《空间信息科学导论》讲义与参考材料

现代空间信息技术导论

讲义与参考资料

目录

第一部分绪言....................................................................3

1.1课程内容与性质.........................................................3

1.2学科特点...............................................................3

1.3学习目标...............................................................3

1.4空间信息技术（SpaceInformationTechnology）.........................3

1.4.1空间信息的内容...................................................3

1.4.2空间信息的特点...................................................3

1.4.3空间信息技术的概念...............................................3

1.5空间信息技术的科学体系................................................4

1.6空间信息技术的研究方法.................................................4

1.7空间信息技术发展与人类文明的进步......................................4

第二部分对天观测——宇宙起源与演化............................................5

2.1宇宙观测的主要内容.....................................................5

2.2宇宙的时空结构.........................................................5

2.3宇宙演化规律............................................................8

2.4现代天文望远镜.........................................................14

第三部分对地观测与遥感（RS）.................................................18

3.1遥感技术的涵义与主要特点...............................................18

3.2对地观测技术的发展.....................................................18

3.3遥感空间信息在资源、环境、人口、灾害、管理和决策中的作用............21

3.4遥感空间信息与国家安全................................................26

3.5空间信息与遥感技术在国家统计工作中的应用...............................28

第四部分空间信息管理与分析（GIS）............................................33

4.1基本概念...............................................................33

4.2地理信息系统的类型.....................................................33

4.3地理信息系统的功能.....................................................34

4.4地理信息系统发展.......................................................35

4.5GIS理论研究中及待解决的问题..........................................37

4.6地理信息系统的发展动态................................................39

4.7GIS的社会化过程与面临的问题..........................................42

第五部分空间定位技术（GPS）..................................................48

5.1概述定义...............................................................48

5.2发展...................................................................48

5.3工作原理定位原理.......................................................48

5.4数据...................................................................50

5.5主要功能...............................................................51

5.6组成部分空间部分.......................................................51

5.7主要模块...............................................................51

5.8计划实施...............................................................52

5.9GPS前景...............................................................52

5.10GPS特点..............................................................52

5.11强化型................................................................53

5.12种类..................................................................55

5.13市场发展..............................................................57

5.14如何选购..............................................................57

5.15四大导航..............................................................59

5.16时钟装置..............................................................60

5.17注意事项..............................................................60

5.18我国前景..............................................................60

5.19定位系统定义..........................................................61

5.20网的设计..............................................................61

5.21标准..................................................................62

5.22范围..................................................................62

5.23引用标准..............................................................62

5.24实际运用..............................................................62

第六部分地球空间信息科学(3S)................................................................................................64

6.1学科内涵...............................................................64

6.2发展现状...............................................................64

6.3研究内容...............................................................66

6.4展望...................................................................69

第七部分思考题................................................................70

第一部分绪言

1.1课程内容与性质

什么叫作空间信息技术？实际上，这个在国际上也没有一个完整的定义。现在我们国

家用得比较多的，在我们这里往往乂称为地理空间信息技术，从技术层面上来看，它是遥感

(RS),地理信息系统(GIS),卫星全球定位系统(GPS)与通讯技术、网络技术的综合集成，

将空间对地观测信息的获取、处理、分析、应用结为一体的信息技术体系。从目标层面来看,

整个空间信息技术的主要目标是研究并支持社会可持续发展。我们指的社会经济文化的可持

续发展，体现了资源环境人口的和谐与协调，特别是在当前人类面临着严重的资源亏缺、环

境恶化、人口剧增，灾害频繁等问题下，随着它的社会功能的不断完善和提高，支持社会可

持续发展的能力也就越强。

在本课程内，空间信息技术涵盖：宇宙空间的观测技术与分析方法、地球表层空间观

测的技术与分析、空间信息管理处理与数据挖掘方法等几方面的内容。课程主要介绍当前宇

宙观测、对地观测的技术装备、观测手段，讨论空间信息数据的处理技术、讨论空间信息的

分析和应用领域，介绍当前主要空间信息解决的基础理论问题和全球性问题。

1.2学科特点

空间信息技术所涉及学科：

与宇宙学、天文学、地理学、大气、海洋科学均发生密切的关系。

空间信息技术的主要应用领域：认知人类生存发展的外部环境(宇宙)和内部环境(地

表)、空间信息管理方法为探索人类与自然的环境的关系、经济社会发展的全球性问题提供

了技术手段：为各类重大自然灾害提供及时准确的监测数据，对资源和环境变化进行鉴测、

预测和评估等。

1.3学习目标

系统地了解当前空间科学的基本理论和主要工作方法，了解空间信息技术在现代文明

中的重要地位：了解宇宙探测的基本方法，掌握地表空间信息获取、管理与应用的基本原理。

树立系统的空间观、宇宙观、全球观，能够从地理空间关系上来理解全球均衡问题、

具有初步的空间分析能力。掌握地理空间信息在经济、社会建设中的基本应用于分析方法。

1.4空间信息技术(SpaceInformationTechnology)

1.4.1空间信息的内容

*位置：在哪里？或那里有没有？或有什么结构？

*属性：目标(对象)是什么？或有何特点？

*变化：向那里去？有何运动规律？

1.4.2空间信息的特点

*位置(方位，坐标)的信息是基础信息

*海量信息

*信息结构复杂

1.4.3空间信息技术的概念

*空间信息技术是以获取对象空间信息为目标的探测、处理、分析的技术手段。

*充分利用与扩展人类信息器官功能的各种方法、工具与技能，以空间信息的产生、收

集、交换、显示、识别、提取、加工和利用为目的的技术。

1.5空间信息技术的科学体系

从信息技术角度来看，空间信息科学是多种空间信息技术，包括对空、对天观测技术、

全球定位系统（GPS）、对地遥感（RS）、地理信息系统（GIS）、虚拟现实技术等，处理手段

包括如图像处理、计算机扫描、计算机绘图以及因特网等的综合与集成。

1.6空间信息技术的研究方法

空间过程的演化尺度、时间过程、能量形式和能量的绝对值远大于实验室能提供的条件，

因此研究方法上有别于其他学科。

》空间信息过程：

1获取：观察、测量

2分析：信号---认知—知识---规律---应用

3管理：存储、传播、显示、挖掘

》研究的空间尺度：宇宙、太阳系、地月系、地球、地表

1.7空间信息技术发展与人类文明的进步

哲学：从地心说到日心说（宇宙观、世界观问题）

物理：从万有引力到量子力学（提供了观测证据）

社会：地缘政治（殖民地理论与全球社会一体化）

经济：全球变化（全球增暖、粮食估产）

第二部分对天观测一一宇宙起源与演化

2.1宇宙观测的主要内容

•距离的观测

A周年视差法通过利用地球绕太阳周年运动观察所产生的视差来计算星体离地球的

距离的一种方法。

B分光测量法利用恒星光谱的强度与绝对星等的线性关系测定，即利用视星等于绝

对星等的关系。

C造父变星用于测定距离由于造父变星具有确定的周光关系，在测量星团、星系的

距离时，只要观测到其中的造父变星，就可以利用周光关系确定它们的距离。因此，造父变

星被称为"量天尺”。

•光度与星等的计算

•恒星的质量、大小、密度测定

光度法测定：利用恒星的半径与光度和温度的关系测定。

双星质量可直接测定（开普特第三定律），其他恒星需要推求。

•星际物质的化学组成

利用发射光谱和吸收光谱求取

•恒星温度的测定

恒星表面温度决定了元素电离程度与激发状态，使得发射光线的光谱结构产生差异。

2.2宇宙的时空结构

•地月系

地球与月球构成了一个天体系统，称为地月系。在地月系中，地球是中心天体，因此一

般把地月系的运动描述为月球对于地球的绕转运动。然而，地月系的实际运动，是地球与月

球对于它们的公共质心的绕转运动。地球与月球绕它们的公共质心旋转一周的时间为27天

7小时43分11.6秒，也就是27.32166天，公共质心的位置在离地心约4671公里的地球体

内。

地球同它的天然卫星一一月球所构成的天体系统地球是它的中心天体。由于地球质量同

月球质量的相差悬殊（成81.1:1）,地月系的质量中心距地球表面只有约1650公里。通常所

说的日地距离，实是太阳中心和地月系质心的距离；通常所说的月球绕地球公转，实是地球

和月球相对于它们的共同质心的公转。由于这种公转，共同质心在地球内部有以地球恒星月

为周期的位移。

地月系的形成，多数科学家认为是月球撞击地球的结果。但苦于找不到科学证据而成为

一种假说。然而，地球研究学家钟关村经研究后得到确认；在远古的某个时候，火星般大的

月球，突然撞击地球，在高温高压的作用下，使板块爆裂分开成为后来的大西洋。在月球碰

撞地球的能量达到最大值时，加上地球回归物的反冲力和地球自转产生的离心力的共同作用

迫使月球脱离地球而去。地月系随即产生。

关于地月系的形成，人们曾经用分裂说，双星吸积说，俘获说及宇宙飞船说。这些假说

各有各的见解，都有缺点，难以让你心服口服。让人无法接受。后来有人提出一个新的学说:

在数十亿年以前,一颗跟火星般大小的星体撞击地球,星体较重的核心撞击后再坠落到地球;

后来下沉到地球中心变成地球核心的部分。地球表面-大片物质因为被它扔到太空，和那些

星体残骸环绕地球运行，最后集合形成了月球1。

如果按照这种学说推理，月球进入地球内部后，相互产生的能量爆炸会把地球炸成四大

八块，不可能有完整的地球。而那些星体残骸环绕地球运行，最后形成了月球。这是利用康

德的星云学说来作为地月系形成理论的。

根据近几年来探测宇宙星系所得到的资料表明;康德星云说有待从新评判。所以，以上

学说不足为论。因为没有让人完全信服的理由。

地球研究学家钟关村经全面研究后确认：在远古时期的某个时间里，有一颗火星般大小

的月球突然撞击地球，在极其强大的冲击能量作用下进入地壳，高温高压引发的能量爆炸使

月球与地球的接触部分产生极其强烈的汽化，大量物质喷向空中。这是在引发的极其巨大的

膨胀能量的作用下，迫使南北美洲板块与非（洲）欧（洲）板块相互分离。使南美洲板块脱

离北美板块向南向西移去。使非洲板块脱离欧洲板块向南向东移去。使格陵兰板块直接移至

北方。

当月球与地球的碰撞进入最大值，相互间的能量也转化到最大值时，这时加上板块，泥

±,石沙，海水等回归地球时的反冲力，再加上地球自转产生的离心力的共同作用，使月球

脱离地球而去。月球离去，地月系诞生。

•太阳系

太阳系是以太阳为中心，和所有受到太阳的引力约束天体的集合体。8颗行星（由离太

阳从近到远的顺序）：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星。以及至少

173颗已知的卫星、5颗已经辨认出来的矮行星和数以亿计的太阳系小天体。

广义上，太阳系的领域包括太阳，4颗像地球的类地行星，由许多小岩石组成的小行星

带，4颗充满气体的类木行星，充满冰冻小岩石，被称为柯伊伯带的第二个小天体区。在柯

伊伯带之外还有黄道离散盘面和太阳圈，和依然属于假设的奥尔特云。

依照至太阳的距离，行星依序是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、和海

王星，8颗中的6颗有天然的卫星环绕着。在英文天文术语中，因为地球的卫星被称为月球,

这些卫星在英语中习惯上亦被称为“月球”（moon）,在中文里面用卫星更为常见。五颗矮

行星是冥王星，柯伊伯带内已知最大的天体之一鸟神星与妊神星，小行星带内最大的天体谷

神星，和属于黄道离散天体的阅神星。

太阳系内最大的卫星（超过3000公里）包括地球的卫星月球、木星的伽利略卫星木卫

-（埃欧）、木卫二（欧罗巴）、木卫三（盖尼米德）、木卫四（卡利斯多）和土星的卫星土

卫六（泰坦），以及海王星捕获的卫星海卫一（特里同）。更小的卫星参见各个相关行星条目。

太阳系的主角是位居中心的太阳，它是一颗光谱分类为G2V的主序星，拥有太阳系内

已知质量的99.86%,并以引力主宰着太阳系。木星和土星，是太阳系内最大的两颗行星，

又占了剩余质量的90%以上，仍属于假说的奥尔特云，还不知道会占有多少百分比的质量。

太阳系内主要天体的轨道，都在地球绕太阳公转的轨道平面（黄道）的附近。行星都非

常靠近黄道，而彗星和柯伊伯带天体，通常都有比较明显的倾斜角度。

由北方向下鸟瞰太阳系，所有的行星和绝大部分的其他天体，都以逆时针（右旋）方向

绕着太阳公转。有些例外的，如哈雷彗星。

环绕着太阳运动的天体都遵守开普勒行星运动定律，轨道都是以太阳为焦点的一个椭

圆，并且越靠近太阳时的速度越快。行星的轨道接近圆形，但许多彗星、小行星和柯伊伯

带天体的轨道则是高度椭圆的。

在这么辽阔的空间中，有许多方法可以表示出太阳系中每个轨道的距离。在实际上，距

离太阳越远的行星或环带，与前一个的距离就会更远，而只有少数的例外。例如，金星在水

星之外约0.33天文单位，而土星与木星的距离是4.3天文单位，海王星在天王星之外10.5

天文单位。曾有些关系式企图解释这些轨道距离变化间的交互作用。

依照至太阳的距离，行星序是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星，

（离太阳较近的水星、金星、地球及火星称为“类地行星”，木星与土星称为“近日行星”，

天王星与海王星称为“远日行星”）8颗中的6颗有天然的卫星环绕着，这些星习惯上因为

地球的卫星被称为月球而都被视为月球。

星云假说

太阳系七大奇观系的形成据信应该是依据星云假说，最早是在1755年由康德和1796

年由拉普拉斯各自独立提出的。这个理论认为太阳系是在46亿年前在一个巨大的分子云的

塌缩中形成的。这个星云原本有数光年的大小，并且同时诞生了数颗恒星。研究古老的陨石

追溯到的元素显示，只有超新星爆炸后的心脏部分才能产生这些元素，所以包含太阳的星团

必然在超新星残骸的附近。可能是来臼超新星爆炸的震波使邻近太阳附近的星云密度增高，

使得重力得以克服内部气体的膨胀压力造成塌缩，因而触发了太阳的诞生。

相信经由吸积的作用，各种各样的行星将从云气（太阳星云）中剩余的气体和尘埃中诞

生：

一旦年轻的太阳开始产生能量，太阳风会将原行星盘中的物质吹入行星际空间，从而结

束行星的成长。年轻的金牛座T星的恒星风就比处于稳定阶段的较老的恒星强得多。

根据天文学家的推测，太阳系会维持直到太阳离开主序。由于太阳是利用其内部的氢作

为燃料，为了能够利用剩余的燃料，太阳会变得越来越热，于是燃烧的速度也越来越快。这

就导致太阳不断变亮，变亮速度大约为每11亿年增亮10%»

再过大约76亿年，太阳的内核将会热得足以使外层氢发生融合，这会导致太阳膨胀到

半径的260倍，变为一个红巨星。此时，由于体积与表面积的扩大，太阳的总光度增加，但

表面温度下降，单位面积的光度变暗。

随后，太阳的外层被逐渐抛离，最后裸露出核心成为一颗白矮星，一个极为致密的天体,

只有地球的大小却有着原来太阳一半的质量。最后形成暗矮星。

大爆炸形成假说

在大爆炸时期，黑洞的爆炸使其内核及外壳物质在强烈的爆炸中，产生裂变反应，在爆

炸中形成的碎片迅速膨胀，其体积由几倍到几十倍，由几十倍到几百倍，由几百倍到几千倍,

由几千倍到几万倍，由几万倍到几亿倍……在裂变过程中，产生了含有大量气及其它能产生

聚变物质的气团，这些气团中的可致聚变的物质达到一定量，气团的体积和内部压力达到一

定程度，该气团的核聚变产生了。这样就形成恒星的幼体。幼体在漫长的岁月中，或同其它

恒星合并，或吞噬漫长的旅途中所遇到的残体，不断发展壮大自身，逐淅成为今天的太阳。

这些碎片的迅速澎涨，其实是一个裂变的过程，在裂变过程中，有的以固态的形式保持下来,

这些物质和其它的固态物质随时相遇，通过相互吸引，发生物理变化或化学变化，合并在一

起；不断的吞噬所遇到的体积小的固态或液态物质，使其体积不断增加，质量不断增大，捕

捉和吸引其它物质的能力逐渐增强，终于，吸引住了一个体积较大的固态物质，该物质又有

一定的反引力的效应，这样就成了行星和卫星的系统。我们所生存的地球有可能就是在这个

背景下形成的。地球是太阳系八大行星之一，按离太阳由近及远的次序排为第三颗。它有一

个天然卫星一一月球，二者组成一个天体系统一一地月系统。地球自西向东自转，同时围绕

太阳公转。地球自转与公转运动的结合产生了地球上的昼夜交替和四季变化。地球自转的速

度是不均匀的。同时，由于日、月、行星的引力作用以及大气、海洋和地球内部物质的各种

作用，使地球自转轴在空间和地球本体内的方向都要产生变化。

•银河系

银河系是星系的典型代表，由1500〜2000亿颗恒星和无数的星际物质组成。银河系主

体部分称银盘，直径8.5X10ty.（光年）（ll.y.=94600X108km）,中央呈近似球形隆起的部

分，称为核球，直径lO,-lJXIOTy.,厚约104l.y„是恒星高度密集区域；核球的中心称

为银核，是银河系的质心。肉眼见到的银河就是银河系主体在天球上的投影。银盘外围被恒

星密度很稀的扁球状银晕所包围，直径达到lOXlOTy.（图2-1,左；IXIO?秒差距（pc）

=326L61.y.）«

从垂直银河系平面的方向看，银盘内恒星和星际物质在磁场和密度波影响下分布并不均

匀，而是由核球向外伸出的四条旋臂组成旋涡结构（图2-1,右）。旋臂是银河系中恒星和

星际物质的密集部位。

图2-1银河系结构示意图底，侧视；右，俯视）

太阳是银河系众多恒星中的普通一员，它位于银盘中心平面（银道面）附近和一条旋臂

（猎户座旋臂）的内缘，距银核约2.7X10iy.处。

（2）太阳在银河系内的运动

银河系的旋涡结构反映了自身存在自转运动，也就是银河系中的恒星、星云和星际物质

都绕银核旋转。太阳绕银核旋转的速度为250km/s,旋转一周约2.5X108〜3X10、，称为银

河年。

银河系内不同星体间的运动也存在复杂的情况。有人提出太阳在旋转过程中可能发生两

种周期性变化。一种是从银河系侧面看，发生在银道面上下的往复波动，大体每隔35百万

年就穿越银道面一次。另一种是从银河系平面看，由于不同星体旋转速度不等，太阳与银河

系四个旋臂并不同步并行，大体每隔75百万年就穿越旋臂一次。上述假说在天文学研究领

域内尚待进一步验证.

•银河系的运动和河外星系

银河系除存在自转外，同时整体以214km/s的速度向着麒麟座方向运动。近些年天文学

研究已陆续发现，宇宙空间中存在500亿个类似银河系的恒星系，它们自身直径也达十万光

年左右，离银河系则有几十亿至上百亿光年之遥，称为河外星系。若把可见宇宙比作广阔的

海洋，它们只不过是散布其中的岛屿，也称为宇宙岛（worldisland）。

•从星系团到总星系

10万光年尺度的星系在空间分布并不均匀，它们有成团的趋势，可以形成星系团。星

系团的规模大小不等，形状也各不相同，典型的空间尺度达到千万光年（即10'km）量级，

总质量达到1047g量级。星系团内星系之间距离约为百万光年量级。银河系和相邻仙女星系、

麦哲伦星云等30个星系组成一个规模较小的集团，称为本星系群。

星系团在空间的分布也不均匀，许多星系团可以进一步组成超星系团，典型的空间尺度

达到1亿光年量级。本星系群和室女星系团构成的本超星系团，直径约1-2.5亿光年，总

质量为太阳的千万亿倍。

人类现在观测能力所及的可见宇宙称为总星系，其典型空间尺度为150亿光年，年龄为

100亿光年量级，总质量达到1056克量级。

2.3宇宙演化规律

•大爆炸宇宙学说

当代宇宙起源假设中，大爆炸宇宙学说是最有影响的一种学说。该学说提出于40年代,

本身也在不断发展完善中。其主要内容如下：

宇宙在大爆炸前处于极高温和超高密状态，物质与反物质以及物质与能量均呈平衡状

态。在某种物理条件下开始了大爆炸，在宇宙诞生io*s之后体积急剧暴胀，在IO^S内迅

速膨胀约1O"10倍，密度相应降低。但在1秒钟之内温度仍高达10,2K至1O'°K以上，原子和

分子均无法存在。当时宇宙中的物质存在形式和行为目前无法在实验室模拟，推测可能存在

辐射能以及电子、中微子（neutrinos,一种不受电、磁、核力影响的基本粒子，1998年证实

具有极微小的静止质量）和质子、中子形式基本粒子。目前人类业已观测到从宇宙早期留下

的最早原子核形成于爆炸后1秒钟，因此，可以把这1s看作宇宙史研究的一道分水岭。

爆炸进行3min后，温度降至109K以下，核反应开始启动，由质子和中子聚变为气核、

氮核和锂核最轻元素后可以不至于瓦解（图2-4）。当时全部物质中氨占约22%,氢占78%,

还有极少量气和锂。

图2-4大爆炸最初三分钟的最轻元素形成过程等文献1）

至百万年前后，温度降至107“K范围，宇宙间弥漫着由轻元素原子核和电子、质子等

组成的等离子体。2.5亿年后温度降至103K时，辐射减弱，中性原子形成，等离子体复合成

为正常气体。至10亿年前后星系开始形成，50亿年前后开始出现首批恒星，太阳系的形成

则在100亿年前后。

宇宙大爆炸学说虽然获得国际多数学者支持，但在大爆炸起因，大爆炸是永远进行下去

还是后期将转化为收缩，大爆炸由一个奇点开始还是整个空间每一点都可看作是膨胀的中

心，大爆炸最初1秒钟内的物质形式和行为等根本性问题上并没有公认结论，在哈勃半径和

宇宙形成年龄测定上还存在不同见解.

有关宇宙大爆炸各种模型的提出和探讨，势必涉及时空是否永恒存在等一系列根本的哲

学思想问题。例如有人认为，在大爆炸之初的1043s（普朗克时期），当时的可见宇宙尺度小

于它的量子波长，整个宇宙变得为量子不确定性所主宰，根本就没有“钟"和‘'尺子”能加

以测量，即广义相对论时空概念失效，是一个没有时空的物理世界，需要通过时空的量子化

途径来探讨已知时空形式的起源。这对于传统上认为宇宙无边无界、无始无终的哲学思想也

是一种冲击，对于促进哲学观念的现代化也有重要意义。

•大爆炸的直接证据

（1）红移

轰鸣的火车驶近我们时声波频率增强，声调变高；驶离时则声波频率降低，声调变低（多

普勒效应）。与此同理，发光星体接近观察者时，见到的星光谱线向频率高的蓝光方向移动,

称为蓝移；当离开观察者时，向频率低的红光方向移动，称为红移。

哈勃（E.P.Hubble,1929）经过大量实际观测发现，来自不同星系的光呈现某种系

统性的红移现象。根据星系中特定原子发射的光的谱线与地球上实验室内同种原子发射的光

进行比较，可求得光源星系离开观察者的退行速度；再根据相同类型恒星的视亮度比较，推

算出光源星体离我们的距离。由此获得了“光源越远的星体，离我们而去的速度也越快”的

结论，就是著名的哈勃定律（图2-2）。

哈勃定律揭示了遥远的星系正在“逃离”我们而去，整个总星系都处于膨胀的变化之中,

己经成为当今人们的共识。另一方面，银河系内部不同恒星的谱线分析证明也有不少蓝移现

象,反映星系内部仍然具有吸引力。1996年哈勃太空望远镜还拍摄到距地球6300X1（）4光年

处（乌鸦座南部）星系间发生超级碰撞的照片。因此，宇宙的膨胀看来主要发生在星系团之

间的空间迅速增大，星系本身尺度变化不大，类似吹胀气球时在气球表面看到的情况（图

2-3）。已知宇宙中不同部位的密度特征也可能与之有关（表2-1）。

表2-1宇宙不同客位空间物质密度

位置太阳系内行星际物质银河系内星际物质总星系内星系际物质

5x10'30g/cm3

1个氢原子/cm3

5个质子+5个电子/cm3（星系团中心附近）

密度或lCT2+g/cm3

（地球轨道附近）2X10'34g/cm3

（平均）

（一般空间）

超

越

©

3

?

遥远星系的退行速度与距盅增大成正比

图2-2哈勃定律的现代图解GI自文献1）

图2-3宇宙星系际空间的膨胀器文献1改绘）

（2）微波背景辐射

•星系的起源

宇宙空间中大量星系的形成机制，主要存在由弥漫物质凝聚的星云说和由超密物质爆发

的超密说两大流派。

星云说强调初始宇宙空间充满密度极低的星际气体和尘埃物质，在自引力下这些物质

逐渐聚集成许多大型星系云，再在星系云内诞生大量恒星（见本章2.2节）而形成星系。

20世纪80年代初，天文学家已发现离我们100亿光年外存在的原始星系云，基本处于电离

氢状态，其体积与银河系接近，可能为初始宇宙大爆炸后遗留下来的原始星云物质。这为星

系起源的星云说提供可信佐证。

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。超密块爆发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熄。

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、Y射线波等），对本假

说是有力支持。

在可见宇宙中，星系多达500亿个左右，形态结构和规模大小各异（图2-5）,很可能

并非由单一机制形成。星云说反映了宇宙间弥漫星云物质收缩凝聚的“合二而一”过程，超

密说则体现了宇宙间物质状态的“一分为二”发展方向，很可能这两条途径都与星系形成有

关。但究竟以何种方式为主，不同方式出现的条件是什么，是否还有其他成因机制等，尚待

研究。

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椭圆星系旋涡星系棒旋星系不规则星系

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图2-5哈勃星系分类

哈勃（1926）按星系形态结构特征，区分为椭圆星系（E）、旋涡星系（S）和不规则星

系（Ir,）三大类。银河系以往认为是典型的旋涡星系，最近趋向属棒旋星系。肉眼可见的

仙女座大星云附近的伴生星系则属椭圆星系，著名的大、小麦哲伦星系可能都是不规则星系。

星系的演化趋势有人强调由椭圆星系f旋涡星系~不规则星系，也有人持相反的见解。

旋涡星系的旋臂演化方向是旋紧还是旋松迄今也无法通过人类短期观测确认。近年来更多研

究者倾向星系的分类序列与演化序列无关。

•恒星的起源与演化

现代天文学的多数假设支持，恒星最初由弥漫稀薄的气体和尘埃（星云）经过凝聚、加

热过程而形成，可区分为以下四个阶段。

（1）幼年期

原始星云的一部分开始进入收缩过程，推测与涡旋运动有关，很可能受到相邻超新星爆

发所产生冲击波的启动。涡旋体系中心部分处于引力收缩状态，随着势能转变为热能，使温

度上升。在温度还不足以启动热核反应情况下，这种收缩的气体团不发射可见光，称为原恒

星（protostar）»当原恒星开始不再收缩时，核心部分氢开始点燃，出现“氢闪”，标志进入

了青少年期。

以中等大小的恒星（太阳）为例，此阶段约经历5000万年。质量很大的原恒星由于有

较强的引力场，只需要50万年。质量只有太阳1/5的原恒星，估计寿命可达6亿年。

(2)青壮年期

原恒星核部温度上升到不小于7X1()6K条件下，核部氢燃烧引起的热核反应开始启动,

就标志着一颗恒星正式产生。由于恒星内部排斥力与自身吸引力处于基本平衡状态，进入了

相对稳定的漫长演化时期。目前银河系中90%的恒星都属此演化阶段。

丹麦天文学家赫茨普龙(E.Hertgsprung)和美国天文学家罗素(H.N.Russell)分别

统计了恒星的光度(反映恒星质量)和颜色(反映表面温度)，用纵横坐标绘图时发现大部

分恒星落在一条连续带上，其余的星(红巨星、白矮星等)则形成独立的小群(图2-6)。

这种图后来就称为赫罗图(H-Rdiagram),图中90%恒星集中出现的连续条带代表相对稳定

的主要演化序列，称为主星序(mainsequence)或主序带，处于主序带内的恒星，就称为主

序星(mainsaquencestar)o

太阳作为主序星的寿命可达100亿年，现在虽“年及半百”，仍属壮年期。质量大于太

阳20倍的恒星，处于主星序阶段的寿命只有1000万年。

(3)晚年期

主序星演化后期，当恒星中心10%氢燃料消耗殆尽时，标志着主星序阶段的结束。恒

星核部再次在引力下收缩，恒星中心密度加大，温度再次升高；同时促使恒星外壳体积膨胀,

密度变稀，成为表面温度很低但光度很大的红巨星或超巨星。

在红巨星阶段，恒星内部的排斥与吸引、膨胀与收缩循环往复，中心部分的温度逐步上

升，出现了不同元素的热核反应。温度不低于108K时，发生3个氮核聚变为1个碳核，可

经历数百万年；温度不低于6X108K时，发生2个碳核聚变为氧核，只能持续1〜3万年；

温度不低于109K时，发生氧核聚变为硅核；温度不低于3X109〜4X10%时硅核聚变为铁

核。巨大恒星内部的热核反应向着重元素形成的方向发展，证明宇宙中各种元素及其同位素

并非由大爆炸单一过程一次产生，而是在恒星演化的热核核聚变过程中逐步合成的。

-I6-

SO

B

超

兴

101------------------1----------------1-----------------1----------------1---------------

480002400012000600030001500

表面温度(X)

粗箭头示恒星演化方向，细点带示主星序

图2-6赫罗图和主星序器文献1简化)

这种元素起源与恒星演化同步的元素合成理论，最早由布尔比吉夫妇(E.M.Burbidge

和G.R.Burbidge),佛罗(W.A.Fowler)和霍伊尔(F.Hoyle)于1957年提出，简称

为B2FH理论。由于得到原子核物理学、天体物理学和宇宙化学的有力支持，已经成为共识。

50亿年后太阳也将变成红巨星，其直径将扩展为现在的250倍。在扩张过程中，它的

辐射热量将使地球上的任何生物都无法生存，这是真正的地球末日来临之时（图2-7）。届

时地球上如果还有智慧生命存在，寻求可持续发展的唯一出路只能是，向太阳系以外的类地

行星中去寻觅和重建家园。

（4）衰亡期

恒星中心热核反应一旦出现铁元素，就进入了恒星演化的老年期。铁核的热核反应不能

释放能量，反而需要吸收大量能量，迫使恒星内核向中心猛烈塌缩，同时释放出惊人的能量,

导致恒星外壳发生爆炸，并使光度瞬间剧增万倍至上亿倍，这就是著名的超新星爆发现象。

当超新星“昙花一现”之后，原有的恒星顷刻塌缩为体积小而密度极高的致密星（恒星的残

骸）和爆发出去的星云物质（新恒星形成的物质基础），完成了银河系内空间物质-能量交换

过程的一次循环。

恒星演化最后阶段的致密星包括白矮星（黑矮星）、中子星和黑洞三种不同类型的归宿，

它们的形成与母体恒星的质量大小有关。

图2-7超巨星与类地行星轨道的相对大小

质量中等的恒星（小于1.4个太阳质量）经历超新星爆发后，恒星残骸的密度达到1.75

Xl（）5g/cm3（相当太阳密度的12.5万倍，由异常致密的原子核和电子组成），表面温度升高

至8000K,发出白光，称为自矮星。在银河系内，白矮星占可见恒星数量的3%。白矮星内

部的核能已经枯竭，只能靠辐射热量发光，由于随着温度降低辐射热能速度相应变慢，也可

有几十亿年寿命。一旦白矮星的热能耗尽，不再辐射可见光，称为黑矮星。黑矮星的最终归

宿是继续冷却到与宇宙空间温度（3K）平衡为止，可视作一颗恒星经历了演化全过程后在

宇宙中残留下来的一块天界墓石。质量更大的恒星经历超新星爆发后残存的质量如达到太阳

质量的L5〜2倍，在暴缩情况下形成快速自转的中子星。直径一般仅10km,但密度达10,4~

1015g/cm3,主要由异常致密的中子组成。中子星具有很强的磁场，并因自转而辐射具精确周

期的脉冲式无线电波。中子星的辐射强度大于白矮星，所以寿命小于10亿年。

超新星爆发后如果残骸质量超过太阳质量的2〜3倍，即使到了中子星阶段也会继续塌

缩至高于原子核的密度（相当于1cm半径球体内集中地球全部质量）。在这种超强引力场下,

被吸入的任何物质和光线运动速度超过了光速。产生的效果是任何物体一旦达到这个速度，

对远离引力中心的观察者来说就在视野中消失了；此外所有物质和光线只能被吸入，而无法

逃逸出去，就形成了黑洞（图2-8）。黑洞是广义相对论在20世纪早期预言的暗天体和引力

场中的一个奇点，这里密度和时空曲率都是无穷大。

由此可见，银河系中的恒星演化虽然都经历4个阶段，但大小质量不同，演化速度各异,

最后的消亡途径也不尽一致。然而同样呈现出天地万物生生不息，生灭转化，永无止境的特

点。超新星爆发的意义正如康德所言：“这个大自然的火凤凰之所以自焚，就是为了要从它

的灰烬中恢复青春，得到重生。”

如果一颗活跃的恒星有一黑洞伙伴的许，它将太不幸运了，恒星的物质

将源源不断地被黑洞所啜积，当物质落向黑洞中心时，将释放出能量，发出

强X射线港金辐射）.

图2-8双星系统中的正常恒星和黑洞

2.4现代天文望远镜

•伽利略式望远镜

1609年，伽利略制作了一架口径4.2厘米，长约1.2米的望远镜。他是用平凸透镜作为物

镜，凹透镜作为目镜，这种光学系统称为伽利略式望远镜。伽利略用这架望远镜指向天空，

得到了一系列的重要发现，天文学从此进入了望远镜时代。

•开普勒式望远镜

1611年，德国天文学家开普勒用两片双凸透镜分别作为物镜和目镜，使放大倍数有了明显

的提高，以后人们将这种光学系统称为开普勒式望远镜。人们用的折射式望远镜还是这两种

形式，天文望远镜是采用开普勒式。需要指出的是，由于当时的望远镜采用单个透镜作为物

镜，存在严重的色差，为了获得好的观测效果，需要用曲率非常小的透镜，这势必会造成镜

身的加长。所以在很长的一段时间内，天文学家一直在梦想制作更长的望远镜，许多尝试均

以失败告终。

•折射式的发展

1757年，杜隆通过研究玻璃和水的折射和色散，建立了消色差透镜的理论基础，并用冕牌

玻璃和火石玻璃制造了消色差透镜。从此，消色差折射望远镜完全取代了长镜身望远镜。但

是，由于技术方面的限制，很难铸造较大的火石玻璃，在消色差望远镜的初期，最多只能磨

制出10厘米的透镜。

十九世纪末，随着制造技术的提高，制造较大口径的折射望远镜成为可能，随之就出现了

一个制造大口径折射望远镜的高潮。世界上现有的8架70厘米以上的折射望远镜有7架是

在1885年到1897年期间建成的，其中最有代表性的是1897年在美国叶凯士天文台建成的

口径102厘米望远镜和1886年在德国里克天文台建成的口径91厘米望远镜。

折射望远镜的优点是焦距长，底片比例尺大，对镜筒弯曲不敏感，最适合于做天体测量方

面的工作。但是它总是有残余的色差，同时对紫外、红外波段的辐射吸收很厉害。而巨大的

光学玻璃浇制也十分困难，到1897年叶凯士望远镜建成，折射望远镜的发展达到了顶点，

此后的这一百年中再也没有更大的折射望远镜出现。这主要是因为从技术上无法铸造出大块

完美无缺的玻璃做透镜，并且，由于重力使大尺寸透镜的变形会非常明显，因而丧失明锐的

焦点。

•施密特卡塞格林

施密特式折反射望远镜，折反射式望远镜最早出现于1814年。1931年，德国光学家施密

特用一块别具一格的接近于平行板的非球面薄透镜作为改正镜，与球面反射镜配合，制成了

可以消除球差和轴外象差的施密特式折反射望远镜，这种望远镜光力强、视场大、象差小，

适合于拍摄大面积的天区照片，尤其是对暗弱星云的拍照效果非常突出。施密特望远镜已经

成了天文观测的重要工具。

•马克苏托夫式

1940年马克苏托夫用一个弯月形状透镜作为改正透镜，制造出另一种类型的折反射望远

镜，它的两个表面是两个曲率不同的球面，相差不大，但曲率和厚度都很大。它的所有表面

均为球面，比施密特式望远镜的改正板容易磨制，镜筒也比较短，但视场比施密特式望远镜

小，对玻璃的要求也高一些。

由于折反射式望远镜能兼顾折射和反射两种望远镜的优点，非常适合业余的天文观测和天

文摄影，并且得到了广大天文爱好者的喜爱。

•现代大型

望远镜的集光能力随着口径的增大而增强，望远镜的集光能力越强，就能够看到更喑更

远的天体，这其实就是能够看到了更早期的宇宙。天体物理的发展需要更大口径的望远镜。

但是，随着望远镜口径的增大，一系列的技术问题接踵而来。海尔望远镜的镜头自重达14.5

吨，可动部分的重量为530吨，而5米镜更是重达800吨。一方面，望远镜的自重过大会使

镜头变形相当明显，另一方面，镜体温度不均也令镜面产生畸变，进而影响成像质量。从制

造方面看，传统方法制造望远镜的费用几乎与口径的平方或立方成正比，所以制造更大口径

的望远镜必须另辟新径。

自七十年代以来，在望远镜的制造方面发展了许多新技术，涉及光学、力学、计算机、

自动控制和精密机械等领域。这些技术使望远镜的制造突破了镜面口径的局限，并且降低造

价和简化望远镜结构；特别是主动光学技术的出现和应用，使望远镜的设计思想有了一个飞

跃。从八十年代开始，国际上掀起了制造新一代大型望远镜的热潮。其中，欧洲南方天文台

的VLT,美、英、加合作的GEMINI,日本的SUBARU的主镜采用了薄镜面；美国的KeckI、

Keckll和HET望远镜的主镜采用了拼接技术。优秀的传统望远镜卡塞格林焦点在最好的工

作状态下，可以将80%的几何光能集中在0.6”范围内，而采用新技术制造的新一代大型望

远镜可保持80%的光能集中在0.2"~0.4",甚至更好。

下面对几个有代表性的大型望远镜分别作一些介绍：

•凯克望远镜

凯克望远镜（KeckLKeckll）KeckI和Keckll分别在1991年和1996年建成，这是当

前世界上已投入工作的最大口径的光学望远镜，因其经费主要由企业家凯克（KeckWM）捐

赠（KeckI为9400万美元，Keckll为7460万美元）而命名。这两台完全相同的望远镜都放

置在夏威夷的莫纳克亚，将它们放在一起是为了做干涉观测。

它们的口径都是10米，由36块六角镜面拼接组成，每块镜面口径均为1.8米，而厚度

仅为10厘米，通过主动光学支撑系统，使镜面保持极高的精度。焦面设备有三个：近红外

照相机、高分辨率CCD探测器和高色散光谱仪。

"像Keck这样的大望远镜，可以让我们沿着时间的长河，探寻宇宙的起源，Keck更是

可以让我们看到宇宙最初诞生的时刻"。

•欧洲甚大

欧洲南方天文台自1986年开始研制由4台8米口径望远镜组成一台等效口径为16米的

光学望远镜（VET）。这4台8米望远镜排列在一条直线上，它们均为RC光学系统，焦比是

F/2,采用地平装置，主镜采用主动光学系统支撑，指向精度为I”,跟踪精度为0.05",

镜筒重量为100吨，叉臂重量不到120吨。这4台望远镜可以组成一个干涉阵，做两两干涉

观测，也可以单独使用每一台望远镜。

•双子

双子望远镜（GEMINI）是以美国为主的一项国际设备（其中，美国占50%,英国占25%,

加拿大占15%,智利占5%,阿根廷占2.5%,巴西占2.5%）,由美国大学天文联盟（AURA）

负责实施。它由两个8米望远镜组成，一个放在北半球，一个放在南半球，以进行全天系统

观测。其主镜采用主动光学控制，副镜作倾斜镜快速改正，还将通过自适应光学系统使红外

区接近衍射极限。

该工程于1993年9月开始启动，第一台在1998年7月在夏威夷开光，第二台于2000

年9月在智利赛拉帕琼台址开光，整个系统预计在2001年验收后正式投入使用。

•昴星团

这是一台8米口径的光学/红外望远镜（SUBARU）。它有三个特点：一是镜面薄，通过主

动光学和自适应光学获得较高的成象质量；二是可实现0.1"的高精度跟踪；三是采用圆柱

形观测室，自动控制通风和空气过滤器，使热湍流的排除达到最佳条件。此望远镜采用

Serrurier桁架，可使主镜框与副镜框在移动中保持平行。由日本天文社团所属，位于美国夏

威夷。大天区多目标光纤光谱望远镜LAMOST（郭守敬）这是中国己建成的一架有效通

光口径为4米、焦距为20米、视场达20平方度的中星仪式的反射施密特望远镜。它的技术

特色是：

1.把主动光学技术应用在反射施密特系统，在跟踪天体运动中作实时球差改正，实现

大口径和大视场兼备的功能。

2.球面主镜和反射镜均采用拼接技术。

3.多目标光纤（可达4000根，一般望远镜只有600根）的光谱技术将是一个重要突破。

LAMOST把普测的星系极限星等推到20.5m,比SDSS计划高2等左右，实现107个星

系的光谱普测，把观测目标的数量提高1个量级。

•射电

1932年央斯基（Jansky.K.G）用无线电天线探测到来自银河系中心（人马座方向）的射

电辐射，这标志着人类打开了在传统光学波段之外进行观测的第一个窗口。

第二次世界大战结束后，射电天文学脱颖而出，射电望远镜为射电天文学的发展起了关

键的作用，比如：六十年代天文学的四大发现，类星体，脉冲星，星际分子和宇宙微波背景

辐射，都是用射电望远镜观测得到的。射电望远镜的每一次长足的进步都会毫无例外地为射

电天文学的发展树立一个里程碑。

英国曼彻斯特大学于1946年建造了直径为66.5米的固定式抛物面射电望远镜，1955

年又建成了当时世界上最大的可转动抛物面射电望远镜；六十年代，美国在波多黎各阿雷西

博镇建造了直径达305米的抛物面射电望远镜，它是顺着山坡固定在地表面上的，不能转动，

这是世界上最大的单孔径射电望远镜。

1962年，Ryle发明了综合孔径射电望远镜，他也因此获得了1974年诺贝尔物理学奖。

综合孔径射电望远镜实现了由多个较小天线结构获得相当于大口径单天线所能取得的效果。

1967年Broten等人第一次记录到了VLBI干涉条纹。

七十年代，联邦德国在玻恩附近建造了100米直径的全向转动抛物面射电望远镜，这是

世界上最大的可转动单天线射电望远镜。

八十年代以来，欧洲的VLBI网（EVN）,美国的VLBA阵，日本的空间VLBI（VSOP）

相继投入使用，这是新一代射电望远镜的代表，它们在灵敏度、分辨率和观测波段上都大大

超过了以往的望远镜。

中国科学院上海天文台和乌鲁木齐天文站的两架25米射电望远镜作为正式成员参加了

美国的地球自转连续观测计划（CORE）和欧洲的甚长基线干涉网（EVN）,这两个计划分

别用于地球自转和高精度天体测量研究（CORE）和天体物理研究（EVN）。这种由各国射

电望远镜联合进行长基线干涉观测的方式，起到了任何一个国家单独使用大望远镜都不能达

到的效果。

另外，美国国立四大天文台（NARO）研