自然發(fā)展史第3章

第三章天體的來龍去脈

什么是“天體”?簡(jiǎn)言之，“日月星辰的總稱”（《辭海（縮印本）》），或“宇宙間各種星體的通稱”.

除了星體等密集狀的天體外,宇宙中還存在著松散狀和連續(xù)狀的天體形態(tài)。

在所有的自然天體中，最普遍且最重要的天體形態(tài)即為恒星。

第一節(jié)恒星的起源和演化

1、概說（1）定義――“由熾熱氣體組成的，能自己發(fā)光的球狀或類球狀天體”。換言之，恒星的本質(zhì)特征即為“氣體、球形、熾熱、發(fā)光”四大特征。（2）一般特點(diǎn)——①體積大；②質(zhì)量大；③數(shù)量多；④距離遠(yuǎn)；

⑤“恒”定不動(dòng)（3）光譜型根據(jù)哈佛分類系統(tǒng)，共把恒星光譜分為七種類型：O→藍(lán)色；B→藍(lán)白色；A→白色；F→黃白色；G→黃色；K→橙色；M→紅色

.（4）亮度和光度亮度即天體的明亮程度；光度則是處于同一距離上的天體的亮度。

2、恒星起源和演化的物質(zhì)來源和動(dòng)力來源（1）物質(zhì)來源――彌漫星云

星云是由氣體（99%）和塵埃（1%）物質(zhì)組成的云霧狀天體，其基本特點(diǎn)是：①體積巨大（直徑幾十～幾百光年），廣袤稀薄而無定形；②質(zhì)量巨大（幾十～1萬個(gè)太陽質(zhì)量）；③溫度極低（一般都﹤100K，有的中性氫云可達(dá)到10K左右，即攝氏－263；④密度極小（平均10～100個(gè)氫原子/立方厘米）。

（2）動(dòng)力來源——恒星內(nèi)部物質(zhì)之間吸引與排斥的矛盾運(yùn)動(dòng)在恒星的一生中，其引力方面自始至終都表現(xiàn)為恒星內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)之間在萬有引力作用下的“自吸引”；而斥力方面則有三種主要表現(xiàn)形式：①由氣體分子熱運(yùn)動(dòng)所造成的“氣體壓力”；②由自轉(zhuǎn)引起的“慣性離心力”；③恒星自內(nèi)向外不斷發(fā)射光子而產(chǎn)生的“輻射壓力”。（3）產(chǎn)能機(jī)制――熱核反應(yīng)產(chǎn)生的巨大核能

3、研究恒星起源和演化的主要方法和手段（1）研究方法――歷史比較法，類似于生物學(xué)的研究方法。

例：古希臘神話中的“司芬克斯之迷”

（2）研究手段：赫茨普龍—羅素圖，簡(jiǎn)稱為“赫羅圖”。即“光譜—光度圖”

4、恒星起源和演化的主要階段

（1）快引力收縮階段——即從彌漫星云演化為原恒星的階段，引力>>斥力，是恒星的“胚胎期”（2）慢引力收縮階段——即從原恒星演化為主序星的階段，引力>斥力，是恒星的“少年期”當(dāng)原恒星中心溫度達(dá)到700萬度時(shí)，由四個(gè)氫原子核聚變?yōu)橐粋€(gè)氦核的熱核反應(yīng)開始點(diǎn)火，（氫氦聚變，又稱為氫燃燒）一個(gè)氫核質(zhì)量為1.00782原子單位；4H=4.0313原子單位；而一個(gè)氦核為4.0015原子質(zhì)量的單位。4H→1He將出現(xiàn)0.098原子單位的質(zhì)量虧損，根據(jù)E=MC2公式，將釋放巨大的能量。（3）主序星階段——引力～斥力，成年期（4）紅巨星階段——先引力<斥力，后引力>斥力，更年期（衰亡期）氦核→（1億度）碳核→（3億度）氧核→（10億度）氖核→（30億度）硅核→…………鐵族元素→快速坍縮→大爆炸（5）致密星階段――衰亡期根據(jù)殘核的質(zhì)量大小，致密星可以分為三種類型：當(dāng)殘核質(zhì)量<1.2太陽質(zhì)量，為白矮星

當(dāng)1.2太陽質(zhì)量≥殘核質(zhì)量≤3.0太陽質(zhì)量，為中子星當(dāng)殘核質(zhì)量>3.0太陽質(zhì)量，為黑洞第二節(jié)、星系的起源和演化1、定義星系——宇宙中最普遍的天體系統(tǒng)。2、分類與特征

橢圓星系E——大都是巨星系

漩渦星系S

棒旋星系SB

不規(guī)則星系Ir——大都是矮星系3、星系的起源有兩種關(guān)于星系起源的假說：彌漫說和超密說。4、星系的演化

主要有三種觀點(diǎn)，尚無定論：（1）星系的演化序列從Ir→SB和S→E

（2）星系的演化序列從E→S和SB→Ir可以根據(jù)漩渦星系旋臂的展開與閉合的趨勢(shì)，來判斷星系演化的序列（展開趨勢(shì)即：從E→Ir，閉合趨勢(shì)即：Ir→E）（3）星系分類序列不是演化序列。

第三節(jié)宇宙的結(jié)構(gòu)和演化1、宇宙的定義

《墨經(jīng).經(jīng)上》：“宇，彌異所也,”“久（宙），彌異時(shí)也?！迸e例為“東西、南北、高下；古今、旦暮?！睉?zhàn)國(guó)時(shí)期的尸佼：“四方上下曰宇，往古來今曰宙”?，F(xiàn)代宇宙概念：“廣漠空間和其中存在的各種天體以及彌漫物質(zhì)的總稱”（《中國(guó)大百科全書（天文學(xué)）》；或：“天地萬物的總稱”（《辭海（縮印本）》）2、宇宙概念的動(dòng)態(tài)發(fā)展（1）古代中國(guó)——即“天地”概念：蓋天說（天圓地方，天上地下，同等大小）→渾天說（天圓地圓，天外地內(nèi)，天大地?。拐f（天地?zé)o限）；（2）古希臘羅馬——托勒密地心說：地月系概念的確立。（3）近代初期——哥白尼日心說：太陽系概念的確立。（4）近代中期——威廉.赫歇爾根據(jù)自制的天文望遠(yuǎn)鏡對(duì)星空計(jì)數(shù)的結(jié)果,畫出了第一張銀河系結(jié)構(gòu)圖。（5）（5）近代后期——從1750～1924年通過對(duì)星云的觀測(cè)及其性質(zhì)的爭(zhēng)論，“島宇宙”概念的確立。（6）現(xiàn)代——“總星系”概念的確立。3、宇宙模型宇宙模型主要解決三方面問題：碩大時(shí)空尺度上天體系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征、運(yùn)動(dòng)形態(tài)和演化方式。（1）牛頓的靜止、平坦、均勻、無限的宇宙模型（2）沙立葉的等級(jí)式宇宙模型（3）愛因斯坦的靜止、均勻、彎曲、有限無界的相對(duì)論宇宙模型（“根據(jù)廣義相對(duì)論對(duì)宇宙學(xué)所作的考查”

1917）

“宇宙學(xué)原理”：在碩大時(shí)空尺度上，宇宙中的物質(zhì)分布是“均勻的和各向同性的”。（4）其他幾種相對(duì)論宇宙模型。如穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型、暴脹宇宙模型等。其中最有影響的即伽莫夫等人提出的

“熱大爆炸宇宙模型”，后被稱之為“標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型”。

4、河外星系的譜線紅移和微波背景輻射（1）河外星系譜線紅移現(xiàn)象。“多普勒效應(yīng)”

“哈勃定律”：CZ=Hd

（2）3K微波背景輻射現(xiàn)象（1965年彭齊亞斯和威爾遜）在裝置衛(wèi)星通訊用的角狀天線時(shí)，發(fā)現(xiàn)不管天線朝向哪一天區(qū)，總有原因不明的“噪聲”的干擾，后才知道這是來自宇宙深處的背景輻射。其特點(diǎn)：一是微波（λ～7.35厘米），二是高度的均勻和各向同性；三是黑體輻射；四是溫度極低，僅約3K（2.7K）。5、宇宙的演化根據(jù)美天體物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者溫伯格1977年出版的《最初三分鐘》一書，以及繼愛因斯坦之后現(xiàn)代最偉大的天體物理學(xué)家、英國(guó)的史蒂芬.霍金1988年出版的《時(shí)間簡(jiǎn)史》（湖南科技出版社1994）、《霍金的宇宙》（海南出版社2000）、《果殼中的宇宙》（湖南科技出版社2002），澳大利亞的戴維斯的《宇宙的最后三分鐘》（上?？萍汲霭嫔?995），可將宇宙的演化史分為三個(gè)階段：（1）極早期（10-36秒－1分鐘）——原始宇宙起源于150億～200億年前（現(xiàn)最新說法是137億年前）。當(dāng)時(shí)宇宙的溫度極高（﹥1000億度），密度極大（原子核密度），為一奇點(diǎn)，象一團(tuán)“火球”，故稱為“原始火球”，其理化性質(zhì)不能用現(xiàn)代任何一種科學(xué)理論加以解釋說明。它爆炸后迅速膨脹，溫度驟降，產(chǎn)生質(zhì)子、中子、電子、光子、中微子等一系列基本粒子及反粒子形態(tài)的物質(zhì)，它們之間達(dá)到熱平衡的渾沌狀態(tài)。這個(gè)時(shí)期為黑體輻射，沒有任何天體和星系，也沒有除氫之外的其他元素。整個(gè)階段不超過一分鐘。這時(shí)物質(zhì)都以基本粒子和輻射態(tài)存在著，四種基本作用力耦合，世界高度無序，粒子無規(guī)則碰撞，熵值很大。（2）早期（1分鐘－1000年）——當(dāng)極早期宇宙溫度降至10億度時(shí)，中子開始失去自由存在的條件，它要么發(fā)生衰變，要么與質(zhì)子結(jié)合成重氫、氦等輕元素；當(dāng)宇宙溫度降至100萬度時(shí)，早期宇宙生成各種化學(xué)元素特別是氫、氦等輕元素的過程基本結(jié)束。整個(gè)階段大約經(jīng)歷3分鐘的時(shí)間，氦豐度在此階段形成。這時(shí)質(zhì)子、電子和一些較輕的原子為宇宙的主要成分，光輻射依然占主導(dǎo)地位，星體還未出現(xiàn)。大約經(jīng)過了1000年后，溫度↘幾千度時(shí)，輻射減退，退居次要地位，該階段也就隨之結(jié)束了。

（3）天體和天體系統(tǒng)的起源和演化期（1000年至今）——熱輻射退居第二位，宇宙間主要是生成的彌漫氣體物質(zhì)。由于引力不穩(wěn)定，某些彌漫氣體開始凝聚為氣體星云，經(jīng)過進(jìn)一步收縮便形成星系和恒星，成為我們今天所看到的宇宙。6、宇宙未來演化的趨勢(shì)根據(jù)宇宙演化晚期質(zhì)量大小與引力強(qiáng)度的相互關(guān)系，宇宙晚期的演化具有三種可能性：（1）宇宙實(shí)際質(zhì)量密度小于＞臨界質(zhì)量密度時(shí)，宇宙將最終結(jié)束膨脹，重新收縮。宇宙的空間曲率為正曲率（K=﹢1，黎曼空間），表現(xiàn)為閉合、有限宇宙；（2）宇宙實(shí)際質(zhì)量密度＝臨界質(zhì)量密度時(shí)，宇宙將最終既不膨脹，也不收縮，處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。宇宙的空間曲率為零曲率（K=0，歐氏空間），表現(xiàn)為平直開放、無限宇宙；（3）宇宙實(shí)際質(zhì)量密度＜臨界質(zhì)量密度時(shí)，宇宙最終將永遠(yuǎn)膨脹下去。宇宙的空間曲率為負(fù)曲率（K=﹣1，羅氏空間），表現(xiàn)為雙曲型開放、無限宇宙。7、宇宙學(xué)研究的主要難點(diǎn)（1）