第二章-天文學

1、第二章 宇宙世界天文學,第一節(jié) 早期天文學 第二節(jié) 太陽系 第三節(jié) 恒星 第四節(jié) 星系和宇宙,現(xiàn)代天文學簡介,天文學是自然科學的重要分支。是研究天體的位置、分布、運動、結構、物理狀態(tài)、化學組成和演化規(guī)律的科學。天體的起源和演化是現(xiàn)代天文學研究的重要內容。 現(xiàn)代天文學的三大特點：(1)進入了全電磁波段觀測的時代；(2)天文空間探測已有了令人矚目的進展；（3）已進入天文學與物理學緊密結合、相互促進的時代。 目前天文學研究的范圍，從距離上已達約150億光年的空間尺度，從時間上可追溯到約150億年前發(fā)生的事件。,天文學史上的三次飛躍,第一次、行星層次-連接開普勒定律的飛躍 17世紀對行星層次的認識。

2、這個以牛頓力學定律和萬能引力的發(fā)現(xiàn)為標志的輝煌歷史，常常被分為三部曲： （1）丹麥天文學家第谷創(chuàng)造的前所未有的高精確度的天體測量工具。 （2）德國著名大天文學家開普勒-行星運行的開普勒三定律。 （3）牛頓發(fā)現(xiàn)了力學定律和萬有引力定律。,第谷布拉赫(15461601)是丹麥的宮廷天文學家，在丹麥和瑞典間的一個小島的觀天堡天文臺，從公元1576年到1597年觀測了21年的天象并記錄了大量的數(shù)據(jù)。 德國天文學家開普勒（公元15711630年）與第谷相反，善于思索而不善于觀測。他作第谷的助手兩年，第谷去世后，得到寶貴資料。,牛頓的綜合,牛頓將哥白尼、第谷、開普勒、伽利略、笛卡兒和其他學者在天文學和動力

3、學上的發(fā)現(xiàn)匯集起來，加上他自己在數(shù)學和力學上的創(chuàng)見，把物體的運動規(guī)律歸結為牛頓運動三定律和萬有引力定律，由此建立起一個完整的力學理論體系。,（I.Newton,1642-1727）,1672年牛頓創(chuàng)制了反射望遠鏡；解釋了潮汐的現(xiàn)象；從理論上推測出地球不是球體，而是兩極稍扁、赤道略鼓，并由此說明了歲差現(xiàn)象等。,太陽系家族,九大行星,類地行星：水星、金星、地球、火星； 巨行星：木星、土星； 遠日行星：天王星、海王星、冥王星。,2000多顆小行星、40多顆衛(wèi)星、流星、彗星等。,太陽系,類地行星,水星、金星、地球、火星 特點：它們的許多特性與地球相似，質量小、體積小、密度大，都覆蓋著堅硬的巖石外殼，中

4、心有鐵鎳核，金屬元素含量高。,水星Mercury,水 星,它是最靠近太陽的行星，也是太陽系中運動最快的行星。水星的地貌酷似月球，密布著環(huán)形山，它的表面沒有大氣，晝夜溫差很大，白天高達427，夜晚則降低到-173。,金 星,它是天空中除太陽和月亮外最明亮的星辰，從外表看，金星與地球有不少相似之處，表面有濃密的大氣。然而，觀測表明，金星表面溫度可達460，任何生命都難以生存。金星與地球只是一對“貌合神離”的姐妹。,火 星,最近的火星照片顯示，火星凍土帶的地表之下可能儲存著相當數(shù)量的水。圖中黃色斑點地區(qū)就是儲水地帶。水是生命存在的關鍵要素。,它是一顆紅色的行星，火星的許多特征與地球相似，因此，曾有“

5、火星生命”“火星人”的猜想，近30多年來，已發(fā)射了20多個航天器對其探測，結果表明：火星大氣稀薄而干燥，主要成分是二氧化碳。晝夜溫差超過100，既沒有江河湖海，土壤中也沒有發(fā)現(xiàn)動植物、微生物的痕跡，更沒有“火星人”的存在。,火 星,所謂“深空探測”是指脫離地球的主引力場，進入太陽系空間的探測。 在深空探測中最“熱門”的是火星探測，因為火星是已知的最類似地球的星體，人類現(xiàn)在特別關注的是火星是否曾經(jīng)存在著生命？,火星地貌,火星上的日出美景,巨行星,木星、土星。 特點：體積大、密度小，擁有濃密的大氣層，主要由氫、氦等組成，無固體表面是流體行星。 在火星和木星之間存在一條由大量小行星組成的小行星帶。,

6、木 星,亮度僅次于金星，是九大行星中最大的一顆星，其它八顆行星的質量加起來只及它的1/8，在它濃密的大氣之下是一片液態(tài)氫的海洋，內部由熔融的鐵和硅組成，溫度高達3000。,土 星,它是一顆美麗的行星，質量和大小僅次于木星，與木星有許多相似之處。土星有一層以氫和氦為主、濃密而色彩絢麗的大氣層，而格外引人注目的是土星的光環(huán)就像一張巨大的唱片，在陽光照耀下色彩斑斕。,土星Saturn,古時我國又稱其為“鎮(zhèn)星”。無論東方還是西方，都把土星與農(nóng)業(yè)聯(lián)系在一起。是唯一一個密度比水還小的行星。有七個主要的環(huán)。這些彩色的云帶主要由氫、氦以及甲烷等組成。也有一個大紅斑。但比木星小。,遠日行星,天王星、海王星、冥王

7、星。 特點：體積、密度介于類地行星與巨行星之間，主要由氫、氦、甲烷、氨等組成，表面溫度很低，可能大部分處于冰凍狀態(tài)。,天王星是威廉赫歇爾在1781年發(fā)現(xiàn)的，奇異之處它是躺著的。,天王星Uranus,天王星,它的體積很大，是地球的65倍，僅次于木星和土星，大氣的主要成份為氫和氦，在厚厚的大氣之下是深達8000米的汪洋大海，其溫度高得驚人，將近4000。,海王星Neptune,海王星有濃密的大氣層，主要含有氫85%，氦13%，還有甲烷和氨等，有許多湍急紊亂的氣旋即大小暗斑，大氣下面是冰包層。海王星的不規(guī)則軌道是個迷，有人認為存在第十顆行星。,冥王星Pluto,其它的行星的軌道離黃道很近，而冥王星軌

8、道與黃道面夾角17度，并且偏心率最大。由巖石和冰組成，表面溫度在-238 - -228接近太陽時，才有一層薄薄的大氣。,彗星,現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)1600多顆，大多數(shù)彗星是朝同一方向繞太陽 公轉，但也有逆向公轉的。公轉軌道很扁。由冰凍著的 各種雜質、塵埃組成 。 掠過太陽時有時有兩條慧尾，筆直的是氣體，彎曲的是塵埃。哈雷慧星是一顆短周期（76年）慧星，是目前資料最多的慧星。1992年舒梅克慧星被木星拉向自身毀滅。,流星meteor或shooting star,流星有單個流星、火流星、流星雨幾種。單個流星和火流星屬偶發(fā)流星，火流星出現(xiàn)時非常明亮，像條火龍且可能伴有爆炸聲。許多流星從星空中某一點（輻射點）向外

9、輻射散開，這就是流星雨。它們的來源主要有兩個，即慧星和小行星。 每天凌晨4點是流星出現(xiàn)的高峰，因為這時 觀察者位于地球迎面進入塵埃中的一側。 每年大約出現(xiàn)20場流星雨，最易辨認 的流星雨出現(xiàn)的地點和時間是：,恒星的演化,恒星的一生分為四個階段：,原始恒星階段 （引力收縮階段）,主序星階段 （壯年期）,紅巨星階段 （老年期）,高密恒星階段 （臨終階段）,太陽的主序星階段約為100億年，目前，太陽正處于主序星的中期。當太陽演變成紅巨星時，體積將擴大250倍，地球早已不適合人類居住。,白矮星（質量?。?中子星（質量中等）,黑洞（質量巨大）,黑矮星,核能耗盡后,熱能耗完后,爆發(fā),哈勃望遠鏡展示的精美炫

10、麗的星云恒星的誕生,在浩瀚的宇宙中由大量氣體和塵埃微粒組成的星云絢麗多彩，很多是孕育新生恒星的“溫床”。,恒星的一生,恒星是由低密度的星云碎片凝聚而成的。星云碎片由于自身的引力而收縮。在收縮過程中內部溫度升高，質量小的云團形成單個恒星，質量大的云團形成了恒星集團。而大恒星與小恒星的命運是不同的。,恒星晚年的歸屬,小質量的恒星 （0.28倍太陽質量）：,紅巨星 行星狀星云 白矮星 黑矮星,中等質量的恒星 （850倍太陽質量）：,超巨星 超新星 中子星 黑矮星,巨大質量的恒星 （50100倍太陽質量）：,超巨星 超新星 黑洞,爆發(fā),原始恒星階段,快收縮時期：一般幾百萬年，似星非星、似云非云，輻射紅

11、外線。溫度20003000攝氏度。 慢收縮時期：類似于太陽的恒星約7500萬年。由于內部壓力的產(chǎn)生而導致收縮減緩，當中心溫度達到700萬度以上時，引發(fā)氫聚變?yōu)楹さ暮朔磻?，此時恒星發(fā)出耀眼的光，恒星“嬰兒”就誕生了。,原始恒星階段，星體始終處于收縮狀態(tài)。這一過程經(jīng)歷了兩個時期：,主序星,當恒星中心溫度達到700萬度以上時，開始核聚變反應，恒星停止收縮，形成了正常的恒星，進入了主序星階段。主序星階段占恒星一生壽命的90%，是恒星最穩(wěn)定的階段，類似于人類的中年時期。,紅巨星（10M太以下）,中小恒星 隨著核聚變的進行，恒星中心的氦核越來越大，氦核周圍的氫越來越少，當氦核質量占到恒星質量的12%時，恒

12、星結構出現(xiàn)重大變化，氦核會坍縮并升溫。氦核收縮，而恒星外層膨脹，體積急劇增大，表面溫度降低。當中心溫度達到攝氏一千萬度時，將引發(fā)又一輪的核聚變。氦原子核聚變成碳和氧原子核。聚變發(fā)生后產(chǎn)生的輻射壓將使恒星暫時停止坍縮，處于暫時的平穩(wěn)狀態(tài)。這時的恒星叫做“紅巨星”。,心圓結構。這就是規(guī)則變星，這類星常稱造父變星。造父星是仙王星座中的一顆變星。 激變變星，如新星或超新星，是由于強烈的能量釋放，其亮度突然會增加數(shù)千倍。脈沖變星大多為紅巨星，這種星有規(guī)則地膨脹或收縮時，其亮度也會隨之改變。,變 星,在紅巨星階段后期，引力與排斥力開始不穩(wěn)定，恒星便開始一鼓一縮的脈動，紅巨星稀薄的包層向外以星風的形式逃逸，

13、形成同,超 巨 星（10M太以上）,恒星的質量超過太陽的十倍以上，在經(jīng)歷氦燃燒的階段后，由于它的星核質量大，所以它的溫度和壓力也更大，因此將轉入又一輪的聚變反應中：由碳聚變成氖和鎂。然后又是硅和硫。恒星像一個巨大的洋蔥頭那樣一層層地進行著熱核反應，直至核心溫度達到約攝氏二十八億度，硅聚變成最終產(chǎn)物鐵。,超新星,恒星中心很快發(fā)生坍縮，在幾秒鐘內體積縮小一百倍，密度達到每立方厘米十克。這時電子和中子被壓縮得非常緊密，以致相互結合形成中子和中微子。同時，恒星的外層因失去了支撐而快速向內塌落，高速撞擊到中央的核上，并轉換成巨大的動能以沖擊波的形式向外傳播，把恒星內的致密物質拋出。中微子也緩慢地向外擴散

14、，逸出恒星的外層。這就是我們稱之為“超新星爆發(fā)”的極其壯觀的天文現(xiàn)象。其能量極其巨大，所發(fā)出的光比一個由幾十億顆恒星組成的星座所發(fā)出的光還要亮。爆發(fā)過程中產(chǎn)生了各種元素。,恒星的歸宿,大于0.2倍、小于8倍太陽質量的中小恒星，相對較平穩(wěn)地拋出物質，形成行星狀星云，中央殘核留有一顆致密天體白矮星。 大于8倍太陽質量的恒星。爆發(fā)后剩余質量大于1.44倍太陽質量（即錢德拉賽卡極限），演化到后期要發(fā)生塌縮或大爆發(fā)，成為超新星，拋出大量物質，中心留下一個中子星。 大于50倍太陽質量的恒星，爆發(fā)后剩余質量將大于2.4倍太陽質量，這樣將變成黑洞。,（錢德拉賽卡、強德拉賽卡、昌德拉賽卡）,多姿多彩的行星狀星云

15、是中小質量恒星晚期演化的產(chǎn)物，是太空中最美麗的天體,蒼蠅座行星狀星云。奇特的形狀又好像一個沙漏，又稱為沙漏星云，在其中心有一顆白矮星。,貓眼石星云（NGC6543）,從它的中心星向外，包圍著好幾層氣體殼。,白 矮 星,質量小于太陽八倍的恒星，在臨終階段將向外層空間拋射物質，形成一個“行星狀星云”，而其星核再次坍縮。等到這個垂死的恒星將它的外殼全部拋出后，它的核就裸露出來了。這個核是熾熱的，溫度約為攝氏兩萬五千度，但體積卻特別小，我們稱之為“白矮星”。 當其熱能消耗完后，成為不發(fā)光的“黑矮星”。,哈勃拍攝的行星狀星云NGC7027向我們提供了一個類似太陽的恒星崩潰時的詳細資料: 暗藍色的外圍星云

16、氣體,巨大的網(wǎng)絡狀結構橫亙內部的紅色塵埃中,顯著的中心白點,灼熱的中央白矮星.星云的這些顯著結構詳細表達了恒星臨死時的活動。,恒星末日,哈勃拍攝的行星狀星云NGC7027,這張照片是哈勃廣角行星鏡頭拍攝的可見光波段和紅外波段的合成圖像.NGC7027距離我們3000光年,位于天鵝座。,超新星,大于8倍太陽質量的恒星，演化到后期就會發(fā)生劇烈的爆炸，產(chǎn)生超新星。大量物體拋出成為星際物質后，中心致密部分露出，成為中子星，待熱能消耗完后，變成黑矮星。,1987年2月23日，一位加拿大天文學家在大麥哲倫星云中發(fā)現(xiàn)了一顆超新星，這是自1604年以來第一顆用肉眼能看到的超新星，這顆超新星被命名為“1987A

17、”,超新星爆發(fā)，形成致密的中子星和呈彌散星云狀的遺跡,歐南臺拍攝的金牛座蟹狀星云。它是中國宋史中記載的1054年出現(xiàn)的超新星的遺跡，1968年發(fā)現(xiàn)其中的一顆脈沖星。蟹狀星云和它的脈沖星具有射電、光學、X射線、射線全波段輻射，成為天空中重要的物理實驗室。,超新星,哈勃空間望遠鏡拍攝的超新星1987A的遺跡。其形態(tài)特異，3個環(huán)一個套著一個，形成一個美妙絕倫的光鏈，成為又一個宇宙之謎。,中子星,中子星是由中子組成的超密度恒星。它的直徑只有10千米左右，其密度特別大，1億噸/cm3以上。 中子星是1967年在狐貍座內發(fā)現(xiàn)的，由于它周期性地發(fā)出脈沖，又叫脈沖星.,黑洞,黑洞是什么？廣義相對論作出了正確的

18、解釋：黑洞是引力坍縮的結果。黑洞有一個邊界，稱為“視界”。任何物體包括光一旦落入視界之內，就再也不能逃出視界。我們無法獲取來自于黑洞的任何信息。,黑 洞 的 存 在,大于50倍太陽質量的恒星，在核能耗盡后，質量超過2倍太陽質量，則平衡狀態(tài)不再存在，星體將無限制地收縮，星體的半徑愈來愈小，密度愈來愈大，終于達到臨界點，這時它的引力之大足以使一切核子，包括光子，都不能外逸，就象一個漆黑的無底洞，因而稱為“黑洞”。,霍金的黑洞理論,英國著名物理學家史蒂芬霍金在1971年提出：在宇宙大爆炸之后，可能形成數(shù)以百萬計的微小黑洞，這是在一個質子大小的空間內密集了10億噸物質的現(xiàn)象。 黑洞真的就是漆黑一團嗎？

19、 1974年，霍金指出了黑洞的另一個特征：黑洞并不是完全黑的，它以恒定的速率發(fā)射出輻射和粒子。即：黑洞實際上能不斷產(chǎn)生物質，在最后能量耗盡時發(fā)生爆炸。并證明黑洞的邊界也不是密不可透的。 黑洞是科學史上極為罕見的情形之一，在沒有任何觀測到的證據(jù)證明其理論是正確的情形下，作為數(shù)學模型被發(fā)展到非常詳盡的地步。,史蒂芬威廉霍金（英文名Stephen William Hawking) ， 1942年1月8日在英國牛津出生1，曾先后畢業(yè)于牛津大學 和劍橋大學，并獲劍橋大學哲學博士學位。他之所以在輪椅 上坐了39年，是因為他在21歲時就不幸患上了會使肌肉萎縮的盧伽雷氏癥，演講和問答只能通過語音合成器來完成。

20、英國劍橋大學應用數(shù)學及理論物理學系教授，當代最重要的廣義相對論和宇宙論家，是本世紀享有國際盛譽的偉人之一，被稱為在世的最偉大的科學家，還被稱為“宇宙之王”。1942年1月8日生于英國牛津的霍金剛好出生于伽利略逝世300周年紀念日之時。70年代他與彭羅斯一起證明了著名的奇性定理，為此他們共同獲得了1988年的沃爾夫物理獎。他因此被譽為繼愛因斯坦之后世界上最著名的科學思想家和最杰出的理論物理學家。他還證明了黑洞的面積定理，即隨著時間的增加黑洞的面積不減。這很自然使人將黑洞的面積和熱力學的熵聯(lián)系在一起。1973年，他考慮黑洞附近的量子效應，發(fā)現(xiàn)黑洞會像黑體一樣發(fā)出輻射，其輻射的溫度和黑洞質量成反比，

21、這樣黑洞就會因為輻射而慢慢變小，而溫度卻越變越高，它以最后一刻的爆炸而告終。黑洞輻射的發(fā)現(xiàn)具有極其基本的意義，它將引力、量子力學和統(tǒng)計力學統(tǒng)一在一起。,霍金簡介,霍金是英國劍橋大學應用數(shù)學和理論物理系的終身教授，因為霍金的成果很難被證實，因此，他沒有獲得過諾貝爾獎，雖然如此，但沒有哪一位科學家的著作能像霍金的時間簡史那樣成為發(fā)行量上千萬，全世界平均每500個人就擁有一冊的暢銷書。,霍金因在黑洞和宇宙學方面的貢獻，1978年榮獲物理學領域的最高獎“愛因斯坦獎”，成為當代最杰出的物理學家和天文學家之一。黑洞物理也成為一門新的物理學分支。,霍金對宇宙論的貢獻,霍金近照,霍金對于宇宙起源后10-43秒

22、以來的宇宙演化圖景作了清晰的闡釋.宇宙的起源：最初是比原子還要小的奇點，然后是大爆炸，通過大爆炸的能量形成了一些基本粒子，這些粒子在能量的作用下，逐漸形成了宇宙中的各種物質。目前，大爆炸宇宙模型已成為最有說服力的宇宙圖景理論。,搜尋黑洞,1996年，天文學家們發(fā)現(xiàn)銀河系中心一個巨大黑洞，它以每秒200千米速度繞銀河系中心運動，離中心越近，其速度越快，其中心的射電源能量非常大，而體積卻非常之小。,天體系統(tǒng)：,天體系統(tǒng)各種天體按照一定的規(guī)律圍繞中心天體旋轉運動，組成有一定從屬關系的系統(tǒng)。天體系統(tǒng)也稱為星系。 地月系衛(wèi)星圍繞行星運轉而形成的星系。 太陽系-以恒星太陽為中心的天體系統(tǒng)。太陽系的成員：八

23、大行星、2000多顆小行星、40多顆衛(wèi)星、流星、彗星。大小行星的運行軌道具有同向性、近圓性和共面性。太陽系的年齡約50億年。 銀河系-由2000多億顆恒星和大量的星云組成（見下頁）。銀河系的年齡約100億年。 河外星系-在銀河系之外，已觀測到的數(shù)十億類似于銀河系的龐大天體系統(tǒng)。 目前已觀測到的最遠的河外星系距離地球150多億光年。 總星系-銀河系和所觀測到的所有河外星系的總稱。,銀河系,銀河系是一個擁有2000億顆恒星的旋渦星系，大約100億年前形成，銀河系中心可能含有黑洞。其直徑大約為10萬光年。太陽的位置是在距銀心三分之二半徑的地方（距銀河系中心為33000光年）。在太陽附近，銀河系厚度約

24、為5000光年。太陽距離中央平面大約40光年，所在的方位是使地球的南極靠近銀道面。,銀河系,銀河系有一個橢球狀的銀核，直徑約30光年，是恒星密集的地方，俯視銀盤，可以看到由銀核向外延伸呈螺旋狀分布的四條懸臂，太陽位于銀河系的一條懸臂上。,銀河系的發(fā)現(xiàn),1781年，威廉.赫歇耳制造了許多大型望遠鏡。用此巨大的望遠鏡，發(fā)現(xiàn)了天王星。1783年至1802年，威廉赫歇爾首次發(fā)現(xiàn)了太陽的自行，并確定了太陽所在的恒星系統(tǒng)銀河系的形狀和大小，用統(tǒng)計法首次確認了銀河系為扁平狀圓盤的假說； 他發(fā)現(xiàn)并測定出太陽的向 心點位于武仙座附近。 證明太陽仍然不是宇宙的 中心。,赫歇耳夫婦的貢獻,赫歇耳工作使人類的認識又從

25、太陽系擴展到銀河系。然而任何偉大人物背后都有得力的支持者。赫歇耳的妹妹卡洛林赫歇耳不僅一生為哥哥管理家務，而且對他的觀測進行系統(tǒng)和仔細的記錄。 銀河系的正面 銀河系的側面,19231924年，美國著名天文學家哈勃通過照相觀測發(fā)現(xiàn)仙女座大星云（當時這么稱呼）中的造父變星，從而推算出仙女座大星云與我們的距離，這距離在銀河系之外，于是把我們的視野擴大到了銀河系之外。 并開創(chuàng)了對星系團的研究。,哈勃的發(fā)現(xiàn),星系的哈勃分類,美國威爾遜天文臺的哈勃把附近的星系分為三種基本結構類型：橢圓星系、旋渦星系和不規(guī)則星系。,旋渦星系有的取標準形狀，有的取棒旋形狀。宇宙間17%是橢圓星系，50是標準旋渦星系，30%是棒旋星系，而不規(guī)則星系只占3%。,旋渦星系是河外星系中數(shù)量最多，形態(tài)最美的一種,歐南臺甚大望遠鏡拍攝的波江座旋渦星系NGC1232。它的正面朝向我們，使我們可以看清楚復雜的旋渦結構。,美國射電望遠鏡在21厘米波長（中性氫氣體）上對三角座旋渦星系M33的觀測結果。,旋渦星系,哈勃空間望遠鏡拍攝的飛馬座旋渦星系NGC7742。它的中心核球又大又亮，