宇宙的起源与演化(50张).ppt

宇宙(universe)是天地万物，是物质世界。”四方上下曰宇，古往今来曰宙，以喻天地”。“宇”是空间的概念，是无边无际的；“宙”是时间的概念，是无始无终的。宇宙是无限的空间和无限的时间的统一。当代最大的光学望远镜已可观测到200亿l.y.(光年)的遥远目标（1l.y.9.461012km），这就是现今人类所能观测到的宇宙部分。,第二讲：宇宙的起源与演化,一、人类对宇宙认识的4个基本阶段（层次）16世纪前，地心学说日心学说；17世纪掌握了行星层次天体运动规律：20世纪上半叶在恒星层次认识宇宙：20世纪下半叶在星系层次认识宇宙。,16世纪前，地心学说日心学说,它最初由古希腊学者欧多克斯提出，后经亚里多德、托勒密进一步发展而逐渐建立和完善起来。月球、水星、金星、太阳、火星、木星和土星分别在七个天层里围绕地球转动，其外为恒星天层；最外边的原动力天层,希腊天文学家托勒密（ClaudiusPtolemy,90？168）,补充了行星在被称为均轮轨道上围绕地球转动时，同时也在自己的、被称本轮的较小的圆形轨道上转动等内容。亚里士多德-托勒密的地球中心说，被人们奉为真理，长达十几个世纪。在一般人的感觉中，太阳真是好像在围着地球转（据美国1997年调查，在该国，仍有27%的人不知道地球是在围着太阳转）,哥白尼（NicholasCopernicus,14731543）,天体运行的轨道，已记录到70多个（行星游荡者）按照托勒密的方法计算编制的历书，屡屡出现差错随着他对这个体系了解的增多，他对这个体系愈来愈怀疑。不是太阳围着地球转，而是地球围着太阳转。,哥白尼（NicholasCopernicus,14731543）,天体运行论中宣布：太阳在万物的中心统驭着；在这座最美好的神庙里，另外还有什么更好的地点安置这个发光体，使它能一下子照亮这个宇宙呢？（拉丁文，流传不广）。,布鲁诺,1583年在牛津大学作一系列讲演1584年他又提出宇宙无限的观念，认为宇宙是统一的、物质的、无限的和永恒的。在太阳系以后还有无以数计的天体世界。人类所看到的只是无限宇宙中极为渺小的一部分，地球只不过是无限宇宙中一粒小小的尘埃。1591年布鲁诺被骗回意大利，9年后，1600年2月17日，在罗马的闹市繁花广场上，他被绑在火刑柱上活活烧死。,17世纪掌握了行星层次天体运动规律：观测：伽里略（Galileo,1564-1642，意大利力学的奠基人）望远镜（1609）、牛顿(Newton,1642-1727)望远镜(1672,)；理论：伽里略力学体系、开普勒（Kepler,德国，1571-1630）三定律(每一行星以椭圆运动，太阳在一个焦点上；从太阳出发的半径矢量在相同的时间内扫多相同的面积；行星在轨道上运行的时间的平方正比于其长轴的三次方)，牛顿（1642-1727，英国，早期是朴素的唯物主义，晚期为神学服务，研究“第一推动力”，“一切行星都在某种外来的第一推动力;在开普勒三定律基础上提出万有引力”；发现了天王星和冥王星，精确测量各行星的轨道、各行星卫星的位置和轨道、彗星的位置和轨道；发现了出许多小行星。,伽里略,意大利物理学家、天文学家伽里略亲自动手制作了第一架天文望远镜，并不断加以改进。伽里略利用他的望远镜发现了月球表面的环形山、金星/月相、木星的卫星、太阳黑子，发现了茫茫银河由无数个恒星所组成。伽利略对运动基本概念，包括重心、速度、加速度等都作了详尽研究并给出了严格的数学表达式。伽利略曾非正式地提出过惯性定律（见牛顿运动定律）和外力作用下物体的运动规律，这为牛顿正式提出运动第一、第二定律奠定了基础。伽利略还提出过合力定律，抛射体运动规律，并确立了伽利略相对性原理.伽利略还有一个重要贡献，就是他引进了动量的概念。,开普勒（JohannesKepler，15711630）,行星都是沿“椭圆形”轨道围绕太阳旋转的行星轨道都位于同一个好像圆盘的“平面”（黄道面）上，太阳和行星的联线在相等的时间内扫过相等的面积行星轨道平均半径（以地球与太阳的距离为1）的三次方与公转周期（以地球年为单位）的平方成正比,20世纪上半叶在恒星层次认识宇宙宇宙起源理论（三大理论：Big-bangtheory;Expandinguniverse,Steady-statetheory）和恒星演化理论的建立（恒星天文学、恒星物理学、恒星演化理论、恒星光谱学）;,20世纪下半叶在星系层次认识宇宙所有电磁波段的观测：大型的光学望远镜、红外望远镜、射电望远镜（90年代哈勃望远镜的运作），观测尺度达150亿光年（超出银河系！）；观测地点发展到高空（U2飞机）、太空、月亮、宇宙探测器（免受地球的影响）；60年代阿波罗登月计划的实现，90年代火星探险计划的实施;21世纪的木卫大撞击（9次间隔8小时的连续撞击，相当5000亿颗广岛原子弹）、卫星木星登陆、行走、250公斤铜弹（20km/s)深度撞击6km直径的坦普尔1号彗星(30km/s)人类走出地球，进入太空；理论：提出了许多宇宙模型：大爆炸宇宙模型、稳恒态宇宙模型、等级式宇宙模型）,1、宇宙起源理论三大学说：Big-bangtheory;Expandinguniverse,Steady-statetheory,二、宇宙起源问题,稳恒宇宙学说,1948英国Bondi(邦迪，1919-)、Hoyle(藿伊耳，1905-)、Gold(哥尔德，1920-)提出；宇宙大范围内稳定不变，物质的空时间分布是均匀和各向均匀和各向同性的；在膨胀中，密度要变小，为了保持密度不变，必须有新物质从虚无中不断创生。这违反了许多的普适守恒定律。,BIGBANG大爆炸,宇宙的全部物质，当初都集中在一个“原始原子”(或称宇宙蛋)里，异常紧密温度约1032K，绝对温度1亿亿亿亿度显然这只能维持极其暂短的平衡，一旦平衡破坏，就发生大爆炸，原始原子迅速膨胀，逐渐扩展成为我们的宇宙,宇宙大爆炸理论：（许多科学家）大爆炸前，物质和反物质处于极高温和超密状态，在某种条件下开始大爆炸。在10秒后体积急剧膨胀，在10秒内，体积膨胀了10倍，密度降低了。在1秒后温度仍高达10-10K，原子和分子均不存在。辐射能以电子、质子、中子、中微子等基本粒子形式存在。3分钟后，温度低于10K，开始热核反应，生成轻核（氘、氦核）和轻元素（锂、氢），经过百万年左右，温度降至10K.产生了大量的有电子和质子等组成的等离子体；经过2.5亿年，10K，中性原子和气体产生；经过10亿年星际产生；经过50亿年产生恒星，100亿年产生太阳系。,大爆炸的证据,1）恒星是在温度下降后产生的，寿命应小于亿年。各种天体年龄的测量证明了这一点。,2）宇宙正在膨胀,A哈勃将从不同星系特定原子，如氢、氦发射的光谱线与地球上对应的光谱线相比较发现：系统性的红移现象，可求“退行（逃离）速度”；“光源越远的星体，离我们而去的速度也越快”（哈勃定律）-整个总星系处于膨胀的变化中，已成共识；,可见光区,无线电波微波红外线紫外线Xr,哈勃定律,B、20世纪初，天文学家斯里弗尔，在观测银河系外的仙女座大星云时，取得15个星系的光谱资料，经过研究，发现其中13个正在以每秒数十万米的高速退行，即离开我们愈来愈远。,3）现在测得的不同天体上氦的丰度，即它在天体中的含量，一般都达到30%左右，而恒星核反应机制不足以说明为什么有如此多的氦。而根据大爆炸理论，早期温度很高，产生氦的效率也很高，则可以说明这一事实。根据宇宙膨胀速度以及氦丰度等，可以具体计算宇宙每一历史时期的温度。,4）1964年彭兹亚斯探测到具有热辐射谱的微波背景辐射，温度大约为。这一结果无论在定性上或者定量上都与大爆炸理论的预言相符。,彭兹亚斯(A.A.Penzias,1933-)和威尔逊(R.W.Wilson,1936-)发现：,1964年，威尔逊山上一台高灵敏度的射电天文望远镜，在各个方向都测得一种3K的微波背景辐射。大爆炸理论得到了有力的支持。为此他们得到了1978年的诺贝尔物理学奖金。,其它证据：,因爆炸而使星系间的距离拉开，更已是熟知的事实天文观测中已多次记录到超新星爆炸另外新近得到的两个黑洞撞击爆炸的信息，都可以作为佐证。科学家们在分析了宇宙中一个遥远的气体云在数十亿年前从一个中吸收的光线后发现，其温度确实比现在类星体的宇宙温度要高。他们发现，背景温度约为-263.89摄氏度，比现在测量的-273.33的宇宙温度要高。,大爆炸不足之处,第一：在大爆炸的10-43秒，宇宙小于其量子波长，由量子不确定性主宰，没有“钟”和“尺子”可以量度，时间和空间不存在了；第二，它不能说明“大爆炸”以前的宇宙是个什么样子？宇宙所现存的难以用数字来计算的巨大物质，是从何而来？难道它会无中生有吗？,第三，它无法说明宇宙为什么会发生大爆炸？或者说：原始宇宙发生爆炸的原因是什么？以我们现有的知识可以得到这样一个结论：就我们目前所发现的宇宙，它的总质量非常巨大，如果这么多的质量的物质，聚集在一起，必然会形成一个非常非常巨大的星球，它所产生的巨大的万有引力，足以使任何光线都无法逃逸出去，也就是说这么巨大的物质必然聚集成一个特别巨大的黑洞。那么，有什么能量能把如此巨大的黑洞炸碎呢？现在人们还不知道这么巨大的黑洞是否会在一定的条件下会自行爆炸？,第四、它无法说明宇宙中无数的星球为什么会自转和公转？为什么星球运转和分布有一定规律？因为大爆炸所产生的力量，只能使其碎片，从中心向四周作直线运动，不能产生使星球自转和公转的推动力。第五、在时间上也难以自圆其说：“大爆炸论”说是宇宙起源于一百多亿年前的一次大爆炸，可现在人们已观察到距地球三、四百亿光年，上千亿光年甚至更远的星体。也就是说：这些遥远的星体是三、四百亿年，上千亿年前已经存在了，远远大于“大爆炸论”所提出的时间表。而且这个时间表随着科学技术的进步，还在不断地延长。,第六、随着科学技术的进步，人们所观察到的宇宙范围，在不断地扩大，现在人们已观察到距地球上千亿光年的星体，这说明宇宙之大，实在难以用数字来说明。那么，有什么力量能把如此无边无际，范围无限广大，无限多的星体，吸引在一起，聚集成一个原始宇宙大星球，然后再爆炸呢？人们已知道，在广阔无限的宇宙中、星际之间的基本作用力，便是万有引力，但万有引力只在星体周围一定范围内起作用，超过一定范围，它便失去了作用，更何宇宙之中的星体之间的距离都十分遥远。比如说：离我们太阳系最近的恒星，也有四光年，这么远的距离，使太阳与那颗最近的恒星之间的万有引力，几乎等于零，互相起不了任何作用。,三、星系,星系是几十亿至几千亿颗恒星以及星际气体和尘埃物质等组成的天体系统。星系的运动包括两方面：一是星系内部的运动，二是星系整体的运动。,1银河系,在晴朗的夜晚，可以看到天空中有一条明亮的相当宽的星带，它环绕整个天空。这条光带称为银河。,1）银河系的结构,银河系实际是由1-2千亿个恒星组成。银河系从侧面看，分布在一个盘状区域，盘形区域称为银盘，直径约为八万五千光年。盘的中心平面称为银道面。中心凸起的区域称为核球，直径约为一万至一万三千光年，是恒星高度密集的区域。核球的中核球的中心是银核。旋臂是恒星和星际物质密集的区域。,银河系的基本参量银河系总质量：1011M1012M银河系恒星数：1.21011颗银河系年龄：1010年银河系直径：30000秒差距(1秒差距=3.2616l.y)太阳距银心距离：10000秒差距肉眼可观察恒星：6000颗,2）银河系的运动,一种是绕银河系中心的转动另一种是杂乱无章的运动,2河外星系,在银河系之外，还有更深远的空间，那里分布着与银河系类似的天体系统星系、星系群和星系团。河外星系的观测和研究改变了人类对宇宙的认识。,1)河外星系的分类,椭圆星系：呈椭圆形，扁度差别较大。,椭圆星系,棒旋星系,棒旋星系：具有长长的像棍棒样的核心部分，在棒的两端有旋臂延伸出去。,旋涡星系,旋涡星系：具有一个核心部分，又有两条或更多条旋臂从核心延伸出去，呈漩涡状。,不规则星系,不规则星系：形状不规则。,星系形状的四种不同类型,2)星系团,河外星系大多不是单独存在的，而是组成大小不等的集团，叫做星系团。,3银河系附近的三个著名星系,仙女座大星云大麦哲伦星云小麦哲伦星云,仙女座大星云,大麦哲伦星云,小麦哲伦星云,第3讲恒星演化与太阳系形成,一、星系的起源一分为二观点的超密说：强调可见宇宙大爆炸过程中抛射出许多超高密度的物质块，每个块形成一个星系。超密块爆炸从核心再向四周演化，星系核心为残留的超密块，因此爆发作用尚未止息。证据：天文学家已发现银核是一个强射电源区（强烈辐射射电波、红外波、射线波等），对本假说是有力支持。,合二为一观点的星云说：大爆炸后宇宙空间充满密度极低的星际气体和尘埃物质，再自引力的作用下这些物质收缩凝聚形成许多大型的星际云，星际云再经过凝聚、加热过程诞生许多恒星，从而形成星系。证据：20世纪已观测到离我们100亿光年的原始星系云，处于电离氢状态，体积与银河系相近，估计为宇宙大爆炸后遗留下的、尚为形成星系的原始星云物质。为星云学说提供了佐证。,可能两种方式都存在。但是，什么条件下“一分为二”？又在什么条件下“合二为一”？是否还有其他机制尚待进一步研究。,二、恒星的起源与演化,起源：弥漫稀薄的气体和星云（尘埃）经过凝聚和加热过程而形成的。4个期：幼年期、青壮年期、晚年期、衰亡期与超新星爆发；,幼年期：原始星云中心在引力的作用下收缩，势能转变为热能，温度上升。不发光（原恒星）；中心点燃氢“氢闪”青少年期；几十万年到几亿年，取决于质量；质量越大，引力越大，时间越短。,青壮年期：核心部分的氢不但燃烧，温度上升至10exp6K，热核反应开始。一颗恒星正式诞生；热核爆炸的排斥力与自身吸引力平衡，进入稳定的漫长的演化过程（银河系中90%的恒星处于青壮年期）；千万年到几百亿年，取决于质量；质量越大，时间越短。太阳的青壮年期为100亿年，目前已过50亿年了。处于青壮年期的恒星又称为主序星。,丹麦的赫茨普龙和美国的罗素发现：横坐标为表面温度（恒星的颜色,光谱型），纵坐标为恒星的质量（光度），则大部分（90%）的恒星落在一条带上，叫主星带，主序带。其中的恒星叫主序星,赫罗图是恒星光谱型和光度的关系图。它不仅能给出各类恒星的特定位置，而且还能显示出它们的演化过程。恒星演化的研究便是从赫罗图开始的。由于光度和表面温度存在着内在的关系，那么，恒星的结构、质量和化学成分都有一定的关系。如果已知化学成分，每一恒星便会对应一定的光度和温度，在赫罗图上便会出现相应的序列。同样质量范围内的恒星，如果在图上的不同序列，则必然是化学成分不同。化学成分不同，有可能是原始成分不同，也可能是恒星处在不同的演化阶段。这样，就可以来研究恒星的起源和演化。,晚年期：恒星中心10%的氢消耗怡尽，核心部分在吸引力的作用下收缩，中心部分密度变大，温度生高10exp8-10exp9K,，外壳膨胀，密度变小。表面温度低，但光度大红巨星或超巨星,在红巨星阶段，排斥和吸引、膨胀和收缩循环往复，恒星内部温度不断上升，当：6*10exp8T10exp8K:3个氦聚变为1个碳；数百万年;T6*10exp8K,2个碳聚变为1个氧核；几万年T10exp9K,氧核聚变为硅核；10exp9宇宙应该有（有过、未来将有）类地行星。Jones（琼斯，英国，？）量级估计：1000亿个类银河系（10exp11），银河系有1000亿颗恒星（10exp11），宇宙共有（10exp22）恒星，如果恒星拌有行星的概率按千万分之一（10exp-7），则有（10exp15）个行星！寻找太阳系外的行星，理论上不存在任何问题忽然困难，主要是技术上的困难（太遥远了）。1995找到第一颗太阳外行星，到1999年已找到17颗了（气体物质！没有生命意义）。2004年8月英国找到1颗类地球行星！,如果类地行星的概率为十万分之一（10exp-5），则有