XXXX天体物理学的发展

天体物理学的发展饶志明2014.11.24天文学家确认144.6亿岁最长寿恒星

一个天文学家研究团队再次确定宇宙中迄今最古老恒星HD140283的年龄，或比既定宇宙的年龄还要大，这意味着宇宙比它看起来还要老。宇宙是由一个致密炽热的奇点于137亿年前一次爆炸后膨胀形成的。1929年，美国天文学家哈勃提出星系的红移量与星系间的距离成正比的哈勃定律，并推导出星系都在互相远离的宇宙膨胀说。基于这一推论，宇宙中一切天体的年龄都不应超出这个“宇宙龄”所界定的上限。恒星的年龄可以从它们的发射功率和拥有的燃料储备来估计。根据热核反应提供恒星能源的理论，人们得到的天体年龄竟与“宇宙龄”协调一致，这对大爆炸宇宙模型当然是十分有力的支持。恒星HD140283距离地球190光年，位于天秤座星群里的贫金属次巨星，其视星等7.223，几乎由氢和氦组成，铁含量不到太阳的1%。2013年，天文学家最初确定其年龄时，不禁感到困惑了。根据宇宙微波背景辐射估计，目前宇宙年龄为138.17亿岁。而它似乎大约有144.6亿岁，比宇宙本身还大。这种罕见的恒星似乎相当古老，以至于可以将其称为长寿之星了。此外，其作为一个高速的恒星为人所知有一个世纪左右，但它在太阳附近存在和其组成却有悖于理论。当然，最终揭示这颗“老寿星”的年龄估计误差实际上比原来的研究更宽泛，天文学家给这个边际增加了8亿年。该误差边际可能会使这个在宇宙中已知最早的星体年轻了许多，但仍在自大爆炸以来的时间界限内。但是，在这个年龄的上限是什么？目前，土耳其安卡拉大学的比罗尔提出是否有种可能：这颗恒星与最初测量的一样老，但仍处于“大爆炸的边缘”？他采用宇宙辐射模型（RUM），计算宇宙年龄为148.85±0.4亿岁，最低限度的比微波背景辐射估计推算宇宙的年龄稍微年长一些，随之也很容易地调整出HD140283的原始年龄。比罗尔的RUM理论给哈勃常数提出了一种新的动态值，表明自从大爆炸后44亿年宇宙膨胀已经加速，很可能容纳了暗能量。此外，这种加速增长率本身是缓慢的，转而可能由暗物质占据。暗物质和暗能量已被广泛讨论、争议的物理现象，但有观测证据表明它们是真实的。此外，RUM暗示描述量子大小的普朗克常数并非是单纯的常数，而是一个宇宙变量。2014-11-17物质客体的三个层次微观客体宏观客体宇观客体天体的三个层次太阳与太阳系恒星与银河系星系与宇宙天体物理学研究的意义精确的时间和历法仍然是按照太阳和恒星的运动确定。（例如测时、守时、授时）可用于人造卫星运动轨道的控制，以及地面导航、通信等。（轨道计算、太阳黑子）可启发人们去思考、探索与人类的现在和未来息息相关的各种应用技术。（核聚变、新的更有效能量转换方式）可提高学生的科学文化素质、树立正确的宇宙观，提高辨别是非的能力、反对迷信和邪教的危害。一、天体物理学的兴起公元前129年古希腊天文学家喜帕恰斯目测恒星亮度并根据亮度把恒星划分为六个等级这可以说是最早的光度学测量1609年伽利略第一次使用光学望远镜观测天体，绘制月面图记录大量木星卫星的运动资料发现了土星的“耳朵”·太阳黑子·太阳的自转等~1655-1656年惠更斯发现土星的“耳朵”是一些光环并发现猎户座星云哈雷发现恒星自行和哈雷彗星18世纪末，W.赫谢尔创立了恒星天文学天体物理学由孕育走向成熟十九世纪得益于三种物理学方法1光度学1760年，郎伯特发表《光度学》2分光学1666年，牛顿用三棱镜观察太阳光颜色3照相术19世纪40年代诞生拉塞佛佛1865年拍摄摄的月月球照照片我国科科学家家建造造世界界最大大射电电望远远镜可可探探测宇宇宙信信号二、匹匹克林林谱系系之谜1896年,美国天天文学学家匹匹克林林在哈哈佛天文观观测台的第第12号通报报中宣宣布:““弗莱明明夫人发发现船船尾座座ζ星的光谱非常特特殊,和别的的光谱都不一一样","这6根线很很像氢氢光谱线线那样,形成有有规律律的谱谱线,显然,这是出出自其其它星体或地球球上尚尚未发发现的的某种种元素素".当时,还在通通报上上发表表了拍拍得的的照片片,从照片片上可可以明明显地地看到到,有4根谱线线与氢氢的巴耳末末系Hα,Hββ,Hγ,Hδδ,Hε互相间间隔,极有规规律.人们称称以上上这个个谱系系为匹克林林谱系系1884年，巴巴尔末末提出出了氢氢光谱谱的公公式1913年玻尔尔提出出氢原原子的的定态态跃迁迁原子子模型型，遇遇到了了匹克林林谱系系的困困扰里德伯伯肯定定了他他们是是氢的的光谱谱1913年9月初发发表的的伊万万士氢氢谱结结果支支持波波尔理理论匹克林林谱系系之谜谜被解解开图12－7贝特提出太太阳的的反应应能源源主要要来自自4个个氢核核聚变变变为为氢核核的过过程，，称为为p-p反反应。。提出出了碳碳循环环四、、恒星星演化化理论论的建建立星云物质原恒星白矮星主序星红巨星超新星爆发中子星（脉冲星）物质弥散到星际空间黑洞重恒星轻恒星恒星演演化示示意图图星系中中活动动最剧剧烈的的要数数类星星体。。类星星体是是20世纪纪60年代代天体体物理理的四四大发发现之之一.四、类类星体体三、类类星体体类星体体的距距离非非常遥遥远，，可以以说处处于目目前可可测宇宇宙的的边缘缘。它它的致致密部部分大大小只只有若若干光光年甚甚至更更小。。如此此小的的范围围内竟竟然能能发出出比整整个银银河系系还要要高上上万倍倍的辐辐射能能量，，堪称称宇宙宙中的的奇迹迹。这这就是是所谓谓的能能源问问题。。类星体体的主主要特特征（1））有类类似恒恒星的的像，，有些些有微微弱星星云状状包层层，还还有的的有喷喷流．．（2））光谱谱中有有很强强、很很宽的的发射射线（3））光谱谱线具具有非非常大大的红红移（4））有很很强的的紫外外辐射射（5））一般般有光光度变变化，，光度度周期期可以以是几几小时时到几几十年年。（6））不少少类星星体是是强射射电源源，部部分是是强X射线源源类星体体类星体体研究究的最最新成成果经过几几十年年来的的不懈懈努力力，科科学家家们基基本上上揭开开了类类星体体的秘秘密：：它们是是遥远远的活活动星星系的的亮核核，我我们所所观测测到的的类星星体并并不是是这类类形体体的全全貌而而仅是是其核核心特特别明明亮的的部分分，因因为过过于遥遥远，，亮核核区以以外的的暗弱弱部分分难以以被观观测到到。五、宇宇宙背背景辐辐射的的发现现1948年美国国科学学家阿阿尔弗弗和赫赫尔曼曼预言言，宇宇宙大大爆炸炸产生生的残残系辐辐射，，由于于宇宙宙的膨膨胀和和冷却却，如如今它它所具具有的的温度度约为为绝对对零度度以上上5开，或或者说说5K(绝对零零度等等于摄摄氏零零下273.15度，即即-273℃℃)。但是是他们们的预预言并并未引引起人人们的的普遍遍重视视。射，由由于宇宇宙的的膨胀胀和冷冷却，，如今今它所所具有有的温温度约约为绝绝对零零度以以上5开，或或者说说5K(绝对零零度等等于摄摄氏零零下273.15度，即即-273℃)。但是是他们们的预预言并并未引引起人人们的的普遍遍重视视。1965年，美美国新新泽西西州贝贝尔实实验室室的两两位无无线电电工程程师阿阿尔诺诺彭齐齐亚斯斯和罗罗伯特特威尔尔逊却却十分分意外外地发发现了了这种种宇宙宙辐射射场，，当时时他们们正在在为跟跟踪一一颗卫卫星而而校准准一具具很灵灵敏的的无线线电天天线图12－11贝尔实实验室室的射射电望望远镜镜喇叭叭形天天线1964年，美美国贝贝尔实实验室室的工工程师师阿诺诺彭齐齐亚斯斯和罗罗伯特特威尔尔逊架架设了了一台台喇叭叭形状状的天天线，，用以以接受受“回回声””卫星星信号号。为为了检检测这这台天天线的的噪音音性能能，他他们将将天线线对准准天空空方向向进行行测量量。他他们发发现，，在波波长为为7.35cm的地地方方一一直直有有一一个个各各向向同同性性的的讯讯号号存存在在，，这这个个信信号号既既没没有有周周日日的的变变化化，，也也没没有有季季节节的的变变化化，，因因而而可可以以判判定定与与地地球球的的公公转转和和自自转转无无关关。。图12－12彭齐齐亚亚斯斯（（右右））与与威威尔尔逊逊站站在在他他们们的的天天线线旁旁3K宇宙宙微微波波背背景景辐辐射射（1978年诺诺贝贝尔尔物物理理奖奖））1965年贝贝尔尔电电话话实实验验室室的的两两位位工工程程师师彭彭齐齐亚亚斯斯（（ArnoPenzias）和和威威尔尔逊逊（（RobertWilson），，正正在在校校正正为为测测试试卫卫星星通通讯讯而而设设计计的的反反射射天天线线。。他们们以以极极大大的的耐耐心心追追踪踪和和消消去去干干扰扰源源。。但但是是他他们们发发现现，，有有一一种种未未加加解解释释的的辐辐射射来来自自天天空空的的各各个个方方向向，，对对应应的的温温度度大大约约是是3K。他们们向向迪迪克克咨咨询询引引起起这这种种辐辐射射的的可可能能原原因因，，不不料料获获悉悉他他正正在在积积极极寻寻找找他他们们已已经经找找到到的的东东西西。。3K宇宙宙微微波波背背景景辐辐射射的的发发现现对对大大爆爆炸炸理理论论一一个个有有力力的的支支持持。。图12－14COBE取得得的的数数据据与与黑黑体体谱谱在在0.1％内内相相符符（（×号为为测测量量数数据据，，曲曲线线为为理理论论预预计计））图12－15COBE得到到的的背背景景辐辐射射图图2011年年度度诺诺贝贝尔尔物物理理学学奖奖由索索尔尔·佩尔尔穆穆特特、、布布赖赖恩恩·施密密特特和和亚亚当当·里斯斯分分享享，，以以表表彰彰他他们们观观测测Ia型超超新新星星并并发发现现宇宇宙宙在在加加速速膨膨胀胀。。那那么么，，宇宇宙宙的的膨膨胀胀速速度度究究竟竟是是多多少少？？参参与与重重子子振振荡荡光光谱谱巡巡天天（（BOSS）的的天天文文学学家家们们通通过过对对14万颗颗遥遥远远的的类类星星体体的的位位置置和和星星系系间间氢氢气气的的分分布布进进行行观观测测和和分分析析，，测测量量出出了了宇宇宙宙年年龄龄为为30亿年年的的膨膨胀胀率率。。这这是是迄迄今今为为止止对对宇宇宙宙膨膨胀胀进进行行的的最最精精确确的的测测量量，，将将有有助助于于科科学学家家们们进进一一步步厘厘清清暗暗能能量量的的属属性性。。佛佛特特-里贝贝拉拉说说：：““最最新新结结果果意意味味着着，，在在宇宇宙宙诞诞生生30亿年年左左右右，，我我们们会会看看到到，，随随着着宇宇宙宙的的膨膨胀胀，，一一对对相相距距一一百百万万光光年年的的星星系系正正以以68公里里/秒的的速速度度背背离离对对方方。。””图12－292003年，，从从WMAP获得得的的宇宇宙宙婴婴儿儿时时期期图图像像（（读读者者可可以以与与图图12－15比较较））六、、脉脉冲冲星星1967年，，英英国国剑剑桥桥大大学学的的休休伊伊什什设设计计了了一一架架射射电电望望远远镜镜，，用用来来研研究究太太阳阳风风对对来来自自宇宇宙宙其其他他天天体体射射电电信信号号的的影影响响，，从从而而研研究究太太阳阳风风的的运运动动和和结结构构。。记记录录工工作作由由休休伊伊什什的的研研究究生生贝贝尔尔小小姐姐担担任任。。她她注注意意到到半半夜夜仍仍然然有有射射电电信信号号的的闪闪烁烁，，而而且且是是周周期期为为1.337秒的的脉脉冲冲。。多多次次反反复复观观测测后后，，他他们们确确定定这这是是来来自自某某一一天天体体的的脉脉冲冲信信号号，，将将这这种种新新的的天天体体命命名名为为脉脉冲冲星。。直到到1968年底底,休伊伊什什等等已已发发现现23颗脉脉冲冲星星。。休休伊伊什什获获得得1974年物物理理学学诺诺贝贝尔尔奖奖图12－181967年11月28日从从射射电电源源CP1919第一一次次观观测测到到周周期期性性的的脉脉冲冲信信号号基本本特特点点：：1、、脉脉冲冲是是射射电电信信号号，，在在无无线线电电波波段段收收到到2、、脉脉冲冲信信号号的的时时间间间间隔隔（（即即周周期期））很很短短，，且且相相当当稳稳定定已知知的的脉脉冲冲星星周周期期在在0.03秒秒到到4秒秒之之间间，，脉脉冲冲持持续续时时间间大大部部分分在在0.001~0.05秒秒。。至今今发发现现的的脉脉冲冲星星已已达达500颗左左右右，，脉脉冲冲星星按按其其脉脉冲冲辐辐射射的的形形状状可可分分为为三三类类：：S型、、C型、、D型。。S型脉脉冲冲星星具具有有简简单单的的脉脉冲冲外外形形，，C型脉脉冲冲星星具具有有复复杂杂的的脉脉冲冲外外形形，，D型脉脉冲冲星星具具有有漂漂移移的的亚亚脉脉冲冲。。脉冲冲星星一一次次脉脉冲冲发发出出的的能能量量比比地地球球上上最最猛猛烈烈的的火火山山爆爆发发所所释释放放的的能能量量还还要要大大几几亿亿倍倍。。现在在公公认认脉脉冲冲是是一一种种““灯灯塔塔””发发出出的的，，““灯灯塔塔””是是快快速速旋旋转转的的中中子子星星，，自自转转一一周周仅仅需需要要1秒左右。。只有中中子星才才能承受受这样的的高速旋旋转，因因为中子子星的密密度达到到1亿吨/厘米3。许多学者者认为中中子星是是超新星星爆发的的产物。。由于爆爆炸后核核心的急急剧收缩缩，星体体内部的的巨大压压力把电电子挤入入原子核核内与质质子结合合，形成成高密度度的中子子物质，，成为中中子星。。中子星发发出的射射线二、中子子星很多恒星星具有靠靠得很近近的伴星星。当这这样一对对恒星中中的一员员变成一一颗超新新星，爆爆发后留留下一颗颗中子星星时，其其伴星的的演化往往往会因因此而大大大加快快。由于于中子星星对伴星星的引力力作用很很强，所所以该伴伴星可能能会从它它的大气气倾泻出出可观的的质量，，而以致致密气体体云的形形式包围围那颗中中子星。。致密气气体会扑扑灭脉冲冲星发出出的射电电发射。。但随着着气体在在中子星星周围的的强引力力场中被被吸积和和加热，，又会产产生很强强的X射线发射射。这也也给科学学家提供供了一种种观测中中子星存存在的可可靠方法法。星团原子弹之之父奥本本海默的的研究表表明，若若恒星爆爆发后剩剩余的质质量大于于3M⊙，则中子子星简并并压力无无法阻止止引力坍坍缩的进进一步进进行。为为纪念奥奥本海默默的这一一发现，，后人把把M=3M⊙称为奥本本·海默极限限。中子星依依靠中子子简并压压力来阻阻止强大大引力造造成的进进一步坍坍缩。与与白矮星星类似，，中子星星也有一一个质量量范围。。1974年美国天天文学家家泰勒和和他的研研究生赫赫尔斯利利用射电电望远镜镜发现了了脉冲双双星PSR1913+16。他俩而后后对PSR1913+16进行了多多年的追追踪观测测，出现现其轨道道周期每每年减小小76微秒。这这一结果果表明双双星系统统的能量量在慢慢慢损失。。理论研研究表明明，只有有引力波波辐射才才能将系系统的能能量慢慢慢带走，，使整个个双星系系统的能能量绕转转周期越越来越短短，两子子星距离离越来越越近。三脉脉冲双星星和引力力波探测测到2005年底已发发现脉冲冲双星约约100个,大多数是是一颗中中子星和和一颗白白矮星的的组合,两颗都是是中子星星的仅有有6对。独特脉冲冲双星七、星际际有机分分子的发发现星际分子子：1963年，美国国科学家家发现星星际羟基基分子（（OH），此后后，陆续续发现大大量星际际有机分分子。到到90年代末，，已发现现了120多种，而而且许多多都是很很复杂的的有机分分子，少数分子子是地球球上很难难找到的或或者根本本找不到到的。星际分子子的发现现有助于于人类对星星云特性性的深入入了解，可可以帮助助揭开生生命起源的奥奥秘。星际分子子C2S是在金牛牛座黑暗星云云新证据表表明生命命或许起起源于太太空据9月29日（北京京时间））每日科科学报道道，来自自马克斯斯·普朗克射射电天文文学研究究所的阿阿纳德·贝克彻、、卡尔·曼顿，与与来自康康奈尔大大学的霍霍尔格·米勒/穆勒加罗罗德合作作，针对对人马座座B2区域进行行全光谱谱测量，，搜寻空空间中可可能存在在的全新新有机分分子，终终于在临临近银河河系中心心的人马马座B2产星区捕捕捉到了了由异丁丁腈（isopropylcyanide）发射出出的电波波。八、黑洞与白白洞一、引力力坍缩与与黑洞逃逸速度度：物体体要摆脱脱天体的的引力必必须具有有的速度度令V为光速c，则可得得引力半径径：Rg＝2GM/c²，G为万有引引力常数数M为天体质质量R为天体的的半径引力半径径的物理理意义是是：如果果某天体体的半径径R小于其对对应的Rg，则此天体体发出的的光也逃逃不出去去。该天天体形象象称为黑洞(blackholl)注意：将R=Rg对应的球球面，称称为黑洞洞的视界界。黑洞洞的视界界并不是是物质面面，它的的物理意意义是指指外部观观测（R﹥Rg）不可能知知道其内内部（R﹤Rg）的任何信信息。计算表明明，当恒恒星的质质量超过过3倍M⊙，中子兼兼并压力力不能抵抵抗自身身的巨大大引力，，星体将将会自动动继续塌塌缩下去去，最后后形成黑黑洞。最大最古老老的黑洞仙女座中心心存在着10个新的准黑黑洞黑洞撕裂恒恒星黑洞拉伸、、撕裂并吞吞噬一小部部分恒星，，最终将恒恒星大部分分质量抛向向宇宙空间间巨型黑洞撕撕裂恒星奇奇观围绕着中等等黑洞旋转转的星群黑洞有一个个特别的行行为，就是是当两个黑黑洞相撞而而合二为一一时，还会会释放出巨巨大的能量量。合成后后的黑洞还还可以再合合并，再释释放能量。。但是，著名名的黑洞理理论家霍金金证明，黑黑洞一分为为二是办不不到的。黑洞的““合二为一一”与“一一分为二””霍金在研究究量子力学学对黑洞附附近物质的的行为的影影响时，发发现黑洞似似乎总以稳稳定的速度度发射粒子子，而且发发射的粒子子具有热辐辐射的性质质。黑洞的辐射射看起来好好象是一个个普通的热热物体在辐辐射，所以以黑洞并非非绝对的黑黑，它有一一个温度。。当然，这种种量子效应应只在微观观领域才能能表现出来来。对于通通常的黑洞洞，这种热热辐射是可可以忽略的的。黑洞不“黑黑”高速运行的的黑洞天鹅座X-1的特征根据观测资资料，天鹅鹅座X-1成了黑洞最最有希望的的候选者，，它的质量量约为8个太阳质量量。光学学望远镜在在天鹅座X-1方向上观测测到一颗亮亮度为9等的双星，，有人估计，，在过去100亿年中银河河系中平均均每100年有一颗超超新星爆发发，而每100颗超新星中中一颗会导导致黑洞形形成，如果果这个估计计是正确的的，则银河河系里应该该有数百万万个由恒星星坍缩而成成的黑洞，，而我们根根据X射线双星系系统来确定定的黑洞或或黑洞候选选者仅仅数数十个，问问题出在哪哪里呢？黑洞研究的的最新成果果白洞和虫眼眼按照宇宙通通常存在的的对称性，，应该有与与黑洞相对对应的天体体存在，也也就是恒星星坍缩的逆逆过程，这这就是宇宙宙物质的““火山口””，大量物物质和能量量从那里涌涌出来，这这样的天体体称为白洞洞。黑洞和白洞洞的通道为为虫眼。物质一旦在在虫眼的另另一端出现现，它就再再次突然膨膨胀成了普普通的物质质。膨胀时时，它发出出炽烈的辐辐射能，而而这种能量量原先是陷陷在黑洞里里的。也就就是说，我我们眼前出出现了一个个白洞。有些学者认认为类星体