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1、第二章、行星地球,第一节、地球的宇宙环境,一、从地球看宇宙 有星光闪烁的恒星 有绕恒星运动的行星 有圆缺多变的月亮 有轮廓模糊的星云 有一闪即逝的流星 有拖着长尾的彗星 有星际物质气体和尘埃 有形式各异、大小不一的人造天体,（一）恒星,定义：由炽热气体组成的，能自行发光发热的球状或类球状天体。 能量来源：核聚变反应。 成分：氢约占，氦约占，其余为碳、氮、铁等。,、恒星的距离 单位： （）光年：光在一年时间所经过的距离。亿。太阳分秒，比邻星光年。 （）秒差距：恒星周年视差为时的恒星距离叫作秒差距。 （）天文单位（日地平均距离）、光年和秒差距的关系： 光年天文单位 秒差距光年206162天文单位,
2、、恒星的亮度和光度 （）亮度：在地球上肉眼所见恒星的明暗程度称为视亮度，简称亮度。亮度等级用视星等m表示。肉眼看到最明亮的星为一等星，最暗的叫六等星，亮度相差倍，每差一级亮度差倍。公式： （）光度：恒星的发光程度用绝对星等表示将恒星移到距地球秒差距（）光年处的视星等称为绝对星等 （）m、M和r的关系：P10,假设有两个恒星,其亮度为E和E0，星等为m和m0。则： E/E0=2.512m-m0 两边取对数,且有 lg2.512=0.4，得： lgE0-lgE=0.4(m-m0 ) m-m0=2.5(lgE0- lgE) 如果取零等星(m0=0)的亮度E0=1，则 m=-2.5 lgE 普森公式，
3、根据恒星的亮度E推算星等m,光源的视亮度与其距离的平方成反比，距离增加1倍，亮度便减为1/4,设EM表示绝对亮度，Em表示视亮度，由公式得： EM/Em=2.512(m-M) 恒星亮度与距离平方成反比，如以秒差距为单位，则： EM/Em= d2/102 d2/102 =2.512(m-M) 两边取对数，且有lg2.512=0.4，则： 2lgd-2=0.4(m-M ) m-M =5lgd-5 M=m+5-5lgd 只要测定恒星的绝对星等，便可求知该星的距离。,3、特殊的恒星 （）变星：在短时间内（几年或更短）亮度发生明显变化的恒星。 几何变星：两颗星的几何位置发生变化，即二者相互遮掩而引起亮度
4、变化的变星，又称食变星。 脉动变星：由于恒星体积作周期性的膨胀和收缩而引起亮度变化的变星。 爆发变星：恒星本身的爆发现象而引起亮度突然变化的变星，如新星，超新星。,脉冲星与中子星。 脉冲星：是以很短（几秒至百分之几秒）的周期发射出强烈的无线电脉冲的恒星。就是具有强磁场的快速自转的中子星。 中子星：由中子组成的恒星。由于恒星演化到后期，发生超新星爆发现象，爆发后核心部分急剧收缩，内部物质在高温高压情况下，把电子挤入原子核内，电子与质子结合成中子，从而形成中子星。特征：质量大，体积小，密度大。,恒星的多样性 单星，双星，星团 变星，新星，超新星 巨星，超巨星，白矮星 脉冲星，中子星,表恒星光谱型与
5、恒星的颜色、温度的关系。 赫罗图： 主星序：绝大多数恒星分布区域 巨星、超巨星：绝对星等为的、型星，光度更大的负至负等星。 白矮星：光度小、体积小、密度大的白色星。,、恒星的演化 （）恒星的光普 光谱-光度图通常也叫赫罗图。它以恒星的光谱型（或温度）为横坐标，以它的光度（或绝对星等）为纵坐标，每颗恒星按照各自的光谱型和光度，在图上占有一定的位置。太阳位于主星序的中部，可见它是一颗很典型的恒星。,（）恒星的演化过程 现代天体物理学最大的成就之一就是基本上说明了恒星演化和元素演化两个重要问题。 发生 发展 衰亡 转化,第一阶段:引力收缩阶段-幼年期.恒星是由星云凝聚而成。弥漫星云在自引力的作用下，
6、收缩成比较密集的气体引力势能转化为热能，内部温度升高并辐射能量向赫罗图上某个主序位置移动。质量愈大，收缩愈快，达到主序的位置愈高（温度高，光度大）。,第二阶段:主星序阶段-壮年期。恒星“移到”主序后，内部温度高到足以发生热核反应的程度热核反应代替引力收缩成为主要能源温度升高，热运动加快，恒星膨胀，排斥力足以同引力相抗衡恒星停止收缩，长期稳定依靠热核反应进行辐射。 一颗恒星在主序中的时间，占去其“生命” 的大半辈子；且在主序上逗留的时间，取决于其质量的大小质量愈大,引力愈强它必须维持较高的温度和较久的辐射功率以与引力收缩抗衡它的氢燃料消耗更快，寿命更短。,第三阶段：红巨星阶段中年期。热核反应是在
7、恒星的中心区域进行的，那里的氢核燃料最先燃尽，逐渐形成一个由氦组成的核，停止释放能量。氢燃料的逐渐枯竭，是恒星在结构上逐渐发生变化的前奏。 随着氦核的不断增大，其引力收缩急剧增强，并释放大量能量。结果，恒星的核心收缩（变得愈来愈致密和炽热），外层膨胀（温度降低而光度增大），成为一个非常巨大的具有“热”核的“冷”星。从而恒星离开主星序，进入红巨星区域生命的“晚年”。,第四阶段：白矮星、中子星、黑洞阶段晚年期。在红巨星阶段，恒星的演化速度大大加快。中心区域的温度和密度因收缩而继续升高，到1亿摄氏度时开始进行由氦核聚为碳核的新一轮热核反应；氦烧完后，温度继续因收缩而升高，原子核再聚变产生更重的元素能
8、量有限，到了“垂暮之年”，一旦核反应终止，对引力的抗衡全线崩溃自行坍塌。,红巨星收缩时，核心部分收缩最猛烈，外部处在较弱的引力下。核心温度因猛烈收缩而急剧上升，由此掀起的热浪会把外层气壳抛掉，剩下一颗致密和炽热的白矮星以后逐渐变冷，变成又小又暗的黑矮星终其一生。,并非所有恒星都经历如此“平静”的演化道路。 那些质量和体积特别巨大的恒星，演化的最后阶段会发生爆炸超新星爆发。如留下“残骸”的质量足够大（1.43.2倍太阳质量），便会“一落千丈”地坍塌为中子星（于1967年发现，1978年发现了300颗以上）。,恒星在核能耗尽后，如质量仍超过2倍的太阳质量，则平衡态不再存在，星体将无限收缩。连核力也
9、将在引力作用前面低下头来，中子也会坍塌，形成所谓的“黑洞”。 目前没有密度大于1015克/厘米3的物质的实验数据，无法推测星体的具体结构，但根据理论可以推断：星体的半径将愈来愈小，密度将愈来愈大，终于达到临界点引力之大足以使一切粒子、包括光子，都不能外逸，因而谓之黑洞。,（二）银河系,、银河和银河系 银河是银河系主体在天球上的投影（环天光带）。西方称“牛奶道路” 银河系是以银河命名的星系（形似圆盘）；,、银河系的结构、大小和形状 银河系主体：圆盘体（直径约万光年）和银晕； 圆盘体：核球和银盘； 核球中心：银核；银核中心：银心。,银河系结构俯视图：图中十字符号代表银心；三条短黄线是太阳附近的三条
10、旋臂,银河系结构侧视图图中红点代表太阳）,、银河系的运动 银河系的自转：整个银河系绕中心转轴不停旋转。 整个银河系朝着麒麟座方向运动。 太阳位于银道面附近。银河为周天的环带。太阳在银河系内偏距银盘的一侧，向银心所在方向，太阳距银心约万光年；向银心相反方向，太阳距银盘边缘约万光年。 太阳在银河系中的的运动：相对于银心的旋转，其速度为250km/s，绕转周期为2.5亿年；称为“宇宙年”。已经转了圈多。,(三)总星系 、河外星系 星云：由气体和尘埃组成的模糊不清的云雾状天体。 河内星云：位于银河系内。 河外星云或河外星系：银河系外的庞大恒星集团，由于太遥远，看上去也是云雾状。发现了亿个。 大麦哲伦星
11、系距地球万光年。小麦哲伦星系距地球万光年。仙女座大星系距地球万光年。,、总星系 （）天体系统的层次：地月系太阳系银河系星系群星系团超星系团总星系。 地月系：地球和月球组成。 太阳系：太阳和绕它运动的行星、小行星、卫星、彗星、等组成。 银河系：包括太阳在内的约亿颗恒星组成。 星系群：包括银河系在内的本星系群约个星系组成。 星系团：几十个以至成百上千个星系组成。 超星系团：直径亿至亿光年。,（）总星系的范围 目前我们观测到的最远距离为亿光年，在这个半径范围内的所有星系叫作总星系。,（四）无限的宇宙 哲学宇宙 宇宙无限； 空间无限：无边无际（无边界，形状和中心）； 时间无尽：无始无终（无起源，年龄和
12、寿命）。,科学宇宙：指总星系，即“观测到的宇宙” 时间上有起源、空间上有边界,（五）宇宙的起源大爆炸宇宙学简介 （）大爆炸宇宙学的基本观点 主要观点：宇宙的早期是一个超高密度、超高温的“宇宙蛋”。宇宙有一段由热到冷的演化史。在这个时期里，宇宙体系并不是静止的。而是在不断地膨胀，使物质密度从密到稀地演化。，这一从热到冷，丛密到稀的过程如同一次规模巨大的爆发。,（）大爆炸过程 在宇宙的早期，温度极高，在 100 亿度以上。物质密度也相当大，整个宇宙体系达到平衡。宇宙间只有中子、质子、电子、光子和中微子等一些基本粒子形态的物质。但因为整个体系在不断膨胀，结果温度在不断下降。当温度降到10亿度左右时，
13、中子开始失去自由存在的条件，它要么发生衰变，要么与质子结合成重氢、氦等元素。化学元素就是从这一时期开始形成的。温度进一步下降到 100 万度后，早期形成化学元素的过程结束,这时，宇宙间的主要物质是质子、电子、光子和一些比较轻的原子核。当温度下降到几千度时，辐射减退，宇宙间主要是气态物质，气体逐渐凝聚成气云，再进一步形成各种各样的恒星体系，成为我们今天看到的宇宙。,（）主要的观测事实 第一、观测到河外天体有系统性的谱线位移，而且红移与距离大体呈正比。如果用多普勒效应来解释、那么红移就是宇宙膨胀的反映。 第二、大爆炸理论主张所有恒星都是在温度下降后产生的，因而任何天体的年龄都应比温度下降至今天这一
14、段时间为短，即应小于 200 亿年。各种天体年龄的测量证明了这一点。 第三、在各种不同天体上，氦丰度相当大，而且大都是 30%。用恒星核反应机制不足以说明为什么有如此多的氦。而根据大爆炸理论，早期温度产生很高，产生氦的效率也很高，则可以说明这一事实。,第四、宇宙间存在各向同性的微波段的背景辐射。 上述观测事实无论在定性上还是在定量上都同大爆炸理论的预言相符。但是，大爆炸宇宙学还存在着一些未解决的困难问题，如宇宙蛋中无限密度以及爆炸机制问题。,二、地球所属的太阳系,（一）太阳系的组成 太阳（占质量百分之） 八大行星：水星，金星，地球，火星，土星，天王星，海王星。 矮行星：冥王星。 其他成员：小行
15、星，卫星，彗星，流星体等 共同组成的天体系统。,冥王星的发现：从理论到发现。但是“另类”。 齐娜：年美国天文学家布朗在太阳系外围科伊伯带发现，比冥王星大。 矮行星：年月日国际天文学会经天辩论，把冥王星和齐娜称为矮行星。 行星：指在围绕地球的轨道上，有足够大的质量来克服固体应力以达到流体静力平衡的形状（近似球体），以及已经清空了其轨道附近区域的天体。 科伊伯带：太阳系外围，黄道面带状区域内，存在亿至亿颗以冰态为主要成分的小天体围绕太阳公转。,（二）太阳 、太阳的距离和大小 第一定律（轨道定律）：行星轨道都是椭圆；太阳位于椭圆的焦点之一； 第二定律（面积定律）：行星向径在轨道平面上扫过的面积与时间成正比，即面速度不变 ； 第三定律（周期定律）：两行星周期平方之比，等于其距离立方之比： T12/T22=a13/a23 （）日地距离：日地平均距离为个天文单位a。1.496 108km （）太阳的大小和质量 半径约700 000km（为地球半径的109倍） 1.9891030kg（约为地球质量的33万倍） 密度是地球的四分之一。,、太阳的外部结构 太阳物质处于高度电离状态，氢和氦在高温高压
