《天体物理复习》PPT课件.ppt

天文学是自然界中最古老、最基本的学科。但永远是最前沿的科学，随着空间探测技术的发展，人们对宇宙的认识越来越深入。到现在为止，天文学给出的更多的是问题，而非答案。,众所周知，自然界有四大基本起源问题:宇宙的起源,太阳系的起源,生命的起源,人类的起源。,要回答这些问题，离不开天文学知识，离不开掌握自然科学多领域的复合型人才。,俗话说的好：上知天文、下晓地理。这是对个人知识渊博的一种赞美。,天文学,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慧。,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。,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）；人造天体：在空间飞行的人造地球卫星、国际空间站等,天体系统是怎样形成的？,天体之间相互吸引和相互绕转，形成天体系统。太阳大,地球小,地球绕着太阳跑。地球大,月亮小,月亮绕着地球跑。,运动性：天体系统层次性,“可观测宇宙”：,天体物理学的研究方法,物质客体的三个层次微观客体宏观客体宇观客体,天体的三个层次太阳与太阳系恒星与银河系星系与宇宙,天体物理的研究方法,观测方法主要借助光学望远镜和射电望远镜来获取宇宙信息；实验方法它是观测手段发展到高级阶段的产物，如人造卫星、登月飞船、航天飞机、空间探测器、太空望远镜、太空站等人类用于探测宇宙的实验手段。还有”粒子物理实验模拟宇宙的形成”等；理论方法利用数学、力学、物理学和其他学科的成果，通过理论推理得到有关天体的科学结论。,天体物理学研究的意义,精确的时间和历法仍然是按照太阳和恒星的运动确定。（例如测时、守时、授时）可用于人造卫星运动轨道的控制，以及地面导航、通信等。（轨道计算、太阳黑子）可启发人们去思考、探索与人类的现在和未来息息相关的各种应用技术。（核聚变、新的更有效能量转换方式）可提高学生的科学文化素质、树立正确的宇宙观，提高辨别是非的能力、反对迷信和邪教的危害。,人与宇宙,农业与航行需要天象知识；得天独厚的地球养育人类；生命的起源来自宇宙空间；生命的元素来自恒星（血红细胞中的Fe、骨骼里的Ca、呼吸的O2）；热核聚变 太阳能源的启示；牛顿的万有引力定律来自天体运动观测；天象预报,保卫地球。,宇宙起源学说,神话说盖天说浑天说宣夜说地心说日心说大爆炸说星云说,浑天说的两大法宝,浑仪，当时最先进的观天仪。浑天家可以用精确的观测事实来论证浑天说。在中国古代，依据这些观测事实制定的历法具有相当的精度。浑象，利用它可以形象地演示天体的运行。浑天说能简洁的解释日月星辰的运行出没。,宣夜说,宣夜说是我国历史上最有卓见的宇宙无限论思想。它最早出现于战国时期，到汉代则已明确提出。不论是中国古代的盖天说、浑天说，还是西方古代的地心说，乃至哥白尼的日心说，无不把天看作一个坚硬的球竞，星星都固定在这个球壳上。宣夜说打破了固体天球的观念，认为宇宙是无限的，宇宙中充满着气体，所有天体都在气体中漂浮运动。星辰日月的运动规律是由它们各自的特性所决定的，决没有坚硬的天球或什么本轮、均轮的束缚。宣夜说创造了天体漂浮于气体中的理论，并且在它的进一步发展中认为连天体自身、包括遥远的恒星和银河都是由气体组成。这和现代天文学的许多结论一致。宣夜说不仅认为宇宙在空间上是无边无际的，而且还进一步提出宇宙在时间上也是无始无终的、无限的思想。它在人类认只史上写下了光辉的一页。可惜，宣夜说的卓越思想，在中国古代没有受到重视，几至失传。,地心说,地心说是长期盛行于古代欧洲的宇宙学说，是世界上第一个行星体系模型。代表人物：欧多克斯、亚里士多德、托勒密托勒密认为，地球处于宇宙中心静止不动。从地球向外，依次有月球、水星、金星、太阳、火星、木星和土星，在各自的圆轨道上绕地球运转。其中，行星的运动要比太阳、月球复杂些：行星在本轮上运动，而本轮又沿均轮绕地运行。在太阳、月球行星之外，是镶嵌着所有恒星的天球恒星天。再外面，是推动天体运动的原动天。,支持和发展“日心说”的代表人物,伽利略用自制天文望远镜观测星空，看到月球表面很多特征，金星像月球一样有圆缺变化，发现木星的四颗卫星，提供太阳系的新证据，又从太阳黑子运动推断太阳在自转，分辨出银河是有密集恒星组成，写了星空使者和关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话，开创了近代天文学。用观测事实证明宇宙是无限的，影响更大，遭教廷残酷迫害，被命令焚毁著作，终身禁闭！天理何在？,支持和发展“日心说”的代表人物,开普勒：行星运行三大定律“椭圆轨道”牛顿：万有引力定律，奠立天体力学基础，哈雷彗星的回归和海王星的发现显示牛顿理论的威力！,大爆炸说,最有影响、最有希望的一种宇宙学说。1929年，天文学家哈勃公布了一个震惊科学界的发现：所有的河外星系都在离我们远去。即宇宙在高速地膨胀着。宇宙在膨胀，那么就可能有一个膨胀的起点。天文学家勒梅特认为，现在的宇宙是由一个“原始原子”爆炸而成的。这是大爆炸说的前身。美国天文学家伽莫夫接受并发展了勒梅特的思想，于1948年正式提出宇宙起源的大爆炸学说。,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。,原始星云说,主要用来解释太阳系的形成18世纪下半叶由德国哲学家康德和法国天文学家拉普拉斯提出。他们认为：太阳系是由一块星云收缩形成的，先形成的是太阳，然后剩余的星云物质进一步收缩演化形成行星。,现代星云说,现代星云说认为：形成太阳系的是银河系里的一团密度较大的星云，这块星云绕银河系的中心旋转着，当它通过旋臂时受到压缩，密度增大，达到一定密度时，星云就在自身引力的作用下，逐渐收缩。收缩过程中，一方面使星云中央部分内部增温，最后形成原始太阳，当原始太阳中心温度达到700万摄氏度时，氢聚变为氦的热核反应点火，于是，现代太阳便真正诞生了。另一方面，由于星云体积缩小，因而自转加快，离心力增大，逐渐在赤道面附近形成一个星云盘。星云盘上的物质在疑聚和吞并过程中，最后演化为行星和其他小天体。,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。,宇宙到底有多大？,宇宙航行,宇宙航行，就是在这样广袤的宇宙空间进行的，而我们现在的太空活动范围，远远不及海滨游泳池与大洋的比例。著名科学家钱学森指出，宇宙航行应包括两个阶段，第一阶段为航天，就是人类在太阳系内的航行活动；第二阶段为航宇，就是冲出太阳系到银河系，乃至河外星系去航行。科学技术必须再有几次飞跃，人类才能实现航宇的理想。,时间问题：,大多数人恐怕还没有到过千米以外的太空，而地球与月球的距离大约是千米的万倍，地球与海王星的距离又是月球距离的万倍，约亿千米。美国著名的“旅行者”号探测器整整走了年才到达海王星。离我们最近的恒星半人马座a星的距离，是到海王星距离的万倍，约万亿千米，“旅行者”号要飞行年才能到达。如果按一代人工作年计算，则需要代人连续工作才能实现。如果要返回的话，则时间还得加倍。,能源动力问题,飞船要达到每秒钟飞行.千米的速度才能克服地球引力，围绕地球飞行；要达到每秒钟飞行.千米的速度，才能脱离地球引力，到行星际空间去旅行。为了送阿波罗马飞船到月球上去，美国人制造了巨大的火箭“土星”。它由三级组成，加上装在顶端的阿波罗飞船，有米高，重多吨，最大直径达米。它的第一级发动机只工作分半钟，消耗燃料就有多吨。按一辆汽车每天用油千克计算，这些燃料可供辆汽车使用年！要飞出太阳系，飞船必须要达到每秒钟飞行.千米的速度，这该要多大的火箭？需要多少燃料？实际上是不能用现在的火箭作航宇飞行的动力的，即使携带着巨燃料的火箭能够起飞，带来的问题也很多，而且速度也太慢。显然需要另想办法。,通信问题,从半人马座a星向地球发电报，无线电波要走年多才能达到，那里要收到回电，则需等年。如果是万光年的距离，则来回要万年。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。即使是在离地球个天文单位的地方建座球形天线半径为千米、作用距离为万光年的无线电发射台，所以材料的质量就是相当地球质量的五分之一，建造的时间需要万万年！,生命延续问题,一代人是不行的，飞船上必须要能容纳一个“部落”，靠子孙相传，一代接一代地去完成。这样，飞船上不仅要解决衣食住行问题，而且要解决社会发展的所有问题，也就是说飞船要携带一整个社会。,已发射的宇宙飞船能到达恒星吗？,1972年发射了先锋10号飞船，也就是一种行星探测器，它在第2年就飞过木星附近，然后飞向远方，而且已经飞出太阳系，朝着恒星ROSS248星的方向飞去，这是离太阳较近的恒星，距离有10个光年，先锋1O号飞到那里需要33万年。旅行者飞船和它的情况差不多。就是向着最近我们的一颗恒星半人马星座的比邻星（距离43光年）飞去也要15万年以上，可见这个旅途是太远太远了！这些飞船上带有地球人给外星人的信息，谁知道将来会落在何处？按理说这些飞船是可能到达恒星世界的，虽然要上万年的时间。,透镜里的宇宙,罗马不是一天造成的，宇宙也不是！我们看到的早期宇宙，也许很大程度上是引力透镜夸大和扭曲后的样子。爱因斯坦的“引力透镜”：光线经过大质量天体附近时，会发生弯曲。,引力透镜：一个遥远类星体发出的光芒，经中间星系（或星团、黑洞或随便什么质量巨大的东西）的弯折到达地球，因而显得更明亮，并产生多个虚像。,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。,地球、引力透镜、观测对象恰好三点一线的概率实在太小,引力透镜,设于夏威夷的日本富士(Subaru)望远镜拍得的照片。图中央暗红色的是一个椭圆星系，它的引力透镜作用对同一个类星体（蓝色天体）形成了4个像。,类星体,离地球非常远几十乃至上百亿光年，体积很小、异常明亮。一个体积不超过太阳系的家伙，亮度超过包含几千亿颗恒星的星系。（银河系总共约有2千亿颗恒星）。俄罗斯科学家Y.Zeldovich的黑洞说认为：类星体是剧烈活动的星系核，那里有一个巨型超级黑洞，正在贪婪地吞食气体尘云。物质跌入黑洞时释放引力能，发出强烈的光芒。通过类星体的亮度，可以判断中央黑洞的质量。光传播的速度是有限的，一个天体离我们多少光年远，我们看到的就是它多少年前的形象，观察遥远天体就是在观察宇宙的过去。,银河系并不是宇宙空间的尽头。在银河系之外，还有许许多多星系，人 们管它们叫“河外星系”。天文学家已发现10亿多个河外星系，每个河外星系都包含有几亿、几百亿甚至几千亿颗恒星和大量的星云和星际物质。所有河外星系又 构成更庞大的总星系。目前，通过射电望远镜和空间探测，已观测到距离我们地球约200亿光年的一种似星非星的天体，取名“类星体”。这种天体的发现，把今 天人类视线拓展到200亿光年的宇宙深空。,宇宙的现代概念-无限,宇宙的起源伽莫夫的大爆炸理论,宇宙是什么时候、如何形成的?宇宙是约150亿年前发生的一次大爆炸形成的。在爆炸之前，宇宙内的所存物质和能量都聚集到了一起，并浓缩成很小的体积，温度极高，密度极大，之后发生了大爆炸。大爆炸使物质四散出击，宇宙空间不断膨胀，温度也相应下降，后来相继出现在宇宙中的所有星系、恒星、行星乃至生命，都是在这种不断膨胀冷却的过程中逐渐形成的。“在所存物质和能量聚集在一点”前存在着什么东西？,宇宙的结构,宇宙由星系的巨大超星系团构成，星系周围是大团看不见的空荡荡的太空。每个星系又包含了数以十亿计的恒星，构成这些恒星的物质是一些小得看不见的粒子。质子、中子和电子是最普通的粒子，它们通常以原子的形式结合在一起。质子和中子由更小的粒子构成，它叫做夸克。宇宙由四种力或它们之间的相互作用支配：引力、电磁力、强核力和弱相互作用力。普适规则：物理学家们试图用单一的科学定理来解释宇宙的运动，“普适规则”认为所有力中引力、电磁力、强核力、弱相互作用力都是相互关联的，并且指出所有亚原子微粒可能都是由一种基本粒子产生的。,宇宙的形状,宇宙是什么形状的呢，是象地球一样的圆形，还是象银河系一样的扁平？通过再现宇宙形成初期的景象，天文学家证实了这样一种观点：宇宙的形状是扁平的，而且自形成以来一直在不断扩展。science上关于宇宙形状的近期报道：时空结构将宇宙微波背景（CMB）和宇宙的重要结构连在了一起。CMB是从各个方向袭击地球的持续的电磁声波。这些遥远的声音是大爆炸之后的遗留辐射。CMB也叫做宇宙背景辐射和微波宇宙背景。,宇宙的运动,宇宙从运动上来说是不断膨胀的，而从时间上来说则是循环的，只不过这个循环的周期很长而已 宇宙的运动是绝对的，静止是相对的。（证据：自转，公转，地球运转速度，轨道，形状变化，北斗七星的变化等）宇宙中几乎没有不运动的星体：（宇宙旅行；行星相撞；宇宙炮弹陨石、小行星的轰击；彗星穿行；光子流、粒子流、宇宙尘埃等）“大爆炸宇宙论”认为，宇宙总是周而复始地从诞生到消亡，再诞生，再消亡，我们现在的这个宇宙只是从过去到未来的无限多的宇宙中的一个而已。,宇宙太空也有天气变化吗？,宇宙太空并不单纯，就像地球大气层会发生风云突变的气象变化一般，太空中也时常会出现灾害性天气。太空天气指太阳系内行星际空间的天气。对地球或航天器影响最大的是太阳的变化：“太阳黑子”、日珥、耀斑、太阳风等。太阳风暴对地球的磁层、电离层和大气层都会造成严重的干扰，带来灾变。会影响航天器的动作，使其与地面的电信联系中断。导航定位不准，甚至使卫星失效、坠落。已知的卫星故障中，竟有与这种太空风暴有着直接或间接的关系。多年之前，我国的“风云一号”气象卫星，就是因受到太阳风暴带来的大量高能粒子的撞击而提早失效的。,太空除了强劲的太阳风暴外，太阳射电、太阳射线、太阳r射线 等的爆发，也具有很高的能量，这些射线的物质粒子会以光速向空间辐射。它们的危害程度要高于太阳风暴可能造成的破坏，有的还会危害宇航员的健康及生命。因 此，一般对航天器都装上屏蔽装置，还将航天器的发射和回收日期选在太阳活动相对宁静的时间内。所以，预报这些太阳射线爆发的日期，就成为太空天气学研究的 重要内容。,影响太空天气的来自太阳系外的其他天体。年代以来，人们已发现宇宙的射线爆发和r射线爆发，还有较高能量的宇宙线的剧烈变动，虽然这些射线大多来源非常遥远，对地球和近地空间不会造成什么严重的危害，但当我们把 太空探测的触角伸向更遥远的空间时，就不能不密切注意它们的动静。太空中，时而还会发生新星和超新星爆发。爆发释放出的物质中很多是放射性元素和大量的高能粒子辐射。科学家已经发现，地球上有些古生物的灭绝，地震的 发生以及一些其他灾变，似乎都有超新星这双“魔手”，在背后操纵。显然，它们对人类太空活动的威胁，是不容忽视的。因此，这也是太空天气学研究的内容。,宇宙诞生最初三分钟,量子引力时代(0t10-44秒）,量子引力时代(0t10-44秒）宇宙整体由一个不存在时间和空间的量子状态（“无”状态），自发跃迁（即所谓“大爆炸”)到具有空间、时间的量子状态。在这个时期，物质场的量子涨落导致时空本身发生量子涨落并不断地膨胀，空间和时间以混沌的方式交织在一起，时空没有连续性和序列性，因而早晚不分、上下莫辨、因果难明、不可测量。此时四种基本力不可区分，是一种统一的力，此时的时空为虚时空。,普朗克时代（tpt10-36秒）,普朗克时代(tpt10-36秒).当时间等于普朗克时间(tp=5.410-44秒)时,虚时空发生超统一相变,实时空形成,粒子产生,时间和空间可以测量,引力作用首先分化出来,强弱电三种力仍不可区分,夸克和轻子可以相互转化。相变点的能量是1019GeV(1GeV=109eV),温度是1032K。,大统一时代（10-36秒t10-33秒）,大统一时代（10-36秒t10-33秒）。宇宙的温度继续下降，时间继续膨胀，强、弱、电三种力是一种统一的力。当t=10-36秒时，温度降至1028K，发生大统一真空相变。相变过程中释放的巨大能量使时空以指数规律急剧地暴胀，直到10-33秒最后完成大统一相变。相变后，宇宙的空间尺度增加了1043倍，强力从统一的强、弱、电力中分化出来，夸克与轻子相互独立，大统一时代结束。在这一时期产生的重子数略多于反重子数，因而今天的物质世界是以正物质为主的世界。,夸克-轻子时代(10-33秒t10-6秒),这段时期弱、电两种力不可区分。直到t=10-33秒，温度降至1016K时，发生电弱统一相变，中间玻色子基本消失，电磁力与弱力成为两种力。,强子-轻子时代(10-6秒t1秒),t=10-6秒，温度降至1012K，夸克被禁闭，凝聚成重子和介子；t=10-4秒，温度降至1011K时，宇宙进入轻子及其反粒子占主要地位的时代，重子中主要只剩下质子和中子。这时，宇宙中的物质成分有电子、正电子、子、中微子、子、中子、质子。这时的主要特征是粒子间的反应产生了大量的光子和中微子。,辐射时代和核合成时代（1秒t2105年）,当t=1秒时，温度降为1010K，中子开始衰变为质子，正负电子不断湮灭转化为光子。这时，光子数大大超过具有静质量的粒子，宇宙以光子辐射为主，进入辐射时代。t=4秒时，中子不再衰变为质子，中子数与质子数之比为1：7。t=3分钟后，温度降到109K以下，氦等轻核形成（t=30分），根据质子、中子比可估算出氦核的质量约为宇宙总质量的1/4（氦丰度），这与今天的观测结果十分接近。t=2105年时,温度降至4000K,物质密度与辐射密度基本相等,自由电子开始被原子核俘获,形成稳定的原子(主要是轻元素).光子能量不足以与原子体系作用,辐射脱耦,宇宙变得透明,进入以物质为主的原子时代.这个4000K的黑体辐射不断冷却,至今就是观测到3K宇宙背景辐射。,星系时代（2105年t109年),在这个阶段，宇宙内的实物粒子从等离子气体演化为气状物质。随着宇宙进一步膨胀和温度下降，气状物质被分开，形成原始星系，并进而形成星系团，然后再从中分化出星系。,恒星时代(t5109年）,T=5109年时，星系进一步凝聚成亿万颗恒星。恒星的演化动力主要源于引力作用和轻核的骤变所产生的巨大能量。恒星的一生一般经历引力收缩阶段、主序星阶段、红巨星阶段、脉冲星阶段（爆发阶段）和高密阶段（白矮星、中子星、黑洞等）。在恒星演化过程中，又形成了行星和行星系统。我们的银河系大约起源于宇宙时间为10亿年时，太阳系大约起源于距今约50亿年。地球在约47亿年前诞生，它是由原始的太阳星云分馏、坍缩、凝聚而形成的。在星系、恒星和行星的形成过程中，在星体中温度合适的条件下，重元素和各种分子相继形成。,宇宙大爆炸理论的观测依据主要有5项,星系退行：通过光谱观测发现，遥远的星系均以很高的速度在彼此退行。这表明星系系统处于一种膨胀状态。天文学家据此进一步计算出宇宙的年龄约为200亿光年。宇宙时标：用放射性年代学的方法测得月岩和最老的陨石年龄均为46亿年；由恒星演化模型导出的银河系中最老的恒星年龄为150亿年，迄今用各种独立的方法对不同天体测定的时标均在由星系的速度距离关系所确定的宇宙年龄200亿年以内，这说明宇宙年龄是有限的。,观测依据,宇宙中的氦和氘：通 过对比较原始的星际气体的观测发现，在银河系和许多河外星系中，轻元素氦的同位素氘相对于氢的数量基本上是均匀分布的。这和许多重元素的非均匀分布形成了 鲜明的对照，用宇宙大爆炸理论解释就是：因为大爆炸后最初几分钟内预期出现的高温高密状态极易导致轻元素的合成；而重元素则是在众多的恒星内核深处合成，直到发生超新星爆发时才大量散布开来的，它们相对于氢的数量不会是均匀分布的。,射电星系：60年代用综合孔径射电望远镜进行的大量观测表明，具有星系级能量的暗弱射电源的数目，比射电源空间均匀分布假设所预期的多很多，即射电星系在空间实际上不是均匀分布的。由此推断，在宇宙学时标上，射电星系是从较强的源演化成较弱的源的。微波背景辐射：发现宇宙间存在背景辐射，是温度相当于2.74K的黑体辐射，一般称为3K微波背景辐射。这种辐射正好解释为宇宙早期炽热火球的暗淡余光。按照大爆炸理论，随着宇宙的膨胀，原始火球的炽热的黑体辐射，势必拉长波长，降低温度，导致今天在微波段观测到不足3K的背景辐射。,观测依据,暗物质与暗能量,暗物质问题实际观测得到的星系及星系团的质量远小于动力学方法算出的质量，明确指示出暗物质的存在！右图的灰色纤维状区域即是暗物质。暗物质也是暴涨宇宙学所要求存在的。,暗物质的本质,首先，不发光的物质不可能是重子物质!因为一个重子为主的宇宙，扰动必须到复合时代才开始增长，在其增长期内不可能达到今天观测到的星系和星系团结构。因此，暗物质应是非重子物质；只有弱作用和引力作用的不发光物质由于与辐射场之间没有耦合，他们的扰动在复合时代以前就可以开始增长。,暗物质的分类,热暗物质：质量很小，速度接近光速。冷暗物质：质量较大，速度较慢。,暗物质与星系形成,宇宙开始包含均匀分布的暗物质和正常物质大爆炸后数千年暗物质开始成团暗物质确定宇宙中物质的总体分布和大尺度结构正常物质在引力作用下向高密度区域聚集，形成星系和星系团,其他宇宙论,等级式宇宙学。稳恒态宇宙学。正反物质对称宇宙学,一、太阳的基本参数（一）日地距离 日地距离是指太阳和地 球的平均距离，天文学上常用它作为计量天体距离的基本单位，称为天文单位 1天文单位1.495 979108千米,（二）太阳的大小太阳的半径R6.959 9105千米(约为地球半径的109倍)（三）太阳的质量太阳的质量M1.991030千克(约为地球质量的33倍),（四）太阳的位置 太阳位于距银心3.26万光年的旋臂内，距银面以北约26光年处（五）太阳的运动 太阳除在旋臂中和其他恒星一起绕银心运动外，还相对于它周围的恒星作每秒19.7千米的平动,（六）太阳常数 太阳常数指单位时间垂直射入地球大气层外单位面积上的能量，用f表示。f1.36106尔格秒-1厘米-2 0.136焦秒-1厘米-2,太阳结构,太阳结构,核心：产生能量，并且释出主要为高能量的光子，为太阳辐射和活动的动力来源。辐射层：光子在此区间內经过碰撞、吸收和再发射的过程，在任何方向上向外输送。对流层：有大规模的对流现象发生。这一层起到疏通内部，主导外部的作用。光球层：只有光球层它的温度及密度适当，能产生足够的光子，并逃离太阳的表层，是可见光的发源地，是太阳上温度最低的一层。色球层：它比光球层暗约1000倍，只有在日全食时才看得到它。日冕层：太阳大气中最外一层，日全食时能看到，它的温密度比色球层更小，但温度比色球层高，高达上百万摄氏度。太阳风的形成和发射地。,太阳结构,日全食时可见到日冕,日珥,太阳何以发出光和热?,太阳中心有极为丰富的氢原子和氦原子,在高温高压的情況下，核聚变发生，四粒氢原子组合为一粒氦原子,在氢原子组合成氦原子的反应过程中，质量转变为能量,E=MC,太阳黑子,光球上经常出现的暗黑斑点，由较亮的边框（条状结构的半影）围绕着暗核（本影）组成。黑子大小和寿命差别很大。数目变化量11年周期。黑子具有强大的磁场，黑子常常成对出现，其磁场极性相反。黑子在太阳表面纬度分布随时间周期变化，形状像蝴蝶。黑子经常出没在赤道两边5-25的区域，很少出现在纬度高于45的区域。太阳黑子被认为是由强磁场抑制对流能量传输所造成。,日珥,从太阳色球层中不断喷射出来的火焰状物质，形状多姿，千变万化，这就是日珥。日珥出现多少与黑子的11年周期有关。黑字数极大时，日珥总面积也极大。从日面上的分布来说，黑子多的地方日珥也多，在高纬度处，黑子虽少，但日珥较多。日珥化学组分和光球色球一样，但电离度和温度比光球高。,太阳耀斑,当用太阳单色仪观测太阳的色球时，有时会看到一个亮的斑点的出现，几分钟甚至几十秒内，面积和亮度就会增加到极大，然后慢慢减弱，最后消失。这种现象称为耀斑。耀斑是太阳活动中最剧烈的现象。产生时，太阳上不大的区域突然释放的能量可达1025焦的量级。一次大耀斑产生的能量相当于100亿颗百万吨级氢弹的威力。当耀斑出现时，太阳的射电会增强几百万倍。耀斑出发射很强的无线电波外，还发射大量紫外线、射线和射线，还喷射大量高能粒子，如质子、中子和电子等。耀斑的出现和黑子有很大关系。在黑子的极大年代，耀斑活动最剧烈。大多数耀斑出现在黑子群的生长或瓦解阶段，主要发生在双极黑子群附近，很少发生在单极黑子群附近。,太阳风,太阳风是由太阳表面喷出來的带电粒子流，如质子、氦原子核、电子等,当太阳出现突发性剧烈活动时，太阳风中高能离子会增多，这些高能粒子能够沿磁感应线侵入地球的极区，并在地球两极的上层大气中放电，形成绚丽壮观的极光。,一、地球在宇宙中的位置,五、地球的磁场、磁层和辐射带,地球磁场，简言之是偶极型的，近似于把一个磁铁棒放到地球中心，使它的极大体上对着南极而产生的磁场形状。当然，地球中心并没有磁铁棒，而是通过电流在导电液体核中流动的发电机效应产生磁场的。地球磁场中间弱，两极强。地球磁场不是孤立的，它受到外界扰动的影响，宇宙飞船就已经探测到太阳风的存在。太阳风是从太阳日冕层向行星际空间抛射出的高温高速低密度的粒子流，主要成分是电离氢和电离氦。,磁层,在太阳风和地磁场的相互作用下，磁力线被太阳风压缩在一个有限的空间区域内，而太阳风却被磁场阻挡在这个有限的空间区域之外。对于太阳风而言，这个区域成了一个空腔，而地磁场完全被局限在这个空腔之内。这个具有磁场的空腔称为磁层。磁层结构,磁层顶,中性片,磁尾,地球磁层位于地面6001000公里高处，磁层的外边界叫磁层顶，离地面57万公里。在太阳风的压缩下，地球磁力线向背着太阳一面的空间延伸得很远，形成一条长长的尾巴，称为磁尾。在磁赤道附近，有一个特殊的界面，在界面两边，磁力线突然改变方向，此界面称为中性片。中性片上的磁场强度微乎其微，厚度大约有1000公里。中性片将磁尾部分成两部分：北面的磁力线向着地球，南面的磁力线离开地球。,辐射带,太阳风、宇宙线与地球高层大气相互作用形成大量带电粒子，他们绕地球的磁力线螺旋运动而产生电磁辐射。地球磁场俘获的大量带电粒子所在区域称为范艾伦“辐射带”,辐射带呈环状在低中、纬高空环绕地球，界面为两对相对的月牙形。,内辐射带（耳蜗）外辐射带（耳廓）（注：实际上是按高能粒子的分布划分）,1.5R附近；高能质子,34R附近；高能电子,上图显示了地球上的范艾伦辐射带（Van Allen Belts）。辐射带分为两层，内层距地表约7000公里，外层约为13000公里，两层中的缝隙为辐射较少的安全地带，人造卫星可以在此区域内安全运行。,近年又发现更内的第三辐射带，集中来自于太阳系之外的高能氧氮氖的离子。,六、太阳系中普通而特殊的行星地球,为什么说地球是太阳系中的一颗普通行星？为什么有人说地球又是一颗特殊的行星？为什么地球有生命，而其他星球上没有呢？,？,普通性：,在太阳系的八大行星中，虽然地球的质量、体积、平均密度、公转和自转运动有自己的特点，但与其他行星比较并不特殊。,特殊性：,为什么有人说地球又是一颗特殊的行星？,迄今为止地球是人类观测到的所有星球中唯一有生命繁衍的行星。,为什么地球有生命，而其他星球上没有呢？,外部条件：（1）稳定的太阳光照：地球所处的光照条件一直比较稳定，生命从低级向高级的演化没有中断。（2）安全的运行轨道：大小行星各行其道、互不干扰，使地球处于一种比较安全的宇宙环境当中，有利于生命的发展和繁殖。,自身条件：（1）适合的温度（2）合适的大气（3）充足的水分,0100oC的温度范围,温度变化不过分剧烈,大气厚度、密度适中,大气成分合适,内部水汽释放,原始海洋的形成,日地距离适中,自转周期适中,体积、质量适中,漫长的演化过程,收缩衰变致热,冷却、凝结、汇聚,一、地球自转,方向：自西向东周期：太阳日24小时；恒星日23小时56分4秒速度：角速度除北极外，全球为15度/小时 线速度赤道最大 465m/s，北极为0,运动规律,第二节 地球的运动,“坐地日行八万里，巡天遥看一千河”-毛泽东主席,自转速度变化,天空中各种天体东升西落的现象都是地球自转的反映。自20世纪以来由于天文观测技术的发展，人们发现地球自转是不均的。1967年国际上开始建立比地球自转更为精确和稳定的原子时。由于原子时的建立和采用，地球自转中的各种变化相继被发现。现在天文学家已经知道地球自转速度存在长期减慢、不规则变化和周期性变化。,地球自转长期减慢的主要原因可能是发生在浅海地区的潮汐摩擦作用。潮汐摩擦方向与自转方向相反；也有人认为地球自转速度变慢是太阳活动的影响和地球不断膨胀和增大的结果；但是地球自转速度变化的根本原因仍然在地球内部。地球自转还有季节变化：每年3-4月份，自转速度最慢，8月最快，可能与地球上纬向风速、洋流和冰雪分布的季节变化有关。自转速度还存在时快时慢的不规则变化，可能是由于地幔和地核之间角动量交换或海平面和冰川的变化引起，比较剧烈的变化可能是由于风的作用引起。,月球起源说,同源说分裂说捕获说撞击说,3.银河系结构,银河系是一个具有旋涡结构的盘状星系。质量 1012M，直径 105 ly(30 kpc),主要成分(1)银盘(disk)、(2)核球(bulge)、(3)银晕(halo)、(4)银冕(corona),天鹅座,猎户座,船底座,英仙座,4.星族(population),1944年由Walter Baade首先提出。发现星系晕与核球中的恒星明显比盘中的恒星颜色偏红。,星族I恒星 年轻的、富金属恒星（金属丰度为太阳值的0.1-2.5倍）主要位于银盘中，绕银心作圆轨道运动。如疏散星团。星族II恒星年老的、贫金属恒星（金属丰度为太阳值的0.001-0.03倍），主要位于银晕和核球中，以银心作为中心球对称分布绕银心作无规则的椭圆轨道运动。如球状星团。,不同星族恒星的轨道运动特征,星系盘内的恒星绕银心作规则的圆轨道运动。晕中的恒星绕银心作大偏心率的椭圆轨道运动，且轨道取向是随机的。,金属丰度越低的恒星离银道面越远 银河系演化,星族I与II天体的特征,银河系旋臂,银河系存在旋臂结构 英仙(Perseus)臂、船底(Carina)-人马(Sagittarius)臂、猎户(Orion)臂、天鹅(Cygnus)臂太阳位于猎户臂上,(2)密度波理论,由林家翘和徐瑕生1963年在Lindblad工作的基础上提出旋臂是密度波的表现。星系引力势扰动 银盘内的天体以椭圆轨道运动运动速度变化轨道取向相互耦合物质密度的规则变化密度波密度波在银盘内传播，导致物质压缩和恒星形成,5 银河系的起源,初始状态 约100-140亿年前，原初气体云(100 kpc)在引力作用下坍缩。原初气体云只由H和He构成，没有重元素。在坍缩过程中形成致密的核心和云块。,(2)银晕形成 云块在坍缩过程中不断碎裂成为更小的团块。大约100亿年前，团块形成第一代（星族II）恒星（球状星团）。球状星团保持坍缩气体云的特征：球对称分布，以无规则轨道绕银心旋转。第一代恒星中的超新星爆发过程使气体云中重元素丰度逐渐增大。迄今球状星团中的恒星只剩下低质量恒星。,Birth of Our Galaxy,(3)银盘形成气体收缩的同时旋转加快，形状变扁，银盘出现。银盘密度不断增加，第一代星族I恒星形成，恒星以圆轨道绕银心转动。随着恒星的演化和超新星爆发，新生恒星金属元素丰度逐渐增加。银河系的外晕可能形成于银河系和其他小星系间的相互作用。,恒 星,恒星是指由内部能源产生辐射而发光的大质量球状天体,3.1 恒星的主要参数,一、恒星的距离 太阳是离我们地球最近的恒星,距离约1天文单位(=1.5810-6光年)其他恒星的距离比这还要远。比如:,三个著名恒星距离,利用地球公转测定恒星的视差角,a,r=a/,1秒差距=3.259光年,二、恒星的亮度和视星等 恒星看起来的明暗程度称为视亮度，简称亮度，用E表示 在天文学上，星的亮度用星等表示。古人按照星的明暗程度把星星分为6个 亮度等级，天球上约20颗最亮的星称为一等星，肉眼刚刚能看到的星称为六等星。通常以拉丁字母m表示星等。这个星等系统原则上保留到现在，并给予标准化后推广到特别亮的天体以及肉眼看不见但用望远镜能看见的暗星上去。m=-2.5lgE,三、恒星的光度和绝对星等 恒星真正的发光本领称为光度，用L表示。它是恒星每秒钟向四面八方发射的总能量 为了比较不同恒星的光度，假想把恒星都移到同样的距离比较亮度。天文学中把这个标准距离取为10秒差距(1秒差距=3.259光年)，相应于10秒差距距离上的星等值称为绝对星等，用M表示。,太阳的星等为4.75等;天狼星的绝对星等为1.4等,根据绝对星等,恒星可以分成3类,四 恒星光谱,根据对大量恒星光谱研究,大体上可以将恒星光谱分成7种主要类型(称为光谱型):O,B,A,F,G,K,M,简单记忆:”Oh!Be A Fair Girl Kiss Me.”取首字母,称为哈佛分类法,太阳光谱,恒星的光谱、颜色和表面温度之间的关系,五、恒星的赫罗图(光谱-光度图),丹麦 赫兹伯伦美国 罗素,恒星赫罗图内涵:1 深刻反映了恒星的物理性质：温度相对较低的恒星却很亮，可能是因为体积很大（故称为为巨星）；温度高的恒星理应很亮，但却很暗，则可能是体积很小（故称为矮星）2恒星分类的标准3反映了恒星演化的过程,取恒星的光谱型为横坐标,恒星的绝对星等为纵坐标,画出的恒星在光谱-光度图上的分布情况,称为恒星的光谱-光度图或者赫罗图,主序星、巨星和白矮星是赫罗图中最主要的三群星,3.2 变星和新星,亮度在较短时期内有显著变化的星为变星。有少数星的亮度可在几天内猛增几万倍，较原有星等减少10-14等，把这些突然爆发的星称为新星。,新星,亮度会在很短的时间内迅速增加，达到极大后慢慢减弱，几年或几十年后恢复到原来的亮度，这种星叫新星。,有些恒星爆发时规模比新星更巨大，光度增加1亿倍，这种星称为超新星。,超新星,3.3 星云和星际物质,在恒星之间的空间中存在的各种各样的物质统称为星际物质，其中包括星云。,一 星 云,望远镜观测时可以发现许多云雾状斑点的天体,即为星云.主要由气体和尘埃组成.直 徑 可 達 一 千 光 年 密 度 很 低，成 分 主 要 是 氫 萬有引力的作用,老鷹星雲,二、星际物质,在没有恒星也没有星云的地方，充满着比弥漫星云还要稀薄许多的物质，这就是星际物质。星际物质不是均匀的分布在空间里，而是聚集为一块块的“小云朵”。它们由气体和尘埃组成。,3.4 恒星的起源和演化,天体的起源：宇宙物质从另一种形态转化为这种天体形态的过程 天体的演化：天体在其存在时期内在不断变化着，不断进行机械运动、物理运动和化学运动，天体的质量、大小、光度、温度、磁场、结构、自转等都在变化，某些时期甚至与外界还