天体物理新发展

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第九章 天体物理学的新发展
§9-1 夜晚的天空为什么是暗的
6/14/2013 5:31:05 PM
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世界上有两件东西能够深深的震撼我们的心灵, 一件是我们心中崇高的道德标准,另一件是我们头 顶上的星空。 ——德国哲学家康德 哈雷(E.Halley)、切 西雅赫(L.de.Che’seaux)、 奥尔勃斯(H.W.M.Olbers) 先后提出恒星均匀分布 在无边的宇宙空间,因 而夜晚的天空应该是明 亮的,这称为奥尔勃斯 佯谬。
o, o
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由多普勒效应可以知道,星系光谱谱线的红移表 明这些星系都在远离我们,观测结果表明,距离我们 越远的星系谱线红移越明显,即离开我们越远的星系, 其远离的速度越大,这表明所有星系都在彼此离去。 星系退行ຫໍສະໝຸດ Baidu度与远离我们的距离成正比,这称为 15 哈勃定律。 1ly 9.46 10 m
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钱德拉X射线望远镜拍摄的照片显示出超新星遗 骸仙后座 A (Cassiopeia A, Cas A),在不同X射线波段 的结构分布。这个气壳,是一颗在三百年前发生爆炸 的恒星所遗留下来的。而天文学家现在正根据气壳物 质的分布,研究它当初是如何发生爆炸。照片中气壳 各处的亮度、颜色和物质的分布,都和物质在恒星爆 炸前所在的位置有着紧密的关联。例如:照片左方那 些亮结的硅和硫含量很高,但含铁量很低,它们可能 源自恒星核心的外层。红色丝状结构物的含铁量很高, 可能是来自恒星核心的中心区。而右方蓝色的区域, 它们的前方可能有遮光的尘埃,所以低能量的X射线 辐射大多被吸收掉了, 仙后 A 和我们相距一万光年, 而大小约10光年。
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距地球7000万光年的巨鹰星云中的原始星际氢气和处于胚胎状的新星, 我们今天所观察到的越是遥远的星系,也就越是古老的星系。
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高密度的气体云团在引力的作用下凝聚在一起, 称为引力坍缩。正是引力坍缩才形成了星系,开始了 星系的演化。 恒星的核反应产生向外的辐射压力,与向内的引 力平衡时,恒星的温度与体积不再明显变化,当恒星 核燃料逐渐减少时,引力使星体体积收缩,温度进一 步升高到108K。He等较轻的原子依次复合成C、O、 Si 直至形成一个铁/镍核心。
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第九章 天体物理学的新发展
§9-2 宇宙大爆炸模型
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一、宇宙碰撞-哈勃红移
在二十世纪初的20年间,斯里夫尔在劳威尔天文 台仔细研究了星系的光谱,发现大多数元素的光谱都 有红移现象。 1929年美国天文年学家 爱德温· 哈勃用25m反射望远 镜观测发现,在本星系以外 的所有星系的光谱都有红移 现象。
依照现代宇宙演化理论,今日的宇宙是在150~ 200 亿年以前的一次大爆炸后形成的。 约10-35s后,宇宙暴胀,尔后膨胀速度变慢,宇宙 充满了夸克、电子等;10-6s后随着温度的降低,夸克 逐渐结合成为质子、中子等强子,约3min后开始复合 成原子核。 约38万年后宇宙已经 冷却到4000K,渐渐冷却 后的质子俘获电子形成氢 原子;早期聚合而成的氘 核俘获电子形成氦原子, 氢和氦构成了早期宇宙星 云物质。
观测结果
1964年彭齐亚斯和威尔逊在改善卫星通讯接收天 线时,意外的测得天空中存在各向同性的微波背景辐 射 T7.35cm 3.5 1K 6/14/2013 5:31:05 PM 10
天文学家敏锐地感到这就是宇宙大爆炸初期产生 的残留在太空中的光子,进一步的重复测量证实了均 匀分布在宇宙空间中的背景辐射为温度等于2.7K的热 辐射,而理论得出的微波背景辐射的温度为
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正在形成的恒星群
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三、宇宙大爆炸理论预言的验证 ①天体的年龄
爆炸碎片在t 时刻飞离速度为 r/t,与哈勃定律比较 (v=Hor)得
To 1 / H o 1.4 1010 a
考虑到误差,推知宇宙的年龄在100~200亿年。
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切西雅赫与奥尔勃斯的解释:星际空间存在许多弥 漫物质吸收恒星发出的光。 邦迪的解释:宇宙膨胀造成的红移,使得光子的能 量降低,星体离我们越远,他所发出的光向低频 ( 长 波长 ) 方向偏移,对观察者所在处的辐射能量密度贡 献也就越少。 哈里森的解释:经过计算发现上述模型均无法说明 为何宇宙空间中任意一点的能量密度远小于发光星体 表面的平均能量密度,继而考虑到恒星的演化过程, 由于宇宙物质密度太低(~10-31g/cm3),两个恒星间距 离平均超过1000光年,发光时间又短( 100 亿年),微 弱的星光投射到广袤的星空中,使得远处能量密度远 低于发光星体表面的能量密度。
T 2.736 0.017K
荣获1978年诺贝尔物 理学奖 www.nobel.se/physics
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Arno Allan Penzias 1933-
Robert Woodrow Wilson 193611
利用这一张全天微波背景图,科学家告诉我们宇 宙的年龄是137亿岁,他们是怎么得出这个结论的呢? 乍看之下,图中显示的只是银河系中气体所发出的辉 光(红色部分),和早期宇宙所辐射出的微波(灰色部 分)。那些灰色的宇宙微波背景辐射与早期宇宙中原子 刚形成的情景有关。仔细研究可以发现这些微波背景 成斑点状分布。科学家认为这些微波斑点的图样,是 由早期宇宙中密度稍高的区域所产生的声波所造成的。 这些声波需要相当的时间才成造成现在这样的图样, 因此,宇宙的年龄就可以从这些微波背景的斑点图样 来估算。由此得出的宇宙年龄误差范围为2亿年。这一 张全天微波背景图是由WMAP卫星所拍摄的。
归宿
白矮星 中子星 黑 洞 质量比 M初/M日 1~8 8~50 >50 M末/M日 0.4~1.4 1.5~3.2 >3.2
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即使不能称之为绝对完美无缺,这个旋涡星系至 少也是很上镜的美景了。位于双鱼星座的M74(又名 NGC628)距离我们3000万光年,由大约1000亿颗恒 星组成,这星系分类中被归为Sc类。它之所以看起来 如此之壮美,是因为它正好以正面朝向我们。我们从 中可以看到巨大而优雅的旋臂,上面布满了蓝色的星 团和暗色的尘埃带,它实际上十分类似于我们所在的 银河系(因此我们从它身上也看到了我们的星系是什 么样的)。这幅精彩的照片是由安装在8米口径北双 子座望远镜上的“双子多目标光谱仪”(GMOS)拍 摄的。
宇宙中的暗物质是什么? 宇宙中的反物质世界在哪里? 太阳中微子失踪和中微子的质量之谜? 星系分布的大尺度结构是如何形成的?
太阳是一颗处于中年期的恒星,它的内部正进 行着剧烈的核聚变反应
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原始气体云团的质量至少大于太阳质量的10%, 其内部的高温才足以使核聚变持续进行下去。当恒星 内的核燃料消耗完后,氢等核燃料元素都聚变为铁时, 恒星的生命也就走到了尽头。恒星的归属同样取决于 星体的质量。
v Hor
1 v / c v o 1 o 1 v / c c
1 pc 3.26ly
哈勃常数 : H o 100ho km / s Mpc
ho 0.80 0.17
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二、宇宙大爆炸
1948年,俄裔美籍物理学家伽莫夫(G.Gamov, 1904-1968)首次提出,宇宙是从一个高密度火球爆炸 开始的,大约在150~ 200亿年以前的一次大爆炸后, 形成了今天的宇宙。 爆炸后形成的星 际物质随着温度的降 低,逐渐结合成为电 子、质子、中子……, 并渐渐复合成轻原子 H、He。
目标物O 目标恒星O 待求距离D=?

A
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B E´ 基准线l
地球E´
待求距离D=?
基准线l
地球公转轨道
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2001年美国NASA的WMAP观测到的宇宙背景辐 射COBE表明宇宙的空间-时间性质是平坦的,宇宙成 分中普通物质只占4%,另外有23%的暗物质,73% 的暗能量。
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有时候盯着空荡荡的太空看也是很有用的。下面 这张图只是天空的一小块区域,之所以被挑选出来是 因为它相当地没内容: 没有亮星,没有明亮的星系,也 没有美丽如画的星云。不过,其中还是免不了有些琐 碎的内容,例如银河系内普通的星星,以及许多散布 在宇宙中的遥远星系。当远处星系发出的光受到较近 处星系的引力影响时,光线会产生些微偏折,导致这 些遥远星系看起来有些变形。 藉由分析这些称为“引 力透镜”的变形案例,我们可以确定附近的质量密集 处,而不管它们到底有多亮。运用这种方法,现在天 文学家可以称出整个星系团的重量,并找出较暗的 “暗物质”集团。上图照片中右下方的圈圈,就是一 个经由它的质量而非经由它的光线而被发现的星系团。
观测结果
地球、月球上最古老的岩石年龄不超过45亿年 恒星演化理论估计银河系中最古老的恒星年龄为100 ~150亿年
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②宇宙背景辐射
依照目前的宇宙膨胀理论,宇宙经过4 ×105a时 温度降为3000K,质子、电子能量降低,质子捕获电 子成为中性的氢原子,自由电子的密度开始急剧下降, 称为退耦期。退耦期后的光子与原子不能发生作用, 宇宙变得透明起来。光子退耦后将在宇宙中成为背景 光子。
观测结果
宇宙中25%为氦。
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第九章 天体物理学的新发展
§9-3 宇宙天体的演化
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形成恒星
恒星内部形成链式核聚变反应,形成较重的元素
引力
分子云 引力收缩 星际物质
中子星
白矮星
黑洞
原始物质
恒星的演化
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氢是恒星核聚变的原料,氦则影响到恒星内部的 压强。宇宙膨胀过快,氦的丰度降低,恒星内部无法 实现核聚变;宇宙膨胀过慢,几乎所有的中子和质子 合成为氦,恒星将没有足够核燃料。此后光子可以自 由移动,宇宙变得渐渐透明。 由于统计涨落,宇宙中弥散的气体偶尔聚集成为 密度较大的气体云,气体 云是建造新星的基础,高 密度的气体云团成为引力 中心,吸引其他物质向中 心汇聚形成星系。
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第九章 天体物理学的新发展
§9-4 暗物质与暗能量之谜
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地球距太阳的平均距离称为天为单位AU 11 1 AU 1.496 10 m 光信号一年传输的距离称为光年ly 15 1ly 9.4605 10 m 天文测量中=1´´时恒星与地球间的距离称为秒差距 pc 1 pc 3.26ly 3.0857 1016 m
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宇宙的微波背景辐射,中间 为银河系气体发出的辉光。
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③宇宙中的氦丰度
当宇宙年龄为三分钟时,质子中子开始相碰形成 氘核,随着宇宙温度的逐步降低,后继连锁反应开 始…,两个氘核聚合成氦核,宇宙中产生大量的氦。
宇宙诞生一年后,宇宙温度降到108K,核力无法 起作用,热核反应停止。原初的核形成过程也相应结 束。此时宇宙中3/4为氢,1/4为氦。今天宇宙中的氦 主要来自于宇宙早期。
随着核燃料的耗尽,核反应结束,星体在引力的 作用下进一步收缩,使温度急剧加热到5109K,当这 部分能量急剧释放就形成一次超新星爆发 。
6/14/2013 5:31:05 PM 20
恒星内的核燃料在引力的压缩下内部温度 压强逐渐升高,热核反应被点燃,热核反应产 生的辐射暂时抵消了恒星的引力坍塌,恒星进 入主序星漫长的演化。
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