恒星物理——恒星光谱学

1、恒星光谱学恒星光谱学 恒星大气层恒星大气层是指恒星表面能将其产生的辐射转移出来的气体层，也就是恒星上能被直接观测到的表面层。是指恒星表面能将其产生的辐射转移出来的气体层，也就是恒星上能被直接观测到的表面层。 厚度可达几百公里至几千公里。厚度可达几百公里至几千公里。 位于辐射层和对流层之上，依照独特的特征可以分为数层。位于辐射层和对流层之上，依照独特的特征可以分为数层。 光球层是大气层的最底层，恒星的全部光学辐射几乎全都是从此发出。光球层是大气层的最底层，恒星的全部光学辐射几乎全都是从此发出。 光球层之上是色球层。光球层之上是色球层。 根据恒星大气的理论模型可以得到恒星大气层的物理和化学结构。根据恒星大气的理论模型可以得到恒星大气层的物理和化学结构。恒星大气恒星大气恒星光谱和化学组成恒星光谱和化学组成物理知识准备物理知识准备1）光的本性1）光的本性17世纪:波动说和微粒说是对立面；17世纪:波动说和微粒说是对立面；19世纪60年代:麦克斯韦发展了光的波动性理论光是电磁波，光有干涉、衍射、偏振等现象19世纪60年代:麦克斯韦发展了光的波动性理论光是电磁波，光有干涉、衍射、偏振等现象1899

2、年:普朗克提出辐射量子理论光子1899年:普朗克提出辐射量子理论光子光的波动性和粒子性是共存的光的波动性和粒子性是共存的? ?波动性：当观测仪器的线度等于或小于光的波长时；波动性：当观测仪器的线度等于或小于光的波长时；? ?粒子性：当观测仪器的线度大大于光的波长时。粒子性：当观测仪器的线度大大于光的波长时。2）原子的结构和能级2）原子的结构和能级汤姆逊：发现电子汤姆逊：发现电子卢瑟福：经典原子结构模型（1911年）卢瑟福：经典原子结构模型（1911年）玻尔：原子结构理论（1913年）氢原子玻尔：原子结构理论（1913年）氢原子近代量子力学原子结构模型近代量子力学原子结构模型原子结构：原子核原子结构：原子核 + 围绕原子核旋转的电子（云）。 （量子化的）电子轨道的大小反映了原子能态的高低。围绕原子核旋转的电子（云）。 （量子化的）电子轨道的大小反映了原子能态的高低。3）恒星光谱3）恒星光谱连续光谱，发射(明线)光谱和吸收光谱的产生机制连续光谱，发射(明线)光谱和吸收光谱的产生机制根据波长由长到短，电磁辐射可以分为射电、红外、光学、紫外、X射线和射线等波段，可见光又可分解为七色光根据波长由

3、长到短，电磁辐射可以分为射电、红外、光学、紫外、X射线和射线等波段，可见光又可分解为七色光电磁辐射由光子构成（粒子性） 光子的能量与频率（或颜色）有关： 频率越高（低），能量越高（低）。 E = h电磁辐射由光子构成（粒子性） 光子的能量与频率（或颜色）有关： 频率越高（低），能量越高（低）。 E = hKirchoff定律 热的、致密的固体、液体和气体产生连续谱； 热的、稀薄的气体产生发射线； 连续辐射通过冷的、稀薄的气体后产生吸收线。Kirchoff定律 热的、致密的固体、液体和气体产生连续谱； 热的、稀薄的气体产生发射线； 连续辐射通过冷的、稀薄的气体后产生吸收线。电磁波谱电磁波谱太阳光谱恒星形成区M17中的热气体辐射谱太阳光谱恒星形成区M17中的热气体辐射谱 当电子从高能态跃迁到低能态，原子释放光子，产生发射线；反之产生吸收线。当电子从高能态跃迁到低能态，原子释放光子，产生发射线；反之产生吸收线。 吸收或发射的光子能量为吸收或发射的光子能量为hEn2 - En1吸收线的产生过程吸收线的产生过程光谱形成光谱形成恒星大气的反映恒星大气的反映太阳光谱太阳光谱典型的恒星光谱典型的恒星光

4、谱吸收线：吸收线：在太阳连续光谱的上面有许许多多的粗细不等、分布不均的暗黑线，共有2万多条。在太阳连续光谱的上面有许许多多的粗细不等、分布不均的暗黑线，共有2万多条。发射线：发射线：在连续光谱上还有成千上万条明亮的谱线。在连续光谱上还有成千上万条明亮的谱线。吸收线和发射线吸收线和发射线连续光谱和发射线连续光谱和发射线连续光谱和吸收线连续光谱和吸收线氢原子光谱及其线系氢原子光谱及其线系?能级和谱线?能级和谱线?发射线、吸收线和电离?发射线、吸收线和电离Lyman线系线系 n1 =1Balmer线系线系 n1 = 2Paschen线系线系 n1 = 3Brackett线系线系 n1 = 4Pfund线系线系 n1 = 5n2 =2121.63102.6656.3497.2486.11875595.0434.112824050693.8410.210942630746091.2364.782114602280氢原子光谱（波长单位：nm）氢原子光谱（波长单位：nm） 氢原子光谱氢原子光谱Balmer系Balmer系不同元素的原子具有不同的结构，因而有不同的特征谱线。不同元素的原子具有不同的结构

5、，因而有不同的特征谱线。确定恒星的化学组成和物理性质确定恒星的化学组成和物理性质 ?难点：不同的光谱的复杂变化 恒星的化学组成和不同的物理量。温度、大小、质量、密度、视向速度、距离、恒星的自转、磁场以及组成恒星的化学元素等。难点：不同的光谱的复杂变化 恒星的化学组成和不同的物理量。温度、大小、质量、密度、视向速度、距离、恒星的自转、磁场以及组成恒星的化学元素等。光谱分析在天体物理中占据着非常重要的地位。光谱分析在天体物理中占据着非常重要的地位。恒星光谱的分析恒星光谱的分析（1）确定恒星的化学组成（1）确定恒星的化学组成 定性分析和定量分析定性分析和定量分析 定性分析：确认恒星大气中的化学元素，谱线的证认，即测定谱线的波长定性分析：确认恒星大气中的化学元素，谱线的证认，即测定谱线的波长 谱线与恒星的化学成分 不同元素的原子具有不同的结构，因而有不同的特征谱线。谱线与恒星的化学成分 不同元素的原子具有不同的结构，因而有不同的特征谱线。方法方法1.1.恒星的待测光谱，上下端拍摄比较光谱恒星的待测光谱，上下端拍摄比较光谱2.2.测量出比较光谱中已知处谱线的位置x，得x与的关系（色散曲线）测量出

6、比较光谱中已知处谱线的位置x，得x与的关系（色散曲线）3.3.测量出待测谱线的位置，根据色散关系求出待测谱线的波长测量出待测谱线的位置，根据色散关系求出待测谱线的波长4.4.跟实验室中测定谱线波长作比较，证认出化学元素科研中，计算机上进行处理跟实验室中测定谱线波长作比较，证认出化学元素科研中，计算机上进行处理结果结果证认出元素周期表中90%左右的天然元素，证认出元素周期表中90%左右的天然元素，一些恒星谱线至今未证认出来。问题:如果某些元素的谱线在恒星光谱中不出现？一些恒星谱线至今未证认出来。问题:如果某些元素的谱线在恒星光谱中不出现？（2）确定恒星的视向速度Vr多普勒效应（2）确定恒星的视向速度Vr多普勒效应谱线位移谱线位移 Doppler谱线位移谱线位移(Doppler shift) 由于辐射源在观测者视线方向上的运动而造成接收到的电磁辐射波长或频率的变化。由于辐射源在观测者视线方向上的运动而造成接收到的电磁辐射波长或频率的变化。 远离（远离（接近接近）观测者辐射源发出的电磁辐射波长变长（）观测者辐射源发出的电磁辐射波长变长（短短），称为谱线红移（），称为谱线红移（蓝移蓝移）。）。

7、谱线测红移视向速度会改变光谱中谱线的位置谱线测红移视向速度会改变光谱中谱线的位置恒星恒星远离远离我们：谱线都向波长长的方向移动，即谱线我们：谱线都向波长长的方向移动，即谱线向红端位移向红端位移；恒星恒星接近接近我们：谱线都向波长短的方向移动，即谱线我们：谱线都向波长短的方向移动，即谱线向紫端或蓝端位移向紫端或蓝端位移。谱线位移谱线位移00：静止时的原波长，c ：光速， =-：静止时的原波长，c ：光速， =-00。远离： 0，V。远离： 0，Vrr取正，红移， 红移量为z=/取正，红移， 红移量为z=/00； 接近： 0, V； 接近： 0, Vrr取负，紫移， z 0为紫（蓝）移量。取负，紫移， z 0为紫（蓝）移量。0rVZc =对于z值大的情况，根据狭义相对论，z与V对于z值大的情况，根据狭义相对论，z与Vrr的关系要用洛伦兹公式：的关系要用洛伦兹公式：恒星光谱线大多有系统的位移， 通过谱线测定，可求出值， 从而计算出恒星的视向速度的大小和方向。河外星系：只有红移而没有紫移，远离而去， 距离越远，红移越大，速度越大， 著名的哈勃定律。宇宙学研究中非常重要的定律， 宇宙大爆炸理论的

8、有利证据之一。恒星光谱线大多有系统的位移， 通过谱线测定，可求出值， 从而计算出恒星的视向速度的大小和方向。河外星系：只有红移而没有紫移，远离而去， 距离越远，红移越大，速度越大， 著名的哈勃定律。宇宙学研究中非常重要的定律， 宇宙大爆炸理论的有利证据之一。Z V(Z V(光速) R() R(亿光年) R(Mpc) 0.001 0.0010.1956 6 0.01 0.011.9474 59.7 0.1 0.095 18.5978 570.1 1 0.6 117.432 3600 2 0.8 156.576 4800 3 0.8824 172.694 5294 4 0.9231 180.665 5538 5 0.9459 185.141 5675) R(Mpc) 0.001 0.0010.1956 6 0.01 0.011.9474 59.7 0.1 0.095 18.5978 570.1 1 0.6 117.432 3600 2 0.8 156.576 4800 3 0.8824 172.694 5294 4 0.9231 180.665 5538 5 0.9459 185.141

9、5675(3) 测定恒星的磁场(3) 测定恒星的磁场 塞曼效应：塞曼效应： 19世纪末物理学家发现在均匀磁场中，原子辐射产生的某一条发射谱线要分裂为两条或三条，分裂程度与磁场强弱有关。19世纪末物理学家发现在均匀磁场中，原子辐射产生的某一条发射谱线要分裂为两条或三条，分裂程度与磁场强弱有关。 天文学家利用塞曼效应设计出观测太阳和恒星磁场的设备。太阳是唯一的一颗能给出表面磁场分布的恒星。天文学家利用塞曼效应设计出观测太阳和恒星磁场的设备。太阳是唯一的一颗能给出表面磁场分布的恒星。塞曼效应塞曼效应电子从高能级跃 到低能级，发射 一定频率的谱线电子从高能级跃 到低能级，发射 一定频率的谱线有磁场时，能级分裂导致谱线分裂有磁场时，能级分裂导致谱线分裂分裂程度与磁场强度成正比，因 此可以测磁场分裂程度与磁场强度成正比，因 此可以测磁场谱线致宽谱线致宽 在没有外界因素的影响时，原子的谱线的自然宽度非常窄。在没有外界因素的影响时，原子的谱线的自然宽度非常窄。 Doppler致宽致宽 辐射源内部原子的无规热运动辐射源的整体运动（如转动）造成谱线致宽。辐射源内部原子的无规热运动辐射源的整体运动（如转动）造成谱线致宽。 磁场致宽等等磁场致宽等等定量分析 谱线轮廓：改正了仪器的影响后的谱线的真实形状。定量分析 谱线轮廓：改正了仪器的影响后的谱线的真实形状。(4) 恒星上的化学元素丰度(4) 恒星上的化学元素丰度等值宽度：以连续光谱背景的强度为单位，取长为一个单位强度的矩形，令其面积等于谱线所占的面积，则矩形的宽就是等值宽度（以波长标度表示）。等值宽度：以连续光谱背景的强度为单位，取长为一个单位强度的矩形，令其面积等于谱线所占的面积，则矩形的宽就是等值宽度（以波长标度表示）。确定恒星大气中某种元素含量的方法确定恒星大气中某种元素含

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