宇宙学概论4 -14打印版

1、宇宙学概论朱国怀浙江大学物理系浙江近代物理中心折反射望远镜兼有折射望远镜和反射望远镜的优点视场大，光力强，适合于观测延伸天体(彗星、星系、弥散星云等)，并可进行巡天观测结构较复杂，较难制作哈勃望远镜(2.4米12.5吨)建造费用：$40m-$2.5b 累计到2010总费用：$10bSupernova 1987A(51kpc)猫眼星云（1kpc)乌鸦座天线星系相撞(15Mpc)夏威夷凯克望远镜(10米)James Webb Space Telescope(6m)预计2018年发射 预算$8b河北兴隆Lamost(2008年建成,3.6-4.9m)射电望远镜宇宙中充满无线电波无线电波的波长比可见光

2、长，通常玻璃不会对其有折射作用用金属制成类似的抛物面，将无线电波聚焦到一点1960年代四大发现： 脉冲星，类星体，CMB，星际有机分子现在射电望远镜成像的清晰度已可同最好的光学照片相媲美 分辨率 /D德国100米射电望远镜波多黎各Arecibo射电望远镜（305m)贵州FAST 500m黔南州平塘县大窝凼洼地贵州FAST 500m (约￥7亿) 2016年建成美国新墨西哥州甚大阵(VLA)射电望远镜（21km 25m)微波波段-1989 COBE 微波波段-2001 WMAP 恒星的形成与演化星云原恒星星云密度: 10个原子/cm3 分子云：5005000银河系平均个/cm3 星系间：0.00

3、1 /cm3 实验室最高真空：1000个/cm3原恒星的形成慢收缩阶段，未达到核聚变温度船底座星云9000光年船底座星云9000光年尘埃尖端后方隐藏的原恒星恒星的发光机制化学能：3000 years引力势能: 108 years爱丁顿: E=mc2H：1.008 He：4.0020.7% mass1011 years1克氢=1500吨水加热100度反物质发动机的困难？PPI chain-太阳主要聚变反应PP聚变反应链CNO循环聚变链PP和CNO聚变反应(Bethe) MM2700万2000万度： PP链式反应为主核心温度2000万度：CNO循环反应为主 MM2氢弹与人工核聚变太阳核心：1500

4、万度 0.276 mW/cm3氢弹设计图（猜想）Teller-Ulam：氘化锂，钚 HeTLin423163磁约束核聚变ITERT：一亿度P: 500 MW10倍输入功率持续1000秒0.5g 氘/氚150亿欧元激光核聚变中心小球仅几毫克激光功率极高 （20 MW）空间定位精度极高不同脉冲高度同时性美国国家点火装置(NIF, $35亿) 主序星阶段：恒星一生的大部分时间 看到的大多数恒星都是主序星 大质量恒星：燃烧剧烈，燃料消耗快 主序星阶段的时间较短 最短的只有几百万年小质量恒星：氢的消耗较慢 主序星阶段的时间较长 最长的可达10万亿年 太阳年龄：45亿岁 主序星阶段的时间约100亿年 巨星

5、：比较年老的恒星 温度较低，体积较大 如大角五和毕宿五，温度在4000K以下，光度为太阳的几百倍，直径分别是太阳的23倍和45倍超巨星：比太阳光度大2千倍以上的恒星 体积更大，密度更小，光度更大 超巨星中温度最低的叫红巨星 温度最高的叫蓝巨星钚红巨星内部结构大质量恒星内部核反应25个太阳质量恒星：700万年He：50万年C: 600年O: 1个月Si: 1天恒星演化终点0.080.5太阳质量：氦白矮星0.58太阳质量：碳氧白矮星和行星状星云830太阳质量：超新星爆发-中子星30太阳质量：黑洞几何变星：恒星几何位置变化亮度变化物理变星（内部变化亮度变化）u 脉动变星：自身的膨胀和收缩光度变化 造

6、父变星等，占90%u爆发变星：光度突然发生剧烈变化 新星，超新星等变 星光变幅度不大，不超过几倍光度变化有明显的规律周期性脉动变星 每个周期的光度和光谱变化都很一致不规则脉动变星 不具有明显周期性的脉动变星脉动变星恒星演化晚期： 内部核反应减弱，恒星开始收缩 收缩到一定程度势能转化为热能，使内 部压力增大，恒星便又开始膨胀 膨胀又将导致压力减小，恒星将再度收缩，便形成了周期性脉动现象绝大多数恒星：都将经历脉动变星阶段 但时间不长，与恒星寿命相比极短暂脉动变星在恒星总数中所占比例很小 迄今发现的脉动变星总数：3万左右造父变星：脉动变星中最重要的一类 典型代表：仙王座中的“造父一” 光变周期为5.

7、4天不规则快变星： 亮度有不规则的快速变化 这类变星的自转较快 经常向外抛射大量物质 常和星云状物质在一起不规则快变星： 一种正处于引力收缩阶段的主序前恒星 典型代表：金牛座T星（1945年）短时间内亮度突然剧增（几小时至几天） 然后缓慢减弱光度增加：几万到几十万倍发亮之前一般很暗，大望远镜也许看不到 一旦发亮后，有的肉眼就能看到 因此被称为“新星”，中国古代称“客星” 新 星新星不是新产生的星：产生于双星系统一颗子星是体积很小、密度很大的矮星（可以认为是白矮星），另一颗是巨星两颗子星相距很近，巨星的物质受到白矮星的吸引，向白矮星流去这些物质的主要成分是氢，落进白矮星的氢使得白矮星“死灰复燃”

8、，在其外层发生核反应，从而使白矮星外层爆发，成为新星 新星爆发以后，所产生的气壳被抛出气壳膨胀半径增大密度减弱消散于恒星际空间气壳膨胀消散新星的亮度缓慢减弱 爆发规模更大的变星 亮度的增幅：新星的数百至数千倍 可达1000万倍以上抛出的气壳速度可超过1万千米恒星规模最大的灾难性爆发 超新星无氢谱线整个恒星完全炸毁II型超新星有氢谱线爆炸后剩下中子星有氢谱线超新星爆发： 大质量恒星(10个太阳质量以上)演化晚期燃料耗尽恒星中心的核剧烈塌缩 反弹产生向外的激波 恒星外层被加热而剧烈燃烧 以致整个外壳发生爆炸 将其全部物质抛向星际空间爆炸时外壳光度猛烈增大超新星爆发大麦哲伦星系中的超新星1987A

9、（但目前未观测到中子星） 1987A半人马A钱德拉X射线望远镜持续观测100万秒清晰捕捉到它的爆炸场面金牛星座一个超新星爆炸云团的照片2005年美国哈勃太空望远镜爆炸中甩出来的物质成分可以通过颜色辨别出来，如绿色代表硫超新星爆炸云团大约6光年大小距离地球6500光年超新星外层爆发：能量极高，发生进一步核聚变反应生成序列较高的元素新生成的元素，连同核聚变早期阶段产生的较轻元素（如碳、氧等）一起被抛入太空，成为下一代恒星和行星的组成材料（需要经历数十亿年的演化过程 ）恒星的核聚变：只能生成元素周期表中Fe及其之前的元素组成我们人类身体的原材料，以及世界上大部分物质，都源于宇宙中超新星的爆发 正常恒星走向死亡的最终归宿自身不能再进行核反应，因此不能再靠向外的辐射压平衡自身的引力塌缩体积都很小、密度非常大白矮星、中子星、黑洞致密星哈勃望远镜观测到的白矮星由X射线卫星望远镜ROSAT观测到的白矮星HZ43简并中子组成的超密态天体半径：一般只有十几公里质量与太阳相当（0.12个太阳质量之间）密度约1亿吨/cm3极强磁场和快速自转自转轴和磁轴相倾斜的中子星 高速自转磁隅极辐射和引力辐射 中子星辐射的来源中子星脉冲星电磁辐射强磁场超快自转中子星的发现Hewish and Bell射电望远镜观测快速自转的中子星：很强烈的短周期（几秒）的无线电脉冲(脉冲星)磁场极强：磁极附近带