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19.E: 天体距离（练习）

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    为了进一步探索

    文章

    亚当斯，A. “希帕科斯的胜利。” 天文学（1997 年 12 月）：60。 简要介绍。

    丹贝克，T. “盖亚的银河系使命。” 天空与望远镜（2008 年 3 月）：36—39。 介绍以前所未有的精度测量恒星的距离和位置的任务。

    赫什菲尔德，A. “恒星的绝对大小。” 天空与望远镜（1994 年 9 月）：35。 通过图表很好地回顾了我们如何测量亮度。

    赫什菲尔德，A. “测量宇宙的竞赛。” 天空与望远镜（2001 年 11 月）：38。 在视差上。

    Trefil，J. Puzzling Out 视差。” 天文学（1998 年 9 月）：46。 论视差的概念和历史。

    Turon，C. “测量宇宙。” 天空与望远镜（1997 年 7 月）：28。 关于 Hipparcos 任务及其结果。

    齐默尔曼，R. “北极星：Code-Blue Star。” 天文学（1995 年 3 月）：45。 关于著名的 cepheid 变量及其变化方式。

    网站

    距离基础知识：http://www.astro.ucla.edu/~wright/distance.htm。 天文学家内德·赖特（UCLA）简要介绍了许多不同的距离获取方法。 这个网站比我们的教科书更高，但是对于那些有一定天文学背景的人来说，这是一篇很好的评论。

    美国变星观察者协会（AAVSO）：https://www.aavso.org/。 这个由业余天文学家组成的组织帮助跟踪变星；其网站有一些背景资料、观测说明和链接。

    弗里德里希·威廉·贝塞尔：http://messier.seds.org/xtra/Bios/bessel.html。 关于第一个发现恒星视差的人的简短网站，其中包含参考文献和链接。

    Gaia：http://sci.esa.int/gaia/。 来自盖亚使命的新闻，包括图片和最新发现的博客。

    Hipparchos：http://sci.esa.int/hipparcos/。 Hipparchos 从太空观测视差的任务的背景、结果、数据目录和教育资源。 有些部分是技术性的，但其他部分可供学生访问。

    约翰·古德里克：聋人天文学家：http://www.bbc.com/news/magazine-20725639。 英国广播公司的一篇传记文章。

    天文学中的女性：http://bit.ly/astronomywomen。 更多关于亨丽埃塔·莱维特和其他女性对天文学的贡献以及她们所面临的障碍的信息。

    视频

    盖亚的使命：解开天体拼图：https://www.youtube.com/watch?v=oGri4YNggoc。 描述盖亚任务以及科学家希望从剑桥大学学到的东西（19:58）。

    Hipparcos：通往星空的路线图：https://www.youtube.com/watch?v=4d8a75fs7KI。 这段欧空局视频描述了测量视差的任务及其结果 (14:32)

    宇宙有多大：https://www.youtube.com/watch?v=K_xZuopg4Sk。 英国物理研究所的天文学家皮特·爱德华兹讨论了宇宙的大小，并逐步介绍了距离的概念（6:22）

    搜索莱维特小姐：http://perimeterinstitute.ca/videos/...h-miss-leavitt。，乔治·约翰逊关于寻找莱维特小姐的演讲视频（55:09）。

    天文学中的女性：http://www.youtube.com/watch?v=5vMR7su4fi8。 艾米丽·赖斯（纽约市立大学）发表了关于女性对天文学的贡献的演讲，举了许多历史和当代的例子，并分析了现代趋势（52:54）。

    协作小组活动

    1. 在本章中，我们将解释用于确定标准仪表尺寸的各种测量值。 你们的小组应该讨论为什么我们不时更改科学中标准计量单位的定义。 现代社会中有哪些因素促成了技术的发展？ 技术是 “驱动” 科学，还是科学 “驱动” 了技术？ 还是你认为两者交织在一起，以至于无法说出哪个是司机？
    2. Cepheids 分散在我们自己的银河系中，但周期亮度关系是通过对麦哲伦云的观测发现的，麦哲伦云是一个卫星星系，现在已知距离大约 16 万光年。 你能给出什么理由来解释为什么在我们自己的银河系中对 cepheids 的观测中没有发现这种关系？ 如果我们自己的银河系中有一个包含 20 个 cepheids 的小星团，你的答案会改变吗？ 为什么或者为什么不呢？
    3. 你想写一份提案，用哈勃太空望远镜寻找星系 M100 中最亮的 cepheids 并估计它们的亮度。 你需要做什么观察？ 列出此类观察比最初可能出现的更难的所有原因。
    4. 为什么你的团队认为历史上发展了这么多不同的命名恒星的方式？ （回想一下所有人都联网之前的日子。） 还有其他字段可以混淆和任意地命名事物吗？ 恒星与科学和其他专业倾向于分类的其他现象有何不同？
    5. 尽管 cepheids 和 RR Lyrae 变星往往会经常改变其亮度（当它们处于人生的那个阶段时），但有些变星即使在人类的一生中也是不可预测的或会改变其行为的。 世界各地的业余天文学家耐心而持续地关注这些变星，将他们每晚的观测结果发送到保存着成千上万颗恒星行为的庞大数据库。 没有一个这样做的业余爱好者会因为进行如此艰苦的观察而获得报酬。 让你的小组讨论他们为什么这样做。 你会考虑过一种涉及这么多工作、直到深夜、经常在工作之夜的爱好吗？ 如果观察变星不能激起你的兴趣，那么你认为大学毕业后作为志愿者能做些什么能让你兴奋的事情吗？ 为什么？
    6. 在第 19.2 节的图\(19.2.5\)中，恒星的最高浓度出现在主序列的中间。 你的小组能否说明为什么会这样？ 为什么这张图上有更少的非常热的恒星和更少的非常酷的恒星？
    7. 在本章中，我们将讨论两位天文学家，他们的能力与同事不同。 约翰·古德里克既听不见也不会说话，亨丽埃塔·莱维特在成年后一直为听力障碍而苦苦挣扎。 然而，他们每个人都为我们对宇宙的理解做出了根本性的贡献。 您的团队认识处理残疾的人吗？ 不同残障人士在尝试天文学时会遇到哪些障碍？可以做些什么来缓解他们的困境？ 有关该领域的一系列资源，请参阅天文学家 withoutborders.org... resources.html。

    查看问题

    1. 解释如何使用视差测量来确定与恒星的距离。 为什么我们不能精确测量超过一定距离的视差？
    2. 假设你发现了一颗新的 cepheid 变星。 你会采取什么步骤来确定它的距离？
    3. 解释如何使用恒星的光谱来估计其距离。
    4. 你会用哪种方法来获得与以下每一项的距离？
      1. 一颗穿越地球轨道的小行星
      2. 天文学家认为这颗恒星距离太阳不超过 50 光年
      3. 银河系中一组紧密的恒星，其中包括大量的变星
      4. 一颗不是可变但可以获得明确定义光谱的恒星
    5. 有效温度为 5000 K、亮度为 100 L 太阳的恒星的亮度等级和光谱类型是多少？

    思想问题

    1. 仪表被重新定义为指向地球，然后参考Krypton，最后是指光速。 为什么你认为仪表的参考点会持续变化？
    2. 虽然一米是长度的基本单位，但人类行驶的大多数距离都是以英里或千米来衡量的。 你觉得这是为什么？
    3. 银河系中的大多数距离都是用光年而不是米来测量的。 你为什么认为是这样？
    4. AU 被定义为地球和太阳之间的平均距离，而不是地球和太阳之间的距离。 为什么一定要这样？
    5. 从冥王星而不是从地球进行视差测量会有什么好处？ 会有缺点吗？
    6. 视差以弧秒的分数来测量。 一弧秒等于 1/60 弧分；反过来，一弧分等于 1/60 度 (°)。 要想知道 1° 有多大，晚上出去找北斗七星。 碗末端的两颗指星相距 5.5°。 碗顶上的两颗星相距 10°。 （十度也差不多等于你的拳头保持一定距离并投射到天空时的宽度。） 北斗七星手柄末端的第二颗星米扎尔看起来是双星。 微弱的恒星 Alcor 距离米扎尔大约 12 弧分。 相比之下，满月的直径约为30 arcmin。 猎户座的腰带长约 3°。 记住所有这些，为什么要等到1838年才对最近的恒星进行视差测量？
    7. 几个世纪以来，天文学家一直在想彗星是真正的天体，比如行星和恒星，还是发生在地球大气层中的现象。 描述一个实验，以确定这两种可能性中哪一种是正确的。
    8. 太阳比最近的恒星更接近地球，但是无法通过直接测量太阳相对于天空背景物体的位置来准确测量太阳相对于恒星的日视差。 解释原因。
    9. 恒星的视差有时是相对于星系或称为类星体的遥远物体的位置来测量的。 为什么这是一种好技术？
    10. 如果你要确定与 O 星的距离，估计 M 星的亮度等级比测量 O 星的亮度等级重要得多。 为什么会这样？
    11. 第 19.3 节\(19.3.1\)中的图是原型 cepheid 变量 Delta Cephei 的光曲线。 这颗恒星的亮度与太阳的亮度相比如何？
    12. 你可以在不知道恒星距离的情况下确定以下哪几项，哪些你无法确定：径向速度、温度、视在亮度或亮度？ 解释一下。
    13. G2 恒星的亮度是太阳的 100 倍。 这是什么样的星星？ 它的半径与太阳的半径相比如何？
    14. 恒星的温度为 10,000 K，亮度为 10—2 L 太阳。 这是什么样的星星？
    15. 与我们的其他距离测量方法相比，测量与恒星的视差距离有什么优势？
    16. 视差方法的缺点是什么，尤其是在研究银河系的遥远部分时？
    17. Luhman 16和WISE 0720是褐矮星，也被称为失效恒星，是离地球最近的新邻居之一，但直到最近十年才被发现。 你为什么认为它们花了这么长时间才被发现？
    18. 大多数靠近太阳的恒星都是红矮星。 这告诉我们银河系中平均恒星形成事件的什么？
    19. 为什么测量本质上发光较少的 cepheids 的特性比发光度更高的 cepheids 更容易？
    20. 当亨丽埃塔·莱维特发现周期亮度关系时，她使用了全部位于大麦哲伦云中的 cepheid 恒星。 为什么她需要使用另一个星系中的恒星而不是位于银河系中的 cepheids？

    自己搞清楚

    1. 一位刚上班的雷达天文学家声称，她向木星发射了无线电波，并在整整 48 分钟后收到了回声。 你应该相信她吗？ 为什么或者为什么不呢？
    2. 2015 年 7 月，“新视野” 号探测器飞越冥王星。 当时，冥王星距离地球大约 32 AU。 鉴于以公里/小时为单位的光速为1.08×10 9，探测器的通信到达地球需要多长时间？
    3. 估计雷达信号在地球和金星之间往返所需的最大和最短时间，金星的半长轴为 0.72 AU。
    4. 阿帕奇角天文台正在进行的阿波罗计划（不是宇航员的登月任务）使用3.5米望远镜将激光引导到阿波罗宇航员留在月球上的反射镜上。 如果月球距离384,472公里，那么操作员大约需要等待多长时间才能看到激光返回地球？
    5. 1974年，波多黎各的阿雷西博射电望远镜被用来向距离约25,000光年的星团M13传输信号。 信息需要多长时间才能到达 M13，到目前为止（以光年为单位）传送了多远？
    6. 证明 1 pc 等于 3.09×10 13 km，也等于 3.26 光年。 显示您的计算结果。
    7. 使用 Hipparcos 获得的最佳视差精度为 0.001 弧秒。 如果要以 10% 的精度测量与恒星的距离，则其视差必须比典型误差大 10 倍。 使用 Hipparcos 数据，你能在多远的距离内获得精确到 10% 的距离？ 我们银河系的圆盘直径为 100,000 光年。 我们可以测量精确视差的距离占银河圆盘直径的多少部分？
    8. 天文学家总是在比较天文学中的测量结果和可能更熟悉的测量结果。 例如，Hipparcos 网页告诉我们，0.001 弧秒的测量精度等于从大西洋对面观察的高尔夫球所产生的角度，或者等同于从地球上观察的人在月球上的身高所得的角度，或者等于 10 秒内人类头发的生长长时间从 10 米远处看。 使用第 19.2 节示例\(19.2.2\)中的思路来验证前两个比较中的一个。
    9. 与H@@ ipparcos的测量相比，Ga ia将大大提高精度。 大多数盖亚视差的平均不确定性约为50微弧秒，或0.00005弧秒。 这个精度比 Hipparcos 好多少倍（参见练习 7）？
    10. 使用与练习 7 中使用的相同技术，Gaia 可以在多远的不确定度为 10% 的情况下测量距离？ 这相当于银河盘的多少部分？
    11. 人眼的角度分辨率约为一弧分钟，眼睛之间的平均距离约为 2 英寸。 如果你眨了眨眼看见有东西在移动大约一个 arcmin，它离你有多远？ （提示：您可以使用第 19.2 节示例\(19.2.2\)中的设置作为指导。）
    12. 与人眼（可以分辨大约 1 弧分）相比，盖亚航天器的分辨率要好多少？
    13. 最近发现的靠近地球的系统是一对名为卢曼16的褐矮星。 它的距离为 6.5 光年。 这是多少秒差距？
    14. 从地球上测得的卢曼16号（见前面的练习）的视差会是多少？
    15. 2015年7月冥王星通过的 “新视野” 号探测器是有史以来组装速度最快的航天器之一。 它经过冥王星时正以大约 14 km/s 的速度移动。 如果它保持这种速度，那么 New Horizons 需要多长时间才能到达距离大约 4.3 光年的最近恒星 Proxima Centauri？ （注意：它不是朝那个方向前进，但你可以假装是这样。）
    16. 对于亮度为 1000 L 太阳的 M 巨人和亮度为 0.5 L 太阳的 M 矮星来说，物理特性有什么不同？ 哪些物理特性是相同的？