宇宙的基本结构和天体演化

本星系群（Local Group）
银河系所属的 数十个星系的集合， 尺度约数百万光年
星系团 (Cluster of Galaxies)
数十至数千个 星系的集合， 星系团的尺度 约数千万光年：
室女座星系团
⑤若干星系团集聚在一起构成更大、更 高一层次的天体系统叫超星系团。
• 超星系团往往具有扁长的外形，其长径可达数亿 光年。通常超星系团内只含有几个星系团，只有 少数超星系团拥有几十个星系团。 • 大的超星系团也称为宇宙的大尺度结构。把 10Mpc以上的结构称为宇宙的大尺度结构（目前 观测到的宇宙的大小是104Mpc）。至今大尺度上 的观测事实远不是十分明确的。有迹象表明，星 系在大尺度上的分布呈泡沫状。即有许多看不到 星系的"空洞"区，而星系聚集在空洞的壁上，呈 纤维状或片状结构。它的典型尺度为几十兆秒差 距。
迄今为止， 天文学中精确 测定的最远天 体距离： 银河系英仙 臂与太阳的距 离为1.95千秒 差距， 约6360光年
视差法： 在地球公转不同位置处观测同一天体在 天球上的坐标,经过计算得出视差A，也就得 到距离D=Des/(A/2)。 （适用于银河系内）
20世纪初，美国威尔逊山天文台建 成了当时世界上最大口径的2.5米天 文望远镜。
1
哈勃定律
距离阶梯
人类是如何知道的？
人类认识宇宙的历程伴随着科技的进步
肉眼观测 光学望远镜 射电望远镜 空间探测
古代观象仪
光学望远镜
射电望远镜
太空探测
• 宇宙从何而来？ • 宇宙如何变化？ • 最终会怎样？
星 云.
太阳. 50亿年. 40亿年.
红巨星.
10 亿 年
漫长.
暗矮星.
白矮星.
宇 宙 的 基 本 结 构
什么是宇宙？
宇宙有多大？ 如何知道？
什么是宇宙？
中国战国时期， “四方上下曰宇，古往今来曰宙” 现代天文学， 宇宙是(时间、)空间、物质的总和。
宇宙有多大？
1、天体的距离单位
▲ 1 天文单位(a.u.) = 太阳到地球的平均距离
1.5 108 公里 （ 1.5亿公里）
1917年，美国 天文学家沙普利 通过对银河系内 天体分布的分析， 确认太阳并不位 于银河系的中心， 而是处于相对说 来比较靠近银河 系边缘的地方。 太阳只是银河系 中一颗毫无特殊 地位可言的普通 恒星，地球更谈 不到了。
③2500亿颗类似太阳的恒星和星际物质 构成更巨大的天体系统——银河系
观测宇宙
室女座超星系团
目前发现的最远天体：137亿光年
半径137亿光年
科学家们描绘的宇宙构造示意图
•哲学宇宙： 宇宙无限； 空间无限：无边无际(无边界，形状和中心) 时间无尽：无始无终(无起源，年龄和寿命) •科学宇宙：指总星系 时间上有起源，空间上有边界； • 大爆炸宇宙学。
•宇宙的结构层次（从大到小）
• 层次结构
人类认识宇宙的历程
源自文库
①行星是最基本的天体系统
地—月系
• • • • 如何知道地球是圆的？ 如何说明地球是运动的？ 月球对地球的影响？ 月球形成的假设
小潮
大潮
②行星 小行星 彗星和流星体都围绕中心天体 太阳运转，构成太阳系
• 太阳占太阳系总质量的99.86％，其直径约 140万千米，最大的行星木星的直径约14万 千米。太阳系的大小约120亿千米。 • 如何知道太阳的组成 • 大行星分类 • 大行星和小行星的形状差别
地球半徑 r = C/d = (A-B)/d
觀察月食時地影的弧度而得知地影的大小, 即AE. AE/RE = AM/RM 月球的半徑 RM = (RE)(AM)/AE
月地距離, DEM approximately = RM/AM
日地距離半月的時候, 日月地球的相對位置如圖，DES = DEM/cosASM
恒星与地球的距离
(A/2)(DSS) = DES
DSS) = 2DES/A
天体距离的测定方法
1)几何方法：在地球公转不同位置处观测同一天体在 天球上的坐标,经过计算得出视差π，也就得到距离 D。D=206,265 a.u./ π "（适用于银河系内）
2)光度方法：
设天体光度为L，亮度为B，则有 B∝L· －2 D B是可观测量，如果能设法求到光度L，则可 由上式求得距离D，称为光度距离。
1923年10月6日，美国天文学家哈 勃利用这台望远镜拍摄了仙女星云 的照片，推算出仙女星云的距离为 225万光年，远远超出银河系范围。
仙女星云m31
半人马座中的一个星系
不同形状的星系
棒 旋 星 系
椭圆星系
旋涡星系
④星系也聚集成大大小小的集团， 叫星系团。
• 平均而言，每个星系团约有百余个星系， 直径达上千万光年。现已发现上万个星系 团。包括银河系在内约40个星系构成的一 个小星系团叫本星系群。
超星系团: 若干星系团的集合体
星系分布的大尺度结构
在宇宙大尺度结构的研究方面，情况就更复杂一些。从遥远的背景星系传播来的光 线不只是被单个天体所弯曲，实际上这是一种被连续弯折的效应，这样的情况处理 起来更复杂，但为天文学家们研究宇宙的大尺度结构提供了非常宝贵的观测信息
⑥目前天文观测范围已经扩展到137亿 光年的广阔空间，它称为总星系， 即宇宙
用造父变星做标准烛光（适合近星系）
用Ia型超新星作标准烛光（较远的星系）
3)星系红移和哈勃定律
1929年，Hubble发现星系光谱线的红移 同距离成正比，若解释为多普勒效应，
意味着星系退行的速度正比于星系的距离
obs Vr 1 z 1 e c
Vr cz H 0 d kms
• 恒星光谱 恒星光谱的形态决定于恒星的物理性质、化学成分和运动 状态。光谱中包含着关于恒星各种特性的最丰富的信息。 迄今关于恒星本质的知识，几乎都是从光谱研究中得到的。 恒星光谱的研究内容异常广泛，但从观测角度来看，主要 有三条途径。第一是证认谱线和确定元素的丰度。第二是 测量多普勒效应引起的谱线位移和变宽(见谱线的形成和 致宽)，由此来研究天体的运动状态和谱线生成区。第三 是测量恒星光谱中能量随波长的变化，包括连续谱能量分 布、谱线轮廓和等值宽度等。这些特性同恒星大气中的温 度、压力、运动、电磁过程以及辐射转移过程有关，是恒 星大气理论的主要观测依据。
• 国际天文学联合会大会2006。8。２４日投票决 定，不再将传统九大行星之一的冥王星视为行星， 而将其列入“矮行星”。大会通过的决议规定， “行星”指的是围绕太阳运转、自身引力足以克 服其刚体力而使天体呈圆球状、能够清除其轨道 附近其他物体的天体。在太阳系传统的“九大行 星”中，只有水星、金星、地球、火星、木星、 土星、天王星和海王星符合这些要求。冥王星由 于其轨道与海王星的轨道相交，不符合新的行星 定义，因此被自动降级为“矮行星”。
• http://www.cdedu.gov.cn/subject/dasai3/zs /xx/0576/index.htm • http://www.cdstm.cn/c2/board.jsp?id=6522 &serialno=11 • http://www.chneic.sh.cn/education/Six/jiao shi3/hengxin/dinstence.htm • http://hubblesite.org/newscenter/archive/re leases/galaxy/interacting/2000/34/image/a/
▲ 1 光年( ly )

0.95 1013公里
光在 1 年里走过的路程 3 1013 公里
▲ 1 秒差距 ( pc ) 1 秒差距
3.26 光年 ~ 20万天文单位
1千秒差距 = 103 秒差距 (星系尺度) 1兆秒差距 = 106 秒差距 (宇宙尺度)
2、宇宙的结构 • 宇宙图景 当代天文学的研究成果表明，宇 宙是有层次结构的、物质形态多样的、不 断运动发展的天体系统。
总 星 系
星 系 团
星 系
恒 星 系
恒星 行星
•宇宙天体的空间尺度
地球 太阳 太阳系（恒星） 星系（银河系） 星系团 超星系团 大尺度结构 观测宇宙 10 7 米 10 9 米 10 13 米 10 21 米 (十万光年) 10 23 米 (百万光年) 10 25 米 (亿光年) 大于 3亿光年 >10 26 米 (百亿光年)
• 银河系中大部分恒星和星际物质集中在一个扁球 状的空间内，从侧面看很像一个“铁饼”，正面 看去则呈旋涡状。银河系的直径约10万光年， 太阳位于银河系的一个旋臂中，距银心约3万光年。 银河系外还有许多类似的天体系统，称为河外星 系，常简称星系。现已观测到大约有10亿个。 • 如何知道银河系的形状? • 不同形状的星系 • 天体距离的测定方法