当代天文学新视野1

天文学概论IntroductiontoAstronomy济南大学理学院梁伟第九部分当代天文学新视野一、宇宙的起源

1、大爆炸宇宙学

2、宇宙稳恒说

3、3K宇宙背景辐射的发现（1965年）二、哈勃望远镜给天文学带来的新进展

1、哈勃望远镜简介

2、哈勃望远镜辉煌成果的意义三、地面上最大的望远镜

凯克望远镜四、各学科与天文学双向渗透、结合的意义五、宇宙探索永无止境宇宙大爆炸理论

宇宙从一个奇点由大爆炸开始，早期温度极高，（100亿度以上，）物质密度极大，只有中子、质子、电子、光子、中微子等基本粒子。整个体系在不断膨胀，温度快速降低，降至10亿度时开始形成基本元素（氢和氦），降至100万度时形成一些较轻的元素，降至几千度时形成星云，……宇宙稳恒态理论

这种理论的倡导者认为：爱因斯坦证明了宇宙是一个四维时—空连续体．因此，宇宙学原理应该表示为：宇宙形象与观测者所处的时间和空间无关．也就是说，除局部和很小的差异而外，无论观测者在何地和何时——在哪个天文时期进行观测，宇宙显得都是一样的，总的看来，不论在50亿年以前还是以后宇宙的样子都应是相同的．固然，一些恒星会已诞生和死亡，各个星系会发生了变化，但宇宙的整体在空间和时间上是始终保持不变的．

换句话说稳恒态理论主张宇宙从未有过开始，或者更确切地说，宇宙乃是处于连续的创造过程之中．当宇宙膨胀时，总体的密度减小，但是密度存在一个下限值，当密度接近于这个下限值时，便会创造出更多的物质来使密度再次增高．因此，当宇宙不断地膨胀时，新的物质便接连创造出来以填补隙．新形成的物质就是构成星系团的氢．每个新星系团将随着宇宙的不断膨张而逐渐衰老以至死亡，但又形成了新的星系团．新星系形成，老星系衰亡，但宇宙的总密度始终不变，并且总是存在有各种年龄的星系．3K宇宙背景辐射的发现

1964年美国科学家彭齐亚斯和R.W.威尔逊发现了背景辐射3.5K，1965年又修正为3K.

该发现支持了大爆炸宇宙学彭齐亚斯和R.W.威尔逊获1978年诺贝尔物理奖星系的红移

哈勃发现的红移现象对人类认识字宙由重要的作用基本特征：(1)除我们的本星系群而外，所有的星系都具有红移光谱．如果用多普勒位移原理来解释，就只能得出所有星系都在背离我们而去的结论!(2)星系离我们越远．红移量越大．退行速度随距离的增大而增加．(3)退行速度能够接近光速．天文学家们普遍认为，用视向速度来解释它是最有说服力的．这一解释的直接推论，是宇宙正处在膨胀之中．于是，红移一词使成了宇宙膨胀的同义词．

宇宙学距离1.哈勃定律的发现

1924年，美国天文学家哈勃证实河外星系的存在。

1927年，哈勃发现河外星系普遍存在谱线红移，且星系距离和红移量成正比：D=Cz/H0C－光速，z＝△λ/λ－红移，H0－哈勃常数这就是哈勃定律。如果把红移解释为星系的视向退行速度Vr=Cz，则定律表明离我们越远的星系退行速度越大。结论是宇宙正在膨胀，从而支持大爆炸宇宙论。2.测定哈勃常数的困难哈勃公式中红移z=△λ/λ为观测量。要确定哈勃常数H0，必须对遥远星系（比如100Mpc或更远）的距离作精确的绝对测定，而这一点十分困难。通常认为H0的范围是50－85km·s-1·Mpc-1。

有时写成H0＝100hkm·s-1·Mpc-1

其中h=0.5-0.85，为一无量纲常数。定义哈勃时间t0=D/Vr=H0-1

则在t0时间前所有星系必位于同一点。所以一旦确定哈勃常数便可以估计宇宙的年龄。3.哈勃定律的应用一旦确定了哈勃常数，便可以通过测定红移，利用哈勃定律来得出非常遥远星系的距离，称为宇宙学距离。这是相对测定的结果。6.关于宇宙的年龄问题宇宙年龄的估计取决于哈勃常数H0。

如取H0＝50kms-1Mpc-1，则t＝200亿年；如取H0

＝85kms-1Mpc-1，则t＝118亿年。这里还只认为宇宙是匀速膨胀，而不是大部分人认为的减速膨胀。如果承认宇宙是减速膨胀，则上述年龄还要小。另一方面，根据恒星演化理论可知最年老球状星团的年龄约为120亿年。宇宙年龄必然老于宇宙中最年老天体的年龄，这是必然存在的事实。一旦发生矛盾：（1）H0测定结果不准确；（2）宇宙是否确实在减速膨胀；（3）恒星演化理论可能存在问题。这是摆在天文学家面前的一个重要课题。通常人们不大怀疑恒星演化理论，而是花大力气去准确测定H0

，以及研究宇宙的整体运动状态。关于宇宙膨胀的趋势，取决于宇宙中物质的平均密度ρ0。

在最简单的宇宙模型中，理论上存在所谓临界密度ρcρc＝3H02/8πG＝1.88×10-26h2kgm-3（1）如果ρc<ρ0

，表明宇宙中有足够的质量，引力最终会使膨胀停止，并随后使整个宇宙坍缩，终结于宇宙大坍缩，这叫闭宇宙。（2）如果ρc>ρ0

，表明宇宙中物质的引力作用不足以使膨胀停止，宇宙会一直膨胀下去，称为开宇宙。（3）如果恰好有ρc

＝ρ0，宇宙仍会不停膨胀下去，但膨胀速度会越来越小，并以渐近方式趋于零，称为临界宇宙。由于关键在于ρ0的测定，而这又涉及所谓暗物质。二、哈勃望远镜给天文学带来的新进展

1、哈勃望远镜简介

2、哈勃望远镜辉煌成果的意义

对河外星系的认识对恒星早期形成的认识对恒星晚期演化的认识

行星状星云黑洞万维网上看哈勃

宇宙年龄是多少？它到底有多大？它的命运是什么？行星，恒星，以及星系从哪里来？我们在这个世界上是孤独独的吗？科学家们正在利用美国航空航天局发射的哈勃空间望远镜来试图回答这些古老的问题，这些问题已经困扰了人们数世纪了。现在，连接在网际网上的任何人都可以通过万维网去访问一个名为“HST：宇宙的新视角”的科普网站。该站点的网址为http://

而哈勃望远镜的官方科学站点是http://.

Credit:NASA/STScI,C.Gundy(STScI)andD.Savage(NASA)2001-02-08最远的天空最远的天空哈勃望远镜拍到的最远的天空，距离150亿光年恒星生命的循环NGC3603眨眼睛星云——NGC6826眨眼睛星云－NGC6826

这是哈勃太空望远镜拍摄到的一个行星状星云。类似太阳大小的恒星死亡后，其中心继续向内收缩，而外层气体则向外膨胀开来，形成一个大小可及整个太阳系那么大的气体星云。人们最早用小望远镜认识这类星云时，发现他们的形状很象行星，所以称之为行星状星云，现在在星空中已发现了大量这类星云，他们在大望远镜拍摄的照片中显得十分漂亮。

这个星云被昵称为“眨眼睛星云”（BlinkingEyeNebula），事实上，它的存在时间顶多1万年，相对于一个恒星长达100亿年的长寿命来说，这一点时间确实就象“一眨眼”那么短暂。

大麦哲伦大麦哲伦大麦哲伦云（星系）超新星1987A的神秘环状结构蚂蚁星云

行星状星云M18沙漏星云伽里略手制的折射望远镜牛顿手制的反射望远镜早期的折射望远镜上海天文台1.56米光学望远镜北京天文台2.16米

光学望远镜云南天文台1米

反射望远镜

SDSS(SloanDigitalSkySurvey)主镜（左后方),此望远镜位于美国新墨西哥州南部中心的萨克拉门托山峰的顶部，海拔2804.2米。图中右前方为望远镜辅助建筑凯克(keck)光学望远镜

座落在夏威夷蒙纳基亚山上的两个10米光学望远镜位于美国夏威夷蒙纳基亚山上的

8米Gemini光学望远镜（CFH)3.6米光学望远镜加拿大－法国－夏威夷(Canada-France-Hawaii）合作。1979年建成，位于夏威夷上海天文台25米

射电望远镜乌鲁木齐天文站25米射电望远镜位于距乌鲁木齐市70公里的南山上，海拔2080米。北京天文台密云观测站的射电望远镜天线阵305米射电望远镜美国阿雷西博天文台(AreciboObservatory)的位于波多黎各阿雷西博64米射电望远镜澳大利亚国家射电天文台(AustralianNationalRadioAstronomyObservatory)的64米射电望远镜,位于新南威尔士州帕凯斯德国100米射电望远镜英国焦德雷尔班克

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最近澳大利亚天文学家发现涡旋状的银河系有一个巨大的、向外伸展的旋臂。科学家对于以前竟