《天文奧賽培訓(xùn)課程》PPT課件.pptVIP

第一講 宇宙概況 主講人：趙向華,天文奧賽培訓(xùn)課程,宇宙，是我們所在的空間， “宇” 的本義是指“上下四方”,宇宙，又是我們所在的時(shí)間， “宙”的本意就是指“古往今來”。,一、人類對(duì)宇宙的探索歷程 二、宇宙的組成 三、宇宙的形成宇宙大爆炸學(xué)說 四、黑洞,“渾儀”是我國古代 的一種天文觀測儀器。 在古代，“渾”字含有圓 球的意義。古人認(rèn)為天 是圓的，形狀像蛋殼， 出現(xiàn)在天上的星星是鑲 嵌在蛋殼上的彈丸，地 球則是蛋黃，人們?cè)谶@ 個(gè)蛋黃上測量日月星辰的位置。 因此，把這種觀測天體位置的儀器叫做“渾儀”。,一、人類對(duì)宇宙的探索 1、中國對(duì)宇宙的探索,日晷又稱“日規(guī)”，是我國古代利 用日影測得時(shí)刻的一種計(jì)時(shí)儀器。 通常由銅制的指針和石制的圓盤 組成。銅制的指針叫做“晷針”， 垂直地穿過圓盤中心，起著圭表 中立竿的作用，因此，晷針又叫 “表”，石制的圓盤叫做“晷面”，安 放在石臺(tái)上，呈南高北低，使晷 面平行于天赤道面，這樣，晷針的上端正好指向北天極，下端正好指向南天極。在晷面的正反兩面刻劃出12個(gè)大格，每個(gè)大格代表兩個(gè)小時(shí)。當(dāng)太陽光照在日晷上時(shí)，晷針的影子就會(huì)投向晷面，太陽由東向西移動(dòng)，投向晷面的晷針影子也慢慢地由西向東移動(dòng)。于是，移動(dòng)著的晷針影子好像是現(xiàn)代鐘表的指針，晷面則是鐘表的表面，以此來顯示時(shí)刻。,漏刻是我國古代一種計(jì)量時(shí)間的 儀器。最初，人們發(fā)現(xiàn)陶器中的水會(huì) 從裂縫中一滴一滴地漏出來，于是專 門制造出一種留有小孔的漏壺，把水 注入漏壺內(nèi)，水便從壺孔中流出來， 另外再用一個(gè)容器收集漏下來的水， 在這個(gè)容器內(nèi)有一根刻有標(biāo)記的箭桿， 相當(dāng)于現(xiàn)代鐘表上顯示時(shí)刻的鐘面， 用一個(gè)竹片或木塊托著箭桿浮在水面 上，容器蓋的中心開一個(gè)小孔，箭桿 從蓋孔中穿出，這個(gè)容器叫做“箭壺”。隨著箭壺內(nèi)收集的水逐漸增多，木塊托著箭桿也慢慢地往上浮，古人從蓋孔處看箭桿上的標(biāo)記，就能知道具體的時(shí)刻。 后來古人發(fā)現(xiàn)漏壺內(nèi)的水多時(shí)，流水較快，水少時(shí)流水就慢，顯然會(huì)影響計(jì)量時(shí)間的精度。于是在漏壺上再加一只漏壺，水從下面漏壺流出去的同時(shí)，上面漏壺的水即源源不斷地補(bǔ)充給下面的漏壺，使下面漏壺內(nèi)的水均勻地流人箭壺，從而取得比較精確的時(shí)刻。,哥白尼（Nicolaus Copernicus， 1473-1543），波蘭天文學(xué)家、日心說創(chuàng)立者， 近代天文學(xué)的奠基人。 哥白尼經(jīng)過長期的天文觀測和研究，創(chuàng) 立了更為科學(xué)的宇宙結(jié)構(gòu)體系日心說，從 此否定了在西方統(tǒng)治達(dá)一千多年的地心說。日 心說經(jīng)歷了艱苦的斗爭后，才為人們所接受， 這是天文學(xué)上一次偉大的革命，不僅引起了人類宇宙觀的重大革新而且從根本上動(dòng)搖了歐洲中世紀(jì)宗教神學(xué)的理論支柱。“從此自然科學(xué)便開始從神學(xué)中解放出來”，“科學(xué)的發(fā)展從此便大踏步前進(jìn)”（恩格斯自然辯證法）。 哥白尼著有闡述日心說的天體運(yùn)行論（1543年出版）， 由于受到時(shí)代的局限，在日心說中保留了所謂“完美的”圓形軌道等點(diǎn)。其后開普勒建立行星運(yùn)動(dòng)三定律，牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力定律， 以及行星光行差、視差相繼發(fā)現(xiàn)，日心說遂建立在更加穩(wěn)固的科學(xué) 基礎(chǔ)上。,2、國外對(duì)宇宙的探索,開普勒（1571-1630），德國天文學(xué)家。 1600年，開普勒到布拉格多年積累的 觀測資料，仔細(xì)分析研究，發(fā)現(xiàn)了行星沿 橢圓軌道運(yùn)行，并且提出行星運(yùn)動(dòng)三定律 （即開普勒定律），為牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力 定律打下了基礎(chǔ)。他的主要著作有宇宙 的神秘、光學(xué)、宇宙和諧論、 哥白尼天文學(xué)概要、彗星論和 稀奇的1631年天象等。其中，在 宇宙和諧論中，開普勒找到了最簡單的世界體系，只需7個(gè)橢圓就可以描述天體運(yùn)動(dòng)的體系了； 在彗星論中，他指出彗星的尾巴總是背著太陽，是因?yàn)樘柵懦忮珙^的物質(zhì)造成的，這是距今半個(gè)世紀(jì)以前對(duì)輻射壓力存在的正確預(yù)言；此外，開普勒還發(fā)現(xiàn)了大氣折射的近似定律。,愛因斯坦（1879-1955），舉世聞名的德裔美 國科學(xué)家，現(xiàn)代物理學(xué)的開創(chuàng)者和奠基人。 十九世紀(jì)末期是物理學(xué)的變革時(shí)期，他的量 子理論對(duì)天體物理學(xué)、特別是理論天體物理學(xué)都 有很大的影響。理論天體物理學(xué)的第一個(gè)成熟的 方面恒星大氣理論，就是在量子理論和輻射 理論的基礎(chǔ)上建立起來的。愛因斯坦的狹義相對(duì) 論成功地揭示了能量與質(zhì)量之間的關(guān)系，解決了 長期存在的恒星能源來源的難題。近年來發(fā)現(xiàn)越 來越多的高能物理現(xiàn)象，狹義相對(duì)論已成為解釋這種現(xiàn)象的一種最基本的理論工具。其廣義相對(duì)論也解決了一個(gè)天文學(xué)上多年的不解之謎，并推斷出后來被驗(yàn)證了的光線彎曲現(xiàn)象，還成為后來許多天 文概念的理論基礎(chǔ)。 愛因斯坦對(duì)天文學(xué)最大的貢獻(xiàn)莫過于他的宇宙學(xué)理論。他創(chuàng)立了相對(duì)論宇宙學(xué)，建立了靜態(tài)有限無邊的自洽的動(dòng)力學(xué)宇宙模型，并引進(jìn)了宇宙學(xué)原理、彎曲空間等新概念，大大推動(dòng)了現(xiàn)代天文學(xué)的發(fā)展。,20世紀(jì)科學(xué)的智慧和毅力在 霍金的身上得到了集中的體現(xiàn)。他 對(duì)于宇宙起源后10-43秒以來的宇 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(diǎn)，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(zhì)。至此，大 爆炸宇宙模型成為最有說服力的宇宙圖景理論。然而，至今宇宙大爆炸理論仍然缺乏大量實(shí)驗(yàn)的支持。,二、宇宙的組成,宇宙是物質(zhì)的，物質(zhì)以各種形態(tài)存在的，聚集態(tài)的構(gòu)成星體，彌散態(tài)的構(gòu)成星云，即云霧狀的天體，彌散于廣漠的星際空間，極其稀薄稱星際物質(zhì)，包括星際氣 體和星際塵埃，所有這些物質(zhì)統(tǒng)稱為天體。,1、星體,恒星、行星、衛(wèi)星、流星、彗星等 恒星是在熊熊燃燒著的星球。一般來說，恒星的體積和質(zhì)量都比較大。只是由于距離地球太遙遠(yuǎn)的緣故，星光才顯得那么微弱。 古代的天文學(xué)家認(rèn)為恒星在星空的位 置是固定的，所以給它起名“恒星”，意思 是“永恒不變的星”?？墒俏覀兘裉熘浪?們?cè)诓煌５馗咚龠\(yùn)動(dòng)著，比如太陽就帶著 整個(gè)太陽系在繞銀河系的中心運(yùn)動(dòng)。但別 的恒星離我們實(shí)在太遠(yuǎn)了，以至我們難以 覺察到它們位置的變動(dòng)。 恒星發(fā)光的能力有強(qiáng)有弱。天文學(xué)上 用“光度”來表示它。所謂“光度”，就是指從恒星表面以光的形式輻射出的功率。恒星表面的溫度也有高有低。一般說來，恒星表面的溫度越低，它的光越偏紅；溫度越高，光則越偏藍(lán)。而表面溫度越高，表面積越大，光度就越大。從恒星的顏色和光度，科學(xué)家能提取出許多有用信息來。,2、星云,星際物質(zhì)在宇宙空間的分布并不均勻。在引力作用下，某些地方的氣體和塵?？赡芟嗷ノ芗饋?，形成云霧狀。人們形象地把它們叫做“星云”。按照形態(tài)，銀河系中的星云可以分為彌漫星云、行星狀星云等幾種。 彌漫星云正如它的名稱一樣，沒有明顯的邊界，常常呈不規(guī)則形狀。它們的直徑在幾十光年左右，密度平均為每立方厘米10-100個(gè)原子（事實(shí) 上這比實(shí)驗(yàn)室里得到的真空要低得多）。它們主要分布在銀道面（HOTKEY）附近。比較著名的彌漫星云有獵戶座大星云、馬頭星云等。,玫瑰狀星云,仙后座星云,女巫狀星云,鎖眼星云,行星狀星云,鷹狀星云,馬頭狀星云,三、宇宙的形成-宇宙大爆炸,1932年勒梅特首次提出了現(xiàn) 代宇宙大爆炸理論： 整個(gè)宇宙最初聚集在一個(gè)“原始 原子”中，后來發(fā)生了大爆炸， 碎片向四面八方散開， 形成了我們的宇宙。 美籍俄國天體物理學(xué)家伽 莫夫第一次將廣義相對(duì)論融入 到宇宙理論中，提出了熱大爆炸宇宙學(xué)模型：宇宙開始于高溫、高密度的原始物質(zhì)，最初的溫度超過幾十 億度，隨著溫度的繼續(xù)下降，宇宙開始膨脹。,1965年，彭齊亞斯和威爾遜發(fā)現(xiàn)了宇宙 背景輻射，后來他們證實(shí)宇宙背景輻射是 宇宙大爆炸時(shí)留下的遺跡，從而為宇宙大 爆炸理論提供了重要的依據(jù)。他們也因此 獲1978年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 20世紀(jì)科學(xué)的智慧和毅力在霍金的身 上得到了集中的體現(xiàn)。他對(duì)于宇宙起源后 10-43秒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(diǎn)，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(zhì)。 至此，大爆炸宇宙模型成為最有說服力的宇宙圖景理論。然而，至今宇宙大爆炸理論仍然缺乏大量實(shí)驗(yàn)的支持。,宇宙大爆炸,超新星,M82發(fā)生星爆活動(dòng),仙后座A的超新星,宇宙學(xué)的最重要結(jié)論之一，是由觀察到的星系紅移現(xiàn)象和哈勃定律所推論得到宇宙正在膨脹的結(jié)論。由這個(gè)宇宙正在膨脹的結(jié)論，若將時(shí)間反推，就可以得到另一個(gè)結(jié)論：宇宙開始于一個(gè)時(shí)空奇點(diǎn)。這是一個(gè)須要相當(dāng)?shù)某橄髷?shù)學(xué)基礎(chǔ)才能理解的概念，是有可能符合現(xiàn)實(shí)的時(shí)空模型。這個(gè)推論使得大爆炸理論開始發(fā)展，并成為當(dāng)今宇宙學(xué)的研究主流。根據(jù)該理論“時(shí)間 = 0” 的時(shí)空起點(diǎn)估計(jì)距今約在137億（13.7 109）年前，誤差2億年。但是，這個(gè)估計(jì)數(shù)據(jù)的正確性是基于大爆炸理論的模型也是正確的前提。,紅移：光的多普勒效應(yīng)：大多數(shù)恒星的光 譜里，在紫外光部分都有兩條暗線，被鈣氣吸收所致，可是遙遠(yuǎn)星系里的兩條暗線悄悄移向紅端，這種現(xiàn)象叫紅移。星系距離越遠(yuǎn)，紅移越顯著，甚至移到紅光一端。這種某頻率譜線的位移現(xiàn)象說明天體正在與觀測者作相對(duì)運(yùn)動(dòng)。光譜發(fā)生紅移（波頻率降低波長變長）天體退行，反之，紫移，接近-測天體視向速度的方法。,返回,多普勒效應(yīng)： 由于波源和觀察者之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使觀察者感到頻率發(fā)生變化的現(xiàn)象，叫做多普勒效應(yīng) 火車的汽笛聲在列車向你奔馳而來時(shí)，音調(diào)會(huì)變高，掠你而過時(shí)聲音馬上就會(huì)低沉下來。這并不意味著聲源發(fā)生變化，由于聲源與觀測者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)所致。,返回,哈勃定律：1929年美國的天文學(xué)家哈勃研究星系光譜發(fā)現(xiàn)，譜線紅移是一個(gè)普遍現(xiàn)象，若把這看作多普勒效應(yīng)的結(jié)果，除本星系群的少數(shù)星系外，所有星系都以很高的速度背離我們飛馳遠(yuǎn)去，星系退行的速度同他的距離成正比，V d。河外星系 的視向退行速度與距離成正比，即距離越遠(yuǎn)，視向速度越大。,返回,奇點(diǎn)：是一個(gè)密度無限大、質(zhì)量無限大、時(shí)空曲率無限高、熱量無限高、體積無限小的“點(diǎn)” 。,返回,宇宙大爆炸學(xué)說：150億年前，整個(gè)宇宙一片黑暗，突然有一天，宇宙發(fā)生大爆炸，宇宙的構(gòu)成物質(zhì)是一種密度非常大的物質(zhì)，溫度極高，此時(shí)宇宙中只有中子、質(zhì)子、電子、光子和微子等基本粒子形態(tài)的物質(zhì)，由于高溫和物質(zhì)極不穩(wěn)定，宇宙不斷膨脹，當(dāng)宇宙年齡10-44秒時(shí)，溫度達(dá)到1032攝氏度，經(jīng)過10-34秒時(shí)，突然發(fā)生巨大爆炸，體積擴(kuò)大1029倍，溫度隨球體爆炸迅速下降，大爆炸30萬年，溫度達(dá)到3000攝氏度，宇宙開始變得透明，開始形成化學(xué)元素。,返回,四、黑洞,黑洞：是根據(jù)現(xiàn)代的物理理論和天文學(xué)理論，所預(yù)言的在宇宙空間中存在的一種天體區(qū)域。黑洞是由一個(gè)質(zhì)量相當(dāng)大的天體，在核能耗盡死亡后發(fā)生引力塌縮后形成。根據(jù)牛頓萬有引力定理,由于黑洞的第一宇宙速度過大連光也逃逸不出來,故名黑洞.在此區(qū)域內(nèi)的萬有引力非常強(qiáng)大，任何物質(zhì)都不可能從此區(qū)域內(nèi)逃逸出去，甚至光線都被它強(qiáng)大的引力拉回，因此黑洞不會(huì)發(fā)光，不能用天文望遠(yuǎn)鏡看到，是黑漆漆的天體，但天文學(xué)家可借觀察黑洞周圍物質(zhì)被吸引時(shí)的情況，找出黑洞位置。,“黑洞”很容易讓人望文生義地想象成一個(gè) “大黑窟窿”，其實(shí)不然。所謂“黑洞”，就是這 樣一種天體：它的引力場是如此之強(qiáng)，就連 光也不能逃脫出來。 根據(jù)廣義相對(duì)論，引力場將使時(shí)空彎曲。 當(dāng)恒星的體積很大時(shí)，它的引力場對(duì)時(shí)空幾 乎沒什么影響，從恒星表面上某一點(diǎn)發(fā)的光 可以朝任何方向沿直線射出。而恒星的半徑 越小，它對(duì)周圍的時(shí)空彎曲作用就越大，朝某些角度發(fā)出的光就將沿彎曲空間返回恒星表面。 等恒星的半徑小到一特定值（天文學(xué)上叫“史瓦西半徑”）時(shí)，就連垂直表面發(fā)射的光都被捕獲了。到這時(shí)，恒星就變成了黑洞。說它“黑”，是指它就像宇宙中的無底洞，任何物質(zhì)一旦掉進(jìn)去，“似乎”就再不能逃出。,黑洞的形成,那么，黑洞是怎樣形成的呢？其實(shí)，跟白矮星和中子星一樣，黑洞很可能也是由恒星演化而來的。 我們?cè)?jīng)比較詳細(xì)地介紹了白矮星和中子星形成的過程。當(dāng)一顆恒星衰老時(shí)，它的熱核反應(yīng)已經(jīng)耗盡了中心的燃料（氫），由中心產(chǎn)生的能量已經(jīng)不多了。這樣，它再也沒有足夠的力量來承擔(dān)起外殼巨大的重量。所以在外殼的重壓之下，核心開始坍縮，直到最后形成體積小、密度大的星體，重新有能力與壓力平衡。 質(zhì)量小一些的恒星主要演化成白矮星，質(zhì)量比較大的恒星則有可能形成中子星。而根據(jù)科學(xué)家的計(jì)算，中子星的總質(zhì)量不能大于三倍太陽的質(zhì)量。如果超過了這個(gè)值，那么將再?zèng)]有什么力能與自身重力相抗衡了，從而引發(fā)另一次大坍縮。 這次，根據(jù)科學(xué)家的猜想，物質(zhì)將不可阻擋地向著中心點(diǎn)進(jìn)軍，直至成為一個(gè)體積趨于零、密度趨向無限大的“點(diǎn)”。而當(dāng)它的半徑一旦收縮到一定程度(史瓦西半徑)，正像我們上面介紹的那樣，巨大的引力就使得即使光也