专题五 天体物理学与宇宙学

1、专题五专题五 天体物理学与宇宙学天体物理学与宇宙学第一节第一节 概述概述一、重要概念一、重要概念1.天文学天文学：研究宇宙的：研究宇宙的观测观测科学科学. （天体的位置、天体的位置、运动、运动、起源和演化起源和演化）2.天体天体：宇宙间一切物质宇宙间一切物质集团集团。（恒星、行星、卫星、慧星、流星恒星、行星、卫星、慧星、流星）3.光年光年：光一年走的距离，约光一年走的距离，约10101313kmkm光每秒绕地球光每秒绕地球7 7圈半圈半, , 太阳到地球只需太阳到地球只需8 8分钟分钟现收到的星光信号是天体过去某时刻发出的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

2、信息。越远的天体，带来的是越久远的信息。4.宇宙宇宙：时间和空间的统一体。：时间和空间的统一体。 古中国古中国：四方上下曰宇，往古来今曰宙四方上下曰宇，往古来今曰宙 宇之表无极，宙之端无穷宇之表无极，宙之端无穷 天地，世界天地，世界 古西方古西方：cosmos秩序，完整体系秩序，完整体系 universe天地万物天地万物 目前已观测：目前已观测：150150亿光年的宇宙深处亿光年的宇宙深处看到看到150150亿年前的宇宙历史亿年前的宇宙历史宇宙的主要成分包括：宇宙的主要成分包括：星系、恒星和星团、星云星系、恒星和星团、星云（星际气体和尘埃云（星际气体和尘埃云）。还有许多较小的成分，如）。还有许

3、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，暗物质外，宇宙还含有引力场及各种形式的辐射，如如可见光、电磁波、可见光、电磁波、X射线射线等等。等等。 暗能量：暗能量： 70% 非重子暗物质：非重子暗物质：26% 重子物质：重子物质： 4 % 其中可见物质其中可见物质 0.5% 辐射：辐射： 0.005% 二、宇宙概况二、宇宙概况半径 （pc）距离 （pc）质量 （m日）密度（g/cm）温度 （k）行星 10-1010-510-6110恒星 10-8111107星云 101010310-2310

4、2星团 10101010-21星系 103102101110-211.太阳系：太阳系：太阳绕日天体太阳绕日天体（1 1）太阳：）太阳：发光，炽热，气体球发光，炽热，气体球表：表：60006000K K，中心：，中心：71.5 10 K占太阳系占太阳系99%99%的质量的质量相当于相当于33.333.3万万个地球个地球直径直径=109 =109 d d地地（2 2）地球：）地球：略扁，旋转，椭球体。略扁，旋转，椭球体。 太阳系八大行星之一太阳系八大行星之一地核地核地幔地幔地壳地壳内部内部外部外部陆地陆地海洋海洋大气大气（3 3）月亮：）月亮：地球唯一的天然卫星，离地最近的天体（除流星）。地球唯一

5、的天然卫星，离地最近的天体（除流星）。M M月月=1/81 =1/81 M M地地，d d月月=27%=27% d d地地。本身不发光，反射太阳光本身不发光，反射太阳光阴晴变化阴晴变化地貌：环形山（内陡，外缓，中平）地貌：环形山（内陡，外缓，中平）贝丽珠环形山阴晴类地行星类地行星巨行星巨行星d=10d地地远日行星远日行星（4 4）大行星：）大行星：八个八个16241624，18031803，19831983，23572357木土天海.（5 5）小行星：）小行星： 质量小，体积小质量小，体积小 太阳系有千万颗（多在火木间）太阳系有千万颗（多在火木间） 总总质量质量=0.04% =0.04% m

6、m地地 最大最大“谷神星谷神星”d=477kmd=477km（6 6）卫星和行星环：）卫星和行星环：卫星：绕行星运行卫星：绕行星运行行星环：行星环：木、土、天、海木、土、天、海水、金（水、金（0），），地（地（1），其他（），其他（n）（7 7）彗星：）彗星：绕日，云雾状，狭长天体绕日，云雾状，狭长天体由陨石和冰状物组成（彗核、彗发、彗尾）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，当彗星接近太阳时，冰状物蒸腾形成彗发和彗尾，彗尾形状如扫帚彗尾形状如扫帚扫帚星扫帚星（8 8）流星和陨石）流星和陨石流星流星：绕日的：绕日的小天体小天体 ，偶然进入地球大气，与

7、大，偶然进入地球大气，与大气分子摩擦燃烧，发光气分子摩擦燃烧，发光流星（流星雨）流星（流星雨）陨石：陨石：未烧完的流星未烧完的流星（9 9）尘埃和自由电子云：）尘埃和自由电子云：浮游在黄道平面内，散射太阳光浮游在黄道平面内，散射太阳光黄道光黄道光宇宙尘埃宇宙尘埃2.银河系：银河系：晴朗夜空中，横亘天际的明亮光带晴朗夜空中，横亘天际的明亮光带天河（银河）天河（银河）“河水清且浅，相去复几许？盈盈一水间，脉脉不得语河水清且浅，相去复几许？盈盈一水间，脉脉不得语”8万光年1万光年3/52.5亿年/圈昂星团昂星团（1 1）恒星：）恒星：发光、炽热的气体球。发光、炽热的气体球。集中银河系集中银河系90%

8、以上的物质以上的物质“恒恒”？离地远，认为恒定不动！？离地远，认为恒定不动！ 2 2）星团：）星团： 恒星集团恒星集团 太阳：孤居太阳：孤居 大多恒星：群居成团大多恒星：群居成团（3 3）星云：）星云：稀薄气体稀薄气体+尘埃集合成团尘埃集合成团（4 4）星际物质：）星际物质：恒星、星云之间，更稀薄的弥漫物质恒星、星云之间，更稀薄的弥漫物质1H/cmH/cm33.河外星系河外星系（银河系同层）（银河系同层） 星系：几十星系：几十上千亿的上千亿的恒星恒星+星团星团+星云星云+肉眼：肉眼：仙女座仙女座离银河系最近的河外星系离银河系最近的河外星系椭圆星系椭圆星系漩涡星系漩涡星系宇宙：宇宙：150150

9、亿亿地球：地球：5050亿亿人类：人类：100100万万中华文明：中华文明：50005000人：人：100100位于仙女座的位于仙女座的M31，是距离我们银河系最近的主要星系。它被，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，估计有认为是一个与银河系相似的星系，估计有10亿颗恒星。亿颗恒星。M31距距离我们约离我们约2百万光年，目前我们对它的大部情况还不清楚。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，距离我们约是位于猎犬座的一个典型的旋涡星系，距离我们约2千千3百百万光年。万光年。M51直径约直径约6万万5千光年，是最明亮也最美丽的

10、星系之千光年，是最明亮也最美丽的星系之一。旁边是另一个小些的星系，科学家推测一。旁边是另一个小些的星系，科学家推测M51的螺线结构与的螺线结构与这个小星系的重力作用有关。这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。哈勃望远镜拍摄的两个星系相碰撞的图像。 10亿年后，亿年后，我们的银河系也将会与另一个星系相遇。我们的银河系也将会与另一个星系相遇。第二节第二节 宇宙和恒星宇宙和恒星 的起源和演化的起源和演化宇宙从何处来？到何处去？宇宙从何处来？到何处去？永恒？诞生永恒？诞生死亡？死亡？人类对宇宙的认识人类对宇宙的认识一、宇宙历史一、宇宙历史1.古中国古中国盘古开天地，共工撞不周

11、山，女娲补天盘古开天地，共工撞不周山，女娲补天盘古开辟的天地是什么形状？盘古开辟的天地是什么形状？（1）盖天说：）盖天说：天圆地方：天天圆地方：天斗笠，地斗笠，地倒盘子倒盘子缺点：缺点：不能解释日月星辰的东升西落不能解释日月星辰的东升西落 （2 2）浑天说：）浑天说：天天蛋壳，地蛋壳，地蛋黄蛋黄日月星辰附着在蛋壳上绕地转动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进步：首次提出地是球形的（3）喧夜说：）喧夜说：宇宙无边无际，日月星辰漂浮其中宇宙无边无际，日月星辰漂浮其中进步：把星星从球壳上脱离出来进步：把星星从球壳上脱离出来2.古西方：古西方：圣经：圣经： 上帝创造宇宙，周日休息上帝

12、创造宇宙，周日休息地心说：地心说： 亚里士多德：地球是宇宙的中亚里士多德：地球是宇宙的中心，其他天体绕地球不停运动。心，其他天体绕地球不停运动。日心说：日心说： 哥白尼：太阳是宇宙的中心，哥白尼：太阳是宇宙的中心，其他天体都绕着太阳转，月亮是地其他天体都绕着太阳转，月亮是地球的卫星。球的卫星。亚里士多德亚里士多德哥白尼哥白尼意大利：意大利：布鲁诺：布鲁诺：太阳不是宇宙的中心，宇太阳不是宇宙的中心，宇宙是无限的，宙是无限的，宇宙中存在多个世界，每宇宙中存在多个世界，每个世界都有自己的中心。个世界都有自己的中心。 违背罗马教廷的哲学思想，违背罗马教廷的哲学思想，被火刑处死。被火刑处死。3.近代：近

13、代：牛顿：宇宙是静止的牛顿：宇宙是静止的爱因斯坦：现代宇宙学，动态的、演化的宇宙爱因斯坦：现代宇宙学，动态的、演化的宇宙.二、现代宇宙学二、现代宇宙学相对论：相对论：时间和空间是构成宇宙的要素，二者不可分！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，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。而是内因产生的，是演化，发展的。爱因斯坦爱因斯坦：一生中最大的错事！一生中最大的错事！事实：事实：宇宙确实是膨胀的。宇宙确实是膨胀的。1.哈勃定律哈勃定律所有的星系都在远离我们退行所有的星系都在远离我们退行退行速度与距离成正，即越远的退行越快。退行速度与距离成正，即越远

14、的退行越快。宇宙在加速膨胀！宇宙在加速膨胀！宇宙的年龄：宇宙的年龄：200亿年亿年dHv0 哈勃在研究天体的退行速度与距离的关系时，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。联想到多谱勒效应。结论结论2.2.宇宙的特征宇宙的特征（1 1）宇宙学原理：）宇宙学原理： 物质在空间分布是均匀、各向同性的。物质在空间分布是均匀、各向同性的。（2 2）星系退行：）星系退行：星系都在退行，距离越远星系都在退行，距离越远V V越大。越大。在任何星系上，看其他星系都是退行的。在任何星系上，看其他星系都是退行的。（3 3）宇宙中氢和氦丰度：氢）宇宙中氢和氦丰度：氢3/43/4，氦，氦1/41/4

15、宇宙初期是温度极高、宇宙初期是温度极高、密度极大、体积极小密度极大、体积极小的的“奇点奇点”。爆炸！物质四散，爆炸！物质四散，空间膨胀，温度降低。空间膨胀，温度降低。膨胀和冷却过程膨胀和冷却过程中出现星系、恒星、中出现星系、恒星、行星、生命。行星、生命。3.3.大爆炸宇宙模型大爆炸宇宙模型（1）解释氢氦丰度：）解释氢氦丰度：H 3/4，He 1/4 3 3 30min30min：元素的合成期元素的合成期30min30min末：末：核合成结束，核合成结束，T T 质子和中子动能减小，不能质子和中子动能减小，不能再结合。再结合。最初最初3 min3 min：？前前100s100s：T =10T =

16、107 7K K，轻的原子，轻的原子核不能稳定存在：核不能稳定存在：H H质子质子+ +中中子子= =氘，氘氘，氘+ +氘氘= =氦。氦。此期间，此期间，25%25%的的H H合成合成HeHe 75% 75%的的H H遗留遗留H 3/4H 3/4，He 1/4He 1/4（2）解释宇宙学原理：）解释宇宙学原理：大量自由电子大量自由电子自由电子与光子、实物粒子频繁碰撞自由电子与光子、实物粒子频繁碰撞宇宙处于热动平衡态，宇宙处于热动平衡态，T T处处相等处处相等大尺度上的各向同性。大尺度上的各向同性。电子被实物粒子吸收，数目减少。电子被实物粒子吸收，数目减少。光子不再受电子的碰撞，与实物脱耦。光子

17、不再受电子的碰撞，与实物脱耦。实物不受辐射，出现质量涨落，分裂成团，实物不受辐射，出现质量涨落，分裂成团，团在引力下，聚集成天体。团在引力下，聚集成天体。小尺度：团块分布不均小尺度：团块分布不均膨胀初期：膨胀初期：T 引力，核开始收缩，中心引力，核开始收缩，中心T T升高，核密度增升高，核密度增大。大。 同时，外层得到核收缩释放的同时，外层得到核收缩释放的E E，膨胀，形成，膨胀，形成V V大，密度小，温大，密度小，温度低，而光度很大的红巨星！度低，而光度很大的红巨星！（3 3）超新星爆发：）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。红巨星后，核中心聚变停止，开始冷却，辐射

18、压降低。 引力引力压力，导致整个星体向中心塌缩，内部温度大大提高。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！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超新星爆发是恒星死亡的一种形式，其结果：，其结果：A.A.恒星瓦解成星云；恒星瓦解成星云；B.B.抛掉大量物质，塌缩成抛掉大量物质，塌缩成白白矮星矮星、中子星中子星、黑洞黑洞。恒星的演化和归宿的大致过程恒星的演化和归宿的大致过程中子星：中子星：中子，少量质子和电子中子，少量质子和电子具有极强的磁场，且高速自转具有极强的磁场，且高速自转只要磁轴和自转轴不重合，磁只要磁轴和自

19、转轴不重合，磁极就会周期性的扫过空间极就会周期性的扫过空间脉冲星。脉冲星。 黑洞：黑洞：当一颗当一颗超新星超新星爆发时，爆发时，恒星恒星的核一的核一般要塌缩成般要塌缩成中子星中子星，如果核的质量，如果核的质量大于三个太阳，就形成大于三个太阳，就形成黑洞黑洞。具有超强的吸引力，一切物质只能具有超强的吸引力，一切物质只能被他吸收，无法逃逸，包括光！被他吸收，无法逃逸，包括光！不可见！不可见！第三节第三节 天文观测的发展史天文观测的发展史一、古代的天文观测一、古代的天文观测1.历法历法（1 1）阴历（回历）：）阴历（回历）：根据月亮的圆缺变化周期制定的。根据月亮的圆缺变化周期制定的。奇数月奇数月3030天，偶数月为天，偶数月为2929天，天，1212个月一年，共个月一年，共354354天。天。（2 2）阳历：）阳历：根据地球绕太阳运动周期制定的。根据地球绕太阳运动周期制定的。（3 3）阴阳历：）阴阳历：兼顾月亮绕地和地球绕太阳的运动周期而制定。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。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。来自