物理学思想史和方法论第五讲天体物理学与宇宙

1、第五讲第五讲 天体物理学天体物理学与宇宙与宇宙一、天文测量一、天文测量距离距离单位单位天文单位地球到太阳之间距离光年方法方法三角视差法恒星光谱法造父变星法最亮恒星法三角视差法三角视差法从已知距离的两点测星体造父变星法造父变星法造父变星法-视星等，绝对星等(设移至32.6光年远处所见星等)太阳:视星等 -26.7等; 绝对星等 4.85等织女星:视星等 0.03等; 绝对星等0.6等-二者之差只与距离有关造父变星：周期性亮暗亮暗-周期与光度有关：周期越长，亮度越大-周期绝对星等距离星体的成份星体的成份原子光谱-每一种元素有其特有的谱线族氢原子能级与光谱氢原子能级与光谱原子光谱：光谱线红移，星体远

2、离原子光谱：光谱线红移，星体远离星体运动的测量星体运动的测量多普勒效应-波源的运动影响波的频率-波源向观察者靠近：频率增高-波源向观察者离去：频率降低-光源靠近紫移，光源离去红移质量及寿命质量及寿命质光定律：恒星光度与其质量的六次方成正比原因：质量大相互引力大 平衡引力的内部压力大 (由热能和辐射能引起) 更快燃烧更亮推论：越年轻越亮年龄年龄放射性元素的半衰期235U=7.038108年238U=4.468109年初始丰度 235U/ 238U=1.71地球上现在丰度235U/ 238U=7.23 10-3可得: 地球寿命为6.6109年如何探测宇宙如何探测宇宙电磁波（光子） 射线 主星序前恒

3、星主序星红巨星白矮星主序星主序星能量来自热核反应：氢氦太阳是主序星-中心发生热核反应-3300亿大气压- 1500万度-大小变化小-温度变化小红巨星红巨星大部份氢变成氦核心部份氢燃烧停止氦燃烧开始：氦碳核外部份氦燃烧急巨膨胀温度降低-发红光太阳在红巨星阶段可维持一二十亿年白矮星白矮星外壳层被抛掉，内核进一步收缩密度极大的星体内部核反应基本停止亮度大大下降中子星中子星大质量恒星蓝超巨星，黄超巨星，红超巨星外壳层被抛掉，内核进一步收缩依次：碳燃烧，氖燃烧，氧燃烧，硅燃烧，铁燃烧铁燃烧吸收热量，内核冷却，支撑压力下降坍缩，强压下质子电子合成中子*慈威基(1934)，奥本海默(1939)中子星可能存在

4、密度极大的星体，超强磁场，自转极快脉冲星进一步坍缩：超新星 或 黑洞超新星超新星坍缩引起坍缩引起爆炸爆炸超新星超新星(2006gy)爆发想象图。爆发想象图。左下为地面光学望远镜拍摄的红外图像，右下为钱德拉X射线太空望远镜拍摄的照片。 这颗超新星代号为SN2006gy，位于2.4亿光年之外的英仙座NGC 1260星系。2006年9月，这颗超新星忽然爆发，亮度达到太阳亮度的500亿倍，而其亮度也是一颗典型的超新星的100倍。SN2006gy超新星质量起码是太阳质量的100倍。蟹状星云，蟹状星云，金牛座，金牛座，距离地球约距离地球约6300光光年，气体和尘埃聚年，气体和尘埃聚集在一起形成的小集在一起

5、形成的小星云。可测到星云星云。可测到星云大小和气体运幼速大小和气体运幼速废，可推可：源于废，可推可：源于1000年以前一颗超年以前一颗超新星爆炸，新星爆炸，中国中国天文天文记录：在近两记录：在近两年时间里，观察到年时间里，观察到新亮星。新亮星。-中国古代天文记录中国古代天文记录-夏商周断代工程夏商周断代工程黑洞黑洞质量超过某一上限坍缩成黑洞密度极大引力极大空间极度弯曲光不能逃逸*史瓦西半径：光不能逃逸的临界半径 太阳：3千米(1,390,000千米， 1.9981030千克)类星体类星体类星体（类星射电源):高光度,小尺度,物质高度密集,非热辐射谱,不规则光变,喷流现象(光学或射电)星系星系-

6、几千亿个恒星组成-直径达几万光年可分为：旋涡星系棒旋星系椭圆星系不规则星系银河系银河系棒旋星系、椭圆星系棒旋星系、椭圆星系太空探戈太空探戈哈勃太空望远镜最近拍下新照片哈勃太空望远镜最近拍下新照片两个星系两个星系共同被称为共同被称为Arp 87，距地球，距地球3亿光年之外，两个星系亿光年之外，两个星系都含有数十亿颗恒星。都含有数十亿颗恒星。星云星云由气体和尘埃，有可能还包含若干桓星组成由气体和尘埃，有可能还包含若干桓星组成现代艺术型星现代艺术型星云云这是一个这是一个由气体和尘埃由气体和尘埃组成的华美星组成的华美星云云恒星托儿所恒星托儿所这张引人入胜的图片也是由哈勃太空望远镜拍摄的，图片中的天体是

7、鹰状星云。这个星云也被称之为“创造之柱”，因为星云中的很多黑色区域据信就是原恒星的“繁殖地”。猫眼星云猫眼星云猫眼星云，距地约猫眼星云，距地约3000光年，头尾相距近半个光年。由气体和光年，头尾相距近半个光年。由气体和尘埃形成的结状物、喷射气流和火焰，被认为是已知的最为复杂的尘埃形成的结状物、喷射气流和火焰，被认为是已知的最为复杂的星云之一。天文学家认为，在猫眼星云独特的内部结构内存在一个星云之一。天文学家认为，在猫眼星云独特的内部结构内存在一个双星系统双星系统星系团星系团几百个星系组成直径达几百万到几千万光年本星系群：银河系，仙女星系，三角星系，大麦哲伦星云等组成星座：用假想的线条将亮星连接

8、起来，构成各种各样的图形，或人为地把星空分成若干区域，这些图形连同它们所在的天空区域，西方叫做星座。 1928年，国际天文联合会正式公布了88个星座， 星座大小相差悬殊，所含星数也各不相同，同一星座的星无任何物理联系同一星座的星无任何物理联系。-星座不是星系星座不是星系! !也不是星团也不是星团! !暗物质暗物质 由于暗物质不会发出任何光线，因此目前所有的观测手段都无法直接拍摄到它们的图象片。 在上世纪30年代，天文学家们发现了质量看起来很小的星系为什么不会破裂。-原来是暗物质的引力将这些星系聚合在了一起。暗物质光环暗物质光环哈勃天文望远镜所拍摄的照片。暗物质光环，光环是由距地球哈勃天文望远镜

9、所拍摄的照片。暗物质光环，光环是由距地球50亿光年亿光年远的两个星系团碰撞形成的。远的两个星系团碰撞形成的。宇宙暗物质三维数字地图。宇宙暗物质三维数字地图。2007年1月8日，美国的一个科研小组7日宣布，天文学家们最终绘制完成首张宇宙暗物质三维数字地图。天文学家们记录宇宙中一些扭曲的光线，通过对这些因重力而发生扭曲的光线的分析，判断出暗物质在宇宙中的位置和大小，甚至包括它们形成的具体时间等。在整个宇宙中，只有大约六分之一的物质是可见的，其余的则全部都是暗物质。所以“亮物质”在三维地图上就像是在黑夜中闪闪发光的宝石。过去，科学家利用暗物质来解释星系是怎样过去，科学家利用暗物质来解释星系是怎样“粘

10、粘”在一起的。在一起的。2006年年8月观测到，月观测到，距离地球距离地球 30亿光年的两个星系团相撞，导致暗物质从正常物质里分离，形成暗物质亿光年的两个星系团相撞，导致暗物质从正常物质里分离，形成暗物质云。很多科学家表示，这项观测是暗物质存在的证据，它云。很多科学家表示，这项观测是暗物质存在的证据，它 沉重打击了试图通过引力沉重打击了试图通过引力的修正理论达到证明暗物质不存在的解释。的修正理论达到证明暗物质不存在的解释。现在，两位加拿大天文学家认为，他们的引力修正理论现在，两位加拿大天文学家认为，他们的引力修正理论(MOG)能够解释这一观能够解释这一观测结果，认为暗物质根本不存在，只是引力发

11、生了变测结果，认为暗物质根本不存在，只是引力发生了变 化。化。暗物质是否存在？暗物质是否存在？三、大爆炸宇宙学三、大爆炸宇宙学宇宙学原理：宇宙在大尺度上是均匀的稳恒态宇宙学稳恒态宇宙学宇宙无边无际，无始无终，基本保持同一状态-若宇宙有限，其边界在何处？边界外是什么？-若宇宙有限，则有中心，其中心在何处？奥伯斯佯谬奥伯斯佯谬-夜空为什么是黑的夜空为什么是黑的一个恒星的星光按距离平方反比减弱一个同厚度同心天球壳内的恒星数按距离平方正比扩大-此球壳的亮度与距离无关，为常数-宇宙无限，无限多个球 壳的总亮度是无限大-天空永远无限亮西利格佯谬西利格佯谬-地球受到的引力有多大地球受到的引力有多大万有引力定

12、律：当宇宙无限且均匀分布时，对任意球，球外物质对球内任一点的引力相互抵消，只受 球内物质的引力问题：不同的园心和 半径将给出不 同的引力哈勃定律哈勃定律-除了几个最近的星系外，所有星系都在逐渐远离，且退行速度与距离成正比膨胀的宇宙膨胀的宇宙宇宙的起源宇宙的起源-宇宙起源于（150亿年300亿年）前的一次大爆炸-1956年，伽莫夫-膨胀的宇宙：气球类比，地球不是中心-膨胀的宇宙：宇宙的尺度增大， 密度变小， 温度降低宇宙最初演化史 3分45秒宇宙年龄宇宙年龄 = 0.01秒秒 温度温度 1011K 一团混沌一团混沌宇宙年龄宇宙年龄= 1.1秒秒 温度温度 1010K 出现电子、中子、质子出现电子、中子、质子宇宙年龄宇宙年龄 = 3分钟分钟 温度温度 109 K 电子、核合成原子电子、核合成原子T=4000K,原子气体星云原子气体星云凝聚成星体凝聚成星体宇宙年龄宇宙年龄 = 3分分45秒秒 宇宙基本成形宇宙基本成形宇宙的演化（二）宇宙的演化（二）空间：无限小的点逐渐膨胀的空间-粒子，星体产生后随空间膨胀向各方向运动时间：从大爆炸那一刻开始-空间及时间是与物质及其运动相联系-3k微波背景辐射微波背景辐射-理