诺贝尔天文学奖项赏析第二章课件.ppt

第二讲、天文学与国防、国民经济和人类日常生活关系,1、天文学研究对象、内容和方法2、天文学主要观测技术和方法3、天文学与国防、国民经济和人类日常生活关系4、天文学与其他学科的关系5、21世纪天文学面临的机遇、挑战,一、天文学研究对象、内容和方法,1、对象 ：天体和浩瀚的宇宙 1） “天体”：是指宇宙空间中的一切实体，如恒星、行星、星系以及星际介质等。 天体：又分为自然天体和人造天体两类 自然天体：太阳系中的太阳、行星、彗星、流星体；银河系中的恒星、星团、星云；无数个与银河系类似的河外星系；宇宙空间中的射电源、红外源、X射线源等等都是自然天体。 人造天体：人造卫星、宇宙火箭、行星际探测器、轨道天文台等为人造天体。,猎户座星云,河外星系仙女座大星云,在恒星间、星系与星系之间还存在着弥漫物质即星际介质、电磁场、引力场等。星际介质、电磁场和引力场都是天文学研究的对象。 天文学一直关注和探索在宇宙空间中是否存在暗物质、暗能量以及反物质。 UFO与外星人等问题，同样也是天文学关注和研究的重要领域。 2）、浩瀚的 “宇宙”：是指空间和时间的总称。 我国古代天文学就有“四方上下曰宇，古往今来曰宙”的说法。“宇宙空间”：在天文学研究中， 通常指地球大气以外。,天体的位置、距离、运动、物质结构、化学组成及演化规律。 研究宇宙的过去、现在和未来。,2、 研究内容,3、天文学研究的方法,人类主要是通过接收来自天体和宇宙的电磁辐射来认识宇宙空间。 天文学是一门观测科学。,研究方法:观测理论再观测,天文学是沿着：通过观测建立理论模型再观测去完善和修正基本定律和理论。 天文观测在天文学中占有特殊的地位。观测方法和观测工具的改进和创新，总会推动天文学的发展，甚至会引起天文学深刻的革命。 反过来，由于天文观测的要求和观测技术的更新，又极大地推动了科学技术的发展。,天文学理论能预言未来的变化,由观测获得的资料，以力学、物理学、化学等自然科学理论作为基础，运用数学手段进行演算和分析，建立天文学基本理论体系。 再通过观测不断地改进和完善天文学理论，天文学的理论体系不但能解释现有的观测事实，而且还能预言未来的变化（如：重要天象的出现、同时也能反演以前的天象）。,二、天文学的主要观测技术和方法,目前，天文观测已进入“全波段天文学”时代，即人类有能力观测和研究天体在所有波段上的电磁辐射。全波段天文学是现代天文学的重要标志。 1609年，伽利略制造了第一台光学折射望远镜，口径4.4厘米、焦距1.2米。 1932-1934年期间，美国贝尔实验室的无线电工程师央斯基接收到来自银河系中心的22兆赫无线电辐射。这一发现成为射电天文学诞生标志。 1957年，第一颗人造卫星上天开启了全波段天文学时代。大气外和空间天文观测蓬勃发展，天文学家的视野更加广阔。 1990年以后，哈勃空间望远镜和拉格朗日点轨道天文台等相继投入使用，促进现代天文学大发展。,人类已经有能力接收天体所有波段上的辐射,电磁波谱,1、目前世界上最大的光学望远镜,最大的折射望远镜在美国叶凯士天文台，物镜口径101.6cm、相对口径即光力为A=D/F=1/19.4 ，1897年开始启用 。 最大的反射望远镜在美国凯克天文台，物镜口径为10米的抛物面，焦比(F/D)=1.75 ， 1992年开始启用 。 最大的折反射望远镜在德国卡尔.史瓦西天文台，主镜为203cm、改正镜为134cm、焦比(F/D)=3.0 ，1960年开始启用。,折反射望远镜系统,2、射电天文观测,射电望远镜由天线系统、接收系统和记录系统三部分构成：天线系统：相当于光学望远镜的物镜，用来接 受天体的射电辐射。接收机系统：相当于光学望远镜的分析器和各类探测器。记录设备：给出图象或图表。 射电望远镜的天线是通过赤道或地平装置对准天体。,美国绿堤四十三米射电天文望远镜,英国焦德雷尔班克76米射电天文望远镜,德国玻恩100米口径射电望远镜,美国阿雷西博天文台305米射电天文望远镜,目前世界最大的305米射电天文望远镜,射电干涉测量仪和综合孔径射电望远镜,A、 根据电磁波干涉原理，使用组合天线来提高分辨本领。 例如：双天线射电干涉仪、甚长基线干涉仪(VLBI)等。 B、利用多面天线系统组合而成一面大天线系统，能提高观测天区天文图象的分辨率。,甚大阵(VLA) ： 由27面天线组成 基线长度为30公里。,3、哈勃空间望远镜(HST)和轨道天文台,1990年4月25日由“发现号”航天飞机运载升空。 主镜2.4m、副镜30cm,配有五套附属仪器，分别是宽视场/行星照相仪、暗弱天体照相仪、暗天体光谱仪、高分辨光谱仪、精细导星传感器。 观测波段从红外到紫外，传回来的珍贵天文图象，正逐渐为人类揭开宇宙的奥秘。,4、太阳系行星和深空探测器,在空间开展了一系列： 红外波段天文观测、紫外线天文观测、 X射线和射线观测，从此天文学进入了全波段观测时代。 1957年第一颗人造地球卫星上天以后，开启行星空间探测,各类行星探测器飞往太阳系大行星和小行星及其行星的卫星，目前太阳系的八大行星都有行星探测器光临。 目前，宇宙深空探测器已经飞出太阳系，遨游在寻找地外文明的征途。,旅行者1号和2号,三、天文学与国防、国民经济和人类日常生活的关系,1、作为基础学科的天文学 从天文学研究对象和内容看，天文学是一门最古老的科学。 作为基础学科，天文学在认识自然、探索物质世界的客观规律中发挥着重要作用。 在自然科学的各学科发展过程中，天文学却始终起着先导性的作用。 通过以下例证加以说明,1 ）、哥白尼的日心说,1543年，哥白尼提出了日心模型的想法，该模型纠正了地球是宇宙中心的错误认识。 经过半个多世纪，开普勒给出了精确描述行星绕太阳运动的轨道方程，即行星绕太阳运动的开普勒三定律。使自然科学从神学的束缚中解放出来。 哥白尼这一发现彻底改变了我们的世界观，人类所在地球在宇宙空间不特殊。 现代天文观测表明:太阳不是宇宙中心、太阳系也不是宇宙中心，太阳系所在银河系也不是宇宙中心。,2 ）、牛顿万有引力定律,开普勒行星绕太阳运动的三定律是建立牛顿万有引力定律的基础。 1687年，牛顿发表了他的引力理论。通过天文观测，定量验证了牛顿万有引力定律的正确。 在此基础上，建立了经典的力学体系，推动了力学和物理学的大发展。,3 ）、原子结构模型,最初的原子结构模型是类比太阳系的结构而提出来的，后来被实验所证实。 氦元素是天文学家观测太阳首先发现的！ 太阳光谱的发现及其精确测定，使人们知道了天体的化学组成及其演化规律。 天文学的一些发现，往往会引起其他学科深刻的变化。,4）、爱因斯坦广义相对论天文学四大验证,20世纪初，爱因斯坦提出狭义相对论和广义相对论(1905年;1915年)。 广义相对论预言：恒星光线经过太阳边缘时会产生偏折，称为光线的引力偏折。白矮星光谱线引力红移的存在等， 光线引力偏折现象被1919年的日全食观测所证实；水星轨道近日点进动的广义相对论效应； 这些预言都通过天文观测得到了证实。 广义相对论关于引力波的预言，也是通过脉冲双星轨道变化的天文观测得到了证实。,水星轨道近日点进动,观测表明，水星近日点进动周期为5600.73/每百年。人们经过计算,已知的行星对水星轨道摄动影响只有5557.62/每百年，还有43/每百年进动值得不到合理解释。这就是困扰多年牛顿引力理论解决不了的难题。 最初，人们怀疑在水星轨道以内，还有一颗行星对水星引力作用所致。天文爱好者施瓦布为此寻找了17年，当然最终是找不到本来就不存在的火神星。 广义相对论发表以后，利用四位时空测地线方程解水星轨道运动，当将测地线投影在三维空间时，发现水星轨道近日点竟是不断进动的椭圆轨道，进动周期刚好是每百年43 。水星近日点进动的相对论效应，解决了牛顿引力理论长期没有解决问题。,5 ）、星际有机分子的发现,星际有机分子的发现，是20世纪60年代，射电天文学四大发现之首。 星际分子的组成元素主要有六种。它们是：氢（H）、氧（O）、氮（N）、碳（C）、硫（S）、硅（Si）。 其中：氢、氧、氮、碳、硫再加上磷（P）称为“生命元素”，它们是构成地球上各种生物体最基本的元素。 这些构成生命的基本元素在宇宙空间广泛存在。星际有机分子的发现，促进了地外生命研究和搜寻。必将对生命、生命科学提出挑战！ 此外，类星体、射电星系以及星系核活动等高能现象的发现，向化学、生物学和物理学提出了新的挑战。特别是类星体大红移、高亮度对现今高能物理学提出来严重地挑战！。,6 ）、对数学和计算方法的推动,天文观测数据的处理和天体运动理论的研究都离不开计算方法，反过来天文问题的解决，也有力的推动了数学科学的发展。 历史上，大批的天文学家同时也是卓越的数学家、物理学家。,7 ）、对地学、气象学的影响,天文学与大地测量学、气象学关系更为密切。 高精度的大地测量方法和手段来自于天文学( G P S、)。 如：3S(GPS、GIS、RS) 太阳活动是大气环流、各种气象的成因。,2、天文学研究成果直接为国防、国民经济以及人们日常生活服务,天文学不仅是一门基础学科，天文学也是应用性很强的一门实用学科。 天文学研究成果在许多方面直接为国防、国民经济和人们的日常生活服务。 通过以下例证加以说明,1 ）、测时与授时,20世纪70年代，原子时(以原子内部能级跃迁频率为依据建立起来的时间计量系统)作为时间标准替代世界时之前，时间计量的标准是世界时。现在时间标准是以国际原子时秒长作为基准，构成的原子时（TAI）。 世界时(UT)是以地球自转为依据建立起来的时间计量系统；世界时是通过天文观测和时间计量理论实现的。以地球绕太阳公转运动为依据建立起来的时间计量系统，称为历书时。,目前，高精度世界时的测定和授时依然是科学研究和大地测量的重要依据。 高精度的时间在航海、航空、航天、通讯、物理实验和大地测量等许多部门有重要的应用。 国家高精度时间系统是由天文部门保持和提供的（中国科学院国家授时中心，陕西临潼）。 人们日常生活使用的协调世界时UTC以及历法等，均是由天文部门提供的。,2 ）、天球参考系和地球参考系,天文参考系，由两个独立又有联系的天球参考系和地球参考系组成。它们是编制天文年历、各种天体位置历表、测定地面台站坐标，为航天、航海、大地和重力测量提供重要依据。 人造卫星的精密定轨，利用人造卫星进行大地测量、卫星通讯和导航等都离不开精确天体位置历表。,3 ）、太阳活动监测与预报,太阳处在活动期时，太阳辐射就会增强。这样大量高能带电粒子、紫外线和X射线到达行星际空间和地球上空，使地球磁场和电离层受到破坏，影响短波通讯和电力传输，威胁飞机、卫星和飞船的飞行安全。 太阳活动也是大气环流和气候变化产生的直接原因。,4 ）、人造卫星和空间探测器的轨道设计和精密定轨,人造卫星和空间探测器广泛的应用在通讯、导航、气象、测绘、探矿、医药和军事等许多方面。 人造卫星和空间探测器的轨道设计以及卫星升空后的观测，天文学都起决定性作用。,5 ）、卫星应用于定位、通讯与导航等,人造卫星没有上天前,人们是根据观测太阳和近距离恒星空间位置来决定地面点坐标和航行中轮船飞机位置。 全球卫星定位导航系统(GPS)、我国北斗第一代和第二代定位导航系统,均是采用人造卫星进行定位与导航。 气象卫星、通讯卫星、测地与遥感卫星、海洋监测卫星等等。,6 ）、近地小天体的监测,一些近地小行星、彗星以及人类为了探索宇宙空间发射的各种航天器，都有可能对地球和人类造成威胁。 监测这些小天体的运动，预报它们的精确轨道，是天文学一项使命。 近地小天体的监测已经成为发达国家的一项国策。我国已经将近地小天体的监测纳入国家科学技术发展规划，专门天文机构执行。,7 ）、天文地球动力学,用天文方法和天体测量资料，研究地球板块运动、大陆漂移和地震等。,8 ）、历史和考古中的作用,利用历史上的天象记录考证历史事件发生的年代，是天文学在历史和考古学中的应用。 20世记未完成的，我国“夏商周断代工程”项目，就是利用我国古代彗星、日月食等天象记录，通过天体力学方法算出发生的年代，再结合考古发掘和历史文献，确定一些重大历史事件如武王伐纣等确切年代，把中国历史记年向前延伸了1200年，使夏、商、周三代有了确切的年代标记。,9 ）、天文学推动科学技术的发展,历史上，天文学观测技术和方法的更新，确实依赖于当时科学技术的发展水平；反过来，由于天文观测对科学技术的要求，又推动着时代科学技术的发展,事例很多。 例如：天体辐射的信号都比较弱，天文观测上的需要，促进了检测微弱信号技术的发展；又如观测要求时时跟踪，促进了计算方法和跟踪技术的发展；又如空间天文观测,促进了能源和新材料等技术的发展。,四、 21世纪天文学,21世纪，天文学研究呈现三大特点： 一 )、天文学已成为国家科学技术发展的重要组成部分， 具体在定位导航、通讯、遥感、侦察、目标跟踪、精确制导、空间对抗等方面，天文学都占有重要地位。 航天事业的发展也为天文学应用提供了新的手段与机遇。,二 )、目前人类对自然界探索的重点，已转移到宇宙更深层以及在极端物理条件下对宇宙空间客观规律的认识上，在这方面天文学再次显示出它的前沿特征。 21世纪天文学几个待解之谜 1、有对称论理和不对称的观测结果 2 、暗物质、暗能量和反物质 3 、类星体和黑洞 4 、宇宙的过去、现在与未来,三 )、经济的发展和人们生活水平的提高，使人们对自身文化素质的提高以及创造性工作的要求日益强烈。 天文学以其固有的神秘性，成为启发青少年创造性思维的重要的基础科学领域。 天文学知识的普及对于提高全民族的创新能力有巨大的启发作用。 21世纪天文学研究与人类社会进步和日常生活息息相关 。,