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7、OBAFGKM ...
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直到在天文系学习了一年之后,大二开始,拉面才开始学习专门的天文类课程。大二每个学期也只有一门天文课,分别是,普通天文学(上),普通天文学(下)。其他天文的专业课都在大三才开始安排。就像系主任黄牛老师提醒过的,“你们要学很多数学和物理”。等数学和物理学好之后,才算有基础做了准备,才能真正开始学习天文。
大一的一天,拉面吃完晚饭去上晚自习的时候,在从食堂到教学楼的路上,看到路边海报栏有个关于意大利文艺复兴的讲座。仔细一看,讲座者:天文系 金丝猴老师。哇,还可以这样!
拉面反复确认,的确没有看错。同学们八卦得知,这位老师会九种语言,包括世界语。金丝猴老师的主页上这样介绍自己:爱好读诗词、听音乐、览历史、习外语、游山川、摇笔杆、啜香茗、饮小酌、啖肥肉。妙啊,看着这些词语,拉面眼前仿佛看到金丝猴老师穿行游走在各种场景中的画面。
这位传说中的金丝猴老师,大二上学期要给拉面他们讲授普通天文学(上)的课程。这一课程的主要内容包括对天文学的发展的简介,对宇宙和各种天体的概括介绍,天球和星空,天体运动和距离测量等,主要对应天文学中的天体力学和天体测量的研究方向。
除了和牛顿力学紧密相关的行星和卫星的轨道特征等内容,拉面他们还学习到全新的天文概念。比如,要定位天体在天球上投影的位置,也就是我们看到的天体在夜空中的方位,有好几种不同的参考坐标系。还有时间的不同定义等,这些内容帮助天文学家对天空中的天体的位置、速度、轨道等给出描述和测量。
大二下学期开设的普通天文学(下),换了位年轻的老师,大象老师,活泼大方。讲课中互动很多,偶尔还会穿插历史上的小故事。这部分的课程内容以天体物理方向为主。与天体力学和天体测量方向着重研究天体整体的位置和运动不同,天体物理侧重研究天体自身的形态、结构、物理条件、化学组成和演化规律等具体性质。
因为宇宙中的几乎所有天体都离我们很远,没办法到达,我们只能通过这些天体发出来的电磁辐射,也就是电磁波,其中携带着丰富的信息,来揭示发出这些电磁波的天体的性质。
电磁波其实就是光,但是比我们通常眼睛能直接看到的光,也就是可见光的范围要广得多,包括比可见光波长更长的红外线、微波、无线电波或者叫射电波,也包括比可见光波长更短的紫外线、X射线和伽马射线。
通过分析来自天体的电磁辐射,利用物理学的技术、方法和理论,可以得到天体的各种物理参数,包括它们的密度、温度、化学成分、亮度等,从而了解发生在天体上的物理过程。
光学望远镜,以及能探测其他波段的电磁波的望远镜发明之后,遥远天体的光可以被更好的收集。之后,照相技术、对天体亮度的定量测量技术,以及将光束分成多个成分的技术——类似将太阳光分散成不同颜色的光得到光谱一样,这些技术被广泛应用于天体的观测研究中。同时,物理学的进步,每一项突破,都帮助并推动了相应的对天体的物理性质的理解,使深入分析观测得到的光谱等成为可能,从而得到天体的性质。当然,天体上发现的某些奇特现象也能启发和推动现代物理学的发展,一些天体所具有的极端条件和宇宙环境为物理学提供了极好的天然实验室。
所以,通过天体物理的研究,天空中的一个个小亮点被放大、丰富,呈现出各异的性质。天体力学里的行星卫星,虽然学习的是更具体的科学的内容,至少这些天体本身是相对较为熟悉的,是听到过甚至可以用肉眼从夜空中看到的。而与之等相比,天体物理带给拉面的都是几乎全新的概念。除了太阳和恒星,拉面学习到了各种大大小小的天体,它们的性质,包括它们自身,都是无法通过日常生活的经历所了解到的。
普通天文学的天体物理部分中,给拉面留下最深刻印象的是关于恒星性质和分类的那一节课。
恒星,就是夜空中的一个个相对位置几乎不变的小亮点。除了主要因为地球自转导致的整体的东升西落,这些星星在天空中看起来是恒定的,位置不变,亮度也不变。我们的太阳也是一颗恒星,是银河系中包含的千亿颗恒星之一。
虽然总的说来,不同的恒星有很多共通之处,特别是最基本的,它们都是因为最中心有稳定的氢聚变成氦的核反应产生能量而发光的,恒星的大小、质量、亮度、温度、成分等等却千差万别。它们为什么会有这些不同,是天文学家想知道的。
要研究它们不一样的原因,除了从个体上研究每一颗恒星发生了什么,还有个常用的途径,是统计上给这些恒星分类,先找出有哪些基本的不同类型,再进一步分析产生不同类型的原因,进而了解造成恒星的具体性质不一样的根本原因。
不同的恒星在天空中看上去亮度很不一样,一方面是因为恒星本身的亮度不一样,就像不同的灯泡本身就可以有不同的亮度。另一方面,恒星和我们之间的距离也不一样。比如一个灯泡,离的越远看起来就越暗。同一颗恒星,如果距离我们更远,看起来也会更暗。所以要得到恒星的自身的亮度,需要先测量恒星的距离。通过不同的方法测得恒星的距离,结合在地球上观测到的视亮度,也就是在地球上恒星看起来的亮度,就可以算得恒星本身的亮度了。不同恒星本身的亮度可以差别巨大,最亮的恒星是太阳的一百万倍,最暗的只有太阳的万分之一。
另一个可以被测量的恒星性质是恒星的表面温度。温度决定了物质的形态,比如水在不同温度下会呈现不同的状态,固态、液态、气态。对于恒星而言,它们都是温度极高密度极高的等离子体球,内部中心温度极高,表面温度相对较低。但是它们的温度仍然存在不同,导致呈现出不同的颜色。如果仔细观察夜空中的恒星,会发现大部分肉眼可见的恒星是偏蓝白的,而有少数的恒星明显偏红。这些颜色上的不同对应它们有着不同的表面温度。也许和直觉不一样,实际上,越红的恒星的表面温度越低,越蓝的恒星的表面温度越高。
除了颜色之外,恒星的表面温度也决定了恒星的光谱的性质。恒星的光经过分光之后产生的光谱包含了更加丰富的信息。不同元素的不同状态由温度决定,反应在光谱上产生不同强弱的暗条纹。早期天文学家并不知道这些不同强弱的暗条纹产生的真正原因,基于观测到的大量恒星的光谱,把光谱条纹表现类似的恒星归为同一类,得到了对恒星的不同光谱类型的分类,依据氢元素对应的暗条纹的从强到弱,分为A,B,C…型。之后随着物理学的发展,天文学家才了解到恒星的不同光谱类型是和表面温度密切相关的。
“我们知道了光谱类型的决定因素,恒星的表面温度。现在,按照表面温度,对原有的恒星的光谱分类重新进行排序。”大象老师展示出不同类型的恒星光谱的图像,从上到下指向每一种类型。“现在恒星的光谱类型的顺序是O型星、B型星、A型星、F型星、G型星、K型星、M型星。”
“O型星表面温度最高,是最亮的、最蓝的。M型星表面温度最低,是最暗的,最红的。”
“太阳是一颗G型星,它的表面温度是大约6000度。”
大象老师接着说,“恒星的光谱分类非常重要,天文学家通常用这些光谱类型的符号来描述某类恒星。比如说到O型星、B型星,大家需要能想到这是指的亮的温度高的恒星,并且我们稍后会讲到,这些恒星也是质量较大的。”
“所以我们需要记下恒星光谱分类的顺序:OBAFGKM。”
“天文学家通常用一句话来帮助记忆这个光谱类型的分类顺序。”
大象老师顿了一下,露出狡黠的眼神,笑着,用略带夸张的语气继续讲到:“Oh, Be A Fine Girl, Kiss Me.”
同学们听到这提起了更多精神,也笑了起来。
“为了避免仅用girl这个词可能产生的冒犯,也可以用guy来代替。Oh, Be A Fine Guy, Kiss Me. 都可以,就是帮助大家更容易地记住光谱类型的顺序。”大象老师接着解释到。
“这句话同学们一定要记住哦。专业学过天体物理,就一定学过这句话。”
“也可以把这个知识点分享给你们的男朋友女朋友哦。”大象老师又补充了一句。
大家都乐了起来。
后来拉面琢磨,很多人都觉得天文是个浪漫的学科,看星星啊什么的。虽然黄牛老师提醒过这并不是天文学科的重点,但是,来学习天文、从事天文的人,是不是大体上是浪漫的?才会整这么一句话来帮助记忆无序的字母排列。
这节课之后,又过了几周,大象老师讲恒星的演化。恒星形成之后,通过中心的核反应过程将氢元素聚变成氦元素。后续,恒星在继续演化以及死亡的过程中,又能继续生成其他原子序数更大的、更重的元素。
“在宇宙形成最初,只有氢元素、氦元素,以及少量的锂元素,没有其他任何更重的元素。”大象老师说到。
“所以,我们现今宇宙中的所有更重的元素,包括地球上的树木,河流,岩石,所有金属,包括组成我们身体的、以及对我们的生命体至关重要的碳、氮、氧等等元素,都是通过恒星的形成和演化而产生的。”
大象老师看向同学们,停顿了一会。
“所以,同学们,想一想。宇宙早期形成的恒星,它们演化以及爆发产生的元素,穿越百亿年,组成了你我,才让我们现在能够出现在同一个教室里。”
“再想一想,我们的拇指和食指,”大象老师伸出手比划了一个八字,“里面的元素也许来自于很久很久之前的两颗不同的恒星。”
“会不会觉得不可思议?”
拉面的思绪开始游走,似乎看到了茫茫宇宙时间和空间中的关联和宿命。
宇宙早期的恒星诞生、演化、爆炸。。。,各种元素的汇集、组合,组成了拉面的每一个细胞,每一寸皮肤。这复杂又玄妙的过程,让拉面在此时,能够坐在教室里,学习并畅想这其中复杂又玄妙的过程。这其中的关联和宿命,是科学,是天文学,有许多已知,更充满未知。