恒星星云和星系

天文课程内容相对复杂，教案中资料很多，每部分资料只讲最有趣味、最容易理解的部分即可，其余资料供主讲人备课时参考，否则上课时间会不够用，而且学生不容易理解。

针对年级：五、六年级。
课程时长：2课时。
注意事项：
1.要用浅显的语言把复杂的天文概念讲给学生听，这需要授课人同时具备丰富的天文知识和精巧的表达能力。
2.教案中的材料，主讲人应当根据情况有所取舍，难以理解的部分应予回避。
3.每部分不设时间限制，根据实际情况讲授，剩余的时间播放天文相关影片《斗转星移》，每集10分钟，凑足2课时时间。
【教学目标】
是学生们了解最基本的天文学知识，试图使学生们产生对天文学的兴趣。
【教学准备】
教师准备：笔记本电脑，外接音箱，教学幻灯片，天文相关影片，投影仪、幕布（或多带几台笔记本电脑）。
【教学过程】
一、导入。
回顾上次课太阳系家族，指出太阳只是银河系中最普通的一颗恒星。宇宙无比广阔，有无数太阳一样的恒星，还有其它的如星云和星系。
二、无尽的宇宙。
1.教师讲述：光速
光速一个速度概念。光传播的速度大约是每秒30万公里，地球的赤道圆周大约是4万公里，这样光一秒钟走过的距离可以绕地球7圈半。
2.教师讲述：光年
光年是一个长度单位，光年一般被用于计算恒星间的距离。光年指的是光在真空中行走一年的距离，它是由时间和速度计算出来的，光行走一年的距离叫“一光年”。一光年即约为九万四千六百亿公里。
对于广袤的宇宙，光年是常用的描述距离的单位。
三、星座。
1.教师讲述：星座的定义
是指天上一群群的恒星组合。在三维的宇宙中，这些恒星其实相互间没有实际的关系，不过其实天球这一个球壳面上的位置相近。自古以来，人对于恒星的排列和形状很感兴趣，并且很自然地把一些位置相近的星联系起来，组成星座。
基本上，将恒星组成星座是一个随意的过程，在不同的文明中有由不同恒星所组成的不同星座──虽然部分由较显眼的星所组成的星座，在不同文明中大致相同，如猎户座及天蝎座。
国际天文学联合会用精确的边界把天空分为八十八个正式的星座，使天空每一颗恒星都属于某一特定星座。这些正式的星座大多都根据中世纪传下来的古希腊传统星座为基础。
2.教师讲解：北斗七星、大熊座与小熊座
图一：中国人经常说的北斗七星，北斗七星位于大熊座。
图二、图三：大熊座星星分布，大熊座艺术图。
图四、图五：小熊座星星分布，小熊座艺术图，北极星在小熊座。
图六：如何寻找北极星。可以通过先寻找北斗七星，再通过北斗七星来找到北极星。通过斗口的两颗星连线，朝斗口方向延长约5倍远，就找到了北极星。
3.教师讲解：猎户座、大犬座与天狼星
图七：猎户座的样子。
图八、图九：猎户座星星分布，猎户座艺术图。
图十、图十一：大犬座星星分布，大犬座艺术图，图中的Sirius即天狼星。
图十二：猎户座与大犬座的相对位置。
图十三：猎户座与大犬座合影，图中最亮的星为位于大犬座的天狼星，天狼星是夜空中最亮的恒星，其视星等为-1.47，几乎为第二亮恒星老人星的两倍。
参宿四的故事，参见背景资料。
4.教师提问：谁知道牛郎织女的故事？
接下来我们将去认识牛郎星与织女星。
5.教师讲解：牛郎星、织女星、天鹰座与天琴座
图十四：牛郎星与织女星隔河相望。图中左上方最亮的星为织女星，中部偏下的亮星为牛郎星，二星隔河相望。
图十五、图十六：天鹰座星星分布，天鹰座艺术图。
图十七、图十八：天琴座星星分布，天琴座艺术图。
图十九：天鹰座与天琴座的相对位置。图中Vega即织女星，Altair即牛郎星，白色光带为银河。
6.教师讲解：有了星座，我们认识星星就方便多了。
四、双星和星团。
1.教师讲授：双星
我们如果用望远镜观测星空，常常可以看到一些恒星两两成双靠在一起。当然，这其中很多只是透视的结果，实际上两颗星相距很远，只是都在一个视线方向上罢了。可是，天文学家发现，其中占不少比例，两颗星之间有力学上的联系，相互环绕转动。这样的两颗恒星，就称为双星。
组成双星的两颗恒星都称为双星的子星。其中较亮的一颗，称为主星；较暗的一颗，称为伴星。主星和伴星亮度有的相差不大，有的相差很大。
图中的双星，它的名为辇道增七（albireo），是天鹅座的第二亮星，用肉眼便可轻松观察到。只需使用小倍率的目镜下，就很容易将辇道增七从一个明亮的星点展开为一对美丽而各有醒目色彩的视双星。这个双星距离我们380光年，目前两颗子星正在互相远离，相互绕转一圈则需要700年。这个双星系统中较亮的黄色星球本身还是一个小双星系统，只是因为太靠近而难以分辨。
2.教师讲述：星团
恒星往往成群分布。一般地，我们把恒星数在十个以上而且在物理性质上相互联系的星群叫做“星团”。比如金牛座中的“昴星团”、“毕星团”，巨蟹座的蜂巢星团等。
由十几颗到几千颗恒星组成的，结构松散，形状不规则的星团称为疏散星团，他们主要分布在银道面因此又叫做银河星团，主要由蓝巨星组成，例如昴宿星团（又名昴星团）；上万颗到几十万颗恒星组成，整体像圆形，中心密集的星团称为球状星团。
3.教师讲授：昴星团
昴星团（Pleiades，M45，汉语拼音:mǎo xīng tuán）是疏散星团之一，在北半球看是位于西方大而明亮的疏散星团，位于金牛座，在晴朗的夜空单用肉眼就可以看到它。它的几个亮星位于昴宿，由此而得名。梅西叶星表编号为M45，肉眼通常见到有六、七颗亮星，所以又常被称为是七姊妹星团，它是离我们最近也是最亮的几个疏散星团之一。昴星团总共含有超过3000颗的恒星，它的横宽大约13光年，距离128秒差距（417光年），直径约４秒差距。
4.教师讲授：NGC290——一个疏散星团，在杜鹃座。
珠宝没有这么明亮，惟有恒星会如此亮。如同珠宝盒里的珍宝，疏散星团NGC290内的恒星，闪烁着色彩斑斓的美丽光芒。这个很上镜的星团的图像，是哈勃空间望远镜拍摄到的。疏散星团内的恒星通常比较年轻、数量较少、拥有和球状星团比起来较高比率的蓝色恒星。NGC290位于邻近的小麦哲伦星系(SMC)，离我们约有20万光年远。这个疏散星团有数百颗恒星，跨度大约有65光年。NGC290及其它疏散星团，是研究不同质量的恒星如何演化的好实验室，因为疏散星团的恒星大约都是在同一时间诞生的。
五、星云。
1.教师讲述：星云
星云是由星际空间的气体和尘埃结合成的云雾状天体。星云里的物质密度是很低的，若拿地球上的标准来衡量的话，有些地方是真空的。可是星云的体积十分庞大，常常方圆达几十光年。所以，一般星云较太阳要重的多。
星云的形状是多姿多态的。星云和恒星有着“血缘”关系。恒星抛出的气体将成为星云的部分，星云物质在引力作用下压缩成为恒星。在一定条件下，星云是能够互相转化的。
2.教师讲述：猫眼星云（NGC6543）
猫眼星云为一行星状星云，位于天龙座。这个星云特别的地方，在于其结构几乎是所有有记录的星云当中最为复杂的一个。从哈勃太空望远镜拍得的图像显示，猫眼星云拥有绳结、喷柱、弧形等各种形状的结构。
3.教师讲述：蟹状星云（NGC1952）
因为这个星云的形状有点像螃蟹被取名为蟹状星云(Crab Nebula)。这个星云是在1731年被一位英国医生拜维斯最早发现的。
4.教师讲述：马头星云（NGC1434）
马头星云位于猎户座ζ星的左下处，它是一个大型暗分子云的一部份。这个有着不寻常形状的天体只有用非常大的专业望远镜才能看到，是在18世纪末从一张照片底板上发现的。星云红色的辉光，主要是星云后方被恒星所照射的氢气。暗色的马头高约１光年，主要来自浓密的尘埃遮掩了它后方的光，不过马颈底部左方的阴影，是马颈所造成的阴影。贯穿星云的强大磁场，正迫使大量的气体飞离星云。马头星云底部里的亮点，是正在新生阶段的年轻恒星。光约需要经过1500年，才会从马头星云传到我们这里。猎户座内的马头星云是天空中最易辨认的星云之一，它是巨大黑暗分子云的一部分。
六、星系。
1.教师讲述：星系
恒星系或称星系，是宇宙中庞大的星星的“岛屿”，它也是宇宙中最大、最美丽的天体系统之一。到目前为止，人们已在宇宙观测到了约一千亿个星系。它们中有的离我们较近，可以清楚地观测到它们的结构；有的非常遥远，目前所知最远的最系离我们有近一百三十亿光年。
2.教师讲述：NGC6946
从银河系看出去，星系NGC6946的正面正好是对着我们。这个巨大的美丽螺旋星系离我们只有1000万光年。高悬在仙王座内的群星，像一层面纱罩在它的前面。把视线从它明亮的核心，移向它松散且断断续续的旋涡臂，你会发现这个星系的颜色发生了很大的变化。它的色泽从核心年老恒星所发出的黄色，转变成漩臂上年轻星团的蓝色和恒星形成区的红色。NGC6946含有很丰富的云气和尘埃，所以是一个在红外光波段也很明亮的星系。此外，它的恒星形成速率和恒星死亡率很都很高。20世纪里，就曾在NGC6946发现了6个因为恒星爆炸死亡所造成的超新星事件。这张清晰的组合彩色数字影像里，还勉强可以看到星系美丽的核心，有个小型的棒状结构。
3.教师讲述：仙女座星系
仙女座星系，位于仙女星座的一个巨型旋涡星系。是我们银河系的近邻。肉眼可以见到它，状如暗弱的椭圆小光斑。很早以前天文学家就发现了它。
仙女座星系是距离我们银河系最近的大星系。一般认为银河系的外观与仙女座大星系十分很像，两者共同主宰着本星系群。仙女座大星系弥漫的光线是由数千亿颗恒星成员共同贡献而成的。仙女座星系离我们的距离相当远，从它那儿发出的光需要200万年的时间才能到达地球。
仙女座大星云是秋夜星空中最美丽的天体，也是第一个被证明是河外星系的天体，还是肉眼可以看见的最遥远的天体。仙女座大星云实际上是一个非常典型的旋涡星系，当人们尚不知道它是旋涡星系的时候把它与气体星云混淆在一起而取了这个名字，至今人们仍然喜欢这样称呼它。
4.教师讲述：M81
M81星系被称为完美的旋涡星系，位于大熊星座，距离我们一千二百万光年，是地球上望远镜可观测到的最亮星系之一。
该图合成自斯皮策（Spitzer），哈勃（Hubble），星系演化探测器（Galaxy Evolution Explorer）三个在轨天文望远镜对该星系拍摄的照片。
图中的不同颜色代表不同的光波长度：蓝色是由星系演化探测器拍摄到的紫外光；黄白色是由哈勃拍摄到的可见光；红色是由斯皮策拍摄到的红外光。蓝色区域代表的是那些温度最高，最年轻的星球，类红粉红区域代表组成旋臂的尘埃通道（lanes of dust），而橘黄区域代表那些年老的星球。
5.教师讲述：草帽星系
NASA的“斯必泽”空间望远镜观测了天空中最著名的星系之——M104，它是室女座的一个非常著名的星系，形状像墨西哥人戴的阔边草帽，因此，被称为“草帽”星系。它的梅西叶星表编号为M104，距离地球2,800万光年，用小型望远镜就能看到它，但绝对不会像这张通过甚大望远镜拍摄到的照片这样清晰。在这张令人吃惊的红外照片中，“斯必泽”向我们展示了一幅全新的画面，在可见光波段这个星系貌似一个“草帽”，但是在红外波段它更像是一个“牛眼”。
6.教师讲述：NGC1300
美丽而巨大的棒旋星系NGC1300距离我们大约7,000万光年远，位于的波江座边缘。哈勃太空望远镜拍摄的这张绚丽岛宇宙合成照片，是哈勃拍摄的完整星系中最大的图像之一。NGC1300大约覆盖10万光年，这张哈勃影像揭示了在星系内占据主要地位的中心棒和宏伟螺旋臂的详细特点。事实上，在仔细检查这个典型星系棒的核心时就会发现，有一个大约3,000光年大小的螺旋状的显著区域。
7.教师讲述：旋涡星系与棒旋星系
旋涡星系外形呈旋涡结构，有明显的核心，核心呈凸透镜形，核心球外是一个薄薄的圆盘，有几条旋臂。
在旋涡星系中有一类的核心不是球形，而是棒状，旋臂从棒的两端生出，称为棒旋星系。
旋涡星系是目前观测到的数量最多、外形最美丽的一种星系。它的形状很像江河中的旋涡，因而得名。
让学生比较前几张照片，指出最后一张是棒旋星系，为下面讲解银河系是棒旋星系做准备。
七、银河。
1.教师讲述：
银河，我国民间又称“天河”。它看起来像一条白茫茫的亮带，从东北向西南方向划开整个天空。在银河里有许多小光点，就像撒了白色的粉末一样，辉映成一片。实际上一颗白色粉末就是一颗巨大的恒星，银河就是由许许多多恒星构成的。太阳是其中的一颗恒星。像太阳这样的恒星在银河中2000多亿颗。
2.教师讲述：以前人们认为银河系是一个如仙女座大星云一样的旋涡星系，而近期的研究结果改变了这一认识，银河系是旋涡星系中的一类——棒旋星系。图中是取得这一研究成果之后的银河系假想图。
3.教师讲述：银河系的形状，如果我们在银河系外面观察，是可以直接得出结论的，但是我们身处银河系中，这一简单的结论就变得非常难以获得。这让我们想起了苏轼的《题西林壁》。宇宙如此广袤，我们研究宇宙受到时间、空间上的各种限制，一个简单的结论可能要我们付出巨大的努力才能获得。
八、回顾总结。
1.回顾课程内容。
2.引出下节课人类探索宇宙的途径。

【背景资料】
欧洲天文台发现濒死恒星 质量正大幅减少
据美国太空网报道，借助于欧洲南方天文台的甚大望远镜，科学家发现位于猎户座的一颗名为参宿四(Betelgeuse)的恒星质量正大幅减少。目前，这颗恒星即将走到生命尽头之际，最新的观测结果或许有助于科学家最终搞清楚恒星在临终之际质量锐减的具体过程。
观测显示，这颗质量为太阳20倍的恒星不时喷出大量羽毛状的气体，每1万至10万年就会减少相当于太阳那么大的质量。这样的瘦身速度听上去并不像“速效减肥”，但却比太阳丧失质量的速度快100万倍左右。
法国巴黎天文台的天体物理学家皮埃尔•科维拉(Pierre Kervella)说：“几乎每颗恒星在临终之际都会经历这一过程。我们知道质量会减少，但不了解这一具体过程。”观测到羽状气体说明参宿四并不是在各方面均衡瘦身。羽状气体或许是由参宿四旋转产生的，旋转可将它的质量推到两个边缘，变成颗粒喷雾。
要么，羽状气体可能是受对流产生的气泡驱动，同样的过程让水气在热锅上循环。科学家认为，对流可以将气体输往参宿四的表面，这种运动的动力会使一些气体在到达参宿四表面时被驱散。上述两种可能性均有一些数据支持，但也存在这样一种可能，即它们是在同步运行。
支持旋转假说的科维拉说：“参宿四的极轴和羽状气体的方向之间存在巧合。不过，从目前来看，对流看似更有可能，因为一些观测结果显示这颗恒星的表面有气体流动。”按照现在的速度，参宿四所剩下的质量正在超速减少，在其后1万年之内，会以超新星爆发的方式结束璀璨的一生。
科维拉在接受太空网采访时说：“它或许会在几千年以后爆炸，或许就在明年。我们也不太清楚。它或许已走完其一生的90%至95%。”由于是以核聚变反应方式进行燃烧，参宿四已耗尽了其氢气储量，并开始燃烧氮气和重元素，这一阶段被称为“红巨星期”。这些反应产生的热量多于燃烧氢气时产生的热量，结果是参宿四不断膨胀，体积要比其年轻时大许多。
由于参宿四的体积在不断扩大，质量却在不断减少，其密度最后变得非常小：目前的密度是地球上空气的十亿分之一。这样的低密着实令人难以置信，它促使参宿四的质量可以不断减少。该恒星表面的气体离其重心相当远，这样一来，上面的重力十分微弱，它就可以轻易逃脱。
德国马普射电天文学研究所的科维拉、凯伊奇•奥纳卡(Keiichi Ohnaka)及其同事在即将刊登在《天文学与天体物理学》(Astronomy and Astrophysics)杂志的两篇论文上对这一发现进行了详细阐述。

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