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1、思考题一、请结合宇宙观测的证据（包括宇宙红移、3K背景辐射、恒星光谱特征、赫罗图等），谈谈你对宇宙的结构、形成过程、恒星演化过程的认识。参考材料：1 宇宙史话 刘宇星,肖军. 北京工业大学出版社 2010-112 文科天文 苏宜 编著 科学出版社 2010-6 第二章 宇宙、地球的起源与演化遂古之初，谁传道之？上下未形，何由考之？屈原：天问物类之起，必有所始。荀子：劝学1 银河系和宇宙起源学说11 银河系结构及太阳的运动晴夜仰望，但见天穹深邃，星光闪烁，银河高悬，流星飞驰。自古以来，群星构成的壮丽图案不但形成许多动人心弦的神话传说，更激励科学家们去探索宇宙的奥秘。16世纪前人们只能凭肉眼见到六
2、七千颗星体，著名的银河（Milky Way）仅是一条乳白色亮带。在当时条件下，古代天文学家创建了天体测量学和哥白尼日心学说，认识到太阳系内天体运行的现象，解决了人类的授时和编历问题，为史前畜牧经济和以后的农业经济发展作出了重要贡献。17世纪是人类认识宇宙的一次重要飞跃期。天文望远镜问世、开普勒三定律和万有引力定律建立，标志着人类进入掌握行星层次天体运动规律的新阶段，为人类进入工业经济时代奠定必要的科学基础。20世纪早期恒星演化理论的建立，反映了天体物理学和现代天文学的进展，标志着人类在恒星层次上实现了认识宇宙的第二次飞跃。20世纪后半叶是人类对宇宙认识的第三次飞跃期。在研究手段方面建立了大型光
3、学望远镜、红外望远镜和射电望远镜，使天文观测领域扩展到整个电磁波段（含可见光、紫外光、红外光、无线电波、X射线、射线）和150亿光年左右时空尺度。观察地点发展到U2高空侦察机、哈勃太空望远镜、宇宙探测器和人类登月，避免了地球大气干扰和局限。理论方面有宇宙大爆炸学说多种模型问世。在人类从星系层次加深对动态宇宙的认识方面是划时代的进步，也与人类自工业经济迈向知识经济时代的转变相适应。（1）银河系结构银河系 是星系的典型代表，由15002000亿颗恒星和无数的星际物质组成。银河系主体部分称银盘，直径8.5104l.y.（光年）（1l.y.=94600108km），中央呈近似球形隆起的部分，称为核球，
4、直径1041.3104l.y.，厚约104l.y.，是恒星高度密集区域；核球的中心称为银核，是银河系的质心。肉眼见到的银河就是银河系主体在天球上的投影。银盘外围被恒星密度很稀的扁球状银晕所包围，直径达到10104l.y.（图2-1，左；1103秒差距（pc）=3261.6l.y.）。从垂直银河系平面的方向看，银盘内恒星和星际物质在磁场和密度波影响下分布并不均匀，而是由核球向外伸出的四条旋臂组成旋涡结构（图2-1，右）。旋臂是银河系中恒星和星际物质的密集部位。太阳是银河系众多恒星中的普通一员，它位于银盘中心平面（银道面）附近和一条旋臂（猎户座旋臂）的内缘，距银核约2.7104l.y.处。（2）太
5、阳在银河系内的运动银河系的旋涡结构反映了自身存在自转运动，也就是银河系中的恒星、星云和星际物质都绕银核旋转。太阳绕银核旋转的速度为250km/s，旋转一周约2.51083108y，称为银河年。银河系内不同星体间的运动也存在复杂的情况。有人提出太阳在旋转过程中可能发生两种周期性变化。一种是从银河系侧面看，发生在银道面上下的往复波动，大体每隔35百万年就穿越银道面一次。另一种是从银河系平面看，由于不同星体旋转速度不等，太阳与银河系四个旋臂并不同步并行，大体每隔75百万年就穿越旋臂一次。上述假说在天文学研究领域内尚待进一步验证。12 星系运动和总星系（1）银河系的运动和河外星系银河系除存在自转外，同
6、时整体以214km/s的速度向着麒麟座方向运动。近些年天文学研究已陆续发现，宇宙空间中存在500亿个类似银河系的恒星系，它们自身直径也达十万光年左右，离银河系则有几十亿至上百亿光年之遥，称为河外星系。若把可见宇宙比作广阔的海洋，它们只不过是散布其中的岛屿，也称为宇宙岛（world island）。（2）从星系团到总星系10万光年尺度的星系在空间分布并不均匀，它们有成团的趋势，可以形成星系团。星系团的规模大小不等，形状也各不相同，典型的空间尺度达到千万光年（即108km）量级，总质量达到1047g量级。星系团内星系之间距离约为百万光年量级。银河系和相邻仙女星系、麦哲伦星云等30个星系组成一个规模
7、较小的集团，称为本星系群。星系团在空间的分布也不均匀，许多星系团可以进一步组成超星系团，典型的空间尺度达到1亿光年量级。本星系群和室女星系团构成的本超星系团，直径约12.5亿光年，总质量为太阳的千万亿倍。人类现在观测能力所及的可见宇宙称为总星系，其典型空间尺度为150亿光年，年龄为100亿光年量级，总质量达到1056克量级。13 大爆炸学说与宇宙起源问题（1）谱线红移与可见宇宙轰鸣的火车驶近我们时声波频率增强，声调变高；驶离时则声波频率降低，声调变低（多普勒效应）。与此同理，发光星体接近观察者时，见到的星光谱线向频率高的蓝光方向移动，称为蓝移；当离开观察者时，向频率低的红光方向移动，称为红移。
8、哈勃（EPHubble，1929）经过大量实际观测发现，来自不同星系的光呈现某种系统性的红移现象。根据星系中特定原子发射的光的谱线与地球上实验室内同种原子发射的光进行比较，可求得光源星系离开观察者的退行速度；再根据相同类型恒星的视亮度比较，推算出光源星体离我们的距离。由此获得了“光源越远的星体，离我们而去的速度也越快”的结论，就是著名的哈勃定律（图2-2）。哈勃定律揭示了遥远的星系正在“逃离”我们而去，整个总星系都处于膨胀的变化之中，已经成为当今人们的共识。另一方面，银河系内部不同恒星的谱线分析证明也有不少蓝移现象，反映星系内部仍然具有吸引力。1996年哈勃太空望远镜还拍摄到距地球630010
9、4光年处（乌鸦座南部）星系间发生超级碰撞的照片。因此，宇宙的膨胀看来主要发生在星系团之间的空间迅速增大，星系本身尺度变化不大，类似吹胀气球时在气球表面看到的情况（图2-3）。已知宇宙中不同部位的密度特征也可能与之有关（表2-1）。（2）大爆炸宇宙学说当代宇宙起源假设中，大爆炸宇宙学说是最有影响的一种学说。该学说提出于40年代，本身也在不断发展完善中。其主要内容如下：宇宙在大爆炸前处于极高温和超高密状态，物质与反物质以及物质与能量均呈平衡状态。在某种物理条件下开始了大爆炸，在宇宙诞生10-44s之后体积急剧暴胀，在10-34s内迅速膨胀约10100倍，密度相应降低。但在1秒钟之内温度仍高达103
10、2K至1010K以上，原子和分子均无法存在。当时宇宙中的物质存在形式和行为目前无法在实验室模拟，推测可能存在辐射能以及电子、中微子（neutrinos，一种不受电、磁、核力影响的基本粒子，1998年证实具有极微小的静止质量）和质子、中子形式基本粒子。目前人类业已观测到从宇宙早期留下的最早原子核形成于爆炸后1秒钟，因此，可以把这1s看作宇宙史研究的一道分水岭。爆炸进行3min后，温度降至109K以下，核反应开始启动，由质子和中子聚变为氘核、氦核和锂核最轻元素后可以不至于瓦解（图2-4）。当时全部物质中氦占约22，氢占78，还有极少量氘和锂。至百万年前后，温度降至1076K范围，宇宙间弥漫着由轻元
11、素原子核和电子、质子等组成的等离子体。2.5亿年后温度降至103K时，辐射减弱，中性原子形成，等离子体复合成为正常气体。至10亿年前后星系开始形成，50亿年前后开始出现首批恒星，太阳系的形成则在100亿年前后。宇宙大爆炸学说虽然获得国际多数学者支持，但在大爆炸起因，大爆炸是永远进行下去还是后期将转化为收缩，大爆炸由一个奇点开始还是整个空间每一点都可看作是膨胀的中心，大爆炸最初1秒钟内的物质形式和行为等根本性问题上并没有公认结论，在哈勃半径和宇宙形成年龄测定上还存在不同见解。有关宇宙大爆炸各种模型的提出和探讨，势必涉及时空是否永恒存在等一系列根本的哲学思想问题。例如有人认为，在大爆炸之初的10-
12、43s（普朗克时期），当时的可见宇宙尺度小于它的量子波长，整个宇宙变得为量子不确定性所主宰，根本就没有“钟”和“尺子”能加以测量，即广义相对论时空概念失效，是一个没有时空的物理世界，需要通过时空的量子化途径来探讨已知时空形式的起源。这对于传统上认为宇宙无边无界、无始无终的哲学思想也是一种冲击，对于促进哲学观念的现代化也有重要意义。2 恒星演化与太阳系形成21 星系的起源宇宙空间中大量星系的形成机制，主要存在由弥漫物质凝聚的星云说和由超密物质爆发的超密说两大流派。星云说 强调初始宇宙空间充满密度极低的星际气体和尘埃物质，在自引力下这些物质逐渐聚集成许多大型星系云，再在星系云内诞生大量恒星（见本章
13、22节）而形成星系。20世纪80年代初，天文学家已发现离我们100亿光年外存在的原始星系云，基本处于电离氢状态，其体积与银河系接近，可能为初始宇宙大爆炸后遗留下来的原始星云物质。这为星系起源的星云说提供可信佐证。超密说 强调可见宇宙大爆炸过程中抛射出许多超高密度的物质块，每个块形成一个星系。超密块爆发从核心再向四周演化，星系核心为残留的超密块，因此爆发作用尚未止熄。天文学家已发现银核是一个强射电源区（强烈辐射射电波、红外波、射线波等），对本假说是有力支持。在可见宇宙中，星系多达500亿个左右，形态结构和规模大小各异（图2-5），很可能并非由单一机制形成。星云说反映了宇宙间弥漫星云物质收缩凝聚的
14、“合二而一”过程，超密说则体现了宇宙间物质状态的“一分为二”发展方向，很可能这两条途径都与星系形成有关。但究竟以何种方式为主，不同方式出现的条件是什么，是否还有其他成因机制等，尚待研究。哈勃（1926）按星系形态结构特征，区分为椭圆星系（E）、旋涡星系（S）和不规则星系（Ir，）三大类。银河系以往认为是典型的旋涡星系，最近趋向属棒旋星系。肉眼可见的仙女座大星云附近的伴生星系则属椭圆星系，著名的大、小麦哲伦星系可能都是不规则星系。星系的演化趋势有人强调由椭圆星系旋涡星系不规则星系，也有人持相反的见解。旋涡星系的旋臂演化方向是旋紧还是旋松迄今也无法通过人类短期观测确认。近年来更多研究者倾向星系的分
15、类序列与演化序列无关。22 恒星的起源与演化现代天文学的多数假设支持，恒星最初由弥漫稀薄的气体和尘埃（星云）经过凝聚、加热过程而形成，可区分为以下四个阶段。（1）幼年期原始星云的一部分开始进入收缩过程，推测与涡旋运动有关，很可能受到相邻超新星爆发所产生冲击波的启动。涡旋体系中心部分处于引力收缩状态，随着势能转变为热能，使温度上升。在温度还不足以启动热核反应情况下，这种收缩的气体团不发射可见光，称为原恒星（protostar）。当原恒星开始不再收缩时，核心部分氢开始点燃，出现“氢闪”，标志进入了青少年期。以中等大小的恒星（太阳）为例，此阶段约经历5000万年。质量很大的原恒星由于有较强的引力场，只需要50万年。质量只有太阳1/5的原恒星，估计寿命可达6亿年。（2）青壮年期原恒星核部温度上升到不小于7106K条件下，核部氢燃烧引起的热核反应开始启动，就标志着一颗恒星正式产生。由于恒星内部排斥力与自身吸引力处于基本平衡状态，进入了相对稳定的漫长演化时期。目前银河系中90的恒星都属此演化阶段。丹麦天文学家赫茨普龙（EHertgsprung）和美国天文学家罗素（HNRussell）分别统计了恒星的光度（反映恒星质量）和颜
