天文学及现代宇宙观

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1、第二讲 天文学及现代宇宙观 世界上最浩瀚的是海洋比海洋还浩瀚的是星空 世界上有两件东西能够深深地震撼人们的心灵，一件是我们心中崇高的道德准则，另一件是 我们头顶上灿烂的星空。仅仅是抬头看看那深蓝色镶满宝石的穹庐，已足能让我们的心灵深 感震撼，并让我们开始对人生进行思考。康德微观介观宏观宇观量子力学经典力学天体物理第二讲 天文学及现代宇宙观1 天文学概述一、几个重要概念1、天文学-研究宇宙及其中各种天体的位置、运动、结构和演化规律的科学。2、宇宙-时间、空间、物质与运动的统一体。 淮南子：四方上下曰宇，往古来今曰宙。3、天体-星云、恒星、行星、彗星和人造天体4、光年-长度单位，1 光年=1016

2、米意义：表征天体间的空间距离；表征携带信息的时间历史。光1秒钟可以绕地球运行7 圈，光从太阳传到地球只需要约8 分钟。 我们懂得天外有天，还有许多和我们地球相似的星球住有居民，受到崇拜，我们就不会对地 球上称之为伟大的东西赞不绝口，也就会藐视大多数凡夫俗子所津津乐道的区区小事。- 惠更斯 假若升上地球之颠，从高往下观察，就可以明白，造物主究竟把我们这小小寰球变成了什么 模样。这样，就像要远足旅行的人一样，我们就会更加清楚出发前该做些什么准备，也就会 更准确地估计和评价旅途中的一切。此外，假如天体系统尺度：天体系统质量：1、太阳系-以太阳为中心，以及由它的引力支配而绕它运动的天体所构成的系统。

3、太阳系中的天体定义为三类，即：行星、矮行星和太阳系小天体。（1）太阳-银河系中一颗普通恒星直径约1.5?10-7光年，表面温度6000K,中心温度1.5?107K,质量相当于33.3万个地球 日珥、太阳黑子、米粒组织太阳黑子 黑子的重要特性是它们的磁场强度，黑子越大，磁场强度越高，大黑子的磁场强度可达4000 高斯太阳黑子活动呈周期出现，在黑子群周围常出现耀斑，发出的辐射和粒子同地球磁场和电离 层相互作用会使地球上的短波无线电通讯中断并出现极光。 太阳黑子其实并不黑，只不过由于它比周围的温度低，看起来显得黑些罢了。日出黄，有黑气，大如钱，居日中汉书五行志太阳风-地球的磁场盾牌被吹扁了。（2）水

4、星（mercury）-神行太保1 年=88 天， 1 天=58.6 天水星无大气，与月球相似，表面有环形山，没有卫星。水星近日点的进动：勒威耶-水星内侧有一颗行星？爱因斯坦-广义相对论。R=0.37R 地、M=（1/19）M 地、?=5.8g/cm3、 V=0.056V 地T=180430 度（3）金星（Venus）-美（爱）神金星凌日 -测量日地距离启明星-东升长庚星-西落金星大气稠密（地球的90倍）-96%二氧化碳（温室效应480 C）,3.5%氮，二氧化硫、一氧化碳、 气压-8.9?106帕太阳从西边出来， 1年=225天， 1天=247天R=6052 公里、 M=0.81M 地、?=5

5、.1g/cm3、V=0.88V 地T=180430 度地球的内部结构:地球的半径：平均6370千米地球的外衣：地壳（平均厚度 33 千米）地球中间层：地幔（平均厚度2800多千米）地球的核心：地核（内核、外核）（4）地球: 一颗大行星, 年龄约40 50 亿年人类起源：100 万年中华文明史：5000 年以上月球-离地球最近的天体，地球唯一的卫星表面无大气，布满环形山，本身不发光，直径3476km,距地球38.4万公里。若无陨星撞击， 12名宇航员的脚印将留存50万年。（5）火星（Mars）-战神类似地球的行星：有自转、公转、四季、日夜、固定形态、大气、冰雪覆盖的两极，有两颗卫星。1 年=68

6、7 天， 1 天=1.026 天火星上有生命吗?近30年来已发射了30多只探测器（30%的成功率）:水手9 号、海盗1 号、2号、火星探测者号（1994年7月4 日）、 美国：2003 年火星表面取样2011 年宇航员登陆火星R=0.5R 地、M=（1/10）M 地?=3.94g/cm3、 V=（1/6）V 地火星表面-无江河湖海、无动植物、无生命迹象。火星大气-95%二氧化碳、 2.5%氢、 1.5%氩、 0.01%水蒸气。 大气压-600 帕火星尘暴频繁-1971 年水手9 号探测器到达火星上 空时，火星正发生全球性尘暴，针头班大小的尘粒被 带到50公里的高空，因而未探的有价值的信息，这次

7、 风暴持续了3 个多月。巨大冰层惊现火星2002 年 3 月美国宇航局推进实验室宣布火星奥德赛号飞船发现，火星表面附近有巨大冰 层。（6）木星（Jupiter）-罗马众神之王M=318M 地、 ?=1.3g/cm3V=1317V 地1 年=11.86 年1 天=0 . 41 天木星大气-88%氢、 11%氦、氨、甲烷、一氧化碳、水蒸气、 木星有光环、有18 颗卫星木星大红斑-木星大气湍流（7）土星（Saturn）-农神M=95.18M 地、 ?=0.7g/cm3V=745V 地、 D=9D 地可以浮于水上的星球 美丽的土星光环- 由冰、泥土、石块等绕土星旋转形成，环与环间的缝称为卡西尼缝大气-

8、氢、氦、氨、 表面温度为 -140C土星卫星-23 颗（8）天王星（Uranus）-躺着旋转的行星威廉?赫歇尔的故事：M=15M 地、 ?=1.2g/cm3V=64V 地、 D=4D 地天王星有5颗卫星1 年=82 年、 1 天=0.7 天大气-氢、氦、甲烷等1781年3月13日发现天王星（9）海王星（Neptune）-笔尖上的发现亚当斯-英国剑桥学生1845 年算出海王星的存在。勒威耶-法国技术学校助教1846 年算出海王星的存在。引发两国长达数年的辛酸笔战。大气-甲烷、氢、氮、氦、氨等，温度月-200 CD=3.9D 地、 ?=2.1g/cm3V=57V 地海王星有2颗卫星。（10）冥王星

9、 著名天文学家弗拉利翁言中： 你以为一切都发现了吗？ 那真是绝顶的荒谬了； 这无异把有限的天边 当做了世界的尽头。1年=248年，被发现70年了。D=2300 公里、 M=0.0024M 地V=0.01V 地九星连珠：由于大行星绕太阳运动的轨道大小、速度各不相同，它们很难聚集在以太阳为中心的扇形区 域内。这是1982年出现的九星连珠现象彗星: 围绕太阳运行或行经太阳附近的云 雾状 天体，由慧核、慧发、慧尾组成陨石:流星体进入地球的大气层中一般都能完全燃烧气化，只有较大的流星体燃烧不完，可以陨落 到地面上而被称为陨星。90%为硅酸盐矿物的石陨星称为陨石。吉林1号陨石是目前世界上最大的陨石，重17

10、70千克。于1976年3月 8日陨落在吉林省 内。3、银河系扁平铁饼状结构，直径达10万光年， 3000亿个恒星 + 星团 + 星云太阳距银河系中心约3.3 万光年银河系全景壮丽的银河银河系的侧面4、河外星系距银河系 200 万光年的仙女座星系星系 NGA4946典型的涡旋星系除肉眼可见的大麦哲伦星系，小麦哲伦星系外，还有其他形状的星系，如椭圆、棒旋、不规 则星系等，目前，已观测到的星系约500个。5、星团-由众多恒星集中在一个较小的空间内、相互有物理联系、在天空中形成稠密的集 团。著名的积尸星团、昴星团、毕宿星团等。6、星云-天空中云雾状的天体，有的亮，有的暗，呈现各种美丽的形状与图案。半人

11、马 长蛇座星云 气体星云 玫瑰星云 马头星云 猎户座旋涡 星云 MSI2 宇宙和恒星的起源和演化 一、宇宙学的历史 中国古代：天圆地方，不能解释日月星辰的东升西落。盖天说浑天说宣夜说 宇宙无边无涯，空间到处有气体日月星辰浮于其中。 天是蛋壳，地是蛋黄。西方：圣经上帝7 天创世纪-发现世上罪恶滔天-毁灭，只留下诺亚（方舟）托勒玫地心说-哥白尼日心说-牛顿力学-爱因斯坦相对论统一了时、空、物质、引力和运动 对天体物理学和宇宙学有重要贡献的科学家二、大爆炸宇宙模型宇宙学 研究宇宙整体模型，及其合理性、可能性 可观测宇宙局部时空和物质运动性质 目前，尚无绝对公认的理论和对观测的解释。 宇宙物质的相互作

12、用力是引力，其研究的理论基础 是引力理论。牛顿引力理论-荒谬的结论 爱因斯坦广义相对论-宇宙学的动力学基础1、天文学历史上的三次飞跃（1）行星层次 -连结开普勒定律的飞跃（17 世纪）弟谷: 积累大量资料,达到前所未有的观测精度 开普勒：发现开普勒行星运动三定律，适用于所有 行星的运动，给出行星理论的约束条件。牛顿：将地面物体力学规律应用于天体运动，实现 物理学的第一次大综合。世纪之交话天文王绶琯上海科教（2）恒星层次-连结赫 - 罗素的飞跃 1905 赫茨普龙： 1913 罗素： 发现恒星表面温度与恒星光度之间的关系，将纷杂现象纳入统一模型，给出恒星理论的约束 条件： 第一，所有恒星最初均由

13、氢、氦为主的原始气体凝聚而成； 第二，发生在恒星核心的核聚变制约恒星演化过程。 各恒星的区别：原始质量不同，年龄 不同。（3）星系层次-连结哈勃定律的飞跃（20 世纪）1929年，发现所有星系的光谱均有红移现象，红移量与距离r成正比。将红移量折合成星系的运动速度：哈勃常数：2、宇宙的大尺度特征 （1）宇宙学原理-宇宙在大尺度上空间分布均匀和各向 同性，物理量和物理规律是相同的。（2）星系退行-宇宙是非静止的、动态的变化的。但银河系并非宇宙中心 该原理表明，宇宙中任一空间位置对于描述所 有的物理现象都是平权的3、大爆炸宇宙模型 现代理论认为宇宙起源于一次大爆炸。 大爆炸前全部粒子处于高温、高压、

14、高密度状态。只有质子、中子、电子、 光子、中微子、?介子、?子、超子.基本粒子汤-热平衡状态，持续约1分钟。 大爆炸启动了宇宙膨胀，后因膨胀、降温演化成了现在的宇宙。1 分钟到20 分钟内温度降低宇宙早期元素：氦（2 中子+2 质子）-25%爆炸后50 年内，由于物质密度大，光子还不能 自由运动。爆炸后100 万年左右，温度下降为几千度，电子+质子形成氢原子，形成宇宙物质阶段。此 时光子可以自由传播。在爆炸后50 亿年左右，氢和氦凝聚形成星系、恒星、行星等宇宙天 体。支持大爆炸宇宙学说的主要实验事实：（1）对宇宙中氢氦丰度的解释利用基本粒子理论计算得，爆炸30分钟后，温度降为3*108K，约有

15、1/4的质子转变成氦原 子核并一直遗留到现在。该结果与观测结果基本符合；同时很好地解释了为什么各星系氦的 丰度奇妙地相似。宇宙中氦的丰度（3）微波背景辐射（2）对宇宙学原理的解释1965 年，彭齐阿斯和威尔逊发现了消除不掉的各向同性的微波段的噪声辐射。1989年，COBE对微波背景辐射测量的结果，非常精确地符合温度为2.271?0.010K的黑体辐 射谱。（4）天体的年龄 大爆炸学说计算出的宇宙年龄 150200亿年。目前各种方法测定的天体年龄 50110 亿年，且均小于宇宙年龄。符合大爆炸学说逻辑。 我们目睹的这种宇宙膨胀是否会无限地进行下去？三种膨胀宇宙 开宇宙：无限伸展且永远膨胀 闭宇宙：有限，最终往回收缩到一次大塌聚 临界宇宙：无