天文学及现代宇宙观.docx

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天文学及现代宇宙观

第二讲天文学及现代宇宙观

世界上最浩瀚的是海洋

比海洋还浩瀚的是星空

世界上有两件东西能够深深地震撼人们的心灵，一件是我们心中崇高的道德准则，另一件是我们头顶上灿烂的星空。

仅仅是抬头看看那深蓝色镶满宝石的穹庐，已足能让我们的心灵深感震撼，并让我们开始对人生进行思考。

________康德

微观

介观

宏观

宇观

量子力学

经典力学

天体物理

第二讲天文学及现代宇宙观

1天文学概述

一、几个重要概念

1、天文学--研究宇宙及其中各种天体的位置、运动、结构和演化规律的科学。

2、宇宙--时间、空间、物质与运动的统一体。

《淮南子》：

"四方上下曰宇，往古来今曰宙。

"

3、天体--星云、恒星、行星、彗星和人造天体

4、光年--长度单位，1光年=1016米

意义：

①表征天体间的空间距离；

②表征携带信息的时间历史。

光1秒钟可以绕地球运行7圈，光从太阳传到地球只需要约8分钟。

我们懂得天外有天，还有许多和我们地球相似的星球住有居民，受到崇拜，我们就不会对地球上称之为伟大的东西赞不绝口，也就会藐视大多数凡夫俗子所津津乐道的区区小事。

--惠更斯

假若升上地球之颠，从高往下观察，就可以明白，造物主究竟把我们这小小寰球变成了什么模样。

这样，就像要远足旅行的人一样，我们就会更加清楚出发前该做些什么准备，也就会更准确地估计和评价旅途中的一切。

此外，假如

天体系统尺度：

天体系统质量：

1、太阳系--以太阳为中心，以及由它的引力支配而绕它运动的天体所构成的系统。

太阳系中的天体定义为三类，即：

行星、矮行星和"太阳系小天体"。

（1）太阳--银河系中一颗普通恒星

直径约1.5?

10-7光年，表面温度6000K,中心温度1.5?

107K,质量相当于33.3万个地球

日珥、太阳黑子、米粒组织

太阳黑子

黑子的重要特性是它们的磁场强度，黑子越大，磁场强度越高，大黑子的磁场强度可达4000高斯

太阳黑子活动呈周期出现，在黑子群周围常出现耀斑，发出的辐射和粒子同地球磁场和电离层相互作用会使地球上的短波无线电通讯中断并出现极光。

太阳黑子其实并不黑，只不过由于它比周围的温度低，看起来显得黑些罢了。

"日出黄，有黑气，大如钱，居日中"《汉书·五行志》

太阳风--地球的磁场盾牌被吹扁了。

（2）水星（mercury）-神行太保

1年=88天，1天=58.6天

水星无大气，与月球相似，表面有环形山，没有卫星。

水星近日点的进动：

勒威耶---水星内侧有一颗行星？

爱因斯坦--广义相对论。

R=0.37R地、M=（1/19）M地、

?

=5.8g/cm3、V=0.056V地

T=180~430度

（3）金星（Venus）--美（爱）神

金星凌日--测量日地距离

启明星--东升

长庚星--西落

金星大气稠密（地球的90倍）

--96%二氧化碳（温室效应480°C），

3.5%氮，二氧化硫、一氧化碳、......

气压--8.9?

106帕

太阳从西边出来，1年=225天，1天=247天

R=6052公里、M=0.81M地、

?

=5.1g/cm3、V=0.88V地

T=180~430度

地球的内部结构:

地球的半径：

平均6370千米

地球的外衣：

地壳（平均厚度33千米）

地球中间层：

地幔（平均厚度2800多千米）

地球的核心：

地核（内核、外核）

（4）地球:

一颗大行星,年龄约40~50亿年

人类起源：

~100万年

中华文明史：

5000年以上

月球--离地球最近的天体，地球唯一的卫星

表面无大气，布满环形山，本身不发光，直径3476km，距地球38.4万公里。

若无陨星撞击，12名宇航员的脚印将留存50万年。

（5）火星（Mars）--战神

类似地球的行星：

有自转、公转、四季、日夜、固定形态、大气、冰雪覆盖的两极......，有两颗卫星。

1年=687天，1天=1.026天

火星上有生命吗?

近30年来已发射了30多只探测器（30%的成功率）:

水手9号、海盗1号、2号、火星探测者号（1994年7月4日）、......

美国：

2003年火星表面取样

2011年宇航员登陆火星

R=0.5R地、M=（1/10）M地

?

=3.94g/cm3、V=（1/6）V地

火星表面--无江河湖海、无动植物、无生命迹象。

火星大气--

95%二氧化碳、2.5%氢、1.5%氩、0.01%水蒸气。

大气压--600帕

火星尘暴频繁--1971年水手9号探测器到达火星上

空时，火星正发生全球性尘暴，针头班大小的尘粒被

带到50公里的高空，因而未探的有价值的信息，这次

风暴持续了3个多月。

巨大冰层惊现火星

2002年3月美国宇航局推进实验室宣布"火星奥德赛"号飞船发现，火星表面附近有巨大冰层。

（6）木星（Jupiter）--罗马众神之王

M=318M地、?

=1.3g/cm3

V=1317V地

1年=11.86年

1天=0.41天

木星大气--88%氢、11%氦、氨、甲烷、一氧化碳、水蒸气、......

木星有光环、有18颗卫星

木星大红斑--木星大气湍流

（7）土星（Saturn）--农神

M=95.18M地、?

=0.7g/cm3

V=745V地、D=9D地

可以浮于水上的星球

美丽的土星光环--

由冰、泥土、石块等绕土星旋转形成，环与环间的缝称为卡西尼缝

大气--氢、氦、氨、

甲烷等

表面温度为-140°C

土星卫星--23颗

（8）天王星（Uranus）--躺着旋转的行星

威廉?

赫歇尔的故事：

M=15M地、?

=1.2g/cm3

V=64V地、D=4D地

天王星有5颗卫星

1年=82年、1天=0.7天

大气--氢、氦、甲烷等

1781年3月13日发现天王星

（9）海王星（Neptune）--笔尖上的发现

亚当斯--英国剑桥学生

1845年算出海王星的存在。

勒威耶--法国技术学校

助教1846年算出海王星的

存在。

引发两国长达数年的辛酸笔战。

大气--甲烷、氢、氮、氦、氨等，温度月-200°C

D=3.9D地、?

=2.1g/cm3

V=57V地

海王星有2颗卫星。

（10）冥王星

著名天文学家弗拉利翁言中：

你以为一切都发现了吗？

那真是绝顶的荒谬了；

这无异把有限的天边

当做了世界的尽头。

1年=248年，被发现70年了。

D=2300公里、M=0.0024M地

V=0.01V地

九星连珠：

由于大行星绕太阳运动的轨道大小、速度各不相同，它们很难聚集在以太阳为中心的扇形区域内。

这是1982年出现的九星连珠现象

彗星:

围绕太阳运行或行经太阳附近的云雾状天体，由慧核、慧发、慧尾组成

陨石:

流星体进入地球的大气层中一般都能完全燃烧气化，只有较大的流星体燃烧不完，可以陨落到地面上而被称为陨星。

90%为硅酸盐矿物的石陨星称为陨石。

吉林1号陨石是目前世界上最大的陨石，重1770千克。

于1976年3月8日陨落在吉林省内。

3、银河系

扁平铁饼状结构，直径达10万光年，3000亿个恒星+星团+星云

太阳距银河系中心约3.3万光年

银河系全景

壮丽的银河

银河系的侧面

4、河外星系

距银河系200万光年的仙女座星系

星系NGA4946

典型的涡旋星系

除肉眼可见的大麦哲伦星系，小麦哲伦星系外，还有其他形状的星系，如椭圆、棒旋、不规则星系等，目前，已观测到的星系约500个。

5、星团

--由众多恒星集中在一个较小的空间内、相互有物理联系、在天空中形成稠密的集团。

著名的积尸星团、昴星团、毕宿星团等。

6、星云

--天空中云雾状的天体，有的亮，有的暗，呈现各种美丽的形状与图案。

半人马

长蛇座星云

气体星云

玫瑰星云

马头星云

猎户座旋涡

星云MSI

2宇宙和恒星的起源和演化

一、宇宙学的历史

中国古代：

天圆地方，不能解释日月星辰的东升西落。

盖天说

浑天说

宣夜说

宇宙无边无涯，空间到处有气体日月星辰浮于其中。

天是蛋壳，地是蛋黄。

西方：

《圣经》上帝7天创世纪--发现世上罪恶滔天--毁灭，只留下诺亚（方舟）

托勒玫地心说--哥白尼日心说--牛顿力学--爱因斯坦相对论统一了时、空、物质、引力和运动

对天体物理学和宇宙学有重要贡献的科学家

二、大爆炸宇宙模型

宇宙学

研究宇宙整体模型，及其合理性、可能性

可观测宇宙局部时空和物质运动性质

目前，尚无绝对公认的理论和对观测的解释。

宇宙物质的相互作用力是引力，其研究的理论基础

是引力理论。

牛顿引力理论--荒谬的结论

爱因斯坦广义相对论--宇宙学的动力学基础

1、天文学历史上的三次飞跃

（1）行星层次

--连结开普勒定律的飞跃（17世纪）

弟谷:

积累大量资料,达到前所未有的观测精度

开普勒：

发现开普勒行星运动三定律，适用于所有

行星的运动，给出行星理论的约束条件。

牛顿：

将地面物体力学规律应用于天体运动，实现

物理学的第一次大综合。

《世纪之交话天文》王绶琯上海科教

（2）恒星层次--连结赫--罗素的飞跃

1905赫茨普龙：

1913罗素：

发现恒星表面温度与恒星光度之间的关系，将纷杂现象纳入统一模型，给出恒星理论的约束条件：

第一，所有恒星最初均由氢、氦为主的原始气体凝聚而成；

第二，发生在恒星核心的核聚变制约恒星演化过程。

各恒星的区别：

原始质量不同，"年龄"不同。

（3）星系层次

--连结哈勃定律的飞跃（20世纪）

1929年，发现所有星系的光谱均有红移现象，红移量与距离r成正比。

将红移量折合成星系的运动速度：

哈勃常数：

2、宇宙的大尺度特征

（1）宇宙学原理

--宇宙在大尺度上空间分布均匀和各向

同性，物理量和物理规律是相同的。

（2）星系退行

--宇宙是非静止的、动态的变化的。

但银河系并非宇宙中心

该原理表明，宇宙中任一空间位置对于描述所

有的物理现象都是平权的

3、大爆炸宇宙模型

现代理论认为宇宙起源于一次大爆炸。

大爆炸前全部粒子处于高温、高压、高密度状态。

只有质子、中子、电子、

光子、中微子、?

介子、?

子、超子...

基本粒子汤--热平衡状态，持续约1分钟。

"大爆炸"启动了宇宙膨胀，后因膨胀、降温演化成了现在的宇宙。

1分钟到20分钟内温度降低

宇宙早期元素：

氦（2中子+2质子）--25%

爆炸后50年内，由于物质密度大，光子还不能

自由运动。

爆炸后100万年左右，温度下降为几千度，电子+质子形成氢原子，形成宇宙物质阶段。

此时光子可以自由传播。

在爆炸后50亿年左右，氢和氦凝聚形成星系、恒星、行星等宇宙天体。

支持大爆炸宇宙学说的主要实验事实：

（1）对宇宙中氢氦丰度的解释

利用基本粒子理论计算得，爆炸30分钟后，温度降为3*108K，约有1/4的质子转变成氦原子核并一直遗留到现在。

该结果与观测结果基本符合；同时很好地解释了为什么各星系氦的丰度奇妙地相似。

宇宙中氦的丰度

（3）微波背景辐射

（2）对宇宙学原理的解释

1965年，彭齐阿斯和威尔逊发现了消除不掉的各向同性的微波段的噪声辐射。

1989年，COBE对微波背景辐射测量的结果，非常精确地符合温度为2.271?

0.010K的黑体辐射谱。

（4）天体的年龄

大爆炸学说计算出的宇宙年龄150~200亿年。

目前各种方法测定的天体年龄50~110亿年，且均小于宇宙年龄。

符合大爆炸学说逻辑。

我们目睹的这种宇宙膨胀是否会无限地进行下去？

三种膨胀宇宙

开宇宙：

无限伸展且永远膨胀

闭宇宙：

有限，最终往回收缩到一次"大塌聚"

临界宇宙：

无限大，永远膨胀