Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
General Physics part 1 / PhysPraktikum / Woan G. The Cambridge Handbook of Physics Formulas (CUP, 2000)(ISBN 0521573491)(230s)_PRef_.pdf
Скачиваний:
26
Добавлен:
27.03.2015
Размер:
1.65 Mб
Скачать

9.4 Observational astrophysics

179

 

 

9.4Observational astrophysics

Astronomical magnitudes

Apparent

m1 m2 = −2.5log10

F1

 

 

(9.27)

mi

 

 

 

apparent magnitude of object i

magnitude

F2

 

 

 

Fi

 

 

 

 

energy flux from object i

 

mM = 5log10 D − 5

 

 

 

M

 

 

 

absolute magnitude

Distance

 

 

(9.28)

m

M

distance modulus

modulusa

 

 

 

= −5log10 p− 5

 

 

(9.29)

D

 

 

distance to object (parsec)

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

annual parallax (arcsec)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Luminosity–

Mbol = 4.75 − 2.5log10

L

(9.30)

Mbol

 

bolometric absolute magnitude

 

 

 

 

L

 

 

 

magnitude

L 3.04 × 10(28−0.4Mbol)

 

(9.31)

L

 

 

 

 

luminosity (W)

relation

 

 

L

 

 

solar luminosity (3.826 × 1026 W)

Flux–

 

 

 

 

 

 

10−(8+0.4mbol )

 

Fbol

 

 

bolometric flux (Wm−2)

magnitude

Fbol

 

2.559

×

(9.32)

 

 

relation

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

mbol

 

bolometric apparent magnitude

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

BC

 

 

bolometric correction

Bolometric

BC = mbol mV

 

 

 

 

 

 

 

(9.33)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

mV

 

 

V -band apparent magnitude

correction

= Mbol MV

 

 

 

 

 

 

 

(9.34)

MV

 

 

V -band absolute magnitude

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Colour

B V = mB mV

 

 

 

 

 

 

 

(9.35)

B

V

observed B

V colour index

b

U B = mU mB

 

 

 

 

 

 

(9.36)

 

 

 

 

 

 

index

 

 

 

 

 

 

U B

observed U B colour index

Colour

E = (B

V )

(B

V )0

 

 

(9.37)

E

 

 

 

V )0

B V colour excess

excessc

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(B

intrinsic B

V colour index

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

aNeglecting extinction.

bUsing the UBV magnitude system. The bands are centred around 365 nm (U), 440 nm (B), and 550 nm (V ). cThe U B colour excess is defined similarly.

Photometric wavelengths

Mean

 

 

 

λR λ dλ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

%

 

R((λ))dλ

wavelength

λ0 = %

 

Isophotal

 

 

 

 

 

F

λ R(λ) dλ

wavelength

F(λi) =

%

(R)(λ) dλ

E ective

 

 

 

 

 

λF%(λ)R(λ) dλ

 

 

%

 

 

 

 

wavelength

λe = %

 

F(λ)R(λ) dλ

(9.38)

(9.39)

(9.40)

λ0 mean wavelength

λwavelength

Rsystem spectral response

F(λ) flux density of source (in

9

 

 

terms of wavelength)

 

λi

isophotal wavelength

 

λe

e ective wavelength

 

180 Astrophysics

Planetary bodies

 

 

 

 

 

4 + 3 × 2n

 

 

DAU

planetary orbital radius (AU)

Bode’s lawa

DAU =

 

(9.41)

n

index: Mercury = −∞, Venus

 

 

 

 

 

10

 

 

 

 

 

= 0, Earth = 1, Mars = 2, Ceres

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 3, Jupiter= 4, ...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

>

100M

 

1/3

 

(9.42)

R

satellite orbital radius

 

 

 

 

 

 

M

central mass

Roche limit

9πρ

 

 

 

 

 

> 2.46R

 

(if densities equal)

(9.43)

ρ

satellite density

 

 

 

 

R0

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

central body radius

Synodic

1

 

1

 

 

 

 

S

synodic period

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

periodb

 

S

=

P

P

 

 

 

 

(9.44)

P

Earth’s orbital period

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P

planetary orbital period

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

aAlso known as the “Titius–Bode rule.” Note that the asteroid Ceres is counted as a planet in this scheme. The relationship breaks down for Neptune and Pluto.

bOf a planet.

Distance indicators

Hubble law

v = H0d

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(9.45)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Annual

Dpc

= p−1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(9.46)

parallax

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Cepheid

log10

L

 

 

 

1.15log10 Pd + 2.47

(9.47)

 

 

 

 

L

 

 

 

 

 

 

 

 

 

variablesa

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(9.48)

 

MV −2.76log10 Pd − 1.40

Tully–Fisher

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2vrot

 

 

MI −7.68log10

sini − 2.58

 

relationb

(9.49)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Einstein rings

θ2 =

4GM

 

 

ds dl

 

 

 

 

(9.50)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c2

 

dsdl

 

 

 

Sunyaev–

 

T

 

 

 

 

 

 

nekTeσT

 

Zel’dovich

 

= −2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dl

(9.51)

 

T

 

mec2

 

 

e ectc

 

 

 

 

... for a

 

T

 

 

 

4RnekTeσT

 

homogeneous

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

= −

 

 

mec2

 

 

 

 

 

 

(9.52)

sphere

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

vcosmological recession velocity

H0 Hubble parameter (present epoch)

d(proper) distance

Dpc distance (parsec)

pannual parallax (±p arcsec from mean)

L mean cepheid luminosity

L Solar luminosity

Pd pulsation period (days)

MV absolute visual magnitude

MI I-band absolute magnitude

vrot observed maximum rotation velocity (kms−1)

igalactic inclination (90when edge-on)

θring angular radius

Mlens mass

ds

distance from observer to source

dl

distance from observer to lens

T

apparent CMBR temperature

dl

path element through cloud

Rcloud radius

ne electron number density

kBoltzmann constant

Te electron temperature

σT Thomson cross section me electron mass

cspeed of light

aPeriod–luminosity relation for classical Cepheids. Uncertainty in MV is ±0.27 (Madore & Freedman, 1991, Publications of the Astronomical Society of the Pacific, 103, 933).

bGalaxy rotation velocity–magnitude relation in the infrared I waveband, centred at 0.90µm. The coe cients depend on waveband and galaxy type (see Giovanelli et al., 1997, The Astronomical Journal, 113, 1).

cScattering of the cosmic microwave background radiation (CMBR) by a cloud of electrons, seen as a temperature decrement, ∆T , in the Rayleigh–Jeans limit (λ 1mm).

9.5 Stellar evolution

181

 

 

9.5 Stellar evolution Evolutionary timescales

Free-fall

τ =

3π

 

1/2

 

τ

free-fall timescale

 

(9.53)

G

constant of gravitation

timescalea

 

 

 

 

320

 

 

ρ0

initial mass density

 

 

Ug

 

 

 

 

 

τKH

Kelvin–Helmholtz timescale

Kelvin–Helmholtz

τKH =

 

 

 

 

(9.54)

Ug

gravitational potential energy

 

L

 

 

 

M

body’s mass

timescale

 

GM2

 

 

 

 

 

 

 

(9.55)

R

body’s initial radius

 

R0L

 

 

L0

body’s luminosity

aFor the gravitational collapse of a uniform sphere.

Star formation

 

λJ =

 

 

 

 

 

 

 

 

λJ

Jeans length

 

 

π dp

1/2

 

 

G

constant of gravitation

Jeans lengtha

 

 

 

 

 

 

 

(9.56)

ρ

cloud mass density

dρ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

pressure

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Jeans mass

MJ =

 

π

ρλJ3

 

 

 

(9.57)

MJ

(spherical) Jeans mass

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

LE

Eddington luminosity

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Eddington

LE =

4πGMmpc

 

 

(9.58)

M

stellar mass

 

 

 

σT

 

 

 

M

solar mass

limiting

 

 

 

 

 

M

 

 

luminosityb

 

 

 

 

 

 

 

31

 

 

mp

proton mass

1.26 × 10

M

W

(9.59)

c

speed of light

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

σT

Thomson cross section

aNote that (dp/dρ)1/2 is the sound speed in the cloud.

 

 

 

bAssuming the opacity is mostly from Thomson scattering.

 

 

 

Stellar theorya

Conservation of

dMr

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

radial distance

 

 

= 4πρr2

 

 

 

 

 

 

(9.60)

Mr

mass interior to r

 

 

mass

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dr

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ρ

mass density

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Hydrostatic

dp

 

=

GρMr

 

 

 

 

 

 

(9.61)

p

pressure

 

 

equilibrium

dr

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

G

constant of gravitation

 

 

Energy release

dLr

= 4πρr2

 

 

 

 

 

 

(9.62)

Lr

luminosity interior to r

 

 

dr

 

 

 

 

 

 

 

 

 

power generated per unit mass

 

9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

temperature

 

Radiative

dT

 

 

 

 

 

−3

 

κ

3ρ

 

Lr

 

 

 

 

 

=

 

 

 

(9.63)

σ

Stefan–Boltzmann constant

 

 

transport

 

 

 

 

 

 

2

 

 

dr

 

 

 

 

 

16σ

 

T

 

 

4πr

 

 

κ

mean opacity

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Convective

dT

 

 

=

γ − 1

 

T

 

dp

 

 

(9.64)

γ

ratio of heat capacities, cp/cV

 

 

transport

dr

 

 

 

dr

 

 

 

 

 

 

 

 

γ

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

aFor stars in static equilibrium with adiabatic convection. Note that ρ is a function of r. κ and are functions of temperature and composition.

182 Astrophysics

Stellar fusion processesa

 

 

PP i

chain

 

 

PP ii chain

 

 

PP iii chain

p+ + p+ 12H + e+ + νe

 

p+ + p+ 12H + e+ + νe

 

p+ + p+ 12H + e+ + νe

12H + p+ 23He + γ

 

12H + p+ 23He + γ

 

12H + p+ 23He + γ

23He + 23He → 24He + 2p+

23He + 24He → 47Be + γ

23He + 24He → 47Be + γ

 

 

 

 

 

47Be + e37Li + νe

 

47Be + p+ 58B + γ

 

 

 

 

 

37Li + p+ → 224He

 

 

58B → 48Be + e+ + νe

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

48Be → 224He

 

CNO cycle

 

triple-α process

 

 

 

12

+

13

 

4

4

 

8

 

γ

photon

6C + p

 

7N + γ

2He + 2He

4Be + γ

 

13N

13C + e+ + νe

8Be + 4He

12C

p+

proton

7

 

6

 

4

2

 

6

e

+

positron

136C + p+

147N + γ

 

126C →

126C + γ

 

147N + p+

158O + γ

 

 

 

 

e

electron

15

 

15

+

 

 

 

 

νe

electron neutrino

8O

7N + e + νe

 

 

 

 

 

 

 

157N + p+ 126C + 24He

 

 

 

 

 

 

 

aAll species are taken as fully ionised.

Pulsars

 

Braking

 

 

ω˙ −ωn

 

¨

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(9.65)

ω

rotational angular velocity

 

index

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P

rotational period (= 2π/ω)

 

 

 

 

n = 2 −

 

P P

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(9.66)

n

braking index

 

 

 

 

 

 

P˙ 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

characteristic age

 

Characteristic

T =

 

 

1

 

 

 

 

P

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(9.67)

L

luminosity

 

agea

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

˙

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

µ

permeability of free space

 

 

 

 

 

 

 

 

n

1 P

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c0

speed of light

 

 

 

 

 

 

 

µ

0|

m¨

|

2 sin2 θ

 

 

 

 

 

 

 

 

m

pulsar magnetic dipole moment

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(9.68)

R

pulsar radius

 

Magnetic

 

L =

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dipole

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6πc

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Bp

magnetic flux density at

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

2

4

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

magnetic pole

 

radiation

 

 

 

 

2πR Bpω sin θ

 

 

 

 

 

 

=

 

 

(9.69)

θ

angle between magnetic and

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3c3µ0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

rotational axes

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

DM dispersion measure

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Dispersion

 

DM = 0

 

 

ne dl

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(9.70)

D

path length to pulsar

 

measure

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dl

path element

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ne

electron number density

 

 

 

 

 

 

dτ

=

 

 

 

 

 

e2

 

 

 

3

DM

 

 

(9.71)

τ

pulse arrival time

 

 

 

 

 

 

dν

4π

2

 

 

 

 

 

 

 

 

Dispersion

b

 

 

 

 

 

 

 

0me

 

 

 

 

 

 

DM

 

τ

di erence in pulse arrival time

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e2

 

 

 

1

 

 

1

 

νi

observing frequencies

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

τ =

 

 

 

 

 

(9.72)

me

electron mass

 

 

 

 

 

8π2 0mec

ν12

ν22

a

Assuming

n

= 1 and that

the pulsar has already slowed significantly. Usually n is assumed to be 3 (magnetic dipole

 

 

 

˙

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

radiation), giving T = P /(2P ).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

bThe pulse arrives first at the higher observing frequency.

9.5 Stellar evolution

183

 

 

Compact objects and black holes

Schwarzschild

 

 

2GM

 

 

 

M

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

radius

rs =

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

km

 

 

 

 

 

 

 

 

(9.73)

 

 

 

c2

M

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Gravitational

ν

=

1

 

 

 

2GM 1/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(9.74)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

redshift

νr

 

rc2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Gravitational

Lg =

32 G4 m12m22(m1 + m2)

 

 

 

 

 

(9.75)

wave radiationa

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5 c5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rate of change of

˙

96

 

 

 

 

2

 

4/3 G5/3

 

m1m2P −5/3

 

orbital period

P = −

5

(4π

 

)

 

 

 

 

 

 

 

c5

 

 

(m1 + m2)1/3

(9.76)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Neutron star

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

degeneracy

 

 

 

 

 

 

π2)2/3 ¯h2

 

ρ

5/3

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

pressure

p =

(3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

u

(9.77)

5

 

 

mn

mn

 

3

(nonrelativistic)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯hc(3π2)1/3

 

 

 

 

 

ρ

 

4/3

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Relativisticb

p =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

u

(9.78)

 

 

 

4

 

 

 

 

 

mn

 

 

 

3

Chandrasekhar

MCh 1.46M

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(9.79)

massc

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Maximum black

 

 

 

 

 

 

GM2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

hole angular

Jm =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(9.80)

 

c

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

momentum

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Black hole

 

 

 

 

 

M3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

evaporation time

τe

 

 

× 1066

 

 

 

 

 

yr

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(9.81)

M3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Black hole

T =

 

 

¯hc3

 

 

 

 

 

10−7

M

 

 

K

(9.82)

temperature

8πGMk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M

 

 

 

 

 

 

 

rs

Schwarzschild radius

Gconstant of gravitation

Mmass of body

cspeed of light

M solar mass

rdistance from mass centre

ν

frequency at infinity

νr

frequency at r

mi

orbiting masses

amass separation

Lg gravitational luminosity

Porbital period

ppressure

¯h (Planck constant)/(2π)

mn neutron mass

ρdensity

uenergy density

MCh Chandrasekhar mass

Jm maximum angular momentum

τe

evaporation time

Ttemperature

kBoltzmann constant

aFrom two bodies, m1 and m2, in circular orbits about their centre of mass. Note that the frequency of the radiation is twice the orbital frequency.

bParticle velocities c.

cUpper limit to mass of a white dwarf.

9