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17.E：分析星光（练习）

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    为了进一步探索

    文章

    伯曼，B. “Magnitude Cum Laude。” 天文学（1998 年 12 月）：92。 讨论了我们如何测量恒星的表观亮度。

    德沃夏克，J. “创造现代天文学的女性（包括安妮·坎农）。” 天空与望远镜（2013年8月）：28。

    Hearnshaw，J. “恒星量表的起源。” 天空与望远镜（1992 年 11 月）：494。 本文讨论了我们如何建立这个繁琐的系统的良好历史。

    赫什菲尔德，A. “恒星的绝对大小。” 天空与望远镜（1994 年 9 月）：35。

    Kaler，J. “地下室里的星星：失物招领的课程。” 天空与望远镜（2000 年 9 月）：39。 本文介绍了光谱类型以及新的 L 和 T 类。

    Kaler，J. “光谱序列的起源。” 天空与望远镜（1986年2月）：129。

    Skrutskie，M. “2MASS：揭开红外宇宙。” 天空与望远镜（2001 年 7 月）：34。 本文重点介绍了 2 微米的全天空测量。

    Sneden，C. “读星星的颜色。” 天文学（1989年4月）：36。 本文讨论了我们从光谱学中学到的东西。

    Steffey，P. “关于星色的真相。” 天空与望远镜（1992 年 9 月）：266。 讨论了颜色索引以及眼睛和胶片如何 “看见” 颜色。

    Tomkins，J. “曾经和未来的天体之王。” 天空与望远镜（1989 年 4 月）：59。 讨论了计算恒星的运动以及确定哪些恒星在天空中过去、现在和将来最亮。

    视频

    当你太小而无法成为明星时：https://www.youtube.com/watch?v=zXCDsb4n4KU。2013 年加州大学伯克利分校吉博尔·巴斯里博士关于褐矮星和行星的公开演讲（1:32:52）。

    协作小组活动

    1. 《安妮·坎农：星际分类器》第17.3节中的《天文学旅行者》专题讨论了想做天文学的女性在二十世纪上半叶面临的一些困难。 您的团队如何看待当今女性的处境？ 男人和女人有平等的机会成为科学家吗？ 与你的小组讨论，根据你的经验，在你上学的地方，是否同样鼓励男孩和女孩学习科学和数学。
    2. 在《恒星的亮度》中关于星等的章节中，我们讨论了这种对不同恒星在眼睛看来亮度进行分类的旧系统最初是如何发展起来的。 你的作者抱怨说，这个旧系统仍然需要教给每一代新生。 尽管常识表明肯定可以找到更好的系统，但你的团队能否想到任何其他传统的科学和衡量做事体系，在这些系统中，传统占主导地位。 解释一下。 （提示：尝试夏令时或公制与英制单位。）
    3. 假设你可以观察到一颗只有一条光谱线的恒星。 你能分辨出那条光谱线来自哪个元素吗？ 与您的小组一起列出您为何回答 “是” 或 “否” 的原因。
    4. 你所在学院的一位富有的校友决定向天文系捐款5000万美元，用于建造世界一流的天文台，以更多地了解恒星的特征。 让你的小组讨论他们将在天文台安装什么样的设备。 这个天文台应该设在哪里？ 证明你的答案是合理的。 （在接下来的章节中，你可能需要回过头来参考天文仪器章节，在进一步了解恒星和观测它们的设备时重新审视这个问题。）
    5. 对于一些天文学家来说，为恒星引入一种新的光谱类型（如文本中讨论的L、T和Y类型）类似于引入新的电话区号。 没有人喜欢破坏旧系统，但有时候这只是必要的。 让你的小组列出天文学家为了说服同事需要一个新的光谱等级而必须经历的步骤。

    查看问题

    1. 哪两个因素决定了天空中恒星的亮度？
    2. 解释为什么颜色可以衡量恒星的温度。
    3. 所有恒星的光谱不相同的主要原因是什么？ 解释一下。
    4. 星星主要由哪些元素构成？ 我们怎么知道的？
    5. 安妮·坎农为理解恒星光谱做出了什么贡献？
    6. 列举恒星的五个特征，这些特征可以通过测量其光谱来确定。 解释如何使用频谱来确定这些特征。
    7. 光谱类型 L、T 和 Y 的物体与其他光谱类型的物体有何不同？
    8. 天空中看起来更亮的恒星的量级比微弱的恒星更大还是更小？
    9. 安塔尔恒星的表观大小为1.0，而恒星Procyon的表观大小为0.4。 哪颗星在天空中看起来更亮？
    10. 根据它们的颜色，以下哪颗星星最热？ 哪个最酷？ Archenar（蓝色）、Betelgeuse（红色）、Capella（黄色）。
    11. 从最热到最冷对七种基本光谱类型进行排序。
    12. 褐矮星和真星之间的决定性区别是什么？

    思想问题

    1. 如果天狼星发出的能量是太阳的23倍，为什么太阳在天空中显得更亮？
    2. 在通过主要通过蓝光的滤镜拍摄的图像中，两颗亮度相等的恒星（一颗蓝色，另一颗红色）将如何出现？ 在通过主要传输红光的滤镜拍摄的图像中，它们的外观会发生怎样的变化？
    3. 第 17.3 节\(17.3.1\)中的表格列出了与不同光谱类型相对应的温度范围。 这些温度指的是恒星的哪一部分？ 为什么？
    4. 假设你的任务是通过三个滤镜测量附录 J 中列出的最亮恒星的颜色：第一个透射蓝光，第二个透射黄光，第三个透射红光。 如果你观察到 Vega 恒星，它会通过三个滤镜中的每一个滤镜显得同样明亮。 哪些星星通过蓝色滤镜会比通过红色滤镜显得更亮？ 哪些星星会通过红色滤镜显得更亮？ 哪颗星星的颜色可能与维加最相似？
    5. 星X的光谱中有电离氦线，而恒星Y有氧化钛带。 哪个更热？ 为什么？ 恒星Z的光谱显示了电离氦线以及氧化钛的分子带。 这个频谱有什么奇怪之处？ 你能提出一个解释吗？
    6. 太阳的光谱有数百条强的非电离铁线，但只有几条非常弱的氦线。 光谱类型 B 的恒星有很强的氦线，但铁线很弱。 这些差异是否意味着太阳比B星含有更多的铁和更少的氦气？ 解释一下。
    7. 具有以下特征的恒星的近似光谱类别是多少？
      1. Balmer 的氢气系非常强；存在一些电离金属系。
      2. 最强的线是电离氦的线。
      3. 电离钙系是光谱中最强的；氢系仅显示中等强度；存在中性和金属线。
      4. 最强的线条是中性金属的线条和氧化钛带。
    8. 看看附录 K 中的化学元素你能确定元素的丰度与其原子量之间有什么关系吗？ 这种关系有明显的例外吗？
    9. 附录一列出了一些最近的恒星。 这些恒星中的大多数比太阳更热或更凉吗？ 它们中的任何一个比太阳发出的能量还要多吗？ 如果是这样，哪些？
    10. 附录 J 列出了我们天空中最亮的星星。 其中大多数比太阳更热或更凉吗？ 你能提出这个答案和前一个问题的答案之间有区别的原因吗？ （提示：看看亮度。） 温度和亮度之间有相关性的趋势吗？ 这种关联有例外吗？
    11. 哪颗恒星在天空中最亮（除了太阳）？ 第二亮的？ 槟榔是什么颜色的？ 使用附录 J 找到答案。
    12. 假设人类在一百万年前留下了夜空地图。 这些地图能准确地代表我们今天看到的天空吗？ 为什么或者为什么不呢？
    13. 为什么只能根据线宽而不是实际旋转速率来确定恒星旋转速率的下限？ （参见第 17.4 节\(17.4.6\)中的图。）
    14. 你为什么认为天文学家建议褐矮星使用三种不同的光谱类型（L、T 和 Y）而不是 M？ 为什么一个还不够？
    15. 山姆是一名大学生，刚买了一辆新车。 山姆的朋友亚当是一名天文学研究生，他请山姆搭车。 在车里，亚当说温度控制器上的颜色是错误的。 他为什么这么说？
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      图\(\PageIndex{1}\)（来源：迈克尔·希恩对作品的修改）
    16. 红星在红色滤镜中的量级会比蓝色滤镜中的量级小还是大？
    17. 两颗恒星每年有一弧秒的正确运动。 恒星A距离地球 20 光年，而恒星 B 距离地球 10 光年。 哪一个在太空中的速度更快？
    18. 假设太空中有三颗恒星，每颗以 100 km/s 的速度移动。恒星 A 正在移动（即垂直于）我们的视线，恒星 B 直接远离地球，恒星 C 正在远离地球，但与视线成了 30° 角。 你会从哪颗恒星上观察到最大的多普勒偏移？ 你会从哪颗恒星上观察到最小的多普勒偏移？
    19. 你会对一位发表这句话的朋友说什么：“太阳的可见光谱显示出微弱的氢线和强的钙线。 因此，太阳所含的钙必须多于氢气。”？

    自己搞清楚

    1. 在附录 J 中，发光度最高的恒星比发光度最低的恒星多少？

      在下面的练习 2 至练习 7 中，使用该部分《恒星亮度》和《示例》中关于幅度等级的章节中给出的与幅度和视\(17.1.1\)在亮度相关的方程式。

    2. 验证如果两颗恒星的差值为五个量级，则对应于比率中的系数为 100\(\left( \frac{b_2}{b_1} \right)\)；2.5 个量级对应于系数 10；0.75 个量级对应于系数 2。
    3. 从地球上看，太阳的表观大小约为−26.7。 从大约 10 AU 以外的土星上看，太阳的表观大小是多少？ （请记住，一个 AU 是从地球到太阳的距离，亮度随着距离的反平方而降低。） 太阳还会是天空中最亮的恒星吗？
    4. 一位天文学家正在研究一颗微弱的恒星，这颗恒星是最近在非常敏感的天空调查中发现的。 这颗恒星的大小为 16。 它的亮度比安塔尔低多少，安塔尔是一颗大致等于 1 的恒星？
    5. 一个微弱但活跃的星系的中心为 26 级。 它看起来比我们眼睛能看见的最微弱的恒星（大约 6 级）的亮度低多少？
    6. 你从本章中获得了足够的信息，可以估计到距离 Alpha Centauri 的距离，半人马座是距离第二近的恒星，其表观大小为 0。 既然它是 G2 恒星，就像太阳一样，假设它的亮度与太阳相同，而量级的差异只是距离差异的结果。 估计 Alpha Centauri 有多远。 用文字描述必要的步骤，然后进行计算。 （正如我们将在天体距离章节中学到的那样，这种方法（即假设光谱类型相同的恒星发射的能量相同）实际上用于估计与恒星的距离。） 如果你假设到太阳的距离在非盟，你的答案将在非盟出来。
    7. 再次解决前面的问题，这次是使用太阳距离1.5亿千米的信息。 你会得到大量的公里作为答案。 为了更好地了解距离的对比，请尝试计算光以299,338 km/s的速度从太阳到地球，从半人马座阿尔法到地球所需的时间。 对于 Alpha Centauri 来说，计算出这次旅行需要多长时间（以年为单位和以秒为单位）。
    8. 星星A和星B的表观亮度不同，但亮度相同。 如果恒星A距离地球 20 光年，而恒星 B 距离地球 40 光年，那么哪颗恒星看起来更亮，受什么因素影响？
    9. 星星A和星B的表观亮度不同，但亮度相同。 恒星 A 距离地球 10 光年，比星 B 亮 36 倍？
    10. 天狼星 A 的明显大小为 −1.5。 小天狼星 A 有一个昏暗的同伴 Sirius B，它的亮度比 Sirius A 低 10,000 倍。Sirius B 的表观大小是多少？ 能用肉眼看见 Sirius B 吗？
    11. 我们的太阳，G 型恒星，表面温度为 5800 K。因此，我们知道它比 O 型恒星凉爽，比 M 型恒星更热。 根据你对这类恒星温度范围的了解，最热的 O 型恒星比我们的太阳高多少倍？ 最酷的 M 型恒星比我们的太阳凉多少倍？