宇宙物理與宇宙學(xué)PPT課件.pptVIP

1 23 1宇宙概貌 23 2宇宙天體運(yùn)動規(guī)律 23 3哈勃定律和宇宙膨脹 第二十三章天體物理與宇宙學(xué) 23 4宇宙大爆炸模型 23 5超新星 23 6致密星 2 23 1宇宙概貌 宇理圖 實(shí)測宇宙 神話宇宙 3 一 太陽系 4 5 二 星系 拍攝到的星系圖 銀河系 6 三 星系團(tuán) 102億光年外的星系團(tuán) 7 四 超星系團(tuán) 星系團(tuán)碰撞 8 五 整個宇宙 宇宙全景圖 9 23 2宇宙天體運(yùn)動規(guī)律 一 萬有引力規(guī)律 萬有引力定律 自然界中任何兩個物體都是相互吸引的 引力的大小與兩物體的質(zhì)量的乘積成正比 與兩物體間距離的平方成反比 意義 它把地面上物體運(yùn)動的規(guī)律和天體運(yùn)動的規(guī)律統(tǒng)一了起來 對以后物理學(xué)和天文學(xué)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)的影響 它第一次解釋了 自然界中四種相互作用之一 一種基本相互作用的規(guī)律 在人類認(rèn)識自然的歷史上樹立了一座里程碑 10 局限 牛頓的經(jīng)典力學(xué)只適用于低速 宏觀 弱引力 而不適用于高速 微觀與強(qiáng)引力 二 愛因斯坦的引力理論 11 狹義相對論 specialrelativity 缺陷 1 承認(rèn)慣性系的特殊地位 2 不能建立令人滿意的引力理論 廣義相對論 generalrelativity 時空彎曲 物質(zhì) 引力場 慣性系 非慣性系 相對性原理 清除了以太絕對空間 僅適用于慣性系 而自然界不存在嚴(yán)格慣性系 實(shí)際參照系都是非慣性系 愛因斯坦認(rèn)為非慣性系與慣性系應(yīng)處同等地位 應(yīng)同樣有效描述物理定理 12 狹義相對論否定物質(zhì) 能量以無限速度傳遞 電磁場理論與之符合 牛頓引力理論帶有超距作用的烙印 愛因斯坦認(rèn)為應(yīng)以引力場理論代替牛頓引力理論 類似于電磁場建立引力場方程 從實(shí)驗(yàn)探測引力波存在 其發(fā)現(xiàn)在狹義相對論基礎(chǔ)上無法建立引力場理論 廣義相對論解決了上述兩問題 狹義相對論指出時空的內(nèi)在聯(lián)系 但未表明時空與物質(zhì)的聯(lián)系 將相對性原理推廣到一切參照系 把引力同時空的幾何性質(zhì)聯(lián)系起來 物質(zhì) 引力場和時空三者聯(lián)結(jié)為一整體 建立了新引力理論 14 一 哈勃定律 Hubblelaw 哈勃常數(shù) H0 5 5厘米 秒 秒差距 1 星系譜線紅移 星系相互退行 過去靠得更近 宇宙開端奇點(diǎn) 二 宇宙膨脹 宇宙 universe 由某個更小 更密的狀態(tài) 奇異態(tài)變化而來 1929年 美國天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)遙遠(yuǎn)恒星發(fā)出的光譜線普遍存在 紅移 現(xiàn)象 EdwinHubble1889 1953 23 3哈勃定律和宇宙膨脹 15 大爆炸理論證據(jù) 1 宇宙膨脹 2 宇宙微波背景輻射 3 化學(xué)元素的相對豐度 預(yù)言大爆炸初期留存的氫氦豐度與測量結(jié)果吻合 1965年美國天文學(xué)家彭齊亞斯和威爾遜發(fā)現(xiàn)宇宙空間均勻分布溫度3K的熱輻射 為大爆炸輻射殘留 1978NobelPrizeinPhysics RobertW Wilson1936 ArnoAllanPenzias1933 23 4宇宙大爆炸模型 16 一 宇宙大爆炸 TheBigBang 模型 在約150 200億年前 宇宙是從一個高溫高密度的奇異態(tài) 開始爆炸 膨脹之后漸漸冷卻 形成星系 膨脹是發(fā)生在每一處 演化模型 1948年伽莫夫首先提出了大爆炸宇宙說 bigbangcosmology GeorgeGamov1904 1968 17 二 暴脹 inflaionaryuniverse 時的宇宙 暴脹機(jī)制 宇宙在10 35秒時發(fā)生相變 放出巨量的 潛熱 造成宇宙暴脹 假設(shè) 宇宙在10 35s至10 33s之間發(fā)生暴脹 在此期間 宇宙的直徑大約由10 26m暴增1050倍 至1024m 30Mpc 在10 33s時 暴脹終止 膨脹速率變得與標(biāo)準(zhǔn)模型相同 18 三 恒星和星系的形成 星云聚為恒星的過程可分為快收縮階段和慢收縮階段 前者歷經(jīng)幾十萬年 后者歷經(jīng)數(shù)千萬年 星云快收縮后半徑僅為原來的百分之一 平均密度提高1億億倍 最后形成一個 星胚 這是一個又濃又黑的云團(tuán) 中心為一密集核 此后進(jìn)入慢收縮 也叫原恒星階段 這時星胚溫度不斷升高 溫度升高到一定的程度就要閃爍發(fā)光 以示其存在 并步入恒星的幼年階段 但這時恒星尚不穩(wěn)定 仍被彌漫的星云物質(zhì)所包圍著 并向外界拋射物質(zhì) 星系是由大星云收縮形成的 19 23 5超新星 質(zhì)量相當(dāng)于太陽質(zhì)量的8 20倍的恒星 由于質(zhì)量的巨大 在它們演化的后期 星核和星殼徹底分離的時候 往往要伴隨著一次超級規(guī)模的大爆炸 這種爆炸就是超新星爆發(fā) 20 23 6致密星 一 白矮星 WhiteDwarf 一種低光度 高密度 高溫度的恒星 形成 核反應(yīng)停止后 主要靠電子簡并壓的梯度與引力平衡達(dá)到的一種穩(wěn)定結(jié)構(gòu) 在其內(nèi)部 高溫使原子失去電子 裸原子核擠在一起造成了高密度 21 特點(diǎn) 光度低 不易發(fā)現(xiàn) 有效溫度介于5500 40000K 大多呈白色 少數(shù)呈黃色甚至紅色 質(zhì)量越大 半徑越小 質(zhì)量于太陽差不多 大小于地球相仿平均密度 105 108g cm3 錢德拉塞卡極限 1933年印度Chandrasekhar提出白矮星的質(zhì)量上限為太陽質(zhì)量的1 44倍 太陽也將變成白矮星 22 二 中子星 neutronstar 中子星 主要由中子組成的恒星 對質(zhì)量超過錢德拉塞卡極限德恒星 在核燃料耗盡后 電子簡并壓無法與引力抗衡 將繼續(xù)坍塌 密度增加 開始發(fā)生逆 衰變 產(chǎn)生中子 在其內(nèi)部 中子簡并壓與引力平衡達(dá)到穩(wěn)定結(jié)構(gòu) 形成 1967年劍橋的Hew