天文学研究漫谈

Hubble’s eye
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天文学研究漫谈
俞云伟
华中师范大学 2009年12月4日
天问
• 遂古之初，谁传道之？ 上下未形，何由考之？ 冥昭瞢闇，谁能极之？ 冯翼惟像，何以识之？ 明明闇闇，惟时何为？ 阴阳三合，何本何化？
圜则九重，孰营度之？ 惟兹何功，孰初作之？ 斡维焉系，天极焉加？ 八柱何当，东南何亏？ 九天之际，安放安属？ 隅隈多有，谁知其数？
统治西方 1400年
托勒密 地心说
哥白尼日心说
1543年，《天体运行论》的发表 标志着近代自然科学的诞生。
• 德国天文学家开普勒（1571—1630） 是哥白尼日心说的坚决拥护者。他 经过十几年的艰苦工作，发现了行 星运动的三大定律：轨道定律、面 积定律和周期定律。这三条定律的 发现，在理论上证明和发展了哥白 尼学说。也因此，开普勒被称为 ‚天空立法者‛。
~1500 km/s
• 1919年卢瑟福通过用α粒子轰击氮原子放出氢核， 而发现了质子。 并且提出存在中子的设想。 • 1932年，查德威克用α粒子轰击铍，再用铍产生的 射线轰击氢、氮， 而发现了中子。 • 不久﹐朗道就提出可能有由中子组成的致密星。 1934年巴德（Walter Baade）和兹威基（Fritz Zwicky） 也分别提出了中子星的概念﹐而且指出中子星可能 产生于超新星爆发。
18世纪末，梅西耶完成了星云列表
1875年，赫歇尔非常仔细清点了的各个天区的恒 星数目，给出了以下这张图，这是最初对银河形 象和太阳位置的描述。
• 1917年, Heber Curtis从 仙女座大星云中观测到了 一次新星爆发 。从先前的 记录中又发现了11次类似 的现象。而他发现这些新 星比银河系里面的新星平 均要暗10个星等。 由此 他成为了“岛宇宙”的支 持者，认为这些旋涡状星 云实际上是独立的星系。
• 半径小。虽然质量和太阳差不多，但典型直径只 有10公里。
• 温度高。太阳表面温度6000℃不到，中子星的表 面温度就可以达到1000万度。
贝尔（Jocelyn Bell Burnell）
休伊什（Antony Hewish）
脉冲星的周 期非常稳定， 30万年才差 一秒，而比 较起来现在 采用的原子 钟一般是3万 年差一秒。
脉冲星与类星体、宇宙微波背景辐射、星际有机分பைடு நூலகம்一 道，并称为20世纪60年代天文学“四大发现“。
Hubble’s eye
• 1610年，伽利略利用望远镜研究银河， 发现他是由大量暗弱的恒星组成的。
• 康德在1755年推测（正确的）星系可能 是由数量庞大的恒星转动体，经由重力的 牵引聚集在一起，就如同我们的太阳系， 只是规模更为庞大。恒星聚集成盘状，我 们由盘内透视的效果，将会看成一条在夜 空中的光带。康德也猜想某些在夜空中看 见的星云可能是独立的星系，称之为“岛 宇宙”（island universe）。
• 1609年，伽利略把自制的望远镜指 向了天空，发现了月球上的山脉和 环形山；发现银河是由许许多多的 恒星构成的；次年发现了木星的四 颗卫星。后来他又发现了金星的相 位，说明行星也和地球一样，是被 太阳照亮的。这些发现为哥白尼的 日心说提供了有力的证据。
If I have been able to see further, it was only because I stood on the shoulders of giants.
古代中国人的宇宙观
• 盖天说：“天圆如张 盖，地方如棋局 ”
• 浑天说：“浑天如鸡 子，天体圆如弹丸， 地如鸡中黄。”
简仪
浑仪
日晷
圭表
河南 登封
北京古观象台
紫金山天文台
古代西方人的宇宙观
• 承接了毕达哥拉斯学派“从美学角度，球形是最完 美和谐”的观点，柏拉图学派的“同心球”宇宙模 型。
造父变星
一 千 亿 个 太 阳
10万光年
• 赫罗图告诉我们恒星的光度与其质量之间存在着相关性。 • 因此，星系越亮的地方表示质量也越大。通过光度在星系 中的分布我们可以知道质量的分布。 • 再由于万有引力定律，质量的分布必然决定了物质的运动 速度。
鲁宾 1970年左右
The end
沙普利-柯蒂斯之争
• 1920年4月26日，美国国家科学院在华盛顿举办的一场著 名的辩论，会上以哈罗· 沙普利与希伯· 柯蒂斯为代表的双 方就旋涡星云究竟是在银河系以内，还是远在银河系以外， 与银河系同级的天体展开了论战。二人分别就各自的观点 进行了时间为半个小时的报告。由于柯蒂斯具有良好的口 才，多数人认为他在这场争论中略微占了上风。后来的观 测表明柯蒂斯的观点是基本正确的。
赫罗图
• 1911年丹麦天文学家赫茨普龙，1913年 美国天文学家罗素各自独立绘出恒星的光 度—温度图，发现大多数恒星分布在图中 左上方至右下方的一条狭长带内，从高温 到低温的恒星形成一个明显的序列，称为 “主星序”。
恒星能源
• 如果太阳是依靠燃烧煤或石油提供能量， 那么只要4～7年时间太阳就将用完自己 的燃料，这显然是不可能的。 • 如果是释放引力能维持太阳发光，它从 现在的大小收缩到一个点所提供的能量 也只够太阳用2000年 。 • 上世纪30年代，英国天文学家爱丁顿提 出，根据爱因斯坦质能关系可以解释恒 星的能量来源。 • 1938年，美国天文学家贝蒂指出氢氦聚 变反应和碳氮循环核反应提供了恒星的 能量，从而解决了恒星的能源问题，贝 蒂也因此获得了1967年的诺贝尔物理学 奖。
• 哈根斯:天体光谱学的先驱者，首先把光谱分析应 用于恒星研究，并将照相术用于光谱研究。指出 亮星具有和太阳相同的化学组成，利用多普勒效 应，根据恒星的谱线位移测定天狼星的视向速度。 • 洛基尔：1868年利用分光镜观察太阳表面，发现 一条新的黄色谱线，并认为是属于太阳上的某个 未知元素，故名氦，原意是‚太阳‛。 1895年证 实地球上也存在氦。 • 哈佛大学：1885-1924完成了对225,000颗恒星的 光谱分类。
• 在恒星物质塌缩过程中，密度越来越大，使得电子和质子 不断地结合形成中子。 • 中子是费米子，根据泡利不相容院里，即使在温度为零的 情况下也不可能所有的中子都处于基态。 • 因此，中子星里面强简并的中子气体将能够提供足够的简 并压，以抗衡强大的万有有力。
• 密度大。水的密度是每立方厘米重1克，铁是7.9 克，汞是13.6克，而一立方米的中子星物质则重 达1亿吨。假定我们地球的密度也达到这种程度的 话，那它的平均直径就只有一二百米或更小。
原恒星会不断变热， 直至核心部分足够 热和高压，令氢原 子核克服质子间的 电排斥力，产生核 聚变，成为一颗真 正的恒星。恒星所 产生的光和热，会 推开四周的气体和 尘埃，吸积盘会断 续存在，最后塌缩 成围绕这颗恒星运 行的行星。
1054年 《宋史· 天文志》：‚宋至和元 年五月己丑，客星出天关东南可 数寸，岁余稍末。‛ 《宋会要》：‚嘉佑元年三月， 司天监言：‘客星没，客去之兆 也’。初，至和元年五月，晨出 东方，守天关。昼如太白，芒角 四出，色赤白，凡见二十三日。‛
1814， 夫琅和费开始系统研究太阳光谱，发现了576条暗谱线
1854年基尔霍夫与化学家本生开 始研究处于金属盐蒸气中的火焰 的光谱，从而为光谱分析奠定了 基础，并创立了光谱化学分析法 和发现了铯（1860）、铷 （1861）两种元素。 1859年基尔霍夫提出了热辐射定 律，并将绝对黑体的概念引入物 理学。 1860年，基尔霍夫发现光谱转换 定则，第一次正确地解释了太阳 光谱中的黑带，并提出了关于太 阳大气化学成分的假设。 标志 着天体物理学的诞生。