專題五天體物理學(xué)與宇宙學(xué).ppt

1、專題五 天體物理學(xué)與宇宙學(xué),第一節(jié) 概述,一、重要概念,1.天文學(xué)：研究宇宙的觀測科學(xué). （天體的位置、運(yùn)動、起源和演化）,2.天體：宇宙間一切物質(zhì)集團(tuán)。,（恒星、行星、衛(wèi)星、慧星、流星）,3.光年：光一年走的距離，約1013km,光每秒繞地球7圈半, 太陽到地球只需8分鐘,現(xiàn)收到的星光信號是天體過去某時刻發(fā)出的, 越遠(yuǎn)的天體，帶來的是越久遠(yuǎn)的信息。,4.宇宙：時間和空間的統(tǒng)一體。 古中國：四方上下曰宇，往古來今曰宙 宇之表無極，宙之端無窮 天地，世界 古西方：cosmos秩序，完整體系 universe天地萬物 目前已觀測： 150億光年的宇宙深處 看到150億年前的宇宙歷史,宇宙的主要成分

2、包括：星系、恒星和星團(tuán)、星云（星際氣體和塵埃云）。還有許多較小的成分，如行星、衛(wèi)星、彗星和流星。除了這些天體和彌漫的暗物質(zhì)外，宇宙還含有引力場及各種形式的輻射，如可見光、電磁波、X射線等等。,暗能量： 70% 非重子暗物質(zhì)：26% 重子物質(zhì)： 4 % 其中可見物質(zhì) 0.5% 輻射： 0.005%,二、宇宙概況,1.太陽系：太陽繞日天體,（1）太陽： 發(fā)光，熾熱，氣體球 表：6000K，中心：,占太陽系99%的質(zhì)量 相當(dāng)于33.3萬個地球 直徑=109 d地,（2）地球： 略扁，旋轉(zhuǎn)，橢球體。 太陽系八大行星之一,（3）月亮： 地球唯一的天然衛(wèi)星，離地最近的天體（除流星）。 M月=1/81 M地

3、，d月=27% d地。 本身不發(fā)光，反射太陽光陰晴變化 地貌：環(huán)形山（內(nèi)陡，外緩，中平）,貝麗珠,環(huán)形山,陰晴,（4）大行星：八個,1624，1803，1983，2357,木土天海.,（5）小行星： 質(zhì)量小，體積小 太陽系有千萬顆（多在火木間） 總質(zhì)量=0.04% m地 最大“谷神星”d=477km,（6）衛(wèi)星和行星環(huán)：,衛(wèi)星：繞行星運(yùn)行,行星環(huán)： 木、土、天、海,水、金（0）， 地（1），其他（n）,（7）彗星： 繞日，云霧狀，狹長天體 由隕石和冰狀物組成（彗核、彗發(fā)、彗尾） 當(dāng)彗星接近太陽時，冰狀物蒸騰形成彗發(fā)和彗尾，彗尾形狀如掃帚掃帚星,（8）流星和隕石,流星：繞日的小天體 ，偶然進(jìn)入地

4、球大氣，與大氣分子摩擦燃燒，發(fā)光流星（流星雨） 隕石：未燒完的流星,（9）塵埃和自由電子云： 浮游在黃道平面內(nèi)，散射太陽光黃道光,宇宙塵埃,2.銀河系： 晴朗夜空中，橫亙天際的明亮光帶天河（銀河） “河水清且淺，相去復(fù)幾許？盈盈一水間，脈脈不得語”,昂星團(tuán),（1）恒星： 發(fā)光、熾熱的氣體球。 集中銀河系90%以上的物質(zhì) “恒”？離地遠(yuǎn)，認(rèn)為恒定不動！,2）星團(tuán)： 恒星集團(tuán) 太陽：孤居 大多恒星：群居成團(tuán),（3）星云： 稀薄氣體+塵埃集合成團(tuán),（4）星際物質(zhì)： 恒星、星云之間，更稀薄的彌漫物質(zhì) 1H/cm3,3.河外星系（銀河系同層） 星系：幾十上千億的恒星+星團(tuán)+星云+星際物質(zhì) 肉眼：仙女座離

5、銀河系最近的河外星系,橢圓星系,漩渦星系,宇宙的主體是恒星。 星際物質(zhì)微乎其微，重要！ ？ 恒星從誕生滅亡，不斷攪拌星際物質(zhì) 星際物質(zhì)俘獲了恒星的拋出物，在自引力下形成新的恒星.,宇宙：150億 地球：50億 人類：100萬 中華文明：5000 人：100,位于仙女座的M31，是距離我們銀河系最近的主要星系。它被認(rèn)為是一個與銀河系相似的星系，估計有10億顆恒星。M31距離我們約2百萬光年，目前我們對它的大部情況還不清楚。,M51是位于獵犬座的一個典型的旋渦星系，距離我們約2千3百萬光年。M51直徑約6萬5千光年，是最明亮也最美麗的星系之一。旁邊是另一個小些的星系，科學(xué)家推測M51的螺線結(jié)構(gòu)與這

6、個小星系的重力作用有關(guān)。,哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝的兩個星系相碰撞的圖像。 10億年后，我們的銀河系也將會與另一個星系相遇。,第二節(jié) 宇宙和恒星 的起源和演化,宇宙從何處來？到何處去？ 永恒？誕生死亡？ 人類對宇宙的認(rèn)識,一、宇宙歷史,1.古中國 盤古開天地，共工撞不周山，女媧補(bǔ)天,盤古開辟的天地是什么形狀？ （1）蓋天說： 天圓地方：天斗笠，地倒盤子 缺點(diǎn)： 不能解釋日月星辰的東升西落,（2）渾天說： 天蛋殼，地蛋黃 日月星辰附著在蛋殼上繞地轉(zhuǎn)動 進(jìn)步：首次提出地是球形的,（3）喧夜說： 宇宙無邊無際，日月星辰漂浮其中 進(jìn)步：把星星從球殼上脫離出來,2.古西方： 圣經(jīng)： 上帝創(chuàng)造宇宙，周日休息 地心說

7、： 亞里士多德：地球是宇宙的中心，其他天體繞地球不停運(yùn)動。 日心說： 哥白尼：太陽是宇宙的中心，其他天體都繞著太陽轉(zhuǎn)，月亮是地球的衛(wèi)星。,亞里士多德,哥白尼,意大利： 布魯諾： 太陽不是宇宙的中心，宇宙是無限的， 宇宙中存在多個世界，每個世界都有自己的中心。 違背羅馬教廷的哲學(xué)思想，被火刑處死。,3.近代： 牛頓：宇宙是靜止的 愛因斯坦：現(xiàn)代宇宙學(xué)，動態(tài)的、演化的宇宙.,二、現(xiàn)代宇宙學(xué),相對論： 時間和空間是構(gòu)成宇宙的要素，二者不可分！ 宇宙不是靠原始外力推動的， 而是內(nèi)因產(chǎn)生的，是演化，發(fā)展的。 愛因斯坦：一生中最大的錯事！ 事實(shí)：宇宙確實(shí)是膨脹的。,1.哈勃定律,所有的星系都在遠(yuǎn)離我們退行

8、 退行速度與距離成正，即越遠(yuǎn)的退行越快。宇宙在加速膨脹！ 宇宙的年齡：200億年,哈勃在研究天體的退行速度與距離的關(guān)系時，聯(lián)想到多譜勒效應(yīng)。,結(jié)論,2.宇宙的特征,（1）宇宙學(xué)原理： 物質(zhì)在空間分布是均勻、各向同性的。 （2）星系退行： 星系都在退行，距離越遠(yuǎn)V越大。 在任何星系上，看其他星系都是退行的。 （3）宇宙中氫和氦豐度：氫3/4，氦1/4,宇宙初期是溫度極高、密度極大、體積極小的“奇點(diǎn)”。 爆炸！物質(zhì)四散，空間膨脹，溫度降低。 膨脹和冷卻過程中出現(xiàn)星系、恒星、行星、生命。,3.大爆炸宇宙模型,（1）解釋氫氦豐度：H 3/4，He 1/4,此期間，25%的H合成He 75%的H遺留H

9、3/4，He 1/4,（2）解釋宇宙學(xué)原理：,（3）解釋宇宙微波背景輻射： 大爆炸初期：高溫，質(zhì)子和電子都是自由的。他們大量散射光子。 30萬年：溫度下降，質(zhì)子與電子結(jié)合成原子。光子不再被大量散射，遺留下來宇宙微波背景輻射。,（4）星系退行的解釋： 大爆炸膨脹,三、恒星世界,90%,1.主序星： 恒星的青壯年期； 恒星在此階段停留占壽命的90%； 向外膨脹和向內(nèi)收縮大致平衡，體積不變； 恒星在主序星階段的時間與質(zhì)量有關(guān)： 質(zhì)量大，光度大，耗能快，主序星階段短。,2.巨星： 主序星以后，恒星進(jìn)入老年期紅巨星階段 巨：體積大=10100太陽，紅：表面溫度低，發(fā)光偏紅 雖T低，但體積大：總的光度高

10、紅巨星的形成： 主序星：中心核聚變（4HHe），釋放E，形成輻射壓， 向外的輻射壓=向內(nèi)的引力，體積大致平衡 紅巨星：H燃燒形成He，He增加，H減少。 聚變反應(yīng)減慢，釋放的E減少，輻射壓減小。引力占上風(fēng)！ 外層向內(nèi)收縮，內(nèi)部密度，壓強(qiáng)，溫度增大。 此時，He周圍的H燃燒，向He核推進(jìn)，導(dǎo)致內(nèi)核收縮，外殼 膨脹，外層溫度降低紅巨星。,4.白矮星： 低光度、高密度、高溫度的恒星。 白色、體積小白矮星，老年恒星。 紅巨星以后，內(nèi)部核能枯竭， 外部大量物質(zhì)被拋散，最后剩下密實(shí)的核。,3.超巨星：最亮的恒星,四、恒星的起源和演化,1、恒星的形成： （1）星云階段：,2.恒星的演化和歸宿,（1）主序星階

11、段： 大量燃燒HHe，直到H聚變不再進(jìn)行，向紅巨星轉(zhuǎn)化。此后，隨星核質(zhì)量的不同，恒星取不同途徑死亡,（2）紅巨星階段： 中心H燒完，壓力引力，核開始收縮，中心T升高，核密度增大。 同時，外層得到核收縮釋放的E，膨脹，形成V大，密度小，溫度低，而光度很大的紅巨星！,（3）超新星爆發(fā)： 紅巨星后，核中心聚變停止，開始冷卻，輻射壓降低。 引力壓力，導(dǎo)致整個星體向中心塌縮，內(nèi)部溫度大大提高。 內(nèi)部在高溫下爆炸，非常明亮，產(chǎn)生超新星！,超新星爆發(fā)是恒星死亡的一種形式，其結(jié)果： A.恒星瓦解成星云；B.拋掉大量物質(zhì)，塌縮成白矮星、中子星、黑洞。,恒星的演化和歸宿的大致過程,中子星：,中子，少量質(zhì)子和電子

12、具有極強(qiáng)的磁場，且高速自轉(zhuǎn) 只要磁軸和自轉(zhuǎn)軸不重合，磁極就會周期性的掃過空間脈沖星。,黑洞： 當(dāng)一顆超新星爆發(fā)時，恒星的核一般要塌縮成中子星，如果核的質(zhì)量大于三個太陽，就形成黑洞。 具有超強(qiáng)的吸引力，一切物質(zhì)只能被他吸收，無法逃逸，包括光！ 不可見！,第三節(jié) 天文觀測的發(fā)展史,一、古代的天文觀測,1.歷法,（1）陰歷（回歷）： 根據(jù)月亮的圓缺變化周期制定的。 奇數(shù)月30天，偶數(shù)月為29天，12個月一年，共354天。 （2）陽歷：根據(jù)地球繞太陽運(yùn)動周期制定的。 （3）陰陽歷：兼顧月亮繞地和地球繞太陽的運(yùn)動周期而制定。,把年、月、日、時按一定法則安排，以便記錄時間。,來自生產(chǎn)的需要：觀察氣候的變化。 古代計量時間：晝夜交替日；月亮圓缺月；四季變化年。,2.天象的觀測,（1）古中國： 三垣四象二十八星宿 三垣： 紫微、太微、天市,（2）古埃及： 黃道十二宮,（3）古希臘： 88個星座,3.古代天文儀器,二、現(xiàn)代天文觀測,看得見：暗弱天體 大口徑+積累光子的設(shè)備 可看見比肉眼看暗107108的天體,看