天文学基础论文——宇宙的观测和假说

宇宙的观测和假说

——探索神秘瑰丽的宇宙世界摘要：宇宙广袤无垠，我们现在所知道有太阳系，银河系，河外星系，并且通过近半世纪对河外星系的研究，不仅已发现了星系团、超星系团等更高层次的天体系统，而且已使我们的视野扩展到远达大约140亿光年的宇宙深处。

关键词：宇宙起源大爆炸太阳九大行星黑洞

宇宙世界神秘莫测，从粒子、宇宙物质、地球、月球、太阳、九大行星到太阳系、银河系、黑洞和宇宙大爆炸，科学家们仿佛一层又一层的揭开了宇宙神秘的面纱，却在欣喜的以为可以了解一个完整的宇宙后，却又发现这只不过是冰山一角。尽管人们在宇宙面前显得无比渺小，却无法阻止宇宙以其独特的魅力吸引着人们去不断探索它，认识它。而我所写的这篇论文就是介绍一些我所了解的关于宇宙的假说。

一、关于宇宙起源的假说（宇宙大爆炸的假说）

宇宙大爆炸（简称大爆炸）是描述宇宙诞生初始条件及其后续演化的宇宙学模型，这一模型得到了科学研究和观测最广泛且最精确的支持。宇宙学家所指的宇宙大爆炸观点为：宇宙是在过去有限的时间之前，由一个密度极大且温度极高的太初状态演变而来的（根据2010年所得到的最佳观测结果，这些初始状态大约存在于133亿年至139亿年前），并经过不断的膨胀到达今天的状态。

比利时神父、物理学家乔治·勒梅特首先提出了关于宇宙起源的大爆炸理论，但他本人将其称作“原生原子的假说”。这一模型的框架基于爱因斯坦的广义相对论，又在场方程的求解上作出了一定的简化（例如空间的均匀和各向同性）。

大爆炸理论的建立基于了两个基本假设：物理定律的普适性和宇宙学原理。宇宙学原理是指在大尺度上宇宙是均匀且各向同性的。

这些观点起初是作为先验的公理被引入的，但现今已有相关研究工作试图对它们进行验证。例如对第一个假设而言，已有实验证实在宇宙诞生以来的绝大多数时间内，精细结构常数的相对误差值不会超过10-5。此外，通过对太阳系和双星系统的观测，广义相对论已经得到了非常精确的实验验证；而在更广阔的宇宙学尺度上，大爆炸理论在多个方面经验性取得的成功也是对广义相对论的有力支持。

二、太阳及太阳系九大行星

太阳是太阳系的中心天体，占有太阳系总体质量的99.86%。太阳系中的八大行星、小行星、流星、彗星、外海王星天体以及星际尘埃等，都围绕着太阳公转，而太阳则围绕着银河系的中心公转。

太阳是位于太阳系中心的恒星，它几乎是热等离子体与磁场交织着的一个理想球体。太阳直径相当于地球直径的109倍；体积大约是地球的130万倍；其质量大约是地球的330000倍。从化学组成来看，现在太阳质量的大约四分之三是氢，剩下的几乎都是氦，包括氧、碳、氖、铁和其他的重元素质量少于2%，采用核聚变的方式向太空释放光和热。

它是一颗黄矮星（光谱为G2V），黄矮星的寿命大致为100亿年，目前太阳大约45.7亿岁。在大约50至60亿年之后，太阳内部的氢元素几乎会全部消耗尽，太阳的核心将发生坍缩，导致温度上升，这一过程将一直持续到太阳开始把氦元素聚变成碳元素。虽然氦聚变产生的能量比氢聚变产生的能量少，但温度也更高，因此太阳的外层将膨胀，并且把一部分外层大气释放到太空中。当转向新元素的过程结束时，太阳的质量将稍微下降，外层将延伸到地球或者火星目前运行的轨道处（这时由于太阳质量的下降，这两颗行星将会离太阳更远）。

太阳系是以太阳为中心，和所有受到太阳的引力约束天体的集合体。包括八大行星以及至少173颗已知的卫星、5颗已经辨认出来的矮行星和数以亿计的太阳系小天体。

广义上，太阳系的领域包括太阳，四颗像地球的内行星，由许多小岩石组成的小行星带，四颗充满气体的巨大外形星和充满冰冻小岩石被称为

科伊伯带的第二颗小天体区。其中目前太阳系有八大行星，分别是水星，金星，地球，火星，木星，土星，天王星，海王星。

三、黑洞的演化过程及分类

黑洞就是中心的一个密度无限大、时空曲率无限高、体积无限小，热量无限大的奇点和周围一部分空空如也的天区，这个天区范围之内不可见。依据阿尔伯特-爱因斯坦的相对论，当一颗垂死恒星崩溃，它将聚集成一点，这里将成为黑洞，吞噬邻近宇宙区域的所有光线和任何物质。

黑洞的产生过程类似于中子星的产生过程：某一个恒星在准备灭亡，核心在自身重力的作用下迅速地收缩，塌陷，发生强力爆炸。当核心中所有的物质都变成中子时收缩过程立即停止，被压缩成一个密实的星体，同时也压缩了内部的空间和时间。但在黑洞情况下，由于恒星核心的质量大到使收缩过程无休止地进行下去，连中子间的排斥力也无法阻挡。中子本身在挤压引力自身的吸引下被碾为粉末，剩下来的是一个密度高到难以想象的物质。由于高质量而产生的引力，使得任何靠近它的物体都会被它吸进去。也可以简单理解为：通常恒星最初只含氢元素，恒星内部的氢原子核时刻相互碰撞，发生聚变。由于恒星质量很大，聚变产生的能量与恒星万有引力抗衡，以维持恒星结构的稳定。由于氢原子核的聚变产生新的元素——氦元素，接着，氦原子也参与聚变，改变结构，生成锂元素。如此类推，按照元素周期表的顺序，会依次有铍元素、硼元素、碳元素、氮元素等生成，直至铁元素生成，该恒星便会坍塌。这是由于铁元素相当稳定，参与聚变时释放的能量小于所需能量，因而聚变停止，而铁元素存在于恒星内部，导致恒星内部不具有足够的能量与质量巨大的恒星的万有引力抗衡，从而引发恒星坍塌，最终形成黑洞。说它“黑”，是因为它产生的引力使得它周围的光都无法逃逸。跟中子星一样，黑洞也是由质量大于太阳质量好几十甚至几百倍以上的恒星演化而来的。

当一颗恒星衰老时，它的热核反应已经耗尽了中心的燃料，由中心产生的能量已经不多了。这样，它再也没有足够的力量来承担起外壳巨大的重量。所以在外壳的重压之下，核心开始坍缩，物质将不可阻挡地向着中

心点进军，直到最后形成体积接近无限小、密度几乎无限大的星体。而当它的半径一旦收缩到一定程度，质量导致的时空扭曲就使得即使光也无法向外射出——“黑洞”就诞生了。

黑洞通常是因为它们聚拢周围的气体产生辐射而被发现的，这一过程被称为吸积。高温气体辐射热能的效率会严重影响吸积流的几何与动力学特性。已观测到了辐射效率较高的薄盘以及辐射效率较低的厚盘。当吸积气体接近中央黑洞时，它们产生的辐射对黑洞的自转以是中央延展物质系统的流动。吸积是天体物理中最普遍的过程之一，而且也正是因为吸积才形成了我们周围许多常见的结构。在宇宙早期，当气体朝由暗物质造成的引力势阱中心流动时形成了星系。即使到了今天，恒星依然是由气体云在其自身引力作用下坍缩碎裂，进而通过吸积周围气体而形成的。行星（包括地球）也是在新形成的恒星周围通过气体和岩石的聚集而形成的。当中央天体是一个黑洞时，吸积就会展现出它最为壮观的一面。黑洞除了吸积物质之外，还通过霍金蒸发过程向外辐射粒子。

由于黑洞的密度极大，根据公式我们可以知道密度=质量/体积，为了让黑洞密度无限大，而黑洞的质量不变，那就说明黑洞的体积要无限小，这样才能成为黑洞。黑洞是由一些恒星“灭亡”后所形成的死星，它的质量极大，体积极小。但黑洞也有灭亡的那天，按照霍金的理论，在量子物理中，有一种名为“隧道效应”的现象，即一个粒子的场强分布虽然尽可能让能量低的地方较强，但即使在能量相当高的地方，场强仍会有分布，对于黑洞的边界来说，这就是一堵能量相当高的势垒，但是粒子仍有可能出去。

霍金还证明，每个黑洞都有一定的温度，而且温度的高低与黑洞的质量成反比例。也就是说，大黑洞温度低，蒸发也微弱；小黑洞的温度高蒸发也强烈，类似剧烈的爆发。

黑洞会发出耀眼的光芒，体积会缩小，甚至会爆炸，会喷射物体，发出耀眼的光芒。当霍金于1974年做此预言时，整个科学界为之震动。霍金的理论是受灵感支配的思维的飞跃，他结合了广义相对论和量子理论，他