宇观世界探索

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1、,第六章 宇观世界探索,我国天文学家，戴文赛根据现代天文学的观测结果，引进“宇观”这个概念来表征宇宙模型的物质过程。 宇观物体包含太阳，恒星，行星这样的天体。 最大的特征是万有引力起支配作用。,宇宙的物质质量单位 白矮星 中子星 宇宙大尺度的结构：暗物质，暗能量,中子星,中子星：初始质量更大的恒星，其晚期核心的引力坍缩会更厉害。可能的结局是电子被挤进原子核内，与质了结合成中子，并且达到简并状态。恒星的外层则随即出超新星爆发而被炸散。剩下的只是一个由简并中子气压力支撑的核心 中子星几乎完全由中子组成，其大小只有同质量年轻恒星的百万分之一。1967年发现的射电脉冲星即为中子星,暗能量的效应,什么是

2、暗能量？ 地球、太阳和所有我们看得见的星云都是由电子、质子、中子构成的，其中有一些极少数的反物质：正电子、反质子可是，像我们知道的这类物质在我们宇宙中仅仅占了不到百分之五。大多数我们宇宙中的能量是暗物质和暗能量。看不见，也不知道是什么东西。 暗物质对所有我们能测量的光、电场、磁场、强作用(核力场)都不起任何作用，可是暗物质有引力场(地心吸力就是引力场)，且是排斥的。通过引力场我们知道 有暗物质存在 。,暗能量能产生一种负的压力。爱因斯坦在20世纪早期就曾假设过负压力这种性质的存在。后来，因为没有实验的支持，爱因斯坦就放 弃了。 暗能量可以将物质质量全部消失，完全转化为能量! 宇宙的“加速地”膨

3、胀，是由于一种负压力，也就是暗能量的存在才膨胀的 。 李政道提出了“天外有天”的观念，所谓“天外有天”，是指因为暗能量，我们的宇宙之外可能有很多的宇宙。,目录,人类宇宙观的演化 宇宙观测和大爆炸宇宙学的发展 星系的起源与演化 标志恒星一生的赫罗图 太阳和太阳系的起源,1人类宇宙观的演化,中国古代 盖天说、浑天说、宣夜说 古代罗马，希腊 中心火焰说、地心说、日心说、正面宇宙结构,天体运行论1543 阿利斯塔克 （Aritarchus 公元前310-230) “地心说体系” 托勒玫（Ptolemaeus,85-165） 本轮、均轮、等点 阿尔丰索国王 顺行、逆行、留、水星金星的往返摆动 布鲁诺(B

4、runo,1548-1600)的无限宇宙,日心说及其天文观测依据 银河系的发现及太阳系在其中的位置 从星云到河外星系 大爆炸宇宙模型的提出及其理论预言,日心说及其天文观测依据,地球在围绕太阳运动,银河系的发现及太阳系在其中的位置,1918年提出，太阳系不在银河系的中心的观测结果。 在20世纪20年代，观测到银河系的自转 银河系质量1012m0 银河系直径30kpc 太阳距离其中心的距离8.5kpc,银河系由2000多亿颗恒星、星际气体和尘埃等构成，占据几千光年至几十万光年的空间的天体系统 银河系的形状呈扁盘形，像一个旋转的铁饼，扁盘的最大厚度为1104 l.y.；银河系发光部分距离约7104

5、l.y.，银盘外围有由恒星组成的球状银晕，直径为1105l.y.，银晕中恒星的密度比银盘中恒星密度小得多 1光年=9.4607301015m，表示光在真空中1年内传播的距离，光年用“l.y.”表示；光速在真空的速度为29.97105km/s 银河系呈旋涡状，由两个臂组成，银河绕着中心-银心旋转 太阳在银轴3/5处，以250km/s速度运动，约2亿年绕银心旋转一周,仙女座星系,太阳系行星合成照片,旋涡状座星系,陨石,太阳系,从星云到河外星系,1922发现河外星系,大爆炸宇宙模型的提出及其理论预言,1932年，提出宇宙是一个极端高热，极端压缩状态下原始原子膨胀而产生的。 1948年，伽末伏把核物理

6、学同宇宙膨胀理论结合起来，奠定了大爆炸理论的基础，更清晰的描述了宇宙从原始高密状态演化，膨胀的概貌。,弗里德曼证明了： 相对论 膨胀的宇宙 哈勃的发现，大爆炸宇宙模型,哈勃非稳衡宇宙,红移（见图）,多普勒效应 1929年，24个星系，d已知 V=Kd ; V=Hod Ho =150km/秒.千万光年,2宇宙观测和大爆炸宇宙学的发展,宇宙观测及其意义 大爆炸宇宙学面临的困难 暴胀宇宙的成就和困难,宇宙观测及其意义,宇宙观测的几个方面： 宇宙微波背景辐射 膨胀 均匀性和各向同性 宇宙的年龄 轻元素的丰度 物质密度 宇宙大尺度的结构,射电天文望远镜阵列,2.7K的发现,1925年，贝尔实验室 央斯基

7、 最大的无线电干扰-射电辐射源 射电天文学 3万个射电源 “类星体，脉冲星，3K，星际有机分子谱线” 普：R.H迪克60年代寻找5K. 1962年，彭齐亚斯，威尔逊 1964年，排除噪声 1965年 1978年获诺贝尔物理学奖,“他们的发现是一项根本性的发现，它使人们很有可能得到关于很久以前-在宇宙形成时-所发生的宇宙变化过程的信息。” 意外-偶然-必然,He的丰度,预言：天体He丰度为宇宙 成分的26% 天体年龄,大爆炸宇宙学面临的困难,均匀性问题 平均性问题,“大爆炸宇宙”模型，或标准模型，20世纪末50年代初由伽莫夫等人提出，它认为宇宙起始于极端高温高密度“原始火球”的爆炸，爆炸后的宇宙

8、随即膨胀，温度密度逐渐降低而演化至今。根据目前已知的理论可推得各种粒子和物质相应的生成时间，推得星系与恒星的形成与演化。该理论得到相应天文观测资料的验证，如微波背景辐射、宇宙中的氢氦元素比例、氘锂丰度等，爆炸宇宙模型已能较好地处理一系列极早期宇宙难题,暴胀宇宙的成就和困难,膨胀宇宙：1922年苏联数字家费里德曼提出，它包括两类膨胀解和一类振荡解，对于膨胀解，宇宙将一直膨胀下去；对于振荡解，宇宙呈现膨胀-收缩的振荡。1927年比利时人梅特勒在观测到河外星系光谱红移现象，被解释为非静态宇宙有膨胀效应。,宇宙在加速膨胀,宇宙加速膨胀过程,1,2,3,4,5,宇宙事件,宇宙的时间历程,宇宙的结局,“凡

9、是形成的东西都是要灭亡的。” 宇宙有起源，宇宙有终结；“杞人忧天” 预言并非都是骗局 关键是宇宙的平均密度 取决于将行星系拉回来的引力的大小 引力取决于：宇宙中物质总量，宇宙半径,3星系的起源与演化,星系的形成时期及分类 银河系的年轮及其次系 剧烈变化的星系核,星系的形成时期及分类,形成时期：宇宙复合 分类： 椭圆星系 旋涡星系（正常旋涡，棒旋涡） 不规则星系,银河系的年轮及其次系,环状星团 最老的 0型和B型 最年轻 介于二者之间,剧烈变化的星系核,蝎虎座BL型天体，光变很剧烈,4标志恒星一生的赫罗图,恒星的形成 恒星的分类 揭示恒星一生经历的秘密-赫罗图 恒星演化的结局,恒星的形成,星系形

10、成的初期阶段仍是一个较均匀的称为星云的物质团。 引力作用,恒星的分类,哈佛分类,揭示恒星一生经历的秘密-赫罗图,恒星的光度和光谱型关系图。 丹麦天文学家赫次扑龙和罗素1905-1913年独立发现的。 推测太阳系的一生。 太阳系处于赫罗图主星序的中部,赫罗星图,恒星的温度,低,高,高,恒 星 的 亮 度,太阳,太阳系中等质量，中等温度的中年恒星。 50亿年前形成， 50亿年以后变成巨星，半径扩展到现在的160倍。 50亿年以后，水星被太阳吞并 太阳的边界扩展到金星 地球由于温度太高，早已变成一片美丽的焦土。,恒星演化的结局,钱德拉塞极限 超新星爆炸和脉冲星。 黑洞 时空区域，表面连光线也难以逃离

11、其引力束缚。 霍金，“自发蒸发学说”时间简史 “黑洞是科学史上极为罕见的情形之一”，在没有任何观测的证据的情况下证明其理论正确性的情形下，作数学模型被发展到非常详尽的地步。 白洞-反坍缩,黑洞：如果恒星在经过各种形成的质量损失特别是超新星爆发之后，其核心剩余的质量仍在3m以上时，就没有任何力量能阻止引力坍缩。按广义相对论，物体一旦收缩到一个被称为引力半径的特征半径以下，强大的引力应付以使得包括光在内的任何物质都不可能再逃逸出来，物体也就消失在黑暗中 黑洞在1967年由美国物理学家约翰惠勒提出。1973年，英国物理学家史蒂芬霍金研究发现，黑洞不是完全黑的，它以恒定的速率发射出辐射和粒子。发射出的

12、粒子具有准确的热谱。,恒星的结局,小于3个太阳白矮星冷却黑矮星,3-10个太阳质量核炸超新星,大于10个太阳质量内炸，超新星，中子星（脉冲星，R10km, V增大），黑洞,He燃烧合成C,O,Ne,Mg,S,Si,抛出外壳,红巨星,忙忙碌碌又开始了,“臭蛋星云”,宇宙也会衰老,5太阳和太阳系的起源,研究太阳的双重意义 太阳系的起源和太阳的形成 行星及其卫星的形成,地球是太阳系中的一颗行星，距太阳平均距离为1.4965108km 太阳是太阳系的中心天体 太阳系由太阳、行星及其卫星、彗星、流星体和行星际物质构成的天体 离太阳由近及远依次是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星和冥王星等

13、九大行星。九大行星围绕太阳沿轨道公转，同时自转 冥王星距太阳平均距离5.9109km。火星和木星之间运行着几十万颗小行星 太阳系中质量较小的天体还有流星和慧星 太阳是一颗普通的恒星，太阳系是银河系中的一个星系,太阳系是银河系中的一个星系。太阳在银道面经北约26l.y.，距银心约32600l.y.，以250km/s速度绕银心运转，每2.5亿年转1周 太阳系是由太阳、行星及其卫星、彗星、流星体和行星际物质构的天体系统 在太阳系中，太阳是中心天体，其他天体都在太阳的引力作用下，绕太阳公转。其他天体主要成员是九大行星：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星 太阳的质量占太阳系总质量

14、的99.8%，其他天体质量总和只有太阳系总质量的0.2%。九大行星都在接近同一平面的近圆形轨道上，朝同一方向公转。九大行星都有自转。地球、火星、木星、土星、天王星和海王星自转周期分几个等级。,研究太阳的双重意义,古代的对太阳的崇拜 太阳的活动对地球影响重大,太阳系的起源和太阳的形成,灾变说 俘获说 星云说或共同形成说,太阳系的起源：50亿前，太阳是一团缓慢转动的弥漫气体云。由于其他天体的引力扰动或邻近超新星爆发的冲击波，这块气体云开始坍缩，稠密的核心变为原始太阳，周围旋转的尘粒和气体原子，形成一个薄盘太阳原星云。后原太阳星云分裂为大量引力束缚的团块(星子)，星子具有小行星的尺度，其中一部分就是

15、今天的小行星和彗核。另一部分通过碰撞合并长大成星胚。这些星胚继续吸积击周围的物质，像滚雪球一样最后变成大行星及其卫星,起源假说及其发展,Kant-Laplace星云说 18世纪Kant, 1755自然通史和天体理论 Laplace, 1796宇宙体系论 无法解释角动量分配异常 新星云说 40年代， .(前苏) 60年代，F.Hoyle(英) E.Schatzman(法),Laplace星云假说,太阳系的九大行星,太阳系中的慧星,流星,太阳,光球层,色球层,日冕,1997年3月日全食的日冕,光谱分析：73种元素，H：71% ，He：26.5%，O+C+N+Ne:2%;Mg,Ni,Si,S,Fe,

16、Ca 0.14%. 光球层： 厚300km,5500oC, 0.01g/ cm3. 色球层： 厚3000-5000km，日全食时呈玫瑰红色，可达100万度K. 日 冕： 最外层的稀薄等离子体太阳风大气层，d=10-12g/ cm3 . 100万K,800km/s,400km/s 黑 子： 直径2000-10000km，4200oC，具极强磁场；对气候与生态变化的影响有11年周期. 耀 斑： 在黑子群上空的亮点出现在色球层中，n秒钟内可扩大成纤维云状物，直径10万km，T 1.5万-100万度.,太阳黑子和日面米粒组织,太阳黑子,太阳光球,太阳耀斑,环状日珥在太阳表面上部，高温气体被磁环所控制,行星及其卫星的形成,薄尘 粒子团 星子 星胎 行星 地球形成于大约100万年前,太阳系中的行星,“伽利略” 于2003.9.21坠入木星大气层,旅行者2号的旅程,旅行者2号对海王星