第二十章天体和宇宙1

引言:宇宙是什么?第二十章天体和宇宙

Aristotle:geocentric亚利士多德地心说地球是球形的,其他星体围绕其作圆周运动Ptolemy(50~170A.D.):geocentric托勒密托勒密提出了运行轨道的概念,发明了本轮均轮模型,且运用数学计算行星的运动。随着对于行星运动观测资料的增多，本轮增加到了八十多个。Copernicus(1473-1543):heliocentriccosmology哥白尼日心说太阳是行星系统的中心,一切行星都绕太阳旋转。地球也是一颗行星，有自转也有公转。

历史上重要的科学巨人KeplerGalileoNewtonEinstein

我们在宇宙中的位置地球是太阳系九大行星之一太阳是银河系一颗普通恒星银河系是本星系团（LocalGroup）重要成员之一本星系团处于室女星系团(VirgoCluster)外围我们处于宇宙中极其普通的位置!人类的伟大在于她的智慧。迄今为止，人类对于浩大勃深的宇宙具有了极其深入的理解。

宇宙学原理

宇宙在大尺度上是均匀及各向同性的，没有任何一个观测者在宇宙中占有特殊的位置（空间）将宇宙学原理扩展到时间维，则为静态宇宙理论：没有一个时间是特殊的

CosmologicalPrinciple:Theuniverseasawholeisisotropicandhomogeneous,andnoobserveroccupiesapreferredpositionintheuniverse*perfectcosmologicalprinciple:inspaceand

intime------>SteadyStateTheory膨胀的宇宙宇宙学原理告诉我们宇宙的几何可以表示为（四维时空）

R(t):宇宙尺度因子

k:宇宙曲率

k=0k=1k=-1宇宙学的理论基础为爱因斯坦的广义相对论。宇宙中的物质组成决定了宇宙的几何及随时间的演化。爱因斯坦：静态宇宙---宇宙学常数宇宙的膨胀Hubble（哈勃）

哈勃发现星系退行速度与其距离成正比H0:哈勃常数哈勃的估算为:这里宇宙年龄可以估算为将哈勃得到的数值带入这一年龄小于测量的天体的年龄SteadyStateTheory(稳态宇宙）宇宙膨胀，物质不断产生，使得宇宙在任何时间呈现出相同的状态*需要一个大能源*很难解释宇宙微波背景辐射

Gamow热大爆炸理论（1948）元素合成发生于大爆炸后几分钟之内DickeandPeebles:宇宙微波背景辐射的存在重要里程碑：（1）1929哈勃等：发现宇宙膨胀（2）1965Penzias&Wilson:发现微波背景辐射（3）宇宙中氢、氦丰度

宇宙演化热历史

宇宙学现状

宇宙学从早期的哲学、宗教探索已经发展成为一门可以被检验的科学。宇宙学感兴趣的空间尺度从极小（10-33cm)

到极大（1028cm)，相应的能量范围为

(1019GeV–1meV).随着观测技术的发展，对宇宙的科学认识程度远远超出了一般人的想象。（1）宇宙的整体性质物质组成暗能量：~70%非重子暗物质：~26%重子物质：~4%其中可见物质~0.5%辐射：~0.005%宇宙在膨胀，且其膨胀速度越来越快，即宇宙今天在加速膨胀！(2)宇宙中的各种结构，如星系、星系团等是从宇宙早期微小不均匀性通过引力不稳定性发展演化而来。

科学挑战暗能量的本质暗物质的发现星系形成的物理过程冷暗物质的小尺度问题第一代结构形成超大质量黑洞与星系形成的物理。。。。。。

2006年诺贝尔物理学奖微波背景辐射和热大爆炸宇宙学MicrowavebackgroundRadiation2006年物理学诺贝尔奖两位诺贝尔奖获得者：1.JohnMather,SeniorastrophysicistatNASA’sGoddardSpaceFlightCenter2.GeorgeSmoot,ProfessorofPhysicsatUniversityofCalifornia,Berkeley2006年物理学诺贝尔奖是关于：NobelprizeforBigBangresearchJ.MatehrandG.SmootJ.Matheretal.,1990,Astrophys.J(Letter)354,37;G.Smootetal.,1992,Astrophys.J(Letter)396,1宇宙论：从宏观到精密——2006年诺贝尔物理学奖2006年10月3日，瑞典皇家科学院宣布，将本年度诺贝尔物理学奖授予美国宇航局哥达德空间飞行中心的约翰·马瑟和加州大学伯克利分校的乔治·斯穆特，以表彰他们发现了宇宙微波背景辐射的黑体谱形状及其温度在不同方向上的微小变化。他们利用COBE（宇宙微波背景探索者）卫星进行的非常细致的观测，被誉为现代宇宙论发展成一门精密科学的起点。

首次发现宇宙微波背景辐射是在1964年。美国贝尔电话实验室的两位科学家阿罗·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊为此获得1978年诺贝尔物理学奖。他们起初曾将这种辐射误为是自己的接收机上不相关的噪声(实际上,宇宙微波背景是每当我们的电视机正常传输中断时接受到的那种“雪花”噪声的一部分)。但是,早在1940年代，伽莫夫、阿尔弗和赫尔曼就做出了微波背景的理论预言，对后来关于宇宙起源的持续讨论作出了重要贡献。当时主要有两种宇宙学理论在互相竞争:或者宇宙在最初的大爆炸中诞生然后继续膨胀,或者它总是处于在一种稳恒状态。大爆炸图景实际上预言了微波背景辐射的存在,因此，彭齐亚斯和威尔逊的发现自然让那种理论格外令人可信。宇宙论基本概念

Themaincontents1。大爆炸宇宙学2。早期宇宙概况3。几个简单公式4。光子的退耦5。光子的背景辐射6。多极各向异性和星系形成条件7。宇宙中正反物质的不对称的形成8。暗物质与暗能量9。粒子物理，LHC与ILC10。展望热大爆炸宇宙学1。热大爆炸宇宙学宇宙介质可以看成由星系为“分子”所构成的“气体”，宇宙学原理认为宇宙介质在大尺度下是均匀的。Hubble膨胀哈伯发现星系对银河中心的退行速度与距离成正比Hubble定理1+z是红移，是光的Doppler效应，v是天体相对我们地球观测者的速度，Hubble观测到的公式仅是近似。但这个观测的意义是否定了静止宇宙的理论，指出宇宙在膨胀，从而导致了热大爆炸理论。宇宙学H是hubble常数牛顿认为成团爱因斯坦开始认为静止宇宙宇宙应起源于120－150亿年前，能量高度密集的小区域通过热大爆炸形成今天的观测宇宙。宇宙形成于热大爆炸2。早期宇宙概况（1）远古的宇宙中不可能有星系（2）星系是均匀宇宙气体碎裂的产物微小扰动会发展成局域结团（3）膨胀的宇宙来自大爆炸（密度，温度无限？）“BigBang”!（4）强子，质子，中子从夸克产生，是宇宙演化的产物，E＝200MeV(T=1012K)t=10-4s（5）化学元素也是演化的产物,E=1-10MeV(T=1010K)3-30min（6）原子和分子是宇宙演化中产生的,E＝13.6eV(T=104K)几个简单公式3。几个简单公式爱因斯坦广义相对论

空间,时间和物质,真空能的关系λ为宇宙常数RW度规几个简单公式起到斥力的作用，和普通物质的引力正好相反。在辐射为主的早期宇宙在物质为主的今天宇宙Decoupling4。光子的退耦原子的复合过程气体中的电子在与质子的热碰撞中会结合成氢原子，同时放出光子，这过程是可逆的。氢的结合能是13.6eV,要把氢电离，光子能量要大于它。只要高能光子足够多，反过程的发生率大于宇宙膨胀率，电离和复合达到统计平衡。Decoupling当温度下降后，(T=1eV),高能光子处于Planck分布的高频尾巴，能量超过13.6eV的光子只有10－4，但光子数比质子数多9个量级，因而一个氢核仍被105高能光子包围，不会出现中性氢。但温度出现在指数上，温度再下降不多，但氢核周围的高能光子迅速减少，在T＝1eV下复合过程变得重要。｀Planck分布Planck分布中的高能光子数Temperature今天的背景光子温度在复合时的红移,那时宇宙年龄大约为2X105年在这段时间内变化非常快DecouplingofPhoton等离子体气体中光子的退耦光子主要是和自由电子散射每个光子在单位时间内的碰撞次数是在复合开始后自由电子密度的骤然下降使光子碰撞频率下降,光子开始退耦.光子得完全退耦退耦的发生使碰撞率Γ与宇宙膨胀率H竞争的结果当复合率Xp=0.1(np/(np+nH))时Γ/H=15,90%原子已复合,但仍有足够的自由电子以维持光子的热平衡,退耦发生在复合之后当Xp=4X10-3时光子退耦,2.4X105年,从这时起光子成了无碰撞组分,它将在由中性原子组成的气体中飞行,当然它今天应当存在。黑体辐射黑体辐射光在黑体中多次散射，成热平衡状态。黑体辐射的光源是t=2.4X105年时星系为形成前中性原子气体由于这个最后散射面是均匀且等温，观测到的背景辐射应高度各向同性。由于光子从有频繁碰撞到失去碰撞的转化很快，从最后散射面放出的光子动量分布是Planck分布。我们看到的黑体辐射就是宇宙光子背景辐射。一个故事那么今天的Teff大约为2.3-2.7K发现和证实：Princeton大学的Dicke和Peebles认识到背景辐射对热大爆炸宇宙学的重要，准备寻找，Penzias和Wilson在调试频率为4080MHz的角形天线，在没有信号时测定了本底，拟合温度为T(θ)=(4.4+2.3secθ)K发现它是无法排除的来自远处的噪声。从而得到诺贝尔奖。但它仅是一个频率上的，由于实验很困难，大气影响很难排除，不能在地球上完成新的Nobel奖这是COBE测量的最后结果。在星系形成后的宇宙中，不同部分有了不同温度，宇宙介质已没有了统一的热平衡。例如太阳的热辐射谱合黑体辐射谱相差很大。只有在早期，宇宙才能是整体达到高度热平衡的系统。背景辐射谱与黑体辐射谱的高度一致指出它是来自早期宇宙，支持了热大爆炸理论。星体起源COBE的另一个结果多极各向异性（偶极各向异性主要是由于银河系运动产生的红移改变）预示宇宙介质不能完全均匀。早期宇宙各处温度和密度有微小起伏，它是后来结构形成的种子。正是因为这种小起伏，由引力构成今天的星体。Nobel奖的工作然而从1977年起的十年中，分析四极各向异性的强度，受到精度限制得到零的结果。到80年代末，这上限异缩小到如果测量精度再高一个数量级后仍然得到零结果，那么这样过小的密度起伏奖来不及再今天形成星系，也就没有我们了。COBE使用仪器DMR在1992年测到了微波背景温度的四极各向异性为完全支持了热大爆炸宇宙学理论。宇宙中元素大爆炸核合成BBN这是一个比较复杂的核反应链但大爆炸理论预言中子数与质子数之比为1：7，这个比例是由于中子与质子的质量差为1.29MeV，转化停止的冻结温度为0.8MeV。这结果意味今天He丰度为质子的1/4。测量之为大约0.23-0.25。正反物质不对称性7。宇宙中正反物质的不对称性观测宇宙中只有质子，中子和带负电的电子，而不存在它们的反粒子。从热大爆炸理论它们应该存在。Sakharov提出三个必须的条件1存在破坏重子数（轻子数)守恒的相互作用2CP破坏3宇宙对热平衡的偏离（至少在演化某一阶段）AMS计划但也存在其他可能性，反物质存在于我们广阔宇宙的另一部分，它是和我们居住的部分完全分开的。那么就有可能一些暗物质颗粒会脱离它们的世界而飞到我们这儿来。我们的任务是找到它们。AMS计划AlphaMagneticSpectrometer(AMS)由丁肇中领导的庞大的计划在太空中寻找反物质流。宇宙学的困难8。暗物质与暗能量宇宙中可观测的发光物质，或重子物质只占宇宙总能量的5％以下，暗物质（冷暗物质）占23％，70％以上是所谓的暗能量。暗物质是什么？历史上开始认为是中微子（热暗物质），现在认为最可能是超对称粒子neutralino，或axion,axionino等。如何在地球上的探测器上检验暗物质流？宇宙学的困难方法是让暗物质粒子与探测器中质子或电子碰撞，我们测量带电的质子或电子的反冲轨道。测量是非常困难的。1972年我国云南高山宇宙线观测站看到的一个特别事例。宇宙学的困难暗能量更是一个非常难以理解的问题新的观测结果指出宇宙在加速膨胀！那么必须存在相当于斥力的作用，从前面公式可以看出，宇宙常数和真空能都可以起到斥力作用。但这有带来新的问题，(hierarchyproblem)。是否应该有人择原理？新的探讨,quintessense,quintessensino,phantom,varying-massneutrinos等等哲学，物理学图：大蛇图宇宙涉及是非常大的尺度，非常高的能量，非常长的时间，是超出宏观的宇观物理粒子物理研究的是非常小的尺度，非常高的能量（相对而言），非常短的时间，是微观物理。但它们却是紧密相关的。因而我们有可能在地球的探测器上对宇宙学进行研究。粒子物理宇宙学LHC，ILC和RHICLHC，14TeV,2007年开始运行，寻找Higgs，超对称粒子，等新物理的信号ILC，1－2TeV，？，精确研究新物理的性质，探索更新的物理世界RHIC，寻找夸克－胶子等离子体，模拟早期宇宙(Littlebang)为进一步检验理论，提出新的物理思想奠定实验基础粒子物理宇宙学10。展望热大爆炸宇宙学取得了巨大成功，得到了天文学观测的支持，今天没有人怀疑这个理论的正确性还有许多未解决的问题，宇宙早期的Inflation阶段，暗物质，暗能量，正反物质的不对称等留给21世纪年轻学者去探索和解决！§20-1宇宙中的天体天体的距离单位▲

1天文单位(AU)=太阳到地球的平均距离

1.5108公里（1.5亿公里）▲

1光年(ly)

0.951013公里

光在1年里走过的路程

▲

1秒差距(pc)

31013公里 1秒差距3.26光年~20万天文单位 1千秒差距 =103秒差距(星系尺度) 1兆秒差距 =106秒差距(宇宙尺度)天体距离的测定方法1)几何方法：在地球公转不同位置处观测同一天体在天球上的坐标,经过计算得出视差π，也就得到距离D。D=206,265a.u./π"（适用于银河系内）2)光度方法：设天体光度为L，亮度为B，则有B∝L·D－2B是可观测量，如果能设法求到光度L，则可由上式求得距离D，称为光度距离。用造父变星做标准烛光（适合近星系）用Ia型超新星作标准烛光（较远的星系）一、恒星由于恒星距离我们十分遥远，在地球上看来，恒星间的相对位置似乎是恒定不变的，因此古人把它们叫做恒星．恒星由炽热气体组成的,能自己发光的球状或类球状天体.离地球最近的恒星是太阳。其次是处于半人马座的比邻星，它发出的光到达地球需要4.22年。恒星都是气体星球。晴朗无月的夜晚，且无光污染的地区，一般人用肉眼大约可以看到6000多颗恒星。借助于望远镜，则可以看到几十万乃至几百万颗以上。估计银河系中的恒星大约有一、二千亿颗。恒星并非不动，只是因为离开我们实在太远，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。恒星也有自己的生命史，它们从诞生、成长到衰老，最终走向死亡。它们大小不同，色彩各异，演化的历程也不尽相同。恒星与生命的联系不仅表现在它提供了光和热。实际上构成行星和生命物质的重原子就是在某些恒星生命结束时发生的爆发过程中创造出来的。

距离

恒星的亮度相差很大，这里面固然有恒星本身发光强弱的原因，但是离开我们距离的远近也起着显著的作用。测定恒星距离最基本的方法是三角视差法，此法主要用于测量较近的恒星距离，过程如下，先测得地球轨道半长径在恒星处的张角(叫作周年视差)，再经过简单的运算，即可求出恒星的距离。这是测定距离最直接的方法。在十六世纪哥白尼公布了他的日心说以后，许多天文学家试图测定恒星的距离，但都由于它们的数值很小以及当时的观测精度不高而没有成功。直到十九世纪三十年代后半期，才取得成功。然而对大多数恒星说来，这个张角太小，无法测准。所以测定恒星距离常使用一些间接的方法，如分光视差法、星团视差法、统计视差法以及由造父变星的周光关系确定视差，等等。这些间接的方法都是以三角视差法为基础的。化学组成与在地面实验室进行光谱分析一样，我们对恒星的光谱也可以进行分析，借以确定恒星大气中形成各种谱线的元素的含量，当然情况要比地面上一般光谱分析复杂得多。多年来的实测结果表明，正常恒星大气的化学组成与太阳大气差不多。按质量计算，氢最多,氦次之,其余按含量依次大致是氧、碳、氮、氖、硅、镁、铁、硫等。但也有一部分恒星大气的化学组成与太阳大气不同，例如沃尔夫－拉叶星，就有含碳丰富和含氮丰富之分（即有碳序和氮序之分）在金属线星和A型特殊星中，若干金属元素和超铀元素的谱线显得特别强。但是，这能否归结为某些元素含量较多，还是一个问题。

理论分析表明，在演化过程中，恒星内部的化学组成会随着热核反应过程的改变而逐渐改变，重元素的含量会越来越多，然而恒星大气中的化学组成一般却是变化较小的。物理特性的变化观测发现，有些恒星的光度、光谱和磁场等物理特性都随时间的推移发生周期的、半规则的或无规则的变化。这种恒星叫作变星。变星分为两大类：一类是由于几个天体间的几何位置发生变化或恒星自身的几何形状特殊等原因而造成的几何变星；一类是由于恒星自身内部的物理过程而造成的物理变星。

爆发变星按爆发规模可分为超新星、新星、矮新星、类新星和耀星等几类。超新星的亮度会在很短期间内增大数亿倍，然后在数月到一、二年内变得非常暗弱。目前多数人认为这是恒星演化到晚期的现象。超新星的外部壳层以每秒钟数千乃至上万公里的速度向外膨胀，形成一个逐渐扩大而稀薄的星云；内部则因极度压缩而形成密度非常大的中子星之类的天体。最著名的银河超新星是中国宋代（公元1054年）在金牛座发现的“天关客星”。现在可在该处看到著名的蟹状星云，其中心有一颗周期约33毫秒的脉冲星。一般认为，脉冲星就是快速自转的中子星。

一般认为太阳系是由一团星云在距今约四十六亿年前由于自身引力的作用逐渐凝聚而成的，它是一个在很大范围内由多个天体按一定规律排列组成的天体系统。这个太阳王国的成员包括一颗恒星、九大行星、至少六十三颗卫星、约一百万颗小行星和无数的彗星等。二、太阳系

太阳是距离地球最近的一颗恒星，也是太阳系的中心天体质量占整个太阳系的99.86%。太阳的年龄有五十亿年，正处在它一生中的中年时期。太阳与地球之间的平均距离约为1.5亿千米（天文学上称之为一个天文单位）。太阳直接为地表提供光能和热能，维持地表温度，为生物繁衍生长、大气和水体运动等提供能量。太阳结构图

太阳系

水星距太阳五千八百万公里，是太阳系中和太阳最近的行星。水星没有卫星，它的体积在太阳系中列倒数第二位，仅比冥王星大。因为水星与太阳非常接近，所以它的白昼地表温度可高达摄氏四百二十七度；而到晚上又骤降至摄氏零下一百七十三度。水星——Mercury金星表面覆盖着主要由硫酸雾组成的浓密云层，地表温度达四百多度，比水星还要热。在英语中，金星——“维纳斯”是古罗马的女神，像征着爱情与美丽。金星——Venus地球上存在着生命，这使地球得以区别其他行星而成为太阳系中一个最特殊的天体。地球——Earth火星是地球的近邻。它与地球有许多相同的特征，它是目前所知地球外最有可能存在生命的地方。它们都有卫星，都有移动的沙丘、大风扬起的沙尘暴，南北两极都有白色的冰冠，只不过火星的冰冠是由干冰组成的。火星——Mars木星是太阳系中最大的行星，它的体积超过地球的一千倍，质量超过太阳系中其他八颗行星质量的总和。与其他巨行星一样，木星没有固态的表面，而是覆盖着966公里厚的云层。通过望远镜观测，这些云层就象是木星上的一条条绚丽的彩带。木星——Jupiter在许多方面和木星十分相像的土星最突出的特征是环绕其赤道壮观的光环系统土星——Satum很久以前遭受的一次猛烈天体撞击使天王星这个太阳系中第三大的行星只能躺着旋转。天王星——Uranus海王星的世界是一个惊心动魄的世界，它是太阳系中大气活动最为剧烈的一个行星。海王星——Neptune冥王星是太阳系中最小、离太阳最远的一颗行星。它究竟是否真正的行星目前还有争议。冥王星——Pluto行星与太阳平均距离（10亿m）赤道半径（一千m）公转周期自转周期质量（地球为1）表面平均温度（°C）卫星数有无光环水星５７.9244087.9day58.6day0.05白天350夜晚-1700－金星108.26050224.7day243day0.82-33(云)480(固体表面)0－地球149.663781y23h56’1.00221－火星227.933951.9y24h37’0.11-232－木星778.07140011.8y9h50’317.94-150(云)16有土星1427.06000029.5y10h14’95.18-180(云)21-23有天王星2870.02590084.0y16h14.63-210(云)15有海王星4496.024750164.8y18h17.22-220(云)8有冥王星5946.01350247.9y153h0.0024－230(?)1－彗星：俗称扫把星，是一种质量很小，有特殊形状和轨道的天体。彗星由彗核，彗发和彗尾组成海尔·波普彗星太阳系图片

三、星际物质

星际物质

是指星际空间存在的各种微小的星际尘埃，稀薄的星际气体，宇宙线，天体发射的各种电磁波，各种各样的粒子流等。星际物质的总质量约可占银河系总质量的10%，平均密度为每立方厘米只有1个氢原子。温度可从几K到几千万K。星际物质在银河系内分布是不均匀的。当星际气体和尘埃的质点，在每立方厘米内聚集到10--1000个时，就成为星际云。现在一般认为，恒星早期是由星际物质聚集而成，而恒星又以爆发、抛射和流失等方式，把物质送回到星际空间。所谓宇宙射线，指的是来自于宇宙中的一种具有相当大能量的带电粒子流。1912年，德国科学家韦克多·汉斯带着电离室在乘气球升空测定空气电离度的实验中，发现电离室内的电流随海拔升高而变大，从而认定电流是来自地球以外的一种穿透性极强的射线所产生的，于是有人为之取名为“宇宙射线”。出于对宇宙射线研究的重视，世界各国纷纷投入资金与设备对其展开研究。前苏联、日本、中国、美国、法国等国家相继建立了宇宙射线观测站。虽然宇宙射线的起源尚无定论，但科学家们仍然逐步了解了宇宙射线的种种特性，以及对地球和人类环境的影响。

我们知道，宇宙线主要是由质子、氦核、铁核等裸原子核组成的高能粒子流；也含有中性的珈玛射线和能穿过地球的中微子流。它们在星系际银河和太阳磁场中得到加速和调制，其中一些最终穿过大气层到达地球。人类对宇宙射线作微观世界的研究过程中采用的观测方式主要有三种，即：空间观测、地面观测、地下（或水下）观测。

有科学家认为，长期以来普遍受到国际社会关注的全球变暖问题很有可能也与宇宙射线有直接关系。这种观点认为，温室效应可能并非全球变暖的惟一罪魁祸首，宇宙射线有可能通过改变低层大气中形成云层的方式来促使地球变暖。这些科学家的研究认为，宇宙射线水平的变化可能是解释这一疑难问题的关键所在。他们指出，由于来自外层空间的高能粒子将原子中的电子轰击出来，形成的带电离子可以引起水滴的凝结，从而可增加云层的生长。也就是说，当宇宙射线较少时，意味着产生的云层就少，这样，太阳就可以直接加热地球表面。对过去20年太阳活动和它的放射性强度的观测数据支持这种新的观点，即太阳活动变得更剧烈时，低空云层的覆盖面就减少。这是因为从太阳射出的低能量带电粒子(即太阳风)可使宇宙射线偏转，随着太阳活动加剧，太阳风也增强，从而使到达地球的宇宙射线较少，因此形成的云层就少。此外，在高层空间，如果宇宙射线产生的带电粒子浓度很高，这些带电离子就有可能相互碰撞，从而重新结合成中性粒子。但在低空的带电离子，保持的时间相对较长，因此足以引起新的云层形成。

宇宙射线的研究已变成天体物理学的重要领域。尽管宇宙射线的起源至今未能确定，人们已普遍认为对宇宙射线的研究能获得宇宙绝大部分奇特环境中有关过程的大量信息：射电星系、类星体以及围绕中子星和黑洞由流入物质形成的沸腾转动的吸积盘的知识。我们对这些天体物理学客体的理解还很粗浅，当今宇宙射线研究的主要推动力是渴望了解大自然为什么在这些天体上能产生如此超常能量的粒子。

星际尘埃

是分散在星际气体中，直径为万分之一厘米的固态质点。其质量约占星际物质总量的10%，是一些象石墨粉末一样的碳粒。还有人认为,星际尘埃是由水、氢、甲烷等的冰状物，二氧化硅、硅酸镁、三氧化二铁等矿物,石墨晶粒以及上诉物质的混合物组成的。星际尘埃能散射星光，使星光减弱（称星际消光）.星际消光又随波长的增长而增长,星光的颜色也随之变红（称星际红化）.星际尘埃能阻挡星光的紫外辐射，不使星际分子离解。同时，星际尘埃又能起到加速星际分子形成的作用。

星际气体

是指星际空间中存在的气态原子、分子、电子、离子等。其元素丰度以氢最多，氦次之，其它元素含量很少。星际气体的分布并不是均匀的，而是形成一块一块的云团，而在云团之间或许还弥漫着更加稀薄的气体和尘埃，密度极低，甚至比发射星云的密度还低。太阳系行星际空间存在的磁场。系太阳风中的等离子体冻结于太阳磁场而形成的,其磁力线的一端在太阳上、另一端在太阳风等离子体之中。太阳自转导致磁力线呈螺状分布,在黄道面上则形成阿基米德螺线；均具扇形构造,且每一扇形内部磁场方向都一致指向或背离太阳,而两相邻扇形内磁场之极方向相反；磁场有年度变化及太阳周变化规律,太阳宁静时其强度约(5～10)×10-9特,当太阳激烈活动时则可达50×10-9特以上,显然与太阳活动密切相关。

四、星系和星系团宇宙中存在明显的等级式结构:恒星>星系>星系团>超星系团银河系是太阳所属的一个庞大的恒星集团，约包括1011颗恒星。这种恒星集团叫星系。许多恒星组成的巨大星系就是由大爆炸散发的物质构成的。宇宙是由上千万个星系构成的，星系间是无限的太空。有的星系甚至包括了1000亿颗恒星，每18天就会有一颗新恒星在银河中诞生。星系星系的空间分布不是无规的，它也有成团现象。上千个以上的星系构成的大集团叫星系团。大约只有10%星系属于这种大星系团。大部分星系只结成十几、几十或上百个成员的小团。可以肯定的是，星系团代表了宇宙结构中比星系更大的一个新层次。这层次的尺度大小为百万秒差距，平均质量是星系平均质量的100倍。星系团银河系本星系群（LocalGroup）银河系所属的数十个星系的集合，尺度约数百万光年星系团(ClusterofGalaxies)数十至数千个星系的集合，星系团的尺度约数千万光年：

室女座星系团超星系团:若干星系团的集合体星系分布的大尺度结构观测宇宙目前发现的最远天体：137亿光年

半径137亿光年室女座超星系团宇宙天体的空间尺度

地球107米太阳 109米太阳系（恒星） 1013米星系（银河系）1021米(十万光年)星系团 1023米(百万光年)超星系团 1025米(亿光年)大尺度结构大于3亿光年观测宇宙>1026米(百亿光年)精确测定宇宙的整体参数

H0 哈勃常数50-100km/s/Mpc？0 总密度 0.2-？宇宙学常数 0-？m物质密度0.2-？b重子密度0.04？到百分之几的精度理论物理中没有解决的问题：1）暗能量2）暗物质3）物质的起源（重子不对称的起源）4）真空的选择宇宙中的暗组分最近观测宇宙学资料，宇宙中暗能量占总能量的74％，暗物质占22％，物质仅占4％。

1）暗能量暗能量的发现：1998年，两个研究Ia型超新星小组宣布发现暗能量暗能量被认为是宇宙膨胀加速的原因。Ia型超新星就像路灯，它们看起来比过去的“标准宇宙学”预言的要更加远离我们：暗能量的存在也得到其他宇宙学观测实验的支持：微波背景辐射的功率谱星系团的功率谱弱引力透镜效应实验室的直接测量？？暗能量的性质？1）宇宙学常数（真空能）2）标量场的能量（quitessence,phantom,……）3）爱因斯坦广义相对论在大尺度上的修改4）密度不均匀性的结果5）……暗能量理论上的两个基本问题1）暗能量为什么这么小，因为真空零点能的贡献和场论的截断有关，最通常的估计是2）暗能量为什么不为零，而且和暗物质密度差不多（宇宙学巧合问题）。上百个机制被提了出来，但没有一个得到公认。暗能量问题基本上是一个量子引力的问题。目前存在的模型大致可以分为以下五类：（1）超对称/超引力，超弦理论。（2）人择原理(anthropicprinciple)。（3）调节机制。（4）改变爱因斯坦引力理论。（5）量子宇宙学。最近出现第六类理论，就是所谓的全息暗能量理论。‘tHooft2004年在北京说的话也许是有先见之明的，就是，我们拥有的是100wrongtheoriesaboutdarkenergy.我们研究暗能量正如盲人摸象

2）暗物质1933年，Zwicky就提出了暗物质的概念。1968年，Silk（Silkdamping,密度涨落消失）1974年起，更多的观测证据证据之一

证据之二弱引力透镜效应证据之三，Silkdamping.证据之四，宇宙微波背景辐射Boomerang+WMAP25%暗物质，5%重子暗物质的性质1）不发光2）今天还存在于星系和星系团中3）大爆炸发生后就存在，大于重子密度4）相互作用非常微弱

5）不破坏核合成暗物质到底是什么？1）不可见重子（有很多问题，不大可能）2）中微子，困难：不容易集团，质量需要大于20ev，Sterile中微子的可能性存在3）新粒子－处于平衡态的粒子：neutralinos,Kaluza-Klein,……－处于非平衡态的粒子：axions,gravitinos,……毫无疑问，要回答暗物质到底是什么的问题，我们不能仅仅依靠宇宙学观测。欧洲大型强子对撞机（LHC）很有可能发现暗物质粒子。

3）物质的起源宇宙中有大约4％的物质，但没有反物质。物质的起源和正反物质不对称有关。Sakhanov条件：重子产生的条件:重子数不对称CP破坏非平衡过程 G(DB>0)>G(DB<0)可能的物理质子衰变CP破坏老的大统一解释：大统一肯定破坏重子数守恒。大统一能标上的粒子X衰变新观察到的直接CP破坏过程ε’：大统一的解释存在磁单极问题。标准模型在标准模型中B不守恒，但B-L守恒。T>174GeV时，B和L被“清洗”。目前两个方向：1）弱电重子合成。2）“轻子合成”。1）弱电重子合成(Kuzmin,Rubakov,Shaposhnikov)－开始的时候，B=L=0－通过一级相变达到非平衡状态－产生不为零的B和L2）“轻子合成”(Fukugita,Yanagida)－从L不守恒的过程产生不为零的L－场论中的反常将不为零的L部分转换成不为零的B和谐模型（concordancemodel)74%暗能量4％重子物质22％暗物质

4）真空的选择真空的选择可以说是理论物理和宇宙学的终极问题，内涵包括：1）时空为什么是4维的？2）物理学常数为什么是这样的？－相互作用强度－粒子的质量3）宇宙学参数为什么是这样的？－为什么能量有三种组分？－为什么密度涨落是这么大?－为什么宇宙有这么大？例如超弦理论解释说，时空是10维的或者是11维的，之所以有宏观的4维时空，是因为……Landscape也就是说，基本理论中允许很多不同亚稳态真空存在，我们的宇宙不过是很多可能宇宙中的一种。Multiverse当然，大多数人不能接受landscape和multiverse这样的理论。一个正确的真空选择的解答需要更多的理论和实验方面的工作。前面三个问题可以看成真空选择问题的三个侧面。不能是弦论也好，还是其他什么基本理论也好，需要面对的是正面回答我们前面讨论的三个问题，以及给出一个合理的真空选择机制。Myreligionconsistsofahumbleadmirationoftheillimitablesuperiorspiritwhorevealshimselfintheslightdetailsweareabletoperceivewithourfrailandfeeblemind.－AlbertEinstein仰慕无边的造物主用具体细节揭示她的存在，而我们卑微的理解力可以理解这些具体而微细节，这就是我的宗教。－阿·爱因斯坦§20-2太阳和它的九大行星

太阳基本数据日地平均距离149，598，000千米半径696，000千米质量1.989×1033克平均密度1.409克/立方厘米有效温度5,770K自转会合周期26.9日(赤道);31.1日(极区)光谱型G2V目视星等-26.74等目视绝对星等4.83等表面重力加速度27,400厘米/平方秒表面逃逸速度617.7千米/秒中心温度约15,000,000K中心密度约160克/立方厘米年龄50亿年一、太阳的结构和活动太阳的结构太阳是太阳系的中心天体,是太阳系里唯一的一颗恒星,也是离地球最近的一颗恒星。太阳是一颗中等质量的充满活力的壮年星，它处于银河系内，位于距银心约10千秒差距的悬臂内，银道面以北约8秒差距处。太阳的直径为139.2万千米，是地球的109倍。太阳的体积为141亿亿立方千米，是地球的130万倍。太阳的质量近2000亿亿亿吨，是地球的33万倍，它集中了太阳系99.865%的质量，是个绝对至高无上的“国王”。太阳是个炽热的气体星球，没有固体的星体或核心。太阳从中心到边缘可分为核反应区、辐射区、对流区和大气层。太阳能量的99%是由中心的核反应区的热核反应产生的。太阳中心的密度和温度极高，它发生着由氢聚变为氦的热核反应，而该反应足以维持100亿年,因此太阳目前正处于中年期。太阳大气的主要成分是氢（质量约占71%）与氦（质量约占27%）。太阳内部结构示意图太阳能源从很远处看,太阳是一个黄色的矮星太阳中心区域内持续不断的热核燃烧。41H

4He由Einstein的质量-能量关系式E=Mc2ΔMc2={4M(1H)–M(4He)}c2

=26.73MeV同时释放26.73MeV的能量。(续)太阳内部每秒钟都有7,750万吨的氢在这种热核爆炸过程中转化为氦,正是由于这种热核燃烧维持着太阳巨大的光度。太阳内部这样规模的热核燃烧已经持续了45亿年。估计它还可以这样稳定地再燃烧50亿年左右。在恒星世界中太阳是一个普通的恒星。恒星内部热核燃烧与演化一颗恒星的演化史本质上就是它内部核心区域的热核(燃烧)演化史。大质量恒星演化进程将先后经历一系列热核燃烧阶段:H燃烧(稳定核燃烧,主序星):

核合成主要结果:41H

4He

1.PP反应链----Tc<1.6107K小质量恒星<1.1M⊙

对太阳(⊙),稳定燃烧100亿年

太阳内部主要热核反应—强大的中微子源pp链:氢(质子)合成氦(α粒子)—小质量(M<1.1M⊙)主序星的氢燃烧(pp-ν)99.75%0.25%14%86%0.15%99.85%太阳——强大的中微子源源反应

简称

中微子能量E(MeV)性质极大能量平均能量

中微子流量(理论预言)

(在地球处每秒穿过1米2

面积的太阳中微子数目)

1H+1H2D+e++e低能(pp)中微子

连续0.4200.2657Be+e-

7Li+e

中能(7Be)中微子

分立0.86(90%)0.38(10%)8B8Be+e++e

高能(8B)中微子

连续147.2

从太阳发射出来的中微子主要是低能中微子。中能中微子的流量只占低能中微子流量的1/20。高能中微子流量只有低能中微子流量的三十万分之一。中微子流量理论预言取自文献:J.Bahcall,ApJ,2001,555,990-1012。Davis中微子探测实验由于中微子能谱差异及某些技术原因，按照上述方法,Davis于1954年未能探测到太阳中微子流。早在中微子尚未被实验证实之前的1946年,意大利物理学家B.Pontecorvo就提出了利用一种“氯探测器”来探测太阳中微子的建议。1958-1968年间，在美国南达科他州Homestake这个地点的地下废矿井中,采用455m3的C2Cl4作为探测材料,Davis利用放射性化学方法建立了一个大型的中微子探测器—氯探测器。1968年公布了第一批探测结果:探测到的太阳中微子流量只有理论预言流量的1/3——轰动全世界。

正当Davis等人公布首批氯探测器探测结果的1968年，Pontecorvo也就提出了这３种味的中微子很有可能互相来回地转化，称为“中微子振荡”。在太阳内部的热核燃烧过程中产生的中微子都是νe。但在从太阳到地球的漫长行进过程中，νe不断地转化为νμ(很少一部分可能转化为ντ)，而νμ或者转化为原来的νe，或者转化为ντ，而ντ也不断转化为νμ(一小部分可能转化为νe)。在飞行过程中明显数量的νe转变为νμ的典型距离可能只有10m左右。从太阳内部热核反应产生的电子中微子在飞行目地空间距离（1.5×108

km）之后，当它们到达地球上的中微子探测器时，平均而言，大约这３味中微子的数量各占1/3。前面介绍的所有建立在放射性化学方法基础上的（氯、镓）中微子探测器探测的都仅仅只是νe，因而它们的实测流量当然只有太阳内部发出时的νe流量的1/3。太阳和地球一样，也有大气层。太阳大气层从内到外可分为光球、色球和日冕三层。光球层厚约5000千米，我们所见到太阳的可见光，几乎全是由光球发出的。光球表面有颗粒状结构----“米粒组织”。光球上亮的区域叫光斑，暗的黑斑叫太阳黑子，太阳黑子的活动具有平均11.2年的周期。从光球表面到2000千米高度为色球层，它得在日全食时或用色球望远镜才能观测到，在色球层有谱斑、暗条和日珥，还时常发生剧烈的耀斑活动。色球层之外为日冕层，它温度极高，延伸到数倍太阳半径处，用空间望远镜可观察到X射线耀斑。日冕上有冕洞，而冕洞是太阳风的风源。日冕也得在日全食时或用日冕仪才可观测到。当太阳上有强烈爆发时，太阳风携带着的强大等离子流可能到达地球极区。这时，在地球两极则可看见瑰丽无比的极光。太阳光球及其活动光球就是我们实际看到的太阳圆面，它有一个比较清楚的圆周界线。光球的表面是气态的，其平均密度只有水的几亿分之一。光球厚达500千米，极不透明。光球上密密麻麻地分布着极不稳定的斑斑点点，被称为“米粒组织”。米粒组织可能是光球下面气体对流产生的现象。另外，还有超米粒组织，其直径与寿命要大的多。在光球还分布着太阳黑子和光斑，偶尔还会出现白光耀斑。这些活动现象有着相差悬殊的亮度、物理状态和结构。太阳光球上的米粒组织所谓太阳黑子是光球层上的黑暗区域，它的温度大约为4500K，而光球其余部分的温度约为6000K。在明亮的光球反衬下，就显得很黑。89年3月5-18日的太阳表面一群黑子,面积约70个地球.10日黑子群爆发大耀斑,放出带电粒子和辐射,使地面多处无线电通讯中断活动太阳的磁场

发展完全的黑子是由较暗的核（本影）和围绕它的较亮部分（半影）构成的，形状像一个浅碟。太阳黑子是太阳活动的最明显标志之一。太阳黑子的突出特点是具有强大的磁场，范围从小太阳黑子的500高斯到大太阳黑子的4000高斯不等。黑子最多的年份称太阳活动极大年，最少的年份称太阳活动极小年。太阳黑子的平均活动周期是11．2年。光球上还有一些比周围更明亮的区域，叫光斑。它与黑子常常相伴而生。太阳活动是有周期性变化的。太阳周期是指大约十一年周期性的太阳黑子数量增加和减少。每一周期是从太阳活动最低潮时算起。太阳周期的排序开始于十八世纪，而现在我们正处于第二十三周期。黑子生命短暂，只有少于数天至约三星期的寿命。太阳黑子的多寡变化有一个十一年的周期，在周期之始，黑子基本上出现在纬度较高的地方(即离太阳赤道较远)，接着太阳黑子数目会不断增多，并且会向赤道靠拢。假若我们以图显示黑子位置与时间的关系，便会得出着名的「蝴蝶图」。

利用光谱分析，科学家得知太阳黑子的磁场相当强，比太阳平均磁场强上千倍。黑子经常成双成对出现，每对皆由极性相反的黑子组成，若一个为磁北，另一个必为磁南，由此我们估计每对黑子皆由磁力线所连系，强大的磁场牵制着光球层上的气体，并阻止了下层较炽热的气体上升至黑子范围，结果黑子比太阳表面其他地方温度较低。最后值得一提的是，黑子的数目和地球的气候有微妙的关系，研究显示在地球上一次冰河期时，太阳黑子的数目异常地少。

太阳黑子太阳黑子的本影和半影太阳黑子区域的耀斑太阳色球及其活动光球的上界同色球相接，在日全食时能看到。色球层厚约8000千米。太阳具有反常增温现象，从光球顶部到色球顶部再到日冕区，温度不断陡升。色球层有出现在日轮边缘的针状物，它们不断产生与消失，寿命一般只有10分钟。色球上经常出现一些暗的“飘带”，我们称它为暗条。当它转到日面边缘时，有时象一只耳朵，有时好象腾起的火焰，人们俗称它为日珥。日珥的形态千变万化，可分为宁静日珥、活动日珥和爆发日珥。太阳的巨大喷发

太阳的物质抛射

形成环形突出

软X射线波段的太阳

太阳色球层有些局部亮区域，我们称它为谱斑。它处于太阳黑子的正上方。有时谱斑亮度会突然增强，这就是我们通常说的耀斑。耀斑释放的能量极其巨大。其巨大的能量来自磁场。太阳的耀斑磁回旋(紫外)太阳日珥的爆发太阳的日珥和日冕。摄于日全食时。日冕与太阳风太阳最外层的大气称为日冕。日冕延伸的范围达到太阳直径的几倍到几十倍。在太阳活动极大年，日冕接近圆形；在太阳宁静年则呈椭圆形。日冕中有大片不规则的暗黑区域，叫冕洞。冕洞是日冕中气体密度较低的区域。冕洞分为三种：极区冕洞，孤立冕洞，延伸冕洞。太阳能以太阳风----物质粒子流的形式失去物质。冕洞是高速太阳风的重要源泉。日冕物质抛射是发生在日冕的非常宏观庞大的物质和磁场结构，它是大尺度致密等离子体的突然爆发现象。对地球影响最大的莫过于它。当太阳上有强烈爆发和日冕物质抛射时，太阳风携带着的强大等离子流可能到达地球极区。这时，地球两极就出现极光。极光的形态千变万化。太阳系内某些具有磁场的行星上也有极光。发生在日冕的耀斑叫X射线耀斑，它的波长只有1～8埃或更短。它直接引起地球电离层骚扰，从而影响地球短波通讯。紫外日冕紫外波段的日冕外层日冕的

伪彩色照片“1970年3月7日日全食日冕”

太阳活动极大年的日冕太阳宁静年的日冕太阳日冕。SOHO探测器拍摄太阳日冕。摄于1991年7月11日日全食时。太阳释放巨大能量。其中部份能量以带电荷粒子形式高速传送开去，这便是太阳风。它的移动速度达到每秒数百公里。虽然地球上的磁场能将环绕地球的带电荷粒子困于其辐射带（VanAllenbelts），一般能有效阻挡太阳风，但在猛烈太阳风情况下它可能受影响而变形，导致地磁暴的出现。太阳。这四幅太阳像是在不同元素谱线及不同波段上拍摄的，其中(a)铁IX/X,17.1nm(b)铁XII,19.5nm(c)铁XV,28.4nm(d)氦II/硅XI,30.4nm。SOHO摄于1998年10月27日。太阳。这是幅波长19.5nm铁XII的太阳像，图中几个明亮的区域是太阳的活动区，几个暗黑的区域是冕洞，而周围的一圈是日冕。SOHO拍摄。从"阳光"号发射不久(1991年11月)到1995年末的太阳X射线图像。图中太阳活动由盛至衰十分明显。"阳光"号探测器拍摄。太阳光谱M17中恒星形成区的热气体辐射谱Example1:TheSun光学紫外X射线射电Example2:TheSpiralGalaxyM81光学中红外远红外X射线紫外射电恒星的光谱

典型的恒星光谱由连续谱和吸收线构成恒星的连续谱来自相对较热、致密的恒星内部。吸收线来自较冷、稀薄的恒星大气。

恒星的特征谱线强度提供了恒星的表面温度的信息。例如，A型星的H线最强，温度比A型星低或高的恒星，H线都相对较弱。

不同温度恒星的特征谱线强度谱线与恒星的化学成分不同,元素的原子具有不同的结构，因而有不同的特征谱线。通过比较太阳光谱和实验室中各种元素的谱线，可以确定太阳大气的化学成分。按质量计，约70%H,28%He和2%重元素。按数目计，90.8%H,9.1%He和0.1%重元素。太阳的化学组成元素质量丰度Hydrogen73.5%Helium24.8%Oxygen0.788%Carbon0.326%Nitrogen0.118%Iron0.162%Silicon0.09%Magnesium0.06%Neon0.16%恒星的温度和颜色

恒星的颜色反映了恒星的表面温度的高低温度越高（低），颜色越蓝（红）

RigelBetelgeuse

色指数(colorindex)—在不同波段测量得到的星等之差，如U-B,B-V等。 由于天体的颜色和辐射谱的形状取决于表面温度的高低，色指数的大小反映了天体的温度。光谱分类

Harvard大学天文台的天文学家在1890-1910年首先提出的恒星光谱分类法。AnnieJumpCannon

Oh,BeA

FineGuy(Girl),KissMe!根据恒星光谱中Balmer线的强弱，恒星的光谱首先被分成从A到P共16类。后来经过调整和合并，按照温度由高到低的次序，将恒星光谱分成O,B.A,F,G,K,M七种光谱型(spectraltype)。每一种光谱型可以继续分为0-9十个次型。太阳的光谱型为G2.光谱型表面温度(K)颜色特征谱线O30,000蓝强电离He线，重元素多次电离线B20,000蓝白中性He线，重元素一次电离线，H线A10,000白H线，重元素一次电离线F7,000黄白重元素一次电离线，H线和中性金属线G6,000黄重元素一次电离线，中性金属线K4,000红橙中性金属线，重元素一次电离线M3,000红中性金属线，分子带太阳活动对地球的影响1、影响无线电短波通讯2、产生“磁暴”现象3、产生极光4、紫外线增强5、对气候、水文、地质等的影响6、危及星际航行水星金星地球太阳火星木星土星天王星海王星冥王星GO二、太阳的九大行星水星（Mercury)水星是离太阳最近的行星。它的体积在太阳系中列倒数第二。它的直径比地球小40%，比月球大40%。水星甚至比木星的卫星Ganymede（木卫三）和土星的卫星Titan（土卫六）还小。水星绕太阳一周只需87.969个地球日，而它自转一圈为58.6462个地球日。由于它的公转与自转之间的关系较为复杂，如果按从太阳升起到太阳落下为一个单位来计算,水星上的一天将是176个地球日。水星上看来不可能存在水，它的大气非常少，而且在白天气温非常高。但1991年科学家在水星的北极发现了一个不同寻常的亮点。造成这个亮点的可能是在地表或地下的冰。水星上是否有可能存在冰？由于水星的轨道比较特殊，在它的北极，太阳始终只在地平线上徘徊。在一些陨石坑内部，可能由于永远见不到阳光而使温度降至-161摄氏度以下。这样低的温度就有可能凝固从行星内部释放出来的气体，或积存从太空来的冰。水星的大气少得可怜，它的主要成份为氦(42%)、汽化钠(42%)和氧(15%)，它的平均地表温度为179摄氏度，最高为427摄氏度，最低为-173摄氏度。BACK金星（Venus)由于金星分别在早晨和黄昏出现在天空，古代的占星家们一直认为存在着两颗这样的行星，于是分别将它们称为“晨星”和“昏星”。英语中，金星——“维纳斯”(Venus)是古罗马的爱情与美丽之神。它一直被卷曲的云层笼罩在神秘的面纱中。金星是距太阳的第二颗行星。由于金星和地球在大小、质量、密度和重量上非常相似，而且金星和地球几乎都由同一星云同时形成，占星家们将它们当作姐妹行星。然而不久前科学家们发现，事实上金星与地球非常不同。金星上没有海洋，它被厚厚的主要成份为二氧化碳的大气所包围，一点水也没有。它的云层是由硫酸微滴组成的。在地表，它的大气压相当于在地球海平面上的92倍由于金星厚厚的二氧化碳大气层造成的“温室效应”，金星地表的温度高达482摄氏度左右。阳光透过大气将金星表面烤热。地表的热量在向外辐射的过程中受到大气的阻隔，无法散发到外层空间。这使得金星比水星还要热BACK地球对住在地球上的人类而言，这颗有着广阔天空和蓝色海洋的行星始终给人以坚实、巨大的感觉。然而在宇宙中，地球给宇航员们的印象却并非如此：这个在一层薄薄而脆弱的大气笼罩下的星球并不见得有多大。在太空中，地球的特征是明显的：漆黑的太空、蓝色海洋、棕绿色的大块陆地和白色的云层。人们梦想能在太空中旅行，能欣赏宇宙的奇观。而从某种意义上说，我们都是太空旅行者。我们的宇宙飞船是地球，飞行速度是每小时108000公里。地球是一个活跃的行星。根据板块构造说，地壳由几大板块构成，这些板块漂浮在炽热的地幔上缓慢移动。它的运动方式基本有两种：扩张和缩小。扩张运动表现为两个板块相互远离，地下岩浆涌出形成新的地壳；缩小运动表现为两个板块相互碰撞，一个板块钻到另一板块的下面，在地幔的高温中逐渐消融。在板块交界处常常存在许多巨大的断层，地震频繁，火山众多。地球的外壳非常年轻，它不断受到大气、水和生物的侵蚀，并在地质运动中不断地重建。所以地球表面没有像月球那样坑坑洼洼地遍布陨石坑。这样的地壳构造在太阳系中是独一无二的。地球有一个适合生物生存的大气层。在这个大气层中氮气占78%，氧气占21%，余下的1%是其他成份。地表年平均气温15摄氏度，平均气压101.3千帕。地球初步形成时，大气中存在有大量的二氧化碳，但是到今天，它们几乎都被结合成了碳酸盐岩石，少量溶入了海洋或被植物消耗掉了。地壳板块构造运动与生物活动共同维持着二氧化碳的循环。大气中仍然存在的少量二氧化碳带来了温室效应，这对维持地表气温极其重要。温室效应使地球年平均气温从早期的-21℃提高到了宜人的14℃，没有它海洋将会结冰，生命将不复存在。而随着社会的发展，人类将大量的二氧化碳被排放到了大气中：过多的二氧化碳会使温室效应变得越来越严重。我们不希望地球变得像金星般炎热。人类开始太空探索后，我们已对自己的行星有了更多的认识。人类的第一颗人造地球卫星发现地球周围有一个强烈的辐射区，现在我们把它叫作VanAllen辐射带。这个辐射带是宇宙中高速运动的带电粒子在赤道上空被地球的磁场俘获而形成的一个环状区域。曾经被认为非常平静上层大气，其实是非常活跃的，它在太阳辐射的影响下遵循着热胀冷缩规律。上层大气的这些特性对地球的天气系统有很重要的影响。BACK火星(Mars)火星是距太阳的第四个行星，它的体积在太阳系中居第七位。由于火星上的岩石、砂土和天空是红色或粉红色的，因此这颗行星又常被称作“红色的星球”。在汉语中，火星的名字让人联想到“火”和炎热，但事实上，这颗红色的星球却异常寒冷和干燥。尽管如此，火星仍然是太阳系中与地球最相似的一颗行星。它的体积比地球小，大气也比地球稀薄。火星的大气非常稀薄，大气压只有地球的千分之七。火星大气的主要成份是二氧化碳，其他成份还有氮、氩、氧等。水在火星大气中的比重只有百分之零点零三。因而火星表面异常干燥。火星的平均气温为零下五十五摄氏度，而温差较大：在夏季的昼间，气温最高为二十摄氏度，而在冬季，气温则可低达零下一百多摄氏度。火星上经常有强风，因而常导致大范围的尘暴。BACK木星(Jupiter)木星是距太阳的第五颗行星，并且是太阳系中最大的行星。如果木星的内部是空的，它能装下一千多个地球。木星的成份也比其他行星更为复杂。它的重量为1.9x1027公斤，赤道直径为142,800公里。木星拥有16个卫星，其中的四个（木卫四、木卫二、木卫三和木卫一）早在1610年就被伽利略发现了。1979年，“旅行者”一号发现木星也有环，但它非常昏暗，在地球上几乎看不到。木星的大气非常厚，可能它本身就像太阳那样是个气体球。木星大气的主要成份是氢和氦，以及少量的甲烷、氨、水汽和其他化合物。在木星的内部，由于巨大的压力，氢原子中的电子被释放出来，仅存赤裸的质子。使氢呈现金属特性。在木星的两极，发现了与地球上的十分相似的极光。这似乎与沿木卫一螺旋形的磁力线进入木星大气的物质有关。在木星的云层上端，也发现有与地球上类似的高空闪电。纬线上色彩分明的条纹、翻腾的云层和风暴象征着木星多变的天气系统。云层图案每小时每天都在变化。“大红斑”是一个复杂的按顺时针方向运动的风暴。其外缘每四至六天旋转一圈，而在中心附近，运动很小，且方向不定。在条状云层上可以发现一系列小风暴和漩涡。木星大气层的平均温度为-121摄氏度。BACK土星(saturn)人类在有史以前就已经对土星进行了观测。1610年，伽利略第一次通过望远镜对它进行了观测，并记录下了它奇特的运行轨迹。早期观测土星非常困难，这是因为每过几年地球就要穿越土星光环所在的平面。直至1659年惠更斯推断出光环的几何形状后情况才有所改变。土星一直被认为是太阳系中唯一拥有光环的行星。但1977年人们发现天王星也有暗淡的光环，此后不久在木星和海王星周围也发现了光环。土星是距太阳的第6颗行星，赤道直径119,300千米，在太阳系中位居第二。1980-81年旅行者号飞船的探测给人们带来了许多有关这颗行星的知识。土星的飞速自转使它的两极明显地扁平。土星自转一周10小时39分，公转一周为29.5个地球年。土星大气的主要成份是氢，另外还有少量的氢和甲烷。土星是太阳系中唯一密度比水小的行星，要是把它扔进一个足够大的海洋，它肯定会浮在水面。黄色的土星表面有明显的宽阔条纹，这和木星非常相似，但不如木星来得鲜明。土星大气内部风速极高。在赤道附近风速可以达每秒500米。在土星的南北极也有与地球相似的极光。BACK天王星(Uranus)天王星是距太阳的第七颗行星，在太阳系中，它的体积位居第三。天王星的体积在九大行星中仅次于木星和土星，体积约为地球的65倍，质量相当于地球的14.63倍。

它是1781年发现的。天王星赤道直径51800公里，以6.81千米/秒的平均速度绕太阳公转，公转周期为84.01个地球年。它与太阳的平均距离为2.87亿公里。天王星上的一天是17小时14分钟。它是太阳系中唯一个“躺”着围绕太阳运转的行星。天王星至少有15个卫星。最大的两个是1787年发现的。天王星的大气层中83%是氢，15%为氦，2%为甲烷以及少量的乙炔和碳氢化合物。上层大气层的甲烷吸收红光，使天王星呈现蓝绿色。大气在固定纬度集结成云层，类似于木星和土星在纬线上鲜艳的条状色带。由于天王星的自转，星体中纬度有风。风速大约是每秒40-160米。经无线电科学测试，发现在赤道附近有大约每秒一百米的逆风。海王星云层的平均温度为零下193摄氏度。BACK海王星(Neptune)海王星是太阳系中最外缘的一颗巨行星，赤道直径49,500公里。如果海王星上有洞，它能容纳近60个地球。海王星每165年绕太阳一周。海王星上的一天为16小时6.7分钟。海王星的内部是熔岩、水、液氨和甲烷的混合物组成的。外面的一层是氢、氦、水和甲烷组成的气体的混合物。甲烷赋予了海王星云层蓝色的外观。海王星云层的平均温度为零下193摄氏度至零下153摄氏度，大气压约为1-3帕。海王星上有明显的狭长而明亮的云层，它与地球上的藤蔓状云十分相似。在北半球的低纬度，“旅行者”号曾拍到过条状云投在下层云体上的阴影。海王星是个多变的行星，它有几个巨大的黑斑，让人想起木星风暴“大红斑”。最大的一个“大黑斑”有地球那么大。海王星上也有像其它行星一样的强风。相对于行星的自转方向，大多数风向都是向西吹的。大黑斑附近风速可以达到每小时2000公里。