星系天文學(xué)前言認(rèn)識宇宙模板

星系天文學(xué)前言人類怎樣認(rèn)識宇宙第一章多波段天文觀測第二章若干重要基本概念第三章恒星集團(tuán)和星族第四章銀河系結(jié)構(gòu)和演化第五章銀河系運(yùn)動學(xué)第六章星系與星系團(tuán)人類怎樣認(rèn)識宇宙上下四方曰宇古往今來曰宙

這句話正確地描述了宇宙同時(shí)具有空間和時(shí)間兩層含義。

人類在兩千年多的探索中,一步一步正確地認(rèn)識了宇宙。人類認(rèn)識宇宙的里程碑1.日心地動說的確立2.銀河和銀河系3.天外有天4.現(xiàn)代宇宙學(xué)

在這一過程中，許多科學(xué)家為之付出了畢生的精力，甚至生命。一.從托勒密的地心說到哥白尼的日心說地心說的認(rèn)識基礎(chǔ)

人類從誕生之日起就生活在地球上，所感覺到的是周圍平坦的大地和日、月、星辰的東升西落，而不知地球在自轉(zhuǎn)。這就是地心說的認(rèn)識基礎(chǔ)。早期的地心說亞里士多德（384－322BC）

古希臘哲學(xué)家，首次提出地心說。喜帕恰斯（190－125BC）古希臘天文學(xué)家、地理學(xué)家、數(shù)學(xué)家。在當(dāng)時(shí)，他們的觀念尚不能稱為學(xué)說。5托勒密（90－168AD）

古希臘天文學(xué)家，在公元140年完成13卷巨著《天文學(xué)大成》，系統(tǒng)地確立了地心說，流傳1400余年。

上帝創(chuàng)造人類和世界是地心說的社會基礎(chǔ)。人類和人類居住的地球在宇宙中必然有著特殊的地位。

托勒密學(xué)說的基本思想

1.地球位于宇宙的中心，且固定不動；

2.太陽和月亮繞地球沿圓軌道運(yùn)動；

3.行星的運(yùn)動比較復(fù)雜：每個(gè)行星都各沿一個(gè)小而圓的“本輪”運(yùn)動，而本輪中心繞一個(gè)大的圓形“均輪”運(yùn)動。運(yùn)動速度都是均勻的。地球并不位于均輪的中心。

托勒密是在總結(jié)、發(fā)展前人一些觀點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出自己的宇宙體系。如本輪－均輪系統(tǒng)繼承了亞歷山大城著名數(shù)學(xué)家阿波羅尼的觀念，偏心圓的思想則取自喜帕恰斯。托勒密與他的地心說

何以能稱為學(xué)說？托勒密恰當(dāng)?shù)剡x擇了本輪、均輪的大小，行星的運(yùn)動速度，以及本輪平面與均輪平面之間的交角，能較好地說明行星在天空中運(yùn)動的特征，從而成為一種學(xué)說。教會利用這一學(xué)說作為其理論支持，加上科學(xué)技術(shù)不發(fā)達(dá)和認(rèn)識上的限制，這一學(xué)說在西方一直留傳了1400多年。

人們通過不斷添加新的的本輪對托勒密體系進(jìn)行修正,以改進(jìn)對行星位置的預(yù)報(bào)。最后，本輪數(shù)目達(dá)到70－80個(gè)之多，行星運(yùn)動變得極為復(fù)雜。人們開始懷疑并試圖拋棄托勒密的地心體系。地心體系的修正10日心體系的誕生

由于托勒密的體系沒有正確反映行星運(yùn)動的本質(zhì)，隨著時(shí)間的推移，這一體系逐漸變得破綻百出，最終為人們所拋棄。日心說正是在這一過程中誕生的。地心說的歷史定位

盡管地心說早已被人們徹底拋棄，然而在人類的認(rèn)識長河中不應(yīng)完全否認(rèn)它的歷史地位，地心說反映了人類早期的認(rèn)識水平，其中也有正確的內(nèi)涵。比如，托勒密主張地球是球形的，這一正確認(rèn)識在科學(xué)發(fā)展史中起到極為重要的作用。由于沒有萬有引力的概念，球形地球的觀點(diǎn)長時(shí)期受到一些學(xué)者的猛力抨擊和基督教會的扼殺，直到1519－1522年間葡萄牙人麥哲倫首次環(huán)球航行成功才得以證實(shí)。此外，他提出地球相對整個(gè)宇宙只是很小一個(gè)點(diǎn)，認(rèn)識到行星視運(yùn)動只是行星實(shí)際運(yùn)動的觀測反映，天體在圓軌道上繞中心天體運(yùn)動，恒星比行星離地球來得遠(yuǎn)，等等這些概念的基本思想無疑是正確的。

早期的日心說

早期，古希臘天文學(xué)家阿里斯塔克（310－230BC）提出樸素的日心說。他認(rèn)為太陽位于宇宙的中心而且靜止不動，地球繞太陽運(yùn)動,同時(shí)又繞軸自轉(zhuǎn)。他沒有、也不可能給出理由，只是一種天才的猜想。由于當(dāng)時(shí)科學(xué)水平和社會條件的限制，這一天才的思想未能為人們所認(rèn)識。

哥白尼和日心說中世紀(jì)末，隨著觀測技術(shù)的進(jìn)步，用地心體系推算出的大行星位置來說明實(shí)際天象的觀測結(jié)果越來越發(fā)生困難，修正后的地心體系變得越來越復(fù)雜，以至難以令人信服，一些有進(jìn)步思想的學(xué)者對此深感不滿。另外當(dāng)時(shí)歐洲許多國家商業(yè)活動規(guī)模擴(kuò)大，航海事業(yè)日益擴(kuò)展，而地心說因不能準(zhǔn)確預(yù)報(bào)太陽、月亮和行星的位置，無法據(jù)此提供好的航海歷書。在這種狀況下，作為有進(jìn)步思想科學(xué)家的杰出代表，波蘭天文學(xué)家

哥白尼在1543年出版的不朽名著《天體運(yùn)行論》中，系統(tǒng)地提出了他的日心說。使托勒密體系中極為復(fù)雜的行星運(yùn)動圖像，被一幅清晰而又簡單的圖像所取代。日心說的基本思想

1.太陽居于宇宙的中心靜止不動;2.所有的行星都繞著太陽作圓運(yùn)動;3.地球繞軸自轉(zhuǎn),周期為1天;4.月亮繞地球轉(zhuǎn)動。

哥白尼的日心說實(shí)際上就是日心地動說,日、月、星辰的東升西落是由地球自轉(zhuǎn)引起的。15哥白尼和他的手稿

哥白尼深知該書出版將會帶來的嚴(yán)重后果，因此遲遲不愿付諸印刷，出版過程頗費(fèi)周折。1540年7月，哥白尼的摯友奧西安德爾建議把日心說作為一種假說提出，并強(qiáng)調(diào)只是為了便于推算行星的位置，而不是宇宙的真實(shí)寫照。對此哥白尼雖不贊成但也只能如此。在奧西安德爾的幫助下，《天體運(yùn)行論》直到哥白尼彌留之際才得以問世。

哥白尼日心說的要點(diǎn)是：地球不是宇宙的中心，宇宙中心在太陽，所有天體都繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)；與恒星所處的天穹高度相比，日地距離是微不足道的；天穹周日旋轉(zhuǎn)是地球自轉(zhuǎn)的反映，太陽在天穹上的周年運(yùn)動是地球繞太陽公轉(zhuǎn)的反映，而行星的復(fù)雜視運(yùn)動是地球和行星都在繞太陽運(yùn)動的反映。教會的殘酷迫害

日心說不僅糾正了人類對宇宙的錯(cuò)誤認(rèn)識，而且從根本上動搖了中世紀(jì)神學(xué)的理論支柱，危及教會的思想統(tǒng)治。贊成、宣傳日心說的學(xué)者受到羅馬教庭的殘酷迫害。布魯諾被活活燒死，伽利略受到軟禁。1616年，哥白尼的《天體運(yùn)行論》被羅馬教庭列為禁書。

唯物主義哲學(xué)家布魯諾(1548-1600)在羅馬被羅馬教庭活活燒死。右圖是后人為布魯諾豎立的墓碑。1633年伽利略在教會受審伽利略(1564-1642)20科學(xué)史上的悲劇

1616年

羅馬教庭第一次審訊伽利略。

1630年

《兩種世界體系的對話》出版。

1633年

教庭第二次審訊伽利略,《對話》被禁止發(fā)行；6月22日第二次庭審,伽利略為免于被燒死而被迫放棄哥白尼學(xué)說，并在軟禁中悲慘地度過晚年。1638年伽利略的雙眼完全失明，

1642年1月8日黯然去世。

1822年有關(guān)哥白尼學(xué)說的書籍開禁。

1979年羅馬教皇宣布為伽利略平反。開普勒的功績

隨著望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明,人們發(fā)現(xiàn)火星的實(shí)測位置與日心說的理論預(yù)報(bào)位置之差最大可達(dá)8

。開普勒認(rèn)識到行星軌道是橢圓而不是圓,太陽位于橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上，行星運(yùn)動速度是不均勻的。開普勒——“天空立法者”第二定律(面積定律)開普勒行星運(yùn)動三定律第一定律第三定律

開普勒行星運(yùn)動三定律不僅適用于繞恒星轉(zhuǎn)動的行星,包括太陽系和太陽系外的行星系統(tǒng),也適用于所有繞行星轉(zhuǎn)動的衛(wèi)星。開普勒在發(fā)現(xiàn)火星的實(shí)測位置與哥白尼體系的理論預(yù)期位置有不到8′之差的基礎(chǔ)上,經(jīng)過創(chuàng)造性的分析和研究，推斷出了行星運(yùn)動定律。8′是個(gè)什么概念呢？這只相當(dāng)于在500米遠(yuǎn)距離處所看到一個(gè)身高1.2米孩子的高度。開普勒堅(jiān)信哥白尼日心說和第谷的觀測資料，緊緊抓住這點(diǎn)微小的差異不放,從而導(dǎo)出了以他名字命名的行星運(yùn)動三定律。

科學(xué)家的科學(xué)精神

開普勒的工作是對哥白尼日心說的重大發(fā)展,使人們擺脫長期以來只有勻速圓軌道運(yùn)動最為完美的陳舊觀念,實(shí)現(xiàn)了行星運(yùn)動的簡單、和諧。之前連伽利略都認(rèn)為“為保持宇宙組成部分的完美秩序,必須指出,可運(yùn)動的物體只能沿圓周運(yùn)動?！遍_普勒之后人們開始重視用數(shù)學(xué)公式來表述物理定律,用方程式來描繪和解釋自然界的各種復(fù)雜現(xiàn)象。在這個(gè)意義上,開普勒的成功表征人類觀察世界的思路開始了向采用現(xiàn)代科學(xué)研究方法的轉(zhuǎn)變。

開普勒定律的發(fā)現(xiàn),及幾十年后牛頓引力定律的問世,為經(jīng)典天體力學(xué)奠定了可靠基礎(chǔ)。今天天文學(xué)家已可根據(jù)天體力學(xué)理論，對太陽系天體的運(yùn)動規(guī)律以及一些重要天象做出長期準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)。25準(zhǔn)確預(yù)報(bào)日全食

開普勒行星運(yùn)動三定律的發(fā)現(xiàn)，以及嗣后牛頓萬有引力定律的建立，使日心說的地位進(jìn)一步得以鞏固，人們完全可以對太陽系內(nèi)的一些天象作出長期、準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)。

2009年7月22日上午，我國長江中下游一帶發(fā)生一次日全食，上海、杭州、武漢等地都可以看到。只要給出觀測地點(diǎn)的經(jīng)緯度和海拔高度，日全食發(fā)生的全過程可以預(yù)報(bào)得非常準(zhǔn)。金星位相的變化

1610年，伽利略發(fā)現(xiàn)在望遠(yuǎn)鏡中金星并不呈現(xiàn)為一個(gè)明亮的小圓面，而是像一彎小的蛾眉月，在不同日期金星像的形狀和大小都在變化。伽利略由此得出：金星因反射太陽光而發(fā)光；金星到地球的距離變化很大，說明金星并不繞地球運(yùn)動，它和地球都繞著太陽運(yùn)動，從而驗(yàn)證了日心說。

金星位相示意圖望遠(yuǎn)鏡中看到的金星位相盈虧變化

為日心說尋找實(shí)測證據(jù)只要能發(fā)現(xiàn)恒星有視差位移，就能明確無疑地證明地球在繞太陽轉(zhuǎn)動，從而徹底否定地心說。

哥白尼在提出日心說之時(shí)已認(rèn)識到這一點(diǎn)，并進(jìn)行了首次恒星視差測定。他在地球位于公轉(zhuǎn)軌道直徑兩端的兩個(gè)日子測量了同一顆恒星的位置，結(jié)果沒有觀測到恒星的視差位移,或說恒星視差為零。事實(shí)上當(dāng)時(shí)望遠(yuǎn)鏡尚未發(fā)明,肉眼觀測儀器誤差太大，不可能測出恒星視差。哥白尼考慮到他所用儀器的觀測精度只有3′-5′，正確推斷恒星距離至少在日地距離的1000倍以上。30日心說的最終證實(shí)

1837年,俄國天文學(xué)家斯特魯維測得織女星視差為0.″125，相應(yīng)的距離為26.0光年。

1838年德國天文學(xué)家貝塞爾測得恒星天鵝61的視差為0.″31，即距離為10.5光年。這些結(jié)果說明恒星位置隨地球公轉(zhuǎn)運(yùn)動的變化,從而最終證實(shí)了哥白尼的日心說。尼加拉瓜發(fā)行紀(jì)念貝塞爾1838年測得恒星視差的郵票太陽系概況太陽系的主要成員分類：

1.

中心天體——太陽；

2.

8顆行星和若干顆矮行星；

3.

行星和矮行星周圍的

140多顆衛(wèi)星；

4.

小天體，包括小行星、彗星以及流星體等；

5.

行星際介質(zhì)。太陽和行星大小的比較行星運(yùn)動軌道太陽系小天體

太陽系小天體包括：

1.小行星,大部分位于火星和木星軌道之間；

2.彗星,中國俗稱掃帚星。3.流星體,比小行星更小,闖入地球大氣時(shí)形成

流星現(xiàn)象。35流星劃過天空火流星

流星中特別明亮的又稱為火流星，火流星出現(xiàn)時(shí)，偶爾還可聽到聲響。

流星雨照片短時(shí)間內(nèi)一大批流星體闖入地球大氣便形成壯觀的流星雨現(xiàn)象

哈雷彗星公轉(zhuǎn)軌道示意圖彗星照片哈雷彗星百武彗星40海爾－波普彗星的兩條彗尾清晰可見科學(xué)的奇跡

彗木相撞是人類有史以來首次準(zhǔn)確預(yù)報(bào)并目睹的太陽系天體重大撞擊事件。

1993年3月25日發(fā)現(xiàn)SL9彗星，得知1992年7月8日越過木星時(shí)已分裂成21塊碎片，其中比較大的直徑1－3公里。1994年7月17－22日按預(yù)報(bào)時(shí)間準(zhǔn)確撞擊木星。總能量約10萬億噸TNT當(dāng)量，相當(dāng)5億顆廣島原子彈的威力。

模擬景像

實(shí)測景像1994年7月彗木相撞奇觀地球和火星的比較人類向往奔向火星45二.赫歇爾把人類的視野擴(kuò)大到銀河系哥白尼學(xué)說存在的問題

1.太陽位于宇宙的中心；2.太陽在宇宙中是固定不動的；3.行星沿圓軌道繞太陽公轉(zhuǎn)。其中問題3已為開普勒所解決早期認(rèn)識

“放眼望深淵，星斗布滿天，繁星數(shù)不盡，天涯若無邊”，俄國科學(xué)家羅蒙諾索夫用詩句對星空做了絕妙的描述。15世紀(jì)中葉，法國大主教尼古拉就已天才地猜測夜空中的點(diǎn)點(diǎn)繁星都是十分遙遠(yuǎn)的太陽。1584年布魯諾在宣傳哥白尼日心說的同時(shí)，進(jìn)一步明確提出宇宙無限的概念，他認(rèn)為恒星是遙遠(yuǎn)的“太陽”，太陽只是一顆普通恒星。當(dāng)時(shí)這些有遠(yuǎn)見的猜測并沒有任何實(shí)測科學(xué)依據(jù)，更沒有引起學(xué)者們的普遍關(guān)注。

對銀河本質(zhì)的認(rèn)識首先得歸功于望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明。

望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明

1608年，荷蘭眼鏡商人利伯希在偶然的機(jī)會中發(fā)明了望遠(yuǎn)鏡，并在抗擊英國人入侵的戰(zhàn)爭中發(fā)揮了重要作用。

1609年，伽利略制成第一架天文望遠(yuǎn)鏡，并作出一系列重要的發(fā)現(xiàn)，如觀測到太陽黑子、月球上的環(huán)形山、發(fā)現(xiàn)木星的4顆大衛(wèi)星等。伽利略的

重大發(fā)現(xiàn)

伽利略通過望遠(yuǎn)鏡觀測證實(shí)：夜晚天空中的銀河，實(shí)際上是由無數(shù)個(gè)肉眼無法分辯的恒星所形成的圖案。伽利略自制的望遠(yuǎn)鏡50

1750年英國天文學(xué)家賴特指出，銀河和天空中所有的恒星實(shí)際上構(gòu)成一個(gè)巨大的扁平狀恒星系統(tǒng)，即現(xiàn)在所說的銀河系，外形有點(diǎn)像面包圈。因?yàn)榘ǖ厍蛟趦?nèi)的太陽系處于這一系統(tǒng)的內(nèi)部，從地球上無法直接看出銀河系的真實(shí)形狀，只是沿不同方向看去，銀河系表現(xiàn)為恒星高度密集的銀河，或者是離散分布的一顆顆恒星，而銀道帶正是銀河系主體部分在天空中的投影。盡管賴特對銀河系總體結(jié)構(gòu)的認(rèn)識是正確的，但他并沒有給出觀測上的證據(jù)。賴特的天才猜想銀河系模型的建立

1770年代起，赫歇爾在妹妹卡洛林·赫歇爾的支持下，開始用恒星計(jì)數(shù)的方法研究銀河系結(jié)構(gòu)，他們在幾十年內(nèi)作了1083次觀測，總共計(jì)數(shù)了117600顆恒星。當(dāng)時(shí)照相術(shù)還未問世，工作量非常大，赫歇爾為之付出極大的心血，兩人經(jīng)常通宵達(dá)旦地?cái)?shù)星，從不放棄一個(gè)晴夜。1785年，赫歇爾在若干假設(shè)的基礎(chǔ)上，建立了第一個(gè)銀河系模型，在他的模型中太陽位于銀河系的中心。

1830年代，約翰·赫歇爾把父親的恒星計(jì)數(shù)工作擴(kuò)展到南半球，在大約5年的時(shí)間內(nèi)，于南非好望角作了2299次觀測，共計(jì)數(shù)了70000顆恒星，為銀河系結(jié)構(gòu)的研究奠定了更為堅(jiān)實(shí)的觀測基礎(chǔ)。

赫歇爾的銀河系模型赫歇爾的工作具有重大的歷史意義，它證實(shí)了作為一個(gè)恒星系統(tǒng)的銀河系的客觀存在，從而把人類的視野從太陽系擴(kuò)展到了銀河系，在這之前天文學(xué)家所關(guān)注的只限于太陽系。太陽系的直徑約為120億公里，而銀河系的范圍超過10萬光年。在赫歇爾時(shí)代銀河系即代表了整個(gè)宇宙，所以在他的模型中，太陽仍然位于宇宙的中心。恒星在高速運(yùn)動英國天文學(xué)家哈雷(1656－1742)

英國天文學(xué)家哈雷于1718年首先發(fā)現(xiàn)恒星的運(yùn)動。他把天狼星等若干亮星當(dāng)時(shí)的位置和托勒密星表上的位置作了比較之后，發(fā)現(xiàn)它們大約有月球直徑(31′)那么大的變化，這一變化就是恒星在約1500年期間自行運(yùn)動的結(jié)果，從而證實(shí)恒星不動的概念是錯(cuò)誤的，恒星運(yùn)動的速度高達(dá)每秒幾十公里。55

恒星自行雖然很小，但在漫長歲月中它會使恒星相對位置發(fā)生顯著變化。在天空中由一些星星構(gòu)成的圖案，如北斗七星是人們非常熟悉的。但由于恒星有自行，而這7顆星的自行大小和方向又不盡相同，在十萬年前或經(jīng)十萬年后，它們的形狀和現(xiàn)在就完全不同了。

北斗七星形狀的變化太陽運(yùn)動的發(fā)現(xiàn)

1783年，赫歇爾發(fā)現(xiàn)太陽以大約每秒20公里的速度朝織女星附近方向運(yùn)動，從而證實(shí)太陽固定不動的觀念是錯(cuò)誤的。他所用的方法實(shí)際上很簡單：恒星運(yùn)動必然由兩部分組成：因太陽本身運(yùn)動所引起的恒星運(yùn)動（視差動）；以及恒星自身的運(yùn)動,即恒星本動。對一大批恒星來說，它們本動的方向和大小可以認(rèn)為是雜亂無章的，因而本動的平均值應(yīng)該接近于零。

卡普坦的銀河系模型

1830年代照相術(shù)問世為天文研究提供了一種全新的觀測手段。荷蘭天文學(xué)家卡普坦正確認(rèn)識到可利用照相方法重做赫歇爾的恒星計(jì)數(shù)工作。1922年，卡普坦發(fā)表了他的銀河系模型：銀河系主體具有盤狀結(jié)構(gòu)，直徑5.5萬光年,厚1.1萬光年,包含474億顆恒星；太陽位于靠近盤中心位置上，離中心約為2000－2300光年,世人曾稱之為“卡普坦宇宙”。可惜的是盡管他在2年前的論文中已正確認(rèn)識到“太陽到系統(tǒng)中心必有相當(dāng)大的距離”，但最終還是放棄了。

太陽不在銀河系中心

1917年，天文學(xué)家沙普利確認(rèn)太陽并不位于銀河系的中心，而是處于比較靠近邊緣的地方。

與赫歇爾和卡普坦的做法不同，沙普利是用包含幾十萬顆恒星的球狀星團(tuán)，而不是用單顆恒星來研究銀河系的結(jié)構(gòu)和太陽在銀河系中的位置。這樣做至少有兩個(gè)好處：工作量大為減小，以及球狀星團(tuán)比單顆恒星亮得多，在很遠(yuǎn)的距離上也能觀測到。

1918年沙普利研究了已知的約100個(gè)球狀星團(tuán)，發(fā)現(xiàn)其中90%以上位于以人馬座為中心的半個(gè)天球上。他推定這些星團(tuán)所構(gòu)成的系統(tǒng)呈球?qū)ΨQ分布，中心即銀河系的中心。球狀星團(tuán)分布“一邊倒”的現(xiàn)象說明太陽并不在銀河系中心，而是位于離銀河系中心約5萬光年處。沙普利還認(rèn)為這些球狀星團(tuán)的范圍為30萬光年，這就是銀河系的尺度大小。球狀星團(tuán)的分布和太陽的位置60太陽在銀河系中的位置銀河系的圖像光學(xué)圖像紅外圖像銀河和銀河系

銀河系的對稱平面稱為銀道面，太陽位于銀道面附近。因此，當(dāng)我們沿著銀道面方向看時(shí)，密密麻麻的恒星聚集在一起，成為我們看到的銀河。當(dāng)我們離開銀道面方向看時(shí)，稀疏分布的恒星便構(gòu)成了夜晚的星空。銀河和銀河系是兩個(gè)不同的概念。三.哈勃發(fā)現(xiàn)河外星系星云是什么？夜晚天空中可以看到一些云霧狀暗天體,稱為星云。1750年，賴特猜想其中有一些可能是同銀河系一樣的巨大恒星系統(tǒng)。

1755年，康德明確提出在銀河系外存在著無數(shù)個(gè)與銀河系類似的河外星系，他甚至確指1612年發(fā)現(xiàn)的仙女星云即在此例。65美麗的星云蟹狀星云馬頭暗星云赫歇爾的困惑

赫歇爾首先想到：如果望遠(yuǎn)鏡可以把星云分解成一顆顆恒星，星云就是星系，否則康德的觀點(diǎn)不能成立，而他當(dāng)時(shí)擁有世界上最大的望遠(yuǎn)鏡。

赫歇爾觀測的結(jié)果是：一些星云被分解為恒星，另一些星云又無法分解為恒星；這使得他先是贊成而后又反對河外星系的存在。三種“星云”

赫歇爾時(shí)代的所謂“星云”有3類：1.銀河系中的星云；2.銀河系中的星團(tuán)；3.銀河系外的恒星系統(tǒng)。

實(shí)際上用赫歇爾望遠(yuǎn)鏡能分解的是銀河系中的星團(tuán)，不能分解的是銀河系中的星云或銀河系外的天體。一場大辯論直到20世紀(jì)初，關(guān)于星云的本質(zhì)仍然沒有明確的定論。

1920年4月，科學(xué)院舉辦“宇宙的尺度”辯論會。這就是天文史上有名的“沙普利－柯蒂斯之爭”。

以柯蒂斯為首的一方認(rèn)為，一部分星云是河外星系；而以沙普利為首的一方則堅(jiān)持相反的立場。沙普利(1885-1972)柯蒂斯(1872-1942)70關(guān)鍵在于距離測定爭論雙方各抒己見，對立的觀點(diǎn)相持不下，而且根本不聽取對方的意見，實(shí)際上沒法稱為人們所說的“偉大的辯論”，最終也不可能得出明確的結(jié)論。關(guān)鍵在于如何正確測定這些星云的距離。

如果仙女星云的距離遠(yuǎn)大于銀河系尺度，且又可分解為一顆顆恒星，它就是河外星系。否則，仙女星云就一定是銀河系內(nèi)的天體。測定天體的距離談何容易測定天體距離的困難

三角測距法：以地球軌道直徑為基線測定天體的距離,稱為幾何距離。最近的恒星(4.2光年)對地球軌道直徑的張角不到2

。

光度測距法：所看到的天體亮度與天體到地球的距離平方成反比。同樣光度的天體，距離越遠(yuǎn)，看上去越暗。幾何距離和光度距離測定天體幾何距離的基本原理同樣光度的光源，距離越遠(yuǎn)，亮度越暗。造父變星的光度距離

變星：亮度會發(fā)生變化的恒星，造父變星是其中的一類。造父變星的周光關(guān)系：光度L與光變周期P之間存在以下關(guān)系：

L=f(P)函數(shù)f

的形式是知道的，P可以測得，于是可求得光度L，并與亮度比較以確定距離。

造父變星的周光關(guān)系造父變星的光度變化75

造父變星有著確定的周光關(guān)系，它們特有的光變性質(zhì)使得這類變星很容易確認(rèn)而不會誤判。它們的光度非常大，即使在相當(dāng)遠(yuǎn)距離的地方也能觀測得到，且比較普遍地存在，適用范圍最遠(yuǎn)可超過5000萬光年，距離測定的精度也比較高，被天文學(xué)家譽(yù)為“量天尺”。造父變星用于天體測距在歷史上已享有盛譽(yù)，沙普利在估算球狀星團(tuán)的距離時(shí)，便是利用了其中3個(gè)星團(tuán)中的造父變星。今天，造父變星對于天體距離的測定仍起著十分重要的作用。

望遠(yuǎn)鏡越做越大

望遠(yuǎn)鏡的主要功能：聚光本領(lǐng)和分辨率。

望遠(yuǎn)鏡的物鏡(口徑)越大,聚光本領(lǐng)越強(qiáng),分辨率越高。所以望遠(yuǎn)鏡越做越大。

1917年，口徑2.5米望遠(yuǎn)鏡建成。

1948年，5米；

1971年，6米。目前已有口徑10米及更大的大望遠(yuǎn)鏡。

1923年10月6日，天文學(xué)家哈勃利用2.5米望遠(yuǎn)鏡觀測仙女星云,分辯出造父變星，由此推算出仙女星云的距離為225萬光年，遠(yuǎn)在銀河系之外,從而證實(shí)了河外星系的存在。天文學(xué)家哈勃哈勃發(fā)現(xiàn)河外星系仙女星系河外星系（一）80河外星系（二）

河外星系的存在經(jīng)哈勃的工作而得以確認(rèn)，仙女星云應(yīng)更名為仙女星系，一場曠日持久的科學(xué)爭論終于有了明確的結(jié)果。是年哈勃只有33歲，按現(xiàn)在的劃分標(biāo)準(zhǔn)他還是一個(gè)年輕人。有意思的是，哈勃始終拒不接受今天的標(biāo)準(zhǔn)天文學(xué)術(shù)語“星系”，而堅(jiān)持用他自己偏愛的稱謂——“星云”，在他的論文和報(bào)告中哈勃一直用“河外星云”來稱呼河外星系。

哈勃在星系領(lǐng)域的辛勤耕耘終于結(jié)出了豐碩的果實(shí),人類對宇宙的認(rèn)識又一次大大地?cái)U(kuò)大了。由于哈勃在星系研究領(lǐng)域內(nèi)有著諸多的杰出貢獻(xiàn)，開創(chuàng)了星系天文學(xué)，人們尊敬地稱他為“星云世界的水手”。

赫歇爾的工作把天文學(xué)家的視野擴(kuò)大到銀河系，而哈勃的發(fā)現(xiàn)則進(jìn)一步把人們從恒星世界拓展到星系世界，人類對宇宙的認(rèn)識又大大地跨進(jìn)了一步。與此同時(shí)，人們心目中地球的“地位”則在不斷地“下降”：在地心說中地球“位于”宇宙的中心，到了日心說地球只是繞太陽轉(zhuǎn)動的行星之一；在赫歇爾的模型中太陽（亦即地球）居于銀河系的中心，沙普利的研究使人們認(rèn)識到太陽離開銀河系中心很遠(yuǎn)；哈勃的工作使人類的視野進(jìn)一步擴(kuò)大，銀河系也只是星系世界中的普通一員，宇宙根本就不存在什么中心。

以上事實(shí)說明，外星人或外星生命應(yīng)該存在。宇宙概貌

哥白尼正確認(rèn)識了太陽系。赫歇爾把人類帶入恒星世界。哈勃使我們進(jìn)入星系世界。宇宙中各種星系的數(shù)目在1000億個(gè)以上,它們又構(gòu)成更大的恒星集團(tuán)——星系團(tuán)，以至超星系團(tuán)。恒星構(gòu)成星系，星系構(gòu)成星系團(tuán)、超星系團(tuán)，這就是宇宙的成團(tuán)結(jié)構(gòu)。星系團(tuán)85四.現(xiàn)代宇宙學(xué)概況

關(guān)于宇宙的認(rèn)識，中國古代有蓋天說、渾天說和宣夜說三派學(xué)說，都出現(xiàn)于春秋、戰(zhàn)國時(shí)代前后。蓋天說

蓋天說出現(xiàn)于殷末周初，主要觀點(diǎn)是認(rèn)為天像一個(gè)半球形的大罩子蓋于地之上，而地是平坦的。早期的蓋天說即“天圓地方”說，后來把方形大地改為拱形大地，可算是一大進(jìn)步。渾天說

渾天說可能始于戰(zhàn)國時(shí)期,主張?zhí)斓鼐哂械靶谓Y(jié)構(gòu),地在中心如蛋黃，天像蛋殼那樣圍于地之四周；后來進(jìn)而發(fā)展為地浮于氣中。比起蓋天說來，渾天說顯然要進(jìn)步得多。

宣夜說認(rèn)為天沒有固定邊界，不過是無窮無涯的氣體，日月星辰就在氣體中飄浮游動，從而提出了一種樸素的、宇宙無限觀點(diǎn),歷史淵源可上溯到戰(zhàn)國時(shí)代的莊子。就探索宇宙結(jié)構(gòu)來說宣夜說已達(dá)到較高水平。但從觀測角度來看宣夜說反不如渾天說：渾天說能定性地說明太陽和月亮的大致運(yùn)行情況，宣夜說卻沒有探討這類運(yùn)動的規(guī)律性。另外，在修訂歷法時(shí)渾天說也有著重要的實(shí)用意義。

宇宙學(xué)的發(fā)展簡史

從整體角度探討宇宙的結(jié)構(gòu)和演化

17世紀(jì)，牛頓建立經(jīng)典宇宙學(xué)；

1917年，愛因斯坦開創(chuàng)現(xiàn)代宇宙學(xué)研究；

1922年，弗里德曼探討膨脹宇宙可能性；

1927年，勒梅特提出均勻各向同性膨脹宇宙模型；

1948年，伽莫夫建立大爆炸宇宙論。

大爆炸宇宙論已為天文界所普遍接受90

17世紀(jì)牛頓開創(chuàng)用力學(xué)方法研究宇宙整體性質(zhì)的途徑，建立經(jīng)典宇宙學(xué)：時(shí)間均勻流逝,既無起始之時(shí),也永遠(yuǎn)不會終結(jié)，空間均勻而平坦地伸展直達(dá)無限。這樣的時(shí)間和空間為描述一切物體的運(yùn)動提供了絕對的時(shí)間和空間坐標(biāo)，時(shí)間與空間互不相關(guān)。牛頓理論只解釋了宇宙萬物的運(yùn)動規(guī)律，沒有回答宇宙起源問題。

1917年，愛因斯坦根據(jù)廣義相對論建立了一個(gè)“靜止、無界、有限”的宇宙模型，宇宙半徑約為35億光年。這一工作開創(chuàng)了現(xiàn)代宇宙學(xué)研究的時(shí)代。在愛因斯坦的靜態(tài)宇宙模型中，宇宙在空間上是封閉的，但卻沒有邊際。如向任意方向發(fā)出一個(gè)光子，那么它會一直在這個(gè)封閉的宇宙空間中傳播，在任何地方都不會碰到宇宙的邊緣，甚至最后還能回到出發(fā)點(diǎn)。

愛因斯坦之后，一系列重要觀測發(fā)現(xiàn)和理論研究成果接踵而來，宇宙學(xué)研究開始沿著科學(xué)的方向發(fā)展，并取得了很大的成功。

1922年，蘇聯(lián)數(shù)學(xué)家弗里德曼放棄了愛因斯坦靜態(tài)宇宙的觀念，首次考慮非靜態(tài)宇宙，并論證了宇宙隨時(shí)間不斷膨脹的可能性。1927年，比得時(shí)主教、天文學(xué)家勒梅特提出均勻各向同性的膨脹宇宙模型。兩年后哈勃定律的發(fā)現(xiàn)給宇宙膨脹的動態(tài)圖像以強(qiáng)有力支持，愛丁頓隨即把星系的系統(tǒng)性退行解釋為宇宙均勻各向同性膨脹的觀測效應(yīng)。

1932年勒梅特進(jìn)一步提出，現(xiàn)在的宇宙是由早期處于極端高溫、高密度狀態(tài)下的所謂“原始原子”，因發(fā)生爆炸、膨脹、演化而形成的，從而開始明確而又具體地討論宇宙誕生的問題。1948年，天文學(xué)家伽莫夫等人進(jìn)一步發(fā)展了勒梅特的思想，從而為今天稱為標(biāo)準(zhǔn)模型的“大爆炸宇宙論”奠定了基礎(chǔ)。

大爆炸宇宙論大爆炸開始于大約137億年前。當(dāng)時(shí)宇宙的體積極小、密度極高、溫度極高。

大爆炸開始后，體積不斷膨脹，密度和溫度下降。經(jīng)過100多億年時(shí)間的演化,成為今天我們所看到的宇宙。大爆炸模型得到若干重要觀測事實(shí)的支持宇宙大爆炸示意圖95暴漲宇宙論

為解決大爆炸宇宙模型所遇到的困難，一些學(xué)者開始考慮如何把高能物理學(xué)的最新概念用于宇宙學(xué)研究。1981年，年輕的物理學(xué)家古思等提出了暴漲宇宙論。該理論對可觀測宇宙的描述，除大爆炸發(fā)生后最初一段極為短暫的時(shí)間外，其他絕大部分時(shí)間中宇宙演化過程的一切情況都與標(biāo)準(zhǔn)大爆炸模型相符合，但對最早那一瞬間的表述卻大為不同。

根據(jù)暴漲模型，宇宙極早期曾經(jīng)歷一極短時(shí)間的極快速膨脹——“暴漲”，暴漲出現(xiàn)于大爆炸發(fā)生后10-35秒，經(jīng)歷時(shí)間段為10-32秒。在暴漲階段物質(zhì)達(dá)到一種稱為“假真空”的奇特狀態(tài)。假真空引起的排斥作用使宇宙按指數(shù)律加速膨脹，尺度每過10-34秒便增大一倍。在10-32秒的瞬間內(nèi)宇宙尺度增大了1050倍，原子核大小的區(qū)域會暴漲為直徑約1光年大。暴漲引起的尺度極速膨脹使宇宙一度冷卻，甚至跌到接近絕對零度。然后暴漲的突然結(jié)束再次使宇宙升到1028度的極高溫度。在這種驚人的爆發(fā)式增長過程中宇宙的所有質(zhì)量和能量從完全真空中產(chǎn)生出來。在這一模型中極早期宇宙尺度比標(biāo)準(zhǔn)模型中的小得多，標(biāo)準(zhǔn)模型中的一些困難可找到簡單的解釋。暴漲模型與標(biāo)準(zhǔn)大爆炸模型的比較大爆炸學(xué)說的觀測證據(jù)

1.宇宙膨脹：1929年哈勃發(fā)現(xiàn)星系的紅移越大距離越遠(yuǎn),或說星系的視向退行速度越大距離越遠(yuǎn)，兩者間有著簡單的正比關(guān)系。由此得出的重要推論是，宇宙中任何兩個(gè)星系都在彼此互相遠(yuǎn)離，且星系間距離越遠(yuǎn)遠(yuǎn)離的速度越大。上述大尺度宇宙圖景的最簡單物理解釋便是整個(gè)宇宙在不斷膨脹，且這種膨脹是均勻各向同性的，這正是大爆炸宇宙模型的預(yù)期結(jié)果。

2.大爆炸余熱的發(fā)現(xiàn)：另一個(gè)支持大爆炸理論的觀測證據(jù)是所謂“微波背景輻射