自然发展史第3章

第三章天体的来龙去脉

什么是“天体”?简言之，“日月星辰的总称”（《辞海（缩印本）》），或“宇宙间各种星体的通称”.

除了星体等密集状的天体外,宇宙中还存在着松散状和连续状的天体形态。

在所有的自然天体中，最普遍且最重要的天体形态即为恒星。

第一节恒星的起源和演化

1、概说（1）定义――“由炽热气体组成的，能自己发光的球状或类球状天体”。换言之，恒星的本质特征即为“气体、球形、炽热、发光”四大特征。（2）一般特点——①体积大；②质量大；③数量多；④距离远；

⑤“恒”定不动（3）光谱型根据哈佛分类系统，共把恒星光谱分为七种类型：O→蓝色；B→蓝白色；A→白色；F→黄白色；G→黄色；K→橙色；M→红色

.（4）亮度和光度亮度即天体的明亮程度；光度则是处于同一距离上的天体的亮度。

2、恒星起源和演化的物质来源和动力来源（1）物质来源――弥漫星云

星云是由气体（99%）和尘埃（1%）物质组成的云雾状天体，其基本特点是：①体积巨大（直径几十～几百光年），广袤稀薄而无定形；②质量巨大（几十～1万个太阳质量）；③温度极低（一般都﹤100K，有的中性氢云可达到10K左右，即摄氏－263；④密度极小（平均10～100个氢原子/立方厘米）。

（2）动力来源——恒星内部物质之间吸引与排斥的矛盾运动在恒星的一生中，其引力方面自始至终都表现为恒星内部各质点之间在万有引力作用下的“自吸引”；而斥力方面则有三种主要表现形式：①由气体分子热运动所造成的“气体压力”；②由自转引起的“惯性离心力”；③恒星自内向外不断发射光子而产生的“辐射压力”。（3）产能机制――热核反应产生的巨大核能

3、研究恒星起源和演化的主要方法和手段（1）研究方法――历史比较法，类似于生物学的研究方法。

例：古希腊神话中的“司芬克斯之迷”

（2）研究手段：赫茨普龙—罗素图，简称为“赫罗图”。即“光谱—光度图”

4、恒星起源和演化的主要阶段

（1）快引力收缩阶段——即从弥漫星云演化为原恒星的阶段，引力>>斥力，是恒星的“胚胎期”（2）慢引力收缩阶段——即从原恒星演化为主序星的阶段，引力>斥力，是恒星的“少年期”当原恒星中心温度达到700万度时，由四个氢原子核聚变为一个氦核的热核反应开始点火，（氢氦聚变，又称为氢燃烧）一个氢核质量为1.00782原子单位；4H=4.0313原子单位；而一个氦核为4.0015原子质量的单位。4H→1He将出现0.098原子单位的质量亏损，根据E=MC2公式，将释放巨大的能量。（3）主序星阶段——引力～斥力，成年期（4）红巨星阶段——先引力<斥力，后引力>斥力，更年期（衰亡期）氦核→（1亿度）碳核→（3亿度）氧核→（10亿度）氖核→（30亿度）硅核→…………铁族元素→快速坍缩→大爆炸（5）致密星阶段――衰亡期根据残核的质量大小，致密星可以分为三种类型：当残核质量<1.2太阳质量，为白矮星

当1.2太阳质量≥残核质量≤3.0太阳质量，为中子星当残核质量>3.0太阳质量，为黑洞第二节、星系的起源和演化1、定义星系——宇宙中最普遍的天体系统。2、分类与特征

椭圆星系E——大都是巨星系

漩涡星系S

棒旋星系SB

不规则星系Ir——大都是矮星系3、星系的起源有两种关于星系起源的假说：弥漫说和超密说。4、星系的演化

主要有三种观点，尚无定论：（1）星系的演化序列从Ir→SB和S→E

（2）星系的演化序列从E→S和SB→Ir可以根据漩涡星系旋臂的展开与闭合的趋势，来判断星系演化的序列（展开趋势即：从E→Ir，闭合趋势即：Ir→E）（3）星系分类序列不是演化序列。

第三节宇宙的结构和演化1、宇宙的定义

《墨经.经上》：“宇，弥异所也,”“久（宙），弥异时也。”举例为“东西、南北、高下；古今、旦暮。”战国时期的尸佼：“四方上下曰宇，往古来今曰宙”。现代宇宙概念：“广漠空间和其中存在的各种天体以及弥漫物质的总称”（《中国大百科全书（天文学）》；或：“天地万物的总称”（《辞海（缩印本）》）2、宇宙概念的动态发展（1）古代中国——即“天地”概念：盖天说（天圆地方，天上地下，同等大小）→浑天说（天圆地圆，天外地内，天大地小）→宣夜说（天地无限）；（2）古希腊罗马——托勒密地心说：地月系概念的确立。（3）近代初期——哥白尼日心说：太阳系概念的确立。（4）近代中期——威廉.赫歇尔根据自制的天文望远镜对星空计数的结果,画出了第一张银河系结构图。（5）（5）近代后期——从1750～1924年通过对星云的观测及其性质的争论，“岛宇宙”概念的确立。（6）现代——“总星系”概念的确立。3、宇宙模型宇宙模型主要解决三方面问题：硕大时空尺度上天体系统的结构特征、运动形态和演化方式。（1）牛顿的静止、平坦、均匀、无限的宇宙模型（2）沙立叶的等级式宇宙模型（3）爱因斯坦的静止、均匀、弯曲、有限无界的相对论宇宙模型（“根据广义相对论对宇宙学所作的考查”

1917）

“宇宙学原理”：在硕大时空尺度上，宇宙中的物质分布是“均匀的和各向同性的”。（4）其他几种相对论宇宙模型。如稳恒态宇宙模型、暴胀宇宙模型等。其中最有影响的即伽莫夫等人提出的

“热大爆炸宇宙模型”，后被称之为“标准宇宙模型”。

4、河外星系的谱线红移和微波背景辐射（1）河外星系谱线红移现象。“多普勒效应”

“哈勃定律”：CZ=Hd

（2）3K微波背景辐射现象（1965年彭齐亚斯和威尔逊）在装置卫星通讯用的角状天线时，发现不管天线朝向哪一天区，总有原因不明的“噪声”的干扰，后才知道这是来自宇宙深处的背景辐射。其特点：一是微波（λ～7.35厘米），二是高度的均匀和各向同性；三是黑体辐射；四是温度极低，仅约3K（2.7K）。5、宇宙的演化根据美天体物理学家、诺贝尔奖获得者温伯格1977年出版的《最初三分钟》一书，以及继爱因斯坦之后现代最伟大的天体物理学家、英国的史蒂芬.霍金1988年出版的《时间简史》（湖南科技出版社1994）、《霍金的宇宙》（海南出版社2000）、《果壳中的宇宙》（湖南科技出版社2002），澳大利亚的戴维斯的《宇宙的最后三分钟》（上海科技出版社1995），可将宇宙的演化史分为三个阶段：（1）极早期（10-36秒－1分钟）——原始宇宙起源于150亿～200亿年前（现最新说法是137亿年前）。当时宇宙的温度极高（﹥1000亿度），密度极大（原子核密度），为一奇点，象一团“火球”，故称为“原始火球”，其理化性质不能用现代任何一种科学理论加以解释说明。它爆炸后迅速膨胀，温度骤降，产生质子、中子、电子、光子、中微子等一系列基本粒子及反粒子形态的物质，它们之间达到热平衡的浑沌状态。这个时期为黑体辐射，没有任何天体和星系，也没有除氢之外的其他元素。整个阶段不超过一分钟。这时物质都以基本粒子和辐射态存在着，四种基本作用力耦合，世界高度无序，粒子无规则碰撞，熵值很大。（2）早期（1分钟－1000年）——当极早期宇宙温度降至10亿度时，中子开始失去自由存在的条件，它要么发生衰变，要么与质子结合成重氢、氦等轻元素；当宇宙温度降至100万度时，早期宇宙生成各种化学元素特别是氢、氦等轻元素的过程基本结束。整个阶段大约经历3分钟的时间，氦丰度在此阶段形成。这时质子、电子和一些较轻的原子为宇宙的主要成分，光辐射依然占主导地位，星体还未出现。大约经过了1000年后，温度↘几千度时，辐射减退，退居次要地位，该阶段也就随之结束了。

（3）天体和天体系统的起源和演化期（1000年至今）——热辐射退居第二位，宇宙间主要是生成的弥漫气体物质。由于引力不稳定，某些弥漫气体开始凝聚为气体星云，经过进一步收缩便形成星系和恒星，成为我们今天所看到的宇宙。6、宇宙未来演化的趋势根据宇宙演化晚期质量大小与引力强度的相互关系，宇宙晚期的演化具有三种可能性：（1）宇宙实际质量密度小于＞临界质量密度时，宇宙将最终结束膨胀，重新收缩。宇宙的空间曲率为正曲率（K=﹢1，黎曼空间），表现为闭合、有限宇宙；（2）宇宙实际质量密度＝临界质量密度时，宇宙将最终既不膨胀，也不收缩，处于动态平衡状态。宇宙的空间曲率为零曲率（K=0，欧氏空间），表现为平直开放、无限宇宙；（3）宇宙实际质量密度＜临界质量密度时，宇宙最终将永远膨胀下去。宇宙的空间曲率为负曲率（K=﹣1，罗氏空间），表现为双曲型开放、无限宇宙。7、宇宙学研究的主要难点（1）