天体及相对论

1、光速C= 299792458m/sBY 元昔 不同的参考系中观察物体的运动情况可能不同，物体在空间移动不同的参考系中观察物体的运动情况可能不同，物体在空间移动这一概念也是相对的这一概念也是相对的在不同参考在不同参考系中观察物系中观察物体的运动情体的运动情况况5.5.经典时空观的困惑经典时空观的困惑当火车未动乘客行走当火车未动乘客行走, , 观察者认为乘客的速观察者认为乘客的速度为度为V V2 2V V1 1当火车以当火车以V V1 1运动运动, , 乘客乘客行走行走, , 观察者认为乘观察者认为乘客的速度为客的速度为V V2 2+ V+ V1 1同时的绝对性同时的绝对性同时的相对性同时的相对性

2、时间间隔的绝对性时间间隔的绝对性运动的时钟变慢运动的时钟变慢空间距离的绝对性空间距离的绝对性运动的尺子变短运动的尺子变短质量不变质量不变质量随速度的增大而增大质量随速度的增大而增大时间和空间彼此独立时间和空间彼此独立,互不关联，且不受物互不关联，且不受物质或运动的影响。质或运动的影响。时间和空间相互关联，质时间和空间相互关联，质量随物体的运动状态的改量随物体的运动状态的改变而改变。变而改变。4.4.物体质量随速度的增加而增大物体质量随速度的增加而增大时空相对性的实验验证时空相对性的实验验证19661966年用年用子作了一个类似于双生子旅游的实验，让子作了一个类似于双生子旅游的实验，让子沿一直径

3、为子沿一直径为1414米的圆环运动再回到出发点，实验结果表明运动的米的圆环运动再回到出发点，实验结果表明运动的子的确比静止的子的确比静止的子寿命更长。子寿命更长。 19711971年，科学家将铯原子钟放在喷气式飞机中作环球飞行，然后与地面年，科学家将铯原子钟放在喷气式飞机中作环球飞行，然后与地面的基准钟对照实验结果与理论预言符合的很好这是相对论的第一次的基准钟对照实验结果与理论预言符合的很好这是相对论的第一次宏观验证宏观验证思考什么是“光年”？其意思是指光在真空中沿直线传播一年的距离约为94605亿千米光年是计量天体间距离的单位，一般被用于衡量天体间的距离。宇宙宇宙是由空间、时间、物质和能量所

4、构成的统一体。是一切空间和时间的总和。天体天体简单天体行星恒星亚恒星变星彗星复合天体恒星系统星系星云星系团星系云大范围天体宇宙可观测宇宙星风星际物质星系际介质恒星恒星是由炽热气体组成的，是能自己发光的球状或类球状天体。由于恒星离我们太远，不借助于特殊工具和方法，很难发现它们在天上的位置变化，因此古代人把它们认为是固定不动的星体，我们所处的太阳系的主星太阳就是一颗恒星。恒星是大质量、明亮的等离子体球。恒星诞生于以氢为主，并且有氦和微量其他重元素的云气坍缩。一旦核心有足够的密度，有些氢就可以经由核聚变的过程稳定的转换成氦。恒星内部多余的能量经过辐射和对流组合的携带作用传输出来；恒星内部的压力则阻止

5、了恒星在自身引力下的崩溃。天球天球是研究天体的位置和运动而引进的一个半径为任意的假想圆球。实际星星和我们的距离有远有近，我们看到的是它们在这个巨大的圆球球面上的投影，这个假想的圆球就称为天球，它的半径是无限大。而地球就悬挂在这个天球中央。星座看起来随着天球运动是由于地球自身的运动引起的，其中对星空变化较为显著的乃地球的自转和公转。由于地球自转，星空背景每天绕天轴转动一圈；星空也随着季节的变化而缓慢变化，经过一年之后，星空与一年之前的星空几乎一致。恒星的运动小熊座小熊座距北天极最近的一个北天星座。小熊座标示着北天极的所在，星座中最亮星小熊座即是目前的北极星。把小熊座中的七颗亮星连接起来，能构成与

6、大熊座的北斗七星相类似的一个斗型，因此这七颗星也被称作小北斗。在斗柄开始处是小熊座，它是目前的北极星，指示着北天极。通过大熊座北斗斗口的两颗星大熊座(天璇)和大熊座(天枢)朝斗口方向外引一条直线，并延长至这两颗星距离的五倍远，即可以找到北极星。小熊座仙女座天琴座天鹅座温度和光谱型（横轴）表面温度表面温度光谱型光谱型30000K以上蓝光（O）1000030000K蓝白(B)750010000K纯白(A)60007500K黄白色(F)50006000K黄(G)35005000K红橙(K)20003500K红(M)绝对星等（纵轴）亮暗超巨星巨星矮星0-11-5太阳黄矮星（光谱为G2V）太阳直径大约是

7、1392000（1.392106）公里，相当于地球直径的109倍；体积大约是地球的130万倍；其质量大约是21030千克（地球的330000倍）。从化学组成来看，现在太阳质量的大约四分之三是氢，剩下的几乎都是氦，包括氧、碳、氖、铁和其他的重元素质量少于2%。天狼星（A1V）蓝巨星天狼星（sirius）属大犬座中的一颗一等星，是夜空中最亮的恒星。根据巴耶恒星命名法的名称为大犬座星。在中国属于二十八星宿的井宿。天狼星、南河三和参宿四对于居住在北半球的人来看，组成了冬季大三角的三个顶点。绝对星等 1.42温度 9940K天狼星位置参宿四读音shn xi s参宿四为参宿第四星，西名Betelgeuse

8、，又名猎户座星（ Orionis），是一颗处于猎户座的红超巨星（猎户座一等星）。它是夜空中除太阳外第十亮的恒星。在冬季夜空中，它与大犬座的天狼星、小犬座的南河三组成冬季大三角。绝对星等 6.05温度3500K恒星的演化（二）中年期中年期时形成主序星恒星有不同的颜色和大小。从高热的蓝色到冷却的红色，从0.5到20个太阳质量。恒星的亮度和颜色依赖于其表面温度，而表面温度则依赖于恒星的质量。大质量的恒星需要比较多的能量来抵抗对外壳的引力，燃烧氢的速度也快得多。恒星形成之后会落在赫罗图的主星序的特定点上。（1）小而冷的红矮星会缓慢地燃烧氢，可能在此序列上停留数千亿年。（2）而大而热的超巨星会在仅仅几百

9、万年之后就离开主星序。（3）像太阳这样的中等恒星会在此序列上停留一百亿年。太阳也位于主星序上，被认为是处于中年期。在恒星燃烧完核心中的氢之后，就会离开主星序。恒星的演化（三）成熟期在耗尽了核心的氢燃料之后，燃烧将会移至核心外围的氢气层。因为惰性的氦核本身没有能源，便因为重力而收缩并被加热，在上面的氢也会跟着一起收缩，因此融合的速度会增加，产生更多的能量，导致恒星变得更为明亮(比原来亮1,00010,000倍)并且使体积膨胀。体积膨胀的程度超过发光能力的增加，因此表面的有效温度下降。表面温度的下降使得恒星的颜色倾向红色，因此称为红巨星。红巨星恒星的演化（四）衰退期当红巨星的外部区域迅速膨胀时，氦

10、核受反作用力却强烈向内收缩。经过几百万年，氦核燃烧殆尽，此时，外壳仍然是以氢为主的混合物，而在它下面有一个氦层，氦层内部还埋有一个碳球。核反应过程变得更加复杂，中心附近的温度继续上升，最终使碳转变为其他元素。与此同时，红巨星外部开始发生不稳定的脉动振荡：恒星半径时而变大，时而又缩小，稳定的主星序恒星变为极不稳定的巨大火球，火球内部的核反应也越来越趋于不稳定，忽而强烈，忽而微弱。此时的恒星内部核心实际上密度已经增大到每立方厘米十吨左右，我们可以说，此时，在红巨星内部，已经诞生了一颗白矮星。当恒星的不稳定状态达到极限后，红巨星会进行爆发，把核心以外的物质都抛离恒星本体，物质向外扩散成为星云，残留下

11、来的内核就是我们能看到的白矮星。白矮星结局一：白矮星白矮星是一种低光度、高密度、高温度的恒星。也是一种很特殊的天体，它的体积小、亮度低，但质量大、密度极高。比如天狼星伴星（它是最早被发现的白矮星），体积和地球相当，但质量却和太阳差不多，它的密度在1000万吨/立方米左右。因为它的颜色呈白色、体积比较矮小，因此被命名为白矮星。恒星的演化（四）衰退期结局二：中子星中子星的前身一般是一颗质量比太阳大8倍的恒星。它在爆发坍缩过程中产生的巨大压力，使它的物质结构发生巨大的变化。在这种情况下，不仅原子的外壳被压破了，而且连原子核也被压破了。原子核中的质子和中子便被挤出来，质子和电子挤到一起又结合成中子。最

12、后，所有的中子挤在一起，形成了中子星。显然，中子星的密度，即使是由原子核所组成的白矮星也无法和它相比。在中子星上，每立方厘米物质足足有一亿吨重甚至达到十亿吨。当恒星收缩为中子星后，自转就会加快，能达到每秒几圈到几十圈。同时，收缩使中子星成为一块极强的“磁铁”，这块“磁铁”在它的某一部分向外发射出电波。当它快速自转时，就像灯塔上的探照灯那样，有规律地不断向地球扫射电波。当发射电波的那部分对着地球时，我们就收到电波；当这部分随着星体的转动而偏转时，我们就收不到电波。所以，我们收到的电波是间歇的。这种现象又称为“灯塔效应”。恒星的演化（四）衰退期结局三：黑洞黑洞是由质量足够大的恒星在核聚变反应的燃料

13、耗尽而“死亡”后，发生引力坍缩产生的。黑洞的质量极其巨大，而体积却十分微小，它产生的引力场极为强劲，以至于任何物质和辐射在进入到黑洞的一个事件视界（临界点）内，便再无力逃脱，甚至目前已知的传播速度最快的光（电磁波）也逃逸不出。走进太阳系恒星：太阳行星：水星、金星、地球、火星、土星、木星、天王星、海王星卫星： 月球（地球卫星）、木卫一 ( 木星卫星)、木卫二 ( 木星卫星)、木卫三 ( 木星卫星)、木卫四 ( 木星卫星)、 土卫六 ( 土星卫星)、天卫一 ( 天王星卫星)、 海卫一 ( 海王星卫星)小行星带：谷神星、智神星、婚神星、灶神星等柯伊伯带：冥王星、卡戎、鸟神星、妊神星等彗星太阳光球对流

14、层上面的太阳大气，称为太阳光球。光球是一层不透明的气体薄层，厚度约500千米。它确定了太阳非常清晰的边界，几乎所有的可见光都是从这一层发射出来的。色球色球位于光球之上。厚度约2000千米。太阳的温度分布从核心向外直到光球层，都是逐渐下降的，但到了色球层，却又反常上升，到色球顶部时已达几万度。由于色球层发出的可见光总量不及光球的1%，因此人们平常看不到它。只有在发生日全食时，即食既之前几秒种或者生光以后几秒钟，当光球所发射的明亮光线被月影完全遮掩的短暂时间内，在日面边缘呈现出狭窄的玫瑰红色的发光圈层，这就是色球层。平时，科学家们要通过单色光色球望远镜才能观测到太阳色球层。日冕日冕是太阳大气的最外

15、层，由高温、低密度的等离子体所 组成。亮度微弱，在白光中的总亮度比太阳圆面亮度的百分之一还低，约相当于满月的亮度，因此只有在日全食时才能展现其光彩，平时观测则要使用专门的日冕仪。日冕的温度高达百万度，其大小和形状与太阳活动有关，在太阳活动极大年时，日冕接近圆形；在太阳宁静年则呈椭圆形。自古以来，观测日冕的传统方法都是等待一次罕见的日全食在黑暗的天空背景上，月面把明亮的太阳光球面遮掩住，而在日面周围呈现出青白色的光区，就是人们期待观测的太阳最外层大气日冕。日冕太阳黑子太阳耀斑太阳风水星水星（英语：Mercury，拉丁语：Mercurius），中国称为辰星，是太阳系八大行星最内侧的一颗。它也是最小

16、的，并且有着八大行星中最大的轨道偏心率。它的轨道每87.968地球日绕行太阳一周而每公转2.01圈时也自转了3圈。当它最亮时，在技术上应该很容易就能从地球上看见，但因为在天空中太靠近太阳，实际上并不容易找到。因此，除非有日食，否则在阳光的照耀下通常是看不见水星的。金星夜空中亮度仅次于月球，排第二，金星要在日出稍前或者日落稍后才能达到亮度最大。它有时清晨出现在东方天空，被称为“启明”；傍晚处于天空的西侧。金星是一颗类地行星，因为其质量与地球类似，有时被人们叫做地球的“姐妹星”，也是太阳系中唯一一颗没有磁场的行星。在八大行星中金星的轨道最接近圆形，偏心率最小，仅为0.7%。金星美国加州大学洛杉矶分

17、校地球物理学教授拉塞尔表示，闪电是云与云碰撞导致的，大约出现在金星上空56公里处。闪电爆发出大量的电能，这正是科学家一直从理论上推断的东西，这为在原始软泥中诞生生命提供了可能。然而，金星上不会出现生命。“如果非要谈金星上有生命，那也是很早以前的历史了，金星现在的状况不可能有生命，因为它的大气太残酷无情了，”华盛顿卡内基大学的肖恩所罗门说。科学家认为，数十亿年前，金星的情况和现在的地球差不多，是一个适宜居住的地方。但由于二氧化碳的温室效应，再加上太阳辐射，金星大气被严重破坏了，旋转速度也慢了，从而走上一条不同的发展道路。现在的金星没有水，表面温度足可以融化铅，上面时常有刚刚和雷雨侵袭。总之，其气

18、候出现了灾难性的改变。科学家由此担心金星现在的境遇将会是地球的未来。地球地球是太阳系八大行星之一，按离太阳由近及远的次序排为第三颗。它有一个天然卫星月球，二者组成一个天体系统地月系统。地球作为一个行星，远在46亿年以前起源于原始太阳星云。地球会与外层空间的其他天体相互作用，包括太阳和月球。地球是上百万生物的家园，包括人类，地球是目前宇宙中已知存在生命的唯一天体。地球赤道半径6,378.137KM，平均赤道半径约6371KM，极半径6，356.752KM，赤道周长40075.7KM，地球上71%为海洋，29%为陆地，所以太空上看地球呈蓝色。地球是目前发现的星球中人类生存的唯一星球。火星是太阳系由

19、内往外数的第四颗行星，属于类地行星，直径约为地球的53%，自转轴倾角、自转周期均与地球相近，公转一周约为地球公转时间的两倍。火星基本上是沙漠行星，地表沙丘、砾石遍布没有稳定的液态水体。二氧化碳为主的大气既稀薄又寒冷，沙尘悬浮其中，每年常有尘暴发生。火星两极皆有水冰与干冰组成的极冠会随着季节消长。与地球相比，地质活动较不活跃，地表地貌大部份于远古较活跃的时期形成，有密布的陨石坑、火山与峡谷，包括太阳系最高的山：奥林帕斯山和最大的峡谷：水手号峡谷。另一个独特的地形特征是南北半球的明显差别：南方是古老、充满陨石坑的高地，北方则是较年轻的平原。火星的地貌木星太阳系中体积最大、自转最快的行星。它的质量为太阳的千分之一，但为太阳系中其它七大行星质量总和的2.5倍。2012年02月23日科学家称发现木星2颗新卫星，累计卫星达68颗。木星是一个气体行星。液态行星没有实体表