第3讲-现代天文学

1、现代天文学，课件制作：白思胜讲师：白思胜，第3讲，现代天文学，第1讲。大爆炸模型，2。宇宙进化模型，3。赫罗图，4。恒星起源和演化。自20世纪初以来，特别是自20世纪中叶以来，天文学取得了突破性进展。随着现代物理学的发展和各种观测仪器的出现，天文观测出现了一系列新发现和各种新分支。关于宇宙起源和演化的讨论进入了一个新的时期，许多科学假说被提出。这个讲座概述了大爆炸理论、宇宙的演化模型、赫罗图和恒星的演化。1.大爆炸模型1.1大爆炸是基于丰富的宇宙元素。1814年，德国物理学家弗劳恩霍夫(Fraunhofer)用分光镜发现，在太阳光的光谱带中有数百条暗线(光谱线)，光谱带中橙黄色区域的两条暗线(

2、D线)与金属钠化合物加热时产生的两条亮线位置相同。因此，恒星光谱分析的研究开始了。科学家发现了三种光谱：连续光谱(高温固体、液体或气体在高压下发出的连续光谱)；发射线(低压热气体，产生由离散亮线组成的光谱。不同的气体产生不同的亮线)；吸收线(通过低压气体观察连续光源时，可以看到连续光谱上叠加了几条暗线，暗线的位置正好是低压热气发出亮线的位置)。通过光谱分析，我们可以知道恒星的化学成分。恒星光谱的一个重要特征是它有大量的吸收线，代表恒星大气中的各种化学元素。每种元素都有自己的特征光谱，就像不同的人有不同的脸一样。在地表大气中，几乎所有的恒星都有相同的化学成分，氢和氦占总数的95%以上，其中氢约占

3、75%。有钾、钠、钙、镁、铁、氧化钛等元素和一些化合物。恒星光谱的红移每个人都知道声音的频率越高，音调就越高。例如，C键：1(262)；2(294)；3(330)；4(349)；5(392)；6(440)；7(494)赫兹。每个人都知道这样一个事实，一列火车鸣笛，以加速的速度从我们身边呼啸而过。当火车向我们驶来时，汽笛声越来越大，一旦经过，汽笛声很快就消失了。火车一停下来，汽笛声也稳定了下来。这表明只要声源和观察者之间有相对运动，声波的频率就会改变。当它们彼此靠近时，频率变得更高。当彼此分离时，频率变低，这被称为多普勒效应。多普勒效应是各种波的共同现象，它也适用于光波和电磁波。测量光的多普勒效

4、应的最好方法是观察其谱线的变化。在大多数恒星的光谱中，紫外线部分有两条暗线，这是由钙气体的吸收造成的。令人惊讶的是，与实验室相比，这两条在遥远星系光谱中的暗线并没有处于它们的适当位置，而是略微移动到了低频端(红色端)。这种现象被称为“红移”。星系之间的距离越远，光谱线的“红移”就越明显，甚至应该在紫外线部分的两条暗线也移动到了红端。某一频率谱线的这种移动现象表明天体离观察者很远。20世纪60年代，世界各地的天文观测者测量了大约28 000个星系的光谱，除了少数几个(靠近银河系的)星系外，所有的星系都有红移支持着膨胀的宇宙。宇宙背景辐射20世纪天文学的另一个重要发现是微波背景辐射。1964年，美

5、国贝尔电话实验室的彭齐亚斯和威尔逊利用卫星通信天线探测到了宇宙深处波长为735厘米的背景信号。普林斯顿大学的皮伯斯认为这是他们正在寻找的宇宙背景辐射。维恩位移定律：t=2.9 10-3。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，0.5毫米和5毫米波段的辐射光谱分布与理想黑体在(2.7350.06)K温度下的光谱分布完全一致，扣除运动效应后天空不同方向的差异小于10万。这证明了宇宙微波背景辐射的黑体性和普遍性。黑体辐射是光和物质之间平衡的产物，因此可以推断，在宇宙的演化过程中，物质和辐射之间存在一个平衡阶段。微波背景辐射已被确认为“大爆炸宇宙”的重要遗迹。作为“大

6、爆炸”理论最重要的实验证据之一，它被记录在天文学发展史上。彭齐亚斯和威尔逊获得了1978年的诺贝尔物理学奖。如果宇宙有一个开端，那么它就有一个时代。第一个推论是宇宙越早，密度就越高，直到无穷大。让我们把密度为无穷大的时刻作为时间的零点，也就是说，t=0，那么今天的宇宙必定有一个有限的年龄。宇宙中所有天体的年龄不应超过由宇宙年龄决定的上限。美国天文学家哈勃发现宇宙星系的红移速度与红移程度成正比：v=HRh是哈勃常数。研究表明，宇宙的年龄可以用哈勃常数H来表示，宇宙的年龄大约是H的倒数(1/H=r/v=t)。从最近对处女座10颗脉冲星的观测中获得的哈勃常数是50100公里-1 Mpc-1，宇宙的确

7、定年龄在120亿到160亿年之间。利用放射性同位素测年法，人们测量了地球上最古老的岩石、阿波罗宇航员从月球带回的土壤和岩石样本，以及星际空间的陨石，发现它们的年龄都不到47亿年。恒星的年龄可以从它们的发光率和能量储备来估计，众所周知，最古老的恒星的年龄已经超过100亿年。根据赫罗图上球状星团的分布，老星团的年龄是120亿到180亿年。总之，用不同方法得到的宇宙年龄估计值与标准模型得出的值非常接近，上限约为1010。人们普遍认为宇宙的估计年龄在100亿到150亿年之间。这些结果与宇宙年龄的理论值非常一致。毫无疑问，这是对宇宙论的有力支持。1.2宇宙大爆炸的标准模型自20世纪70年代以来，粒子物理

8、学家和宇宙学家提出了“宇宙大爆炸起源模型”(BIGBANG Origin Model)，并共同勾画出宇宙起源和演化的图景如下：宇宙大爆炸宇宙学认为宇宙起源于一个高温、高密度的“原始火球”大爆炸，爆炸后经过冷却、稀释和膨胀，逐渐演化成我们今天所见的天体系统。首先，它决定了以下假设：首先，宇宙在大尺度上是均匀和各向同性的；第二，宇宙的早期物质是粒子的理想气体；第三，宇宙的膨胀是绝热的。根据这些假设和其他相关理论。大爆炸宇宙学展示了从大爆炸开始到现在的进化过程。宇宙“始于”大约100亿年前的大爆炸。起初，不仅没有天体，也没有粒子和辐射。只有简单的真空态以指数函数的形式迅速膨胀。自然界中已知的四种相互

9、作用，即引力相互作用、强相互作用、电磁相互作用和弱相互作用，在当时是不可分割的。这四种力量的来源是不同的。重力源于物体质量的相互吸引，两个有质量的物体之间存在重力。物体质量越大，吸引力越大。电磁力是由粒子的电荷产生的，粒子可以带正电荷或负电荷，相同的电荷排斥相反的电荷吸引。如果一个粒子没有电荷，它就不会受到电磁力的影响，也不会感到排斥力和吸引力。力量主要是将夸克结合在一起的力量。所以它也被称为核能。像电磁力一样，它源于电荷，但它只是电荷弱力的作用是在没有推拉效应的情况下改变粒子。像核聚变和裂变这样的过程都是由弱力主导的。从BIGBANG到人类的诞生，随着宇宙的膨胀和冷却，真空发生了一系列的相变

10、(从水到冰的相变可以用来理解真空相变)。大爆炸后10-44s，温度为1032K，发生了超统一相变，引力相互作用开始分化，但弱相互作用、电磁相互作用和强相互作用仍然不可分割。这时，最基本的粒子产生了。夸克和轻子可以相互转化。10-36s，温度1028K，出现大的统一相变，强相互作用与弱相互作用和电磁相互作用分开。强子就是在这个时候形成的。10-10 s，温度1015K，发生弱相变，弱相互作用和电磁相互作用分离。此后，物质和反物质之间的不对称(即质子、电子和其他物质比反物质如反质子和正电子多)开始出现。经过这种相变后，四种相互作用的历史被一一区分开来。从微观粒子到星系，持续1秒钟，温度降至1010

11、 K，中子进入冻结阶段。冷冻中子有两种方式，一部分与质子结合形成氦核；另一部分自由衰变为质子：中子、质子、电子、反电子和中微子。3min，温度109K，是核合成阶段。这时，中子：质子=1: 7。首先形成氘，然后形成氦核。氦核与氢核的质量比为1: 3。1小时后，反应结束，形成75%的氢气和25%的氦气。在7105，宇宙的温度降低到3000，这是原子合成的阶段。这时，原子核与电子结合形成原子。108 a，辐射温度100 K，星系形成。109a，辐射温度12 K，类星体出现到现在，宇宙的年龄是1010a，辐射温度下降到2.7 K，星际物质的温度是10-5K，我们观察到的宇宙已经达到1010年，现在宇

12、宙还在膨胀。1922年，俄罗斯科学家弗里德曼对爱因斯坦的宇宙模型进行了动态分析，提出了三种可能的宇宙模型。人们认为宇宙的演化取决于物质的平均密度与临界密度之比。开放模型：如果0c，宇宙膨胀并将继续膨胀。封闭模型：如果宇宙在0膨胀到一定程度，它将会收缩。再次膨胀和收缩。平坦模型：如果0=c，它是一个有界的宇宙，这是前两个模型的过渡状态。计算的临界密度为c=10-29g/cm3。目前，观测到的0=10-30g/cm3。可观察物质约占10%，暗物质约占90%。如果是这样，宇宙就是一个平面模型。如果中微子的质量为10电子伏，宇宙的质量将大大增加，物质的平均密度0可能超过临界密度C，宇宙可能是一个封闭的

13、宇宙模型。天文学中的距离单位天文单位：地球和太阳之间的平均距离被定义为一个天文单位，表示为1AU。1AU=1.496108公里。光年：光在真空中行走一年的距离被定义为一光年，用1 l.y表示.1 l.y.=9.46051012km，parsec:指从天体观察太阳系时的距离，1AU垂直于视线的角度为1(角秒)(图2)。1pc=2.06105AU=3.26 l.y，3.2亮度和光度恒星的亮度指地球上的光强度，即恒星的亮度。天体的亮度水平被称为视在星等。当人们用眼睛直接观察星星时，他们会看到有些星星更亮，有些更暗。古代天文学家很早就开始根据亮度对恒星进行分类，这就产生了恒星星等的概念。天文学家将天空

14、中的恒星分为六类，肉眼最亮的恒星为第一类恒星，肉眼几乎看不见的暗恒星为第六类恒星。这样，恒星的恒星当量越高，恒星就越暗，太阳就比一等星更亮。月亮、行星等的恒星当量。只能用负值表示。在19世纪，天文学家发现一等星和六等星之间有大约100倍的差异。16之间有五个间隔天狼星比肉眼可见的最暗的恒星亮100多倍，所以它的星等被重新确定为-1.4，而不是原来的那个。今天，我们已经观察到6颗以上的暗星。用现代大型光学望远镜，我们可以观察到25颗以上的暗星，而哈勃太空望远镜可以观察到28颗以上的极端恒星。上面提到的星等与地球上看到的恒星的亮度有关，我们称之为表观星等或相对星等。恒星的光度表示恒星本身的发光强度

15、。它被称为绝对星等来表示天体的光度水平。恒星的亮度遵循光的平方反比定律，也就是说，接收到的光强与光源到观察者的距离的平方成反比(图4)。例如，如果有两颗亮度相同的星星，一颗离我们较远，另一颗离我们较近，当我们用肉眼观察它们的亮度时，我们会看到一颗较暗，另一颗较亮。在考虑了距离因素后，天文学家算出了绝对星等系统。该系统考虑了标准距离下的所有恒星，标准距离为10秒(1秒=3.26光年)。M、M和R分别用来表示绝对星等、视在星等和地球到被调查恒星的距离，它们有以下关系：2.512米/2.512米=R2/102；(M-M)LG 2.512=2 lgr-2 102/5=2.512 2/5=LG 2.51

16、2；Mm55 lg r，r在parsec中。在m，m和r这三个量中，只要你知道其中的任意两个，你就可以通过公式得到第三个量。这个公式非常有用。它被用来计算许多恒星的绝对星等m或距离r。用绝对星等，我们可以比较不同恒星的真实亮度，即光度。例如，天狼星的绝对星等是1.4，太阳的绝对星等是4.8，所以天狼星比太阳亮20多倍。3.3星星的颜色星星通常显示某些颜色，例如红色、黄色、白色和蓝色。在可见光中，红光的波长最高(0.7微米)，蓝光的波长最短(0.4微米)。根据公式：=C。其中是光的波长，光的频率，c是光速。光速c是一个常数，所以波长越短的光频率越高，光子能量越高。根据维恩位移定律：T=2.9 1

17、0 -3。公式中的单位是米，温度的单位是千.如果发光体是黑体(黑体指的是不能反射任何波长的光，而只能发射连续波长的光的理想物体)，发光体的温度越高，在最大强度下的波长越短。例如，蓝星的温度较高，约10000千。红星的温度较低，约3000千。黄星的温度在中间，大约6000千。太阳属于黄星。为了便于深入研究，天文学家根据观测到的不同恒星的不同光谱类型对恒星进行分类。著名的哈佛分类法是将恒星分为O、B、A、F、G、K、M等。根据恒星表面温度从高到低。当光谱类型从0变为M时，恒星的主要发光颜色将从蓝色变为红色，相应的恒星表面温度将从50000K降至30000k.比较恒星的光度和温度是很有趣的。由于恒星

18、的光度取决于其温度和大小，将它们的光度与温度进行比较可以根据它们的大小来区分它们。如果两颗恒星具有相同的温度和不同的直径，较小的那颗恒星的光度就较小，因为较小的那颗恒星表面积较小，所以它的位置在图的底部。另一方面，如果两颗恒星的光度相同，但温度不同，那么冷恒星的体积一定更大。因此，恒星越冷，在地图上就越靠右。这张恒星光度和光谱类型之间的关系图是由丹麦天文学家赫茨普朗(1873-1967)和美国天文学家拉塞尔(1877-1957)在1905年和1913年独立创建的，因此得名赫罗图(图6)。以光谱类型为横坐标，以光度(绝对星等)为纵坐标，发现90%以上的恒星分布在从左上角到右下角的窄对角线区域。这个区域被称为“主序列”，位于其上的恒星被称为“主