60年代四大发明.doc

第三讲 60年代四大发现和宇宙的起源与归宿1. 类星体（Quasars） 在20世纪60年代发现的射电源中，有些光学视形态类似于恒星，无法分解，因而被称为类星射电源，简称类星体。 1963年Maarten Schmidt证认出它们实际上是红移了的H和其他元素的发射线。光谱中有强而宽的未知发射线。 通常认为这种红移是由宇宙膨胀的多普勒效应引起。 类星体3C 273的红移表明它的退行速度达到4.4104 kms-1 距离660 Mpc。 目前观测到的类星体最大红移达到6。 因此类星体是人们观测到的最遥远、最年老、也是辐射功率最大的河外天体。大部分连续辐射位于红外波段。光变时标为几天-几周，最短至几小时。有些类星体有喷流，射电源通常有双瓣结构。 类星体实际上是活动星系核。与类星体相比，它们的宿主星系十分黯淡。 Hubble空间望远镜发现类星体位于星系团中，并观测到了类星体周围的雾状结构，它们来自宿主星系中的恒星辐射。2、星际分子20世纪30年代，首先发现了第一种星际分子，接着又发现了两种。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80年代末，已发现了80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发现强烈的不明电波后，天文学家们查明的该电波分子。3、3k宇宙微波背景辐射（1）发现过程：1964年，美国贝尔电话实验室的彭齐亚斯和威尔逊为了检验一台巨型天线的低澡声性能，而把天线对准了没有明显天体的天区进行测量。他们发现，无论把天线指向何方，总能收到一定的噪声。后来发现噪声信号来自外部空间。科学家对这种微波辐射进行了比较分析。所谓辐射，就是电磁波，也就是光子气体。进一步的精确测量显示，这种辐射的温度相当于绝对温度3K的黑体辐射。由于这种辐射充满整个天球，形成了整个宇宙背景的辐射，所以称为3K宇宙微波背景辐射。它说明宇宙在200亿年前的大爆炸中，从高温致密态下脱胎出来。大爆炸的效应使得宇宙在不断膨胀，其密度不断变小，温度也逐渐下降。2、观测1989年发射的宇宙背景探测仪（COBE）对0.5毫米-10厘米波段的宇宙背景辐射进行观测 高度各向同性2.73 K黑体辐射 3. 微波背景辐射的各向异性宇宙微波背景辐射温度变化（蓝色：2.724 K ，红色： 2.732 K.）太阳运动的朝向与被向方向的温度分别变化10-3扣除微波背景辐射的偶极不对称和银河系尘埃辐射的影响后，微波背景辐射表现出大小为十万分之几的温度变化。这种细微的温度变化表明宇宙演化早期存在微小的不均匀性，正是这种不均匀性导致了星系的形成。在复合时如果宇宙物质存在微弱的扰动，宇宙中的等离子体将在扰动的引力势中振荡。这种振荡是一种声频振荡。振荡所产生的密度和温度的起伏表现为微波背景辐射的各向异性。观测尺度更小、或与今天我们看到的结构直接有关的起伏需要更高的分辨率。4、脉冲星（1） “定义” “经典”：（主要）由中子组成的致密星体 “现代”：（主要）由高密度强子物质组成的致密星体（2） 研究历史和观测 1932年中子发现，landu预言中子星的存在。1934年，Baade and Zwicky 指出可能在超新星遗迹中寻找到中子星。1939年，Oppenheimer and Volkoff 第一次对中子星的性质进行了理论计算。中子星的理论提出后，经典天文方法的搜寻都未成功。主要是其平均光度极低。1967年，Bell and Hewish 发现了脉冲星，很快Gold证认为旋转中子星：接下来的Crab脉冲星的观测，证明了中子星与超新星的联系。现在已观测到超过1000颗脉冲星。第一个脉冲双星PSR1913+16由Holse andTaylor在1973年发现。在已发现的脉冲星中，约有20个脉冲双星，伴星是白矮星或中子星，已知的双中子星6个。利用伴星质量，可测得中子星质量。（3）诞生： 大质量星演化的终态。恒星内部氢核聚变阶段是主序星阶段，演化过程中，当核心处的氢耗尽时，又开始收缩，随着温度的增加，中心出现新的热核反应，三个氦聚合形成碳，而其它氦形成氧。热核反应释放的能量使外层大大膨胀成一个红巨星。如果质量比6太阳质量小，进入红巨星阶段后，剩下的核心主要由氦、碳和氧组成，在自身引力作用下收缩形成一个白矮星。质量为6-8太阳质量，如何变化？目前不大清楚！ 质量8-20太阳质量的星发生超新星爆发，核心形成中子星。质量大于20太阳质量时，核心继续塌缩而形成黑洞。 结构（4）中子星的结构外壳：原子核和电子内壳：丰中子核、中子和电子核物质：核物质、U子和电子奇异核心：超子、夸克物质？（5）中子星(脉冲星)性质概要质量 (0.2-2.5)Msun 半径 (10-20) km自转周期 P 1.5 m 8s (己发现的范围)表面磁场: 大多数脉冲星: 1010-1013高斯磁星 ：1014-1015高斯表面温度:105-106K 非脉冲(软)x射线热辐射 脉冲星同超新星遗迹成对：发现10个 脉冲星的空间运动速度: 高速运动。 大多数: V (200 500)km/s ; 5个: V 1000km/s （6）脉冲星研究中的重大疑难问题自转减慢(Spin down)机制?脉冲星射电 (X-ray, g-ray)辐射机制? 辐射产生区域?年轻脉冲星Glitch现象产生机制?制动指数 n 太阳系- 太阳的邻居- 本银河系- 本星系群- 宇宙的海棉结构。最大结构体长城 200 Mpc ，远小于己知宇宙的大小，所以只是区域结构。1 现有的观测显示，没有比长城更大的结构。 宇宙红位移 哈伯定律 星系相互远离，相距愈远的星系，相互远离的速度愈大。 Vr = H * d H = 75 km/s/Mpc 宇宙的起点 很自然的推测：如时间倒转，多久之前，所有的星系会聚集在一起？ 假设膨胀的速度一直不变，聚集发生的时间为多久以前？(如果H = 75 km/s/Mpc) ： t = d / Vr = d / H * d = 1 / H = 130 亿年。 宇宙论的基本假设 宇宙论原则(cosmological principle) 观测显示，大尺度(约200 Mpc 以上) 的宇宙具有： 1均匀性 ：物质在太空里是均匀分布的。 2等向性 ：整个宇宙从每一个方向看出去都差不多。 3共同性：宇宙起始10-43 秒后，所有的物理定律，在宇宙中的每一个地方都适用。 例如：爱因斯坦的广义相对论。 宇宙论标准模型大爆炸说(The Big Bang) 大爆炸学说(The Big Bang) 假设宇宙是在约150-200亿年前，从一个高温高密度的状态，开始爆炸，膨胀之后渐渐冷却，形成星系。 膨胀是发生在每一处。 宇宙论标准模型所描绘出的宇宙的历史如下： 当时间为0时开始产生大爆炸， 当时间为4秒时，开始产生质子、中子、电子。 当时间为3分时，开始形成原子核，其中氢(H) 约占75%，氦(He) 约占25%。 此时气体是游离的，自由电子与光散射，光无法跑远就被散射掉，宇宙到处充满辐射。大爆炸至此时期之前，合称为辐射主控时代(radiation dominate era)。 当时间为106年时，温度约为3000 K ，自由电子与氢、氦原核结合成为氢原子与氦原子。此时气体是中性的，使得光子可以在宇宙中自由行走，亦即宇宙变透明了， 从此进入物质主控时代(matter dominate era)。 当时间为109年时，星系的形成。 奥伯诡论(Olbers paradox ) 为何夜空是黑暗的？ 若是宇宙是无限而且永恒的，星与星系均匀的分布在整个宇宙中。则每个方向的星光都将到达地球，使地球的天空看起来与恒星的表面一样亮。 近代的解释： 宇宙不是无限老的，远处的星光，在有限的的时间内，尚未传到地球。 宇宙是膨胀的，恒星的光会因膨胀而产生红位移，亦即能量变小，使我们无法侦测到这些光。(这部份的贡献过小，应不是黑暗夜空的合理解释) 支持大爆炸说的观测证据 1宇宙红位移 由地球任何方向看出去，遥远的星系都是离我们远去，宇宙膨胀 。哈柏定律: Vr = H * d H = 75 km/s/Mpc 2氦与氦的丰存度 宇宙标准模型预测，H (氢) 占约75%，He(氦)占约25 ，己经实测证实。恒星所消耗的氢与所产生的氦，还不足以改变这个比例。 微量元素的丰存度 微量元素：重氢(deuterium)、氦-3 (helium-3)、锂-7 (lithium-3)。 对这些恒星无法合的微量元素，宇宙标准模型预测的丰存度，与实测的丰存度一致。 3 K 微波背景辐射 大爆炸后，宇宙膨胀、冷却。 Penzian & Wilson (1978 诺贝尔奖得主) 用号角形天线发现，天空具有均匀等向的无线电波噪声宇宙背景辐射，相对应于3K 黑体所发出的辐射。COBE 卫星精确测量，宇宙微波背景辐射的温度为2.726 0.005 K。 微波背景辐射不均匀量 微波背景的微量不均匀 ，是宇宙区域结构的种子。宇宙论标准模型的难题与宇宙暴胀理论 宇宙论标准模型的难题 1宇宙的年龄问题 注：此为观测问题，并非宇宙论的基本难题。星系红位移(哈伯定律) t (宇宙年龄)= d/Vr * 1012 年= 1/H * 1012 年 Sandage ：150 至200 亿年 Freedman (HST) ：80 至120 亿年。 球状星团观测、元素丰存度分析 球状星团观测：150 至200 亿年 长半衰期同位素分析：140 至180 亿年 症结 球状星团观测 、元素丰存度分析 观测与原子核理论的计算吻合，如这部份证实有误，原子核基本理论的根本，将完全动摇。 星系红位移(HST/Freeman) HST的观测与数据分析，(目前) 找不出错误。 2宇宙的组成问题 星系的旋转速率曲线 显示，暗物质 占90% 以上，但暗物质的本质仍然未定。 宇宙论标准模型，对暗物质的存在与本质皆未做预测。 3视界问题(horizon problem) 视界：光在指定的时间，所能传播的距离。 问题：宇宙背景辐射为何各向同性？为何如此均匀？ 宇宙背景辐射为宇宙变透明时，宇宙中辐射的遗迹。宇宙变透明时，宇宙边缘各点的距离，有些己超过视界，如未经沟通，宇宙如何保持热平衡？ 宇宙论标准模型的假设：大爆炸至宇宙变透明时，宇宙一直处于热平衡状态。 4曲度问题(flatness problem) 理论预测，保持开平坦宇宙所需的物质密度10-29 克/公分3。o = (实际物质密度)/(临界物质密度) 开放宇宙，o 1 。 实测结果：0.1 o 2。 现在所量得的质量密度非常接近临界值，宇宙未来的命运仍未卜。 曲度问题 宇宙为何如此平坦？ 暴胀宇宙模型(inflaionary universe) 假设 ：宇宙在10-35 秒至10-33 秒之间发生暴胀。在此期间，宇宙的直径大约由10-26 公尺暴增1050倍，至1024 公尺(30 Mpc) 。在10-33 秒时，暴胀终止，膨胀速率变得与标准模型相同(参见示意图)。 暴胀机制：宇宙在10-35 秒时发生相变，放出巨量的潜热，造成宇宙暴胀。视界问题的解答暴胀之前，宇宙直径小于视界，宇宙处于热平衡。 曲度问题的解答暴胀后，我们可见的宇宙，只是宇宙真实大小的极小部份。物质所产生的空间曲度几乎和平面相同 ，亦即o 1。 宇宙的可能归宿 宇宙的归宿 ，全看宇宙的o 值而定： 1. 开放的宇宙(open universe)o 1 自然科学基础地理第一节恒星：由炽热的气体组成的，能够自身 发光的，球形或类似球形的天体。1、恒星及其自行 （1）恒星的特点 有炽热的气体组成。恒星是气体球，没有固态的表面，气体依靠自身的引力，聚集成球体或类似球形 。氢约占70，氦约占28，其余为碳、氮、氧、铁等元素。 具有巨大的质量。恒星的质量范围在0.1-个太阳质量之间。更小的质量不足以触发核反应，更大的质量则会由于产生的辐射压力太大而瓦解。 能够自身发光。 距离遥远。离开我们最近的恒星是半人马星座星（中名南门二），距离为4.22光年。 相对位置基本“恒定”不变。如：天琴座、天鹰座、大熊座等。 具有不同的光度和亮度（2） 恒星的自行：恒星的空间速度可以分成两个分量，即视向速度和切向速度，前者是沿观测者视线的分量，后者是与视向速度向垂直的分量，它表现为恒星在天球上的位移，就叫恒星的自行。恒星的自行速度一般都小于每年0.1角秒，自行最快的恒星是蛇夫座的巴纳德星，每年自行0.31 角秒。由此可见恒星不“恒”，如：大熊座的变化 （3） 恒星的距离 通常用来测量天体距离的单位有：光年光在真空中一年时间所走过的距离称为1光年。 太阳光到达地球是8分18秒。离太阳最近的恒星是半人马座的比邻星，距离是4.22光年，牛郎星约16光年，织女星约26光年，北极星约400光年。 秒差距恒星周年视差为l时的恒星距离叫做1秒差距。当星日连线和星地连线的最大张角为1时，该星日距离长度定义为1秒差距。 恒星周年视差的测定十分困难，离地球最近的比邻星的周年视差仅0.767，其他遥远恒星的周年视差就更小，通常采用照相方法测定。周年视差与秒差距互为倒数关系，当周年视差愈大(小)时，恒星距离就愈小(大)。 天文单位、光年和秒差距之关系 1天文单位即日地平均距离，约14960104（万）km，用于测定太阳系天体的距离。1光年=9.46051012km63240天文单位1秒差距3.26光年=206265天文单位2、恒星的发光和光谱 恒星发光的条件：高温、高压 恒星的光谱：恒星星光通过分光镜一类的光学仪器，使不同波长或者说不同颜色的光，按其波长顺序排列成一条光带，就叫恒星的光谱。恒星的物理、化学性质不同，光谱类型也不同星座的由来：古代为了要方便在航海时辨别方位与观测天象，于是将散布在天上的星星运用想像力把它们连结起来，并命名为某某星座。其中有一半是在古时候就已命名了，其命名的方式有依照古文明的神话与形状的附会（包含了美索不达米亚、巴比伦、埃及、希腊的神话与史诗）。另一半（大部是在南半球的夜空中）是近代才命名，经常用航海的仪器来命名。 在古代因地域的不同，所以看星空的方式也就不一样！现在，天空中的星座共划分为88个，其中29个在地球赤道以北，46个在地球赤道以南，跨在地球赤道南北的有13个。 这88个星座中，有15个在南天极附近，住北京的居民永远也看不见它们。上海比北京的纬度低9度，所以在上海可以多看到南天极附近的6个星座。海南岛南端榆林港的地理纬度便低，那里的居民能看到84个星座。 天空88个星座的名字，大约一半是以动物为名的，如大熊座、狮子座、天蝎座、天鹅座等。四分之一是以希腊神话中的人物名字命名的，如仙后座、仙女座、英仙座等。其余四分之一是以用具命名的，如显微镜座、望远镜座、时钟座、绘架座等。虽然古人划分星座的办法不科学，但很多星座的名称仍沿用到今天。我国古代划分的星座系统虽已不再使用，但一些古老的恒星名称，仍然保留着。 二千多年前希腊的天文学家希巴克斯（Hipparchus，西元前190120年）为标示太阳在黄道上运行的位置，就将黄道带分成十二个区段，以春分点为0，自春分点（即黄道零度）算起，每隔30为一宫，并以当时各宫内所包含的主要星座来命名，依次为白羊、金牛、双子、巨蟹、狮子、处女、天秤、天蝎、射手、摩羯、水瓶、双鱼等宫，称之为黄道十二宫，总计为十二个星群。为了确定位置的方便，人们把黄道划分了十二等份（每份相当于30），每份用邻近的一个星座命名，这些星座就称为黄道星座或黄道十二宫。这样相当于把一年划分成了十二段，在每段时间里太阳进入一个星座。在西方，一个人出生时太阳正走到哪个星座，就说此人是这个星座的。 古希腊神谱卡俄斯是原始的神，他通过单性繁殖生有：该亚大地女神（第一代神后）乌拉诺斯天神（第一代主神）彭透斯最早的海神 俄瑞波斯黑暗女神 尼克斯夜神 厄洛斯最早的爱神天神乌拉诺斯和地神该亚成为第一代众神之王和众神之后，他们生下十二提坦神，六男六女。六个男提坦神是：俄克阿诺斯河流之神 科俄斯暗神 许佩里翁最早的太阳神伊阿佩托斯普罗米修斯的父亲 克罗