天文学及现代宇宙观.doc

第二讲 天文学及现代宇宙观世界上最浩瀚的是海洋比海洋还浩瀚的是星空世界上有两件东西能够深深地震撼人们的心灵，一件是我们心中崇高的道德准则，另一件是我们头顶上灿烂的星空。仅仅是抬头看看那深蓝色镶满宝石的穹庐，已足能让我们的心灵深感震撼，并让我们开始对人生进行思考。 _康德微观介观宏观宇观量子力学经典力学天体物理第二讲 天文学及现代宇宙观1 天文学概述一、几个重要概念1、天文学研究宇宙及其中各种天体的位置、运动、结构和演化规律的科学。2、宇宙时间、空间、物质与运动的统一体。 淮南子：“四方上下曰宇，往古来今曰宙。”3、天体星云、恒星、行星、彗星和人造天体4、光年长度单位，1光年=1016米意义：表征天体间的空间距离； 表征携带信息的时间历史。光1秒钟可以绕地球运行7圈，光从太阳传到地球只需要约8分钟。我们懂得天外有天，还有许多和我们地球相似的星球住有居民，受到崇拜，我们就不会对地球上称之为伟大的东西赞不绝口，也就会藐视大多数凡夫俗子所津津乐道的区区小事。 惠更斯假若升上地球之颠，从高往下观察，就可以明白，造物主究竟把我们这小小寰球变成了什么模样。这样，就像要远足旅行的人一样，我们就会更加清楚出发前该做些什么准备，也就会更准确地估计和评价旅途中的一切。此外，假如天体系统尺度：天体系统质量：1、太阳系以太阳为中心，以及由它的引力支配而绕它运动的天体所构成的系统。太阳系中的天体定义为三类，即：行星、矮行星和“太阳系小天体”。（1）太阳银河系中一颗普通恒星直径约1.510-7光年，表面温度6000K,中心温度1.5107K, 质量相当于33.3万个地球日珥、太阳黑子、米粒组织太阳黑子 黑子的重要特性是它们的磁场强度，黑子越大，磁场强度越高，大黑子的磁场强度可达4000高斯太阳黑子活动呈周期出现，在黑子群周围常出现耀斑，发出的辐射和粒子同地球磁场和电离层相互作用会使地球上的短波无线电通讯中断并出现极光。太阳黑子其实并不黑，只不过由于它比周围的温度低，看起来显得黑些罢了。“日出黄，有黑气，大如钱，居日中“汉书五行志太阳风地球的磁场盾牌被吹扁了。（2）水星（mercury）-神行太保1年=88天，1天=58.6天水星无大气，与月球相似，表面有环形山，没有卫星。水星近日点的进动：勒威耶-水星内侧有一颗行星？爱因斯坦广义相对论。R=0.37R地、M=(1/19)M地、r=5.8g/cm3、V=0.056V地T=180430度（3）金星（Venus）美（爱）神金星凌日测量日地距离启明星东升长庚星西落金星大气稠密（地球的90倍） 96%二氧化碳（温室效应480C）， 3.5%氮，二氧化硫、一氧化碳、气压8.9106帕太阳从西边出来，1年=225天，1天=247天R=6052公里、M=0.81M地、r=5.1g/cm3、V=0.88V地T=180430度地球的内部结构:地球的半径：平均6370千米地球的外衣：地壳（平均厚度33千米）地球中间层：地幔（平均厚度2800多千米）地球的核心：地核（内核、外核）（4）地球: 一颗大行星, 年龄约40 50 亿年人类起源：100万年中华文明史：5000年以上月球离地球最近的天体，地球唯一的卫星表面无大气，布满环形山，本身不发光，直径3476km， 距地球38.4万公里。若无陨星撞击，12名宇航员的脚印将留存50万年。（5）火星（Mars）战神类似地球的行星：有自转、公转、四季、日夜、固定形态、大气、冰雪覆盖的两极，有两颗卫星。1年=687天，1天=1.026天火星上有生命吗?近30年来已发射了30多只探测器(30%的成功率):水手9号、海盗1号、2号、火星探测者号（1994年7月4日）、 美国：2003年火星表面取样 2011年宇航员登陆火星R=0.5R地、M=(1/10)M地r=3.94g/cm3、V=(1/6)V地火星表面无江河湖海、无动植物、无生命迹象。火星大气95%二氧化碳、2.5%氢、1.5%氩、0.01%水蒸气。大气压600帕火星尘暴频繁1971年水手9号探测器到达火星上空时，火星正发生全球性尘暴，针头班大小的尘粒被带到50公里的高空，因而未探的有价值的信息，这次风暴持续了3个多月。巨大冰层惊现火星2002年3月美国宇航局推进实验室宣布“火星奥德赛”号飞船发现，火星表面附近有巨大冰层。（6）木星（Jupiter）罗马众神之王M=318M地、 r=1.3g/cm3V=1317V地1年=11.86年1天=0 . 41天木星大气88%氢、11%氦、氨、甲烷、一氧化碳、水蒸气、 木星有光环、有18颗卫星木星大红斑木星大气湍流（7）土星（Saturn）农神M=95.18M地、 r=0.7g/cm3V=745V地、D=9D地可以浮于水上的星球美丽的土星光环由冰、泥土、石块等绕土星旋转形成，环与环间的缝称为卡西尼缝大气氢、氦、氨、甲烷等表面温度为 -140C土星卫星23颗（8）天王星（Uranus）躺着旋转的行星威廉赫歇尔的故事：M=15M地、 r=1.2g/cm3V=64V地、D=4D地天王星有5颗卫星1年=82年、1天=0.7天大气氢、氦、甲烷等1781年3月13日发现天王星（9）海王星（Neptune）笔尖上的发现亚当斯英国剑桥学生1845年算出海王星的存在。勒威耶法国技术学校助教1846年算出海王星的存在。引发两国长达数年的辛酸笔战。大气甲烷、氢、氮、氦、氨等，温度月-200CD=3.9D地、 r=2.1g/cm3V=57V地海王星有2颗卫星。（10）冥王星著名天文学家弗拉利翁言中：你以为一切都发现了吗？那真是绝顶的荒谬了；这无异把有限的天边当做了世界的尽头。1年=248年，被发现70年了。D=2300公里、 M=0.0024M地V=0.01V地九星连珠：由于大行星绕太阳运动的轨道大小、速度各不相同，它们很难聚集在以太阳为中心的扇形区域内。这是1982年出现的九星连珠现象彗星: 围绕太阳运行或行经太阳附近的云 雾状 天体，由慧核、慧发、慧尾组成陨石:流星体进入地球的大气层中一般都能完全燃烧气化，只有较大的流星体燃烧不完，可以陨落到地面上而被称为陨星。90%为硅酸盐矿物的石陨星称为陨石。吉林1号陨石是目前世界上最大的陨石，重1770千克。于1976年3月8日陨落在吉林省内。3、银河系扁平铁饼状结构，直径达10万光年，3000亿个恒星 + 星团 + 星云太阳距银河系中心约3.3万光年银河系全景壮丽的银河 银河系的侧面4、河外星系距银河系200万光年的仙女座星系星系NGA4946典型的涡旋星系除肉眼可见的大麦哲伦星系，小麦哲伦星系外，还有其他形状的星系，如椭圆、棒旋、不规则星系等，目前，已观测到的星系约500个。 5、星团 由众多恒星集中在一个较小的空间内、相互有物理联系、在天空中形成稠密的集团。著名的积尸星团、昴星团、毕宿星团等。6、星云 天空中云雾状的天体，有的亮，有的暗，呈现各种美丽的形状与图案。半人马长蛇座星云气体星云玫瑰星云马头星云猎户座旋涡星云MSI2 宇宙和恒星的起源和演化一、宇宙学的历史中国古代：天圆地方，不能解释日月星辰的东升西落。盖天说浑天说宣夜说宇宙无边无涯，空间到处有气体日月星辰浮于其中。天是蛋壳，地是蛋黄。西方：圣经上帝7天创世纪发现世上罪恶滔天毁灭，只留下诺亚（方舟）托勒玫地心说哥白尼日心说牛顿力学爱因斯坦相对论统一了时、空、物质、引力和运动对天体物理学和宇宙学有重要贡献的科学家二、大爆炸宇宙模型宇宙学研究宇宙整体模型，及其合理性、可能性可观测宇宙局部时空和物质运动性质目前，尚无绝对公认的理论和对观测的解释。宇宙物质的相互作用力是引力，其研究的理论基础是引力理论。牛顿引力理论荒谬的结论爱因斯坦广义相对论宇宙学的动力学基础1、天文学历史上的三次飞跃(1) 行星层次 连结开普勒定律的飞跃(17世纪)弟谷: 积累大量资料,达到前所未有的观测精度开普勒：发现开普勒行星运动三定律，适用于所有 行星的运动，给出行星理论的约束条件。牛顿：将地面物体力学规律应用于天体运动，实现 物理学的第一次大综合。世纪之交话天文王绶琯上海科教 （2）恒星层次连结赫 - 罗素的飞跃1905 赫茨普龙：1913 罗素：发现恒星表面温度与恒星光度之间的关系，将纷杂现象纳入统一模型，给出恒星理论的约束条件：第一，所有恒星最初均由氢、氦为主的原始气体凝聚而成；第二，发生在恒星核心的核聚变制约恒星演化过程。各恒星的区别：原始质量不同，“年龄” 不同。（3）星系层次 连结哈勃定律的飞跃（20世纪）1929年，发现所有星系的光谱均有红移现象，红移量与距离 r 成正比。将红移量折合成星系的运动速度：哈勃常数：2、宇宙的大尺度特征（1）宇宙学原理 宇宙在大尺度上空间分布均匀和各向 同性，物理量和物理规律是相同的。（2）星系退行 宇宙是非静止的、动态的变化的。但银河系并非宇宙中心该原理表明，宇宙中任一空间位置对于描述所有的物理现象都是平权的3、大爆炸宇宙模型现代理论认为宇宙起源于一次大爆炸。大爆炸前全部粒子处于高温、高压、高密度状态。只有质子、中子、电子、光子、中微子、p介子、m子、超子基本粒子汤热平衡状态，持续约1分钟。“大爆炸”启动了宇宙膨胀，后因膨胀、降温演化成了现在的宇宙。1分钟到20分钟内温度降低宇宙早期元素：氦（2中子+2质子）25%爆炸后50年内，由于物质密度大，光子还不能自由运动。爆炸后100万年左右，温度下降为几千度，电子+质子形成氢原子，形成宇宙物质阶段。此时光子可以自由传播。在爆炸后50亿年左右，氢和氦凝聚形成星系、恒星、行星等宇宙天体。支持大爆炸宇宙学说的主要实验事实：（1）对宇宙中氢氦丰度的解释利用基本粒子理论计算得，爆炸30分钟后，温度降为3*108K，约有1/4的质子转变成氦原子核并一直遗留到现在。该结果与观测结果基本符合；同时很好地解释了为什么各星系氦的丰度奇妙地相似。宇宙中氦的丰度（3）微波背景辐射（2）对宇宙学原理的解释1965年，彭齐阿斯和威尔逊发现了消除不掉的各向同性的微波段的噪声辐射。1989年，COBE对微波背景辐射测量的结果，非常精确地符合温度为2.2710.010K的黑体辐射谱。（4）天体的年龄大爆炸学说计算出的宇宙年龄 150200亿年。目前各种方法测定的天体年龄 50110亿年，且均小于宇宙年龄。符合大爆炸学说逻辑。我们目睹的这种宇宙膨胀是否会无限地进行下去？三种膨胀宇宙开宇宙：无限伸展且永远膨胀闭宇宙：有限，最终往回收缩到一次“大塌聚”临界宇宙：无限大，永远膨胀问题：膨胀率时 间其它物理参数宇宙的起源（英 约翰. D. 巴罗）: 关于我们的宇宙，最不可思议的事情之一，就是它目前正以及其接近于临界状态的方式膨胀着。如果膨胀速度大于临界状态，引力就永远不能将局部的物质岛拉到一起,形成星系和恒星，从而也永远不会产生构成生命的构件。如果膨胀速度小于临界状态，在积累足够的时间以供恒星形成、爆发、并创造出生命物质的部件之前，他的膨胀就将逆转为收缩，那又是一个不能产生生命的宇宙。三、恒星的起源及其演化1、恒星分类主序星恒星一生的主要阶段。其光度和表面温度与质量成正比；存在时间与质量成反比；燃烧氢生成氦。巨星恒星演化的晚期阶段。当主序星中心随氢燃烧成氦，温度变低而形成。超巨星最亮的恒星。年轻的、演化迅速的大质量恒星。白矮星低光度、高密度、高温度的恒星。恒星的老年阶段，核能接近枯竭，内温极高，爆发后余一高密度核而成。2、恒星的起源星际空间稀薄物质由于涨落分裂成团块，并在引力作用下凝聚成弥漫星云，经快收缩和慢收缩阶段成为“星胎（原始恒星）”。再经过几千万到几亿年的收缩中心温度达1000万K，氢燃烧的核反应提供足够的能量是内压与引力处于相对平衡状态。3、恒星的演化和归宿高温高压核聚变辐射能量、消耗核燃料(氢-氦)，燃料用完，内压减小，引力引起塌缩，外部聚变成碳、氧、氖、铁（结合能最大的核子），内部引力压缩将原子压碎，变成中子核，同时引力使外围物质向内坍缩，与内核区相撞，产生极强的巨大激波，使恒星增亮为太阳的100亿倍超新星爆发。 1054年超新星爆发后的蟹状星云超新星爆发带来积极的一面： 恒星外层加热，进一步核聚变产生金、铅、铀等元素，连同早期产生的碳、氧等抛出，与其它碎片混合，产生下一代恒星和行星。4、白矮星、中子星、黑洞白矮星原子态（超固态）的物质组成。一般物质宏观状态下是致密的，但微观状态下却是空虚的，犹如一个足球场上只有一两个足球。在万有引力的作用下恒星要收缩使物质原子一个挨一个成为原子态或超固态白矮星。什么样的恒星会演化成白矮星？M=0.41M日 R=1/401/100R日 r =105g/cm3M 1.2M日 的恒星将演化成白矮星。星际星云原始恒星主序星红巨星超新星爆发（或白矮星）黑洞（或中子星、星际物质）中子星当恒星质量1.2M日 M 3.2M日时,中子星状态也无法维持恒星的平衡，恒星将继续收缩，直至形成致密的、引力极大的、连光也无法逃脱的天体。1968年韦伯声称接受到银河系中央的引力波信号；2000年10月26日,美麻省理工学院由美国宇航局“钱德拉”X射线望远镜观测到X射线爆持续了3个小时，期间有10分钟减弱消失，是射线穿过黑洞区域的证明,该区域不超过1.5亿公里，质量260亿万个太阳。X射线由黑洞吞噬彗星形成。人类对黑洞的认识过程在1796年，法国天文学家拉普拉斯在他的著作宇宙体系论中就预言：如果它引力足够强，光速也不足以成为逃逸速度的话，我们可能会看不见它。宇宙中最大的天体可能是完全看不见的，这种观点是建立在牛顿引力理论基础上的，当时没有任何办法能够验证他的想法。直到100年后，爱因斯坦发表了广义相对论，它在基本概念上与牛顿引力理论完全不同。在广义相对论中，空间和时间构成了一个四维时空，时空的几何性质与物质，通过爱因斯坦引力方程联系起来，物质是引力的源，也决定了时空的弯曲。广义相对论发表后不久，德国天文学家史瓦西立即对球对称的情况求出了爱因斯坦引力方程的解。按照这个解，质量为M 的不旋转的球形天体存在一个临界半径Rg ，半径内外时空性质迥然不同，而Rg 定义为引力半径或史瓦西半径。同以前的拉普拉斯一样，他也不知道这种天体是否真地存在。这个问题直到1939年才得到证明，当时奥本海墨和一个学生共同证明：一颗冷却的、质量非常大的恒星，理论上必然要无限坍缩而变成黑洞，即黑洞可能是真实的天体。黑洞的性质：黑洞无其他天体的性质，无磁场、无射线爆、无物质结构、黑洞无毛定理黑洞的全部性质可以用质量、角动量和电荷这三个量（三根毛）描述。黑洞可以辐射（蒸发）黑洞辐射是一种量子效应。黑洞的形成目前认为黑洞是质量达太阳数十倍的巨型星球在其生涯的最后一刻发生大爆炸后形成的。在恒星内部的高温高压条件下，原子核进行着强烈的聚变反应，这种热核反应释放出来的核能与聚向中心的引力相抗衡，使恒星维持着稳定的状态，同时向外界辐射出巨大的光能和热能，时间长达几十亿、几百亿年。但稳定的热核反应不可能永远持续，当热核反应不能稳定进行时，恒星就走向毁灭。衰老的恒星如何演变，取决于剩下的星核的质量。其中，小质量和中等质量星核的恒星将成为白矮星；而当剩下的星核的质量达到太阳质量的14倍时，其引力足以把星核内的原子压缩到使电子和质子结合成中子的程度，此时星核就成了一颗中子星；而当星核质量超过太阳质量的23倍时，再不会有任何力能够与引力抗衡，星体将不可避免地一直坍缩下去理论上，最后成为体积为零、密度无穷大的点。需要说明的是，以上黑洞的形成过程目前还只是天体物理理论的一种推测。史瓦西半径任何天体都存在一个临界半径，即史瓦西半径Rg。在Rg的里面，时空弯曲得非常厉害，以致光都不能逃逸出来。按照狭义相对论：光速是任何物体可能达到的最大速度，因此也就没有任何别的物体能从史瓦西半径以内的区域逃出。史瓦西半径的数学表达式为Rg=2 GMc 2(1)其中c为光速，G为牛顿万有引力常数， M为质量。从这个数学表达式，我们可以看到史瓦西几何所具有的普遍性，因为它与恒星的类型无关，而只依赖一个参数质量。因此按照公式(1)可以计算任何一个球形天体的史瓦西半径的大小，比如太阳。像太阳这样质量的恒星，带入公式后算出史瓦西半径大约为295千米，即如果太阳被压缩进直径59千米的球内时，它将成为黑洞。而地球若成为黑洞，则地球上的一切物质，包括大气、海洋、山脉、河流和一切生物，要全部压缩到直径为1厘米的小球内。视界 视界是黑洞的边界，是黑洞表面距离中心半径为R 的一个球面。因此它的半径依赖于黑洞的质量。视界是时空的分界，它将所有事件分为两类。在视界以外，可以由光信号在任意距离上相互联系，这就是我们所居住的正常宇宙；而在视界以内，光线并不能自由地从一个物体传播到另一个物理，而是朝向中心集聚。而且进入视界的外来辐射也将继续进入黑洞，而不可能被反射出去。奇点 用视界包围的质量和体积计算的平均密度与质量的平方成反比，因此黑洞的质量越小，平均密度越大。当天体坍缩到越过视界时，引力仍占压倒性优势，它将继续向中心坍缩，天体的所有物质最后聚集在中心的一个点上。体积为零，质量虽然有限，但密度却无穷大，这个点就是奇点。黑洞蒸发有关黑洞的其他一些物理性质，因涉及量子理论和现代的物理学原理，如黑洞的熵、黑洞蒸发等黑洞的量子性质，在这里没有详细介绍。因为黑洞的量子理论似乎导致了物理学中的一个新的不可预测性层次，它超出了与量子力学有关的通常的不确定性。这是因为黑洞看来具有内在熵，并使信息从我们所在的宇宙区域中失去。应当指出，这些说法是存在争议的：许多研究量子引力的人(包括从粒子物理学进入这一领域的几乎所有人)都本能地反对关于一个系统的量子状态信息可能丢失的概念。量子理论认为黑洞发出辐射并损失质量，最终它们似乎完全消失，带走了内部存储的信息。遗憾的是，与海森伯的不确定性原理不同，黑洞这一额外的层次很难用实验验证。关于黑洞的研究和认识会随着更先进的观测手段和物理理论的不断进步，取得新的成果。这个神秘的天体最终会以崭新的面貌呈现于我们面前，那个时候我们对宇宙和自然的认识将取得更多的成果。黑洞吸积盘黑洞视界黑洞的简单物理规律引力规律 天体(或天体系统)的引力半径Rg与它的实际尺度R之比率Rg R=2GM(Rc2 )，标志着该天体(或天体系统)引力场的强弱：若Rg Rl，则属于弱引力场；若 RgR1，则属于强引力场。地球、银河系、太阳、白矮星、中子星和黑洞引力场的数量级依次为10-89、10-6、10-5.4 、10-4、10-1。由此可见，大部分天体(或天体系统)的引力场很弱，时空弯曲很小，牛顿引力理论完全适用；但黑洞引起的时空弯曲很大，必须用广义相对论处理。从以上列举的几个数字就可以理解，黑洞强大的引力，没有任何力量可以与之抗衡。黑洞无毛定理 对于物理学家来说，一个黑洞或一块方糖都是极为复杂的物体，因为对它们的完整描述，即包括它们的原子和原子核结构在内的描述，需要有亿万个参量。与此相比，一个研究黑洞外部的物理学家就没有这样的问题。黑洞是一种极其简单的物体，如果知道了它的质量、角动量和电荷，也就知道了有关它的一切。黑洞几乎不保持形成它的物质所具有的任何复杂性质。它对前身物质的形