的109倍。其质量为地球质量的33万倍,占太阳系总质量的99%以上。其年龄为50亿年。太阳是一个表面温度约为6000℃的气体球,其内部的热核反应是太阳能量的来源。同时太阳也是太阳系中所有天体的主要能源。其任何活动都对太阳系中的天体包括地球产生重大影响。

太阳黑子

太阳黑子是太阳表面上能观测到的黑暗斑点,是太阳活动的标志。对于太阳黑子的本质,目前还没有肯定的结论,但可以肯定的是太阳黑子与太阳磁场有本质的联系。观测表明太阳黑子的数目有11年的周期性变化,其变化极大地影响着地球环境。

太阳风

从太阳外层大气不断发射出的稳定的带电粒子流,称为太阳风。太阳风的速度与天球的纬度有极大的关系。其在高纬度处的平均速度约为750公里/秒,在低纬度处的平均速度约为450公里/秒。太阳风与地球磁层的作用对地球的环境,尤其是电磁环境产生重要的影响。

金星

是太阳系九大行星之一,俗称太白金星、启明星。其轨道位于水星公转轨道与地球公转轨道之间。金星的公转周期为225天,自转周期为243天,其自转方向与其他八大行星自转方向不同,是逆向的。金星和地球一样,是个有大气的固体球,其半径约为6050公里,质量为4.87×102?克。金星大气的主要成分为二氧化碳,此外还含有少量的氮、氢、氧化碳和水等。其表面温度为465~485°C,温度变化不大。金星表面的大气压约为地球表面的90倍,大气密度极高,光的折射现象很严重,太阳的光线弯曲了近180°,因此要向东方看西方的日出。

火星

太阳系九大行星之一,其轨道位于地球轨道和木星轨道之间。火星也是由大气包围的固体表面球状星体。其赤道半径为3395公里,是地球赤道半径的一半,火星有两颗不规则卫星称为火卫一和火卫二。火星的公转周期为687天,自转周期为24小时37分。其正面的温度也有季节的变化。火星的大气主要成分为二氧化碳,含有极少量的氧。火星表面的气候环境恶劣,昼夜温度差超过100℃。火星的结构基本与地球相似,是人们认为最有可能有生命存在的地方,但多次科学探测并没有发现任何生命现象。

木星

太阳系九大行星之一,是九大行星中体积最大的一颗,其轨道紧靠在火星轨道之外。木星轨道半径为71400公里,质量为1.9×103?克。木星有很多卫星,其中四颗可以在天气很好时用肉眼看到。木星是一个流体球,没有固体表面,其主要成分是氢和氮。木星中心有一个主要由铁和硫组成的固体核,这个核叫作木星核。木星的公转周期是11.86年,由于其是流体状的球,各部分自转速度不同,在赤道部分的自转周期为9小时50分钟。

土星

太阳系九大行星之一。其是有大气包围的固体,扁球形星体,其赤道半径为6万公里,公转周期为29.5年,自转速度很快。土星大气的主要成分是氢和氦,大气中漂浮着由氨晶体组成的金黄色彩云,土星表面的温度为-140℃,土星外层具有由绕土星旋转的大量的冰块和碎石组成的光环,土星是非常美丽的天体。

流星

是充斥于行星际空间的流星体小物质闯入地球大气层时,与空气摩擦而燃烧形成的,如果有未燃尽的流星体时就形成陨石而降落到地面。每年降落到地面上的空间物质重达20万吨左右。当许多流星从空中某一点向外辐射散开时,就形成了流星雨,这是地球遇到流星群的结果。一般认为流星群是彗星散发出的物质。

是以地球绕太阳公转运动为基础确定的时间单位。其分为回归年和恒星年。太阳在天球上连续两次通过春分点所需要的时间间隔定为一年的长度称为一回归年。每年的长度取365平太阳日,依据太阳在天球上连续两次通过某颗恒星所用的时间所确定的恒星年长度为365.256平太阳日。

以月球绕地球公转运动为基础的时间单位。根据起点不同,有各种各样的月。朔望月是月相变化的周期,是根据月球相对于太阳的位置来确定的,长度为29.53059平太阳日。分点月(又称为回归月)是月球黄经连续两次等于春分点黄经所需要的时间,长度为27.32158平太阳日。恒星月是月球在天球上连续两次通过某一恒星所需要的时间,长度为27.32166平太阳日。这是月球绕地球的平均公转周期。公历中每一个历年(365或366平太阳日)分成十二个月,按照习惯,月的长度有28、29、30和31平太阳日四种。

是时间的基本单位,分为恒星日、真太阳日、平太阳日。恒星日是某地子午面两次通过同一恒星的时间间隔。真太阳日是以太阳为参照点,即子午面两次经过太阳的时间间隔。由于地球公转的不均匀性,造成一年中真太阳日长短的不同,取一年中真太阳日长的平均值就是平太阳日。一年中包含366.2422个恒星日,包含365.2422个平太阳日。我们通常所指的日是平太阳日。

恒星

是指由炽热气体组成的,能自己发光的天体。恒星并不是静止不动和永不变化的天体。只是因为距我们的距离遥远,其自身的变化如光度等以及其运动都难于用肉眼发现,故称为恒星。恒星的亮度用星等表示。银河系中的恒星总数大约在一二千亿颗左右。恒星的发光是由于其内部的氢燃烧的热核反应。当其内部的氢全部耗尽而变成重元素时,恒星就会变成另外的天体,根据其质量大小会变成白矮星、中子星、黑洞等不发光的天体。

星系

是指宇宙中由数亿到数千亿颗恒星以及星际物质组成的占据几千光年到几十万光年空间的天体系统。大多数星系都有星系核,即星系中有物质所密集的中心。除星系的可见部分之外,有环绕星系的大范围的质量包层,称为星系冕,其大小远大于其可见部分。银河系是一个比较普通的星系,一般将银河系以外的其他星系称为河外星系,把在引力作用下构成的由数十到上千个星系组成的天体系统称为星系团。

黑洞

是由广义相对论预言的一种特殊天体。其基本特征是具有一个封闭的视界面,称为黑洞的边界。黑洞是一个质量极大,具有极大引力的天体,因此任何物质包括光子都会被其吸收。只要物质进入黑洞的边界就无法逃逸出去。因此无法直接观测到黑洞,只能由其对其周围物质的影响去探测。到目前为止,还没有明确的观测证据表明观测到了黑洞。

超新星

是恒星演化过程中由于爆发而亮度突然剧烈增加的天体,其亮度增加可超过17个星等,是已知恒星世界中最剧烈的爆发现象。超新星爆发的结果是将恒星物质大量抛射出去,遗留下的物质发展为白矮星、中子星或黑洞,进入恒星演化的晚期。超新星爆发时形成了很强的射电源、X射线源和宇宙射线,其亮度一般维持在几天到几十天后就会变暗。

类星体

是一种类似恒星但光谱极其特殊的一类天体。是宇宙中迄今为止观测到的最远的天体,一般认为是星系的原始阶段,其亮度极大,在其中很少或还没有形成恒星,对它的研究可以了解星系的形成以及早期的宇宙状态。

星座

是天文学家为了方便研究把星空分成若干个区域,每个区域称为星座。到目前为止,将整个星空分为88个星座,其中29个在天赤道以北,46个在天赤道以南,跨天赤道的有13个。

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