2现代自然科学基础--天文学.ppt

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1、第二章 天文学,二十四节气是把一年内太阳在黄道上的位置变化和引起的地面气候的演变次序分为二十四段，每段约隔半个月，分别在十二个月里面。在月首的叫“节气“，在月中的叫“中气“，所谓“气“就是气象、气候的意思。这二十四个节气的名称和顺序是：立春、雨水、惊蛰、春分、清明、谷雨、立夏、小满、芒种、夏至、小暑、大暑、立秋、处暑、白露、秋分、寒露、霜降、立冬、小雪、大雪、冬至、小寒、大寒。其中立春、春分、立夏、夏至、立秋、秋分、立冬、冬至是用来划分一年四季的；“二分“二至“是季节转折点，“四立“表示季节的开始。小暑、大暑、处暑、小寒、大寒，表示一年中的最热、最冷的出现时期。白露、寒露、霜降反映气温下降的过

2、程与程度；雨水、谷雨、小雪、大雪反映降雨降雪时期的程度；惊蛰、清明、小满、芒种反映季节和农作物的生长现象。,二十八星宿是中国古代天文学的重大创造，它把连续通过南中天的星星分为二十八群，各以一个字来命名：角、亢、氏、房、心、尾、箕、斗、牛、女、虚、危、室、壁、奎、娄、胃、昂、毕、觜、参、井、鬼、柳、星、张、翼、轸。 二十八星宿与二十四节气对应关系参见P17,白羊座 3月21日-4月19日 金牛座 4月20日-5月20日 双子座 5月21日-6月21日 巨蟹座 6月22日-7月22日 狮子座 7月23日-8月22日 处女座 8月23日-9月22日 天秤座 9月23日-10月23日 天蝎座 10月2

3、4日-11月21日 射手座 11月22日-12月21日 摩羯座 12月22日-1月19日 水瓶座 1月20日-2月18日 双鱼座 2月19日-3月20日,第二章 天文学,2.1.1 人类宇宙观的演化 2.1.2 宇宙观测与大爆炸宇宙学的发展 2.1.3 星系的起源和演化 2.1.4 恒星的演化 2.1.5 了解太阳系的起源,2.1.1 人类宇宙观的演化,2.1.1.1 日心说及其天文观测依据 2.1.1.2 银河系的发现及太阳系在其中的位置 2.1.1.3 从星云到河外星系 2.1.1.4 大爆炸宇宙模型的提出及其理论预言,B. 托勒密地心学说,托勒密（Claudius Ptolemacus）

4、 生于锡贝德（埃及的一个希腊化城市） 在公元127至151年间在亚历山大城生活和工作。 地心说整整统治欧洲达1000多年之久。,2.1.1.2 银河系的发现及太阳系在其中的位置 哥白尼的宇宙理论日心说,发现了真正的太阳系,银河系是一个由数以亿计的恒星组成的巨大的天体系统。虽然我们的地球处在银河系中，但是我们对于银河系的了解还很有限。 由于有一层很厚的星际尘埃的阻挡，我们很难在光学望远镜看清银河系的细节，只有通过射电和红外望远镜才能清楚的了解银河系的结构。,银心： 这个区域主要由大量的恒星组成（约400亿颗）主要是年龄在一百亿年以上的老年恒星。大量的观测证据表明，在银河的中心可能存在着一个4,0

5、00,000倍太阳质量的巨大黑洞。 银盘： 主要由几条巨大的旋臂组成，每条旋臂中都有数百亿颗年轻的恒星，我们所在的太阳系位于人马座旋臂和英仙座旋臂之间的猎户座旋臂上。,银晕： 弥散在银盘周围的一个球型区域，直径约为98,000光年,这里恒星的密度很低，主要是一些由老年恒星组成的球状星团。,银河系质量： 太阳质量的一万亿倍 (1011-12m) 银河系大小 银河系的直径达6科学家.63240天文单位。这样,太阳与比邻星的距离为4.2光年,银河系的直径约10万光年(30kpc)。 太阳的位置 是在距银心三分之二半径的地方（银河系半径为50000光年）,秒差距 (量度宇宙的距离单位),秒差距量度宇宙

6、的距离单位，1 秒差距是周年视差为1的恒星的距离。秒差距是周年视差的倒数。 秒差距的常见单位： 1秒差距=3.26光年(pc)。 千秒差距(kiloparsec)(Kpc)一个千秒差距等于3260光年,周年视差 (annual parallax),以地球轨道半长径作为基线测量恒星的距离,周年视差是恒星相对于地球轨道半长径所张的夹角. 可以通过测量恒星在天球上（相对于遥远的背景星）相隔半年位置的变化而求得 。,2.1.1.3 从星云到河外星系,严格说，星云应该是宇宙中的尘埃和气体，而不是一组恒星；本世纪初，云雾状天体也被称为星云。 星系是宇宙中的恒星集合体。,旋涡星系NGC4603 由哈勃望远镜

7、拍摄,猎户座大星云,涡轮星系,最完美的环状星系,猎户座反射星云NGC1999， 距地球约一千五百光年。 中央因密度太高光线无法穿透而呈黑色的部分称为“博克球状体”。,2.1.1.4 大爆炸宇宙模型的提出及其理论预言,大爆炸宇宙学是现代宇宙学中最有影响的一种学说，与其它宇宙模型相比，它能说明较多的观测事实。 它的主要观点是认为我们的宇宙曾有一段从热到冷的演化史。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。这一从冷到热，从密到稀的过程如同一次规模很大的爆发。,2.1.2 宇宙观测与大爆炸宇宙学的发展,2.1.2.1 宇窗观测及其意义 2.1.2.2 大爆炸宇宙学

8、面临的困难 2.1.2.3 暴胀宇宙的成就和困难,2.1.2.1 宇宙观测及其意义,现代宇宙学的最大特征是必须尊重观测到的客观事实，不能凭想象。而且必须能在理论物理学的基础上给予科学的说明。它涉及到恒星的起源和演化，星系的起源和演化，元素的起源和演化等多方面的基础理论问题。 人们最想知道的是：宇宙是什么样子呢？宇宙有多大？宇宙的结构如何？宇宙有没有诞生之日和终结之时？,2.1.2.2 大爆炸宇宙学面临的困难,均匀性问题：在目前的天文观测已达一百多亿光年的尺度上发现宇宙是均匀的，那么在这个尺度范围内的各部分间本应已进行过充分的相互作用才可能这样均匀，但根据广义相对论的推理，宇宙空间应是许多在因果

9、上彼此不关联的区域。那么又是什么原因让宇宙如此均匀呢？ 平性问题：宇宙的理论模型所描述的宇宙可以有三种可能情况：即开放的、封闭的和临界的。它们取决于宇宙的减速因子q0或者物质密度因子0。很多观测事实表明q0十分接近1/2，或者说0十分接近于1。可以有巨大取值范围的0为什么恰好选择这个临界值？ 奇点问题：大爆炸宇宙模型认为宇宙起源于时空奇点的爆炸。该理论本身不能解决这问题。为解决这些问题，又提出了大爆炸之前宇宙“爆胀”理论。,2.1.3 星系的起源和演化,2.1.3.1 星系形成时期及分类 2.1.3.2 银河系的年轮及其次系 2.1.3.3 剧烈变化的星系核,2.1.3.1 星系形成时期及分类

10、,2.1.3.2 银河系的年轮及其次系,2.1.3.3 剧烈变化的星系核,表现为光变几乎都很强烈，几个月左右光变可达10倍之多。 赛福特星系有一个很亮的核。 类星体的谱线有很大的红移，它的光谱在很强的背景上，有几条强而宽的发射谱线。 星系核的亮度变化（谱线红移）说明星系的变化。,2.1.4 恒星的演化,2.1.4.1 恒星的形成 2.1.4.2 恒星分类 2.1.4.3 揭示恒星一生经历的秘密一一赫罗图 2.1.4.4 恒星演化的结局,2.1.4.1 恒星的形成,根据弥漫说的理论，恒星形成可分为两个阶段，开始时先由极其稀薄的物质凝聚成星云并进一步收缩成原恒星，然后原恒星才发展成为恒星。,星云

11、原恒星 恒星 （归宿）星云 星云：星际空间普遍存在极稀薄的物质，由于分布不均匀而往往分裂成团块，并向中心凝聚，成为弥漫星云。 原恒星：一般把处于慢收缩阶段的天体称为原恒星 。,星云,原恒星,原恒星,原恒星,2.1.4.2 恒星分类,由于每颗恒星的表面温度不同，它发出的光的颜色也不同。科学家们依光谱特征对恒星进行分类，光谱相同的恒星其表面温度和物质构成均相同。恒星的寿命也不一样，大质量恒星含氢多，它们中心的温度比小质量恒星高的多，其蕴藏的能量消耗比小的更快，故过早地戕折,只能存活100万年,而小质量恒星的寿命要长达一万亿年. 恒星有半数以上不是单个存在的，它们往往组成大大小小的集团。其中两个在一

12、起的叫双星，三、五成群的叫聚星，几十、几百甚至成千上万个彼此纠集成团的叫做星团，联系比较松散的叫星协。,恒星的不同颜色,凡是由炽热气态物质组成，能自行发热发光的球形或接近球形的天体都可以称为恒星。 夜晚的星空，粗看起来星星都是亮晶晶的，但仔细看来有的发红、有的发黄、有的发蓝、也有的发白。我们有这样的常识：蓝白色的火焰温度高，红色的火焰温度低。天上的星星也是如此。,它们的不同颜色代表表面温度的不同。一般说来： 蓝色恒星表面温度在10000 K以上，如参宿七、水委一和轩辕十四等。 白色恒星表面温度在115007700 K，如天狼星、织女星、牛郎星、北落师门和天津四等。 黄色恒星表面温度在60005

13、000 K，如太阳、五车二和南门二等。 红色恒星表面温度在36002600 K，如参宿四和心宿二等。 新建的光谱L型矮星的表面温度在20001500 K。,2.1.4.3 揭示恒星一生经历的秘密 赫罗图,2.1.4.4 恒星演化的结局,红巨星继续演化便出现三类天体： 白矮星 中子星 黑洞,在红巨星阶段, 恒星的氧-碳内核已经不再发生热核反应, 即使外壳对核的压力增大, 内核也得不到充分的压缩而引起碳-氧继续聚变, 但内核周围的氢层和氦层继续燃烧,并且向外扩展,这种情况下,引力与排斥力开始不稳定, 恒星便开始一鼓一缩的脉动, 红巨星稀薄的包层向外以星风的形式逃逸,形成同心圆结构; 随着红巨星大气

14、的丧失,中心星由于极高的密度和温度产生类似爆发的高速星风, 将剩余的气体与尘埃抛出,形成不规则的块状结构和气泡结构.这张照片是哈勃广角行星镜头拍摄的可见光波段和红外波段的合成图像. NGC7027距离我们3000光年,位于天鹅座.,哈勃拍摄的行星状星云NGC7027向我们提供了一个类似太阳的恒星崩溃时的详细资料: 暗蓝色的外围星云气体,巨大的网络状结构横亘内部的红色尘埃中,显著的中心白点,灼热的中央白矮星.星云的这些显著结构详细表达了恒星临死时的活动.,1987年2月23日， 一位加拿大天文学家在大麦哲伦星云中发现了一颗超新星，这颗超新星被命名为“1987A”,红巨星的存在是短暂的，恒星中心的

15、能量最终会被全部耗尽，因为当核内的铁原子及其它重元素的比例达到一定程度时，核聚变将会停止，从此，恒星中心开始冷却，它没有足够的热量平衡中心引力，结构上的失衡就使整个星体向中心坍缩，造成外部冷却而红色的层面变热，如果恒星足够大，这些层面就会发生剧烈的爆炸，产生超新星。 大质量恒星爆炸时光度可突增到太阳光度的上百亿倍，相当于整个银河系的总光度。 恒星爆发的结果：（1）恒星解体为一团向四周膨胀扩散的气体和尘埃的混合物，最后弥散为星际物质，结束恒星的演化史。（2）外层解体为向外膨胀的星云，中心遗留下部分物质坍缩为一颗高密度天体，从而进入恒星演化的晚期和终了阶段。 中国古代天文学家观测到的1054年爆发

16、的超新星的遗迹。在一个星系中,超新星是罕见的天象,但在星系世界内,每年却都能观测到几十颗。,在恒星演化末期将出现三类天体：白矮星、中子星和黑洞 白矮星 恒星在核能耗尽后，如它的质量小于1.44个太阳质量就将成为白矮星。没有核能后，它靠引力收缩供能，等收缩到原半径的几十分之一到百分之一后，恒星就变成了一个中心密度很高，仅靠剩余热量发光的白色天体随着它的余热逐渐消失。表面温度逐渐降低，慢慢成为红矮星、黑矮星，就无法观测到了。,中子星 恒星在核能耗尽之后，如果它的质量在1.442太阳质量之间就会成为中子星。中子星是由一种叫做中子的基本粒子组成的超密度恒星。它的直径只有10千米左右，其密度特别大，1立方厘米可达1亿吨以上，自转特别快。中子星是1967年在狐狸座内发现的，由于它周期性地发出脉冲，又叫脉冲星.,黑洞 恒星在核能耗尽后，如质量超过2太阳质量，则平衡状态不再存在，星体将无限制地收缩，