宇宙起源.doc

《宇宙起源.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《宇宙起源.doc（10页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、1.11.1 银河系结构及太阳的运动银河系结构及太阳的运动晴夜仰望，但见天穹深邃，星体闪烁，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、七千颗星体，著名的银河银河(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

2、入掌握掌握行星层次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、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

3、层次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)银河系结构银河系银河系是星系的典型代表，由 1500 多亿颗恒星和星际物质组成。银河系主体部分称银银 盘盘，直径 8.5 万光年（1 光年94600108km），中央呈近似球形隆起的部分称为核球核球， 直径 1-1.3 万光年，厚约 1 万光年，是恒星高度密集区域；核球的中心称为银核银核，是银河 系的质量中心。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 稀的扁球状银晕银晕所包围，直径达到 10 万光年（千秒差距=3261.6 光年）。从垂直银河系平面的方向看，银盘内

4、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旋臂组成旋涡结构。旋臂是银河系中恒星和际物质的密 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（银道面银道面）附近和一条旋 臂（猎户座旋臂）的内缘，距银核约 2.7 万光年处。(2)太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 250 km/s，旋转一周约 2.53 亿年，称为银河银河 年年。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 二种周期性变化。一种是从银河系侧面看发生在银道

5、面上下的往复波动，大体每隔 35 百万 年就穿越银道面穿越银道面一次。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。1.21.2 星系运动和总星系星系运动和总星系 (1)银河系的运动和河外星系 银河系除存在自转外，同时整体以 214 km/s 的速度向着麒麟座方向运动。近年天文学 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

6、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较小的集团，称为本星系群。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 年量级，总质量达到 1056克量级。1.31.3 大爆炸宇宙学与宇宙起源问题大爆炸宇宙学与宇宙起源问题

7、(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，称为蓝移蓝移；当离开观察者时，向频率低的红光方向移动，称为红移红移。哈勃(E.P. Hubble, 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

8、越快”的 结论，就是著名的哈勃定律哈勃定律。 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 6300 万光年处（乌雅座南部）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。现知宇宙中不同部位的密度特征也可能与之有关（表 2-1）。 表表 2-12-1 宇宙不同部位空间物质密度宇宙不同部位空间物质密度位置 太阳系内

9、行星际物质 银河系内星际物质 总星系内星系际物质 密度 5 个质子5 个电子/cm3(地球轨道附近) 1 个氢原子/cm3或 10-24g/cm3(平均) 510-30g/cm3（星系团中心附近）210-34g/cm3（一般空间） (2)大爆炸宇宙学说当代宇宙起源假设中，大爆炸宇宙学大爆炸宇宙学说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，近年的主要内容如下：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 10-44秒之后体积急剧暴胀暴胀，在 10-34秒 内迅速膨胀约 10100倍，密度

10、相应降低。但在 1 秒钟之内温度仍高达 1032K 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 1 秒看作宇宙史研究的 一道分水岭。爆炸进行 3 分钟后，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

11、%，氢占 78%，还有极少量氘和锂。至百万年前后，温度降至 107-6K 范围，宇宙间弥漫着由轻元素原子核和电子、质子等 组成的等离子体。2.5 亿年后温度降至 103K 范围时，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

12、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。例为有人认为在大爆炸之初的 10-43秒（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。2.12.1 星系的起源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

13、流派。星云说星云说 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 2.2 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。为 星系起源的星云说提供可信佐证。超密说超密说 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。超密块爆炸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息。 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

14、外波、 射线波等），对本 假说是有力支持。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，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“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，是否还有其它成因机制等，尚待继续研 究。 哈勃（1926）按星系形态结构特征，区分为椭圆星系椭圆星系（E）、旋涡星系旋涡星系（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

15、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类序列与演化序列无关。2.12.1 星系的起源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 2.2 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

16、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。为 星系起源的星云说提供可信佐证。超密说超密说 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。超密块爆炸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息。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。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，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“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，是否还有其它成因机制等，尚待继续研 究。 哈勃（1926）按星系形态结构特征，区分为椭圆星系椭圆星系（E）、旋涡星系旋涡星系（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，