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介绍天文学的虚拟实验室

作者:Michael Guidry,田纳西大学和Kevin M. Lee,内布拉斯加州大学

Brooks / Cole虚拟天文学实验室由20个虚拟在线天文实验室(VLAB)组成,代表互动练习的采样,说明了介绍天文学中最重要的主题。练习意味着代表性,而不是详尽无遗的,因为介绍的天文学过于广泛,只能被20个实验室覆盖。材料在介绍性课程的太阳系部分中常见地区的常见位置均匀分成,并且与这种课程的星星,星系和宇宙学部分共同发现。VLABS与种子,PASachoff和Filippenko和Fraknoi,Morrison和Wolff文本包装,也可以作为独立产品购买。请访问布鲁克斯/科尔天文学的网站获取更多信息或联系当地布鲁克斯/科尔代表。

预期用途

该材料的设计有两个基本功能:一方面,它代表了一组虚拟实验室,可以作为天文学实验室序列的一部分或全部,可以在正常的实验室环境或远程学习环境中使用。另一方面,它是作为标准教科书的辅助教材。虽然这是对材料的有效利用,但它在组织方面提出了一些问题,因为(作为经验法则)补充教程材料更面向概念,而天文学实验室材料通常需要更多的动手解决问题,至少涉及一些基本的数学操作。

因此,人们将在这些实验室中找到不同难度水平的材料。有些部分是高度概念的,强调学生可以在不通过涉及的任务的情况下推断出更多的质量答案。其他部分,即使在同一虚拟实验室内,也可能要求学生进行指导但非琐碎的分析以回答问题。在本手册中,我们将通过根据三个难度对VLAB的部分进行分类,并通过提供适用于几个不同级别的课程使用量的材料来提供特定环境的一些实验室和学生参与。

表的内容

vlab启动页面
  1. 单位,度量和单位转换
  2. 光的性质及其与物质的相互作用
  3. 多普勒效应
  4. 太阳风和宇宙射线
  5. 行星地质学
  6. 潮汐和潮汐力
  7. 行星大气及其滞留
  8. 太阳系外行星
  9. 小行星和柯伊伯带天体
  10. 日震学
  11. 光谱序列和HR图
  12. 双星
  13. 恒星爆炸,Novae和Supernovae
  14. 中子星和脉冲星
  15. 广义相对论和黑洞
  16. 天文距离尺度
  17. 暗物质存在的证据
  18. 活动星系核
  19. 哈勃定律
  20. 宇宙的命运

用户指南包含每个实验室的完整描述和屏幕截图。

模拟实例:小行星和柯伊伯带物体-共振

柯伊伯带交互作用工作表使用本节中介绍的两个模拟器来教学生关于KBOs的分布。

下载:多克斯,pdf

小行星带有趣的特征之一是缺乏具有一定半长轴值的小行星。在显示小行星半长轴值分布的直方图(点击打开)。这些间隙来自于木星的共振扰动,木星会迅速将任何可能有这样的半长轴的小行星拉入一个新的轨道。

柯克伍德缺口表明,共振可以影响小行星的轨道,但其他小型太阳系天体呢?1992年,第一个柯伊伯带天体(KBO)在海王星轨道之外被发现。从那以后,人们发现了数百个这样冰冷的物体。柯伊伯带有明显的共振模式吗?

KBO的分布图揭示了答案(点击打开)。在图中,我们看到偏心距与半长轴的标绘超过500 KBOs。这幅图的一个显著特征是39.4 AU处的KBOs柱。这些KBOs与海王星的共振频率是2:3,也就是说,它们完成了太阳的两个轨道,每三个海王星轨道。它们也被称为冥王星,因为冥王星是这一群中的一员。

虽然共振明显地影响着这些KBOs,但它肯定与木星和主带小行星之间的共振不同,因为这些KBOs是有选择性的维护在它们的轨道上,而不是被分散。这是怎么回事?在VLab中,我们鼓励学生通过注意到到海王星的最近接近距离是如何依赖于KBO的轨道参数来发现答案。KBOs离海王星太近,随着时间的推移会有被分散的风险。KBO轨道模拟器允许学生创造具有不同偏心距和半长轴的小行星,并根据KBO-海王星距离的图表(点击打开)。创造一颗半长轴为39.39 AU,偏心率为0.35的小行星,你会发现KBO距离海王星的距离永远不会超过23 AU,即使它的轨道与海王星相交。

使用计算机模拟,让学生发现关系,如KBO共振是VLabs的一个中心特点。

交互式数据集示例:中子星和脉冲星——周期的分布

Pulsars迅速旋转中子恒星,发出非常规律,能量短爆发(通常在无线电波中,但有些脉冲条也闪烁在X射线和可见光中)。随着时间的推移,仔细观察pulsars,它们随着时间的推移而减缓,即他们的时期增加。该速率随着时间的变化被称为Spindown速率(标记为[P-P-DOT])。鼓励VLAB学生探讨交互式P-PDOT图中Pulsars的P和PDOT值(点击打开)

允许学生探索真实天文数据的数据集是VLabs的另一个支柱。