第一讲地球的起源及地壳的形成

第一讲宇宙及地球的起源与演化人类对宇宙的认识地球的起源1第一节、人类对宇宙的认识恒星的演化太阳和太阳系恒星与银河系星系与宇宙美丽的星空2尸佼的宇宙(尸佼即尸子,先秦诸子百家之一)：四方上下曰宇，古往今来曰宙,以喻天地民歌的宇宙：

天似穹庐，笼罩四野霍金的宇宙：

无边界有限宇宙马克思的宇宙：

时空无限3传说与神话宗教将神话加工成教义

《圣经》开宗明义：“起初，神创造天地，”“神说要有光就有了光，神看光是好的，就把光暗分开了。神称光为昼，暗为夜。有晚上，有早晨，这是头一日。”空气，海，地，太阳，众星，大鱼，飞鸟牲畜，昆虫和野兽，第七日人4易

阴阳两仪变化阐释宇宙万物的变化法则： 无极生太极，太极生两仪 两仪生四象，四象生八卦，以至无穷我什么都知道了5程伊川：阴阳分离就不再有道，形成阴阳的因才是正道。阴阳是气---------形而下；道是形成阴阳的理--------形而上。朱熹：无极而太极。太极是阴阳的因，是无极。老子：无，以无为有道；“无”中生有裂变演化6宇宙的结局“凡是形成的东西都是要灭亡的。”宇宙有起源，宇宙有终结；“杞人忧天”预言并非都是骗局,关键是宇宙的平均密度取决于将行星系拉回来的引力的大小,引力取决于：宇宙中物质总量，宇宙半径宇宙也会衰老7宇宙的形成(影片00:01:03)8宇宙起源(动画演示)9宇宙有多大(影片:00:01:12)10一、恒星的演化

当星际物质凝聚成恒星后，恒星的演化就决定于其内部的核反应过程，在稳定状态下，恒星向内的万有引力和向外的运动压力及辐射压达到平衡。但在某些情况下，这个平衡条件会受到破坏，在不同演化阶段的恒星有不同的观测表现。11恒星的诞生

在星际空间普遍存在着极其稀薄的物质，主要由气体和尘埃构成。它们的温度约10～100K，密度约10-24～10-23g/cm3，相当于1cm3中有1～10个氢原子。星际物质在空间的分布不是均匀的，通常是成块地出现，形成弥漫的星云。星云里3/4质量的物质是氢，处于电中性或电离态，其余约1/4是氦以及极少数比氦更重的元素。在星云的某些区域还存在气态化合物分子，如氢分子、一氧化碳分子等。如果星云里包含的物质足够多，那么它在动力学上就是不稳定的。在外界扰动的影响下，星云会向内收缩并分裂成较小的团块，经过多次的分裂和收缩，逐渐在团块中心形成了致密的核。当核区的温度升高到氢核聚变反应可以进行时，一颗新恒星就诞生了。12Eagle星云

恒星正在这里形成13主序星

恒星以内部氢核聚变为主要能源的发展阶段就是恒星的主序阶段。处于主序阶段的恒星称为主序星。主序阶段是恒星的青壮年期，恒星在这一阶段停留的时间占整个寿命的90%以上。这是一个相对稳定的阶段，向外膨胀和向内收缩的两种力大致平衡，恒星基本上不收缩也不膨胀。恒星停留在主序阶段的时间随着质量的不同而相差很多。质量越大，光度越大，能量消耗也越快，停留在主序阶段的时间就越短。例如：质量等于太阳质量的15倍、5倍、1倍、0.2倍的恒星，处于主序阶段的时间分别为一千万年、七千万年、一百亿年和一万亿年。14目前的太阳也是一颗主序星。太阳现在的年龄为46亿多年，它的主序阶段已过去了约一半的时间，还要50亿年才会转到另一个演化阶段。与其他恒星相比，太阳的质量、温度和光度都大概居中，是一颗相当典型的主序星。主序星的很多性质可以从研究太阳得出，恒星研究的某些结果也可以用来了解太阳的某些性质。15红巨星与红超巨星

当恒星中心区的氢消耗殆尽形成由氦构成的核球之后，氢聚变的热核反应就无法在中心区继续。这时引力重压没有辐射压来平衡，星体中心区就要被压缩，温度会急剧上升。中心氦核球温度升高后使紧贴它的那一层氢氦混合气体受热达到引发氢聚变的温度，热核反应重新开始。如此氦球逐渐增大，氢燃烧层也跟着向外扩展，使星体外层物质受热膨胀起来向红巨星或红超巨星转化。转化期间，氢燃烧层产生的能量可能比主序星时期还要多，但星体表面温度不仅不升高反而会下降。其原因在于：外层膨胀后受到的内聚引力减小，即使温度降低，其膨胀压力仍然可抗衡或超过引力，此时星体半径和表面积增大的程度超过产能率的增长，因此总光度虽可能增长，表面温度却会下降。16质量高于4倍太阳质量的大恒星在氦核外重新引发氢聚变时，核外放出来的能量未明显增加，但半径却增大了好多倍，因此表面温度由几万K降到三、四千K，成为红超巨星。质量低于4倍太阳质量的中小恒星进入红巨星阶段时表面温度下降，光度却急剧增加，这是因为它们外层膨胀所耗费的能量较少而产能较多。预计太阳在红巨星阶段将大约停留10亿年时间，光度将升高到今天的好几十倍。到那时侯，地面的温度将升高到今天的两三倍，北温带夏季最高温度将接近100℃。17预计太阳在红巨星阶段将大约停留10亿年时间18小质量恒星的死亡质量小于8倍太阳质量的恒星在经历红巨星阶段后，核心部分逐渐变为高温高密的简并态碳氧球体，外边紧贴着氦燃烧层，再外边是未燃烧的氦，最外边是氢氦混合气包层。核心部分形成简并态碳氧球的同时，混合气的包层一直在不断膨胀中。开始阶段由内部核反应产生的辐射压来推动，后来的推动力来源于气壳包层本身。19气壳膨胀冷却的同时，原先高度电离的气体会复合为中性原子，复合过程中自由电子的动能转移给中性原子成为原子的热运动能量，使原子快速运动而推动包层继续向外膨胀，终于脱离核心部分向外扩散。形成行星状星云。行星状星云充分膨胀之后就显露出中心天体，它就是没有核反应能源的白矮星。白矮星的温度还很高，可达10万K以上。白矮星的辐射来自原先积存的热能，在它表面温度降到4000K以前，它所积存的热能可以使它维持发光80亿年。那以后辐射损耗更为微弱，还可以维持更长的时间。白矮星最终会演化为黑矮星。20这是一个行星状星云,编号NGC6543,位于3000光年远的天龙座,绰号"猫眼星云"。这个奇异的星云是由估计在1000年前,一颗垂死的恒星爆发后,抛出的气体物质构成的。

21行星星云IC3568，位于鹿豹座，距离地球大约9000光年，直径约0.4光年，是我们太阳系的800倍22大质量恒星的死亡

大质量恒星经过一系列核反应后，形成重元素在内、轻元素在外的洋葱状结构，其核心主要由铁核构成。此后的核反应无法提供恒星的能源，铁核开始向内坍塌，而外层星体则被炸裂向外抛射。爆发时光度可能突增到太阳光度的上百亿倍，甚至达到整个银河系的总光度，这种爆发叫做超新星爆发。超新星爆发后，恒星的外层解体为向外膨胀的星云，中心遗留一颗高密天体。23金牛座里著名的蟹状星云就是公元1054年超新星爆发的遗迹。超新星爆发的时间虽短不及1秒，瞬时温度却高达万亿K，其影响更是巨大。超新星爆发对于星际物质的化学成分有关键影响，这些物质又是建造下一代恒星的原材料。

24金牛座里著名的蟹状星云就是公元1054年超新星爆发的遗迹25超新星爆发时，爆发与坍塌同时进行，坍塌作用使核心处的物质压缩得更为密实。理论分析证明，电子简并态不足以抗住大坍塌和大爆炸的异常高压，处在这么巨大压力下的物质，电子都被挤压到与质子结合成为中子简并态，密度达到10亿吨/立方厘米。由这种物质构成的天体叫做中子星。一颗与太阳质量相同的中子星半径只有大约10千米。

26中子星也有质量上限，最大不能超过大约3倍太阳质量。如果在超新星爆发后核心剩余物质还超过大约3倍太阳质量，中子简并态也抗不住所受的压力，只能继续坍缩下去。最后这团物质收缩到很小的时候，在它附近的引力就大到足以使运动最快的光子也无法摆脱它的束缚。所以这个天体不可能向外界发出任何信息，而且外界对它探测所用的任何媒介包括光子在内，一贴近它就不可避免地被它吸进去。它本身不发光并吞下包括辐射在内的一切物质，就象一个漆黑的无底洞，所以这种特殊的天体就被称为黑洞。黑洞有很多奇特的性质，对黑洞的研究在当代天文学及物理学中有重大的意义。

27黑洞正在吞噬它的伴星的物质28二、太阳和太阳系

太阳系（solarsystem）是由太阳、9颗大行星、66颗卫星以及无数的小行星、彗星及陨星组成的。

行星由太阳起往外的顺序是：水星（mercury）、金星（venus）、地球（earth）、火星（mars）、木星（jupiter）、土星（saturn）、天王星（uranus）、海王星（neptune）和冥王星（pluto）。离太阳较近的水星、金星、地球及火星称为类地行星（terrestrialplanets）。宇宙飞船对它们都进行了探测，还曾在火星与金星上着陆，获得了重要成果。它们的共同特征是密度大（>3.0克/立方厘米），体积小，自转慢，卫星少，内部成分主要为硅酸盐（silicate），具有固体外壳。29离太阳较远的木星、土星、天王星、海王星及冥王星称为类木行星（jovianplanets）。宇宙飞船也都对它们进行了探测，但未曾着陆。它们都有很厚的大气圈，其表面特征很难了解，一般推断，它们都具有与类地行星相似的固体内核。在火星与木星之间有100000个以上的小行星（asteroid）（即由岩石组成的不规则的小星体）。推测它们可能是由位置界于火星与木星之间的某一颗行星碎裂而成的，或者是一些未能聚积成为统一行星的石质碎块。陨星存在于行星之间，成分是石质或者铁质。

302006年8月24日，国际天文学联合会大会投票决定，不再将冥王星视为行星，而将其列入“矮行星”；放弃将冥王星之外的太阳系八大行星称为“经典行星”的说法，从而确认太阳系只有8颗行星。根据国际天文学联合会大会24日通过的新定义，“行星”指的是围绕太阳运转、自身引力足以克服其刚体力而使天体呈圆球状、并且能够清除其轨道附近其他物体的天体。冥王星由于其轨道与海王星的轨道相交，不符合新的行星定义，因此被自动降级。31321、行星运动定律

德国天文学家开普勒(JohannesKepler)是丹麦著名天文学家第谷(TychoBrahe)的学生和继承人，他与意大利的伽利略(Galileo)是同时代的两位巨人。开普勒从理论的高度上对哥白尼学说作了科学论证，使它更加提高了一大步。他所发现的行星运动定律“改变了整个天文学”，为后来牛顿(IsaacNewton）发现万有引力定律奠定了基础。开普勒也被后人赞誉为“天空的立法者”。

开普勒根据第谷毕生观测所留下的宝贵资料，孜孜不倦地对行星运动进行深入的研究，提出了行星运动三定律。33行星运动第一定律（椭圆定律）：

所有行星绕太阳的运动轨道是椭圆，太阳位于椭圆的一焦点上。行星运动第二定律（面积定律）：

联接行星和太阳的直线在相等的时间内扫过的面积相等。行星运动第三定律（调和定律）：

行星绕太阳运动的公转周期的平方与它们的轨道半长径的立方成正比。342、提丢斯--波得定则

十八世纪，德国数学家提丢斯(JohannesTitius)提出一个公式，能十分精确地表示出各行星之间相对距离的数字关系。这个公式，在1772年由柏林天文台台长波得(JohannBode)公布于众，被称为提丢斯-波得法则。

这个法则认为，行星轨道大小若用天文单位来计算，可以由下列经验公式表达：35Αn=0.4+0.3×2n-2

其中n为行星序号，不过水星应取－∞。按这个公式，在n=5的地方缺一颗行星，后来发现了小行星带；木星和土星的n应分别为6和7；在n=8距离上发现了天王星；在约相当于n=9的距离上发现了海王星。本世纪30年代发现的冥王星距离按说应该是n=10，但实际上仍接近于n=9，很可能和它形成的情况有关。冥王星之外是否还有真正相当于n=10的大行星，虽然一直引起人们的兴趣，但至今尚未有定论。363、太阳系的特点

行星运行轨道都接近圆形（近圆性），并几乎位于同一轨道平面上（共面性），只有水星和冥王星的轨道有较大倾斜。

行星绕太阳运行的方向除金星外都是逆时针的。大多数卫星也按相同方向绕行星运行。

太阳的质量占太阳系总质量的99.8％，但太阳的角动量很小，不超过太阳系总角动量的2％，角动量的分配与各星体的质量很不协调（角动量分配异常）。

类地行星与类木行星在体积、质量、密度、旋转速度、卫星数量方面具有系统性差别。

其他星球上已知的元素，地球上都存在，即具有组成元素的一致性。

撞击坑形成作用在石质行星及卫星表面具有普遍意义。

大多数行星与太阳的相对距离符合提丢斯-波得定律。374、太阳处于太阳系的中心，质量占太阳系总质量的99.865％，是太阳系所有行星质量总和的745倍。所以，她有足够强大的吸引力，带领它大大小小的家族成员围着自己不停地旋转。太阳是我们唯一能观测到表面细节的恒星。我们直接观测到的是太阳的大气层，它从里向外分为光球、色球和日冕三层。虽然就总体而言，太阳是一个稳定、平衡、发光的气体球，但它的大气层却处于局部的激烈运动之中。太阳活动现象的发生与太阳磁场密切相关。太阳周围的空间也充满从太阳喷射出来的剧烈运动着的气体和磁场。天文上太阳的符号是⊙，它象征着宇宙之卵，是生命的源泉。38太阳日冕。1998年8月11日摄于土耳其东部的Haza湖岸。

39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。

40太阳光球上的米粒组织

415、水星是最靠近太阳的行星，与太阳的角距从不超过28°，中国古代称水星为辰星。古时候西方人以为水星是两颗行星，他们在暮色中见到它时，称它为墨丘利(Mercury)，在晨曦中见到它时，称它为阿波罗。后来人们知道了墨丘利和阿波罗就是同一颗星，就称水星为墨丘利。墨丘利是罗马神话中专为众神传递信息的使者，他头戴插有双翅的帽子，脚蹬飞行鞋，手握魔杖，行走如飞。他神通广大，令人难以捉摸。水星确实像墨丘利那样，行动迅速，神出鬼没，在一个半月的时间里它会沿着一段奇特的曲线，从太阳的最东边跑到最西边，平均速度为每秒47．89千米，是太阳系中运动最快的行星。

42水手10号行星际探测器

所摄照片43水手10号行星际探测器

所摄照片44水手10号行星际探测器

所摄照片456、金星中国古代称之为太白或太白金星。它有时是晨星，黎明前出现在东方天空，被称为“启明”；有时是昏星，黄昏后出现在西方天空，被称为“长庚”。金星是全天中除太阳和月亮外最亮的星，犹如一颗耀眼的钻石，于是古希腊人称它为阿佛洛狄忒（Aphrodite)---爱与美的女神，而罗马人则称它为维纳斯(Venus)---美神。金星像月亮一样有圆缺朔望的变化，这一点曾支持了哥白尼的日心说。金星与地球十分相似：半径为6050千米，只比地球略小；平均密度约为地球的95%；质量为地球的81.5%;另外,金星周围也有大气和云层。它和水星一样，是太阳系中仅有的两个没有天然卫星的大行星。46金星的公转轨道很接近于正圆，且与黄道面接近重合。其公转周期约为224.7日，但其自转周期却为243日，也就是说，金星的“一天”比“一年”还长。金星是太阳系内唯一逆向自转的大行星。金星的大气层厚重浓密而奇特，其主要成分为二氧化碳，约占97%以上。因此导致金星上的“温室效应”极其强烈。金星的大气密度是地球的100倍，其大气活动剧烈，大气层中有频繁的闪电和雷暴。金星基本上没有磁场。它的地势比较平坦，但地貌复杂，其内部结构从理论上可推出应与地球类似，但还有待观测证实。47金星48从450000英里远

拍下的金星49507、火星按离太阳由近及远的顺序为第四颗行星。肉眼看去是一颗引人注目的火红色的亮星。它缓慢的穿行于众恒星之中，从地球上看火星时而顺行，时而逆行。火星最暗视星等约为＋1．5等，最亮时比最亮的恒星天狼星还亮，达-2.9等，这是由于地球和火星分别在各自的轨道上运行，它们之间的距离总在不断变化。火星荧荧如火，亮度常变，位置不定，令人迷惑，所以，中国古代称火星为“荧惑”。而在西方古罗马的神话中，把它想象为身披盔甲浑身是血的战神“马尔斯”（Mars），即希腊神话中的战神阿瑞斯(Ares)。阿瑞斯身世高贵，其父是神王宙斯，其母是天后赫拉。

51火星上的平均温度为-23℃，由于火星大气稀薄而干燥，所以它的昼夜温差很大，远远大于地球上的昼夜温差。因火星表面温度低、压力小，大气中的二氧化碳和水大致都呈饱和状态，只要气温稍一降低，二氧化碳和水蒸气就会凝结。火星大气中的水份极少，科学家估计，倘若把火星上的水冰全部融化成水，也只能在火星表面形成一个10米深的大海。与我们地球表面的波涛茫茫的海洋相比，火星上的水量就显得微不足道了。52火星53火星548、木星是太阳系中最惹人注目的一颗行星，它是行星九兄弟中的老大---个儿最大。它的亮度仅次于金星。中国古代把它叫做“岁星”，用它来纪年，因为已经知道它的公转周期近于12年。西方则称木星为“朱庇特(Jupiter)”，即罗马神话中的主神。相当于希腊神话中的王者---天神宙斯。

55木星直径约为14.3万千米，是地球直径的11.25倍，体积为地球的1316倍，而质量为所有其他行星的2.5倍。木星的平均密度相当低，仅1.33克/立方厘米。其绕太阳公转一周约12年，而自转一周仅要近10小时。由于它自转太快，致使星体变扁，其赤道半径与极半径相差5000千米之多。木星没有固体外壳，它是一颗由液态氢组成的液态星球。

56木星579、土星是离太阳第六远的一颗美丽的行星，凡是用望远镜看过土星的人，无不惊叹不已。土星公转轨道半径为14亿千米，冲日时最大亮度为0.4星等。土星那橘色的表面，漂浮着明暗相间的彩云，配以赤道面上那发出柔和光辉的光环，远远望去真像个戴着顶大沿遮阳帽的女郎。

58土星自转一周为10小时14分。由于自转迅速，赤道凸出成为一个扁球体，赤道半径要比两极半径大6000多千米。土星公转周期为29.5年，约合二十八宿之数，每年镇一宿，故古时我国又称其为“镇星”。土星运动迟缓，人们便将它看作时间和命运之神的象征。罗马神话中称其为萨图努斯神，即希腊神话中的克洛诺斯，他是神王宙斯之父，是在推翻父亲之后登上天神宝座的。无论东方还是西方，都把土星与农业联系在一起。在天文学中的符号，像是一把主宰农业的大镰刀。59土星60土星6110、天王星

在睛朗的夜晚要想观看天王星，并不是很难。它的星等是5.7等。它的公转周期相当长，每84年绕太阳一周，平均每天只移动46"，不容易与恒星区分，历史上曾多次被误认为是恒星而被载入星图。62天王星在太阳系中的位置排行第七，距太阳约29亿千米。它的体积很大，是地球的65倍，仅次于木星和土星，在太阳系位居第三；它的直径为5万多千米，是地球的4倍，质量约为地球的14.5倍。在古老的希腊神话中，天王星被看作是第一位统治整个宇宙的天神---乌拉诺斯（Uranus)。他与地母该亚结合，生下了后来的天神。是他费尽心机将混沌的宇宙规划得和谐有序。他地位显赫，译成中文便是天王星。63天王星64天王星65天王星6611、海王星

按距太阳的平均距离由近及远排列，海王星排行第八。它的亮度为7．85等，只有在望远镜里才能看到。由于它是一颗淡蓝色的行星，根据传统的行星命名法，它被命名为涅普顿（Neptune）。涅普顿是罗马神话中统治大海的海神，掌管着1/3的宇宙，颇有神通，海王星的天文符号象征涅普顿手中寒光闪闪的神叉。67海王星,旅行者2号拍摄

68哈勃太空望远镜于1994年6月28日拍摄的两张海王星照片。可以看见南纬30度和南纬60度的云。1989年旅行者二号飞过海王星时拍摄到的大小暗斑已经消失。

69哈勃太空望远镜分别于1994年10月10日（左上），10月18日（右上）和11月2日（中下）拍摄的海王星图片。图片显示在几天内海王星大气的快速变化。7012、冥王星大行星中离太阳最远、质量最小的要算冥王星了。它在远离太阳59亿千米的寒冷阴暗的太空中蹒跚前行，这情形和罗马神话中住在阴森森的地下宫殿里的冥王普鲁托非常相似。因此，人们称其为普鲁托（Pluto），在天文学中是普鲁托英文名字前两个字母，又是对冥王星发现有推动之功的美国天文学家洛韦尔（PercivalLowell）姓名的缩写。

7172地面上望远镜拍摄的最好的照片空间望远镜图像轨道示意图73冥王星和它的卫星1994年2月21日空间望远镜图像。74大图像是经过计算机处理后的冥王星表面。小图像是空间望远镜原始图像7513、彗星中国民间把彗星贬称为“扫帚星”、“灾星”。像这种把彗星的出现和人间的战争、饥荒、洪水、瘟疫等灾难联系在一起的事情，在中外历史上有很多。彗星的轨道有椭圆、抛物线、双曲线三种。椭圆轨道的彗星又叫周期彗星，另两种轨道的又叫非周期彗星。周期彗星又分为短周期彗星和长周期彗星。一般彗星由彗头和彗尾组成。彗头包括彗核和彗发两部分，有的还有彗云。并不是所有的彗星都有彗核、彗发、彗尾等结构。

76Giacobini-Zinner彗星77Hyakutake彗星

78哈雷彗星79科胡特克（Kohoutek）彗星

8014、小行星在太阳系中，除了八颗大行星以外，还有成千上万颗我们肉眼看不到的小天体，它们像大行星一样，沿着椭圆形的轨道不停地围绕太阳公转。与九大行星相比，它们好像是微不足道的碎石头。这些小天体就是太阳系中的小行星。81小行星，顾名思义，它们的体积都很小。最早发现的“谷神星”（Ceres1)、“智神星”(Pallas2)、“婚神星”(Juno3)和“灶神星”(Vesta4)是小行星中最大的四颗，被称为“四大金刚”。“四大金刚”中最大的谷神星直径约为1000千米，最小的婚神星直径约为200多千米；如果能把它们从天上“请”到地球上来，中国的青海省刚好可以让谷神星安家。除去“四大金刚”外，其余的小行星就更小了，据估计，最小的小行星直径还不足1千米。虽然它们的体积比卫星还小得多，但是在太阳系这个家庭中，却要和大行星论资排辈。82大多数小行星是一些形状很不规则、表面粗糙、结构较松的石块，表层有含水矿物。它们的质量很小，按照天文学家的估计，所有小行星加在一起的质量也只有地球质量的4／10000。这些小行星和它们的大行星同伴一起，一面自转，一面自西向东地围绕太阳公转。尽管拥挤，却秩序井然，有时它们巨大的邻居--木星的引力会把一些小行星拉出原先的轨道，迫使它们走上一条新的漫游道路。在近年对小行星观测中，还发现一个有趣的现象，有些小行星竟然也有自己的卫星。

83小行星Gaspra,1991年伽利略号探测器拍摄

84小行星Gaspra,伽利略号探测器拍摄

85小行星Mathilde，由近地小行星探测器（NEAR）于1997年6月拍摄86小行星Mathilde(左)、

Gaspra（中）、

Ida（右）87Ida的卫星，伽利略号探测器摄于1993年8月28日

88小行星Toutatis，图片显示其上有浅火山，山脊和颈状谷

89小行星Ida及其卫星，伽利略号探测器摄于1993年8月28日

9015、流星与陨石晴朗无月的夜晚，当你仰视夜空时，经常会看见一道明亮的闪光划破夜空，飞流而逝。它给寂寞的星空带来一丝生气，这就是流星现象。中国民间常把它称为“贼星”。流星是行星际空间的尘粒和固体块（流星体）闯入地球大气圈同大气摩擦燃烧产生的光迹。若它们在大气中未燃烧尽，落到地面后就称为“陨星”或“陨石”。流星体原是围绕太阳运动的，在经过地球附近时，受地球引力的作用，改变轨道，从而进入地球大气圈。91流星有单个流星、火流星、流星雨几种。单个流星的出现时间和方向没有什么规律，又叫偶发流星。火流星也属偶发流星，只是它出现时非常明亮，像条火龙且可能伴有爆炸声，有的甚至白昼可见。许多流星从星空中某一点（辐射点）向外辐射散开，这就是流星雨。陨石是太阳系中较大的流星体闯入地球大气后未完全燃烧尽的剩余部分，它给我们带来丰富的太阳系天体形成演化的信息，是受人欢迎的不速之客。一般的流星体，密度都极低，约是水密度的1/20。每天都约有数十亿、上百亿流星体进入地球大气，它们总质量可达20吨。

921998年11月,全国中学生狮子座流星雨摄影一等奖作品选

931998年11月,全国中学生狮子座流星雨摄影一等奖作品选

941998年11月,全国中学生狮子座流星雨摄影一等奖作品选

951998年11月,全国中学生狮子座流星雨摄影一等奖作品选

96恒星与银河系当你了解了太阳家族之后，是否想过这样的问题：在宇宙间还有没有像太阳一样能自己发光发热的星球呢？有没有像我们太阳系一样的恒星-行星系统呢？我们的太阳系又处于宇宙的什么位置上呢？97实际上，我们在夜空中看到的点点繁星，绝大多数都类似于太阳，只是他们的质量、化学组成和物理条件有所不同，但都是自己发光发热的星球,我们称之为恒星。大家比较熟悉的北斗七星、北极星、牛郎星和织女星等，都是恒星。宇宙间恒星家族非常庞大。

98由于恒星离我们都相当遥远，所以对恒星的观测和研究比对太阳系内的天体研究要困难得多。天文学家们经过努力还是对恒星的结构、物理特性、化学成分、演化过程、运动规律和空间分布等，有了较为完整的认识。当代对恒星世界的探索和研究，已取得了举世瞩目的成就。在众多的恒星大家族中分别表现出高温、高压、超密态、强磁场和强辐射等许多极端的物理特性，在地球上都是不可想象的。因此，近年来对恒星世界的研究非常活跃，恒星世界成为一个巨大的物理实验室。991、恒星物理

恒星离我们非常遥远，除太阳外，最近的恒星---半人马座比邻星，距太阳约4．2光年。怎样才能知道遥远恒星的内部结构、物理特性、化学成分、演化经历、运动规律和空间分布呢？这在100多年以前是无法回答的。因为恒星的光实在太微弱，即使看起来全天最亮的天狼星的光，也仅仅是太阳光的100万万分之一，用普通的天文望远镜不能分辨出恒星的视面，也不可能了解恒星内部的情况10019世纪中叶，天体分光术和照相术的发明为天文学家解开恒星内部世界之谜开始提供了强有力的工具。天文学家将天文望远镜收集到的星光经过分光镜分解成光谱，再把这光谱拍摄下来。在这些光谱中有众多的谱线，它们都由不同的元素产生，根据它们我们可以了解到恒星表面大气层的温度、压力、密度、化学元素的丰度、质量、体积、自转运动、距离和空间运动等一系列物理化学性质。101我们现在知道恒星的表面是炽热气体，它们是能自己发光的球状或类球状天体。宇宙中恒星的数目巨大，单是银河系中估计就有一、二千亿颗。恒星内部具有不可想象的高温、高压、超密态，有些恒星有超强磁场和强辐射等许多极端的物理特性。恒星不都是孤立的，有的两颗在一起组成双星，甚至成千上万颗在一起组成星团。恒星之间不是真空，而是充满了星际气体、尘埃、粒子流、宇宙线和星际磁场等。这些物质的分布是不均匀的。有的地方气体和尘埃比较密集，形成各种各样的云雾状天体，这就是星云。

1022、新星有时在某一星区突然看到一颗原来没有的亮恒星，经过几天到几个月，它又慢慢看不见了。因此，古人就把这类星叫新星。其实，它不是“新产生”的恒星，而是原来就有一颗可能是暗弱的恒星。由于它突然爆发，向外抛射大量物质，光度大增，在一两天内光度增加十几个星等，也就是亮度增长几万倍，使人们误认为“新产生”了恒星。天文学家们已在我们银河系内发现200多颗新星。1031975年天鹅座新星爆发前

1041975年天鹅座新星爆发后1053、超新星

另外还有一类爆炸的星规模比新星还大叫做超新星。在大质量恒星演化到晚期，内部不能产生新的能量，巨大的引力将整个星体迅速向中心坍缩，将中心物质都压成中子状态，形成中子星，而外层下坍的物质遇到这坚硬的“中子核”反弹引起爆炸。这就成为超新星爆发，质量更大时，中心更可形成黑洞。106超新星1987A爆发前后的图片

（图中箭头处的较亮恒星并不意味着超新星的前身）107超新星1987A遗迹

（空间望远镜1994年2月图像）

1084、脉冲星

1932年，英国物理学家查德威克（Jameschadwizk）发现中子以后，前苏联物理学家朗道（L.D.Landau）就提出可能存在主要由中子组成的中子星。直到1967年发现了脉冲星，才解开了萦绕天文学家和物理学家脑际30多年的中子星之谜。109脉冲星的特征除高速自转外，还具有极强的磁场，电子从磁极射出，辐射具有很强的方向性。由于脉冲星的自转轴和它的磁轴不重合，在自转中，当辐射向着观测者时，观测者就接收到了脉冲。到1999年，已发现1000颗脉冲星。

20世纪30年代提出的中子星设想，到60年代得到验证。这是研究恒星演化史的一项重大突破。因此，脉冲星的发现被列为20世纪60年代天文学的四大发现之一，休伊什教授也因此荣获1974年诺贝尔物理学奖。

110蟹状星云射电图像（VLA20厘米波段）

星云中央自转周期33毫秒的脉冲星是1968通过射电观测发现的1115、双星和星团双星和聚星通过天文望远镜观察恒星天空时，你会发现许许多多的恒星彼此位置很靠近，两星的亮暗和颜色往往也不一样，犹如星海中的珍珠。我们称这样位置靠近的两颗恒星为双星。可以说，天上的恒星双星多，“单身汉”少。当然，双星中也不一样。有的是一颗恒星绕另一颗恒星运动，互相有引力关系，这叫物理双星；有的双星仅仅是投影关系，看起来靠近实际相距甚远，没有物理联系，这叫光学双星。我们这里说的是物理双星。112在恒星世界中，双星是普遍现象，是小单元的恒星集团。另外，还有一颗恒星绕另一恒星运动，再有第三颗恒星又绕它运动。我们称为三合星，若还有另一个参与则称为四合星、……，或称为聚星。在太阳周围17光年内，共有60颗恒星，其中有32颗是单颗恒星，11对是双星（22颗），两组三合星（6颗）。恒星的许多特性都是从研究双星特征获得的。113疏散星团古人早就注意到恒星成群的分布特征。一般说来，恒星数在10个以上，且有物理性质联系的星群，就叫星团。根据星团包含的星数、形状和在银河系中的位置，星团又分为疏散星团和球状星团。由十几颗到几千颗恒星组成的结构较松散、形状不规则的星团，叫疏散星团。疏散星团大多分布在银道面附近，因此也叫银河星团。上面介绍的昴星团、毕星团、蜂巢星团，还有英仙座双星团等均属疏散星团。在银河系内已发现1000多个疏散星团。

114昴星团及其反射星云

（年轻的疏散星团）

115疏散星团NGC3293

（星团中的橙色亮星正在迅速变老，很可能是星团中下一个超新星）116玫瑰星云和疏散星团NGC2244

(玫瑰星云看起来像玫瑰花，一百万年前疏散星团NGC2244在其间形成，并使星云明亮可见)117疏散星团NGC2682(M67)

最老的疏散星团之一，年龄100亿年118英仙座双星团

119球状星团球状星团由成千上万，甚至几十万颗恒星组成，外貌呈球形，越往中心恒星越密集。球状星团里的恒星平均密度比太阳周围的恒星密度高几十倍。同一个球状星团内的恒星具有相同的演化历程，它们属银河系中早期形成的恒星，有约100亿年了。球状星团在银河系的分布也呈球状。在银河系中己发现约130个球状星团。最大最亮的球状星团是位于半人马座内的ω星团，相当于3等星的亮度，它距我们约1．6万光年。武仙座中的球状星团，在天文望远镜中犹如一朵盛开的菊花。它由约250万颗恒星组成，距我们约2．5万光年。120半人马座内的ω星团（NGC5139）

南天肉眼可见。在50光年直径的范围内有一百万颗以上的恒星。121武仙座中的球状星团NGC6341（M92）122人马座球状星团NGC6522和65281236、星云和星际物质

星云恒星之间具有广阔的空间。充满了形形色色的物质。这些物质包括星际气体、尘埃、粒子流、宇宙线和星际磁场等，统称为恒星际物质。这些星际物质的分布是不均匀的。有的地方气体和尘埃比较密集，形成各种各样的云雾状天体。这些云雾状的天体就叫星云。124“星云”这个名词仅有200多年的历史。起初把观测到的弥散的云雾状天体统称星云。后来天文望远镜分辨率的提高，把这些星云又分成星团、星系和星云三种类型。银河系中的气体尘埃密集的云雾天体，称为星云；银河系以外，类似银河系的天体系统，叫星系。银河系中的星云物质，就形态来说，可以分为弥漫星云、行星状星云和超新星剩余物质云；就发光性质来说，可分为发射星云、反射星云和暗星云。125猎户座大星云

126猎户座大星云

127弥漫星云从外形上看，弥漫星云没有明显边界，常常呈不规则形状。平均密度在每立方厘米10～100原子。弥漫星云的总质量有大有小，主要分布在银河系内的银道面附近。弥漫星云又分为亮星云和暗星云，亮星云又分为反射星云和发射星云。著名的猎户座大星云（M42）就是亮星云。著名的弥漫星云中还有礁湖星云（M8）、鹰嘴星云（M16）、马蹄星云（M17）、三叶星云（M20）和玫瑰星云等。弥漫星云中的暗星云有猎户座马头星云等。

128礁湖星云（M8）

位于人马座，是银河上最亮的部分之一129鹰嘴星云（M16）

200万年前形成的星团NGC6611，激发了气体氢云。星云中的尘埃形成了气体星云明亮背景上的暗条130马蹄星云（M17）

红外波段合成彩色图像

131三叶星云（M20）

气体星云发出红色的光被尘埃遮挡将星云分成三瓣,星云的一边有较多尘埃反光,看起来发蓝132玫瑰星云

星云中的星团NGC2244，吹开气体，使星云看起来像一朵玫瑰花133马头星云

暗星云遮住了后面的星光，在明亮的气体星云的背景衬托下，我们看到了它的轮廓134行星状星云行星状星云与弥漫星云不同，它们呈现出边缘清晰的小圆面。在行星状星云的中央有一颗很亮的恒星，恒星周围的环不断向外膨胀扩张。可见，行星状星云的寿命不会长久。目前已发现1300多个行星状星云。它们的质量一般在0.1～1个太阳质量之间。著名的行星状星云有天琴座环状星云等。行星状星云属恒星晚年的结局。135其他河外星系中也有行星状星云。如仙女座星系中就已发现300多个行星状星云；大麦哲伦星系中发现400多个行星状星云；小麦哲伦星系中发现200多个行星状星云。

环状星云是一颗很有名的行星状星云，它的中心星是一个接近演化终点的白矮星，温度有十万度，而密度非常高。136环状星云

中心星喷出的气体形成了行星状星云137螺旋星云NGC7293

半度大小，有多重气体壳。蓝光来自氧的发射线，红光来自氮和氢138行星状星云Henize1357（空间望远镜图像）

过去几十年地面的观测显示它从一个恒星变成行星状星云1397、银河系

夏夜星空中从东北向南横跨天空的银河，宛如奔腾的急流，一泻千里。著名的中国民间传说牛郎织女的故事，就描述了人们对银河美妙的遐想。银河是由1000多亿颗恒星组成的一个透镜形的庞大的恒星体系，我们太阳系就在这个体系之中。我们从太阳系向周围看，就会看到盘状的边缘部分呈一带形天区。这个天区的恒星投影最密集，这就是我们看到的银河。这个庞大的恒星体系也由银河得名，叫银河系。

140认识银河系如果说地球的家是太阳系，那么银河系就是太阳之家居住的巨大恒星岛。人类对这座“岛”的认识，首先还是从认识恒星开始，逐渐把恒星和银河连在一起进入宏观构想。1750年，英国天文学家赖特（Wright）发表了《宇宙的新理论》一书。他根据银河状况，推测恒星系统的空间分布不是在所有方向都对称的，很可能是扁平的，银河可能是这个扁平的恒星体系在长轴方向的星群密集外观。这是最早认识银河和银河系的人。141英国天文学家威廉.赫歇耳，1785年，绘出一幅扁平状的银河系形体，认为太阳系居于银河系中心区。这是第一个证实了比太阳系更高一层次的巨型天体系统的存在，具有划时代的意义。1918年，美国天文学家沙普提出太阳系不在银河系中心，而是在银河系边缘的人马座方向。1926年，瑞典天文学家林得布拉德分析出银河系也在自转，把对银河系的认识大大向前推进了一步。1927年，荷兰天文学家奥尔特证明银河系确实在绕中心自转，同时说明银河系的整体不是固体。142银河系的真面貌

外形是一个中间厚，边缘薄的扁平盘状体。银河系的主要物质都密集在这个盘状结构里，称为银盘。银盘是银河系的主体，从正面看犹如急流中的旋涡形，从侧面看类似一个投掷的铁饼。银盘的直径约8万光年，中央厚约1万光年，边缘厚约3000～6000光年。太阳位于银盘的边缘，距银心约3．3万光年，在银道面以北约26光年。

143银盘外面由稀疏的恒星和星际物质组成一个球状体，包围着银盘，这个球状体叫银晕，银晕直径约10万光年。银河系的总质量约1400亿个太阳质量，其中恒星的质量占总质量的约90％，星际物质占约10％。银河系中心为一个球状体，这个球状体有剧烈的活动，有大量气体从银心向外扩张着。银心是一个很强的射电源和高能辐射源，银心的质量约相当于几百万个太阳质量。

144银河系结构示意图上图为俯视图，图中的十字符号代表银心，三个短黄线条是太阳附近的三条旋臂；

下图为侧视图，图中的红点代表太阳145银河系的可见光全天图146银河系的红外全天图147银河系的21厘米(中性氢)射电全天图

148关于地球的起源，中国古代就有盘古开天辟地的神话；在国外，则流行着上帝耶和华创造太阳、地球的说教。直到18世纪，人们才开始科学地探索地球的起源。第二节、地球的起源149

康德-拉普拉斯星云说1755年，德国人康德发表了《宇宙发展史概论》，提出了地球和太阳都是起源于宇宙空间星云物质的新的假说--星云说。康德的这一学说第一次提出了地球是物质的。并把地球的形成归因于星云物质引力和斥力这一对矛盾；同时，他还指出了地球既不是生而有之的，也不是万古长存的。这些观点得到了恩格斯的赞赏。一、各种学说简介150半个世纪后，法国天文学拉普拉斯发表了《宇宙体系论》，独立地提出对太阳系起源的看法。他认为，太阳系是由一团气体星云形成的。形成太阳系的物质，是一团炽热的气体。这一假说同康德的假说，虽然具体说法上有所不同，但二者都认为太阳系起源于弥漫物质(星云)。因此，后来把这两个假说统称为康德-一拉普拉斯星云假说。星云假说比较完满地解释了太阳系的基本特征。目前已经观察到的事实，也与星云假说基本符合。151

“太阳系的星球的物质，在初时都为大量基本微粒，充满整个的宇宙空间，现在已形成的星体就在这空间中运转”。他认为是万有引力的作用，使这些原始弥漫的星云物质逐渐分别凝聚，形成了包括地球在内的太阳系的各天体。152153154

在200多年后的今天，星云说仍然被相当多的科学家所认可，但也暴露了不少不能自圆其说的新问题。另外，前苏联天文学家沙弗洛诺夫还认为，地球所以侧着身子围绕太阳转，是地球形成一亿年后被一颗直径1000公里、重量达1012亿吨的小行星撞斜的……155斯密特俘获说：原始太阳随银河系公转，在经过有大量星际物质弥漫的空间时，将它们引在周围，成为行星的物质来源的，用外来物质形成包括地球在内的九大行星。156157布逢碰撞说：银河系中一颗快速运动的恒星撞击原始太阳，溅起大量物质成为行星的物质来源的，积聚形成包括地球在内的九大行星。158159金斯潮汐说：在另一颗恒星经过太阳旁边时，把太阳物质吸引出来形成一条状星云，后来此条状星云在环绕太阳旋转中，分裂凝聚增大密度而成行星。太阳太阳外来星160三、地球圈层的形成

尘埃向中心聚集的过程中，由于引力的作用，体积收缩，压力加大，会释放出大量的热量。放射性元素的蜕变和陨石的撞击，也都要放出热能。地球物质处于热的熔融状态。地球内部圈层的形成：161162

重力的作用与高温的影响，地球里面的物质发生部分熔融，使重者下沉，轻者上浮，出现了大规模的物质分异和迁移，形成了从里向外，物质密度从大到小的圈层结构。铁和镍比较重，向中心聚集－地核。较轻的硅酸盐物质形成地幔和地幔之上的地壳。163164

最初大气圈的成分主要是水蒸汽，还有一些二氧化碳、甲烷、硫化氢和氯化氢等。直到距今38亿年前，地球上的大气仍是缺氧和呈酸性的。随着时间的流逝，地球上的温度逐渐降低（低于100°C），大气中的水蒸汽陆续凝结出来，形成广阔的海洋（水圈）。地球外部圈层的形成：165166

大约到27亿年前，游离氧在海洋中出现。绿色植物的大量繁殖，更加快了大气和海洋环境的变化，使其有利于高等喜氧生物的发展。到27亿年前生命加速发展，海洋中的生物迅速繁荣起来（化石证据较多）。167168地球的形成(影片00:00:58)169四、地质年代确定为追溯地球的历史，需要知道地质体的年龄，推算各种地质事件发生的时代。地质学家们已经研究出各种关于岩石和构造的相对和绝对年代测定的方法，以致可以把地质事件按年代顺序进行编排。一个岩石单位的相对年代是由它与相邻已知岩石单位的相对层位的关系来决定。绝对年龄是用距今多少年以前来表示，并且是通过某种岩石样品所含放射性元素测定的。170地质时间的早期估算

1658年，爱尔兰大主教厄谢尔（J.Ussher）认为地球诞生于公元前4004年，这个时间是以圣经里的纪年做为基础计算出来的，这是十八世纪晚期和十九世纪的地质学家所不能接受的。因为大多数地质学家，甚至包括维尔纳和布丰（Buffon）这样的水成论者也认为，地壳沉积岩的形成至少需要几万年。171172173174沉积速率：早在公元前五世纪，希罗多德（Herodotus）已对尼罗河三角洲进行了研究。他根据沉积物沉积的年速率推断，该三角洲必定有几千年的历史。后来，尤其在十九世纪末和二十世纪初，人们曾根据沉积岩最大厚度与沉积速率来计算地球的年龄。自从地球形成以来，估计已经沉积了厚33，000--100，000米的沉积岩，而沉积速率的估计变化相当大，每百万年从50--3000米。地球年龄估算结果是17至1584百万年。

175176海洋里的盐：早期人们曾试图根据海洋内的全部盐量与每年增加的盐量的比较来确定地球的年龄。这个方案是假设在地球历史上海洋开始的初期为淡水水体。估计海洋里含盐的全部总量为16×1012吨，而每年增加160百万吨盐（主要来自岩石及土壤风化和河流溶解所携带的盐）。用这种推论方法，地球的年龄大约是100百万年。但是这个计算没有考虑世界许多地方在沉积岩系中出现的大量盐。

177冷却速率：十九世纪，英国物理学家开尔文（L.Kelvin）根据地球的冷却速率确定地球的年龄为70百万年。凯尔文假设地球开始是从太阳抛出的一个熔融体，而且地球最初的温度是平均火成岩的熔融点。这个计算的错误在于开尔文假设地球内部不存在热的来源。因那时还不知道放射性衰变能释放大量的热能。178179相对年代的确定方法新老地层学方法：沉积岩的原始沉积总是一层一层叠置起来的，它们存在着下伏沉积一定早于上覆沉积的相对新老关系。180