现代空间信息技术导论

思考题

一、请结合宇宙观测的证据（包括宇宙红移、3K背景辐射、恒星光谱特征、赫罗图等），谈谈你对宇宙的结构、形成过程、恒星演化过程的认识。

参考材料：1 宇宙史话宇星,肖军. 工业大学 2010-11

2 文科天文宜编著科学 2010-6

第二章宇宙、地球的起源与演化

遂古之初，谁传道之？上下未形，何由考之？——屈原：《天问》

物类之起，必有所始。——荀子：《劝学》

1 银河系和宇宙起源学说

1．1 银河系结构及太阳的运动

晴夜仰望，但见天穹深邃，星光闪烁，银河高悬，流星飞驰。自古以来，群星构成的壮丽图案不但形成许多动人心弦的神话传说，更激励科学家们去探索宇宙的奥秘。

16世纪前人们只能凭肉眼见到六七千颗星体，著名的银河（Milky Way）仅是一条乳白色亮带。在当时条件下，古代天文学家创建了天体测量学和哥白尼日心学说，认识到太阳系天体运行的现象，解决了人类的授时和编历问题，为史前畜牧经济和以后的农业经济发展作出了重要贡献。

17世纪是人类认识宇宙的一次重要飞跃期。天文望远镜问世、开普勒三定律和万有引力定律建立，标志着人类进入掌握行星层次天体运动规律的新阶段，为人类进入工业经济时代奠定必要的科学基础。

20世纪早期恒星演化理论的建立，反映了天体物理学和现代天文学的进展，标志着人类在恒星层次上实现了认识宇宙的第二次飞跃。

20世纪后半叶是人类对宇宙认识的第三次飞跃期。在研究手段方面建立了大型光学望远镜、红外望远镜和射电望远镜，使天文观测领域扩展到整个电磁波段（含可见光、紫外光、红外光、无线电波、X射线、γ射线）和150亿光年左右时空尺度。观察地点发展到U2高空侦察机、哈勃太空望远镜、宇宙探测器和人类登月，避免了地球大气干扰和局限。理论方面有宇宙大爆炸学说多种模型问世。在人类从星系层次加深对动态宇宙的认识方面是划时代的进步，也与人类自工业经济迈向知识经济时代的转变相适应。

（1）银河系结构

银河系是星系的典型代表，由1500～2000亿颗恒星和无数的星际物质组成。银河系主体部分称银盘，直径8.5×104l.y.（光年）（1l.y.=94600×108km），中央呈近似球形隆起的部分，称为核球，直径104～1.3×104l.y.，厚约104l.y.，是恒星高度密集区域；核球的中心称为银核，是银河系的质心。肉眼见到的银河就是银河系主体在天球上的投影。银盘外围被恒星密度很稀的扁球状银晕所包围，直径达到10×104l.y.（图2-1，左；1×103秒差距

（pc）=3261.6l.y.）。

从垂直银河系平面的方向看，银盘恒星和星际物质在磁场和密度波影响下分布并不均匀，而是由核球向外伸出的四条旋臂组成旋涡结构（图2-1，右）。旋臂是银河系中恒星和星际物质的密集部位。

太阳是银河系众多恒星中的普通一员，它位于银盘中心平面（银道面）附近和一条旋臂（猎户座旋臂）的缘，距银核约2.7×104l.y.处。

（2）太阳在银河系的运动

银河系的旋涡结构反映了自身存在自转运动，也就是银河系中的恒星、星云和星际物质都绕银核旋转。太阳绕银核旋转的速度为250km/s，旋转一周约2.5×108～3×108y，称为银河年。

银河系不同星体间的运动也存在复杂的情况。有人提出太阳在旋转过程中可能发生两种周期性变化。一种是从银河系侧面看，发生在银道面上下的往复波动，大体每隔35百万年就穿越银道面一次。另一种是从银河系平面看，由于不同星体旋转速度不等，太阳与银河系四个旋臂并不同步并行，大体每隔75百万年就穿越旋臂一次。上述假说在天文学研究领域尚待进一步验证。

1．2 星系运动和总星系

（1）银河系的运动和河外星系

银河系除存在自转外，同时整体以214km/s的速度向着麒麟座方向运动。近些年天文学研究已陆续发现，宇宙空间中存在500亿个类似银河系的恒星系，它们自身直径也达十万光年左右，离银河系则有几十亿至上百亿光年之遥，称为河外星系。若把可见宇宙比作广阔的海洋，它们只不过是散布其中的岛屿，也称为宇宙岛（world island）。

（2）从星系团到总星系

10万光年尺度的星系在空间分布并不均匀，它们有成团的趋势，可以形成星系团。星系团的规模大小不等，形状也各不相同，典型的空间尺度达到千万光年（即108km）量级，总质量达到1047g量级。星系团星系之间距离约为百万光年量级。银河系和相邻仙女星系、麦哲伦星云等30个星系组成一个规模较小的集团，称为本星系群。

星系团在空间的分布也不均匀，许多星系团可以进一步组成超星系团，典型的空间尺度达到1亿光年量级。本星系群和室女星系团构成的本超星系团，直径约1～2.5亿光年，总质量为太阳的千万亿倍。

人类现在观测能力所及的可见宇宙称为总星系，其典型空间尺度为150亿光年，年龄为100亿光年量级，总质量达到1056克量级。

1．3 大爆炸学说与宇宙起源问题

（1）谱线红移与可见宇宙

轰鸣的火车驶近我们时声波频率增强，声调变高；驶离时则声波频率降低，声调变低（多普勒效应）。与此同理，发光星体接近观察者时，见到的星光谱线向频率高的蓝光方向移动，称为蓝移；当离开观察者时，向频率低的红光方向移动，称为红移。

哈勃（E．P．Hubble，1929）经过大量实际观测发现，来自不同星系的光呈现某种系统性的红移现象。根据星系中特定原子发射的光的谱线与地球上实验室同种原子发射的光进行比较，可求得光源星系离开观察者的退行速度；再根据相同类型恒星的视亮度比较，推算出光源星体离我们的距离。由此获得了“光源越远的星体，离我们而去的速度也越快”的结论，就是著名的哈勃定律（图2-2）。

哈勃定律揭示了遥远的星系正在“逃离”我们而去，整个总星系都处于膨胀的变化之中，已经成为当今人们的共识。另一方面，银河系部不同恒星的谱线分析证明也有不少蓝移现象，反映星系部仍然具有吸引力。1996年哈勃太空望远镜还拍摄到距地球6300×104光年处（乌鸦座南部）星系间发生超级碰撞的照片。因此，宇宙的膨胀看来主要发生在星系团之间的空间迅速增大，星系本身尺度变化不大，类似吹胀气球时在气球表面看到的情况（图2-3）。已知宇宙中不同部位的密度特征也可能与之有关（表2-1）。

（2）大爆炸宇宙学说

当代宇宙起源假设中，大爆炸宇宙学说是最有影响的一种学说。该学说提出于40年代，本身也在不断发展完善中。其主要容如下：

宇宙在大爆炸前处于极高温和超高密状态，物质与反物质以及物质与能量均呈平衡状态。在某种物理条件下开始了大爆炸，在宇宙诞生10-44s之后体积急剧暴胀，在10-34s迅速