IB 物理/天體物理 SL
在我們自己的宇宙中，存在著許多天體，每個天體都有自己獨特的性質；行星也不例外。
| 行星 | 質量/kg | 半徑/m | 軌道半徑/m | 軌道週期（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（現在是矮行星） | 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氣態巨行星；例如，木星是一顆失敗的恆星。
有了這些給定的性質和正確的方程，你就可以找到任何這些行星的體積和密度。
體積：
r=行星或球體的半徑
密度：
M=質量
V=體積
雙星：兩顆恆星繞著共同的中心執行。
黑矮星：白矮星冷卻後的殘骸。它的光度非常低。
黑洞：時空奇點：非常大質量恆星演化的最終結果。
褐矮星：沒有達到足夠高的溫度來引發核聚變的氣體和塵埃。這些天體繼續收縮並冷卻。
脈動變星：一顆光度變化的恆星。光度急劇增加，然後以一個明確的週期逐漸下降。週期與恆星的絕對光度有關，因此可用於透過將脈動變星作為標準燭光來估計恆星的距離。
星系團：兩個或多個彼此足夠靠近的星系，以至於它們透過引力相互影響。
彗星：一個主要由冰和塵埃組成的小天體，以橢圓軌道繞太陽執行。
星座：一群恆星，形成特定的圖案或設計。
星團：受引力束縛的星系/恆星系統。
星座：一群星系/恆星，被賦予特定的名稱。例如，12 個黃道帶星座——雙魚座、白羊座、金牛座、雙子座、巨蟹座等等。
暗物質：星系中太冷而無法輻射的物質。它的存在是透過技術而不是直接視覺接觸推斷出來的。
星系：由恆星、氣體和塵埃組成的巨大集合，它們透過彼此之間的引力束縛在一起。我們的星系被稱為銀河系。
星際介質：填充恆星之間空間的氣體和塵埃。星際物質的密度非常低，每立方厘米空間大約有一個氣體原子。
主序星：一顆正在進行氫核聚變形成氦的普通恆星。
中子星：一顆非常緻密的恆星，僅由不帶電的中子組成。當非常大質量的恆星爆炸時，它們會留下這個中子“球”，從而產生中子星。中子星比白矮星小，密度極高。它是微觀的，是微觀量子物理學的典型例子。
星雲：來自拉丁語中的“雲”。用於標記空間中的所有東西，現在被稱為星團或星系。它有時仍然用於表示氣體和塵埃的濃集。
新星：一顆白矮星突然增加光度，這是由附近恆星的物質落入白矮星引起的。
視差：由於地球繞太陽執行，恆星相對於更遠恆星背景的視運動。該角度是在一年中的不同時間測量的。太陽到地球的距離是已知的。距離以秒弧（秒差距）的視差角來指定。在較遠的距離上，不確定性變得太大，無法應用。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。
行星狀星雲：紅巨星丟擲的外殼。
脈衝星：以毫秒到 4 秒不等的規律間隔發出尖銳、強烈的無線電波脈衝。它們似乎是快速旋轉的高磁化中子星。脈衝是高能帶電粒子。隨著能量的輻射，自轉和脈衝速率逐漸減慢。
類星體：小型、異常明亮的河外天體，具有高紅移。它們似乎不符合哈勃定律。它們像附近的恆星一樣亮，但顯示出非常大的紅移。根據哈勃定律，類星體要麼非常遙遠且難以置信地明亮（比普通星系亮數千倍），要麼比紅移表明的更近。存在未解決的亮度問題或未解決的紅移問題。一種理論是類星體可能是由黑洞驅動的。
紅矮星：一顆非常小的恆星，溫度低。它呈現相對的紅色。
紅巨星：表面溫度低的明亮恆星。當恆星核心中的氫聚變成更重的氦時，就會產生這些恆星。重力迫使恆星收縮，但同時它也升溫。核心周圍的氫現在燃燒得更猛烈，導致恆星的外殼膨脹並因此冷卻。這種低表面溫度產生更長波長的光。
星團：一群物理上彼此靠近的恆星，由同一氣體雲坍塌形成。
超新星：巨大的恆星爆炸。當非常巨大的恆星爆炸時，就會發生這種情況。根據愛因斯坦的定律 E=mc2，鐵形成後，聚變無法進行。恆星坍縮，因為沒有力量可以超過引力。當無法進一步壓縮時，它會猛烈爆炸，發出極其明亮的光。
白矮星：當恆星中所有的燃料耗盡時，就會形成白矮星。重力迫使恆星（質量小於 1.4 個太陽質量）收縮並在高壓下升溫。原子失去了一些電子。它變成一個小的、熱的白色矮星。
星團是空間中彼此靠近的一群恆星，由同一氣體雲形成。另一方面，星座只是一群似乎彼此靠近的恆星，因為它們在太空中形成了一個可識別的圖案。在星團中，恆星因恆星核心的高溫而相互吸引，導致質子因氫核聚變而發生靜電排斥。星座看起來像是彼此靠近的恆星。天球是使它們看起來像是物理上靠近的恆星的原因。[LG,JD]
光年是衡量太陽系外距離的單位。它是光在一年的時間裡傳播的距離。光速為每秒 186,287.5 英里。您可以透過將一分鐘中的秒數（60）乘以一小時中的分鐘數（60）來計算一年中的秒數。然後將其乘以一天中的小時數（24），並將該結果乘以一年中的天數（約 365.25）。一光年等於 9.46 x 10^15 米，這也等於 0.3068 秒差距 (Pc)。
示例：距離地球最近的恆星（比鄰星）的距離為 4.31 光年，等於 1.3 秒差距。這意味著向比鄰星傳送資訊需要 4.3 年。
星系中恆星之間的平均距離約為 1 秒差距，等於 3.26 光年。同一星系團內星系之間的平均距離在 100 千秒差距 (kpc) 到幾百千秒差距 (kpc) 之間。不同星系團中的星系之間相距幾兆秒差距 (Mpc)。1 Mpc 等於 1000 kpc。
在夜間，恆星和星座似乎從東向西移動，但星座的相對位置沒有改變。天球是地球周圍恆星和星座所在的區域。北極星，即北極星，位於北天極，似乎一動不動。其餘的恆星和星座似乎圍繞北極星旋轉。恆星似乎移動的越少，它們在北部或南部的距離就越遠。當地球自轉時，半球看到恆星和星座的不同景象。
為了讓地球每年旋轉一週，每天必須發生微小的變化。每晚的變化為 0.986 度，不容易被察覺。
所有恆星都遵循一個簡單的質子-質子迴圈，以保持引力和壓力之間的平衡。當恆星消耗燃料時，它的溫度會升高，因此壓力也會升高。這是為了保持試圖壓縮恆星的巨大引力之間的平衡所必需的。在恆星生命週期的開始，恆星主要由氫組成；事實上，它們由 98% 的氫組成。質子-質子迴圈有三個基本階段
1.) 兩個氫原子聚變形成一個氘原子，外加一個正電子和一箇中微子。每個正電子都會湮滅，產生 2γ（伽馬）粒子 [它們反過來被吸收並重新發射，每γ（伽馬）粒子產生 200,000 個光子。]
2.a.) 一個氘原子和一個氫原子聚變形成氦原子和一個γ（伽馬）粒子。
2.b.) 另一個氘原子和一個氫原子聚變形成氦原子和一個γ（伽馬）粒子。[到目前為止，已經產生了 4γ（伽馬）粒子，即 800,000 個光子。那是一顆明亮的恆星！]
3.) 兩個氦原子聚變形成一個重氦原子。
一旦恆星中的氫耗盡，它就開始消耗從氫反應中產生的氦。根據恆星的顏色，您可以找出它消耗的是哪種燃料。這就是赫羅圖的由來。
恆星的穩定性取決於兩種相反力量之間的平衡。平衡取決於引力，它可以使恆星坍縮，以及輻射壓力，它可以使恆星膨脹。這種平衡是透過核聚變獲得的，核聚變為恆星提供保持高溫所需的能量，因此恆星的輻射壓力足以抵抗引力收縮。
"光度是恆星每秒輻射的能量總量；也就是說，它是恆星輻射的功率。正如下一節所述，光度取決於恆星的表面溫度和表面積。" 簡單地說：光度取決於恆星的溫度和半徑（表面積）。
光度是恆星內部化學反應的結果。
亮度是視亮度接收到的每秒每單位面積的能量。
b=L/4πd-2 Wm-2
視亮度與固有光度成正比，其中視亮度使用電荷耦合器件 (CCD) 測量，電荷耦合器件在被光子擊中時釋放一個電子。
黑體是指吸收所有照射到它上面的電磁輻射的物體。斯特藩-玻爾茲曼定律可用於確定黑體以電磁波形式發射的輻射。要更深入地瞭解斯特藩-玻爾茲曼定律，請參閱 F.2.8 節。維恩位移定律將波長與表面溫度聯絡起來。維恩常數為 2.90 x 10^-3 Km。這意味著溫度越高，輻射能量最大發射的波長越低。
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波長（奈米）與強度（任意單位）的關係圖
隨著總強度的增加，曲線峰值（最強波長）的相對強度會降低，而最強波長會越來越長（能量越來越低）。
維恩位移定律指出，溫度越高，黑體輻射能量最多的波長就越短。
維恩位移定律公式如下：λmax= b/T 其中λ表示最大波長（米），T表示黑體的溫度（開爾文），b為常數，約為2.90 x 10-3Km。
斯蒂芬-玻爾茲曼定律可以用來計算恆星的亮度和觀測者到恆星的距離。亮度可以用來確定恆星的絕對亮度。計算亮度的公式為：L=σAT4。
斯蒂芬-玻爾茲曼常數：σ = 5.67 x 10-8Wm-2K-4
A= 表面積
T= 溫度
一旦亮度計算出來，將其代入b=L/4πd2公式中的L。
d= 此公式中的距離。
這將允許你計算出恆星的絕對亮度。
恆星的表面溫度可以透過測量其輻射能量最多的波長來確定。大多數恆星的化學成分基本相同，但呈現不同的吸收光譜。這是因為不同的恆星具有不同的溫度。吸收光譜提供關於恆星溫度和化學成分的資訊。根據其顏色，恆星被劃分為七個光譜型別。
光譜型別總結
光譜型別 有效溫度 (K) 顏色 H巴爾末系特徵 其他特徵 M/MSun R/RSun L/LSun 主序壽命
O 28,000 - 60,000 藍色 弱電離He+譜線，強紫外連續譜 20 - 60 9 - 15 90,000 - 800,000 1 - 10 Myr
B 10,000 - 28,000 藍白色 中等 中性He譜線 3 - 18 3.0 - 8.4 95 - 52,000 11 - 400 Myr
A 7,500 - 10,000 白色 強 強H譜線，電離金屬譜線 2.0 - 3.0 1.7 - 2.7 8 -55 400 Myr - 3 Gyr
F 6,000 - 7,500 黃白色 中等 弱電離Ca+ 1.1 - 1.6 1.2 - 1.6 2.0 - 6.5 3 - 7 Gyr
G 4,900 - 6,000 黃色 弱 電離Ca+，金屬譜線 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，強分子，CH，CN 0.65 - 0.85 0.65 - 0.85 0.10 - 0.42 17 Gyr
M 2,000 - 3,500 紅色 很弱 分子譜線，例如TiO，中性金屬 0.08 - 0.05 0.17 - 0.63 0.001 - 0.08 56 Gyr
已知氫是正常主序星的主要元素，佔其質量的70%，其次是氦，佔20%。其餘部分由更重的元素組成。
| 型別 | 溫度 | 顏色 |
|---|---|---|
| O | 30 000 - 60 000 | 藍色 |
| B | 10 000 - 30 000 | 藍白色 |
| A | 7 500 - 10 000 | 白色 |
| F | 6000 - 7500 | 黃白色 |
| G | 5000 - 6000 | 黃色 |
| K | 3500 - 5000 | 橙色 |
| M | 2000 - 3500 | 紅色 |
決定了恆星的命運。
視差是用來描述太空中的兩個物體之間的距離。當地球上的觀測者在相隔六個月的兩個不同時間拍攝一顆相對較近的恆星，背景是遙遠的恆星時，目標恆星的影像相對於更遙遠的恆星背景似乎發生了移動。地球觀測者的基線位移為2個天文單位（AU）。按照慣例，計算結果被歸一化為一個AU，即地球軌道半徑，因此測量到的視位置變化的一半被認為是目標的“視差”。
一個弧度秒的視差稱為一個秒差距。由於我們知道地球軌道半徑，簡單的歐幾里得幾何學允許我們計算出，一顆表現出一個弧度秒位移的恆星距離地球3.26光年，即一個秒差距。
哈勃定律：v = Hd，其中v是速度，H是哈勃常數，d是距離。它描述了哈勃的觀測結果，即大多數其他星系的頻譜中的譜線都發生了紅移，並且紅移量大約與星系到我們的距離成正比。因此，速度與距離成正比。H大約為75km/s/Mpc。需要注意的是，這對近鄰星系並不適用，原因有兩個。一是計算距離的誤差範圍約為15%，而我們對近距離的距離有更精確的測量方法；二是地球仍然是許多較近星系系統的一部分，因此速度差異可以忽略不計。還要注意，這是一個隨著新資料的不斷湧現而變化的值。哈勃定律實際上描述了天體彼此遠離的速度，並且隨著星系離得越遠，它的速度就越快。
用恆星視差法測定距離是透過定期測量一顆恆星相對於固定背景的變化來實現的。然後，你用面積變化進行一些簡單的代數運算。在近距離情況下，它的精度遠高於哈勃定律，但哈勃定律對於遠距離來說更好，儘管它的誤差範圍很大。
美國物理學家A. Penzias和R. Wilson（1956年）探測到來自天空各個方向的微波輻射，無論白天還是黑夜。這種輻射就像黑體在3開爾文溫度下輻射的輻射，因此被稱為3K輻射。
這一發現支援了大爆炸理論，該理論認為宇宙應該發出強烈的短波輻射。輻射擴散開來，均勻地填充了膨脹的宇宙。隨著時間的推移，它冷卻下來，達到現在觀測到的3K溫度，並現在以微波的形式撞擊地球。
一顆恆星的絕對星等取決於其視星等。恆星的視星等是地球上觀測到的恆星亮度的一種相對分類系統。視星等的數值越大，恆星越暗淡。這與絕對星等有關，因為絕對星等是指一顆恆星在 10pc 距離處觀察到的視星等。為了確定絕對星等，可以使用以下公式：M=m+2.5log(100/d2)
視星等的例子如下：天樞星的視星等為 +0.05，它距離地球 14pc。估計它的絕對星等。
要解決這個問題，我們使用以下公式：M=m+2.5log(100/d2)
然後我們將變數代入，得到以下結果：M=+0.05+2.50log(100/142)
M=2.55log(100/196)= -.745252982
所以估計的絕對星等為 -.745252982
光度是指恆星每秒輻射的能量。簡單來說，就是恆星輻射的功率。光度取決於恆星的表面溫度和表面積。為了將光度與光譜聯絡起來，恆星的光度越高，它在光譜中的位置就越高。
脈動變星：一顆恆星的光度在一段時間內急劇增加然後緩慢下降，這段時間與恆星的光度有關。脈動變星用於估計恆星的距離。光變曲線的週期與峰值光度之間存在關係。一些脈動變星的週期為 1 到 50 天。變星提供了恆星結構的資訊，幫助發展恆星結構理論。
在絕對星等和視星等中，天文學家會根據恆星在地球上觀察者的眼中看起來的亮度對其進行分類。星等越高，恆星越暗淡，恆星的亮度用 1-6 的數字表示，這些數字表示恆星的星等。並非所有恆星都位於相同的距離，這是恆星星等分類的因素之一，而恆星的亮度也會發生變化，就像兩顆位於相同位置、相同方向、相同亮度的恆星一樣。
“標準燭光”是指那些被稱為脈動變星的恆星，因為脈動變星的描述方式與蠟燭相同。一顆蠟燭離另一顆蠟燭越遠，觀察者看到的亮度和光度就越低。距離是導致恆星的光度和亮度隨著其離觀察者越遠而降低的因素。
由於脈動變星的亮度會增加然後逐漸衰減，因此在光度-週期圖上會呈現出曲線。由於其亮度呈週期性變化，因此圖形呈現出類似正弦曲線的影像。恆星的外層會週期性地收縮和膨脹。當它向外膨脹時，是因為恆星的表面以高速向外移動，因此亮度更高；而當它變暗時，是因為表面向內移動。
如果宇宙是無限的，為什麼我們觀察到黑色的夜空？一個無限的宇宙不應該包含無限數量的恆星，這樣無論我們朝哪個方向看，天空都應該是明亮的嗎？
奧伯斯佯謬質疑為什麼夜空是黑暗的。如果宇宙是無限的，因此包含無限數量的恆星，那麼理論上應該有無限量的能量從恆星輻射出來，使夜空無限明亮。奧伯斯佯謬適用於所有無限模型，但不適用於有限模型。這是因為
- 恆星的數量是有限的，並且每顆恆星的壽命也是有限的。
- 宇宙的年齡是有限的，並且位於事件視界之外的恆星的光還沒有足夠的時間到達地球。
- 接收到的輻射會發生紅移，因此能量更低。
我們現在所處的物質和輻射最初都集中在一個極其炎熱和密集的火球中，它發生了爆炸，產生了大爆炸。在幾秒鐘內，物質在 3 個維度中加速，以非常快的速度膨脹和發展。時間成為了衡量這種膨脹速度的尺度，它是必要的第四維度。
空間曲率（也稱為四維時空）：根據愛因斯坦的廣義相對論，光也受重力的影響。這意味著光可以被“彎曲”到行星周圍，並沿著一條彎曲的路徑傳播。光必須經過兩點之間可用的最短距離，這意味著彎曲路徑是最短距離，因此空間本身是彎曲的。
開放宇宙：由於宇宙的曲率為負，宇宙將永遠繼續膨脹。
扁平宇宙：曲率為零，宇宙是無限的。
封閉宇宙：曲率為正，因此宇宙是有限的。
所有這些都可以透過非歐幾里得幾何來展示，其中三角形中角度的總和要麼小於180°，要麼超過180°。
大爆炸模型：大約十到二十億年前，宇宙中所有的物質和能量都集中在一個區域，從該區域迅速膨脹。這種膨脹始於空間中某個地方發生的爆炸。太空中沒有重力作用於這次爆炸的碎片，因此它以與它距爆炸地點的距離成正比的速度遠離爆炸地點。因此，碎片離爆炸越遠，它移動的速度就越快，反之亦然，它離爆炸越近，它移動的速度就越慢。
大爆炸模型與四種基本力有關，這些力包括：引力、強力、弱力以及電磁力。據推測，這些力最初是一體的，後來才分離成四種力。
創造一個扁平宇宙所需的密度稱為臨界密度。它約為5×10^-26kgm^-3。