宇宙基础知识

1、宇宙基础知识（ 1）胡经国宇宙基础知识全文目录一、前言二、宇宙的基本概念三、宇宙的组成与结构四、宇宙的年龄五、宇宙大爆炸起源概说六、宇宙大爆炸学说七、大爆炸宇宙模型八、宇宙大爆炸理论的论据九、宇宙有中心吗？ 十、宇宙大爆炸学说评价 十一、十大可能外星生命发源地面是正文一、前言1、关于宇宙微波背景辐射图的报道据每日邮报 2010 年报道，欧洲科学家利用“普朗克”天文望远镜完成 了首张全天域宇宙微波背景辐射图。该图成功地捕捉到了宇宙大爆炸起源的遗 留痕迹，对于宇宙起源和演化过程的研究具有巨大的科学价值。宇宙微波背景辐射，又称 3K 背景辐射，是一种充满整个宇宙的电磁辐射， 是宇宙大爆炸产生的残余电

2、磁辐射。其特征与绝对温标 2.725K 的黑体电磁辐射 相同；其频率属于微波范围。绝对温标亦称开氏温标，用符号 K 表示。它也是一种热力学温标。该温标 规定：摄氏零下273.15C，为绝对温标的零点，称为绝对零点或绝对零度。其 分度法与摄氏温标相同，即绝对温标上相差1K时，摄氏温标上相差 1C；所不同的只是，绝对温标上水的冰点定为 273.15K，沸点定为373.15K。绝对零度等 于零下273.15C，约等于零下273Co上述历时 6 个月完成的宇宙微波背景辐射图，全景展示了孕育人类的银河 系的现状，同时提供了宇宙形成之初的珍贵信息。图像上遍布于整个银河的宇 宙尘埃网络，是正在形成或已经开始

3、其生命历程的新星的摇篮。宇宙微波背景辐射图，为人类勾画出一张 137 亿年前大爆炸后新生宇宙的 蓝图。图片上颜色的深浅变化代表了温度和密度的细微差别。从某种程度上 说，恰恰是这些细微差别，使最初的宇宙的某些区域密度加大，最终演化成为 今天的各大星系。宇宙微波背景辐射覆盖整个宇宙。但是，在这张图像上，许多部分都被银 河掩盖了。科学家将通过精密的数据分析，剥离出全宇宙的微波背景辐射信 息，并希望能够从中得出大爆炸后宇宙膨胀的详细过程。2、“普朗克”天文望远镜2009年 5月 14日，在法属圭亚那库鲁航天中心，欧洲阿丽亚娜 5-ECA 型 火箭发射升空。格林尼治时间 14 日 13 时 12 分（北

4、京时间 14 日 21 时 12 分），欧洲阿丽亚娜 5-ECA 型火箭携带欧洲航天局两颗科学探测卫星“赫歇 尔”和“普朗克”，从法属圭亚那库鲁航天中心发射升空。“普朗克”科学探测卫星是以德国物理学家马克斯普朗克的名字命名 的。它携带了一系列敏锐度极高的仪器，能够对宇宙微波背景辐射进行深入探 测。“普朗克”探测器主要用于对宇宙辐射进行观测。“普朗克”的个头比 “赫歇尔”小了许多，高度只有 1.5 米。目前科学界普遍认为，宇宙诞生于距今 137 亿年前的一次大爆炸，作为大 爆炸的“余烬”，微波背景辐射均匀地分布在整个宇宙空间。因此，“普朗 克”的探测结果，将有助于科学家研究早期宇宙的形成和物质起

5、源的奥秘。马克斯普朗克教授，德国物理学家，量子物理学的开创者和奠基人，1918 年诺贝尔物理学奖的获得者。 普朗克的伟大成就，在于创立了量子理 论。这是物理学史上的一次巨大变革。从此，结束了经典物理学一统天下的局 面。3、本文作者的话关于首张全天域宇宙微波背景辐射图的报道，激发了作者作为一个地球科 学普及最忠实的志愿者的写作灵感。试图编写一篇简要介绍若干宇宙基本知识 的科普文章，以此作为读者朋友们进一步学习和了解宇宙基本知识的入门和第 一步阶梯。此举，但愿能够引起读者朋友们的兴趣，获得读者朋友的喜欢和指 教。二、宇宙的基本概念1、宇宙的概念宇宙（Universe）是指由空间和时间及其中所有物质

6、、能量和事件所构成 的统一体，是一切空间和时间的综合。一般理解的宇宙，是指我们所存在的一 个时空连续系统，包括其中的所有物质、能量和事件。“宇”是指空间，“宙”是指时间。宇宙就是在空间上无边无际和在时间上无始无终的、按客观规律运动的物质世界。宇宙是万物的总称，是时间和空间的统一。宇宙是物质世界，不依赖人们 的主观意志而客观存在，并处于不断运动和发展之中。宇宙是多样的，又是统 一的。2、宇宙的形状宇宙的形状现在还是未知的。目前，还只有一些关于宇宙形状的大胆想 象。有的想象，宇宙是类似人的、这样一种生物的一个小细胞。有的想象，宇 宙是由一种拥有比人类更高智慧的生物所制造出来的、电脑的一个程序或一个

7、 小小的原件。有的则认为，宇宙是无形的，它时刻都在不停地变化着。总之，宇宙的形状是人类未解的一个心锁。据科学家推算，就我们已知、 已观测到的宇宙而言，宇宙直径约为 300 亿光年。3、宇宙的有限与无限 宇宙是无限的，意思是指：宇宙从开始到结束，然后又从开始到结束，不 断循环。所以说，宇宙整个的时空是无限的。宇宙是有限的，意思是指：宇宙从开始到结束的每一轮循环，是有起始有 终点的。所以说，宇宙每一轮循环的时空是有限的。总之，有限与无限是相对的；宇宙总体是无限的，其局部是有限的；宇宙 是有限与无限的矛盾结合体；有限和无限是建立在宇宙时空这个共同的支点上 的。三、宇宙的组成与结构 宇宙是怎样产生的？

8、宇宙是有限还是无限的？有没有中心，有没有边界？ 有没有 “生老病死 ”，有没有年龄？这些恐怕是自从有人类活动以来一直被科学 家关心的问题。为了有一个更清楚的答案，先来了解一下宇宙的组成与结构。1、恒星、行星、太阳系、恒星恒星是由炽热气体组成的、能自己发光的球状或类球状天体。由于恒星离 我们太远，不借助于特殊工具和方法，很难发现它们在天上的位置变化，因此 古代人认为它们是恒定不动的星体。我们所处的太阳系的主星太阳就是一颗恒 星。在晴朗无月的夜晚，无光污染的地区，一般人用肉眼大约可以看到 6000 多 颗恒星。晴夜，我们用肉眼看到的许多闪闪发光的星星，绝大多数都是恒星。 若借助望远镜，则可以看到几

9、十万乃至几百万颗以上的恒星。估计，银河系中 的恒星大约有一、二千亿颗。、行星行星通常指自身不发光、环绕着恒星运行的天体。一般来说，行星需要具 有足够大的质量（相对于月球），近似呈圆球状，自身不能像恒星那样发生核聚变反应截至 2000 年，研究人员只在我们的太阳系外发现 26 颗行星。截至 2010 年，这一数字已攀升至 502 颗。据天文学家预计，随着观测技术的越发先进， 他们能够发现更多类地行星。大型系外行星的体积和运行轨道让科学家对行星 系统形成和演变的认识发生革命性变化。、太阳系太阳系 (Solar System)就是我们现在所在的恒星系统。它是以太阳为中 心，和所有受到太阳引力约束的天

10、体的集合体。我们居住的地球是太阳系的一颗大行星。目前，太阳系共有八大行星：水 星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星。所谓太阳系“九大行星”是历史上流行的一种说法，即水星、金星、地 球、火星、木星、土星、天王星、海王星和冥王星。2006年 8 月 24日，在布拉格举行的第 26 届国际天文联会通过的第 5 号决议中，冥王星被划为矮行星，并 命名为小行星 134340号，从太阳系九大行星中除名。在太阳系中，除了太阳和八大行星以外，还有至少 165 颗已知的卫星和数 以亿计的太阳系小天体。这些小天体包括小行星、柯伊伯带的天体、彗星和星 际尘埃。它们都是离我们地球较近的、是人们了解较多的天

11、体。、小行星、彗星、柯伊伯带小行星(Asteroid)是指太阳系中类似行星环绕太阳运动，但体积和质量比 行星小得多的天体。在太阳系中，大部分小行星的运行轨道在火星和木星之 间，称为小行星带。另外，在海王星以外，也分布有小行星，这片地带称为柯 伊伯带( Kuiper Belt)。彗星(Comet)，中文俗称“扫把星”，是太阳系中小天体之一类。它由 冰冻物质和尘埃组成。当它靠近太阳时即为可见。太阳的热使彗星物质蒸发， 在冰核周围形成朦胧的彗发和由一条稀薄物质流构成的彗尾。由于太阳风的压 力，彗尾总是指向背离太阳的方向。那么，除了上述这些天体以外，在茫茫宇宙空间里还有一些什么呢？2、星团和星云、星团

12、恒星往往成群分布，常常爱好“群居”。有许多恒星是“成双成对”地紧 密靠在一起的，按照一定的规律互相绕转着，它们被称为双星。还有一些是3颗、 4 颗或更多颗恒星聚集在一起，它们被称为聚星。假如是 10 颗以上，甚至 成千上万颗恒星聚集在一起，形成一团恒星，它们被称为星团。在银河系里已 发现有 1000 多个这样的星团。通常把恒星数在 10 个以上、而且在物理性质上相互联系的星群叫做“ 星 团” ，例如金牛座中的“昴 星团” 、“毕星团” ，巨蟹座中的蜂巢 星团等。、星云星云（Nebula）是由星际空间的气体和尘埃结合成的云雾状天体。它包含 了除行星和彗星外的几乎所有延展型天体。星云的主要成份是氢

13、，其次是氮， 还含有一定比例的金属元素和非金属元素。近年来的研究还发现，星云含有有 机分子等物质。星云里的物质密度是很低的，若拿地球上的标准来衡量的话，有些地方是 真空的。可是星云的体积十分庞大，常常方圆达几十光年。所以，一般星云比 太阳要重得多。星云的形状是多姿多态的。星云和恒星有着“血缘”关系。恒星抛出的气 体将成为星云的组成部分，星云物质在引力作用下压缩成为恒星。在一定条件 下，星云和恒星是能够互相转化的。3、银河系及河外星系 随着测距能力的逐步提高，人们逐渐在越来越大的尺度上对宇宙的结构建 立了立体观念。这里第一个重要的发展，是认识了银河系。它包含两重含义， 一是了解了银河系的形状，二

14、是认识了河外天体的存在。、银河系银河系（ Milky Way ）因其主体部分投影在天球上的亮带，被中国称为银河 而得名。它是一个由 2000 多亿颗恒星、数千个星团和星云以及各种类型的星际 气体和星际尘埃组成的盘状恒星系统，是太阳系所在的星系。它的总质量是太 阳质量的 1400 亿倍。它的直径约为 10 万光年，中间最厚部分的厚度约为 12000光年。银河系呈漩涡状，有 4 条螺旋状的旋臂从银河系中心均匀对称地延伸出 来。银河系中心和 4 条旋臂都是恒星密集的地方。太阳位于一条叫做猎户臂的 旋臂上，逆时针旋转。太阳绕银河系中心旋转一周大约需要 2.5 亿年。太阳距 离银河系中心约 2.6 万光

15、年。依据欧洲南天天文台（ESO）的研究报告，估计银河系的年龄约为136亿岁，差不多与宇宙一样老。随后，由天文学家 Luca Pasquini, Piercarlo Bonifacio, Sofia Randich, Daniele Galli and Raffaele G. Gratton.所组成的团队，在 2004 年， 使用甚大望远镜（ VLT ）的紫外线视觉矩阵光谱仪进行的研究，首度在球状星 团 NGC 6397 的两颗恒星内，发现了铍元素。这个发现，让他们将第一代恒星 与第二代恒星交替的时间，往前推进了 23亿年。据此估计，球状星团的年龄 为 134±8亿岁，因此银河系的年龄

16、不会低于 136±8亿岁。、河外星系河外星系，简称为星系，是指位于银河系之外、由几十亿至几千亿颗恒 星、星云和星际物质组成的天体系统。之所以称之为河外星系，是因为它们全 部都存在于银河系之外，即位于银河系之外的所有天体系统都被称为河外星 系。银河系与河外星系组成了天文学对于天体的最高称呼总星系。银河系 也只是总星系中的一个普通星系。人类估计，河外星系包含的天体及天体系统 总数在千亿个以上。它们如同辽阔海洋中星罗棋布的岛屿，故也被称为“宇宙、星系分类目前，按照哈勃在 1926 年提出的星系分类法，星系分为：椭圆星系，漩涡 星系（太阳系所处的银河系是一个漩涡星系），透镜星系和不规则星系。

17、此 外，还有所谓棒旋星系。4、星系团当我们把观测的尺度再放大时，宇宙可以看成是由大量星系构成的“介 质”。在遥远的银河外星系，天文学家通过大望远镜，已经发现了上千亿个星 系。它们并不是孤立地分散在宇宙之中，而是聚集起来形成一个个大小不一的 星系集团。科学家应用力学方法，对星系集团的质量进行了测定，发现这些星 系集团的质量远远大于其中星系和气体质量的总和，那些多余质量的来源被称 为暗物质。这种由星系、气体和大量暗物质在引力的作用下聚集而形成的庞大 的天体系统，就称为星系团。简而言之，星系团是指由十几个、几十个、乃至 上千个星系以及气体和大量暗物质组成的星系集团。5、大尺度结构与超星系团今天，人们

18、把尺度在10Mpc （1Mpc = 3.26百万光年）以上的结构，称为宇 宙的大尺度结构。目前，观测到的宇宙的大小是 104Mpc = 336.96百万光年。至今，大尺度上的观测事实远不是十分明确的。有趣的是，有迹象表明， 星系在大尺度结构上的分布呈泡沫状。其中有许多看不到星系的“空洞”区， 而星系聚集在这种“空洞”的壁上，呈纤维状或片状结构。这一层次的结构叫 做超星系团。总之，若把星系看成宇宙物质的基本单元，则星系的分布状况就是宇宙结 构的表现。现在看来，直至 50Mpc 的大尺度为止，星系的分布呈现有层次的结 构。这就是我们对宇宙组成与结构的基本认识。6、暗物质与黑洞、暗物质与暗能量在宇宙学中，暗物质是指那些不发射任何光及电磁辐射的物质。人们目前 只能通过引力产生的效应得知宇宙中有大量暗物质的存在。暗物质存在的最早 证据来源于对球状星系旋转速度的观测。现代天文学通过引力透镜、宇宙中大 尺度结构形成、微波背景辐射等研究表明：我们目前所认知的宇宙部分大概只 占宇宙的 4，暗物质占了宇宙的 23%，还有 73%是一种导致宇宙加速膨胀的 暗能量。过去 10 年时间里，研究人员进一步精确宇宙的构成。根据他们的研究，普 通物质在宇宙中的比重占 4%，暗物质占 23%，暗能量占 73%。此外，他们还 发现了这些物质和能量结合在一起的方式。这