天文学华中农业大学理学院应用物理系课件

天

体

物

理天

体

物

理1当代天文学知识已成为一切科学技术人员必备的自然科学基础知识。天体物理学是应用物理定律解释天文现象的一门学科。利用广义相对论引力场理论和现代高能物理所取得的成就的基础上建立起来的恒星演化理论是20世纪天文学最辉煌的成就之一。当代天文学知识已成为一切科学技术人员必备的自2天体物理的研究对象是宇宙中的大尺度目标和现象，按尺度的规模，可以分为以下四个层次，1.行星层次：地球、其它行星和太阳系小天体，太阳系以及其他行星系统（含行星际物质）。2.恒星层次：太阳、其它恒星和恒星系统（含星际物质）。3.星际层次：银河系、各类星系和其它河外天体，星系群、星系团等系统（含星系际物资和星系团际物质）。4.“宇宙”整体。各层次天体的尺度

太阳系范围约l.y天体物理的研究对象是宇宙中的大尺度目标1.3银河系范围约l.y可测宇宙范围约l.y天文世界中的“宇宙”是一个有机的整体，星系层次的天体是大尺度宇宙中的单元，而恒星层次的天体则既是星系中的细胞，又是行星层次的母体，所有天体都在运动中保持它在群体中的相对平衡，又在演化中不断改变它的内在结构和在群体中的作用。银河系范围约l.y4在我国古代，关于宇宙结构流行着三派典型学说，即“盖天说”、“浑天说”和“宣夜说”。盖天说认为大地是平坦的，天像一把伞覆盖着大地；浑天说认为天地具有蛋状结构，地在中心，而天包覆在其周围；宣夜说则认为天是无限而空虚的，星辰就悬浮在这空虚之中。古代的希腊和罗马，关于宇宙的结构和演化夜由许多学说。如，中心火焰说即认为宇宙中心是一团大火焰、地心说和正多面体宇宙结构模型等。所有这些模型并没有明确涉及时间！也许模型提出者认为宇宙空间是个永恒不变的结构，而时间是独立于空间的某种延续。一、古代宇宙观简介

在我国古代，关于宇宙结构流行着三派典型一、古5这些模型是符合古人“天不变，道亦不变”的朴实观念的。西方古代占统治地位的宇宙模型是与基督教教义相吻合的地心说。直到16世纪哥白尼倡导日心说，才使人类的宇宙观发生根本变革。哥白尼的学说把太阳放到了宇宙的中心，地球则置于和其他行星等同的地位，一起绕太阳作匀速圆周运动；月亮成了环绕地球运转的卫星。这个模型显得比较简洁、和谐，星不规则的运动也能得到合理的解释。

这些模型是符合古人“天不变，道亦不变”的哥6

日心说的革命性作用不在于强调太阳是宇宙的中心，而在于指出了地球在宇宙中没有任何特殊地位。这正是宇宙原理的精神。现在，人们把宇宙论原理称为哥白尼原理，也就是肯定了这种精神。日心说的革命性作用不在于强调太阳是宇7——人类对行星层次认识的飞跃

十七世纪初，借助于计时工具及测量仪器的发展，丹麦天文学家第谷·布拉赫在20多年里辛勤地观测和记录了行星运行的位置和运行情况，积累了大量精确的资料。利用这些资料，开普勒发现了行星运动的三个定律。二、开普勒定律

——人类对行星层次认识的飞跃十七世纪初，借助于计8第一定律：所有行星都在椭圆轨道上绕太阳旋转，太阳位于椭圆的一个焦点上。第二定律：连接任何行星到太阳的向径再相等时间内扫过的面积相等。第三定律：行星公转周期的平方同它到太阳的平均距离的立方成比例。即第一定律：所有行星都在椭圆轨道上绕太阳旋转，第二定律：连接任9行星运动三定律的发现，使太阳系的空间形态基本上得到澄清，真正体现了自然序秩序的简单与和谐。从方法论的角度看，三个定律普适于所有行星的运动，为了进一步的解释提供了严格可信的约束，同时也体现了深刻的导向性。开普勒的工作更是直接导致万有引力定律的发现。牛顿用他的第二定律F=ma得出向心力公式。行星运动三定律的发现，使太阳系的空间形态从10(其中向心力加速度为惠更斯导出)式中m为任意行星质量，R为该行星至太阳的平均距离。将代入可得(其中向心力加速度为惠更斯导出)式中m为任意行11利用开普勒第二定律，（k为比例系数）可得到这一平方反比力可适于任意行星，对于地面上的物体也适用，故称之为万有引力定律。利用开普勒第二定律，（k为比例系数）可得到这12哈雷彗星再现、海王星、冥王星的发现，使牛顿运动力学定律理论的威望增至最高峰。而“开普勒可以说是天体力学的真正奠基人。”（黑格尔语）哈雷彗星再现、海王星、冥王星的发现，13——人类对恒星层次认识的飞跃十九世纪发明的照相技术、分光及光谱测量技术已有效地用于天文领域、机械制造技术、测量工艺及钟表技术的进步将天体测量的精度大大提高。人类拥有近十万颗恒星的光谱分析资料。恒星的亮度、光谱、颜色、位置等都有了定量的标准，这一切为人类认识恒星演化规律提供了充分的条件。三、赫罗图——人类对恒星层次认识的飞跃14丹麦天文学家赫兹普龙（1873—1967）和美国天文学家罗素（1877—1957）各自创制出恒星的光度和光谱型的关系图，故该图简称为赫罗图。恒星银河系天区星座

1.天文学中的一些概念恒星是指宇宙中能够独立发光的天体，它们在星空中组成各种星团和星系。太阳所在的星系叫银河系。丹麦天文学家赫兹普龙（1873—1967）和15

现代天文学把整个天空划分成88个天区，每个天区的恒星组成一个星座，所以全天区有88个星座，并沿用古希腊人对各个星座的命名。现代天文学把整个天空划分成88个天区，16亮度是指单位时间内通过单位面积的辐射能量。我们说星星的亮度就是指该天体在单位时间内通过地球表面上单位面积的辐射能量，也就是我们所感到的恒星亮暗程度。各天体按亮度可划分成不同的等级，称为视星等。视星等和亮度之间的关系可用普森公式表示m=-2.5lgE其中m为视星等，E为亮度（以零星等的亮度为单位）。人的眼睛所能看到的最暗天体约为第6等星。相邻星等亮度约差2.5倍，天空中几颗著名恒星的视星等如下表所示。视亮度和视星等

亮度是指单位时间内通过单位面积的辐射能量。我们说星星的亮度就17星

名中

名视星等距离（光年）光谱型大犬α天狼星-1.48.7A1船底α老人星-0.798F0半人马α南门二-0.14.3G2+K1牧夫α大角星-0.136K2天琴α织

女0.026.5A0御夫α五车二0.145G8+F猎户β参宿七0.1900B8小犬α南河三0.411.3F5天鹰α牛

郎0.816.5A7天鹅α天津四1.31600A2星名中名视星等距离（光年）光谱型大犬α天狼星-1.418恒星的光度就是恒星的发光本领，即单位时间内从整个恒星的表面辐射出来的总能量。光亮与亮度是不同的概念。织女星亮度只有太阳的500亿分之一，但它的光亮是太阳的48倍，天狼星是夜空中最亮的恒星，但它的光度只有织女星的一半。到目前为止，所发现的恒星中光度最大的是太阳光度的50万倍；最小的只有太阳的10万分之一。光度较小的恒星常称为矮星；光度大的恒星叫巨星；光度特别大的叫超巨星。光亮和绝对星等目前世界最强大的光学望远镜通过照相方法，可以观察到23等的恒星，其亮度只有一等星亮度的十六亿分之一。恒星的光度就是恒星的发光本领，即单位时间内从整个恒星的表面辐19恒星的温度是研究恒星的基础，恒星表面温度决定了恒星所辐射的光谱类型和恒星的颜色。我们首先利用摄谱仪可以摄得恒星光谱的照片，其次由于恒星表面辆射可近似地看成绝对黑体辐射，则由维恩位移定律λmT=b恒星的光度特性常用“绝对星等”表示。为了比较不同天体的光度，可以设想把所有天体都移到某一个相同的固定距离上，然后比较它们的视星等。为此，规定所有天体都移到10秒差距①的距离上，则这些天体的视星等就称为它们的绝对星等。太阳的视星等最大，是-26.8，但它的绝对星等只有5等，因为它的光度小。温度和光谱型恒星的温度是研究恒星的基础，恒星表面温度决定了恒星所辐射的光20可求得恒星表面温度T0。其中λm是恒星光谱中光强最大的波长，b=2.89×10-3m·k，是一个恒量。不同的恒星所发出的光谱类型各不相同，所求得的表面温度也各不相同。迄今发现恒星表面温度最高者约为5×105K，最低者1.5×103K。同时，由维恩位移定律可知，恒星表面温度不同，所发现的光谱类型各不相同，恒星的颜色也不一样。由恒星表面温度可把恒得的光谱类型划分为：O，B，A，F，G，K（R），M（S，N）。每一个字母代表一种光谱型，其中K型还包括R分型，M型包括S，N两个分型。所有光谱型中，O型是温度最高，发出谱线波长短波最占优势，称为蓝星。

可求得恒星表面温度T0。其中λm是恒星光谱中21而M型依次是温度最低的恒星，其谱线波长长波最占优势，称为红星。恒星的光谱型对温度的变化非常敏感，在每个光谱型中常又分成10个次型，表示为O0，O1，O2……根据太阳的光谱型和温度，它属G2型，是一颗黄矮星。恒星的光谱型、表面温度和颜色的关系如表11-2所示。天空中光谱型为O的恒星数量很少，其次是B型和A型，绝大部分恒星都在F型以下，这是恒星按光谱分布的特点，反映了恒星演化的规律性。而M型依次是温度最低的恒星，其谱线波长长波最占优势22表11-2恒星的光谱型、表面温度和颜色的关系

光谱型表面温度（K）颜色O5×104蓝

星B2.5×104蓝白星A1.1×104白

星F7.6×103黄白星G6.0×103黄

星K（R）4.9×103红

星M（S，N）3.6×103红

星表11-2恒星的光谱型、表面温度和颜色的关系光谱型表面23恒星的体积差别很大，有的恒星的体积比太阳大几千到10亿倍，但有的恒星体积很小，比地球、月球的体积还要小得多，其直径只有几千米。恒星的体积可以通过测量其半径（直径）来估算，对于那些遥远的恒星，则可根据测定它的光谱类型和光度，利用维恩位移定律和斯忒藩-玻耳兹曼定律计算体积、质量的密度恒星的体积差别很大，有的恒星的体积比太阳大几千到1024式中M（T）为恒星（即绝对黑体）表面上单位面积、单位时间内的辐射能量；，称为斯忒藩恒量。则恒星单位时间内的总辐射能量即光度L为求出半径即可求得恒星的体积。

式中M（T）为恒星（即绝对黑体）表面上单位面积、单位时间内的25恒星的质量是恒星的重要特性，它决定恒星的许多其它性质和演化方向。不同恒星质量之间的差别不算太大，但恒星的密度差别很大。有的恒星密度只有地球大气密度的几千分之一，而密度大的恒星，每立方厘米可达上亿吨。恒星有许多基本性质，不同的恒星其特性各不相同。通过对大量观测资料的分析，人们发现这些特性之间存在着某种关系，这种关系显示了恒星和空间存在的某种规律性。2.赫罗图

恒星的质量是恒星的重要特性，它决定恒星的许多其它性质26设以恒星的光（即绝对星）等为纵坐标，恒星的表面温度（即恒星的光谱型）为横坐标，把各种恒星光度和温度在坐标系中用点标出，这就是著名的赫罗图，是1911年丹麦天文学家赫兹伯隆和美国天文学家罗素同时发现的。在赫罗图中可以发现宇宙间的恒星大部分分布在对角线上。我们把赫罗图的对角线称为主星序，则分布在对角线上的恒星就叫做主序星。设以恒星的光（即绝对星）等为纵坐标，恒星的表面温度（27

主序星的特点是：表面温度的恒星其光度也大，表面温度低的恒星其光度也小。太阳是一颗主序星，其表面温度6000K（G2型），坐落在对角线中部，在图11-3中×的位置上。在赫罗图的左下方，有一些恒星聚集，它们的绝对星等比第+10等还要弱，光谱型在B到F之间，这些恒星表面炽热，但光度很小，称为白矮星。在赫罗图的右上方，也有一个恒星较密集的区域，这个区域的恒星的绝对星等从+2到-6，它们是一些温度低但光度大的恒星，称为红巨星或超红巨星。主序星的特点是：表面温度的恒星其光度也大，表面温度低28根据斯忒藩—玻耳兹曼定律，恒星的光度依赖于恒星的温度和体积大小。所以，在赫罗图左下角的白矮星，温度高而光度小，一定是体积很小的恒星；而在右上角的红巨星，温度低而光度大，一定是一些体积很大的恒星。恒星除了其光度与温度有一定关系外，恒星的光度与恒星的质量也有一定关系。在主星序上的恒星，质量越大光度也越大，如图11-4所示（图中M为恒星质量，M为太阳质量，×为太阳的位置）。

赫罗图和恒星光度、质量分布曲线研究恒星演化的重要线索。

根据斯忒藩—玻耳兹曼定律，恒星的光度依赖于恒星的温度29宇宙间所有恒星都有一个从产生、发展到衰亡的演化过程，现阶段人们所观测到的恒星，都各自处在自己的演化阶段上。图11-5是恒星演化的可能流程。

3.恒星的演化

宇宙间所有恒星都有一个从产生、发展到衰亡的演化过程，30观测表明，茫茫的太空中存在着大量的星际弥漫物质，主要成分是氢原子和氦原子等星际气体，以及一些宇宙尘埃。弥漫物质的密度很小，很稀薄。平均来说，在星际空间离轨道面不远的区域内，每1立方厘米中大约有1个氢原子。但弥漫物质的分布不均匀。因此，由于种种原因，例如恒星的微粒辐射和光辐射，这些辐射所产生的压力有可能使某一区域的弥漫物质集结成块状星云。星云在太空中飘荡，不断与其它星云复合和吸积，使体积和质量不断增大。在巨大的星云内部，各处的压力和密度有明显的差别，温度也各处不同，但都很低，约10K左右。

①、引力收缩阶段——幼年期观测表明，茫茫的太空中存在着大量的星际弥漫物质，主要31星云外部各个方向所受的作用也不同。因此，星云物质所处的热力学状态是一种非平衡状态，这种非平衡状态发展到一定阶段，物质密度大的区域，引力将开始产生明显作用。在这个区域的弥漫物质，在自身引力作用下发生缓慢的收缩，称为引力收缩。由于星云内部物质分布不均匀，所以引力收缩不平衡，这使得巨大的星云有可能分裂成若干云块。各云块在自身引力作用下继续收缩，并逐步收缩成球状云团。而那些未形成球状云团的气体尘埃将被吹散，仍为弥漫物质。这些球状云团就是一个个的星胚。星胚在引力作用下继续收缩（质量大的星胚将演化成恒星，质量小的将演成不会发光的天体，如行星等）。

星云外部各个方向所受的作用也不同。因此，星云物质所处的热力学32另一方面，星云和球状云团在引力收缩过程中，引力势能不断地转化为气体动能，内部温度不断升高，在星胚阶段内部温度约100K。此外，由于球状云团内部物质不均匀，各个方向的万有引力不相等，因此球状云团在各向不等的力作用下，将沿某一方向产生缓慢的转动。这就是恒星和行星乃至星系自转运动的起源。

从弥漫物质到星胚的演化，通常要几百万年时间。当然，星胚还不是恒星，它将在引力作用下继续收缩，再经过约1千万到1亿年的时间（质量大的几千万年，质量小的上亿年），当星胚内部温度升高到3000~4000K时，星胚开始幅射红外线和红光，此时一颗新的恒星便宣告诞生。

另一方面，星云和球状云团在引力收缩过程中，引力势能不断地转化33在赫罗图上可以找到一个点来表示它的存在，属于红外星，质量大的称为红巨星，在赫罗图的右上方。处在这个阶段的红外星是不稳定的，还将继续收缩演化，在赫罗图上逐渐向主星序靠近。当内部温度升高到107K时，恒星中心开始产生热核反应，释放巨大能量，并有可见光向外辐射，这才是一颗真正的恒星。在恒星中心，首先发生核反应的是氢核（1H）和氘核（2D），称为P-P反应，其反应的可能方式是

相当于41H→4He+26.20MeV

在赫罗图上可以找到一个点来表示它的存在，属于红外星，质34也就是说，4个氢核将聚变成一个氦核，并放出26.20MeV的能量，这些能量以光（电磁波）的形式向外幅射。对一些大质量的恒星（M≥2M），当内部中心温度达到107K时，由于更加巨大的压力，使一些比较重的元素如碳、氮、氧等也参加聚变反应，释放更多的能量，从而使演化加剧。恒星在开始热核反应向外幅射可见光以后，仍要继续收缩一段时间，一直到恒星内部气体压力和因向外辐射而产生的辐射压力抵挡住了恒星自身的引力时，恒星的收缩才停止，才会相对稳定。此时恒星的演化进入一个新的阶段，即主序阶段，恒星停留在赫罗图的主星序上。

也就是说，4个氢核将聚变成一个氦核，并放出26.2035恒星在主序星阶段相对稳定，内部的温度和压强都很高，可用下述方法估计。

主序星阶段的辐射压力、气体压力与自身的万有引力达到平衡，内部气体满足流体静力学平衡方程。考虑星球内部半径从r到r+dr球层内气体处在平衡状态，如图11-6所示，则有

②、主序星阶段——中年期恒星在主序星阶段相对稳定，内部的温度和压强都很高，可36式中是半径为r处的密度，近似地认为球内的气体为理想气体，则有，k为比例系数；M（r）是径向距离r之内所包含的质量，为r的函数：解上述方程求得恒星中心处的压力p0

若以太阳数据：M（R）=1.99×1030kg(M)，半径R=6.96×108m代入，可求得p0≈1.5×1014N·m-2式中是半径为r处的密度，近似地认为球内的气体为理想气体，则有37又由状态方程p=nkT则太阳的中心温度

Tc=1.3×107K在这种高温高压下，恒星内部的氢核将不停地进行P-P热核反应，形成氦核和释放能量，并向外辐射。所辐射的能量和核反应产生的能量相当，故恒星处于相对稳定状态。由于氢核原料丰富，恒星在主序星阶段停留的时间很长，现在我们所观察到的恒星有95%正处在这个阶段。又由状态方程p=nkT则太阳的中心温度Tc=1.3×138恒星在主序星阶段上停留的时间决定于它的初始质量。质量大的恒星，内部温度高，热核反应速度快，恒星向外辐射功率也大，即光度也大，它的核燃料消耗也快，因此它在主序星阶段停留的时间短，一个质量比太阳大20倍的恒星（光谱型为O的炽热蓝巨星），它的核燃料——氢比太阳多20倍，但其光度大，消耗能量比太阳快3000倍以上，它在主序星阶段只能停留几百万到几千万年。质量和光度较小的白星和黄白星，热核反应速度较慢，可停留上百亿年。太阳现在的年龄为50亿年，正在中年，还可稳定地停留在主序星阶段50-60亿年之久。表11-3给出了各种恒星在主序星阶段上停留的时间（也包括引力收缩的时间）。

恒星在主序星阶段上停留的时间决定于它的初始质量。质量大的恒星39表11-3各种恒星的特性及在主序星阶段停留时间和引力收缩时间光谱型质量（M⊙）半径（R）光度（L）时间（年）

引力收缩在主星序上逗留

B017.09.0300001.2×1058×106A03.22.81004.1×1064×108F01.51.254.84.2×1074×108G01.021.021.29.4×1071.1×1010G2（太阳）1.001.001.01.1×1081.3×1010K00.740.740.322.3×1082.8×1010表11-3各种恒星的特性及在主序星阶段40恒星的温度和密度越向中心越高，在中心区核反应进行得最快，当中心区的氢核都聚变成氦核时，热核反应将停止。但外围氢的聚变反应继续进行，外围生成的氦核比氢重，将向中心沉积。当恒星中心的氦占恒星总质量的10%-40%时，由氢核的聚变能所提供的辐射压力将抵挡不住恒星自身的引力，恒星失去平衡，开始收缩。因收缩而释放的巨大引力势能转变为氦核的功能，中心区的温度迅速升高，所引起的更强大辐射，迫使恒星外壳膨胀，因此恒星体积增大，密度变小，表面温度降低，成为一颗光度很大的红巨星。在赫罗图上，恒星将③、红巨星阶段——老年期恒星的温度和密度越向中心越高，在中心区核反应进行得最41离开主星序，向右上方移动，到达赫罗图的红巨星区域。太阳将来变成红巨星时，其直径将扩大250倍，那时地球的轨道也被包括进去，如图11-7所示。离开主星序，向右上方移动，到达赫罗图的红巨星区域。太阳将来变42红巨星阶段是恒星演化的老年期，与幼年期的红巨星有本质的区别，最大的差别是幼年期的红巨星没有中心氦区，中心氦区的出现是恒星开始“快速”走向衰亡的标志。当中心氦区由于收缩使其温度升高到108K以上时，氦核将突然产生猛烈的热核聚变，称为氦闪。其可能的反应方式之一是三个氦核结合成碳核：氦闪之后，释放的新核能产生新的辐射压力，使中心区停止收缩，形成新的星体结构，恒星处在一个“短暂”的相对稳定时期。所谓短暂，是因为恒星内所积聚的氦燃料比原来氢燃料少得多，其反应过程却反而加速。红巨星阶段是恒星演化的老年期，与幼年期的红巨星有本43所以这个时期只能维持几百年到10亿年的时间。质量大的恒星停留时间短，质量小的恒星停留时间长。随着氦热核反应的进行，恒星继续演化，在中心氦区进行热核反应的同时，外层的氢仍毕业进行着氢的热核反应。但随着氢燃料的消耗，释放的能量逐步减少，使氢包层的底部温度下降，并逐步地收缩，其表面温度则由原来的低温逐渐升高，恒星在赫罗图上也缓慢地向左下方移动。恒星在这一阶段膨胀和收缩过程中，外层将损失一部分质量，处于不稳定状态。在赫罗图中，这一区域的恒星倾向于脉动，其光度不稳定、有变化，故称变星。恒星从幼年到老年的演化，在赫罗图上的路径，如图11-8所示。所以这个时期只能维持几百年到10亿年的时间。质量大的恒星停留44当恒星的中心区氦燃料用完时，辐射压力与自身外力失去平衡，因此收缩又开始，引力势能释放，温度再升高。当中心区温度达到7×108K时，中心区的碳核便开始发生热核聚变，生成质量更大的核，如钠、氖、氧等元素的核，并释放能量。恒星继续维持其生命，但碳核反应只维持1万年。碳核用完后，恒星再度收缩，温度再继续升高。当温度达到1.5×109K时，氖核开始反应，生成更重的镁核和氧核，并释放能量。这个反应维持时间更短。紧接着又是引力收缩温度升高，当温度达到2.5×109K时，中心区的氧开始反应，生成磷和硅等核，继续释放能量，这个反应只维持1年。此时，中心温度已达4×109K，硅反应生成镍，最后变成铁。

当恒星的中心区氦燃料用完时，辐射压力与自身外力失去平45剩余的核能将103S内全部放出，恒星温度达到6×109K。在这样高温状态下，将发生强烈的中微子辐射，中微子巨大的穿透能力，把恒星内大部能量带走，恒星的自身引力完全失去平衡，坍缩将不可避免地到来。所谓坍缩就是恒星的物质，以光的速度同时向中心陷落。至此，恒星核能完全枯竭。恒星演化进入最后衰亡阶段。表11-4列出恒星在氢核聚变结束以后将可能发生的聚变核反应。

剩余的核能将103S内全部放出，恒星温度达到6×109K。在46☆白矮星

质量在恒星演化中起着决定性作用。观测和研究表明，质量M在0.8M⊙以上的恒星（此处M是指演化后期星核质量，不是原恒星的质量），当其核能耗尽以后，内部形成一种葱头式的结构，如图11-9所示，但恒星不会停留在这种结构形式上，因为在恒星核能枯竭时，虽然其温度很高，但它向外的辐射压力完全消失。那么，巨大的引力将使恒星不可避免地坍缩，坍缩与收缩有本质区别。☆白矮星质量在恒星演化中起着决定性作用47此时整个恒星几乎只有巨大的向心引力，所有物质都毫无阻挡地从四面八方向中心迅速地坠落。不难想象，与坍缩伴之而来的将是强大的辐射，这种空前强大的辐射，将使恒星的外层物质，以更快的速度向外膨胀，形成明亮的行星状星云。而在恒星中心区域，由于坍缩的巨大压力，则把这个区域的物质压缩为一个致密天体。此时整个恒星几乎只有巨大的向心引力，所有物质都毫无阻48对于质量为0.8M⊙＜M＜1.4M⊙的恒星来说，这个致密天体就则白矮星，其中M=1.4M⊙称为白矮星质量的上限，相对应的原恒星质量约为0.8M⊙。超过这个极限的致密天体将继续坍缩。白矮星的特点是，表面温度高（105K），光度小，密度大（103kg·cm-3），体积小。由于体积小、密度大，恒星内部物质间的引力异常强大，以致使其物态的原子结构完全被摧毁，原子空间大大压缩，电子与原子核紧紧挨在一起。对于质量为0.8M⊙＜M＜1.4M⊙的恒星来49按照量子力学的观点，此时白矮星内部的物质状态称为简并电子状态，所有量子状态的能级都被电子填满。根据泡利不相容原理，物质不能被进一步地压缩，也就是说，由于泡利不相容原理，白矮星内部简化并电子压力顶住了恒星的自身引力而达到平衡，使恒星不会继续坍缩。恒星演化到白矮星阶段，其生命可以说已经结束，以后将逐渐冷却，约几十亿年后，完全变成一个暗冷的天体。最后，或者崩溃，或者成为宇宙空间的暗物质，最终失落于茫茫的宇宙荒野。

按照量子力学的观点，此时白矮星内部的物质状态50☆中子星和超新星爆发

对于质量为1.4M⊙＜M＜3.2M⊙的恒星来说（M=3.2M⊙是中子星的质量上限，相对应的原恒星质量约为8~20M⊙），白矮星不是它演化的终点，这种恒星的热核燃料枯竭以后，中心区域的物质将都变成铁（铁不会因相互结合形成更重要原子核而放出能量，如果一定要使它们结合的话，必须外加能量），辐射压力消失，由于更加巨大质量所引起的强大压力，使简并电子压力也不能与之抗衡，因此引起更加强烈的坍缩。☆中子星和超新星爆发对于质量为1.51当中心区域的物质压缩到其密度达到每立方厘米10万吨时，大部分电子将在几分之一秒的时间内，被挤进铁的原子核中，与核中的质子结合成中子，原子核解体。由于星体物质失去简并电子压力的支撑，因而物质向中心下落过程完成处于自由落下状态，这是一种比以前任何坍缩更加猛烈的坍缩，星核的密度急剧上升，所有中子都被紧紧地压缩在一起，导致了简并中子压力的产生，从而使坍缩猛然停住，坍缩自由下落的巨大动能立即以冲击波的形式向外反射，变成巨大热能，使星核达上百亿度（1010K）的高温，巨大的热能转化为高能中微子流，扩散并转移到恒星的外层，使外层温度达到2×1011K。当中心区域的物质压缩到其密度达到每立方厘米52在如此高温下，外层的各种物质都将会同时发生热核反应，形成了一种无处不有的猛烈爆炸。爆炸的结果，恒星外层物质几乎以光速向外抛射，同时发出空前强烈的辐射，在几十天到几百天的时间里，其光度可达到一个星系的总光度。这种恒星演化到临终期的猛烈爆炸称为超新星爆发。由于爆发而被抛出的物质形成明亮的星云，金牛星座著名的蟹状星云就是1054年我国宋朝史书所记载的一次超新星爆发的遗迹。超新星爆发是宇宙的奇观，并不常见（约百年两次），在人类记载中，至今不到10次。1987年2月23~24日在麦哲仑星云，曾发生一次超新星爆发，其亮度比原星体亮增大24倍。这是人类最近期观察到的一次超新星爆发，曾引起天文学界的轰动。

在如此高温下，外层的各种物质都将会同时发生热核反应，形成了一53超新星爆发以后，蟹状星云中心留下了一下更加致密的天体，它几乎都是由中子组成，称为中子星。中子星就是原来恒星的残骸，是这类恒星演化的终点。它将逐渐冷却成为暗天体。中子星的密度度到1×108t·cm-3以上，质量与太阳差不多的中子星，其直径只有20～40km，是一种难以思议的物质结构，是宇宙间最致密的物质。中子星强大的简并中子斥力阻止了恒星的进一步坍缩。中子星的结构如图11-10所示，外层是铁壳，密度不十分大，电子还没有脱离原子，铁和其它元素组成一种晶体物质，有人推算，这种晶体的刚性比钢大1018倍；抗压缩性比钢大1020倍；导电性比铜大105倍。超新星爆发以后，蟹状星云中心留下了一下更加致54铁壳内密度越来越大，电子被压进原子核内，到一定深度，电子和质子完全消失，成为一片“中子海”。中子海有奇特的性质，它就像接近绝对零度的液态氦一样，有超流性质。中子星的核心目前还无法现象，也许是由超子构成的物质。以上关于中子星的结构，只是一种理论模型，并未得到验证。1966年英国年轻的研究生乔·贝尔和她的老师休伊什，利用射电子天文望远镜，发现了来自星际空间的脉冲射电波。它的脉冲周期短而且稳定，并经证实，这种射电波来自一种叫脉冲星的天体。后来经过天体物理学家高尔德的反复论证，这种脉冲星就是中子星。

铁壳内密度越来越大，电子被压进原子核内，到一定深55因为中子星由恒星坍缩而成，根据角动量守恒定律，转动着的恒星坍缩成中子星时，转速将大大加快，恒星的磁场也随星体的坍缩而收缩，都收拢在中子星表面上。因此，中子星是一种具有强大磁场而高速旋转的天体。通常中子星的磁极与自转轴方向不一致。在磁极附近磁场特别强，电子在强磁场中运行将发射强烈的射电波，这种射电波的方向主要集中在磁极方向。当中子星的磁极指向地球时，地球就接收到它发射的射电波。中子星每转一周，地球接收到一次信号，形成脉冲式的射电波。乔·贝尔接收到的正是这种射电波，它往往自蟹状星云的中心。这是人类第一次发现中子星。迄今（截止到1993年）已发现的脉冲星约500颗。

因为中子星由恒星坍缩而成，根据角动量守恒定律56☆黑洞

1、无限坍缩

如前所述，质量在恒星演化的一生中，起着决定作用。质量为0.8M⊙<M<1.4M⊙的恒星，当引力坍缩使恒星中简并电子压力与自身引力达到平衡时，坍缩停止，恒星处在一种新稳定状态，这就是白矮星。若恒星的质量为1.4M⊙<M<3.2M⊙，则恒星经历了更猛烈的引力坍缩后，简并中子压力与自身引力达到平衡，坍缩停止，恒星在处在另一种新的稳定状态，这就是中子星。所以，白矮星的质量不可能超过1.4M⊙，故M=1.4M⊙是白矮星质量的上限。☆黑洞

1、无限坍缩如前所述，质量在57美籍印度科学家钱德拉塞卡首先求得这个上限，故也称钱德拉塞卡极限。同样道理M=3.2⊙是中子星质量的上限，称奥本海默极限。那么，当恒星的质量超过奥本海默极限时，即M>3.2M⊙，恒星将发生什么演化呢？最子力学和广义相对论证明，在这种情况下，恒星中心区域坍缩为中子状态以后，简并中子斥力再也不能够与如此空前强大的引力相抗衡，宇宙间再也没有任何力或任何物理过程能够阻止住这种力。因此坍缩将不可阻挡地继续下去，一直到物质进入它最后的“墓穴”——黑洞为止。我们把这种类型的坍缩称为无限坍缩，它与白矮星和中子星生成过程的坍缩不同，为了区别，把后一种类型的坍缩，称为有限坍缩。

美籍印度科学家钱德拉塞卡首先求得这个上限，故也称钱德拉塞卡极58无限坍缩的结局成为黑洞，这种坍缩过程的细节很复杂，或者说还不清楚，不能在这里作详细介绍。不过有一点很清楚，那就是无限坍缩的过程是极其迅速的，一颗质量为10M⊙的恒星，在进入无限坍缩状态以后，几乎所有的物质都同时以光的速度向中心自由落下，经过约百分之一秒就变成一个光度为零的黑洞。恒星坍缩过程光度变化如图11-11。无限坍缩的结局成为黑洞，这种坍缩过程的细节很复杂，或592、视界

黑洞严格上讲已不是一颗星星，而只能说是空间的一个区域，当然这个区域应该是球对称的。在黑洞区域及其附近空间，引力场异常强大，物质的物理性质和运动规律只能应用广义相对论才能解释，请看下面的实验。设想有一个人站在即将发生无限坍缩的星体表面，身旁有一盏强大的灯，如图11-12a所示，坍缩前引力场相对较弱，可以认为灯光的光线沿直线向四面八方传播。坍缩开始，恒星体积变小，密度变大，灯光所在处的引力场变大，根据广义相对论，灯光光线将发生弯曲。2、视界黑洞严格上讲已不是一颗星星，而只能说是空60随着坍缩的继续进行，恒星的体积缩得更小，光线的弯曲度也越来越大，最后所有的光线都弯曲并折入星体表面，这个人再也看不见灯光，我们就说恒星缩小到它的“视界”之内，即图11-12d所示。落入视界之内的任何东西，都不可能再被外界的观测者看到，这就是“黑洞”名称的由来。所以，视界就是黑洞的表面，或者说黑洞的边界，也就是外界观测者视线的边界。视界有非常特殊的性质，它只准进不准出，像一个单向的模。物质一旦落入视界，就记远再不能返回，包括光子在内。随着坍缩的继续进行，恒星的体积缩得更小，光线的弯曲度也越来越61根据广义相对论引力的场方程，可以求出视界区域的大小，即黑洞的半径。1916年广义相对论问世不久，德国物理学家史瓦西研究引力场方程，求得引力场方程的精确解。史瓦西的解预言存在着一种不旋转、不带电、球对称的黑洞，同时求出这种黑洞的半径，称为“引力半径”，也称史瓦西半径。解引力场方程是很复杂的，下面我们根据光不能逃逸黑洞的特性，应用经典办学方法求解黑洞的半径。根据牛顿定律，一个物体（粒子）的动能大于（或等于）它在某天体表面的势能时，这个粒子就有可能逃出这个天体。现设天体表面上，粒子的质量为m，速度为υ，天体的半径的R，质量为M，根据上述原理，υ为逃逸速度时，有根据广义相对论引力的场方程，可以求出视界区域的大小62由上式可知，逃逸速度与粒子的质量无关。当天体的质量不变，而半径缩小（坍缩）时，迩逸速度要增大。物质速度的极限是光速，所以对光子来说υ=c，则由上式可求得黑洞的半径由上式可知，逃逸速度与粒子的质量无关。当天体的质量不变，而半63也就是说，天体质量一定，当其半径R≤RG时，即使光子也不能逃逸，这就是黑洞，RG就是黑洞半径。这个结果与史瓦西根据引力场方程所求的结果一样，因此，RG也称史瓦西半径。一个质量和太阳相当的恒星，根据上式可求得其史瓦西半径为3km，这就是说像太阳这样的恒星，当全部的质量都压缩在半径为3km的球体内时，太阳就成为一个黑洞。地球的史瓦西半径是0.89km。当然，太阳和地球都永远不会变成黑洞，只有那些原始质量为10M⊙~20M⊙以上的恒星，经历恒星演化的各个阶段，且最后发生无限坍缩时，才有可能变成质量为M>3.2M⊙的黑洞。也就是说，天体质量一定，当其半径R≤RG时，即使光子也不能逃6460年代以来，由于天文学的一系列发现，使黑洞理论的研究取得了重大进展有。天体物理学家又相继提出许多新的黑洞模型，比较著名的有克尔黑洞，它能够绕某一对称轴旋转，是一种动态黑洞，比史瓦西黑洞更有实际意义。因为任何恒星在坍缩前都在自转，根据角动量守恒定律，由这个恒星坍缩形成的黑洞也必然具有角动量，所以黑洞是转动的。黑洞还有其它奇特性质，分别叙述如下。60年代以来，由于天文学的一系列发现，使黑洞理论的研究取得了653、黑洞的特性（1）黑洞无毛发定理

坍缩以前的恒星，具有许多不同的物理和化学性质，例如质量、角动量、电荷、磁矩、温度、光度和化学成分等等，但当它们坍缩成为黑洞以后，都变得异常的简单。应用广义相对论能够证明，在强大的引力场中的黑洞，只要三个物理参数：质量、电荷和角动量，就可以描写黑洞的全部特征。黑洞就像一个引力的无底深渊，任何东西掉进黑洞都将被“净化”，只剩下三个物理量：质量、电荷和角动量。物质的其它物性，分子、原子、原子核、强作用、弱作用等等都不复存在。就像一个光秃秃的头颅，没有头发，只有耳朵、眼睛、鼻子和嘴，科学家把这种性质风趣地称为“黑洞无毛发”定理。3、黑洞的特性（1）黑洞无毛发定理

坍缩以66（2）面积不减定理

黑洞最主要特征是它具有一个封闭的视界，任何物体包括光都可发从视界之外进入视界之内，但相反的过程是不可能的。黑洞在演变过程中，它的视界或是不变，或是增大，而总是不会减少，这称为黑洞面积不减定理。因此黑洞可以合并但不能分裂，两个黑洞相互碰撞合二为一时，合成的黑洞视界一定不小于原来两个黑洞视界之和。（2）面积不减定理黑洞最主要特征是它具有一个封闭的67（3）时间凝固

在黑洞强大引力场中，广义相对论效应起着重要作用。若以地球的时钟来计算时间，在坍缩过程中，引力场强度越来越大，时间流逝越来越慢，当恒得最后坍缩到史瓦西半径时，时间完全停止，因此任何观测者都永远看不到坍缩着的恒星达到自己的史瓦西半径。图11-12中的灯所发出的光，将随着坍缩的进行，产生越来越大的红移，达到史瓦西半径时，红移达到无穷大。地球的观测者，将随着坍缩看到灯光由亮变暗，由白变红，以至变成无线电波，最后完全消失。因此史瓦西黑洞表面也称为无限红移面。（3）时间凝固在黑洞强大引力场中，广义相对68（4）黑洞的蒸发

1974年，英国黑洞物理学家霍金把量子论应用到黑洞的研究中，发现黑洞似乎总是以稳定的速度发射粒子，而且发射的粒子具有热辐射的性质，这显然与黑洞的“黑”性质是矛盾的，但这却时可能的。因为，根据量子论的原理，在真空态中，会不断地有虚粒子的产生和湮没，即所谓真空涨落，这种性质已由量子电动力学的实验所证实。黑洞外层附近也属真空态，也应该有这种量子效应产生虚粒子。虚粒子具有负能量，通过隧道效应，穿过视界，进入黑洞，使黑洞质量减少。这个过程就相当于向无限远处发射一个正能粒子而使黑洞质量减少。（4）黑洞的蒸发1974年，英国黑洞物理69也可以这们理解，由于黑洞附近真空态的量子效应，不断地产生正负粒子对，负粒子被黑洞吸收，使射到无限远处，如图11-13所示。这种由于量子效应所产生的辐射，对通常的黑洞来说影响很小的，但这又是重要的，因为这种辐射使黑洞的质量减少，辐射将会越来越强，以至最后黑洞总有一天被“蒸发”掉。当然这是一个漫长的过程，计算表时，一个太阳质量的黑洞，被完全蒸发掉需要1066年，这是一个比天文数字还要大许多数量级的数字，是没办法探测的，但对于质量小的黑洞（所谓原生洞），这个过程却可能是很快的。总之，黑洞蒸发意味着黑洞并不是物质的演化终点，不是物质的坟墓，被黑洞吸收的物质将会被重新释放出来。也可以这们理解，由于黑洞附近真空态的量子效应，不断地产生正负70以上关于黑洞的蒸发仅仅是根据量子理论和广义相对论的一种推测，并不是实际中已发现了的事实。由广义相对论所预言的黑洞，还有种种奇特的性质，就不再一一列举了，但这必须重复强调，这些性质只有通过直接或间接的验证，才能肯定它是否有实际意义。

以上关于黑洞的蒸发仅仅是根据量子理论和广义相对论的一种推测，71自然科学家研究自然的方法受到哲学观点的支配，对于天文研究，如前所述，一些居支配地位的哲学观点成为建构天体及宇宙理论框架的先验原则。这决定了可以把发生在地上和发生在“天”上的自然现象互相印证，视为一个整体；决定了可以用我们所认识的自然科学规律来解释极其遥远的天文现象；决定了可以利用天文知识来探索自然科学的基本规律，如物理学规律。几条先验原则

①．宇宙间物质（及其发展规律）的统一性。

自然科学家研究自然的方法受到哲学观点的支配，72这是从中世纪“日心论”被抛弃以来形成的观念，符合物理学上的“宇宙学原理”的假设，这决定了任何天文现象，包括前面所说地“精测孤本”和各级实测“视限”，不论在宇宙间什么地点，只要环境条件相似，演化时期相似，都会有同样的产生和发展的机会（这也就是认定“地外文明”等等应当存在的依据）。②.人类（及所寄居的地球、太阳系、银河系）在宇宙中不具有特殊优越的地位。这是从中世纪“日心论”被抛弃以来形成的观念，符73这意味着任何时候，在已被认识的天文现象之外，永远存在着等待我们去发现或深入一步了解的现象，这决定了天文观测手段的研究与发展常常超前于学科发展，成为学科前进的一个主要推进力量。③.宇宙间物质的无限性。这意味着任何时候，在已被认识的天文现象之外，永74牛顿利用了大自然在太阳系天体运行上所“演出”的“实验”，总结出了物理（力学）规律，可谓是“天文物理学”的一座里程碑，从另一方面看，牛顿把力学规律应用到对太阳系天体运动的解释上，使天文学第一次越出了单纯探讨天体运行的经验关系，进到认识天体间相互作用的普遍规律，这是人类几千年以来对行星运动的认识从现象到本质的一次巨大的飞跃。牛顿利用了大自然在太阳系天体运行上所“演出”的7518世纪人们对仙女座大星云有着不同的认识，其中以拉普拉斯为代表的认为它是银河系中一个正在形成中的行星系统；而以康德为代表的哲学家则认为仙女座大星云是离我们非常遥远的恒星集团，康德把它叫做“岛宇宙”。这一场“宇宙岛”之争长达一个多世纪，20世纪20年代达到了高潮。1924年12月30日，哈勃在美国天文学会的一次会议上公布了他自1919年以来，利用威尔逊天文台1.5米和2.5米望远镜对漩涡云进行照相观测所得到的研究结果。他根据测量仙女座星云中的造父变星的周期所得到的光度，计算出仙女座星云的距离大约是80万光年（现在宇宙岛18世纪人们对仙女座大星云有着不同的认识，其中76我们知道仙女座星系离我们的距离大约是220万光年），而我们的银河系的直径仅只有10万光年。显然，仙女座星云应该称为星系。哈勃称这类遥远的星云为“河外星云”。它们是一些巨大的、独立于银河系以外的恒星集团。哈勃发现了星系世界，他开创了“星系天文学”，被人们称为“星系天文学之父”。人们将星系分为两类，一类叫正常星系，一类叫活动星系。星系的分类我们知道仙女座星系离我们的距离大约是220万光年），而我们的77哈勃第一个提出了正常星系的分类系统。根据哈勃分类法，第一类星系是椭圆星系（E)。它们在夜空在夜空中呈现出圆形或椭圆形，显示不出任何结构。它们的质量差别很大，超椭圆星系可达100000亿个太阳质量（太阳质量=1.98千克），直径可达50万光年。矮星系（光度和质量都小的星系）中多为椭圆形星系，它们甚至可小到100万个太阳质量。第二类星系是旋涡星系（见彩图11）。它们的主体结构有如下特征：中心为一球形或椭球形（称为球核），其外部为一薄的圆盘，称为星系盘，由球核两端延伸出两条或多条旋臂叠加在星系盘上。在同一个星系中，每条旋臂都沿顺时针或逆时针方1.正常星系

哈勃第一个提出了正常星系的分类系统。根据哈勃分78向延伸，看上去好像整个星系在绕中心旋转着。在旋涡星系盘里，特别是在旋臂里，有比较多的气体和尘埃，还有许多刚诞生不久的恒星，闪烁着美丽的蓝色或蓝白色的光芒。球核里则主要是些年老的恒星，它们发着苍白色的光。上面所描述的旋涡星系一般称为标准旋涡星系。还有一类旋涡星系，从正面看，它们的旋臂不是从圆形或椭圆形的球核伸出来的，而是从通过球核中心的一根棒状结构物的两端向外延伸出来，所以称它们为棒旋星系（见彩图12）。棒旋星系的其他结构特点与标准旋涡星系相似。正常旋涡星系和棒旋星系约占星系总数的80%，它们的质量最大可达1000亿个太阳质量，直径可达向延伸，看上去好像整个星系在绕中心旋转着。7910万光年左右。哈勃提出的最后一类星系为不规则星系。他把不能归入椭圆星系或旋涡星系的少数星系称为不规则星系。它们不存在球核，也没有明确的旋臂系统。许多不规则星系质量较小，形状奇特，常有一些旋臂消失后的遗留痕迹。其中较著名的由车轮星系（见彩图13），它是由哈勃空间望远镜观测到的。它的奇特外形显示出好像刚刚被其他星系撞击过或是受到附近星系的强烈扰动。大、小麦哲伦云（见彩图3、4）都属于不规则星系。它们很小，比我们银河系小得多。大部分不规则星系都是这样。10万光年左右。80似星非星，距离最远，光度最大的类星体是活动星系中最典型的代表。类星体最大的惊人之处首先是它的红移。根据哈勃定律，一个天体的红移是和它的距离成正比的。也就是说，红移越大，距离我们越远，而且用红移很容易算出其距离来。其距离大都在100亿光年以上，许多都处在宇宙的最远距离处，接近200亿光年。此外，我们看到的类星体的发光强度都不是它的真正发光强度。在照片上看上去一样的星体，由于与地球的距离并不一样，本身的发光强度也不一样，距离越远者，本身的发光强度越大。例如，我们在前面提到的3C273，它旁边的星系实际并不在它旁边，而是比它离地球近了大约30多倍，才使得它们看上去一样亮。2.活动星系似星非星，距离最远，光度最大的类星体是活动星81一颗类星体发出的光大都相当于上百个、甚至上万个普通的星系。以3C273为例，在它的附近有一个普通的正常星系，虽然它们看上去亮度差不多，但实际上3C273发出的光比这个星系亮1000倍。又如，我们的银河系大约有1000亿个太阳，而一个类星体发出的光至少相当于100000亿个太阳所发出的光。这些类星体高高地挂在宇宙的四壁，如万盏明灯。如果我们有孙悟空的本领，跑到宇宙外边去看一看，将是怎样一幅壮观的景色！一颗类星体发出的光大都相当于上百个、甚至上万82哈勃将椭圆星系称为早型星系，将旋涡星系和不规则星系称为晚型星系，似乎是在表示星系的年龄情况。研究发现：随着哈勃序列的由早到迟，星系的颜色也逐渐由红到蓝，即椭圆星系要红一些，旋涡星系与不规则星系要蓝一些，正如彩图11、彩图14所显示的那样。这说明在一般情况下，椭圆星系的年龄的确比旋涡星系、不规则星系老一些，但它们之间是否有演化关系还不能确定。许多天文学家认为，不同形状的星系之间的演化是不可能的。有的认为在星系形成时，如果旋转星系的起源和演化哈勃将椭圆星系称为早型星系，将旋涡星系和不规83的角动量大，就形成旋涡星系；如果角动量小，就形成椭圆星系。有的认为，星系的形态不是与角动量的大小决定的，而是由形成星系的原始云的密度决定的，密度越大的形成椭圆星系，密度越小的形成旋涡星系。至今，关于星系的起源与演化众说纷纭，有待进一步观测、分析和研究。的角动量大，就形成旋涡星系；如果角动量小，就形成椭圆星系。有841929年，哈勃在《美国国家科学院文集》上发表了《河外星云距离与视向速度的关系》这篇划时代的论文，提出了河外星系的距离与视向速度成正比例的论断，即河外星系离我们的距离越远，它沿着我们视线方向离开我们的速度就越快。如果用公式表达，可以写成：式中V表示星系离开我们的视向速度，D表示星系离开我们的距离，是一比例常数，为纪念哈勃，取名“哈勃常数”。这个公式就是后世著名的“哈勃定律”。四、哈勃定律1929年，哈勃在《美国国家科学院文集》上发85哈勃常数如此重要

哈勃定律中的比例常数H0，成为哈勃常数。从表面上看，它仅仅是一个比例常数，但它的物理意义去远不止于此。首先，我们看一看哈勃常数的物理单位，它的单位是千米/秒/百万秒差距（1秒差距=3.259光年）。因此，它表示的事速度随距离的增加值，即每百万秒差距距离内按千米/秒测量的速度增加值。哈勃当年给出的数值是H0=526千米/秒/百万秒差距哈勃常数如此重要哈勃定律中的比例常数H0，86这一数值很快被证明是偏大了。到了20世纪60年代以后，H0缩小为100左右。之后，有关哈波常数值的大小引起了争论。一些人认为其数值是100左右，另一些人认为其数值是50左右。从60年代到90年代，540与100之争持续了30年之久。那么，争执的核心是什么呢？?这一数值很快被证明是偏大了。到了20世纪6087原来，哈勃常数的深层物理意义是代表了宇宙的年龄。既然宇宙是在不断地膨胀着，到退回去，如果宇宙是从一点膨胀到现在，用了多长时间呢？这一时间应该是哈勃常数得倒数，它代表的正是宇宙的年龄。因此宇宙的年龄=我们分别按H0=100和50进行计算，从上式可以得出宇宙的年龄=19.7×109年（当H0=50时）9.8×109年（当H0=100时）也就是说，如果H0=50，得出的宇宙年龄大学时200亿年。如果H0=100，则得出的宇宙年龄只有一半，即100亿年。原来，哈勃常数的深层物理意义是代表了宇宙的年龄。既然宇宙是在88究竟哪一个数值正确，要看宇宙的年龄到底有多大。从其它数据也可以推算宇宙的年龄，结果是至少在150亿年以上，接近200亿年。因此哈勃常数取50显得更为合理。问题并不这么简单，因为哈勃常数是根据哈勃定律独立地测定的，而不是根据宇宙的年龄烦推出来的。测定哈勃常数的方法从理论上并不困难。只要测出河外星系的距离和它的红移值，两者相处变得到哈勃常数。但在世纪上，如何准确地定出河外星系的距离却是十分困难的。究竟哪一个数值正确，要看宇宙的年龄到底有多大89我们在前面曾经介绍了测量天体距离的方法。其中有一个方法，是利用造父变星的方法，如果能找到河外星系中的造父变星，那么就能像确定仙女座大型云的距离一样来确定河外星系的距离。对于遥远的星系，在地面上是不可能找到起造父变星的，唯一的办法是上天。1990年，美国发射了巨大的空间望远镜，其望远镜孔径达到了2.5米，目的之一便是准确地测定哈勃常数。为了纪念哈勃，将这台望远镜命名为哈勃空间望远镜（HST,HubbleSpaceTelscope）。经过修复后的哈勃空间望远镜果然在遥远的星系中找到了造父变星，并由此重新测定了哈勃常数。其结论出乎多数人的意料：H0=80我们在前面曾经介绍了测量天体距离的方法。其中90由此算出的宇宙年龄不到150亿年，这岂不是与其他的观测事实相矛盾，天文学家们绞尽脑汁。一些人认为，这一测量结果人有不仅精确之处，原因是测量到的星系仍然不够远，这些星系说不定相对于银河系有一些不规则的运动。如果用其他方法，如超新星方法，得出的哈勃常数会明显地边笑。但多数天文学家还是接受了这一现实，承认H0=80左右。他们开始在宇宙模型上下功夫，使宇宙的年龄不在简单地用H0的倒数去计算，而是加上一些修正项，从而使得算出的宇宙年龄仍在150亿年以上。哈勃常数还有一些其他方面的物理意义，如它和宇宙中的物质密度密切相关邓。这些内容都愿超出了本书的范围，这里就不再介绍了。由此算出的宇宙年龄不到150亿年，这岂不是与其他的观测事实相91宇宙的起源与演化

（一）可观测的宇宙从宇宙学原理我们得到的一个推论就是：宇宙没有中心。在考虑地球的运动时，我们只考虑太阳的引力，而忽略其他行星腿地球的引力。虽然这只是一种近似，但很有效。因为，如果加上其他行星的引力作用，从各个方向来的力的总和应该等于零，在考虑更大的范围，由于引力是长程力，其他的恒星、星系也会对地球有作用力，这里的合力也是等于零或小到忽略不计的程度。由此我们得出：宇宙的物质分布应该是均匀的，或者说宇宙在大尺度上是均匀的，即各向同性的。宇宙的起源与演化

（一）可观测的宇宙从宇宙学92哈勃空间望远镜拍摄到的宇宙深处的天体来看，截至目前我们看到的最远天体都不超过200亿光年。我们人类能观察到的宇宙，半径只有200亿观念。换句话说，我们能观测到的宇宙是一个有限的空间，这个空间的半径只有200亿光年。爱因斯坦建立了广义相对论之后，于1917年用广义相对论来考虑宇宙，建立了现代宇宙学中的第一个宇宙模型。爱因斯坦的模型是一个有物质但无运动的静态宇宙模型。根据爱因斯坦广义相对论的引力场方程得到的解，我们的宇宙模型是一个有限无边的封闭宇宙。爱因斯坦为了使他的引力场方程的协变性不受到破坏，引入了一个附加项常数λ。（二）宇宙模型与热大爆炸宇宙

哈勃空间望远镜拍摄到的宇宙深处的天体来看，截931922年，前苏联列宁格勒大学数学家弗里德曼（1888～1925）发表了《论空间的曲率》，重新求解了爱因斯坦的引力场方程；同时他认为，爱因斯坦引入宇宙项是没有必要的，即是说，弗里德曼取宇宙常数λ=0，由此得到3类宇宙模型：如图（b）为闭模型，（a）、（c）为开模型。这3类模型都有预言，目前我们观测到的宇宙是膨胀的宇宙，但膨胀的方式不同。开模型宇宙的膨胀是永无休止的，空间会越来越大，直到无穷大，空间间隔也是越来越大，这种开模型宇宙是无限宇宙；而闭模型宇宙则不然，当它膨胀到一定的时候就不再膨胀，即停止膨胀，以后又收缩，回复到它原始状态，然后再膨胀、再收缩，这类闭模型宇宙是震荡宇宙，或者说是个脉动的宇宙。1922年，前苏联列宁格勒大学数学家弗里德941948年，在美国从事核物理与天体物理研究的弗里德曼的学生枷莫夫和他的学生拉夫·阿尔法合写的，但枷莫夫别出心裁说服另一位核物理学家汉斯·贝特也将名字署在文章上，这样文章就署名为“阿尔法、贝特、枷莫”，谐音正好是α（阿尔法）、β（贝塔）、γ（枷玛）。他们在文章中做出了一个重大的预言：宇宙的早期阶段非常热，以光子的形式辐射，但是现今这个热辐射的温度已降到只有几度（指绝对温度）。后来人们把热爆炸理论戏称为“理论”。1948年，在美国从事核物理与天体物理研究的弗里德95宇宙不是由上帝创造出来的，而是起源于一次热大爆炸的科学见解，一时成为人们的热门话题，也为世人所接受；即使是罗马教皇，也不得不允许英国著名学者霍金在1981年由罗马教庭主办的梵蒂冈宇宙学会以上演讲空间—时间是有限误解的可能性，大讲特讲热大爆炸宇宙模型；后来天主教会不得不承认当年对伽利略的审判是错误的，并宣布伽利略无罪。神学需要利用科学研究的成果为神学寻找出路，或者说为上帝安排一个合适的位置。大爆炸起始于时间的零点，在10-43秒内，温度极高，达到1033K，其他的情况就不清楚了。有的物理学家认为，在最初的10-43秒内物理状态的秘密迟早会被揭开。物理学家把最初的10-43秒成为普朗克时期。宇宙不是由上帝创造出来的，而是起源于一次热大爆炸的科96宇宙在原始火球爆炸后的最初阶段迅速膨胀，温度下降很快。从10-43～10-33秒，由能量产生物质，这时的宇宙很小，但膨胀很快，宇宙中的物质如电子、中微子和光子等粒子都混合在一起，犹如一锅“汤”，温度从1033K下降到1028K以下。从10-33～10-6秒，温度从1028K下降到1014K以下，混合粒子的平均能量均有109电子伏。从10-6～10-3秒，宇宙中的物质是由电子、正电子对，还有光子和中微子构成的稠密的气体，他们的密度大约是每立方厘米由36个粒子；这时出现了质子（氢原子核）和中子，它们的平均距离约为10-9厘米，相当于氢原子半径的1/10。这时的宇宙称为强子时期。宇宙在原始火球爆炸后的最初阶段迅速膨胀，温97从10-3～1秒，温度下降到109（10亿）K，这时的宇宙称为轻子时期，电子-正电子对湮没，产生光电子，由此只有少量的电子幸存下来；这些存活下来的电子就成为后来原子外壳层的电子。此外，中微子开始以光速穿越宇宙空间，与其他粒子在弱作用下不断地相互作用。但在1秒以后，中微子解耦，从离子汤中独立出来，不再与物质中的其余粒子发生作用了。从1秒～1分钟，称为辐射时期，许多中子衰变成为光子、电子、正电子和中微子，形成中子比质子少的状态。电子-正电子对不断湮没，中微子不再与其他粒子产生作用，结果形成了75％的质子和25％的中子。从10-3～1秒，温度下降到109（10亿）K，这98根据计算表明，这75％的质子和25％的中子为以后的合成氢元素和氦元素准备了原始材料。从1～30分钟，氢元素合成。在宇宙创生的3分钟后，温度下降到9×108（9亿）K，宇宙中的中子数不断地减少，中子的寿命只有11分钟，因此，宇宙创生11分钟后，质子由75％增加到87％，中子由25％减少到13％，并由此合成核子，其中由2个质子和2个中子合成1个氦核；在氦核合成后的宇宙物质结构中，氢元素占77％，氦元素占23％。观测表明，宇宙中氦元素的丰度与理论结果惊人地一致。根据计算表明，这75％的质子和25％的中子为以后99从30分钟～30万年，这时的宇宙逐渐变得透明，称为解耦，也就是光子从物质中独立出来，温度继续下降，这时的宇宙温度约为4000K。从30万年～100万年，称为解耦时期，宇宙温度下降到足以使质子和氦核在电磁力的作用下能捕捉到电子，从而形成氢原子和氦原子，这标志着原子时代的开始。从100万年～20亿年，开始形成星系。从20亿年～30亿年，星系成团开始。从30亿年～40亿年，第一代恒星诞生。从40亿年～50亿年，类星体诞生。

从30分钟～30万年，这时的宇宙逐渐变得透明100从50亿年～154亿年，太阳诞生，行星形成。从154亿年～200亿年，生命出现。现在，也就是宇宙创生后的200亿年的今天，光子的温度，或者说宇宙的温度已下降到只剩余2.7K。彭齐亚斯和威尔逊观测到的宇宙无线电波辐射的温度——2.7K微波背景辐射，正是宇宙创生30万年有，高温光子（4000K）辐射不断冷却的结果，现在已冷却到只有2.7K了。从50亿年～154亿年，太阳诞生，行星形成。从154亿年～101但是，热大爆炸宇宙学不能解释为什么宇宙创生于一次大爆炸。或者说，爱因斯坦的引力场方程解的奇点，它的数学意义表示无穷大，而在物理学中却是毫无意义的。这就是广义相对论的奇点困难，热大爆炸宇宙学在此碰到了严重的挑战。（三）暴胀宇宙

70年代以来，理论物理学家提出暴胀宇宙学，其基本思想是，宇宙创生第一秒刚刚开始的某一时刻，宇宙的尺度突然急剧地暴胀，此后宇宙尺度以指数规律增加。这就是说，在宇宙创生刚刚开始的那一瞬间，宇宙尺度在每一固定时间周期里，空间扩大一倍，这种周期称为节拍。但是，热大爆炸宇宙学不能解释为什么宇宙创生于一102第二节拍之后，空间尺度扩大到4倍；第三节拍扩大到8倍……以等比技术增加：第一节拍：尺度为21=2第二节拍：尺度为22=4第三节拍：尺度为23=8…………第十节拍：尺度为210=1024暴胀理论认为，宇宙爆炸后经过极短的时间，即10-32秒开始暴胀，暴胀力（反引力）极强，大约每隔10-32秒一个节拍之后，原子核量级的区域（10-12厘米）就会暴胀到大约1光年的直径。第二节拍之后，空间尺度扩大到4倍；第三节拍扩大到8103量子真空内也只有同原子类似的激发态，各种激发态有着各不相同的能量，最低的能态—基态，有时称为“真”真空，反映的是稳定态；而激发态真空则称为“伪”真空。在量子力学中的所谓“真空”，实际上真空不空。不论是“真”真空态，还是“伪”真空态，他们都不是空的，而是有着丰富的内容，或者说储备着巨大的潜在能量。作为量子真空的伪真空是很不稳定的。根据测不准原理，这种不稳定性表现为从激发态衰变到基态。作为一种量子过程，实际上量子真空并不是均匀的，而是由能量起伏（或称为涨落）。量子真空内也只有同原子类似的激发态，各种激发104正是量子真空的这种起伏才引起真空暴胀，然后进入爆炸，使得封闭在位真空中的能量在瞬间释放出来，并以热的形式出现。根据量子力学测不准原理，宇宙起源于量子真空能量的起伏而产生的大爆炸，在大爆炸之后仅10-34秒，紧接着而来的是真空暴胀，经过几段时间的暴胀之后，宇宙并处于膨胀阶段，直到今天，我们科观察到的宇宙仍然在膨胀中。正是量子真空的这种起伏才引起真空暴胀，然后进入爆炸，105宇宙的结局

宇宙的膨胀表现出星系退行，按哈勃定律，星系的退行速度即是它的逃逸速度，即式中V=H0D，为星系的退行速度（逃逸速度），D为星系距离。

我们假想一个既不膨胀又不收缩的球，它包含的质量为M，半径为R，根据牛顿力学就可知道它的逃逸速度为宇宙的结局

宇宙的膨胀表现出星系退行，按哈勃定律，106式中，为它的密度。再由哈勃定律的逃逸速度（这里R=D）得到这个既不膨胀又不收缩的球的密度为式中G为引力常数，等于6.673×10-8厘米3/克·秒2，称为“临界密度”。以现代公认的哈波常数值H0=15千米/（秒·百万光年），圆周率，代入上式，求得我们现在宇宙的临界密度值为ρc≈5×10-30克/厘米3

式中，107如果我们用ρc表示宇宙物质的平均密度，那么，当ρ0>ρc时，宇宙是有限的，或者说是封闭型宇宙，在这种情况下，宇宙膨胀到某个时刻就不再膨胀，其结果是坍缩的宇宙。