宇宙探索

一、提出大爆炸宇宙学模型的背景
1929年哈勃(Edwin Hubble)对河外星系 的视向速度与距离的关系进行了研究。当 时只有46个河外星系的视向速度可以利用， 而其中仅有24个有推算出的距离，哈勃得 出了视向速度与距离之间大致的线性正比 关系。现代精确观测已证实这种线性正比 关系 v = H0×d 其中v为退行速度，d为星系距离，H0为 比例常数，称为哈勃常数。这就是著名的 哈勃定律。
三、大爆炸宇宙学模型的证据
5、宇宙的年龄 宇宙既然是在一次大爆炸中诞生，那就可 以谈论它的年龄．大爆炸宇宙学预言宇宙今 天的年龄约为150亿年，宇宙中的结构，例如 恒星、星系等，都是在宇宙形成以后逐渐形 成的，所以它们的年龄必须小于宇宙年龄．
宇宙的年龄
威尔金森微波各向异性微波探测 器拍摄的(WHAP)图片，（宇宙大爆 炸的余辉—宇宙的第一束光线）显示 130亿年的温度波动（表面颜色差 异）。 WHAP小组第一次给出了宇 宙最古老光线的详细光效果图。红色 表示温暖，兰色表示寒冷，椭圆形图 片是整个天空的投影。地球也可以看 成椭圆形。图片中微波光线来自于宇 宙大爆炸后38万年。根据这些照片， 科学家还精确地测量出了宇宙的实际 年龄是137亿年。
二、恒星的演化
3、 恒星后期的演化———红巨星阶段 恒星上氢的总量毕竟是有限的,当氢接近殆尽时,热核反 应就开始减弱了,相应的向外辐射也减弱了,辐射和引力间的 平衡被打破,作为失去平衡的直接结果,星核由于引力作用开 始收缩,收缩的星核温度又迅速升高。高温的星核又加热了恒 星外层的大气,使得恒星外层向外膨胀,恒星的体积变大了。 恒星膨胀后它的大气的温度迅速降低,到4000K左右,由 于处在这样低温的恒星发出的光是偏红的,所以这时的恒星演 成了一颗红巨星。
哈勃定律的现代图解 表明星系的退行速度正比于它们的距离
哈勃定律揭示宇宙是在不 断膨胀的。这种膨胀是一种 全空间的均匀膨胀。因此， 在任何一点的观测者都会看 到完全一样的膨胀，从任何 一个星系来看，一切星系都 以它为中心向四面散开，越 远的星系间彼此散开的速度 越大。
一、提出大爆炸宇宙学模型的背景
赫罗图
丹麦天文学家赫茨普农 （1873-1967）和美国天文 学家罗素（1877-1957）于 1905-1913年间，各自创立 了用恒星的表面温度和光度 作为坐标轴组成的关系图， 称为赫罗图。
赫罗图为研究恒星演化 问题提供了重要实测基础。
赫茨普龙-罗素图
炽热明亮的蓝巨星位于左上方， 而比较冷且暗的红矮星分布在图 的右下角。大多数恒星，包括太 阳都在从左上至右下的一条对角 线上，这条对角线被称为主星序， 主星序上的恒星称为主序星，都 处于一生中的氢燃烧阶段。当恒 星核的氢烧完后，它们就离开主 序，开始氦燃烧而成为红巨星。 最终红巨星坍缩，温度上升，成 为白矮星。
原始星系在收缩过程中，出现第一代恒星， 在原星系的中心区，收缩快、密度高、恒星 的形成率也高。
3、类星体
类星体是20世纪60年代天文学四大发现之一。 类星体在光学观测中只是一个光点，类似恒星。 但是在分光观测中，它的谱线具有很大的红移， 又不像恒星，美籍华裔天文学家丘宏义给它取 名为类星体，英文缩写为QSO。
2、微波背景辐射 大爆炸宇宙学模型认为温度降低到3000Ｋ 左右时，中性原子将大量形成，光子与他们 失去耦合，从而作为宇宙中的一个独立组分 存留下来．伽莫夫预言，这种作为历史遗迹 的背景光子应当可以在今天观测到，并估计 出大约温度为5Ｋ．
微波背景辐射
1964年美国贝尔电话实验室 的两位工程师，彭齐亚斯和威 尔逊在安装调试卫星天线的过 程中，在7.35厘米波长处发现 天空各个不同方向上都存在一 种不变的相当于3.5Ｋ的黑体辐 射背景(即微波背景辐射),他们 因此获得了1978年的诺贝尔物 理学奖。
第二节 星系的起源与演化
星系，就是由众多恒星组成的庞大天体系 统，是构成可观测宇宙的基本成员。宇宙空 间中，星系是数不胜数的。目前已观测到约 1010个星系除我们所在的银河系外，其余均 称河外星系。
1、星系的起源
目前较流行的看法是：在宇宙大爆炸后的 膨胀过程中，分布不均匀的星系前物质收缩 形成原星系，再演化成星系。关于星系前物 质，有人认为是弥漫物质，也有人主张是超 密物质。 关于原星系的诞生，有两种见解，一种是 引力不稳定假说，另一种是宇宙湍流假说。
二、恒星的演化
4、恒星的终结
（3）大质量恒星的最终归宿———黑洞
如果恒星的晚期经过超新星爆炸后,质量仍大 于2倍太阳质量,其中子简并力不足以抵抗巨大的 引力作用,星核还要继续坍塌,直到相对论效应的 临界半径以下,星核中产生了一种量子引力,塌缩 停止,形成黑洞———全黑的星体,即便在该星体 表面发出光束,光粒子也会由它的引力拉回。
1932年勒梅特首次提出了现代宇宙大爆炸 理论：整个宇宙最初聚集在一个“原始原子” 中，后来发生了大爆炸，碎片向四面八方散 开，形成了我们的宇宙。
二、大爆炸宇宙学模型
1948年，伽莫夫等在美国《物 理评论》杂志上发表了关于大爆炸 宇宙学模型的文章：提出宇宙是由 甚早期温度极高且密度极大，体积 极小的物质迅速膨胀形成的，这是 一个由热到冷、由密到稀，不断膨 胀的过程，尤如一次规模极其巨大 的超级大爆炸．
引力不稳定假说认为在复合时期前后的30亿年期 间，星系团规模的引力不均匀性开始出现并逐渐增 长，这时宇宙物质不稳定而聚成原星系。 宇宙湍流假说认为在宇宙等离子物质复合以前， 强辐射压可能引起湍动涡流，物质中性化后涡流的 碰撞、混合、相互作用产生巨大的冲击波，形成团 块群，再演变为星系。
2、星系的演化
二、大爆炸宇宙学模型
伽莫夫第一次将广义相对论融入到宇宙 理论中，提出了热大爆炸宇宙学模型：宇 宙开始于高温、高密度的原始物质，最初 的温度超过几十亿度，随着温度的继续下 降，宇宙开始膨胀。原来的以中子、质子 等基本粒子形态存在的物质，结合形成重 氢、氦等化学元素。当温度降到几千度时， 宇宙间主要是气态物质，它们凝聚成气云， 进而形成各种恒星体系，成为目前的宇宙， 伽莫夫又称大爆炸理论为αβγ理论（代表阿 尔弗、贝特、伽莫夫）。
图中的小星是银河系中最 小的恒星之一。它的质量只 有太阳的十分之一，亮度不 足满月的八倍。
位于天兔座的棕矮星 Gliese229B，它是图中的红 巨星的伴星，距地球约十九 光年。
猎户座一等星，可以看到 它的外层大气。这是一颗很 大的恒星，其直径超过木星 轨道直径。
位于金牛座的昴星团(M45)， 肉眼可见。年龄约为五千万年， 共有三百至五百颗恒星。
三、大爆炸宇宙学模型的证据
3、哈勃定律 从哈勃定律得到启示建立的大爆炸宇宙模 型反过来可以预言这种定律．它已被28000个 星系的红移(或退行速度)与距离的关系的观测 数据所证实．
三、大爆炸宇宙学模型的证据
4、大尺度的均匀和各向同性 这是大爆炸宇宙模型的基础，对宇宙大尺 度结构的观测结果已经证实宇宙学原理的正 确性．即宇宙在大尺度上一定是均匀各向同 性，1989年发射的ＣＯＢＥ卫星对微波背景 辐射的精密测量进一步表明在１０-4精度内 宇宙是各向均匀、同性的。
1922年，苏联数学家 弗里德曼提出了现代宇宙 学上的第一个动态宇宙模 型，他认为，宇宙可能是 膨胀的，也可能是收缩的， 或者是脉动的。
一、提出大爆炸宇宙学模型的背景
20世纪20年代，美国天文学家斯莱弗在研 究远处的旋涡星云发出的光谱时，首先发现 了光谱的红移，认识到了旋涡星云正快速远 离人们而去．
世界上第一张关于微波辐射的高分辨率图像为宇宙微波背景辐射 理论 （CMB）提供了依据。 CMB把我们 和宇宙的早期直接联系了 起来——这是一张宇宙的“婴儿照片”， 它忠 实再现了宇宙童年 的每一个斑点和涟漪。COBE的数据显示，大爆炸发生 后不久，物 质就开始聚集。宇宙学家们相信， 物质的这种不均匀的分布 是恒 星和星系形成的起点。
第二章 宇宙世界
《淮南子· 原道训》注：“四方上下曰宇， 古往今来曰宙，以喻天地。”即宇宙是天地 万物的总称。
第一节 大爆炸理论
一、提出大爆炸宇宙学模型的背景
爱因斯坦的静态宇宙模型
1917年他提出了全新的宇宙模型：宇宙没 有中心，宇宙有限无边。 爱因斯坦的宇宙模型基本上还是静态的。
一、提出大爆炸宇宙学模型的背景
这个位于大麦哲伦云的球 状星团R136周围的星云中， 诞生了大批的巨型恒星。
这是邻近的不规则星系 小麦哲伦星云中的一处恒 星育婴场。星云中的恒星 不断在向四周吹散物质。
二、恒星的演化
1、恒星特性及其特性表示———赫罗图
恒星表面温度是描述恒星性质的重要参量。由 于不同的温度,恒星表现出不同的颜色。我们可以 通过恒星颜色大致判断其温度,通过光谱分析准确 测定其温度数值。 由于距离的原因我们看到的恒星亮度并不代表 其实际温度,我们利用表示恒星总辐射功率的光度 来描述恒星。这样我们用表面温度与光度得到了 描述恒星特性。
三、大爆炸宇宙学模型的证据
1、大爆炸的核合成 大爆炸宇宙学认为最初的宇宙中，既没有 分子，也没有原子．第一批原子核是在大爆 炸后１０－２秒到３分钟这一时间内，由质 子和中子组合而成并遗留至今的．因而预言 了宇宙中轻元素的丰度(如氦的丰度约为２５ ％，氢的丰度约为７５％）．
三、大爆炸宇宙学模型的证据
二、恒星的演化
2、恒星在主星序阶段的演化 恒星内部发生的氢核聚变反应提供了强大的能源,才得以 长期维持它在主星序阶段的辐射大体稳定。通过赫罗图得到: 随着恒星质量的增大,它的光度也急剧增大。
所有恒星都是由氢的核聚变反应来提供能量的质量越大 的恒星在主星序阶段停留的时间愈短,因为它的光度大,储存 核燃料消耗过快。太阳在主星序阶段停留上百亿年,而具有几 十个太阳质量的恒星只能在主星序阶段停留约百万年。质量 的大小决定了恒星演化进程的时间长短。
二、大爆炸宇宙学模型
20世纪科学的智慧和毅力在霍金的身上 得到了集中的体现。他对于宇宙起源后 10-43秒以来的宇宙演化图景作了清晰的 阐释. 宇宙的起源：最初是比原子还要小的 奇点，然后是大爆炸，通过大爆炸的能量 形成了一些基本粒子，这些粒子在能量的 作用下，逐渐形成了宇宙中的各种物质。 至此，大爆炸宇宙模型成为最有说服力的 宇宙图景理论。然而，至今宇宙大爆炸理 论仍然缺乏大量实验的支持，而且我们尚 不知晓宇宙开始爆炸和爆炸前的图景。
二、恒星的演化
4、恒星的终结
（1）恒星的第一种归宿———白矮星
质量小于1.4太阳质量的中央星核,当坍缩 到它的密度达到106～109g/cm3,星核原子完 全电离,进入了电子简并态,电子简并的压力能 阻止继续坍缩,星核大小不再变化,使得星核的 密度不再增加,这时星核成为一颗白矮星。
二、恒星的演化
百度文库三节 恒星的演变历史
一、恒星的诞生
恒星诞生在庞大的、较冷的分子尘埃和气体 云中。在像银河系这样的旋涡星系里，这类分 子云多达数千个。分子云的主要成分一般是氢 和氦。
诞生在银河系的伴星系大 麦哲伦云中的新生恒星正以 强大的辐射将它周围星云 NGC1748中的物质吹散。
成团的恒星和巨大的星云 共同构成了这个位于 NGC2363星系的恒星育婴场
密近双星模拟图。右上是 一颗白矮星，它从左下的伴 星表面不断吸取物质，并在 自身周围形成一个物质盘。
新星Cygni1992爆发后形 成的环。环主要由炽热的气 体组成。
黑洞
黑洞是宇宙中最神秘的物体，所 以叫它黑洞，是因为它们本身不会 发出任何可见光。虽然它们曾经是 宇宙中最明亮的物体，但当它们在 生命结束时的爆发中抛却了明亮的 外壳，只留下了超压缩的内核。这 个内核的引力极其强大，以致于光 也不能从它那里逃逸。所以也就不 会有人看到它。它不仅不可见，而 且还能吞噬所有靠近它的物质。
4、恒星的终结 （2）恒星的第二种归宿———中子星 对于大质量的恒星在坍塌的过程中,由于质量过大,引力过强, 电子简并力不足以抵抗引力的作用,使星核受到极大压缩(密度可 达1014g/cm3),核中物质变成中子气(含有中微子),星核的压缩产 生巨大的能量,以爆炸的形式将外层以碎片推散到太空。在这期 间,由于星体的高温而发光,成为超新星。爆炸完毕,剩余的星核密 度很高,引力很大,与星核中的中子简并力相平衡,这就是恒星的第 二种归宿———中子星。