专题五天体物理学与宇宙学.ppt

1、专题五 天体物理学与宇宙学,第一节 概述,一、重要概念,1.天文学：研究宇宙的观测科学. （天体的位置、运动、起源和演化）,2.天体：宇宙间一切物质集团。,（恒星、行星、卫星、慧星、流星）,3.光年：光一年走的距离，约1013km,光每秒绕地球7圈半, 太阳到地球只需8分钟,现收到的星光信号是天体过去某时刻发出的, 越远的天体，带来的是越久远的信息。,4.宇宙：时间和空间的统一体。 古中国：四方上下曰宇，往古来今曰宙 宇之表无极，宙之端无穷 天地，世界 古西方：cosmos秩序，完整体系 universe天地万物 目前已观测： 150亿光年的宇宙深处 看到150亿年前的宇宙历史,宇宙的主要成分

2、包括：星系、恒星和星团、星云（星际气体和尘埃云）。还有许多较小的成分，如行星、卫星、彗星和流星。除了这些天体和弥漫的暗物质外，宇宙还含有引力场及各种形式的辐射，如可见光、电磁波、X射线等等。,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%,二、宇宙概况,1.太阳系：太阳绕日天体,（1）太阳： 发光，炽热，气体球 表：6000K，中心：,占太阳系99%的质量 相当于33.3万个地球 直径=109 d地,（2）地球： 略扁，旋转，椭球体。 太阳系八大行星之一,（3）月亮： 地球唯一的天然卫星，离地最近的天体（除流星）。 M月=1/81 M地

3、，d月=27% d地。 本身不发光，反射太阳光阴晴变化 地貌：环形山（内陡，外缓，中平）,贝丽珠,环形山,阴晴,（4）大行星：八个,1624，1803，1983，2357,木土天海.,（5）小行星： 质量小，体积小 太阳系有千万颗（多在火木间） 总质量=0.04% m地 最大“谷神星”d=477km,（6）卫星和行星环：,卫星：绕行星运行,行星环： 木、土、天、海,水、金（0）， 地（1），其他（n）,（7）彗星： 绕日，云雾状，狭长天体 由陨石和冰状物组成（彗核、彗发、彗尾） 当彗星接近太阳时，冰状物蒸腾形成彗发和彗尾，彗尾形状如扫帚扫帚星,（8）流星和陨石,流星：绕日的小天体 ，偶然进入地

4、球大气，与大气分子摩擦燃烧，发光流星（流星雨） 陨石：未烧完的流星,（9）尘埃和自由电子云： 浮游在黄道平面内，散射太阳光黄道光,宇宙尘埃,2.银河系： 晴朗夜空中，横亘天际的明亮光带天河（银河） “河水清且浅，相去复几许？盈盈一水间，脉脉不得语”,昂星团,（1）恒星： 发光、炽热的气体球。 集中银河系90%以上的物质 “恒”？离地远，认为恒定不动！,2）星团： 恒星集团 太阳：孤居 大多恒星：群居成团,（3）星云： 稀薄气体+尘埃集合成团,（4）星际物质： 恒星、星云之间，更稀薄的弥漫物质 1H/cm3,3.河外星系（银河系同层） 星系：几十上千亿的恒星+星团+星云+星际物质 肉眼：仙女座离

5、银河系最近的河外星系,椭圆星系,漩涡星系,宇宙的主体是恒星。 星际物质微乎其微，重要！ ？ 恒星从诞生灭亡，不断搅拌星际物质 星际物质俘获了恒星的抛出物，在自引力下形成新的恒星.,宇宙：150亿 地球：50亿 人类：100万 中华文明：5000 人：100,位于仙女座的M31，是距离我们银河系最近的主要星系。它被认为是一个与银河系相似的星系，估计有10亿颗恒星。M31距离我们约2百万光年，目前我们对它的大部情况还不清楚。,M51是位于猎犬座的一个典型的旋涡星系，距离我们约2千3百万光年。M51直径约6万5千光年，是最明亮也最美丽的星系之一。旁边是另一个小些的星系，科学家推测M51的螺线结构与这

6、个小星系的重力作用有关。,哈勃望远镜拍摄的两个星系相碰撞的图像。 10亿年后，我们的银河系也将会与另一个星系相遇。,第二节 宇宙和恒星 的起源和演化,宇宙从何处来？到何处去？ 永恒？诞生死亡？ 人类对宇宙的认识,一、宇宙历史,1.古中国 盘古开天地，共工撞不周山，女娲补天,盘古开辟的天地是什么形状？ （1）盖天说： 天圆地方：天斗笠，地倒盘子 缺点： 不能解释日月星辰的东升西落,（2）浑天说： 天蛋壳，地蛋黄 日月星辰附着在蛋壳上绕地转动 进步：首次提出地是球形的,（3）喧夜说： 宇宙无边无际，日月星辰漂浮其中 进步：把星星从球壳上脱离出来,2.古西方： 圣经： 上帝创造宇宙，周日休息 地心说

7、： 亚里士多德：地球是宇宙的中心，其他天体绕地球不停运动。 日心说： 哥白尼：太阳是宇宙的中心，其他天体都绕着太阳转，月亮是地球的卫星。,亚里士多德,哥白尼,意大利： 布鲁诺： 太阳不是宇宙的中心，宇宙是无限的， 宇宙中存在多个世界，每个世界都有自己的中心。 违背罗马教廷的哲学思想，被火刑处死。,3.近代： 牛顿：宇宙是静止的 爱因斯坦：现代宇宙学，动态的、演化的宇宙.,二、现代宇宙学,相对论： 时间和空间是构成宇宙的要素，二者不可分！ 宇宙不是靠原始外力推动的， 而是内因产生的，是演化，发展的。 爱因斯坦：一生中最大的错事！ 事实：宇宙确实是膨胀的。,1.哈勃定律,所有的星系都在远离我们退行

8、 退行速度与距离成正，即越远的退行越快。宇宙在加速膨胀！ 宇宙的年龄：200亿年,哈勃在研究天体的退行速度与距离的关系时，联想到多谱勒效应。,结论,2.宇宙的特征,（1）宇宙学原理： 物质在空间分布是均匀、各向同性的。 （2）星系退行： 星系都在退行，距离越远V越大。 在任何星系上，看其他星系都是退行的。 （3）宇宙中氢和氦丰度：氢3/4，氦1/4,宇宙初期是温度极高、密度极大、体积极小的“奇点”。 爆炸！物质四散，空间膨胀，温度降低。 膨胀和冷却过程中出现星系、恒星、行星、生命。,3.大爆炸宇宙模型,（1）解释氢氦丰度：H 3/4，He 1/4,此期间，25%的H合成He 75%的H遗留H

9、3/4，He 1/4,（2）解释宇宙学原理：,（3）解释宇宙微波背景辐射： 大爆炸初期：高温，质子和电子都是自由的。他们大量散射光子。 30万年：温度下降，质子与电子结合成原子。光子不再被大量散射，遗留下来宇宙微波背景辐射。,（4）星系退行的解释： 大爆炸膨胀,三、恒星世界,90%,1.主序星： 恒星的青壮年期； 恒星在此阶段停留占寿命的90%； 向外膨胀和向内收缩大致平衡，体积不变； 恒星在主序星阶段的时间与质量有关： 质量大，光度大，耗能快，主序星阶段短。,2.巨星： 主序星以后，恒星进入老年期红巨星阶段 巨：体积大=10100太阳，红：表面温度低，发光偏红 虽T低，但体积大：总的光度高

10、红巨星的形成： 主序星：中心核聚变（4HHe），释放E，形成辐射压， 向外的辐射压=向内的引力，体积大致平衡 红巨星：H燃烧形成He，He增加，H减少。 聚变反应减慢，释放的E减少，辐射压减小。引力占上风！ 外层向内收缩，内部密度，压强，温度增大。 此时，He周围的H燃烧，向He核推进，导致内核收缩，外壳 膨胀，外层温度降低红巨星。,4.白矮星： 低光度、高密度、高温度的恒星。 白色、体积小白矮星，老年恒星。 红巨星以后，内部核能枯竭， 外部大量物质被抛散，最后剩下密实的核。,3.超巨星：最亮的恒星,四、恒星的起源和演化,1、恒星的形成： （1）星云阶段：,2.恒星的演化和归宿,（1）主序星阶

11、段： 大量燃烧HHe，直到H聚变不再进行，向红巨星转化。此后，随星核质量的不同，恒星取不同途径死亡,（2）红巨星阶段： 中心H烧完，压力引力，核开始收缩，中心T升高，核密度增大。 同时，外层得到核收缩释放的E，膨胀，形成V大，密度小，温度低，而光度很大的红巨星！,（3）超新星爆发： 红巨星后，核中心聚变停止，开始冷却，辐射压降低。 引力压力，导致整个星体向中心塌缩，内部温度大大提高。 内部在高温下爆炸，非常明亮，产生超新星！,超新星爆发是恒星死亡的一种形式，其结果： A.恒星瓦解成星云；B.抛掉大量物质，塌缩成白矮星、中子星、黑洞。,恒星的演化和归宿的大致过程,中子星：,中子，少量质子和电子

12、具有极强的磁场，且高速自转 只要磁轴和自转轴不重合，磁极就会周期性的扫过空间脉冲星。,黑洞： 当一颗超新星爆发时，恒星的核一般要塌缩成中子星，如果核的质量大于三个太阳，就形成黑洞。 具有超强的吸引力，一切物质只能被他吸收，无法逃逸，包括光！ 不可见！,第三节 天文观测的发展史,一、古代的天文观测,1.历法,（1）阴历（回历）： 根据月亮的圆缺变化周期制定的。 奇数月30天，偶数月为29天，12个月一年，共354天。 （2）阳历：根据地球绕太阳运动周期制定的。 （3）阴阳历：兼顾月亮绕地和地球绕太阳的运动周期而制定。,把年、月、日、时按一定法则安排，以便记录时间。,来自生产的需要：观察气候的变化。 古代计量时间：昼夜交替日；月亮圆缺月；四季变化年。,2.天象的观测,（1）古中国： 三垣四象二十八星宿 三垣： 紫微、太微、天市,（2）古埃及： 黄道十二宫,（3）古希腊： 88个星座,3.古代天文仪器,二、现代天文观测,看得见：暗弱天体 大口径+积累光子的设备 可看见比肉眼看暗107108的天体,看