第九章宇宙.ppt

1、九， 宇宙演化與微波背景輻射 1，河外星系的發(fā)現(xiàn) 2，哈勃定律 3，膨脹的宇宙和大爆炸宇宙學 4，微波背景輻射的發(fā)現(xiàn) 5，威爾孫和彭齊亞斯獲1978年 諾貝爾物理學獎,1，河外星系的發(fā)現(xiàn) 18 世紀中葉，德國哲學家康德曾猜想在整個宇宙中存在著無數(shù)個與銀河系類似的天體系統(tǒng)，他認為，天空中那些云霧狀的“ 星云”很可能就是這樣的天體系統(tǒng)。 人們發(fā)現(xiàn)這些云霧狀天體中有一類是銀河系以內(nèi)的天體，稱為“ 銀河星云”，而另一類則往往具有旋渦狀的結(jié)構(gòu)（旋渦星云），它們是什么？令人費解。,仙女座大星云M31是什么？ 1920年4月26日，美國國家科學院為 這個問題專門舉行了一次題為 “ 宇宙尺度”的辯論會。 A：

2、仙女座大星云不是銀河系以內(nèi)的天 體，是和銀河系那樣的宇宙島。 B：仙女座大星云根本不是由恒星構(gòu) 成，而是真正的星云狀天體。 沒有結(jié)論,解開旋渦星云之謎 年青的哈勃對這個令人困惑的難題 很感興趣。他1910年在芝加哥大學天 文系畢業(yè)，1919年到威爾遜山天文臺 工作，直至1953年去世。 當時世界最大的望遠鏡給哈勃幫了 大忙。找到這個星云的恒星，繼而從 這些恒星中他找出造父變星。,1922年開始，他利用造父變星測距 法，測定仙女座大星云中造父變星的 距離。 哈勃計算出M31和M33的距離都約為 90萬光年，而當時已知銀河系的直徑 為10萬光年。由此哈勃確認M31和M33 都是遠在銀河系以外的獨立

3、的星系。 這一結(jié)果很快得到公認。,16世紀哥白尼提出了日心說后，人 們對太陽系有了一個正確的認識。 400年后，哈勃確認河外星系的存 在，導致了人類認識宇宙的又一次大 飛躍。 從地球到太陽系，從太陽系到銀河 系，從銀河系再到河外星系，這就是 我們所看到的宇宙。,2,哈勃定律 哈勃發(fā)現(xiàn)星系的譜線紅移和距離的關(guān)系 到1929年為止，哈勃測得18個星系的距離 以及室女座星系團四個成員的距離。 哈勃對這批星系的數(shù)據(jù)進行了反復的研究， 發(fā)現(xiàn)河外星系的距離越遠，其譜線紅移越大。 紅移是由星系視向運動的多普勒效應產(chǎn)生的。,聲源的移動導致波長變化 波長變長為紅移，變短為蘭移 （觀測波長真正波長）/真正波長v/

4、c 可以求出速度V,多普勒效應原理圖,紅移（Z）和速度的關(guān)系,在天體的速度遠比光速小時 多普勒效應：恒星遠離我們而去,譜線產(chǎn)生紅移 由上式可以求出視向速度V,星系紅移量Z的測量和速度到達估計 觀測發(fā)現(xiàn)星系的譜線都有紅移，也就是譜線的波長都變長了。 例如某星系的某一譜線波長為515納米，但在地球上，同一譜線的波長為500納米，那么波長的變化為15納米，原本波長為500納米，所以紅移量z等於0.03 。由紅移Z 0.03，求出星系退行速度為每秒九千公里。,如果星系運動的方向是隨機的，那 么應該有一半的星系正在遠離我們， 另一半則接近我們。但哈勃的觀測結(jié) 果表明，絕大部分星系的譜線都是紅 移，表明都

5、在遠離我們。,哈勃發(fā)現(xiàn)的“ 星系速度（紅移）和距離的關(guān)系”， 距離越遠速度越大。,哈勃定律 哈勃于1928年測定40多個星系的紅移 和距離，發(fā)現(xiàn)： 視向速度（公里/秒）和距離（兆秒 差距）成正比 H是哈勃常數(shù)：50100公里/(秒兆秒差距）,求星系的距離（天體速度比光速小很多時可用） 紅移Z為0.03 哈勃常數(shù)取60公里/（秒百萬秒差距） 距離則為150百萬秒差距。,3，膨脹的宇宙和 大爆炸宇宙學,宇宙學 宇宙是什么時候誕生的？ 如何誕生？ 何時死亡？ 如何死亡？ 宇宙之外是甚麼？,哈勃定律告訴我們宇宙在膨脹。 那么造成宇宙膨脹的原因是什么？ 這種膨脹又是從什么時候開始的 呢？,熱大爆炸宇宙模

6、型 伽莫夫在20世紀中期提出： 宇宙曾有一段從密到稀、從熱到冷、不斷膨脹的過程。約200億年以前有一個處于極高溫度和極大密度下的“ 原始火球”，發(fā)生了一次規(guī)模巨大的爆炸，此后，宇宙空間不斷膨脹，溫度不斷下降，逐漸的形成宇宙間的萬物。,為什么觀測到的河外星系和類星體 都是遠離我們而去？ 宇宙的演化好比烘葡萄乾面包，隨著面包不斷脹 大，葡萄干的距離亦不斷增加。在任何一個葡萄干 上看，其它葡萄干都是遠離而去。 所有星系（后來還有類星體）的譜線都是紅移， 正好說明宇宙是在膨脹之中。,宇宙早期的輻射（150億光年以前）為什么 在射電微波波段？ 一個遙遠的星系，由於它的光線需要更長的時間 才能到達地球，在

7、光線進行的時間裡，宇宙的膨脹 會把光子的波長拉長。 宇宙早期的輻射（150億光年以前）到今天我們觀 測到的輻射，其波長已變得非常長了。變?yōu)樯潆姴ǘ?的微波輻射了。（見圖）,大爆炸宇宙論根據(jù)目前宇宙膨 脹的速度推算出宇宙大爆炸應該發(fā) 生在大約150200億年以前。宇宙 150200億年來的演化過程分為三 個階段。,第一階段：極早期 1，在大爆炸的極早期，也就是宇宙 誕生最初的10-36秒產(chǎn)生了物質(zhì)世界 各種各樣的粒子，光子、電子、中微 子、質(zhì)子、中子等。 極早期是這么短的時間，似乎很離 奇。其實，那時溫度比1010K還高，效 率奇高，足以完成。,關(guān)于宇宙早期時標 為什么如此之短，到不可思議的程度

8、。原因 是那時的溫度和密度都極端的高，因此效率也 極高。這是符合物理學理論和實驗的。 完成一個反應基于碰撞，常溫下，一切反應 都慢吞吞的。高溫高密時，碰撞極為頻繁，效 率極高。 可以說早期的效率是一秒等于一百億年！,第二階段：元素合成 在最初的的3分鐘，溫度和密度特 別高，這時很容易生成氦，成為核合 成時代，足以把宇宙中大約1/3的物 質(zhì)（氫）變?yōu)楹ぁ?第三階段 復合期 大爆炸后的40萬年期間，溫度很高，輻射很強， 光子充滿了宇宙空間，這時宇宙中也充滿了帶電 粒子，如質(zhì)子、電子、氦核等。光子和帶電粒子 之間的相互作用非常強，使光子不能傳播出來， 因此我們不可能觀測到這個時期的輻射。 宇宙繼續(xù)膨

9、脹，當溫度降到幾千度時，進入第 三階段。這個階段的時間最長，200來億年的時間 主要屬于這個階段，由于溫度的降低，輻射減退。 宇宙間主要是氣態(tài)物質(zhì)，氣體逐漸凝聚成氣云， 再進一步形成各種各樣的恒星體系。,復合時代以后的輻射，光子是在中性氣體中 傳播，光子不再遭受碰撞，可以說宇宙變得透 明了，光子可以自由自在的傳播。 那時的光走到我們這里要花一百多億年，成 為我們可以觀測到的宇宙中最遠古的輻射。這 就是宇宙背景3K的微波輻射。,為什么宇宙復合時代發(fā)出的溫度為4000K的 輻射，到今天已經(jīng)變?yōu)?K的微波輻射了呢？ 宇宙經(jīng)過近二百億年的演化已經(jīng)大大地膨脹 了，隨著膨脹，一切尺度都在增大，光的波長 也

10、在變長，從可見光變到射電的微波波段，相 應的黑體輻射溫度也降為大約3K了。,一個遙遠的星系，它的光線需要更長的時 間才能到達地球，在光線進行的時間裡， 宇宙的膨脹會把光子的波長拉長。,宇宙的質(zhì)量密度決定了宇宙的命運，假若 質(zhì)量密度大過某一稱為臨界密度的數(shù)值，引 力便足以使宇宙停止膨脹，並令它重新收縮， 這稱為封閉宇宙； 若質(zhì)量密度比臨界值小，宇宙便會無休止 地膨脹，我們稱之為開放宇宙；最后若密度 和臨界值一樣，便會得出一個平坦而開放的 宇宙。,4，微波背景輻射的觀測,迪克發(fā)現(xiàn)20K的“ 天空背景輻射”。 1945年美國麻省理工學院的迪克研制了波長為1.25厘米的射電望遠鏡，拋物面天線直徑僅有4

11、5厘米。 他要測量地球大氣輻射，意外地發(fā)現(xiàn)了溫度為20K的“ 天空背景輻射”。認為很可能是廣泛地分布在宇宙空間中各種星系的射電輻射所構(gòu)成的一個背景，他把這種輻射稱之為“宇宙物質(zhì)輻射”。,實際上，這種輻射就是“ 微波背景輻射”， 只是當時射電望遠鏡的測量精度不高，人們 對大爆炸宇宙模型也不太熟悉，迪克未能把 他的發(fā)現(xiàn)和微波背景輻射聯(lián)系起來。 這篇論文和伽莫夫關(guān)于“ 核合成”的論文同 時發(fā)表在1946年第70卷上，如 果他們彼此拜讀，進行討論。“ 宇宙微波背景 輻射”的發(fā)現(xiàn)就在1946年了。,奧姆發(fā)現(xiàn)3.3K輻射 奧姆用貝爾實驗室的喇叭天線進行測量時曾 發(fā)現(xiàn)有3.3K的多余噪聲溫度。 這一測量結(jié)果

12、于1961年發(fā)表在雜志上。只是這個多余的噪聲溫度小 于實驗誤差，而且，這點多余的溫度對通訊 沒有妨礙，因此沒有給予注意。,彭齊亞斯 1962年獲哥倫比亞大學博士學位。他的 導師湯斯教授是分子天文學的創(chuàng)始者。 彭齊亞斯的博士論文是研制21厘米波段上 的微波激射放大器，目的觀測星系際氫原子 21厘米譜線。 雖然沒有成功，但從此愛上了射電天文。 1961年他在獲得博士學位之前就到貝爾實驗 工作。,威耳遜 1962年在加州理工學院獲物理學博 士學位。他的博士論文是對銀河系氫 氣體云進行射電巡查。和前人的結(jié)果 差不多，博士論文并不出色。 1963年進入貝爾實驗室工作。貝爾 實驗室是射電天文學發(fā)展的搖籃，

13、工 作環(huán)境很好。,在1960年，貝爾電話公司正在執(zhí)行通訊衛(wèi)星 的計劃，研制了一臺6.1米喇叭型反射天線。靈 敏度和分辨率都高，用來接收通訊用衛(wèi)星（實 際是大金屬球）反射回來的信號。后來有了通 訊衛(wèi)星，這臺射電望遠鏡就失去了作用。 彭齊亞斯和威耳遜如獲至寶，獲準用來進行 射電天文研究。,絕對測量 天體的射電流量密度是天體射電輻 射的最基本特征。然而，要準確地測 量出它們的流量密度卻不容易。 1963年，彭齊亞斯和威耳遜開始用 6.1米喇叭型反射天線接收系統(tǒng)用于 射電天文射電源的絕對測量，也就是 絕對定標。絕對定標就是要測量出射 電源在各個頻率上的準確的流量密度。,彭齊亞斯和威爾遜并沒有刻意要發(fā)

14、現(xiàn)點什么，只是為了對幾個射電源進 行精密的絕對測量而精心地把射電望 遠鏡裝置調(diào)整得盡可能的好。這一決 定性的步驟為他們偶然發(fā)現(xiàn)宇宙微波 背景輻射準備了條件，這個偶然寓于 必然之中。,天空剩余的噪聲的發(fā)現(xiàn) 一般認為天空背景的輻射溫度為零度（K）, 但觀測得到的是7.5度K。扣除大氣貢獻的 2.3K和來自地面及天線四壁貢獻的1K，還剩 下4.2K的溫度。 無論天線指向什么方向，也不管是哪一天 的觀測，這個剩余的噪聲總是存在，既無周日 變化，也無季節(jié)性變化。這使他們十分煩惱。,多余噪聲是什么？ 彭齊亞斯和威爾遜發(fā)現(xiàn)了“ 多余的噪聲溫度”，但卻不知道是什么。 當?shù)峡烁嬖V他們，這就是他一心想找的宇宙背景

15、微波輻射”后，還不相信。 迪克專門研制的射電望遠鏡剛剛完成，沒來得及觀測，慢了一步。他雖然感到遺憾，但他對彭齊亞斯和威爾遜的發(fā)現(xiàn)贊嘆不已。,發(fā)現(xiàn)宇宙背景的3.5k的輻射。這種 輻射被確認為是宇宙大爆炸時的輻射 的殘余。成為天體物理上的又一重大 發(fā)現(xiàn)，對宇宙大爆炸理論的重大突破。 被認為是20世紀天文學的一項重大成 就。發(fā)現(xiàn)者獲得了1978年度的諾貝爾 物理學獎。,1978年彭齊亞斯和威爾遜獲諾貝爾 獎。 應該說，提出理論預言的伽莫夫、阿 爾佛、赫爾曼，有意尋找“ 微波背景 輻射”的迪克小組，以及后來進一步 在多波段證認微波背景輻射的天文學 家們都有功勞。,黑體譜 不同頻率的光輻射能量密度分布應

16、 服從普朗克定律，也就是黑體譜。因 此檢驗這種輻射在不同波長的能量密 度是否符合普朗克分布定律，是對天 線的多余溫度問題用宇宙學起源解釋 的一個重要考驗。,衛(wèi)星觀測得到的背景輻射譜,本章要求：（沒有作業(yè)） 1，名詞解釋：仙女座大星云，哈勃定 律，紅移， 2，簡述威爾孫和彭齊亞斯發(fā)現(xiàn)微波背 景輻射的意義。,5月22日 最后一次課 5月29日 復習，答疑 6月5日 考試,現(xiàn)代天文學考試方式： 1，閉卷 2，成績占本課程的50 3，填空題：（10題）最簡要 （留學生選作6題） 簡答題：（4題） （留學生選作2題） 議論題：2題任選1（300字以上） （留學生200字以上）,復習資料 各章要求及作業(yè),

17、第一章 要求 1，對天文學三大學科、觀測手段 和研究對象有概要的了解。 2，諾貝爾獎的由來，為什么天文 學家能獲諾貝爾物理學獎？,思考題： （在本課程各章中均應思考） 1，向獲諾貝爾物理學獎天文項目 的學者學習什么？ 2，諾貝爾科學獎離我們多遠？ 3，發(fā)展我國天文學的建議。,第二章 要求 1，星座的由來，記住4個星座的特征。 2，地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的觀測證據(jù)是什 么？ 3，天球是什么？ 4，天球赤道坐標系。 思考討論 1，星座能決定人的性格和命運嗎？,作業(yè)： 1，觀看天文知識VCD（1）探索太 陽系（2）神秘火星的過去、現(xiàn)在和 未來。 就某一問題進行歸納總結(jié)，或發(fā) 表感想或評論。（約200字）,2

18、，在某地觀測星空，不同的日期 能否看到相同的星空？4張星圖上 給的4個月中的8天看到的相同星 空，日期計算有錯，錯在什么地 方？給出正確值。 3，太陽日和恒星日差多少？,第三章要求 1，地球大氣輻射窗口 2，射電望遠鏡拋物面天線的功能 3，天文望遠鏡分辨率公式（要記住） 4，定性的了解干涉儀和綜合孔徑射電望 遠鏡的原理（記住4條基本原理） 5，賴爾為什么會獲得諾貝爾物理學獎？,作業(yè)： 1，口徑為10米的光學望遠鏡，觀測 波長為5500埃時，分辨角為多少？ 一臺射電望遠鏡，在波長為5.5厘米 觀測波段上達到這樣的分辨角，要求 射電望望鏡天線的口徑為多少？能否 實現(xiàn)？若用雙天線干涉儀，怎樣？,第四章要求 1，天體距離的單位：天文單位、 光年和秒差距，三者的換算。 2，測量天體距離的周年視差法和 變星測距法。 3，恒星的顏色和溫度 4，連續(xù)譜、發(fā)射線和吸收線 5，視星等和絕對星等的定義 6，視星等和絕對星等之間的關(guān)系,第五章要求 1，評說托勒玫地球中心說和哥白尼的 日心說。 2，開普勒行星運動三大定律和牛頓萬有 引力定律。 3，太陽的結(jié)構(gòu)（層次、溫度）。 4，