宇宙的起源与演化

宇宙的起源与演化第一页，共四十五页，编辑于2023年，星期五第一章宇宙的起源和演化作者王世军第二页，共四十五页，编辑于2023年，星期五极目长空，日月经天，星回斗转，河汉纵横。自古以来人们观天象，辨星斗成果辉煌。哥白尼的“太阳中心说”使自然科学从神学中解放出来，牛顿创立了天体力学，而量子力学、相对论、高能物理学奠定了现代宇宙学的基础。大口径天文望远镜的落成，光子计数照相机和电荷耦合探测器的使用，天文光谱测量技术的发展，空间飞行器的天文探测等等，使人类对宇宙的认识逐渐深化和日臻完善。这一节我们来介绍一下现代天文学所认识的宇宙概观。引言第三页，共四十五页，编辑于2023年，星期五是先有鸡呢，还是先有蛋?何物创生宇宙，又是何物创生该物呢？宇宙演化的问题是问宇宙是恒定不变的，还是永恒变化的呢？第四页，共四十五页，编辑于2023年，星期五

宇宙泛指天地万物，亦即在浩瀚的空间中运动和变化着的全部物质世界的总称。迄今人们对宇宙的认识，已经从地球到太阳系，再由太阳系扩展到银河系、河外星系、星系团、乃至观测所及的宇宙深处。第五页，共四十五页，编辑于2023年，星期五《齐物论》中说：四维上下曰宇，古往今来曰宙。然而它们又不绝对，含有包容和流转的意义，故宇宙可指时空中所含变化的万有。又“宇之表无极，宙之端无穷”(张衡《灵宪》)西方的“宇宙”基本上是个空间概念，有两个重要词表达，一是Cosmos来自希腊文，本意是秩序，意指作为秩序体系的整个宇宙；二是Universe，来自拉丁文，本意是万有，意指包罗万象的宇宙。第六页，共四十五页，编辑于2023年，星期五火箭发射全过程火箭进入轨道启动太空舱第七页，共四十五页，编辑于2023年，星期五航天员的太空活动第八页，共四十五页，编辑于2023年，星期五第一节宇宙概观哥白尼的“太阳中心说”使自然科学从神学中解放出来，牛顿创立了天体力学，而量子力学、相对论、高能物理学奠定了现代宇宙学的基础。大口径天文望远镜的落成，光子计数照相机和电荷耦合探测器的使用，天文光谱测量技术的发展，空间飞行器的天文探测等等，使人类对宇宙的认识逐渐深化和日臻完善。第九页，共四十五页，编辑于2023年，星期五一、宇宙概观我们居住的地球是太阳系家族的一员，距太阳平均距离为1.496×108km。而太阳系又仅仅定居于银河系巨大旋臂的一侧；而银河系，在宇宙所有星系中，也许很不起眼……

宇宙是由数十亿个类似银河系的庞大天体系统所组成。

第十页，共四十五页，编辑于2023年，星期五太阳系最外面的冥王星距太阳平均5.9×109km，光约走5.5h。在火星和木星之间运行着几十万颗小行星。太阳系中质量较小的天体还有流星和彗星，哈雷彗星、波普——海尔彗星、白武彗星就是其中的几个。太阳只是一颗极普通的恒星，它属于一个庞大的恒星系统——银河系中的一颗恒星。太阳系是银河系中的一个星系。第十一页，共四十五页，编辑于2023年，星期五银河系是由群星和弥漫物质集成的一个庞大天体系统。银河系中有2000亿颗以上的恒星。扁盘的最大厚度约1×104l.y.，银河系发光部分距离约7×104l.y.，银晕，直径约1×105l.y.

除恒星外银河系中星云。第十二页，共四十五页，编辑于2023年，星期五二、几种典型的现代宇宙模型在现代，有什么样的物理理论就产生什么样的宇宙学。以牛顿力学为基础的宇宙学认为宇宙是一架机器。这是唯物机械论的宇宙学。

1916年爱因斯坦提出广义相对论。1917年他把广义相对论用于宇宙学研究，得到了一个静态的有限无界的宇宙模型。1922年苏联数学家费里德曼得到爱因斯坦场方程一组动态解，包括两类膨胀解和一类振荡解，从而建立了新的宇宙模型。对于膨胀解，宇宙将一直膨胀下去；对于振荡解，宇宙呈现膨胀——收缩的振荡。第十三页，共四十五页，编辑于2023年，星期五1927年比利时人梅特勒在费里德曼解的基础上把已观测到的河外星系光谱红移解释为宇宙膨胀的结果，提出了膨胀宇宙的模型。1948年英国剑桥的拜迪、霍伊尔和戈尔德又提出稳恒态宇宙模型。它基于完全宇宙学原理，认为宇宙物质密度始终不变。20世纪40年代末50年代初伽莫夫等人对极高温度极高密度的早期宇宙研究提出被普遍看好的主流模型——热宇宙模型，俗称“大爆炸宇宙”模型，亦称标准模型。20世纪80年代，古斯等人将理论物理大统一理论引入宇宙学，解决了“大爆炸宇宙”模型不能解释的“视界”问题、“平坦性”等宇宙难题。第十四页，共四十五页，编辑于2023年，星期五第二节宇宙的起源和演化宇宙有没有起源和终结，它是永恒的还是演化的？这是宇宙学所要回答的一个根本问题。各种文明都有自己的看法。第十五页，共四十五页，编辑于2023年，星期五一、中国古代的盘古开天地的神话故事这个神话故事说的是天地本来像个鸡蛋，盘古生于其中。后来天地开辟了，天每日高一丈，地每日厚一丈，盘古每日长一丈。18000年以后，天变得极高，地变得极厚，盘古也变得极长了。盘古怕天地合拢，就顶天立地拼命撑着，最后精疲力竭地死了。死后，他的全身化成了万物：气为风云，声为雷霆，左眼为太阳，右眼为月亮，血液为江河，肌肉为田土。第十六页，共四十五页，编辑于2023年，星期五世界上其它文明古国，也各有关于宇宙起源和结构的种种传说。例如，古印度人认为大地由四头大象驮着，大象站在一只巨龟的背上，巨龟则浮在水中，等等。古代各民族都把自己生活的地方当作天地的中央，并各自独立地产生了关于宇宙结构的地心学说。第十七页，共四十五页，编辑于2023年，星期五二、宇宙大爆炸起源模型20世纪70年代以来，粒子物理学家与宇宙学学家提出了“宇宙大爆炸起源模型”：宇宙“始”于约100亿年前的大爆炸。大爆炸后10-44s，温度为1032K大爆炸后的一秒种，温度降至1010K，进入辐射为主的阶段。3min，温度为109K，宇宙膨胀为约一光年的实体，是原子核合成的时期，有近1／3的物质合成４He，就是说此时构造各种物质元素的材料已制备完毕。第十八页，共四十五页，编辑于2023年，星期五经过7×105age,宇宙温度降为3000K，物质复合成原子，物质密度大于辐射密度，物质变得透明，物质复合的结果使重子数与光子数保持恒定。108a，辐射温度为100K，星际物质温度1K，星系形成。109a，辐射温度12K，出现类星体……至目前，宇宙年龄为1010a，辐射温度降为2.7K，星际物质温度为10-5K。我们观测到的宇宙已大到100多亿光年，现在宇宙仍在继续膨胀着。宇宙大爆炸模型已成为举世公认的一种“标准宇宙模型”。第十九页，共四十五页，编辑于2023年，星期五三、宇宙是均匀的和各向同性的介质在宇宙学中，星系被看成是宇宙物质的基本单元。星系是由数以万亿计的恒星构成。通常把几十个星系结成的集团叫星系群，把几百个星系组成的集团叫星系团。星系群和星系团又进一步结成超星系团。在宇宙学尺度上，可以认为宇宙是由充满空间的以星系为基元的均匀的和各向同性的介质。第二十页，共四十五页，编辑于2023年，星期五四、哈勃定律与宇宙膨胀1929年,著名美国天文学家哈勃（E.Hubble）写成哈勃定律的第一种表示形式:Z＝(Ｈ/c)d。第二种表示式：v＝Hd。20世纪50年代以后发现哈勃在测距方法上有系统错误，改进后是如下范围：

H=50~100km·s-1·Mpc-11994年10月，弗利德曼（Freedman，W.L.）、肯尼克特(Kennicutt,R.)和茅德（Mould,J.）等把哈勃常数定准了,为

H=80±1.7km·s-1·Mpc-1第二十一页，共四十五页，编辑于2023年，星期五五、微波背景辐射20世纪天文学的另一重大发现是微波背景辐射。1964年美国贝尔电话实验室的彭齐亚斯(A.A.Penzias)和威尔逊(R.W.Wilso)用一架精密的射电望远镜在7.35cm波长处探测到一种来自宇宙深处的强度与方向无关的宇宙背景辐射信号。1989年美国宇航局专门发射了宇宙背景辐射探测卫星，第一批测量数据表明，从0.5mm-5mm波段上该辐射的谱分布与温度为(2.735±0.06)K理想黑体的谱分布完全相合，在扣除运动效应后天空不同方向的差别小于十万分之一。彭齐亚斯和威尔逊两人因此获得1978年诺贝尔物理奖。第二十二页，共四十五页，编辑于2023年，星期五六、宇宙是有限的还是无限的宇宙是有限的还是无限的呢？费里德曼模型认为这取决于宇宙物质的平均密度ρ0与临界密度ρc的比值。宇宙物质平均密度的测定可以决定宇宙究竟是有限的还是无限的！所以宇宙是否无限膨胀下去是当前科学无法判断的一个难题。第二十三页，共四十五页，编辑于2023年，星期五七、宇宙的年龄现在普遍认为，估计宇宙年龄在100-150亿年之间。20世纪50年代末前，把推断宇宙年龄的古老天体作为地球和太阳，这样造成了距离定标的错误，定出的H值比现在的值大5-10倍。由球状星团测得的哈勃常数在50-100km·s-1·Mpc-1。由此算出的球状星团的年龄在150±30亿年的范围内。专家认为它不会小于120亿年。第二十四页，共四十五页，编辑于2023年，星期五八、宇宙元素的丰度从太阳系、其它恒星、星际介质、不同星系以及宇宙射线观测和研究中获得的数据表明，宇宙氦的含量在22%-25%之间，而氢与氦的质量比约为3∶1，理论值与观测接近。另外同一时期合成的氘、锂、铍、硼等轻元素尽管数量比氢、氦少得多，但理论给出的丰度值与实际观测也较接近。这种普适性对“大爆炸宇宙”模型是有力的支持。另外重子光子数之比的测量也是对该模型肯定的检验。第二十五页，共四十五页，编辑于2023年，星期五第三节星系的起源和演化什么是星系星系是由几十亿至几千亿颗恒星以及星际气体和尘埃等构成，占据几千光年至几十万光年的空间的天体系统。星系是构成宇宙的基本单元。星系的外形和结构是多种多样的1926年，哈勃按星系的形态把星系分为三大类：椭园星系、旋涡星系和不规则星系。后来又细分为椭园星系、透镜星系、旋涡星系、棒旋星系和不规则星系五个类型。星系在永恒地运动它内部的恒星在运动，自身也在运动。成对出现的星系彼此围绕公共质心转动，在星系团中，星系间有随机的相对运动。河外星系的视向退行速度与距离成正比。星系的质量是可测的。根据牛顿定律，转动着的星系内任一点的离心力必须同该点轨道以内所有物质对它的引力相平衡，这就由速度－距离的实测曲线得出星系的质量分布和总质量。第二十六页，共四十五页，编辑于2023年，星期五天文学家普遍认为，星系是由初始气云形成的。在标准宇宙模型中，不均匀性的种子来自宇宙极早期的真空相变。像许多相变都会留下对称性的缺陷那样，真空相变也留下一些不均匀结构。这些不均匀结构中的密度较高的地方通过引力相互作用吸引周围的物质，像滚雪球那样越滚越大，直至形成初始气云。刚从初始气云凝聚出来的星系胚胎是什么样子目前虽不清楚，但可以肯定地说，对于足够大的质量集中区，向内的引力会超过向外的压力而使气云塌缩为致密的星系。其过程大致是，随着时间的推移星系级初始气云开始收缩，例如收缩成类似银河系的气云盘，气云盘一步步分裂成为更小更密的碎片，由这些碎片诞生出第一代恒星，第一代恒星质量比太阳质量大得多，也亮得多，寿命也短得多。它们在大约一千万年内耗尽了自己的核燃料，而后通过爆发形式把自己内部合成的重元素抛回星际空间，从而进入第二代、第三代……恒星的生成和演化的循环。第二十七页，共四十五页，编辑于2023年，星期五第四节恒星的起源和演化恒星是构成星系的基本单元，是将宇宙原始物质合成各种重元素的熔炉。研究恒星的形成与演化是研究银河系结构和演化的基础。在星际弥漫物质到恒星的演化链上，恒星的形成是最关键的环节。恒星问题是宇宙学中解决得最好的问题之一。恒星是从星际分子云中形成的；恒星有形成、发展和死亡的过程。死亡着的恒星把它合成的原子核注入到残余星际气体中，从这些气体中又产生出新一代恒星，星系中这种恒星的消亡与再生过程，已为大量观测资料所证实。恒星演化的最后阶段比其形成阶段了解得要好一些。观测表明，星系中恒星间的区域不是真空而是充有星际物质，主要是气体云、尘埃云组成的巨大分子云。第二十八页，共四十五页，编辑于2023年，星期五一、恒星的形成

17世纪牛顿，18世纪初康德等倡言的散布于空间中的弥漫物质(称为星云)可以在引力作用下凝聚成太阳系和恒星的假说，经过历代天文学家的努力已逐渐发展成为相当成熟的理论。20世纪60年代确立了恒星从星际分子云中形成这一重大的现代学说，成为恒星形成研究的主要成就。第一代恒星是星系形成时期由初始气云碎片凝聚而成的，其它代恒星是由星系中的星际物质形成的，而一些突发事件，如超新星爆发等，是引起气体云密度变得大到足以产生新恒星的必要条件。目前已经从理论上认识到恒星形成的若干过程和阶段，如引力不稳定导致的分子云的动力学坍缩、原恒星的吸积阶段，以及主序前准静态收缩等。今后，恒星形成研究将朝两个主要方向发展：一方面是探索单颗恒星形成的具体过程，另一方面是揭示恒星形成的统计规律。第二十九页，共四十五页，编辑于2023年，星期五二、恒星的演化恒星的演化过程可分为四个阶段：初始阶段亚稳阶段周期性收缩膨胀阶段引力坍缩阶段恒星主要是依靠内部气体粒子热运动的压力与自身物质之间的巨大引力相抗衡的。第三十页，共四十五页，编辑于2023年，星期五三、恒星的结局恒星结局？恒星内部的热核反应的持续时间总是有限的，但是恒星自身物质之间的巨大引力却永远存在，那么恒星结局会怎样？坍缩是会被某种新形式的压力所阻挡，还是无限制地进行下去呢？随着恒星内部热核反应的停止，尽管恒星外层部分会出现膨胀、爆发等复杂的变动，核心部分却必定在引力作有下发生急剧的收缩，即所谓引力坍缩。这个问题，尽管是本世纪的两大物理理论即量子力学和相对论携手作答，并且有了不少重要的进展，却还远未彻底解决。第三十一页，共四十五页，编辑于2023年，星期五恒星演化的第一种结局。如果恒星的质量不超过1.4倍太阳质量,则简并电子气的压力能够抵抗住引力坍缩,使星体稳定下来。这就是白矮星，其密度约是水的1万至100万倍。恒星演化的第二种结局。初始质量更大的恒星，其晚期核心的引力坍缩会更厉害。一种可能的结局是，电子被挤进原子核内，与质子结合成中子，并且达到简并态。恒星的外层则随即出现超新星爆发而被炸散。剩下的只是一个由简并中子气压力支撑的核心，这就是中子星。第三十二页，共四十五页，编辑于2023年，星期五我国宋史记载宋仁宗至和元年(1054年)出现的“客星”是我国古书记载的90个超新星爆发事例中资料最详尽的一个。它最亮时比金星还要亮。这颗超新星的遗迹就是著名的蟹状星云，它以1100km/s的速度向外膨胀着。900年后英国天文学家在那个位置发现的脉冲星，就是那次爆发剩余的星核——中子星。脉冲星是高速旋转的中子星。第三十三页，共四十五页，编辑于2023年，星期五恒星演化的第三种结局。如果恒星在经过各种形式的质量损失特别是超新星爆发之后，其核心剩余的质量仍在3M⊙

以上，就没有任何力量能够阻止引力坍缩。按照广义相对论，物体一旦收缩到一个被称为引力半径的特征半径以下，强大的引力就会使得包括光在内的任何物质都不可能再逃逸出来，物体也就消失在黑暗之中。这就是黑洞，即恒星演化的第三种结局。第三十四页，共四十五页，编辑于2023年，星期五黑洞的概念可以追溯到二百多年前。黑洞这个名词是1967年才由美国物理学家约翰·惠勒提出来的。1973年,英国物理学家史蒂芬·霍金研究发现,黑洞不是完全黑的,它以恒定的速率发射出辐射和粒子。发射出的粒子具有准确的热谱，黑洞正如同通常的热体那样产生和发射粒子，这热体的温度和黑洞的表面引力成比例并且和质量成反比。对于一颗具有太阳质量的黑洞，其温度大约只有绝对温度的千万分之一度。黑洞是时空的一个区域，如果物质低于光的速度运动就不可能从这个区域逃逸。第三十五页，共四十五页，编辑于2023年，星期五黑洞辐射的预言是爱因斯坦广义相对论和量子力学相结合的研究结果。黑洞物理也正在成为崭新的物理学分支。然而，黑洞的存在却还没有得到完全的确认，部分地是在理论上的问题，部分地是在观测问题上。理论上的主要问题是奇点问题，如果坍缩无限制地进行下去，就必然形成一个物质密度为无穷大的点，而这是不可接受的。避免奇点的希望寄托于广义相对论与量子论的真正联姻，即引力场亦即时空的量子化。这种量子化的典型尺度是10-33cm，称为普朗克长度，比基本粒子的尺度还要小20个数量级。第三十六页，共四十五页，编辑于2023年，星期五观测上的主要问题是无法观测孤独的黑洞。但若黑洞是与另一个普通恒星组成双星系统，则另一个恒星的表层物质就可能被黑洞拉去，并且在下落过程中释放引力能而发出X射线辐射，据此，从原则上讲，我们可以探测黑洞。困难在于，双星中的中子星也同样可以成为强X射线源。现在唯一的办法是运用开普勒第三定律来推算X射线源的质量，如果这个质量超过3M⊙，黑洞就得到了认证。但由于双星系统的轨道参量和其中普通恒星的质量难以精确测定，迄今虽已努力20多年，找到的黑洞只有三个，并且还没到确定无疑的程度。黑洞的最后确认，乃至广义相对论的最后确认，都依赖于引力波的探测成功。第三十七页，共四十五页，编辑于2023年，星期五一、太阳系太阳在银道面以北约26l.y.，距银心约32600l.y.，以250km/s速度绕银心运转，每2.5亿年转1周。在太阳系中，太阳是中心天体，其它天体都在太阳的引力作用下，围绕太阳公转。太阳是有热核能源辐射的发光恒星，其它天体都没有核能源辐射（木星、土星有红外辐射热源），主要被太阳光照射而发光。第五节太阳系的起源与演化第三十八页，共四十五页，编辑于2023年，星期五太阳系的起源可以用星云说解释。20世纪以来人们提出了十多个星云学说，都认为太阳系是由一个旋转着的同一个星际物质云在自引力作用下逐渐收缩形成的。第三十九页，共四十五页，编辑于2023年，星期五太阳是太阳系的中心天体。它是一颗普通恒星。半径7×105km、表面温度6000K、核心温度1.5×10７K、质量约为2×1033g的气体球。它的平均密度为1.409g/cm3，表面加速度为2.74×104cm/s2。在太阳中心区的氢核聚变产生的能量，主要以辐射形式稳定地向空间发射。太阳大气层分为三层，从内向外依次是光球、色球和日冕。太阳内部结构示意图第四十页，共四十五页，编辑于2023年，星期五1.光球及黑子光球是肉眼所见到的太阳表面层，厚约300-500km。6000K的太阳表面温度指的就是光球的温度。我们接收到的太阳