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文檔簡介
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、運動、起源和演化),2.天體:宇宙間一切物質(zhì)集團。,(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, 越遠的天體,帶來的是越久遠的信息。,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、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,(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,認為恒定不動!,2)星團: 恒星集團 太陽:孤居 大多恒星:群居成團,(3)星云: 稀薄氣體+塵埃集合成團,(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+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? 人類對宇宙的認識,一、宇宙歷史,1.古中國 盤古開天地,共工撞不周山,女媧補天,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: 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:宇宙確實是膨脹的。,1.哈勃定律,所有的星系都在遠離我們退行
8、 退行速度與距離成正,即越遠的退行越快。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”。 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,溫度增大。 此時,He周圍的H燃燒,向He核推進,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)地球繞太陽運動周期制定的。 (3)陰陽歷:兼顧月亮繞地和地球繞太陽的運動周期而制定。,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
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