当前位置:首页 >> 天文/地理 >> 1 星系天文学-前言-认识宇宙

1 星系天文学-前言-认识宇宙


星系天文学
前 言 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 人类怎样认识宇宙 多波段天文观测 若干重要基本概念 恒星集团和星族 银河系结构和演化 银河系运动学 星系与星系团

人类怎样认识宇宙
上下四方曰宇 古往今来曰宙
这句话正确地描述了宇宙同 时具有空间和时间两层含义。 人类在两千年多的探索中,一 步一步正确地认识了宇宙。

人类认识宇宙的里程碑
1. 日心地动说的确立 2. 银河和银河系 3. 天外有天 4. 现代宇宙学 在这一过程中,许多科学家为之 付出了毕生的精力,甚至生命。

一. 从托勒密的地心说 到哥白尼的日心说

地心说的认识基础
人类从诞生之日起就生活在地球上,所 感觉到的是周围平坦的大地和日、月、星 辰的东升西落,而不知地球在自转。这就 是地心说的认识基础。

早期的地心说
亚里士多德(384-322BC)

古希腊哲学家,首次提出地心说。
喜帕恰斯(190-125BC) 古希腊天文学家、地理学家、数学家。

在当时,他们的观念尚不能称为学说。
5

托勒密(90-168AD)
古希腊天文学家,在公元140年完成 13卷巨著《天文学大成》,系统地确立 了地心说,流传1400余年。

上帝创造人类和世界是地心说的社会 基础。人类和人类居住的地球在宇宙中 必然有着特殊的地位。

托勒密学说的基本思想
1. 地球位于宇宙的中心,且固定不动; 2. 太阳和月亮绕地球沿圆轨道运动; 3. 行星的运动比较复杂:每个行星都各沿一个 小而圆的“本轮”运动,而本轮中心绕一个大的 圆 形“均轮”运动。运动速度都是均匀的。地球并 不 托勒密是在总结、发展前人一些观点的基础上, 位于均轮的中心。 提出自己的宇宙体系。如本轮-均轮系统继承了 亚历山大城著名数学家阿波罗尼的观念,偏心圆 的思想则取自喜帕恰斯。

托勒密与他的地心说

何以能称为学说?
托勒密恰当地选择了本轮、均轮的大小, 行星的运动速度,以及本轮平面与均轮平面 之间的交角,能较好地说明行星在天空中运 动的特征,从而成为一种学说。 教会利用这一学说作为其理论支持,加上 科学技术不发达和认识上的限制,这一学说 在西方一直留传了1400多年。

地心体系的修正
人们通过不断添加新的 的本轮对托勒密体系进 行修正,以改进对行星位 置的预报。 最后,本轮数目达到 70-80个之多,行星运 动变得极为复杂。人们 开始怀疑并试图抛弃托 勒密的地心体系。

10

日心体系的诞生
由于托勒密的体系没有正确 反映行星运动的本质,随着时间 的推移,这一体系逐渐变得破绽 百出,最终为人们所抛弃。日心 说正是在这一过程中诞生的。

地心说的历史定位

尽管地心说早已被人们彻底抛弃,然而在人类的认识长 河中不应完全否认它的历史地位,地心说反映了人类早期 的认识水平,其中也有正确的内涵。比如,托勒密主张地 球是球形的,这一正确认识在科学发展史中起到极为重要 的作用。由于没有万有引力的概念,球形地球的观点长时 期受到一些学者的猛力抨击和基督教会的扼杀,直到1519 -1522年间葡萄牙人麦哲伦首次环球航行成功才得以证实。 此外,他提出地球相对整个宇宙只是很小一个点,认识到 行星视运动只是行星实际运动的观测反映,天体在圆轨道 上绕中心天体运动,恒星比行星离地球来得远,等等这些 概念的基本思想无疑是正确的。

早期的日心说
早期,古希腊天文学家阿里斯塔克(310 -230BC)提出朴素的日心说。他认为太阳 位于宇宙的中心而且静止不动,地球绕太阳 运动,同时又绕轴自转。他没有、也不可能给 出理由,只是一种天才的猜想。由于当时科 学水平和社会条件的限制,这一天才的思想 未能为人们所认识。

哥白尼和日心说
中世纪末,随着观测技术的进步,用地心体系推算出的 大行星位置来说明实际天象的观测结果越来越发生困难, 修正后的地心体系变得越来越复杂,以至难以令人信服, 一些有进步思想的学者对此深感不满。另外当时欧洲许多 国家商业活动规模扩大,航海事业日益扩展,而地心说因 不能准确预报太阳、月亮和行星的位置,无法据此提供好 的航海历书。在这种状况下,作为有进步思想科学家的杰 出代表,波兰天文学家 哥白尼在 1543 年出版的不朽名著 《天体运行论》中,系统地提出了他的日心说。使托勒密 体系中极为复杂的行星运动图像,被一幅清晰而又简单的 图像所取代。

日心说的基本思想
1.太阳居于宇宙的中心静止不动; 2.所有的行星都绕着太阳作圆运动; 3.地球绕轴自转,周期为1天; 4.月亮绕地球转动。 哥白尼的日心说实际上就是日心地动说, 日、月、星辰的东升西落是由地球自转引起 的。
15

哥白尼和他的手稿

哥白尼深知该书出版将会带来的严重后果,因此迟迟 不愿付诸印刷,出版过程颇费周折。1540年7月,哥白 尼的挚友奥西安德尔建议把日心说作为一种假说提出, 并强调只是为了便于推算行星的位置,而不是宇宙的真 实写照。对此哥白尼虽不赞成但也只能如此。在奥西安 德尔的帮助下,《天体运行论》直到哥白尼弥留之际才 得以问世。

哥白尼日心说的要点是:地球不是宇宙的中心,宇 宙中心在太阳,所有天体都绕太阳运转;与恒星所处的 天穹高度相比,日地距离是微不足道的;天穹周日旋转 是地球自转的反映,太阳在天穹上的周年运动是地球绕 太阳公转的反映,而行星的复杂视运动是地球和行星都 在绕太阳运动的反映。

教会的残酷迫害
日心说不仅纠正了人类对宇宙的错误认 识,而且从根本上动摇了中世纪宗教神学的 理论支柱,危及教会的思想统治。

赞成、宣传日心说的学者受到罗马教庭 的残酷迫害。布鲁诺被活活烧死,伽利略受 到软禁。1616年,哥白尼的《天体运行论》 被罗马教庭列为禁书。

唯物主义哲学家布鲁诺(1548-1600)在罗马被罗马 教庭活活烧死。右图是后人为布鲁诺竖立的墓碑。

1633年伽利略 在教会受审

伽利略(1564 - 1642)

20

科学史上的悲剧
1616年 罗马教庭第一次审讯伽利略。 1630年 《两种世界体系的对话》出版。 1633年 教庭第二次审讯伽利略,《对话》 被禁止发行;6月22日第二次庭审, 伽利略为 免于被烧死而被迫放弃哥白尼学说,并在软 禁中悲惨地度过晚年。1638年伽利略的双眼 完全失明, 1642年1月8日黯然去世。 1822年 有关哥白尼学说的书籍开禁。 1979年 罗马教皇宣布为伽利略平反。

开普勒的功绩
随着望远镜的发明, 人们发现火星的实测位 置与日心说的理论预报 位置之差最大可达 8?。
开普勒认识到行星 轨道是椭圆而不是圆, 太阳位于椭圆的一个焦 点上,行星运动速度是 不均匀的。

开普勒——“天空立法者”

开普勒行星运动三定律
第一定律

第二定律(面积定律)

第三定律

科学家的科学精神
开普勒行星运动三定律不仅适用于绕恒星转动的行 星, 包括太阳系和太阳系外的行星系统, 也适用于所有 绕行星转动的卫星。开普勒在发现火星的实测位置与 哥白尼体系的理论预期位置有不到 8?之差的基础上, 经过创造性的分析和研究,推断出了行星运动定律。 8?是个什么概念呢?这只相当于在500米远距离处所 看到一个身高1.2米孩子的高度。开普勒坚信哥白尼日 心说和第谷的观测资料,紧紧抓住这点微小的差异不 放, 从而导出了以他名字命名的行星运动三定律。

开普勒的工作是对哥白尼日心说的重大发展,使人们摆 脱长期以来只有匀速圆轨道运动最为完美的陈旧观念, 实 现了行星运动的简单、和谐。之前连伽利略都认为“为保 持宇宙组成部分的完美秩序,必须指出,可运动的物体只能 沿圆周运动。”开普勒之后人们开始重视用数学公式来表 述物理定律, 用方程式来描绘和解释自然界的各种复杂现 象。在这个意义上, 开普勒的成功表征人类观察世界的思 路开始了向采用现代科学研究方法的转变。 开普勒定律的发现, 及几十年后牛顿引力定律的问世, 为经典天体力学奠定了可靠基础。今天天文学家已可根据 天体力学理论,对太阳系天体的运动规律以及一些重要天 象做出长期准确的预报。
25

准确预报日全食
开普勒行星运动三定律的发现,以及嗣 后牛顿万有引力定律的建立,使日心说的地 位进一步得以巩固,人们完全可以对太阳系 内的一些天象作出长期、准确的预报。

2009年7月22日上午,我国长江中下游 一带发生一次日全食,上海、杭州、武汉等 地都可以看到。只要给出观测地点的经纬度 和海拔高度,日全食发生的全过程可以预报 得非常准。

金星位相的变化
1610年,伽利略发现在望 远镜中金星并不呈现为一个 明亮的小圆面,而是像一弯 小的蛾眉月,在不同日期金 星像的形状和大小都在变化。 伽利略由此得出:金星因反 射太阳光而发光;金星到地 球的距离变化很大,说明金 星并不绕地球运动,它和地 球都绕着太阳运动,从而验 证了日心说。

金星位相示意图

望远镜中看 到的金星位 相盈亏变化

为日心说寻找实测证据
只要能发现恒星有视差 位移,就能明确无疑地证 明地球在绕太阳转动,从 而彻底否定地心说。 哥白尼在提出日心说之时已认识到这一点,并进行了首 次恒星视差测定。他在地球位于公转轨道直径两端的两个 日子测量了同一颗恒星的位置,结果没有观测到恒星的视 差位移, 或说恒星视差为零。事实上当时望远镜尚未发明, 肉眼观测仪器误差太大,不可能测出恒星视差。哥白尼考 虑到他所用仪器的观测精度只有 3?- 5?,正确推断恒星距 离至少在日地距离的1000倍以上。
30

日心说的最终证实
1837年, 俄国天文学家 斯特鲁维测得织女星视差 为0.″125,相应的距离为 26.0光年。 1838年德国天 文学家贝塞尔测得恒星天 鹅61的视差为0.″31,即 距离为10.5光年。这些结 果说明恒星位置随地球公 转运动的变化, 从而最终 证实了哥白尼的日心说。

尼加拉瓜发行纪念贝塞 尔1838年测得恒星视差 的邮票

太阳系概况
太阳系的主要成员分类:
1. 中心天体——太阳; 2. 8 颗行星和若干颗矮行星; 3. 行星和矮行星周围的 140 多颗卫星; 4. 小天体,包括小行星、彗星以及流星 体等; 5. 行星际介质。

太阳和行星大小的比较

行星运动轨道

太阳系小天体
太阳系小天体包括:
1.小行星, 大部分位于火星和木星轨道之间; 2.彗星, 中国俗称扫帚星。
3.流星体, 比小行 星更小, 闯入地 球大气时形成 流星现象。

35

流星划过天空

火流星
流星中特别明亮 的又称为火流星, 火流星出现时,偶 尔还可听到声响。

流星雨照片

短时间内一大批流星体闯入地球大气 便形成壮观的流星雨现象

哈雷彗星 公转轨道示意图

彗星照片

哈雷彗星

百武彗星
40

海尔-波普彗星的两条彗尾清晰可见

科学的奇迹
彗木相撞是人类有史以来首次准确预 报并目睹的太阳系天体重大撞击事件。

1993年3月25日发现 SL9彗星,得知 1992年7月8日越过木星时已分裂成21块 碎片,其中比较大的直径1-3公里。 1994年7月17-22日按预报时间准确 撞击木星。总能量约 10 万亿吨TNT当 量,相当 5 亿颗广岛原子弹的威力。

1994年7月彗木相撞奇观
实测景像

模拟景像

地球和火星的比较

人类向往奔向火星

45

二. 赫歇尔把人类的 视野扩大到银河系

哥白尼学说存在的问题
1. 太阳位于宇宙的中心; 2. 太阳在宇宙中是固定不动的; 3. 行星沿圆轨道绕太阳公转。

其中问题 3 已为开普勒所解决

早期认识
“放眼望深渊,星斗布满天,繁星数不尽,天涯若 无边”,俄国科学家罗蒙诺索夫用诗句对星空做了绝 妙的描述。15世纪中叶,法国大主教尼古拉就已天才 地猜测夜空中的点点繁星都是十分遥远的太阳。1584 年布鲁诺在宣传哥白尼日心说的同时,进一步明确提 出宇宙无限的概念,他认为恒星是遥远的“太阳”, 太阳只是一颗普通恒星。当时这些有远见的猜测并没 有任何实测科学依据,更没有引起学者们的普遍关注。 对银河本质的认识首先得归功于望远镜的发明。

望远镜的发明
1608年,荷兰眼镜商人利伯希在偶然 的机会中发明了望远镜,并在抗击英国人 入侵的战争中发挥了重要作用。

1609年,伽利略制成第一架天文望远 镜,并作出一系列重要的发现,如观测到 太阳黑子、月球上的环形山、发现木星的 4 颗大卫星等。

伽利略的 重大发现
伽利略通过望远镜观 测证实:夜晚天空中的 银河,实际上是由无数 个肉眼无法分辩的恒星 所形成的图案。
伽利略自制的望远镜

50

赖特的天才猜想
1750年英国天文学家赖特指出,银河和天空中所有 的恒星实际上构成一个巨大的扁平状恒星系统,即现 在所说的银河系,外形有点像面包圈。因为包括地球 在内的太阳系处于这一系统的内部,从地球上无法直 接看出银河系的真实形状,只是沿不同方向看去,银 河系表现为恒星高度密集的银河,或者是离散分布的 一颗颗恒星,而银道带正是银河系主体部分在天空中 的投影。尽管赖特对银河系总体结构的认识是正确的, 但他并没有给出观测上的证据。

银河系模型的建立
1770年代起,赫歇尔在妹妹卡洛林 · 赫歇尔的支持下, 开始用恒星计数的方法研究银河系结构,他们在几十年内 作了1083次观测,总共计数了117600颗恒星。当时照相术 还未问世,工作量非常大,赫歇尔为之付出极大的心血, 两人经常通宵达旦地数星,从不放弃一个晴夜。 1785年,赫歇尔在若干假设的基础上,建立了第一个银 河系模型,在他的模型中太阳位于银河系的中心。 1830年代,约翰· 赫歇尔把父亲的恒星计数工作扩展到 南半球,在大约5年的时间内,于南非好望角作了2299次 观测,共计数了70000颗恒星,为银河系结构的研究奠定 了更为坚实的观测基础。

赫歇尔的银河系模型

赫歇尔的工作具有重大的历史意义,它证 实了作为一个恒星系统的银河系的客观存在, 从而把人类的视野从太阳系扩展到了银河系, 在这之前天文学家所关注的只限于太阳系。 太阳系的直径约为120亿公里,而银河系的范 围超过10万光年。
在赫歇尔时代银河系即代表了整个宇宙, 所以在他的模型中,太阳仍然位于宇宙的中 心。

恒星在高速运动
英国天文学家哈雷于1718年 首先发现恒星的运动。他把天 狼星等若干亮星当时的位置和 托勒密星表上的位置作了比较 之后,发现它们大约有月球直 径(31?)那么大的变化,这一变 化就是恒星在约1500 年期间自 行运动的结果,从而证实恒星 不动的概念是错误的,恒星运 动的速度高达每秒几十公里。

英国天文学家哈雷 (1656-1742)

55

恒星自行虽然很小,但在 漫长岁月中它会使恒星相对 位置发生显著变化。在天空 中由一些星星构成的图案, 如北斗七星是人们非常熟悉 的。但由于恒星有自行,而 这 7 颗星的自行大小和方向 又不尽相同,在十万年前或 经十万年后,它们的形状和 现在就完全不同了。

北斗七星形状的变化

太阳运动的发现
1783年,赫歇尔发现太阳以大约每秒20公 里的速度朝织女星附近方向运动,从而证实 太阳固定不动的观念是错误的。 他所用的方法实际上很简单:恒星运动必 然由两部分组成:因太阳本身运动所引起的 恒星运动(视差动);以及恒星自身的运动, 即恒星本动。对一大批恒星来说,它们本动 的方向和大小可以认为是杂乱无章的,因而 本动的平均值应该接近于零。

卡普坦的银河系模型
1830年代照相术问世为天文研究提供了一种全新的 观测手段。荷兰天文学家卡普坦正确认识到可利用照 相方法重做赫歇尔的恒星计数工作。1922年,卡普坦 发表了他的银河系模型:银河系主体具有盘状结构, 直径5.5万光年, 厚1.1万光年, 包含474亿颗恒星;太阳 位于靠近盘中心位置上,离中心约为2000-2300光年, 世人曾称之为“卡普坦宇宙”。可惜的是尽管他在 2 年前的论文中已正确认识到“太阳到系统中心必有相 当大的距离”,但最终还是放弃了。

太阳不在银河系中心
1917年,美国天文学家沙普利确认太阳并不位于 银河系的中心,而是处于比较靠近边缘的地方。 与赫歇尔和卡普坦的做法不同,沙普利是用包含 几十万颗恒星的球状星团,而不是用单颗恒星来研 究银河系的结构和太阳在银河系中的位置。这样做 至少有两个好处:工作量大为减小,以及球状星团 比单颗恒星亮得多,在很远的距离上也能观测到。

1918年沙普利研究了已知的约 100个球状星团,发现其中90% 以上位于以人马座为中心的半个 天球上。他推定这些星团所构成 的系统呈球对称分布,中心即银 河系的中心。球状星团分布“一 边倒”的现象说明太阳并不在银 河系中心,而是位于离银河系中 心约5万光年处。沙普利还认为 这些球状星团的范围为 30万光年, 这就是银河系的尺度大小。

球状星团的分布 和太阳的位置

60

太阳在银河系中的位置

银河系的图像
光学图像

红外图像

银河和银河系
银河系的对称平面称为银道面,太阳位 于银道面附近。因此,当我们沿着银道面方 向看时,密密麻麻的恒星聚集在一起,成为 我们看到的银河。当我们离开银道面方向看 时,稀疏分布的恒星便构成了夜晚的星空。 银河和银河系是两个不同的概念。

三. 哈勃发现河外星系

星云是什么?
夜晚天空中可以看到一些云雾状暗天体, 称为星云。1750年,赖特猜想其中有一些可 能是同银河系一样的巨大恒星系统。
1755年,康德明确提出在银河系外存在着 无数个与银河系类似的河外星系,他甚至确 指1612年发现的仙女星云即在此例。

65

美丽的星云

蟹状星云

马头暗星云

赫歇尔的困惑
赫歇尔首先想到:如果望远镜可以把星云 分解成一颗颗恒星,星云就是星系,否则康 德的观点不能成立,而他当时拥有世界上最 大的望远镜。 赫歇尔观测的结果是:一些星云被分解为 恒星,另一些星云又无法分解为恒星;这使 得他先是赞成而后又反对河外星系的存在。

三种“星云”
赫歇尔时代的所谓“星云”有 3 类: 1. 银河系中的星云; 2. 银河系中的星团; 3. 银河系外的恒星系统。 实际上用赫歇尔望远镜能分解的是银 河系中的星团,不能分解的是银河系中 的星云或银河系外的天体。

一场大辩论
直到20世纪初,关于星云的本质仍 然没有明确的定论。 1920年4月,美国科学院举办“宇 宙 的尺度”辩论会。这就是天文史上有 名 的“沙普利-柯蒂斯之争”。

以柯蒂斯为首的一方认为,一部 分星云是河外星系;而以沙普利为 首的一方则坚持相反的立场。

沙普利(1885-1972)

柯蒂斯(1872-1942) 70

关键在于距离测定
争论双方各抒己见,对立的观点相持不下,而 且根本不听取对方的意见,实际上没法称为人们 所说的“伟大的辩论”,最终也不可能得出明确 的 结论。关键在于如何正确测定这些星云的距离 。 如果仙女星云的距离远大于银河系尺度,且又 可分解为一颗颗恒星,它就是河外星系。否则, 仙女星云就一定是银河系内的天体。

测定天体的距离谈何容易

测定天体距离的困难
三角测距法:以地球轨道直径为基线测定 天体的距离,称为几何距离。最近的恒星(4.2 光年)对地球轨道直径的张角不到 2?。 光度测距法:所看到的天体亮度与天体到 地球的距离平方成反比。同样光度的天体, 距离越远,看上去越暗。

几何距离和光度距离

测定天体几何距离 的基本原理

同样光度的光源,距离 越远,亮度越暗。

造父变星的光度距离
变星:亮度会发生变化的恒星,造父变星 是其中的一类。 造父变星的周光关系:光度L与光变周期 P 之间存在以下关系: L = f (P)

函数 f 的形式是知道的,P可以测得,于是可 求得光度L,并与亮度比较以确定距离。

造父变星的光度变化

造父变星的周光关系

75

造父变星有着确定的周光关系,它们特有的 光变性质使得这类变星很容易确认而不会误判。 它们的光度非常大,即使在相当远距离的地方 也能观测得到,且比较普遍地存在,适用范围 最远可超过5000万光年,距离测定的精度也比 较高,被天文学家誉为“量天尺”。造父变星 用于天体测距在历史上已享有盛誉,沙普利在 估算球状星团的距离时,便是利用了其中 3 个 星团中的造父变星。今天,造父变星对于天体 距离的测定仍起着十分重要的作用。

望远镜越做越大
望远镜的主要功能:聚光本领和分辨率。 望远镜的物镜(口径)越大, 聚光本领越强, 分辨率越高。所以望远镜越做越大。

1917年,口径2.5米望远镜建成。 1948年,5米; 1971年,6米。
目前已有口径10米及更大的大望远镜。

哈勃发现河外星系
1923年10月6日,美国 天文学家哈勃利用2.5 米 望远镜观测仙女星云,分 辩出造父变星,由此推 算出仙女星云的距离为 225万光年,远在银河系 之外,从而证实了河外星 系的存在。

天文学家哈勃

仙女星系

河外星系(一)

80

河外星系(二)

河外星系的存在经哈勃的工作而得以确认,仙女星 云应更名为仙女星系,一场旷日持久的科学争论终于 有了明确的结果。是年哈勃只有33岁,按现在的划分 标准他还是一个年轻人。有意思的是,哈勃始终拒不 接受今天的标准天文学术语“星系”,而坚持用他自 己偏爱的称谓——“星云”,在他的论文和报告中哈 勃一直用“河外星云”来称呼河外星系。 哈勃在星系领域的辛勤耕耘终于结出了丰硕的果实, 人类对宇宙的认识又一次大大地扩大了。由于哈勃在 星系研究领域内有着诸多的杰出贡献,开创了星系天 文学,人们尊敬地称他为“星云世界的水手”。

赫歇尔的工作把天文学家的视野扩大到银河系,而 哈勃的发现则进一步把人们从恒星世界拓展到星系世 界,人类对宇宙的认识又大大地跨进了一步。 与此同时,人们心目中地球的“地位”则在不断地 “下降”:在地心说中地球“位于”宇宙的中心,到 了日心说地球只是绕太阳转动的行星之一;在赫歇尔 的模型中太阳(亦即地球)居于银河系的中心,沙普 利的研究使人们认识到太阳离开银河系中心很远;哈 勃的工作使人类的视野进一步扩大,银河系也只是星 系世界中的普通一员,宇宙根本就不存在什么中心。 以上事实说明,外星人或外星生命应该存在。

宇宙概貌
哥白尼正确认识了太阳系。 赫歇尔把人类带入恒星世界。 哈勃使我们进入星系世界。

宇宙中各种星系的数目在 1000 亿个以上, 它们又构成更大的恒星集团——星系团,以 至超星系团。恒星构成星系,星系构成星系 团、超星系团,这就是宇宙的成团结构。

星系团

85

四. 现代宇宙学概况

关于宇宙的认识,中国古代有盖天说、浑天说和 宣夜说三派学说,都出现于春秋、战国时代前后。

盖天说出现于殷末周初, 主要观点是认为天像一个 半球形的大罩子盖于地之 上,而地是平坦的。早期 的盖天说即“天圆地方” 说,后来把方形大地改为 拱形大地,可算是一大进 步。

盖天说

浑天说可能始于战国时期, 主张天地具有蛋形 结构, 地在中心如蛋黄,天像蛋壳那样围于地之 四周;后来进而发展为地浮于气中。比起盖天 说来,浑天说显然要进步得多。

浑天说

宣夜说认为天没有固定边界,不过是无穷无涯 的气体,日月星辰就在气体中飘浮游动,从而提 出了一种朴素的、宇宙无限观点, 历史渊源可上 溯到战国时代的庄子。就探索宇宙结构来说宣夜 说已达到较高水平。但从观测角度来看宣夜说反 不如浑天说:浑天说能定性地说明太阳和月亮的 大致运行情况,宣夜说却没有探讨这类运动的规 律性。另外,在修订历法时浑天说也有着重要的 实用意义。

宇宙学的发展简史
从整体角度探讨宇宙的结构和演化

17世纪,牛顿建立经典宇宙学; 1917年,爱因斯坦开创现代宇宙学研究; 1922年,弗里德曼探讨膨胀宇宙可能性; 1927年,勒梅特提出均匀各向同性膨胀宇 宙模型; 1948年,伽莫夫建立大爆炸宇宙论。 大爆炸宇宙论已为天文界所普遍接受
90

17世纪牛顿开创用力学方法研究宇宙整体性 质的途径,建立经典宇宙学:时间均匀流逝, 既无起始之时, 也永远不会终结,空间均匀而 平坦地伸展直达无限。这样的时间和空间为描 述一切物体的运动提供了绝对的时间和空间坐 标,时间与空间互不相关。牛顿理论只解释了 宇宙万物的运动规律,没有回答宇宙起源问题。

1917年,爱因斯坦根据广义相对论建立了一个 “静止、无界、有限”的宇宙模型,宇宙半径约 为 35 亿光年。这一工作开创了现代宇宙学研究的 时代。在爱因斯坦的静态宇宙模型中,宇宙在空 间上是封闭的,但却没有边际。如向任意方向发 出一个光子,那么它会一直在这个封闭的宇宙空 间中传播,在任何地方都不会碰到宇宙的边缘, 甚至最后还能回到出发点。 爱因斯坦之后,一系列重要观测发现和理论研 究成果接踵而来,宇宙学研究开始沿着科学的方 向发展,并取得了很大的成功。

1922年,苏联数学家弗里德曼放弃了爱因斯坦静态宇宙 的观念,首次考虑非静态宇宙,并论证了宇宙随时间不断 膨胀的可能性。1927年,比得时主教、天文学家勒梅特提 出均匀各向同性的膨胀宇宙模型。两年后哈勃定律的发现 给宇宙膨胀的动态图像以强有力支持,爱丁顿随即把星系 的系统性退行解释为宇宙均匀各向同性膨胀的观测效应。

1932年勒梅特进一步提出,现在的宇宙是由早期处于极 端高温、高密度状态下的所谓“原始原子”,因发生爆炸、 膨胀、演化而形成的,从而开始明确而又具体地讨论宇宙 诞生的问题。1948年,美国天文学家伽莫夫等人进一步发 展了勒梅特的思想,从而为今天称为标准模型的“大爆炸 宇宙论”奠定了基础。

大爆炸宇宙论
大爆炸开始于大约137亿年前。当时宇宙 的体积极小、密度极高、温度极高。 大爆炸开始后,体积不断膨胀,密度和温 度下降。经过100多亿年时间的演化, 成为今 天我们所看到的宇宙。

大爆炸模型得到 若干重要观测事实的支持

宇宙大爆炸示意图

95

暴涨宇宙论
为解决大爆炸宇宙模型所遇到的困难,一些 学者开始考虑如何把高能物理学的最新概念用 于宇宙学研究。1981年,年轻的美国物理学家 古思等提出了暴涨宇宙论。该理论对可观测宇 宙的描述,除大爆炸发生后最初一段极为短暂 的时间外,其他绝大部分时间中宇宙演化过程 的一切情况都与标准大爆炸模型相符合,但对 最早那一瞬间的表述却大为不同。

根据暴涨模型,宇宙极早期曾经历一极短时间的极 快速膨胀——“暴涨”,暴涨出现于大爆炸发生后10-35 秒,经历时间段为10-32秒。在暴涨阶段物质达到一种 称为“假真空”的奇特状态。假真空引起的排斥作用 使宇宙按指数律加速膨胀,尺度每过10-34秒便增大一 倍。在10-32秒的瞬间内宇宙尺度增大了1050倍,原子核 大小的区域会暴涨为直径约1光年大。暴涨引起的尺度 极速膨胀使宇宙一度冷却,甚至跌到接近绝对零度。 然后暴涨的突然结束再次使宇宙升到1028度的极高温度。 在这种惊人的爆发式增长过程中宇宙的所有质量和能 量从完全真空中产生出来。在这一模型中极早期宇宙 尺度比标准模型中的小得多,标准模型中的一些困难 可找到简单的解释。

暴涨模型与 标准大爆炸模型的 比较

大爆炸学说的观测证据
1.宇宙膨胀:1929年哈勃发现星系的红移越大 距离越远,或说星系的视向退行速度越大距离越 远,两者间有着简单的正比关系。由此得出的 重要推论是,宇宙中任何两个星系都在彼此互 相远离,且星系间距离越远远离的速度越大。 上述大尺度宇宙图景的最简单物理解释便是整 个宇宙在不断膨胀,且这种膨胀是均匀各向同 性的,这正是大爆炸宇宙模型的预期结果。

2. 大爆炸余热的发现 :另一个支持大爆炸理论的 观测证据是所谓“微波背景辐射”。根据现代大爆炸 理论,在大爆炸以后经过130多亿年的不断膨胀、冷 却,目前剩余的温度应该大约只有3开,辐射的波长位 于微波波段,且在不同的观测方向应该表现为各向同 性分布。 1965年美国科学家彭齐亚斯和威尔逊发现了这种宇 宙微波背景辐射 ,并为后人的工作完全证实。他们因 此共同获得1978年诺贝尔物理学奖。遗憾的是创立大 爆炸学说的勒梅特和伽莫夫已于1966年和1968年先后 谢世,没有享受到这项全球学术界最高等级的奖励。

3. 宇宙中的物质丰度:无论在太阳或者其他绝大多数恒 星的表面,还是在许多星系中,都发现有元素氦的存在, 而且实测结果表明,在不同的地方氦丰度大致相同,平均 来说宇宙中有25%左右的物质是由氦组成的,而这一观测 事实无法用恒星内部的热核反应来加以解释。对于这样一 个所谓“氦丰度”问题,天文学家必须寻求解释机制,而 正是大爆炸宇宙论对此给出了合理的说明。 宇宙大爆炸与炸弹爆炸是完全不同的两类事件。炸弹爆 炸意味着构成炸弹的物质在空间中迅速朝四面八方散开, 并造成很大的破坏力,而宇宙大爆炸是物质随着空间的快 速扩展而急剧膨胀,不存在任何涉及破坏力的问题。

根据大爆炸宇宙论,大爆炸事件是空间的起源,又 是物质和能量的起源,甚至时间的概念也是由此出现 的,它是空间、时间、物质和能量这一切的开端。 至于大爆炸之前有些什么,什么原因引起了大爆炸, 以及大爆炸为什么发生在这个时候、这个地方,等等 这类问题在大爆炸理论中是没有任何意义的——不存 在所谓的“以前”,而在没有任何时间的地方也就没 有任何通常意义上的因果关系。显然,大爆炸理论中 的许多概念已经超出了人们常规思维的范畴。

宇宙的结局
宇宙膨胀过程是引力与斥力之 争,谁胜谁负取决于宇宙中物质的 密度。
如果密度足够大, 膨胀终将结束, 并接下来就是收缩, 称为闭宇宙。否 则,膨胀永无止境,称为开宇宙。
100

开宇宙的可能结局
随着恒星不断从气体中诞生,气体越来越少,直 至无法再形成新的恒星。 1014年后,恒星全部失去光辉,星系核中的黑 洞不断变大; 1017-1018年后,只剩下黑洞和死亡了的恒星, 恒星中的质子开始变得不稳定; 1024年后,质子开始衰变为光子和轻子; 1032年后,衰变过程结束,宇宙中只剩下光 子、轻子和大黑洞; 10100年后,黑洞蒸发,可称为宇宙末日。

闭宇宙的可能结局
膨胀停止的早晚取决于物质密度的大小。 假设物质密度是形成闭宇宙最低要求的 2 倍,则膨胀过程经过约 500 亿年后结束,宇 宙的半径比现在大 1 倍。 一旦引力占上风,宇宙开始收缩。收缩过 程正好是膨胀的反演。1000 亿年后回到大爆 炸发生时的状态,且收缩过程越来越快,最 后称为“大暴缩”。

开宇宙的结局似乎比闭宇宙更好一 些。不过,整个过程所经历的时间实 在太长。将来该怎么办?这已经完全 不是我们今天所能考虑的问题了。 真正的威胁在50亿年之后,太阳将 变成一颗红巨星并吞食地球。


更多相关文档:

1 星系天文学-前言-认识宇宙_图文.ppt

1 星系天文学-前言-认识宇宙 - 星系天文学 前言 第章 第二章 第三章 第

114星系天文学@中科大z00认识宇宙_图文.ppt

114星系天文学@中科大z00认识宇宙 - 星系天文学 前言章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 人类怎样认识宇宙 多波段天文观测 若干重要基本...

1.1人类认识的宇宙_图文.ppt

1.1人类认识宇宙 人类认识宇宙天体的概念 天体系统的层次 地球存在生命物质...总星系天文学上把银河系和现阶段所能观测到的河外星系,合起来叫做 总星系。这...

1.1 人类认识的宇宙.doc

2.人类对宇宙认识过程: 时代人类对宇宙认识 古希腊天文学家托勒玫提出“地心说” 波兰天文学家哥白尼提出“日心说” 天文学家引进“星系词 公元 2 世纪...

11.09.05高一地理《前言-走进地理学 地球的宇宙环境 太....ppt

11.09.05高一地理《前言-走进地理学 地球的宇宙环境 太阳对地球的影响》(课件...18世纪,天文学家引进“星系词; 5. 20世纪,宇宙大爆炸理论; 6. 20世纪...

认识宇宙.doc

第五节 星系宇宙(上) 1星系的哈勃分类:椭圆星系。漩涡星系、不规则星系。...更是被后面的天文学家们改造 制作,天文望远镜能够观察到更多的天体,对宇宙的...

1.1人类认识的宇宙 (1)_图文.ppt

1.1人类认识宇宙 (1) - 、人类目前观测到的宇宙 1、人们对宇宙认识 公元2世纪,古希腊天文学家托勒密提出“地心说” 16世纪,波兰天文学家哥白尼提出“日...

1.1 人类对宇宙的认识_图文.ppt

2. 星系看起来都在远离我们而去,且距离越远, 远离的速度越快,星系间的距离在不断地扩大。 3. 这结论意义深远:因为一直以来,天文学家都 认为宇宙是静止的...

1.1人类认识的宇宙_图文.doc

最近,天文学家利用哈勃望远镜,观察到离 地球 260 亿光年远的星系,随着科学技术的进步,我们将看得更远……人们对宇宙认识将不断加深。 3、宇宙的特点 (1)...

1.1人类对宇宙的认识_图文.ppt

天文望远镜和射电望远镜 二.星系的运动 哈勃的发现: (1)所有的星系都在离我们...美国斯坦福大学的天文学研究小组在遥远的宇宙 中发现了到目前为止堪称最庞大最...

浙教版九年级下册科学1.1人类对宇宙的认识(33张PPT)_图文.ppt

星系词; 20世纪60年代以来,大型天文望远镜的使 用以及空间探测技术的发展,使天文观测 的尺度逐渐扩展到150200亿光年的时空 区域---宇宙大爆炸学说横空出...

1.1人类认识的宇宙_图文.ppt

1.1人类认识宇宙 - 宇宙中的地球 “地心说”〉“日心 说”〉“星系

1.1人类认识的宇宙)_图文.ppt

天文学家引进“星系宇宙的同义语 20世纪以来尤其是60年代大型天文望远镜以及空间探测 技术的发展 达到上百亿年和上百亿光年 第宇宙中的地球 宇宙是...

现代天文学发展.doc

哈勃这发现的意义真是无可估量, 使人类对于宇宙认识产生了飞跃的、 质的提高, 他因而也被人们尊称为“星海将军”“宇宙边疆开拓者”“星系天文学之父” 、...

1.1人类认识的宇宙教案2.doc

下面,请同学们迅速阅 读序言部分。 Ⅱ.讲述新课: <板书> §1.1 人类认识的...的恒星体系,并建 立了银河系的天文体系,从而将人类认知的宇宙范围拓展到星系...

天文基础10、星系和星系团.ppt

? 从寻找彗星开始 梅西叶星表 康德的“宇宙岛”概念 NGC和IC星表 星云与“宇宙岛”之争 光星系和星系团北京天文馆 詹想 、哈勃的星系时代 星系天文学简史 ...

1.1人类对宇宙的认识_图文.ppt

1.1人类对宇宙认识 - 第1章 演化的自然 1.1 人类对宇宙认识 课前预练 1.提出“日心说”的是波兰天文学家 哥白尼 ,它否定了 地球 是宇宙 的中心,...

星系天文学 辐射第一章_图文.ppt

星系天文学 辐射第章 - 天体过理中的辐射过程 第章 辐射转移 中国科学技术大学 林宣滨 2012年9月 2012-10-16 天体物理中的辐射过程 1楼208,36004...

九下第一章第一节人类对宇宙的认识_图文.ppt

1节 人类对宇 宙认识 、古代人的宇宙1.宇宙概念:宇宙是广漠空间和存在的各种 天体以及弥漫物质的总称。 2.宇宙包括:宇宙中有上千亿的星系, 平均每个...

2 星系天文学-第一章-多波段天文观测_图文.ppt

诞生了多波段天文学,人类对宇宙宇宙中各类天体、天象的物理本质的认知迈入 ...1 星系天文学-前言-认识... 107页 1下载券 2018 Baidu |由 百度云 提供...

更多相关标签:
网站地图

文档资料共享网 nexoncn.com copyright ©right 2010-2020。
文档资料共享网内容来自网络,如有侵犯请联系客服。email:zhit325@126.com