天体物理学的发展讲义

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1、天体物理学的发展2014.11.24天文学家确认天文学家确认144.6亿岁最长寿恒星亿岁最长寿恒星一个天文学家研究团队再次确定宇宙中迄今最古老恒星HD 140283的年龄，或比既定宇宙的年龄还要大，这意味着宇宙比它看起来还要老。宇宙是由一个致密炽热的奇点于137亿年前一次爆炸后膨胀形成的。1929年，美国天文学家哈勃提出星系的红移量与星系间的距离成正比的哈勃定律，并推导出星系都在互相远离的宇宙膨胀说。基于这一推论，宇宙中一切天体的年龄都不应超出这个“宇宙龄”所界定的上限。恒星的年龄可以从它们的发射功率和拥有的燃料储备来估计。根据热核反应提供恒星能源的理论，人们得到的天体年龄竟与“宇宙龄”协调一

2、致，这对大爆炸宇宙模型当然是十分有力的支持。恒星HD 140283距离地球190光年，位于天秤座星群里的贫金属次巨星，其视星等7.223，几乎由氢和氦组成，铁含量不到太阳的1%。2013年，天文学家最初确定其年龄时，不禁感到困惑了。根据宇宙微波背景辐射估计，目前宇宙年龄为138.17亿岁。而它似乎大约有144.6亿岁，比宇宙本身还大。这种罕见的恒星似乎相当古老，以至于可以将其称为长寿之星了。此外，其作为一个高速的恒星为人所知有一个世纪左右，但它在太阳附近存在和其组成却有悖于理论。当然，最终揭示这颗“老寿星”的年龄估计误差实际上比原来的研究更宽泛，天文学家给这个边际增加了8亿年。该误差边际可能会

3、使这个在宇宙中已知最早的星体年轻了许多，但仍在自大爆炸以来的时间界限内。但是，在这个年龄的上限是什么？目前，土耳其安卡拉大学的比罗尔提出是否有种可能：这颗恒星与最初测量的一样老，但仍处于“大爆炸的边缘”？他采用宇宙辐射模型（RUM），计算宇宙年龄为148.850.4亿岁，最低限度的比微波背景辐射估计推算宇宙的年龄稍微年长一些，随之也很容易地调整出HD 140283的原始年龄。比罗尔的RUM理论给哈勃常数提出了一种新的动态值，表明自从大爆炸后44亿年宇宙膨胀已经加速，很可能容纳了暗能量。此外，这种加速增长率本身是缓慢的，转而可能由暗物质占据。暗物质和暗能量已被广泛讨论、争议的物理现象，但有观测证

4、据表明它们是真实的。此外，RUM暗示描述量子大小的普朗克常数并非是单纯的常数，而是一个宇宙变量。2014-11-17 物质客体的三个层物质客体的三个层次次微观客体微观客体宏观客体宏观客体宇观客体宇观客体u天体的三个层次天体的三个层次太阳与太阳系太阳与太阳系恒星与银河系恒星与银河系星系与宇宙星系与宇宙天体物理学研究的意义天体物理学研究的意义精确的时间和历法精确的时间和历法仍然是按照太阳和恒星的运动仍然是按照太阳和恒星的运动确定。（例如测时、守时、授时）确定。（例如测时、守时、授时）可用于可用于人造卫星运动轨道的控制，以及地面导航、人造卫星运动轨道的控制，以及地面导航、通信通信等。（轨道计算、太阳

5、黑子）等。（轨道计算、太阳黑子）可启发人们去思考、探索与人类的现在和未来息可启发人们去思考、探索与人类的现在和未来息息相关的各种应用技术。（息相关的各种应用技术。（核聚变、新的更有效核聚变、新的更有效能量转换方式能量转换方式）可提高学生的科学文化素质、可提高学生的科学文化素质、树立正确的宇宙观树立正确的宇宙观，提高辨别是非的能力提高辨别是非的能力、反对迷信和邪教反对迷信和邪教的危害。的危害。 一、天体物理学 的兴起公元前129年古希腊天文学家喜帕恰斯喜帕恰斯目测恒星亮度并根据亮度把恒星划分为六个等级这可以说是最早的光度学测量16091609年伽利略第一次使用光学望远镜观测天体，年伽利略第一次使

6、用光学望远镜观测天体，绘制月面图绘制月面图记录大量木星卫星的运动资料记录大量木星卫星的运动资料发现了土星的发现了土星的“耳朵耳朵”太阳黑子太阳黑子太阳的自转等太阳的自转等 1655-16561655-1656年惠更斯发现土星的年惠更斯发现土星的“耳朵耳朵”是一些光环是一些光环并发现猎户座星云并发现猎户座星云哈雷发现恒星自行和哈雷彗星哈雷发现恒星自行和哈雷彗星1818世纪末，世纪末，W.W.赫谢尔创立了恒星天文学赫谢尔创立了恒星天文学 天体物理学由孕育走向成熟 十九世纪得益于三种物理学方法1 光度学1760年，郎伯特发表光度学2 分光学1666年，牛顿用三棱镜观察太阳光颜色3 照相术19世纪40

7、年代诞生拉塞佛1865年拍摄的月球照片我国科学家建造世界最大射电望远镜 可探测宇宙信号二、匹克林谱系 之谜1896年,美国天文学家匹克林在哈佛天文观测台的第12号通报中宣布:“弗莱明夫人发现船尾座星的光谱非常特殊,和别的光谱都不一样,这6根线很像氢光谱线那样,形成有规律的谱线,显然,这是出自其它星体或地球上尚未发现的某种元素.当时,还在通报上发表了拍得的照片,从照片上可以明显地看到,有4根谱线与氢的巴耳末系H,H,H,H,H互相间隔,极有规律.人们称以上这个谱系为匹克林谱系1884年，巴尔末提出了氢光谱的公式1913年玻尔提出氢原子的定态跃迁原子模型，遇到了匹克林谱系的困扰里德伯肯定了他们是氢

8、的光谱1913年9月初发表的伊万士氢谱结果支持波尔理论 匹克林谱系之谜被解开匹克林谱系之谜被解开 图127 贝特 提出太阳的反应能源主要来自4个氢核聚变变为氢核的过程，称为p-p反应。提出了碳循环四 、恒星演化理论的建立星云物质星云物质原恒星原恒星白矮星白矮星主序星主序星红巨星红巨星超新星爆发超新星爆发中子星中子星（脉冲星）（脉冲星）物质弥散物质弥散到星际空间到星际空间黑洞黑洞重恒星轻恒星恒星演化示意图恒星演化示意图 星系中活动最剧烈的要数类星体。类星体是20世纪60年代天体物理的四大发现之一.四、类星体三、类星体 类星体的距离非常遥远，可以说处于目前可类星体的距离非常遥远，可以说处于目前可测

9、宇宙的边缘。它的致密部分大小只有若干光年测宇宙的边缘。它的致密部分大小只有若干光年甚至更小。如此小的范围内竟然能发出比整个银甚至更小。如此小的范围内竟然能发出比整个银河系还要高上万倍的辐射能量，堪称宇宙中的奇河系还要高上万倍的辐射能量，堪称宇宙中的奇迹。这就是所谓的能源问题。迹。这就是所谓的能源问题。类星体的主要特征（1）有类似恒星的像，有些有微弱星云状包层，还有的有喷流（2）光谱中有很强、很宽的发射线（3）光谱线具有非常大的红移（4）有很强的紫外辐射（5）一般有光度变化，光度周期可以是几小时到几十年。（6）不少类星体是强射电源，部分是强X射线源 类星体类星体研究的最新成果 经过几十年来的不懈

10、努力，科学家们基本经过几十年来的不懈努力，科学家们基本上揭开了类星体的秘密：上揭开了类星体的秘密： 它们是遥远的活动星系的亮核，我们所观它们是遥远的活动星系的亮核，我们所观测到的类星体并不是这类形体的全貌而仅是其测到的类星体并不是这类形体的全貌而仅是其核心特别明亮的部分，因为过于遥远，亮核区核心特别明亮的部分，因为过于遥远，亮核区以外的暗弱部分难以被观测到以外的暗弱部分难以被观测到。五、宇宙背景辐射的发现1948年美国科学家阿尔弗和赫尔曼预言，宇宙大爆炸产生的残系辐射，由于宇宙的膨胀和冷却，如今它所具有的温度约为绝对零度以上5开，或者说5K(绝对零度等于摄氏零下273.15度，即-273)。但

11、是他们的预言并未引起人们的普遍重视。射，由于宇宙的膨胀和冷却，如今它所具有的温度约为绝对零度以上5开，或者说5K(绝对零度等于摄氏零下273.15度，即-273)。但是他们的预言并未引起人们的普遍重视。1965年，美国新泽西州贝尔实验室的两位无线电工程师阿尔诺彭齐亚斯和罗伯特威尔逊却十分意外地发现了这种宇宙辐射场，当时他们正在为跟踪一颗卫星而校准一具很灵敏的无线电天线图1211 贝尔实验室的射电望远镜喇叭形天线1964年，美国贝尔实验室的工程师阿诺彭齐亚斯和罗伯特威尔逊架设了一台喇叭形状的天线，用以接受“回声”卫星信号。为了检测这台天线的噪音性能，他们将天线对准天空方向进行测量。他们发现，在波

12、长为7.35cm的地方一直有一个各向同性的讯号存在，这个信号既没有周日的变化，也没有季节的变化，因而可以判定与地球的公转和自转无关。图1212 彭齐亚斯（右）与威尔逊站在他们的天线旁3K宇宙微波背景宇宙微波背景辐辐射射（1978年诺贝尔物理奖）年诺贝尔物理奖） n1965年年贝贝尔尔电话实验电话实验室的两位工程室的两位工程师师彭彭齐亚齐亚斯斯（Arno Penzias）和威）和威尔尔逊逊（Robert Wilson），），正在校正正在校正为测试卫为测试卫星通星通讯讯而而设计设计的反射天的反射天线线。 n他他们们以极大的耐心追踪和消去干以极大的耐心追踪和消去干扰扰源。但是他源。但是他们发现们发现

13、，有一种未加解，有一种未加解释释的的辐辐射来自天空的各射来自天空的各个方向，个方向，对应对应的温度大的温度大约约是是3K。 n他他们们向迪克咨向迪克咨询询引起引起这这种种辐辐射的可能原因，不射的可能原因，不料料获获悉他正在悉他正在积积极极寻寻找他找他们们已已经经找到的找到的东东西。西。 3K宇宙微波背景辐射的发现对大爆炸宇宙微波背景辐射的发现对大爆炸理论一个有力的支持。理论一个有力的支持。图1214 COBE取得的数据与黑体谱在0.1内相符 （号为测量数据，曲线为理论预计）图1215 COBE得到的背景辐射图2011年度诺贝尔物理学奖由索尔佩尔穆特、布赖恩施密特和亚当里斯分享，以表彰他们观测I

14、a型超新星并发现宇宙在加速膨胀。那么，宇宙的膨胀速度究竟是多少？参与重子振荡光谱巡天（BOSS）的天文学家们通过对14万颗遥远的类星体的位置和星系间氢气的分布进行观测和分析，测量出了宇宙年龄为30亿年的膨胀率。这是迄今为止对宇宙膨胀进行的最精确的测量，将有助于科学家们进一步厘清暗能量的属性。佛特-里贝拉说：“最新结果意味着，在宇宙诞生30亿年左右，我们会看到，随着宇宙的膨胀，一对相距一百万光年的星系正以68公里/秒的速度背离对方。” 图1229 2003年，从WMAP获得的宇宙婴儿时期图像（读者可以与图1215 比较）六、脉冲星 1967年，英国剑桥大学的休伊什设计了一架射电望远镜，用来研究太

15、阳风对来自宇宙其他天体射电信号的影响，从而研究太阳风的运动和结构。记录工作由休伊什的研究生贝尔小姐担任。她注意到半夜仍然有射电信号的闪烁，而且是周期为1.337秒的脉冲。多次反复观测后，他们确定这是来自某一天体的脉冲信号，将这种新的天体命名为脉冲星。 直到直到1968年底年底,休伊什等已发现休伊什等已发现23颗脉冲颗脉冲星。休伊什获得星。休伊什获得1974年物理学诺贝尔奖年物理学诺贝尔奖 图1218 1967年11月28日从射电源CP1919第一次观测到周期性的脉冲信号基本特点：1、脉冲是射电信号，在无线电波段收到2、脉冲信号的时间间隔（即周期）很短，且相当稳定 已知的脉冲星周期在0.03秒到

16、4秒之间，脉冲持续时间大部分在0.0010.05秒。 至今发现的脉冲星已达500颗左右，脉冲星按其脉冲辐射的形状可分为三类：S型、C型、D型。 S型脉冲星具有简单的脉冲外形， C型脉冲星具有复杂的脉冲外形， D型脉冲星具有漂移的亚脉冲。 脉冲星一次脉冲发出的能量比地球上最猛烈的火山爆发所释放的能量还要大几亿倍。 现在公认脉冲是一种“灯塔”发出的，“灯塔”是快速旋转的中子星，自转一周仅需要1秒左右。只有中子星才能承受这样的高速旋转，因为中子星的密度达到1亿吨/厘米3。 许多学者认为中子星是超新星爆发的产物。由于爆炸后核心的急剧收缩，星体内部的巨大压力把电子挤入原子核内与质子结合，形成高密度的中子

17、物质，成为中子星。中子星发出的射线二、中子星 很多恒星具有靠得很近的伴星。当这样一对恒星中的一员变成一颗超新星，爆发后留下一颗中子星时，其伴星的演化往往会因此而大大加快。由于中子星对伴星的引力作用很强，所以该伴星可能会从它的大气倾泻出可观的质量，而以致密气体云的形式包围那颗中子星。致密气体会扑灭脉冲星发出的射电发射。但随着气体在中子星周围的强引力场中被吸积和加热，又会产生很强的X射线发射。这也给科学家提供了一种观测中子星存在的可靠方法。星团 原子弹之父奥本海默的研究表明，若恒星爆发后剩余的质量大于3M，则中子星简并压力无法阻止引力坍缩的进一步进行。为纪念奥本海默的这一发现，后人把M=3M称为奥

18、本海默极限。 中子星依靠中子简并压力来阻止强大引力造成的进一步坍缩。与白矮星类似，中子星也有一个质量范围。 1974年美国天文学家泰勒和他的研究生赫尔斯利用射电望远镜发现了脉冲双星PSR1913+16。他俩而后对PSR1913+16进行了多年的追踪观测，出现其轨道周期每年减小76微秒。这一结果表明双星系统的能量在慢慢损失。理论研究表明，只有引力波辐射才能将系统的能量慢慢带走，使整个双星系统的能量绕转周期越来越短，两子星距离越来越近。三 脉冲双星和引力波探测 到2005年底已发现脉冲双星约100个,大多数是一颗中子星和一颗白矮星的组合,两颗都是中子星的仅有6对。独特脉冲双星七、星际有机分子的发现

19、星际分子：1963年，美国科学家发现星际羟基分子（OH），此后，陆续发现大量星际有机分子。到90年代末，已发现了120多种，而且许多都是很复杂的有机分子， 少数分子是地球上很难 找到的或者根本找不到的。 星际分子的发现有助于 人类对星云特性的深入 了解，可以帮助揭开生命 起源的奥秘。星际分子C2S是在金牛座黑暗星云 新证据表明生命或许起源于太空新证据表明生命或许起源于太空据9月29日（北京时间）每日科学报道，来自马克斯普朗克射电天文学研究所的阿纳德贝克彻、卡尔曼顿，与来自康奈尔大学的霍尔格米勒/穆勒加罗德合作，针对人马座B2区域进行全光谱测量，搜寻空间中可能存在的全新有机分子，终于在临近银河系

20、中心的人马座B2产星区捕捉到了由异丁腈（isopropyl cyanide）发射出的电波。八、八、黑洞与白洞黑洞与白洞一、引力坍缩与黑洞一、引力坍缩与黑洞 逃逸速度：物体要摆脱天体的引力必须具有逃逸速度：物体要摆脱天体的引力必须具有的速度的速度 令令V V为光速为光速c c，则可得，则可得引力半径引力半径：Rg2GM/c， G为万有引力常数为万有引力常数M为天体质量为天体质量R为天体的半径为天体的半径 引力半径的物理意义是：如果某天体的半径引力半径的物理意义是：如果某天体的半径R小于其对应的小于其对应的Rg，则此天体发出的光也逃不则此天体发出的光也逃不出去。该天体形象称为出去。该天体形象称为黑

21、洞黑洞(black holl) 注意：注意： 将将R=Rg对应的球面，称为黑洞的视界。对应的球面，称为黑洞的视界。黑洞的视界并不是物质面，它的物理意义是黑洞的视界并不是物质面，它的物理意义是指外部观测指外部观测（RRg ）不可能知道其内部不可能知道其内部（R Rg ）的任何信息。的任何信息。 计算表明，当恒星的质量超过计算表明，当恒星的质量超过3倍倍M，中子，中子兼并压力不能抵抗自身的巨大引力，星体将兼并压力不能抵抗自身的巨大引力，星体将会自动继续塌缩下去，最后形成黑洞。会自动继续塌缩下去，最后形成黑洞。最大最古老的黑洞最大最古老的黑洞仙女座中心存在仙女座中心存在着着1010个新的准黑洞个新的

22、准黑洞黑洞撕裂恒星黑洞撕裂恒星黑洞拉伸、撕裂并吞噬一小部分恒星，最终将恒星大部分质量抛向宇宙空间巨型黑洞撕裂恒星奇观巨型黑洞撕裂恒星奇观围绕着中等黑洞旋转围绕着中等黑洞旋转的星群的星群 黑洞有一个特别的行为，就是当两个黑洞相撞而合二为一时，还会释放出巨大的能量。合成后的黑洞还可以再合并，再释放能量。 但是，著名的黑洞理论家霍金证明，黑洞一分为二是办不到的。黑洞的黑洞的 “合二为一合二为一”与与“一分为二一分为二” 霍金在研究量子力学对黑洞附近霍金在研究量子力学对黑洞附近物质的行为的影响时，发现黑洞似物质的行为的影响时，发现黑洞似乎总以稳定的速度发射粒子，而且乎总以稳定的速度发射粒子，而且发射的

23、粒子具有热辐射的性质。发射的粒子具有热辐射的性质。 黑洞的辐射看起来好象是一个黑洞的辐射看起来好象是一个普通的热物体在辐射，所以黑洞并普通的热物体在辐射，所以黑洞并非绝对的黑，它有一个温度。非绝对的黑，它有一个温度。 当然，这种量子效应只在微观当然，这种量子效应只在微观领域才能表现出来。对于通常的黑领域才能表现出来。对于通常的黑洞，这种热辐射是可以忽略的。洞，这种热辐射是可以忽略的。黑洞不黑洞不“黑黑”高速运行的黑洞天鹅座X-1的特征 根据观测资料，天鹅座X-1成了黑洞最有希望的候选者，它的质量约为8个太阳质量。 光学望远镜在天鹅座X-1方向上观测到一颗亮度为9等的双星， 有人估计，在过去有人

24、估计，在过去100100亿年中银河亿年中银河系中平均每系中平均每100100年有一颗超新星爆发，年有一颗超新星爆发，而每而每100100颗超新星中一颗会导致黑洞颗超新星中一颗会导致黑洞形成，如果这个估计是正确的，则银形成，如果这个估计是正确的，则银河系里应该有数百万个由恒星坍缩而河系里应该有数百万个由恒星坍缩而成的黑洞，而我们根据成的黑洞，而我们根据X X射线双星系射线双星系统来确定的黑洞或黑洞候选者仅仅数统来确定的黑洞或黑洞候选者仅仅数十个，问题出在哪里呢？十个，问题出在哪里呢？黑洞研究的最新成果白洞和虫眼 按照宇宙通常存在的对称性，应该有与按照宇宙通常存在的对称性，应该有与黑洞相对应的天体

25、存在，也就是恒星坍缩的逆黑洞相对应的天体存在，也就是恒星坍缩的逆过程，这就是宇宙物质的过程，这就是宇宙物质的“火山口火山口”，大量物，大量物质和能量从那里涌出来，这样的天体称为白洞。质和能量从那里涌出来，这样的天体称为白洞。 黑洞和白洞的通道为虫眼黑洞和白洞的通道为虫眼。 物质一旦在虫眼的另一端出现，它就再物质一旦在虫眼的另一端出现，它就再次突然膨胀成了普通的物质。膨胀时，它发出次突然膨胀成了普通的物质。膨胀时，它发出炽烈的辐射能，而这种能量原先是陷在黑洞里炽烈的辐射能，而这种能量原先是陷在黑洞里的。也就是说，我们眼前出现了一个白洞。的。也就是说，我们眼前出现了一个白洞。 有些学者认为类星体是

26、虫眼某一端出现有些学者认为类星体是虫眼某一端出现的一种巨大的白洞，其物质来自宇宙另一部分的一种巨大的白洞，其物质来自宇宙另一部分的一个巨大的黑洞。的一个巨大的黑洞。黑洞白洞虫眼我们的宇宙九、宇宙中的其他问题 天体物理学现在和将来研究的重点包括下列两个方面：一方面，研究快速多变的天体现象，如脉冲星、X射线、类星体等；另一方面，研究涉及我们宇宙全局的一些整体问题，如膨胀、背景辐射、宇宙线、宇宙起源和演化等。反射星云1 下落不明的质量 银河系重约2000亿个太阳质量，如果均匀分布在银河系空间内，平均每立方厘米只有一个氢原子。有些星系团很庞大，可包含一千多个星系。后发座星系团呈球状，它在自身引力的作用

27、下已达到平衡。可是根据发光强度来计算质量却发现，要使星系团平衡，质量还差80%90%。 随着观测技术的进步，由发光强度计算的质量同由引力计算的质量之间的矛盾进一步明显。有的星系团的引力质量与光度质量之差高达数百倍，这就是下落不明的质量问题。 图1227 威尔金森微波各向异性探测器宇宙学中，暗能量是某些人的猜想，指一种充溢空间的、具有负压强的能量。按照相对论，这种负压强在长距离类似于一种反引力。如今，这个猜想是解释宇宙加速膨胀和宇宙中失落物质等问题的一个最流行的方案。 图1226 哈勃和他观测的天体（Physics Today 1999年5月号封面）弗里兹扎维奇发现，大型星系团中的星系具有极高的运动速度，除非星系团的质量是根据其中恒星数量计算所得到的值的100倍以上，否则星系团根本无法束缚住这些星系。之后几十年的观测分析证实了这一点。尽管对暗物质的性质仍然一无所知，但是到了80年代，占宇宙能量密度大约20%的暗物质以被广为接受了 2 宇宙中的暗能量 2002年11月，英国天文学家韦尔金森教授领导的研究小组宣布，2/3的宇宙可能由神秘的暗能量组成。 若干科学家收集到的证据已表明，暗能量确实存在，并可能在宇宙总能量中占支配地位。 然而，暗能量究竟是什么，还是一个未知的谜。猎户座四边形星群