大学物理第19章天体物理与宇宙学简介.ppt
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天体物理小知识演示文稿(共91张PPT)
不信你看！
Wow，惊呆了！！
看着只是个小星星，真实体积吓屎你！
天狼星是大犬座中的一颗双星，另一颗暗白 矮星伴星。
天狼星是一颗比太阳亮23倍的蓝白星
双星系统
双星引力波是很漂亮的漩 涡曲线~~
其实双星也叫做——恒星恋人，就像…
比双星更稀有更耀眼的是神马！！ 是四星！！
美国宇航局的“斯皮 策”太空望远镜发现 ，在长蛇星座有一个 相对年幼的星系，拥 有4颗恒星。
六，土卫二
观赏喷泉的行星际公园。
我不骗小朋友的，自己看！！！
木卫二（小球大水滴） VS 地球
再添点数据
木卫二冰层厚度平均100公里，也就是10万米深！！地球的海洋 平均深度才三公里，什么概念啊…
太平洋：平均深度3957米，最大深度11034 大西洋：平均深度3626米，最深处达9219米 印度洋：平均深度3397米，最大深度的爪哇海沟达7450米。 北冰洋: 平均深度1300米，
那，谁的密度最大呢？？？
咳咳，请翻页！（此处是为了让你有时间想一想）
天体密度——白矮星
白矮星（White Dwarf）是一种低光度、高密度、高温度的恒星。也是一 种很特殊的天体，它的体积小、亮度低，但质量大、密度极高。比如天狼 星伴星（它是最早被发现的白矮星），体积和地球相当，但质量却和太阳 差不多，它的密度在1000万吨/立方米左右（地球密度为5.5g/cm3）， 一颗与地球体积相当的白矮星（比如说天狼星的邻星Sirius B）的表面重 力约等于地球表面的18万倍。
量是如此之大，半径十公里的中子星的质量就与太阳的质量相当了。
同白矮星一样，中子星是处于演化后期的恒星，它也是在老年恒星的中心形成 的。只不过能够形成中子星的恒星，其质量更大罢了。根据科学家的 计算，当老年恒星的质量为太阳质量的倍时，它就有可能最后变为一 颗中子星，而质量小于个太阳的恒星往往只能变化为一颗白矮星。
最新宇宙物理与宇宙学ppt课件
第二十三章 天体物理与宇宙学
星系团碰撞
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大学物理学（第二版）电子教案 五、整个宇宙
第二十三章 天体物理与宇宙学
宇宙全景图 Page‹#›
大学物理学（第二版）电子教案
第二十三章 天体物理与宇宙学
23－2 宇宙天体运动规律*
一、万有引力规律
万有引力定律：自然界中任何两个物体都是相互吸引的， 引力的大小与两物体的质量的乘积成正比，与两物体间距 离的平方成反比。
10-44秒 粒子形成
3105年 宇宙透明
4109年 恒星形成
1010年 古生代
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第二十三章 天体物理与宇宙学
二、暴胀(inflaionary universe)时的宇宙
假设：宇宙在10-35 s至10-33 s之间发生暴胀。在此期间，宇 宙的直径大约由10-26 m暴增1050倍，至1024 m (～30 Mpc) 。 在10-33 s时，暴胀终止，膨胀速率变得与标准模型相同。
《黑人谈河流》 这首诗是休斯在乘车去墨西哥的旅途中一气呵成的，他自己说 “用了十分钟至一刻钟时间”。列车缓缓地从密西西比河上的铁桥 上驶过，诗人由这条古老的河想到黑人的命运，想到林肯总统为了 废除奴隶制，亲自乘木筏沿着密西西比河顺流而下到新奥尔良，又 想到黑人过去生活中的其他河流。本诗就这样产生了。
广义相对论解决了上述两问题：狭义相对论指出时空的 内在联系，但未表明时空与物质的联系。将相对性原理推 广到一切参照系，把引力同时空的几何性质联系起来，物 质、引力场和时空三者联结为一整体，建立了新引力理论。
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第二十三章 天体物理与宇宙学
《天体物理小知识》课件
天体物理学家参与设计和实施空间探测任务，探索 太阳系和宇宙深空中的天体。
载人航天
天体物理学家为载人航天任务提供技术支持 和科学指导，确保宇航员的安全和任务成功 。
宇宙探索
暗物质和暗能量的性质，揭示宇宙中
隐藏的物质和能量。
宇宙微波背景辐射
02
天体物理学家研究宇宙微波背景辐射，了解宇宙大爆炸后宇宙
天体物理的研究范围
总结词
天体物理的研究范围包括天体的结构、组成、演化过程、相互作用以及宇宙的 起源和演化等。
详细描述
天体物理的研究范围非常广泛，包括恒星的形成和演化、行星和卫星的物理特 性、星系的结构和演化、宇宙射线、黑洞和暗物质等。这些研究有助于我们深 入了解宇宙的起源和演化，以及天体的形成和演化过程。
值。
04
天体物理现象
黑洞
黑洞是一种极度密集的天体，其引力强大到连光也无法逃逸 。黑洞的形成通常与恒星死亡有关，当一颗质量巨大的恒星 耗尽燃料并发生超新星爆炸后，其核心可能会坍缩形成黑洞 。
黑洞的内部被称为事件视界，任何进入这个区域的物质和光 线都会被无情地吞噬，永远无法返回。尽管我们无法直接看 到黑洞，但可以通过观测黑洞对周围环境的影响来推断其存 在。
宇宙射线研究
天体物理学家研究宇宙射 线，了解其产生机制、传 播途径和与天体的相互作 用。
星系和恒星演化
通过观测星系和恒星的演 化过程，天体物理学家能 够揭示宇宙的起源、演化 和最终命运。
航天技术
卫星导航
天体物理学家利用卫星轨道和时间测量技术 ，为全球卫星导航系统提供精确的定位和时 间服务。
空间探测
行星探索
人类通过探测器对行星进行探索，已 发现多个可能适宜人类居住的行星。
卫星
载人航天
天体物理学家为载人航天任务提供技术支持 和科学指导，确保宇航员的安全和任务成功 。
宇宙探索
暗物质和暗能量的性质，揭示宇宙中
隐藏的物质和能量。
宇宙微波背景辐射
02
天体物理学家研究宇宙微波背景辐射，了解宇宙大爆炸后宇宙
天体物理的研究范围
总结词
天体物理的研究范围包括天体的结构、组成、演化过程、相互作用以及宇宙的 起源和演化等。
详细描述
天体物理的研究范围非常广泛，包括恒星的形成和演化、行星和卫星的物理特 性、星系的结构和演化、宇宙射线、黑洞和暗物质等。这些研究有助于我们深 入了解宇宙的起源和演化，以及天体的形成和演化过程。
值。
04
天体物理现象
黑洞
黑洞是一种极度密集的天体，其引力强大到连光也无法逃逸 。黑洞的形成通常与恒星死亡有关，当一颗质量巨大的恒星 耗尽燃料并发生超新星爆炸后，其核心可能会坍缩形成黑洞 。
黑洞的内部被称为事件视界，任何进入这个区域的物质和光 线都会被无情地吞噬，永远无法返回。尽管我们无法直接看 到黑洞，但可以通过观测黑洞对周围环境的影响来推断其存 在。
宇宙射线研究
天体物理学家研究宇宙射 线，了解其产生机制、传 播途径和与天体的相互作 用。
星系和恒星演化
通过观测星系和恒星的演 化过程，天体物理学家能 够揭示宇宙的起源、演化 和最终命运。
航天技术
卫星导航
天体物理学家利用卫星轨道和时间测量技术 ，为全球卫星导航系统提供精确的定位和时 间服务。
空间探测
行星探索
人类通过探测器对行星进行探索，已 发现多个可能适宜人类居住的行星。
卫星
天体物理复习PPT
通信问题
• 从半人马座a星向地球发电报，无线电波要走４ 年多才能达到，那里要收到回电，则需等８～ ９年。如果是３万光年的距离，则来回要６万 年。 • 要能走这么远的无线电波，需要一颗中等恒星 的发射功率、发报机的球形天线半径达１５０ ０万千米。这样强大的通信电台是无法建在地 球上的，它发射的强大能量会即刻把地球毁灭 掉。即使是在离地球１００个天文单位的地方 建１座球形天线半径为５０００千米、作用距 离为１万光年的无线电发射台，所以材料的质
宇宙的含义
• 英文：Universe —— 天地万物，强调物 质现象的总和。Cosmos —— 来自希腊 文，还有井然有序之义，强调的是整体宇 宙的结构或构造。 • 中文: “四方上下曰宇, 往古来今曰宙， 以喻万物。” ——《淮南子· 原道训》 即空间和时间的总和，最为完备和科学， 体现了中国古代劳动人民所具有的伟大智
哈勃望远镜拍到的照片。图中几 个蓝色的椭圆圈，是同一个幼年星系 在橙色星系团的引力透镜作用下形成 的多个虚像。
宇宙的现代概念----无限
• 宇宙是指广漠空间和其中存在的各种天体 以及弥漫物质的总称，并且宇宙是处于不 断的运动和发展之中的。
• 人类目所能及的地方以及人类还没有看到 但是仍然存在的物质都是宇宙。 • 天文学上的总星系即所谓的“可观测宇 宙”。
何谓天体物理学？
• 天体物理 = 天 体 | 物 理 （天文学） |（物理学） • 天体物理学是应用物理学的技术、方法和 理论，研究天体的形态、结构、化学组成、 物理状态和演化规律的天文学分支学科， 属于边缘学科之一。
宇宙到底有多大？
• 天上的星星确实最多，比地球上的人口多得多。但不是 最暗、最小的。 • 数不清的星星，是与太阳一样能发光的恒星，许多比太 阳大得多、亮得多。月亮是地球的一颗卫星，是最小的。 • 地球与水、金、火、木、土、天王、海王、（冥王）等 行星和一些小行星及彗星围绕太阳运行。 • 除水星、金星外，其他行星都有卫星，有的多达几十颗。 • 这些行星、卫星、小行星和彗星与太阳一起构成太阳系。 • 太阳系中的所有天体都跟随太阳围绕银河中心运行。 • 太阳只是银河系中１千多亿颗恒星中的一颗。而宇宙中 还有亿万个像银河系这样的星系。
天体物理课件
三、大爆炸宇宙学
• 宇宙学原理：宇宙在大尺度上是均匀癿
稳恒态宇宙学
• 宇宙无边无际，无始无终，基本保持同一状态 • ----若宇宙有限，其边界在何处？边界外是什么？ • ----若宇宙有限，则有中心，其中心在何处？
奥伯斯佯谬----夜空为什么是黑癿
• 一个恒星癿星光按距离平斱反比减弱 • 一个同厚度同心天球壳内癿恒星数按距离平斱 正比扩大 • ----此球壳癿亮度不距离无关，为常数 • ----宇宙无限，无限多个球 • 壳癿总亮度是无限大 • ----天空永进无限亮
星系团
• 几百个星系组成 • 直径达几百万到几千万光年 • 本星系群：银河系，仙女星系，三角星系，大 麦哲伦星云等组成
• 星座：
• 用假想的线条将亮星连接起来，构成各种各样 的图形，或人为地把星空分成若干区域，这些 图形连同它们所在的天空区域，西方叫做星座。 • 1928年，国际天文联合会正式公布了88个 星座， • 星座大小相差悬殊，所含星数也各不相同， 同一星座的星无任何物理联系。 • --星座不是星系!也不是星团!
一、天文测量 距离
• 单位 天文单位—地球到太阳之间距离 光年 • 方法 三角规差法 恒星光谱法 造父变星法 最亮恒星法
三角规差法
• 从已知距离癿两点测星体
造父变星法
• 造父变星法 • ----规星等，绝对星等(设移至32.6光年进处所见 星等) • 太阳:规星等 -26.7等; 绝对星等 4.85等 • 织女星:规星等 0.03等; 绝对星等0.6等 • ----二者之差只不距离有关
• 质光定律：恒星光度不其质量癿六次斱成正比 • 原因：质量大—>相互引力大 • —>平衡引力癿内部压力大 • (由热能和辐射能引起) • —>更快燃烧—>更亮 • 推论：越年轻越亮
天体物理学南京大学课件
1. 恒星的光度和亮度 • 光度L (luminosity)：天体在单位时间内辐射的
总能量，是恒星的固有量。 • 亮度F (brightness)：在地球上单位时间单位面
积接收到的天体的辐射量。 视亮度的大小取决于三个因素：天体的光度、 距离和星际物质对辐射的吸收和散射。
•
2. 视星等m (apparent magnitude)
m1－m2=－2.5log (F1/F2) 或m =－2.5log (F/F0)，其中F0为定标常数。
•
部分天体的视星等
•
(2) 恒星的温度和颜色
•Betelgeus e
•Rigel
•
(3) 视星等的种类
• 视星等的测量通常是在某一波段范围内进行的 。
• 根据测量波段的不同，视星等可以分为目视星 等、照相星等和光电星等，在全波段测量得到 的星等称为热星等。
•
• 谱线与恒星的化学成分 不同元素的原子具有不同的结构，因而有不 同的特征谱线。
•
通过比较太阳光谱 和实验室中各种元 素的谱线，可以确 定太阳大气的化学 成分。
按质量计， 70%H, 28% He和 2%重元素。 按数目计， 90.8%H, 9.1%He和 0.1%重元素。
•
4. 谱线位移
• Doppler谱线位移 (Doppler shift) 由于辐射源在观测者视线 方向上的运动而造成接收 到的电磁辐射波长或频率 的变化。 远离（接近）观测者辐射 源发出的电磁辐射波长变 长（短），称为谱线红移 （蓝移）。
原子结构：原子核 + 围绕原子核旋转的电子（云）。 （量子化的）电子轨道的大小反映了原子能态的高低
。
•
• 当电子从高能态跃迁到低能态，原子释放光子 ，产生发射Fra bibliotek；反之产生吸收线。
总能量，是恒星的固有量。 • 亮度F (brightness)：在地球上单位时间单位面
积接收到的天体的辐射量。 视亮度的大小取决于三个因素：天体的光度、 距离和星际物质对辐射的吸收和散射。
•
2. 视星等m (apparent magnitude)
m1－m2=－2.5log (F1/F2) 或m =－2.5log (F/F0)，其中F0为定标常数。
•
部分天体的视星等
•
(2) 恒星的温度和颜色
•Betelgeus e
•Rigel
•
(3) 视星等的种类
• 视星等的测量通常是在某一波段范围内进行的 。
• 根据测量波段的不同，视星等可以分为目视星 等、照相星等和光电星等，在全波段测量得到 的星等称为热星等。
•
• 谱线与恒星的化学成分 不同元素的原子具有不同的结构，因而有不 同的特征谱线。
•
通过比较太阳光谱 和实验室中各种元 素的谱线，可以确 定太阳大气的化学 成分。
按质量计， 70%H, 28% He和 2%重元素。 按数目计， 90.8%H, 9.1%He和 0.1%重元素。
•
4. 谱线位移
• Doppler谱线位移 (Doppler shift) 由于辐射源在观测者视线 方向上的运动而造成接收 到的电磁辐射波长或频率 的变化。 远离（接近）观测者辐射 源发出的电磁辐射波长变 长（短），称为谱线红移 （蓝移）。
原子结构：原子核 + 围绕原子核旋转的电子（云）。 （量子化的）电子轨道的大小反映了原子能态的高低
。
•
• 当电子从高能态跃迁到低能态，原子释放光子 ，产生发射Fra bibliotek；反之产生吸收线。
天体物理学与宇宙的起源与演化
天体物理学与宇宙的起源与演化天体物理学是一门研究宇宙中天体物理现象及其规律的学科，涉及到宇宙的起源、宇宙的演化、恒星形成和死亡等领域。
通过对宇宙的观测和理论研究，天体物理学揭示了宇宙的奥秘，对于我们理解宇宙的起源和演化过程具有重要意义。
一、宇宙的起源宇宙的起源是人类关注的一个重要问题，在历史上，人们曾有各种关于宇宙起源的假说。
直到现在，宇宙的起源依然是一个复杂而有待解答的问题。
大爆炸理论是目前被广泛接受的宇宙起源假说之一。
根据大爆炸理论，宇宙起源于约138亿年前的一个极端高温高密度的初始状态，随着时间的推移，宇宙经历了膨胀、冷却和结构形成的过程。
在天体物理学中，通过对遥远星系的观测，人们发现宇宙在膨胀，并且在起源时的物质密度是非常高的。
这种观测结果与大爆炸理论相吻合，进一步验证了宇宙起源于一个初始极端状态的观点。
二、宇宙的演化宇宙的演化是指宇宙从起源到现在的发展历程。
在宇宙的演化过程中，恒星、星系以及宇宙背景辐射等物体都经历了不同的演化阶段。
在恒星方面，根据恒星质量不同，其演化过程也存在差异。
例如，质量较小的恒星，会经历氢核聚变、红巨星演化，并在恒星死亡时释放能量形成白矮星。
而质量较大的恒星，则可能发生超新星爆炸，形成中子星或黑洞。
而在星系演化方面，星系是由大量的恒星和星际物质组成的系统。
通过对星系的观测，人们发现星系在演化中呈现出多样的形态，例如椭圆星系、螺旋星系以及不规则星系等。
这些形态的演化与星系内恒星的形成和相互作用等因素密切相关。
此外，宇宙背景辐射也是宇宙演化的重要指标之一。
宇宙背景辐射是宇宙大爆炸后剩余的微波辐射，它的观测结果为宇宙大爆炸理论提供了有力的验证依据。
三、未解之谜与研究方向尽管天体物理学在宇宙起源和演化方面取得了许多重要成果，但仍然有一些未解之谜值得我们进一步研究。
一个重要的问题是关于暗物质和暗能量的存在与性质。
根据观测数据，我们可以推测宇宙中存在着大量的无法直接观测到的物质和能量，即暗物质和暗能量。
天体运动课件ppt
未来的天体运动研究将更加注重数值模拟和理论分析，以更好地理解天体的运动规律和演化过程。
随着观测技术的不断进步，对天体的观测数据将更加精确和全面，有助于我们发现更多未知的天体现象。
天体运动研究将更加注重与其他学科的交叉融合，如物理学、化学、生物学等，以更全面地揭示宇宙的奥秘。
感谢观看
THANKS
02
天体运动的物理原理
总结词
描述任意两个质点之间相互吸引的力，与它们的质量成正比，与它们之间距离的平方成反比。
详细描述
万有引力定律是牛顿发现的自然规律，它指出任意两个质点之间都存在相互吸引的力，这个力的大小与它们的质量成正比，与它们之间距离的平方成反比。这个定律是解释天体运动规律的基础。
总结词
宇宙的演化
06
天体运动的未来探索
未来的探测任务将更加注重寻找生命的迹象，如氨基酸、核酸等有机分子，以及可能存在的微生物化石等。
通过对外太空生命的探测和研究，我们可以更深入地了解地球生命的起源和演化，以及宇宙中生命存在的可能性。
随着天体生学的发展，越来越多的天体被认为可能存在生命，如火星、木卫二和土卫六等。
银河系的结构
银河系是一个包含数千亿颗恒星的巨大星系，由恒星、星团、星云、星际物质和黑洞等组成。
银河系的自转
银河系是一个旋转的星系，具有一个中心旋转轴，整个星系围绕这个轴进行旋转。
星系的形成始于宇宙大爆炸后，气体和尘埃在引力的作用下聚集，形成了恒星、星团和星云等天体。
星系的形成
随着时间的推移，星系中的恒星、星团和星云等天体在不断地演化，形成了各种类型的星系，如旋涡星系、椭圆星系和不规则星系等。
描述行星绕太阳运动的规律，包括轨道定律、面积定律和周期定律。
要点一
物理学中的宇宙学与天体物理现象
物理学中的宇宙学与天体物理现象当我们仰望星空，那无尽的深邃和神秘总是引人遐想。
在物理学的领域中，宇宙学和天体物理学为我们揭开了宇宙中诸多奇妙现象的面纱，让我们对这个广袤无垠的宇宙有了更深刻的认识。
宇宙学，顾名思义，是研究整个宇宙的学科。
它试图回答一些最为根本的问题：宇宙是如何诞生的？它的未来又将走向何方？根据目前最被广泛接受的大爆炸理论，大约138 亿年前，宇宙从一个密度极高、温度极高的奇点开始迅速膨胀，从而形成了我们如今所看到的宇宙。
在这个过程中，物质和能量逐渐冷却和演化，形成了恒星、星系等各种天体。
而天体物理学则更加专注于研究天体的物理性质和过程。
从我们熟悉的太阳，到遥远的星系团，天体物理学家们试图通过观测和理论分析来理解这些天体的形成、结构、演化以及它们所表现出的各种现象。
让我们先来看看恒星。
恒星是宇宙中最为常见的天体之一，它们就像是宇宙中的巨大熔炉，通过核聚变将氢转化为氦，并释放出巨大的能量。
太阳就是一颗典型的恒星，它的光芒和热量给予了地球生命存在的可能。
恒星的一生经历了多个阶段，从诞生于巨大的分子云，到主序星阶段，再到最后的衰老和死亡，每个阶段都有着独特的物理过程。
当恒星内部的氢燃料消耗殆尽时，它会根据自身的质量走向不同的结局。
质量较小的恒星会膨胀成为红巨星，然后逐渐抛掉外层物质，形成一个被称为白矮星的致密天体。
而质量较大的恒星则可能经历更为剧烈的过程，如超新星爆发。
在超新星爆发时，恒星会在短时间内释放出极其巨大的能量，其亮度甚至可以超过整个星系。
爆发后的残骸可能会形成中子星，甚至是神秘的黑洞。
黑洞是天体物理学中最为神秘和令人着迷的对象之一。
由于其强大的引力，任何物质一旦进入黑洞的事件视界，就再也无法逃脱。
黑洞的存在可以通过它对周围物质的影响来间接观测到。
例如，当物质被吸入黑洞时，会形成一个围绕黑洞旋转的吸积盘，吸积盘中的物质在高速旋转和摩擦中会释放出强烈的辐射，从而被我们探测到。
除了恒星和黑洞，星系也是天体物理学研究的重要对象。
天体物理学的发展讲义.ppt
我国科学家建造世界最大射电望 远镜 可探测宇宙信号
二、匹克林谱系 之谜
1896年,美国天文学家匹克林在哈佛天文观测台的第 12号通报中宣布: “弗莱明夫人发现船尾座ζ 星的光谱非常特殊,和别 的光谱都不一样","这6根线很像氢光谱线那样,形成 有规律的谱线,显然,这是出自其它星体或地球上尚 未发现的某种元素".当时,还在通报上发表了拍得的 照片,从照片上可以明显地看到,有4根谱线与氢的巴 耳末系Hα ,Hβ ,Hγ ,Hδ ,Hε 互相间隔,极有规律.
天体物理学的发展
饶志明 2014.11.24
天文学家确认144.6亿岁最长寿恒星
• • 一个天文学家研究团队再次确定宇宙中迄今最古老恒星HD 140283的年龄，或比既定宇 宙的年龄还要大，这意味着宇宙比它看起来还要老。 宇宙是由一个致密炽热的奇点于137亿年前一次爆炸后膨胀形成的。1929年，美国 天文学家哈勃提出星系的红移量与星系间的距离成正比的哈勃定律，并推导出星系都在 互相远离的宇宙膨胀说。基于这一推论，宇宙中一切天体的年龄都不应超出这个“宇宙 龄”所界定的上限。恒星的年龄可以从它们的发射功率和拥有的燃料储备来估计。根据 热核反应提供恒星能源的理论，人们得到的天体年龄竟与“宇宙龄”协调一致，这对大 爆炸宇宙模型当然是十分有力的支持。 恒星HD 140283距离地球190光年，位于天秤座星群里的贫金属次巨星，其视星等 7.223，几乎由氢和氦组成，铁含量不到太阳的1%。2013年，天文学家最初确定其年龄 时，不禁感到困惑了。根据宇宙微波背景辐射估计，目前宇宙年龄为138.17亿岁。而它 似乎大约有144.6亿岁，比宇宙本身还大。这种罕见的恒星似乎相当古老，以至于可以 将其称为长寿之星了。此外，其作为一个高速的恒星为人所知有一个世纪左右，但它在 太阳附近存在和其组成却有悖于理论。 当然，最终揭示这颗“老寿星”的年龄估计误差实际上比原来的研究更宽泛，天文 学家给这个边际增加了8亿年。该误差边际可能会使这个在宇宙中已知最早的星体年轻 了许多，但仍在自大爆炸以来的时间界限内。但是，在这个年龄的上限是什么？ 目前，土耳其安卡拉大学的比罗尔提出是否有种可能：这颗恒星与最初测量的一样 老，但仍处于“大爆炸的边缘”？他采用宇宙辐射模型（RUM），计算宇宙年龄为 148.85±0.4亿岁，最低限度的比微波背景辐射估计推算宇宙的年龄稍微年长一些，随之 也很容易地调整出HD 140283的原始年龄。 比罗尔的RUM理论给哈勃常数提出了一种新的动态值，表明自从大爆炸后44亿年 宇宙膨胀已经加速，很可能容纳了暗能量。此外，这种加速增长率本身是缓慢的，转而 可能由暗物质占据。暗物质和暗能量已被广泛讨论、争议的物理现象，但有观测证据表 明它们是真实的。此外，RUM暗示描述量子大小的普朗克常数并非是单纯的常数，而 是一个宇宙变量。2014-11-17
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赠每的送次VI的发P类共放型的享决特文定权档。有下效载期特为权1自个V月IP，生发效放起数每量月由发您放购一买次，赠 V不 我I送 清 的P生每 零 设效月 。 置起1自 随5每动 时次月续 取共发费 消享放， 。文一前档次往下，我载持的特续账权有号，效-自
• 天体物理学是应用物理学的技术、方法和 理论，研究天体的形态、结构、化学组成、 物理状态和演化规律的天文学分支学科， 属于边缘学科之一。
天体
宇宙的基本特性 • 物质性：天体——多样性 • 运动性：天体系统——层次性
什么是天体？ • 天体指宇宙中所有的物质。
天体的类型
• 自然天体：恒星、行星、卫星、星云、流 星、彗星、星际物质（气体和尘埃）；
大爆炸说
• 伽莫夫认为，宇宙最初是一 个温度极高、密度极大的由 最基本粒子组成的“原始火 球”。根据现代物理学，这 个火球必定迅速膨胀，它的 演化过程好像一次巨大的爆 发。由于迅速膨胀，宇宙密 度和温度不断降低，在这个 过程中形成了一些化学元素 （原子核），然后形成由原 子、分子构成的气体物质. 气体物质又逐渐凝聚起星云， 最后从星云中逐渐产生各种 天体，成为现在的宇宙。
宇宙到底有多大？
• 天上的星星确实最多，比地球上的人口多得多。但不是 最暗、最小的。
• 数不清的星星，是与太阳一样能发光的恒星，许多比太 阳大得多、亮得多。月亮是地球的一颗卫星，是最小的。
• 地球与水、金、火、木、土、天王、海王、（冥王）等 行星和一些小行星及彗星围绕太阳运行。
• 除水星、金星外，其他行星都有卫星，有的多达几十颗。 • 这些行星、卫星、小行星和彗星与太阳一起构成太阳系。 • 太阳系中的所有天体都跟随太阳围绕银河中心运行。
天体和天体系统 ppt课件
天体和天体系统
• 恒星并非是永远不动的，只是因为它们 距离我们非常遥远，我们察觉不到它们 的运动而已。
• 恒星也不是永远不变的，也有其诞生、 成长、衰老、灭亡的过程。
10万年前的北斗星 现在的北斗星
10万年后的北斗星
天体和天体系统
星云是由气体和尘埃物质组成的云雾状天 体，其物质密度非常低，大约在每立方 厘米的空间内只有10到100个原子，以 地球的标准来说，简直比真空还空。但 星云的体积非常庞大，其直径往往可达 几十光年，因此一般星云也都具有很大 的质量（相当于几百甚至上千个太阳的 质量）。
人造天体
人造卫星、宇宙火箭、空间实验室、 月球探测器、行星探测器、行星际 探测器等
仙女 星系
天体和天体系统
恒星是由炽热气体组成的能自己发光的天 体，一般具有较大的体积和质量。
例如，距离地球最近的恒星——太阳，它的体 积是地球的130万倍，质量是地球的33万倍。 在所有的恒星序列当中，太阳只是一颗普通的 中等恒星。
银河系
由两千多亿颗恒星组成，平均 半径约为4万光年。
总星系
由将近10亿个星系组成，平均 半径约为150亿光年。
银河系
地月系
约8万光年 约3万光年
星云
相比于其他天体，恒星和星云都具 有较大的体积和质量
与恒星相比，星云的质量和体积更 大，但是密度要小得多
天体和天体系统
行星是围绕恒星在椭圆轨道上运行的近 似球形的天体。
行星的质量较恒星要小得多，也不能自己发光，靠反 射恒星的光芒而被人们所观测。我们所观测到的行星 主要是太阳系以内的行星，由于距离地球较近，在相 对稳定的恒星背景下，可以看到明显的运动，因此叫 行星。
• 一颗完整的彗星由彗核、彗发和彗尾三 部分组成。
专题五天体物理学与宇宙学详解演示文稿
2.巨星：
①主序星以后，恒星进入老年期—红巨星阶段 巨：体积大=10~100太阳，红：表面温度低，发光偏红 虽T低，但体积大：总的光度高 ②红巨星的形成：
主序星：中心核聚变（4H—He），释放E，形成辐射压，
向外的辐射压=向内的引力，体积大致平衡
红巨星：H燃烧形成He，He增加，H减少。 聚变反应减慢，释放的E减少，辐射压减小。引力占上风！ 外层向内收缩，内部密度，压强，温度增大。 此时，He周围的H燃烧，向He核推进，导致内核收缩，外壳 膨胀，外层温度降低——红巨星。
1.太阳系：太阳＋绕日天体
（1）太阳：
发光，炽热，气体球
表：6000K，中心：1.5107 K
占太阳系99%的质量
相当于33.3万个地球
直径=109 d地
第6页，共45页。
（2）地球：
略扁，旋转，椭球体。 太阳系八大行星之一
地核
陆地
内 部
地幔 地壳
外 部
海洋 大气
第7页，共45页。
（3）月亮：
（3）超新星爆发：
红巨星后，核中心聚变停止，开始冷却，辐射压降低。
引力>>压力，导致整个星体向中心塌缩，内部温度大大提高。 内部在高温下爆炸，非常明亮，产生超新星！
超新星爆发是恒星死亡的一种形式，其结果： A.恒星瓦解成星云；B.抛掉大量物质，塌缩成白矮
星、中子星、黑洞。
第41页，共45页。
恒星的演化和归宿的大致过程
第3页，共45页。
宇宙的主要成分包括：星系、恒星和星团、星云（星际 气体和尘埃云）。还有许多较小的成分，如行星、卫 星、彗星和流星。除了这些天体和弥漫的暗物质外， 宇宙还含有引力场及各种形式的辐射，如可见光、电 磁波、X射线等等。
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第19章 天体物理与宇宙学简介
§19.1 广义相对论 §19.2 致密星 §19.3 宇宙学简介
1
天体物理是天文学中最年轻的一门分支学科， 它应用物理学的技术、方法和理论来研究各类天 体的形态、结构、分布、化学组成、物理状态和 性质以及它们的演化规律.
宇宙学是研究宇宙形成和演化的科学，它的任 务是研究大尺度时空的整体结构和演化.
d A g0A0 dt A
14
d B g0B0 dt B
B A
d A d B
g0A0 g0B0
15
五、引力辐射
1918年，爱因斯坦就根据广义相对论预言了引力 波的存在. (1)寻求场方程的弱场辐射解； (2)寻求严格的场方程的特解.
的，而现在却看到，它之所以优越是因为在这种参 考系中消除了引力的作用.
在牛顿体系中，惯性系是决定于绝对空间的，它 不受物质运动的影响. 现在，一个做自由落体运动的
7
实验室才是一个局部惯性系，显然它是决定于物质 的分布及运动的.
总之，引力的作用使大范围的惯性系不再存在， 只能存在局部惯性系，而这些局部惯性系之间的关 系则由引力确定.
5
注意：实际的引力场不可能是均匀的，常常只在局 部范围中才能近似是均匀的.
原则上说，只有在一个点状的自由下落体系中才 能完全消除引力的一切现象.这就是必须强调“局部” 一词的原因.
2.广义相对性原理 爱因斯坦在将狭义相对性原理进一步推广到非
惯性系时，提出了广义相对性原理：
一切参考系都是平权的.或换言之，客观真实的 物理规律应该在任意坐标变换下形式不变——广义 协变性. (1)等效原理与广义相对性原理取消了惯性系的优越 地位，使一切参考系都平权； (2)一个正确的物理规律必须考虑引力场的影响.
引力的作用就在于决定了各个局部惯性系，而 参考系是描写物质运动的时空背景.因此，引力实质 上是通过决定时空背景的性质来影响物质的运动.
8
三、爱因斯坦场方程
在相对论中，质点的运动用四个函数xμ来描 写，称为世界线.
若有两个事件在这个坐标系中的坐标分别是xμ 及xμ＋dxμ ，则其固有时间隔是
ds2 gdxdx
11
广义相对论与牛顿引力理论有几个根本的不同点： (1)牛顿理论中引力是超距离作用，而广义相对论中引 力以光速传播； (2)牛顿理论中时空与物质存在与否无关，永远是平直 的，而广义相对论中物质的存在与运动会影响时空性 质，时空是弯曲的； (3)牛顿理论中有引力的概念，而广义相对论中引力已 被几何化.
2
§19.1 广义相对论
广义相对论是关于时间、空间和引力的理论。 是现代天体物理（包括宇宙）和粒子物理（引力的 量子论）的理论基础。
一、等效原理和广义相对性原理
1.等效原理 引力质量与惯性质量原本是两个毫无关系不同的
概念．然而, 多次的精确实验表明，对于各种材料,引 力质量等于惯性质量。
在牛顿理论中，把上述看成完全不能加以解释的 公理，并简单地认为是出于偶然，没有这个事实， 牛顿理论照样成立。
10
通过比较牛顿理论中的泊松方程和广义相对论中的 短程线偏离方程来建立引力场方程.
由此，我们得到爱因斯坦引力场方程
R
1 2
g
R
8G
c4
T
其中R是Ricci曲率张量，R是Ricci曲率标量， T是物质的能动张量. 爱因斯坦场方程满足：
(1) 在牛顿近似下(即引力场为弱场、物质分布为静 态)，场方程退化为牛顿引力理论的泊松方程； (2) 场方程是广义协变的； (3) 能动张量守恒T ，＝0.
3Leabharlann 但爱因斯坦却从这一实验事实中，找到了新理 论的重要线索。
设参考系K，是一个惯性系，物体只受引力m引g.则 牛顿定律是:
m惯a＝m引g a＝g
若密封参考系K/，相对于K的加速度为g，则是一 个非惯性系(惯性力-m惯g) , 物体加速度为 a/+g，有
m惯(a/＋g)＝m引g a/＝0
结论是：在引力场中自由下落的密封实验室内，一切 力学现象就如同在一个没有引力场的惯性系中一样.
12
四、引力红移
1. 均匀引力场中引力红移 设光在近地引力场中传播，引力加速度为g
处在自由下落的一个实验室,
高为h.发光时刻实验室相对于
地球是静止的
h 光
按照等效原理，实验室参考系中没 o 有引力，光速为c. 则
t/＝h/c，频率为ve
相对于地球静止的观察者 根据多普勒效应，则
e
1 u/c
1
e
gh/ c2
6
二、局部惯性系
消除了引力的参考系，称为局部惯性系. 1.局部惯性系符合惯性系的定义.
只有在局部惯性系中，才真正找得到“没有外力 的环境”，并且在这个环境中的确仍满足惯性定律. 2. 局部惯性系比牛顿体系中的惯性系概念更明确也 更一般.
牛顿体系中大范围的、甚至全空间统一的惯性系 是不存在的.
在牛顿体系中不可能理解为什么惯性系是“优越”
g
13
2. 太阳表面发出的光到达地球时的红移 一般的静态引力场,设光源和接收器都静止在引力
场中. 考虑波场中相邻的两个波阵面分别经过A点和B
点，有
t1B t1A t2B t2A t2A t1A t2B t1B
dt A dtB
对于引力场中一点发生的过程，静止标准钟和静止 坐标钟读数之间的关系为
固有时间隔中的g就是时空度规.物理时空的度 规就是描写引力最基本的量，它决定了时空的几
何性质
爱因斯坦假设：时空度规并非狭义相对论中的平直
度规，在引力场中自由下落物体的世界线就是时空
的短程线.
于是，把沿短程线运动的观测者视为时空的背景
观测者.
9
此时，引力是时空结构的一个方面，即引力被几 何化了.如 1. 放置在地球表面的物体 牛顿观点：物体受引力和地面支承力，二平衡力， 因此它处于静止状态. 广义相对论观点：作用于物体上的力仅为地面支承 力.在此力作用下，物体以9.8 m/s2的加速度(偏离短 程线)运动. 2. 绕地球运动的人造卫星 牛顿观点：在引力的作用下，卫星绕地球作椭圆运 动. 广义相对论观点：卫星不受力，在时空中沿短程线 运动.
或 任何物理实验（包括力学电磁和其它等等）都 不能区分引力和惯性力的效果。
4
这表明匀加速运动的非惯性系与一个均匀的恒定引 力场是等效的。
K gg
K K/
g
K参考系中，加速度g
K/参考系中, 加速度a/＝0
爱因斯坦把它总结为等效原理: 在局部范围内，我们可以把引力作用从一切现象
中消除掉. 等效原理是引力理论的最基本原理.
§19.1 广义相对论 §19.2 致密星 §19.3 宇宙学简介
1
天体物理是天文学中最年轻的一门分支学科， 它应用物理学的技术、方法和理论来研究各类天 体的形态、结构、分布、化学组成、物理状态和 性质以及它们的演化规律.
宇宙学是研究宇宙形成和演化的科学，它的任 务是研究大尺度时空的整体结构和演化.
d A g0A0 dt A
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d B g0B0 dt B
B A
d A d B
g0A0 g0B0
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五、引力辐射
1918年，爱因斯坦就根据广义相对论预言了引力 波的存在. (1)寻求场方程的弱场辐射解； (2)寻求严格的场方程的特解.
的，而现在却看到，它之所以优越是因为在这种参 考系中消除了引力的作用.
在牛顿体系中，惯性系是决定于绝对空间的，它 不受物质运动的影响. 现在，一个做自由落体运动的
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实验室才是一个局部惯性系，显然它是决定于物质 的分布及运动的.
总之，引力的作用使大范围的惯性系不再存在， 只能存在局部惯性系，而这些局部惯性系之间的关 系则由引力确定.
5
注意：实际的引力场不可能是均匀的，常常只在局 部范围中才能近似是均匀的.
原则上说，只有在一个点状的自由下落体系中才 能完全消除引力的一切现象.这就是必须强调“局部” 一词的原因.
2.广义相对性原理 爱因斯坦在将狭义相对性原理进一步推广到非
惯性系时，提出了广义相对性原理：
一切参考系都是平权的.或换言之，客观真实的 物理规律应该在任意坐标变换下形式不变——广义 协变性. (1)等效原理与广义相对性原理取消了惯性系的优越 地位，使一切参考系都平权； (2)一个正确的物理规律必须考虑引力场的影响.
引力的作用就在于决定了各个局部惯性系，而 参考系是描写物质运动的时空背景.因此，引力实质 上是通过决定时空背景的性质来影响物质的运动.
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三、爱因斯坦场方程
在相对论中，质点的运动用四个函数xμ来描 写，称为世界线.
若有两个事件在这个坐标系中的坐标分别是xμ 及xμ＋dxμ ，则其固有时间隔是
ds2 gdxdx
11
广义相对论与牛顿引力理论有几个根本的不同点： (1)牛顿理论中引力是超距离作用，而广义相对论中引 力以光速传播； (2)牛顿理论中时空与物质存在与否无关，永远是平直 的，而广义相对论中物质的存在与运动会影响时空性 质，时空是弯曲的； (3)牛顿理论中有引力的概念，而广义相对论中引力已 被几何化.
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§19.1 广义相对论
广义相对论是关于时间、空间和引力的理论。 是现代天体物理（包括宇宙）和粒子物理（引力的 量子论）的理论基础。
一、等效原理和广义相对性原理
1.等效原理 引力质量与惯性质量原本是两个毫无关系不同的
概念．然而, 多次的精确实验表明，对于各种材料,引 力质量等于惯性质量。
在牛顿理论中，把上述看成完全不能加以解释的 公理，并简单地认为是出于偶然，没有这个事实， 牛顿理论照样成立。
10
通过比较牛顿理论中的泊松方程和广义相对论中的 短程线偏离方程来建立引力场方程.
由此，我们得到爱因斯坦引力场方程
R
1 2
g
R
8G
c4
T
其中R是Ricci曲率张量，R是Ricci曲率标量， T是物质的能动张量. 爱因斯坦场方程满足：
(1) 在牛顿近似下(即引力场为弱场、物质分布为静 态)，场方程退化为牛顿引力理论的泊松方程； (2) 场方程是广义协变的； (3) 能动张量守恒T ，＝0.
3Leabharlann 但爱因斯坦却从这一实验事实中，找到了新理 论的重要线索。
设参考系K，是一个惯性系，物体只受引力m引g.则 牛顿定律是:
m惯a＝m引g a＝g
若密封参考系K/，相对于K的加速度为g，则是一 个非惯性系(惯性力-m惯g) , 物体加速度为 a/+g，有
m惯(a/＋g)＝m引g a/＝0
结论是：在引力场中自由下落的密封实验室内，一切 力学现象就如同在一个没有引力场的惯性系中一样.
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四、引力红移
1. 均匀引力场中引力红移 设光在近地引力场中传播，引力加速度为g
处在自由下落的一个实验室,
高为h.发光时刻实验室相对于
地球是静止的
h 光
按照等效原理，实验室参考系中没 o 有引力，光速为c. 则
t/＝h/c，频率为ve
相对于地球静止的观察者 根据多普勒效应，则
e
1 u/c
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e
gh/ c2
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二、局部惯性系
消除了引力的参考系，称为局部惯性系. 1.局部惯性系符合惯性系的定义.
只有在局部惯性系中，才真正找得到“没有外力 的环境”，并且在这个环境中的确仍满足惯性定律. 2. 局部惯性系比牛顿体系中的惯性系概念更明确也 更一般.
牛顿体系中大范围的、甚至全空间统一的惯性系 是不存在的.
在牛顿体系中不可能理解为什么惯性系是“优越”
g
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2. 太阳表面发出的光到达地球时的红移 一般的静态引力场,设光源和接收器都静止在引力
场中. 考虑波场中相邻的两个波阵面分别经过A点和B
点，有
t1B t1A t2B t2A t2A t1A t2B t1B
dt A dtB
对于引力场中一点发生的过程，静止标准钟和静止 坐标钟读数之间的关系为
固有时间隔中的g就是时空度规.物理时空的度 规就是描写引力最基本的量，它决定了时空的几
何性质
爱因斯坦假设：时空度规并非狭义相对论中的平直
度规，在引力场中自由下落物体的世界线就是时空
的短程线.
于是，把沿短程线运动的观测者视为时空的背景
观测者.
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此时，引力是时空结构的一个方面，即引力被几 何化了.如 1. 放置在地球表面的物体 牛顿观点：物体受引力和地面支承力，二平衡力， 因此它处于静止状态. 广义相对论观点：作用于物体上的力仅为地面支承 力.在此力作用下，物体以9.8 m/s2的加速度(偏离短 程线)运动. 2. 绕地球运动的人造卫星 牛顿观点：在引力的作用下，卫星绕地球作椭圆运 动. 广义相对论观点：卫星不受力，在时空中沿短程线 运动.
或 任何物理实验（包括力学电磁和其它等等）都 不能区分引力和惯性力的效果。
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这表明匀加速运动的非惯性系与一个均匀的恒定引 力场是等效的。
K gg
K K/
g
K参考系中，加速度g
K/参考系中, 加速度a/＝0
爱因斯坦把它总结为等效原理: 在局部范围内，我们可以把引力作用从一切现象
中消除掉. 等效原理是引力理论的最基本原理.