恒星和行星课件

1、2022/7/211第1章 宇宙科學概觀地球是從哪裡來的？太陽系是從哪裡來的？銀河系是從哪裡來的？宇宙是從哪裡來的？宇宙大爆炸模型強子對撞機2022/7/212盤古開天 2022/7/213女媧補天 2022/7/2141.1.1人類早期的宇宙觀蓋天說 後蓋天說 渾天說 2022/7/215西元2世紀，C托勒密提出了一個完整的“地心說”。 認為地球在宇宙的中央安然不動，月亮、太陽和諸行星以及最外層的“恒星天”都在以不同速度繞著地球旋轉。 作為神學宇宙觀支柱的地心說長期佔據著統治地位。在歐洲流傳了1 000多年 。 2022/7/2161.1.2日心說與地心說之爭水星運動軌跡和進動2022/7/

2、217日心說哥白尼在1543年提出“日心說”的觀點，認為太陽位於宇宙中心，而地球則是一顆沿近似圓形軌道繞太陽公轉的普通行星。2022/7/218開普勒揭示了地球和諸行星都在橢圓軌道上繞太陽公轉，進一步發展了哥白尼的日心說 。開普勒157116302022/7/2191687年，I牛頓提出了萬有引力定律，開創了用力學方法研究宇宙論的途徑，深刻揭示了行星繞太陽運動的力學原因，並建立了經典宇宙論，使日心說有了牢固的力學基礎。2022/7/2110哥白尼日心說的革命性作用不在於強調太陽是宇宙的中心，而是在於指出了地球在宇宙中沒有任何特殊地位，這正是宇宙論原理的精神！現在人們把宇宙論原理稱為哥白尼原理，

3、也正是為了肯定他的這種精神。2022/7/21111.1.3太陽和太陽系的起源太陽的主要參數： 半徑7105 km 表面溫度6 000 K 核心溫度1.5107 K 品質約為21033 g的氣體球 平均密度為1.409 g/cm3 表面加速度為2.74104 cm/s22022/7/2112太陽系：2022/7/2113太陽系的起源和太陽的形成 旋渦說 碰撞說 災變說俘獲說 星雲說 2022/7/2114按太陽系在銀河系中的位置可知，太陽系的原始星雲應該包含了更多的重元素，也就是說它是在銀河系內經歷了數代超新星爆發後形成的。它是從低溫狀態，靠自引力收縮才導致溫度逐漸升高的。2022/7/211

4、5大約在47億年前，一個品質比太陽大幾千倍的星際雲，當收縮到密度為1015 gcm3時，內部出現了湍渦流，便碎裂成上千個小星雲，原始星雲就是其中之一。原始星雲一面自轉，一面因自引力而收縮。而在收縮過程中，由於角動量守恆，自轉角速度逐漸加快，慣性離心力使原始星雲逐漸變扁。當赤道處自轉角速度大到慣性離心力等於中心部分對赤道處物質的引力時，赤道附近的物質便停止收縮而留在那裡。2022/7/2116而原始星雲的其他部分仍繼續收縮，於是形成了扁扁的、內薄外厚、連續的星雲盤。與此同時，原始星雲中心部分在收縮過程中品質變大，形成了太陽，並發出輻射 。2022/7/2117太陽系中其他行星及其衛星的形成 星子

5、說我國天文學家戴文賽（19111979）認為，星雲內的固體微粒在聚集的同時向赤道面沉降，在盤內形成一個比盤薄得多的“塵層”；當塵層密度足夠高時，便出現引力不穩定性，於是瓦解成許多粒子團；粒子團收縮形成星子。星子 行星胎 行星2022/7/2118地球形成過程為一百萬年左右。木星核為幾千萬年。天王星和海王星則需幾億年。2022/7/21191.1.4銀河系的發現及其與太陽系的關係銀河系是一個由恒星和星系物質組成的巨大的、盤狀系統。是構成宇宙的億萬個星系中的一個，是星系類型中的旋渦星系一類的典型。它的核心周圍是一個巨大的中央核球，並有纏繞著它的旋臂。這些彎曲的旋臂使銀河系的外形看上去像是一個龐大的

6、車輪。旋臂均勻沉陷在銀盤中。銀盤是銀河系的主要組成部分，直徑約70 000 l.y.。2022/7/2120從地球上看到的銀河2022/7/2121銀河系2022/7/2122銀河系的主參數：品質約為1012 。銀河系（盤）的直徑約為30 kpc。太陽距其中心的距離約為8.5 kpc。太陽位於銀河系眾多的旋臂中的一條，即獵戶臂的內側邊緣附近，距銀河系中心約為銀河系半徑的2/3距離處。銀心（又稱銀核）位於人馬座天區方向，和太陽的距離約為23 000l.y.。 1AU1.501011m1pc2.06105AU2022/7/2123宇觀客體確實是一個難於駕馭、不可捉摸的龐然大物，但它們的命運卻受到最

7、微小的基本粒子的擺佈。如作為恒星演化的結局之一的白矮星是由電子的簡並氣壓所決定的，中子的簡並壓強決定了中子星的品質大小，更有趣的是宇宙的大尺度結構的基本特徵是由不可能發光的看不見的“暗物質”決定的。 2022/7/21241.1.5銀河外星系18世紀中葉，康得等人還提出，在整個宇宙中，存在著無數像我們的天體系統（指銀河系）那樣的天體系統。 宇宙中無數的恒星系統可形象地比喻成汪洋大海中的島嶼宇宙島。從銀河系的構成看，除了由大量恒星組成的球狀星團、疏散星團、一些零散的其他恒星外，還有大量的星際物質。它們也可分為三大類：亮星雲、暗星雲和它們之間的星際氣體及塵埃。 2022/7/2125 1924年，

8、才由美國天文學家哈勃（Hubble，18891953）用威爾遜山天文臺上口徑為2.54m的反射望遠鏡胡克望遠鏡通過照相觀測，將星雲的週邊部分分解為單個的恒星，在仙女座大星雲的邊緣找到了被稱為“量天尺”的造父變星；有力地證明了這些星雲是處於銀河系外的天體，也像銀河系一樣，是一個巨大、獨立的恒星集團。統稱它們為“銀河外星系”或“星系”。 因此，仙女星雲應改稱為仙女星系。哈勃（18891953）2022/7/2126仙女星系造父變星2022/7/2127蟹狀星雲2022/7/21281.2宇宙大爆炸模型物理模型1.2.1哈勃定律與宇宙膨脹多普勒效應 紅移 Z=(H/c)d 退行速度：vHd 2022

9、/7/2129紅移 2022/7/21301.2.2宇宙大爆炸模型的提出及其理論預言哈勃關於星系紅移與距離之間關係的發現，是愛因斯坦場方程給出的宇宙非靜態解所描述的膨脹宇宙所顯示的觀測效應。2022/7/2131宇宙大爆炸模型1932年勒梅特提出現代宇宙大爆炸理論的雛形：整個宇宙最初聚集在一個極端壓縮、極端高熱狀態下的原始原子中，後來發生了大爆炸，碎片向四面八方散開，形成了我們的宇宙。2022/7/21321948年，伽莫夫（GGamov，19041968）把核子物理學同宇宙膨脹理論結合起來，奠定了宇宙大爆炸理論的基礎，更清晰地描繪了宇宙從原始高密狀態演化、膨脹的概貌。他把原始原子稱為原始火球

10、，球內充滿輻射和基本粒子，這些基本粒子互相發生核聚變反應，引起爆炸而向外膨脹，輻射溫度和物質溫度急劇下降，核反應停止，其間所產生的各種元素形成了今天宇宙中的各種物質。2022/7/213320世紀科學的智慧和毅力在英國數學家和理論物理學家霍金的身上得到了集中的體現。這位因青年時期患上了肌肉萎縮綜合症而只能坐在輪椅上的天才科學家，現在擔任英國劍橋大學牛頓級別的盧卡斯講座教授職務，他在上世紀80年代根據理論計算提出“黑洞”理論，有力地支持宇宙大爆炸學說。2022/7/2134霍金對宇宙起源後10-43 s以來的宇宙演化圖景作了清晰的闡釋，用最簡略的語言勾繪出宇宙起源的壯麗圖景：宇宙最初只是個奇點，

11、在這之前，沒有時間，沒有空間，沒有物質，沒有能量，然後是大爆炸，剛剛誕生的宇宙是熾熱的、緻密的，隨著宇宙的迅速膨脹，其溫度迅速下降。最初的1秒鐘之後，宇宙的溫度降到約100億K，這時的宇宙是由質子、中子和電子形成的一鍋基本粒子湯。隨著這鍋湯繼續變冷，核反應開始發生，生成各種元素。這些物質的微粒相互吸引、融合，形成越來越大的團塊，並逐漸演化成星系、恒星和行星，在個別天體上還出現了生命現象。然後，能夠認識宇宙的人類終於誕生了。2022/7/2135從0時間開始的宇宙大爆炸時間表： 起源：宇宙始於約200億年前爆炸的一個高溫、高密度的“原始火球”。它的起始時間為0。普郎克時代：時間10-43 s，溫

12、度高達1032K； 大統一時代：時間10-35 s，溫度高達1028K；強子時代：時間10-6 s，溫度為1014K；輕子時代：時間10-2 s，溫度為1012K；輻射時代：時間110 s，溫度降至約10105 109K，基本粒子開始結合成原子核，能量以光子輻射顯示出現（人們探索微觀世界和宇宙結構的努力在這裡會合）；2022/7/2136氦形成時代：時間3min，溫度降至約109K，直徑膨脹到約1l.y.大小，有近三成物質合成為氦，核反應消失；進入物質時代：時間3min2000年，溫度降至約105K，物質密度大於輻射密度；物質從背景輻射中透明出來：時間10002000年，物質溫度開始低於輻射溫

13、度，最重與最輕的基本粒子數比值（即元素豐度）保持恒定；星系形成：時間108年，溫度降至約100K；類星體、恒星、行星及生命先後出現：時間109年，溫度降至約12K；目前階段：時間1010年，溫度降至約3K，星系溫度約105K。2022/7/21371.2.3宇宙觀測與宇宙大爆炸 模型的發展1宇宙微波背景輻射 20世紀40年代伽莫夫等人通過理論計算預言：大爆炸後最初幾分鐘，宇宙就像一個氫彈爆炸時產生的火球，處處充滿了溫度高達10億K的光輻射。因為處於熱平衡中，這種輻射強度隨波長的分佈服從普朗克分佈（或稱黑體譜）。隨著宇宙的膨脹，輻射溫度不斷下降，但始終保持黑體譜形和總體均勻性。宇宙膨脹至今，應該

14、存在一種均勻地充滿空間的溫度為5K左右的背景黑體輻射。 2022/7/21381964年美國貝爾電話實驗室的彭齊亞斯和威爾遜用一架衛星通信天線在7.35 cm波長處探測到了一種來自宇宙空間、強度與方向無關的3K黑體輻射。微波背景輻射是極大的時空範圍內的事件。因為只有通過輻射與物質之間的相互作用，才能形成黑體譜；而且其各向同性反映了宇宙過去和現在的整體性質。後來他們確信，這種背景輻射正是原始火球的遺跡，就是伽莫夫預言的宇宙背景輻射。2022/7/2139哈勃的發現打開了宇宙整體動力學演化研究的大門，那麼彭齊亞斯和威爾遜的發現則打開了宇宙整體物理演化研究的大門。彭齊亞斯和威爾遜兩人也因這一重大發現

15、而獲得了1978年的諾貝爾物理學獎金。2022/7/21402膨脹 標準宇宙論的一個最基本的性質是宇宙的膨脹。20世紀60年代發現膨脹在觀測宇宙論中起著基本的作用。世界各地的天文觀測者測量到約28 000個星系的光譜，除少數（靠近銀河系的那些星系）外全都具有支持膨脹宇宙的紅移。 2022/7/21413均勻性和各向同性 人類正是從不斷地否定對其自身和其生存環境所處的特殊地位的過程中，逐漸發展和完善了對於宇宙的認識：宇宙中不存在任何特殊點，或者說，宇宙中所有點是平等的。人們常把它稱為宇宙論原理或稱為宇宙平庸原理。為紀念哥白尼在此觀念形成中的貢獻，也常稱為哥白尼原理。2022/7/21424宇宙的

16、年齡 如果星系目前正在彼此遠離，那它們過去必定靠得更近，也就是說，較早時代的宇宙，物質密度會更高。繼續這一推理就意味著過去必定存在一個時刻，那時宇宙中的物質處於極其高密的狀態。宇宙的年齡應該從那一刻開始計起。太陽系年齡大約47億年。銀河系中最老恒星的年齡約為100150億年。“宇宙年齡”協調一致，這對大爆炸宇宙模型當然是十分有力的支持。2022/7/21435輕元素豐度 氦同氫的品質比即豐度應為14。天文觀測表明，無論宇宙的哪個角落，無論恒星還是星際物質中，氦與氫的比例均大體與此相符。同一時期合成的氘、氚、鋰、鈹、硼等輕元素，儘管數量小得多，但它們的豐度（即與氫的比例）也具有類似的普適性。20

17、22/7/21446物質密度 宇宙中的暗物質和暗能量 暗物質是宇宙品質密度的主要成分。 形式多樣的重子物質是不“發光的”，例如，木星、白矮星、中子星、黑洞等。7宇宙的大尺度結構 宇宙包括行星、恒星、星系、星系團、超團、空洞等。這些結構的存在，是宇宙的重要性質，並且很可能是理解宇宙演化的關鍵之所在。 2022/7/21451.2.4宇宙大爆炸模型面臨的困難宇宙大尺度均勻性問題。平坦性（或平直性）問題。“奇點”從何而來的問題?2022/7/21461.2.5新的宇宙起源模型“宇宙暴脹”說宇宙在極早期一個極短的時間（10-32 s）內，當宇宙的溫度下降到某一個臨界值Tc，甚至TTc時，相變並不發生，

18、真空仍保持對稱狀態。在大爆炸的一瞬間，不僅沒有任何天體，也沒有粒子和輻射，只有這種單純而對稱的過冷真空狀態。真空狀態的宇宙受到負的即排斥力的作用，以指數方式極快地加速膨脹，即稱為“暴脹”。 2022/7/2147隨著宇宙的膨脹和降溫，真空發生了一系列相變，力之間的對稱性被破壞了。在大爆炸的10-44 s，發生超統一相變，引力作用首先分化出來，但強、弱、電三種作用仍不可區分，誇克和輕子可以互相轉變。到大爆炸10-36 s，大統一相變發生，強作用與電、弱作用相分離，物質和反物質之間的不對稱性開始出現。2022/7/214810-10 s以後，弱電相變發生，弱作用與電磁作用相分離，於是完成了四種相互

19、作用逐一分化出來的過程。到這個階段，宇宙間已具備了構成我們所熟悉的物理世界的最原始和最基本的素材和條件。2022/7/2149我們的宇宙僅是整個暴脹區域的非常小的一部分，暴脹後的區域尺度要大於1026 cm，而那時我們的宇宙只有10 cm。還有可能這個暴脹區域是一個更大的始於無規則混沌狀態的物質體系的一部分。 2022/7/2150宇宙暴脹模型一舉解決了大爆炸模型中許多無法克服的困難。這一模型還特別提供了關於宇宙大尺度結構形成的物理機制。自1991年美國COBE衛星首次觀測到源於宇宙早期密度擾動的各向異性後，越來越多、越來越精確的天文觀測支援了暴脹模型。2022/7/2151時間和空間不是永恆

20、的，而是從沒有時間和沒有空間的狀態產生的。根據現有的物理理論，在小於10-43 s和10-33 cm的時空範圍內，就沒有一個“鐘”和一把“尺子”能加以測量，因此時間和空間概念失效了，是一個沒有時間和空間的物理世界。2022/7/2152林德的“混沌暴脹”理論 根據量子場論，真空充滿著各種類型物理場的量子漲落，在按指數暴脹的宇宙中，真空的構造就更複雜得多。在10-35 s以後，宇宙的演化過程與公認的熱宇宙標準模型一致，但在10-35s以前，情況卻大不相同，在這一階段的暴脹中，宇宙尺度的增長要比以前認為的大1056倍。2022/7/2153根據弱電統一理論，在這一階段占主導地位的是物質的標量場。宇

21、宙所需的能量來自真空態。隨著溫度的下降，宇宙從最初的能量最低的真空態過渡到亞穩態，即假真空態，此時，原有的對稱性遭到破壞。通過隧道效應，宇宙還可能從假真空態躍遷到一個新的真空態，此時伴隨大量能量的釋放，宇宙將像“泡”一樣，由於從真空獲得額外能量急劇膨脹，形成所謂的暴脹，這是一個原來極小的量子漲落擴大為密度的宏觀漲落過程。2022/7/2154這個混沌暴脹模型既具有早先暴脹宇宙模型的所有的優點，又不是取決於令人生疑的相變，並且還能給出微波背景輻射的溫度起伏，其幅度與觀測值相符合。2022/7/2155最近，印度著名天文學家納爾利卡爾提出了一種新的宇宙起源理論，對已被普遍接受的大爆炸理論提出了挑戰

22、。 認為宇宙在最初的時候是一個被稱為“創物場”的巨大能量庫，而不是大爆炸理論所描述的沒有時間、沒有空間的奇點。在這個能量場中不斷發生爆炸，逐漸形成了宇宙的雛形。此後在緻密的巨大物體周圍，在強大的引力波作用下不斷發生小規模的爆炸，導致小範圍空間的膨脹，不過膨脹的速度並非是勻速的。這些時快時慢的小規模膨脹綜合在一起，形成了大尺度範圍內宇宙的膨脹。 2022/7/2156科學是無止境的，宇宙科學的研究與發展也是這樣，一個個新的發現不斷豐富和擴大著人類的視野，一個個新的學說和理論更完善、更確切地描繪和解釋著我們所生存的宇宙中所發生和將要發生的種種事件。可以預想，有朝一日，一個個更新的學說和理論將會誕生

23、出來!2022/7/21571.3宇宙中的最新發現1.3.1活動星系核 這是一類活動性很強的天體，其中央區域通常存在一個巨大的黑洞。已知的活動星系核都發出較強的可見光和紫外線等，天文學家可憑此對其進行觀測並推知其中存在的黑洞。 2022/7/2158活動星系核2022/7/2159賽弗特六重奏2022/7/2160活動星系核五大觀測特徵：1）有比正常星系更亮的緻密核；2）在某些不太寬的波段（如射電、光學、X射線波段等）表現為非恒星的連續譜；3）存在原子和離子的發射光譜線，這是活動星系核最關鍵的證認；4）連續譜和發射線的強度、偏振和譜形隨時間變化；5）相對于正常星系有更強的高能光子（如X射線，射

24、線等）的發射能力。 2022/7/21611.3.2類星體一種光度極高、距離我們極遠的奇特天體，從照片看來如恒星但肯定不是恒星，光譜似行星狀星雲但又不是星雲，發出的射電（即無線電波）如星系又不是星系，因此稱它為“類星體”（Quasistellar objects）。類星體的發現，與宇宙微波背景輻射、脈衝星、星際分子並列為20世紀60年代天文學四大發現。2022/7/2162類星體的大小不到一光年，而光度卻比直徑約為10萬l.y.的巨星系還大1 000倍！璀璨的光芒使我們即使遠在100 l.y.之外還能觀測到它們。2022/7/21631.3.3黑洞、黑洞悖論、超弦理論及賭局1黑洞及其形成“黑洞

25、”就是一類特殊的品質極度集中的天體：它的引力場是如此之強大可以使周圍的時空發生彎曲，包括光線在內的所有物質都會被黑洞吞噬。就連光也不能逃脫出來，我們自然無法觀察到它，但它卻是個實實在在有著巨大品質和引力的天體。2022/7/2164根據廣義相對論，引力場將使時空彎曲。當恒星的體積很大時，它的引力場對時空幾乎沒什麼影響，從恒星表面上某一點發的光可以朝任何方向沿直線射出。而恒星的半徑越小，它對周圍的時空彎曲作用就越大，朝某些角度發出的光就將沿彎曲空間返回恒星表面。2022/7/2165當恒星的半徑小於史瓦西半徑時，就連垂直表面發射的光都被捕獲了。到這時，恒星就變成了黑洞。說它“黑”，是指它就像宇宙

26、中的無底洞，任何物質一旦掉進去，“似乎”就再不能逃出。也就是說黑洞實際上是“隱形”的、真正的天體。2022/7/2166正在形成的黑洞2022/7/2167伴隨著類星體的黑洞2022/7/2168行星與黑洞的搏鬥2022/7/2169 2黑洞悖論霍金輻射一個孤立的、不吸收任何物質的黑洞會慢慢輻射其品質，開始很慢，但越來越快。最後，在其滅亡的一瞬間將像原子彈爆炸那樣放出耀眼的光芒，最後損失殆盡。2022/7/2170黑洞輻射並不含有任何黑洞內部的資訊，在黑洞損失殆盡之後，所有資訊都會丟失。而根據量子力學的定律，類似黑洞這樣品質巨大物體的資訊是不可能完全喪失的，或者說資訊是不可能被徹底抹掉的。該理

27、論與量子力學的理論背道而馳，產生了矛盾，這就是有名的“黑洞信息悖論”。2022/7/21713超弦理論超弦理論認為，“弦”是組成物質的最基本單元，所有的基本粒子都是“弦”的不同振動激發態。在當前技術條件下，可以利用超弦理論的研究方法，使用超級電腦來類比霍金輻射黑洞蒸發過程。2022/7/2172日本高能加速器研究機構在一項最新研究中，成功地用超級電腦類比了宇宙黑洞的內部狀態，驗證了霍金關於黑洞輻射的理論。模擬實驗是以超弦理論為基礎開發出了一種根據頻率對“弦”的振動進行計算的新方法，從而計算出了黑洞中心附近“弦”的凝聚狀態的能量。研究人員再把類比計算結果繪成和溫度對應的圖表，結果顯示，黑洞能量隨溫度變化的情況與霍金的理論一致。2022/7/2173驗證霍金輻射理論的超弦實驗2022/7/2174 4霍金輸掉了那本百科全書2004年7月21日，在愛爾蘭共和國首都都柏林召開的“第17屆國際廣義相對論與萬有引力會議”上，霍金向學術界宣佈了他對黑洞研究的最新