现代天文学复习资料.doc

宇宙线物理 交叉于多种学科l 天文学和高能天体物理l 粒子物理与核物理l 空间物理l 大气环境等宇宙线的发现 美国物理学家密立根认为宇宙线是由不带电的光子组成。密立根认为，在宇宙中，16个氢原子聚合成了个氧原子时，生成光子，产生宇宙射线。他还把宇宙线叫做原子“诞生时的哭叫”。 另一位美国物理学家康普顿认为宇宙线是由带电粒子组成。康普顿等人发现宇宙线存在“纬度效应”，宇宙线强度随地球的纬度不同而不同，这一结论是由康普顿亲自走访了6个国家和60多位科学家分别进行观测而获得的。 1932年，康普顿亲自走访了五大洲，行程约为八万公里，南到新西兰的杜恩庭，北到北极圈；上至高山顶峰，下至海平面进行测量。同年9月，康普顿在北极圈内宣告宇宙线确实存在“纬度效应”，并肯定了它是由带电粒子组成。 宇宙线是什么？ 宇宙线是自动送上门来的宇宙空间的高能粒子流。 宇宙线主要是由质子、氦核、铁核等裸原子核组成的高能粒子流；也含有少量中性的珈玛射线和能穿过地球的中微子流。（不同能段成分的构成比例不相同） 产生于太阳系的宇宙线，称为太阳宇宙线；与之相对应还有银河宇宙线和河外宇宙线。研究宇宙线物理意义 长途跋涉的空间旅行，带来空间的许多信息是人类研究空间环境的参照 来自遥远的的银河系或者以外，是我们目前了解太阳系以外的唯一物质参考 宇宙线活动的强弱直接影响到人类赖以生存的空间环境 对于人类的航天事业的发展有重大的影响 二十世纪30至50年代，作为当时唯一可利用的高能粒子源，在宇宙线中相继发现了一系列基本粒子，推动了早期粒子物理学和高能加速器的发展。30年代 50年代 人们把这种宇宙线粒子加速器无偿提供的高能粒子流作为“粒子炮弹“去轰开基本粒子世界的大门，促成了粒子物理学和高能人工加速器的发展。相继在宇宙线中发现了： 宇宙线物理是实验的科学 宇宙线物理以实验为基础，而又基于实验和理论密切结合发展的。宇宙线能谱特点宇宙线能量与宇宙线的流量费米加速机制 1949年Fermi提出宇宙线粒子在与星际磁场的碰撞过程中能够获得能量，得到加速。Fermi加速机制对于宇宙线能谱给出很好的解释。宇宙线研究的几大热门 g源、g暴 中微子n物理（2002年诺贝尔奖） 反物质与暗物质 “膝区物理” 极高能物理Open questions : 宇宙射线是怎样产生的？它的产生机制是什么？ 什么过程把它们加速到如此高的能量的？l 超新星爆发？l 高速旋转的中子星？l 活动星系核？ 为什么宇宙线能谱拐折？l 膝区l 踝区l 趾区？ GZK截断？实验的主要目的寻找宇宙线源 带电粒子（主要是质子、核子和电子）受到星际介质、行星际磁场，太阳风磁场，地球磁层的调制和偏转，失去了产生地的方向信息。 以中性稳定粒子流（g,中微子）为探针，是我们研究宇宙线起源，加速机制和传播过程的主要手段。宇宙射线伽玛天文 对光子全波段范围的观测对于全面了解星体演化和宇宙线的起源有重要意义。 不同能区的光子对应不同的物理过程，而且有不同的观测手段。空间实验直接探测 g天文的EGRET时代 美国宇航局NASA发射CGRO卫星1991年4月5日发射升空，标志着人类对g天文的研究揭开了新的一页。（1991-1999）EGRET主要贡献2、给出宇宙线银河起源的证据3、给出第一张弥散伽玛射线的辐射天图反映了宇宙线与星际介质和光子背景的相互作用4、证认了BLAZARS是一种能够产生大量g射线的活动星系核（AGN）5、做出了宇宙线各向同性的比较准确的测量GLAST的挑战 未来GLAST对g天文贡献的期待l 2007年发射l 目标：寻找河外Blazer，证认EGRET不明源，高能g暴的探测，寻找暗物质等空间实验的优势探测高能宇宙线对实验仪器的要求 探测器有效面积大 张角大（open angle） 收集时间长地面宇宙线实验观测 面积不受限制 收集时间不受限制 张角接近2p立体角广延大气簇射（EAS）Extensive Air Shower 地面实验对高能宇宙线间接测量。 高能宇宙线粒子进入大气层，与大气层中的空气中的原子核发生多次核作用，形成级联簇射，从而产生大量次级粒子的过程。 级联：电磁级联，强子级联和混合级联广延大气簇射的纵向发展 宇宙线进入大气层，与空气核相互作用产生大量次级粒子 地面探测器通过探测次级粒子的效应来推断原初宇宙线的特性l 次级粒子数目与原初能量相关l 次级粒子到达的时间反映原初粒子的方向l 簇射中m子的比率与原初粒子的类型（质子、核子、光子）相关广延大气簇射横向分布 横向分布EAS（广延大气簇射）阵列实验AGASA、 MILAGRO、 TIBET ASg 、ARGO-YBJ，CASA-MIA，HEGRA， 。IACT(大气 Cherenkov 成像望远镜）实验WHIPPLE， CANGROO，MAGIC，VERITAS，CAT，HESS，。AGASA AGASA covers an area of about 100 km2 and consists of 111 detectors on the ground MilagroCANGROO实验 CANGAROO Collaboration of Australia and Nippon (Japan) for a GAmma Ray Observatory in the Outback,国际合作，利用成像 Cherenkov 望远镜阵列研究VHE（甚高能）GAMMA天文的位置在Woomera, Australia. HESS实验介绍 大气契仑柯夫成像望远镜实验 位于纳米比亚 多国合作（德、法、英、捷克、波兰、爱尔兰、纳米比亚、亚米尼亚、南非等）Hess 成果（截至到2006年） 不到三年的时间公开发表在国际有影响的著名刊物上的文章为29篇（其中不算国际会议文章） 其中Nature 上发表3篇 science上发表2篇 其成果在2005年印度召开的国际宇宙线会议上引起不小的轰动。 共计发现（探测到）TeV能区gamma射线源25个，并且还在不断更新中意合作ARGO实验为何来此？ 高海拔（米）的优势蕴藏着物理的优越 羊八井得天独厚的地理位置把优越性发挥到极致（地形，气候，生活，能源，交通，友邻等） 利用这些条件作别人做不了的科研工作宇宙线各向异性扣除掉各向异性后全天显著性分布图参加合作单位中意ARGO-YBJ实验 中方（发言人 曹臻） 中科院高能物理所 西藏大学 西南交通大学 云南大学 山东大学 郑州大学 香港大学 河北师范大学 44人 意方（B.Dettorre Piazzoli） Napoli大学物理系及INFN Napoli分部 Lecce大学物理系及INFN Lecce分部 罗马二大学物理系及INFN 罗马二分部 罗马三大学物理系及INFN 罗马三分部 CNR都灵宇宙地物所及INFN都灵分部 INFN Catania分部 INFN pavia 分部 Salerno大学 Sonnio 大学 39人ARGO将开展的主要研究课题q 100GeV g点源的寻找和监测。q 把对宇宙g暴的观测扩充到整个10GeV-TeV能区。q 利用月球和地磁场组成的巨型空间“磁谱仪”，以宇宙线“月亮阴影”法测定宇宙线中的反质子丰度，获取这些信息是判定宇宙远方是否存在反物质星系的重要判据。 q 膝区物理的突破q 作为基本的日地环境参数长期持续监测宇宙线及其反映的太阳活动和行星际大尺度磁场的变化，并研究地球环境与太阳活动变化间的关联。 ARGO实验进展顺利我们满怀希望的期待着 第一讲 天文学的研究对象和内容研究对象： 天文学所研究的对象涉及宇宙空间的各种星星和物体，大到月球、太阳、行星、恒星、银河系、河外星系以至整个宇宙，小到小行星、流星体以至分布在广袤宇宙空间中的大大小小尘埃粒子。 天文学家把所有这些星星和物体统称为天体。 从这个意义上讲，地球也应该是一个天体，不过天文学只研究地球的总体性质而一般不讨论它的细节。-地球物理 人造卫星、宇宙飞船、空间站等人造飞行器的运动性质也属于天文学的研究范围，可以称之为人造天体。天文与气象？ 不少人往往分不清天文和气象有什么区别，电话打到天文台问天气情况是常有的事。也许天文和气象都是研究“天上”的东西而使人产生混淆，而香港天文台经常发播台风警报更使人误认为天文台就是研究天气情况。 其实，天文学研究的天和气象学研究的天是两个完全不同的概念。 天文学上的“天”是指宇宙空间，气象学上的“天”是地球大气层。 天文学家研究地球大气层以外各类天体的性质和天体上发生的各种现象天象，气象学家则研究地球大气层内发生的各种现象气象。 预报日食、月食的发生和流星雨的出现是天文学家的事，而预报台风、高温、寒潮则是气象学家的职责。 天文学（Astronomy = Star + Law）空间尺度：从极小到极大宇宙中的天体由近及远分类为几个层次： 太阳系天体：包括太阳、行星（其中包括地球）、行星的卫星（其中包括月球）、小行星、彗星、流星体及行星际介质等。恒星和恒星集团 银河系中的各类恒星和恒星集团：包括变星、双星、聚星、星团、星云和星际介质。太阳是银河系中的一颗普通恒星。星系 河外星系，简称星系，指位于我们银河系之外、与我们银河系相似的庞大的恒星系统，以及由星系组成的更大的天体集团，如双星系、多重星系、星系团、超星系团等。此外还有分布在星系与星系之间的星系际介质。 天文学还从总体上探索目前我们所观测到的整个宇宙的起源、结构、演化和未来的结局，这是天文学的一门分支学科宇宙学的研究内容。时间跨度：从过去到将来天文学的研究特点天文学按照研究的内容可分为天体测量学、天体力学和天体物理学三门分支学科。 天体测量学 天体测量学是天文学中发展最早的一个分支，它的主要内容是研究和测定各类天体的位置和运动，建立天球参考系等。 利用天体测量方法取得的观测资料，不仅可以用于天体力学和天体物理研究，而且具有应用价值，比如用以确定地面点的位置。 目前，天体测量的手段已从早期单一的可见光波段，发展到射电、红外等其他电磁波段，精度也不断提高，并且从地面扩展到空间，这就是空间天体测量。 天体力学 天体力学主要研究天体的相互作用、运动和形状，其中运动应包括天体的自转。早期的研究对象是太阳系天体，目前已扩展到恒星、星团和星系。 牛顿万有引力定律和运动三定律的建立奠定了天体力学的基础，使研究工作从运动学发展到动力学。因此，实际上可以说牛顿是天体力学的创始人。 今天，我们可以准确地预报日食、月食等天象，和天体力学的发展是分不开的。 天体物理 天体物理是天文学中最年轻的一门分支学科，它应用物理学的技术、方法和理论，来研究各类天体的形态、结构、分布、化学组成、物理状态和性质以及它们的演化规律。 十八世纪赫歇尔开创恒星天文学可谓天体物理学的孕育时期。十九世纪中叶，随着天文观测技术的发展，天体物理成为天文学一个独立的分支学科，并促使天文观测和研究不断作出新发现和新成果。天体物理的研究 就其研究内容来说，有太阳物理、太阳系物理、恒星物理、银河系天文、星系天文、宇宙化学、gamma天文、天体演化及宇宙学等。 就其研究方法而言又可分为实测天体物理和理论天体物理。二十世纪天体物理学成就天文学与物理学相互促进天体和宇宙是物理学的巨大实验室天文学与物理学的相互促进天文学观测的贡献天文学的科学模型思考题： 如何理解天文与气象的关系？ 天文学按照研究的内容可分为哪几个分支学科？ 二十世纪天体物理学的成就体现在哪些方面？第二讲 宇宙学 从整体角度探讨宇宙结构和演化的天文学分支学科一、中外古代的宇宙观中国古代的宇宙观l 中国古代三种有代表性的宇宙观盖天说（周初）：地是平坦的，天如伞一样覆盖大地。浑天说（战国）：天地有蛋形结构，地在中心，天在地周围。宣夜说（战国）：天无限而空虚，星辰悬浮空虚之中。盖天说l 盖天说最早起源于西周。是中国最古老的讨论天地结构的体系。l 盖天说认为，天是圆形的，像一把张开的大伞覆盖在地上；地是方形的，像一个棋盘，日月星辰则像爬虫一样过往天空，因此这一学说又被称为“天圆地方说”。盖天说l 盖天说宇宙结构理论力图说明太阳运行的轨道设计了一个七衡六间图。太阳在天盖上的周日运动一年中有七条道路，称为“七衡”。最内一道叫内衡，夏至日太阳就沿内衡走一圈；最外一圈叫“外衡”，是冬至日太阳的路径；其它节气里，太阳沿中间的五道运行。浑天说l “浑天说”出现在战国时代，它认为，浑天如鸡子。天体圆如弹丸，地如鸡子黄，孤居于内，天大而地小。地球不是孤零零地悬在空中的而是浮在水上后来又有人认为地球浮在气中。l 浑天说认为全天恒星都布于一个“天球”上而日月五星则附丽于“天球”上运行。因而浑天说采用球面坐标系如赤道坐标系来量度天体的位置计量天体的运动。宣夜说国外古代的宇宙观的发展l 在外国，对宇宙结构也有各种各样的说法和理论。古代巴比伦人认为，大地犹如拱起的乌龟，天空乃是半球形的穹庐。l 古代印度人认为，大地驮在象背上，大象站在龟身上，海龟浮在海洋上。l 古希腊对于宇宙结构有不同的学说，有人认为地球是一个浮在水面的扁盘；有人认为地球是一个球，居于世界的中央，这大概是“地球中心说”的雏形；也有人认为，地球绕轴旋转分昼夜，绕日旋转成周岁，这大概可算是“太阳中心说”的前驱了。l 托勒密的地心说的主要观点是：q 第一，地球位于宇宙中心静止不动。q 第二，每颗行星都在一个称为“本轮”的小圆形轨道上匀速转动。而本轮中心在称为“均轮”的大圆轨道上绕地球匀速转动，但地球不在均轮圆心，它与圆心有一定的距离。q 第三，水星和金星的本轮中心位于地球与太阳的联线上，本轮中心在均轮上一年转一周，火星、木星、土星到它们各自的本轮中心的直线就是一周。q 第四，恒星都位于被称为“恒星天”的固体壳层上。日、月、行星除上述运动外，还与“恒星天”一起，每天绕地球转一圈。“地球中心说”l 托勒密的“地球中心说”在天文学的发展中起过一定的进步作用，它推动了观测天文学的发展；但是，由于日地关系被完全颠倒了，人的认识越向前发展，这个学说就越露出了破绽。现代天文学的起源-日心说l 在宇宙结构问题上带革命性的学说，是十六世纪波兰天文学家哥白尼提出的“太阳中心说”。l 他认为，太阳是宇宙的中心，地球和水星、金星、火星、木星、土星等绕太阳旋转天穹的视运动只不过是地球自旋的反映而已。l 它推翻了日动地静的说法，在太阳系范围内，符合实际情况。但是，它认为太阳是宇宙的中心，这显然是不正确的。l 在哥白尼身后，布鲁诺、伽利略等人把哥白尼的学说朝前发展，认为宇宙是无限的；天上无数个星星就是无数个世界，所以太阳并不是宇宙的中心。l 对无限的宇宙来讲，根本无所谓中心，或者说，处处是中心。？l 哥白尼的学说第一次把宇宙学放在科学的基础上。其后，开普勒根据他的老师第谷的大量观测资料，总结出行星运动的三大定律；特别是牛顿发现了万有引力定律和总结出动力学三大定律后，经典的现代宇宙学形成了。l 从二十世纪爱因斯坦的广义相对论到二十一世纪霍金的黑洞理论学说，现代天文学对宇宙的起源有了新的理解和定义。天地结构，是人们认识的宇宙l 哥白尼时代的宇宙，实际上是指太阳系；l 随着观测手段的改进，人们发现银河原来是由千万颗恒星组成的，这些恒星和观测可见的其他恒星组成了银河系，太阳只不过是银河系中一颗普通的恒星，这时人们谈起的宇宙无非是银河系而已；l 以后观测发现银河系外还有许许多多象银河系一样的星系，现在人们认为它们组成了总星系，它们有整体结构、运动规律和演化方式，总星系就是现在人们所认识的宇宙。二、两种不同时空观l 牛顿的力学方程中没有宇宙中心的位置，任何时空点都是平等的，即相对于任何时空点来计算，物理规律都是一样的。这就是牛顿时空观中的相对性。l 牛顿对时间的认识是“绝对的、纯粹的、数学的时间，就其本身和本性来说，均匀地流逝而与任何外在的情况无关。”l 牛顿对空间的认识是“绝对空间，就其本性来说，与任何外在的情况无关，始终保持着相似和不变。”牛顿的空间是一个与物质无关的、存放物质的容器。奥伯斯佯谬-牛顿宇宙的问题 ？l 在牛顿之前的宇宙模型都是有限、无边的。如果用牛顿时空观去解释宇宙，就会得出宇宙是无限无边的概念，且宇宙中天体的数目也是无限的，无论我们走到哪里，周围总是布满了天体。l 很早就有人怀疑宇宙是无限的这个说法，最著名的是1826年奥伯斯提出的一个论证，称之为奥伯斯佯谬。 奥伯斯佯谬 基本观点： 空间是无限的，在这无限的空间中，充满了无限多的恒星。 每颗星虽然都有生有灭，但从总体看，可以认为宇宙的密度保持为常数。 从统计观点出发，可以假定恒星的发光强度L基本不变，光的传播规律（照度Er-2）在宇宙中处处相同。 时间是无限的，从总体来说恒星可无限期地存在 也就是说白天和黑夜应该一样亮，地球不应该有白天黑夜之分。 按照牛顿时空模型得到的结论却如此荒谬，这表明牛顿宇宙模型中总有些东西并非客观事实。l 空间和时间在狭义相对论里被想象成一个统一的四维连续体，即四维时空，时间和空间不仅和运动有关系，而且相互之间不再是独立的。运动物体收缩，运动时钟变慢。l 广义相对论中时空是弯曲的，而曲率的大小由此处引力场的强弱决定。广义相对论的时空不是刚性和均匀的，彻底否定了牛顿的与物质运动无关的绝对时空。l 爱因斯坦以广义相对论时空观为基础的建立的宇宙模型，是一个静态的、有限无边的闭合三维超球面。三、宇宙的起源大爆炸宇宙学的发展和逐步建立过程l 7世纪 牛顿开创用力学方法研究宇宙学的途径，建立经典宇宙学。l 1917年 爱因斯坦根据广义相对论建立了一个“静止、有限、无界”的宇宙模型，引进宇宙学原理、弯曲时空等概念，从而开创了现代宇宙学研究的时代。l 1922年，前苏联数学家弗里德曼研究了爱因斯坦所作的计算，认为静态宇宙仅仅是场方程的一个解，应该还有一个膨胀宇宙解。l 1927年 比利时主教、天文学家勒梅特提出均匀各向同性膨胀宇宙学模型。l 1932年 勒梅特提出“原始原子”爆炸形成宇宙的概念。l 1948年 美国天文学家伽莫夫发展勒梅特思想，奠定大爆炸宇宙论的基础。宇宙的起源l 本世纪，有两种宇宙起源模型比较有影响。一是稳态理论，一是大爆炸理论。稳态理论l 托马斯.戈尔德(Thomas Gold)，赫尔曼.邦迪(Herman Bondi)及弗雷德.霍伊尔(Fred Hoyle)于40年代后期提出，物质正以恰当的速度不断创生着，这一创生速度刚好与因膨胀而使物质变稀的效果相平衡，从而使宇宙中的物质密度维持不变。l 这种状态从无限久远的过去一直存在至今，并将永远地继续下去。l 宇宙在任何时候，平均来说始终保持相同的状态。大爆炸宇宙论 大爆炸理论的提出l 宇宙的产生为什么会想到大爆炸？l 二十世纪匈牙利科学家勒梅特设想： 物质结构和次序的认识：物质的形成由简到繁。 熵增原理： 最简单就是一个原子-原始的原子的演变到现在的宇宙l 想到大爆炸理论的人是爱因斯坦l 广义相对论理论基础l 宇宙红移的观测事实大爆炸理论验证l 20年代后期，爱德温哈勃(Edwin Hubble)发现了红移现象，说明宇宙正在膨胀。60年代中期，阿尔诺彭齐亚斯(Arno Penzias)和罗伯特威尔逊(Robert Wilson)发现了“宇宙微波背景辐射”。这两个发现给大爆炸理论以有力的支持。伽莫夫第一个建立了热大爆炸的观念abg理论l 1950年前后，伽莫夫（美籍俄国）第一个建立了热大爆炸的观念。l 伽莫夫认为，宇宙开始于高温、高密度的原始物质。最初温度超过几十亿度，很快降至十亿度，那时的宇宙中充满的是辐射和基本粒子，随后温度持续下降，宇宙开始膨胀。当膨胀持续了几百万年时，温度冷却至四千度，物质逐渐凝聚成星云，再演化成今天的各种天体。l 这个创生宇宙的大爆炸，事实上应该理解为整个空间同时的急剧膨胀。l abg理论提出后中间有经过很多人的修正补充并且完善。l 该理论最核心的一点是：如果理论成立，那么宇宙将一边膨胀，一边降温，那么降到现在宇宙边缘的温度应该降到5度（绝对温标）左右。l 理论提出，等待验证。但是比较困难。“宇宙微波背景辐射” 二十世纪六十年代初，美国贝尔实验室的两位工程师彭齐亚斯和R.W.威尔逊为了改进卫星通讯，建立了高灵敏度的接收通讯天线系统。 1964年，他们用它测量银晕气体射电强度时，发现总有消除不掉的背景噪声，他们认为，这些来自宇宙的波长为7.35厘米的微波噪声相当于3.5K的热辐射。 1965年他们又将其修正为3K，并将这一发现公布，为此获得了1978年的诺贝尔物理学奖。黑体辐射谱l 微波背景辐射的最重要特征是具有黑体辐射谱。从 0.054厘米直到数十厘米波段的测量表明，背景辐射是温度近于2.7K的黑体辐射，习惯称为3K背景辐射。 l 黑体谱现象表明，微波背景辐射是极大时空范围内的事件。因为只有通过辐射与物质之间的相互作用，才能形成黑体谱。l 由于现今宇宙空间的物质密度极低，辐射与物质的相互作用极小，所以，我们今天观测到的黑体谱必定起源于很久以前。 各向同性的背景辐射l 微波背景辐射的另一特征是具有极高的各向同性。这具有两方面的含义： 小尺度上的各向同性：在小到几十弧分的范围内，辐射强度的起伏小于0.2-0.3%； 大尺度上的各向同性：沿天球各个不同方向，辐射强度的涨落小于0.3%。l 各向同性说明，在各个不同方向上，各个相距非常遥远的天区之间，应当存在过相互联系。 3K背景辐射与理论相符l 微波背景辐射的发现被认为是二十世纪天文学的重大成就，目前的看法认为背景辐射起源于热宇宙的早期。这是对大爆炸宇宙学的强有力支持。l 3K背景辐射与四十年代伽莫夫、海尔曼和阿尔菲根据当时已知的氦丰度和哈勃常数等资料预言宇宙间充满具有黑体谱的残余辐射理论相符。宇宙红移的观测再次证明了大爆炸理论l 二十世纪30年代，哈勃工作在美国的威尔逊天文台测量其它星系相对于银河系的运动时，发现各个星系都在远离银河系。从而得出了哈勃定律。红移现象通常认为这种红移是由宇宙膨胀的多普勒效应引起。哈勃定律 哈勃发现，来自星系的光谱呈现某种系统性的红移。即星系正在远离我们。 将星系中特定原子的光谱与地球上实验室内同种原子的光谱进行比较，可以确定光源正在以多大的速度退行。 哈勃发现，离我们越远的星系退行速度越高，而且两者之间存在线性关系，即V=HD（其中H是哈勃常数），这个关系称为哈勃定律。 哈勃定律的伟大意义，不仅在于它证实了宇宙的膨胀，而且还提供了一种估计宇宙年龄的手段大学物理大学物理膨胀中宇宙的性质使人困惑l 从地球的角度来看，好象遥远的星系都正飞快地远离我们而去。但是，这并不意味着地球就是宇宙的中心。平均而言，宇宙不同地方的膨胀图像都是相同的。可以说每一点都是中心，又没有一点是中心。l 我们最好把它想象成星系间的空间在伸长或膨胀，而不是星系在空间中运动。这一点与我们日常生活中见到的源于一点的爆炸不同。空间的伸长l 空间可以伸长这一事实看上去似乎离奇古怪，不过这却是1915年爱因斯坦广义相对论发表以来科学家们早就熟知的概念。 膨胀空间的基本概念可通过一项简单的模拟来加以理解。想象在一条松紧带上缝有一排钮扣。假定从松紧带的两端把它拉长，结果所有的钮扣都彼此远离。 不论我们选择从哪个钮扣来看，它邻侧的钮扣似乎都在远离，而且这种膨胀是处处相同的，不存在特殊的中心。 只要把这条带钮扣的松紧带无限加长，或环成一个圆圈，这个中心便不再存在了。 从任意一个钮扣来看，离它最近的钮扣以某种速度退行，再下一个钮扣则以两倍数度退行，依此类推。 在你看来，钮扣离得越远，它退行得越快。因此这种膨胀意味着退行速度与距离成正比-这是一个极为重要的关系。 借助这个图像，我们现在就可想象出光波是如何在膨胀空间中或星系间传播的。当空间伸长时，光波波长也跟着变长，这就解释了宇宙学红移现象。哈勃发现，红移量与距离成正比，同这个简单的图像模拟结果完全一致。另外一个证据：元素氦丰度分布l 宇宙中He的分布与预期的不吻合。l 如果是氢的聚变热核反应得到氦，那么氦的总量不超过几%的数量级。l 但是测量结果发现氦的含量约占四分之一，其余70%的氢和少量的其它元素。l 唯一的解释：在大爆炸过程中产生大量能量，迫使的大量的氢聚变成氦，造成氦过量。l 大爆炸理论认为，宇宙起源于一个单独的无维度的点，即一个在空间和时间上都无尺度但却包含了宇宙全部物质的奇点。至少是在100150亿年以前，宇宙及空间本身由这个点爆炸形成。 四、 宇宙的演化宇宙最初演化的三分钟l 年龄=0.01秒，温度大约1011K -一团混沌l 年龄=1.1秒，温度大约1010K -电子中子和质子形成l 年龄=3分钟，温度大约109K -元素氢氦产生l 年龄=3分45秒，宇宙基本形成引力收缩（gravitational contraction）l 按照一般的看法，太阳系、恒星、星系等都是由原始星云在自身引力作用下逐渐凝缩而成的。l 在原始气体弥漫物质中存在着密度的随机涨落。那些密度比周围高的区域，如果有足够大的尺度，在自身引力作用下的收缩趋势便会超过分子热运动（即压力）的弥散趋势而开始收缩，使密度进一步增大，终于形成一个密度远高于周围气体的区域。这种情况称为引力收缩。l 一般认为，在原始星云中，往往是先收缩成大云块，然后，由于大云块在收缩过程中密度增大，在内部触发第二次收缩，使大云块本身碎裂成为若干小云块。后者即为恒星的前身星胚。星胚再逐渐演化成为恒星。 四、 宇宙可能的结局 三种宇宙膨胀状态l 宇宙膨胀过程是引力与膨胀初速度之争，谁胜谁负取决于宇宙物质密度。宇宙可能的演化结局l 这看起来就象我们按照牛顿理论发射飞行器一样，如果给的初速度足够大，飞行器将摆脱地球的引力成为星际飞船，而如果初速度不够，飞行器会最终掉下来。l 在讨论宇宙的膨胀时有一个重要的差异。按照广义相对论，封闭式膨胀的宇宙在质量上和尺度上必定是有限的，而开放式膨胀的宇宙在质量上和尺度上必定是无限的。l 因此，讨论宇宙可能的演化结局与讨论宇宙的有限或无限是完全等价的！宇宙到底是有限的或无限的？l 这是个诗人爱遐想，哲学家爱沉思的问题。l 有些人认为宇宙的无限性是先验的真理，有限宇宙的观念不能为常识所接受。l 持这种观点者对有限宇宙提出的非议经常是：“宇宙的边缘在哪里？”“边缘之外又是什么？”等等。l 这是因为他们的困惑来源于错误地用平坦空间的观念来思索一个弯曲的空间。当他们能改正过来，习惯于用弯曲空间的观念来考察弯曲空间，那么他们所有莫解的疑问都会自动消失。l 事实上，宇宙是有限还是无限的实实在在是一个物理问题。有许多可实测的量，能对此作明确的判断。可惜的是，它们至今被测定得不够准确。但有理由相信，我们在比诗人和哲学家更可靠地逼近真理。三种判断方法l 根据广义相对论框架下的宇宙膨胀动力学方程，宇宙学家发展了三种判断有限还是无限也即推断其演化结局的方法：l 以密度为判据l 以膨胀的减速参量为判据l 以宇宙年龄为判据艰难的判断l 开宇宙（可能性比较大些） 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，宇宙变暗，星系核处黑洞不断变大。 10171018年后，只剩下黑洞和一些零星分布的死亡了的恒星。恒星中质子开始变得不稳定。 1024年后，质子开始衰变成光子和各种轻子。 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，黑洞完全蒸发，可称为世界末日。艰难的判断l 闭宇宙 膨胀停止的早晚取决于宇宙物质密度的大小。 假设物质密度是临界密度的2倍，这膨胀过程经过约500亿年后停止，宇宙半径比现在大一倍。 一旦自引力占上风，宇宙开始收缩，收缩过程几乎正好是膨胀过程的反演，1000亿年后重新回复到大爆炸发生时的极高密度和极高温度状态。且收缩过程越来越块，最后称为大暴缩。 到这里为止，对以上提出的三个问题，除了第一个尚需更高精度的观测外，都可作出较明确的回答：宇宙没有中心没有边，不管它是有限的还是无限的；宇宙在时间上有一个开端，有没终结则要看其密度而定。问题与讨论l 宇宙是从大爆炸诞生的吗？说明几个支持你的答案的理由。l 宇宙演化的可能结局有哪几种？并叙述其特征。l 什么是微波背景辐射？它的特点是什么？这几个特点又是怎样支持大爆炸理论观点的？l 什么是宇宙红移？哈勃定律的内容是什么？太阳和太阳系太阳 对于人类来说，光辉的太阳无疑是宇宙中最重要的天体。万物生长靠太阳，没有太阳，地球上就不可能有姿态万千的生命现象，当然也不会孕育出作为智能生物的人类。太阳基本物理参数q 半径: 6.96x105千米(约为地球的109倍).q 质量: 1.9891030 千克q 太阳与地球质量比: q 日地质量比：S/E = 332946.0（约为地球的3X105倍）q 温度: 5800 (表面)q 1560万 (核心)q 总辐射功率: 3.831026 焦耳/秒q 平均密度: 1.409 克/立方厘米（约为地球的）q 年龄: 约50亿年 日地距离又称太阳距离。指的是日心到地心的直线长度。 由于地球绕太阳运行的轨道是个椭圆，太阳位于一个焦点上，所以这个距离是变化的。 最大值为15 210万千米（地球处于远日点）；最小值为 14 710万千米（地球处于近日点）；平均值为14 960万千米；这就是一个天文单位(AU)，1976年国际天文学联合会把它确定为 149597870千米，并从1984年起用。 按此距离计算，太阳光到达地球表面只需8分18秒。 日地相比 太阳的直径是地球直径的109倍。109的立方，约为1300000。那么，太阳的体积大约是地球体积的130万倍。 太阳的结构q 其实，太阳只是一颗非常普通的恒星，在广袤浩瀚的繁星世界里，太阳的亮度、大小和物质密度都处于中等水平。q 只是因为它离地球最近，所以看上去是天空中最大最亮的天体。其它恒星离我们都非常遥远，即使是最近的恒星，也比太阳远27万倍，看上去只是一个闪烁的光点。 太阳结构q 组成太阳的物质大多是些普通的气体，其中氢约占71, 氦约占27, 其它元素占2。太阳从中心向外可分为核反应区、辐射区和对流区、太阳大气。q 太阳的大气层，像地球的大气层一样，可按不同的高度和不同的性质分成各个圈层，即光球、色球和日冕三层。q 我们平常看到的太阳表面，是太阳大气的最底层，温度约是6000摄氏度。它是不透明的，因此我们不能直接看见太阳内部的结构。 但是，天文学家根据物理理论和对太阳表面各种现象的研究，建立了太阳内部结构和物理状态的模型。这一模型也已经被对于其他恒星的研究所证实，至少在大的方面，是可信的。太阳核心光球层 光球层是一层不透明的气体薄层，厚度约公里，它辐射出太阳能量的绝大部分。光球的能量来自不同深度，形成不同温度的表面大气。 米粒组织 太阳光球就是我们平常所看到的太阳圆面，通常所说的太阳半径也是指光球的半径。光球的表面是气态的，其平均密度只有水的几亿分之一，但由于它的厚度达500千米，所以光球是不透明的。 每颗“米粒”的大小约为1000公里，温度比周围高出约300度，寿命为几分钟。米粒组织实际上是太阳内部物质强对流运动在太阳表面的表现。 光球下的物质在米粒中上升到光球上来，上升的速度在每秒500米左右，冷却后，又下沉到光球下去。 光球上米粒的运动虽然已经这样剧烈，但比起黑子、耀斑、日珥等等真正的太阳活动现象来，还是只能算宁静的常规运动。太阳黑子 光球表面另一种著名的活动现象便是太阳黑子。 黑子是光球层上的巨大气流旋涡，大多呈现近椭圆形，在明亮的光球背景反衬下显得比较暗黑，但实际上它们的温度高达4000左右，倘若能把黑子单独取出，一个大黑子便可以发出相当于满月的光芒。 日面上黑子出现的情况不断变化，这种变化反映了太阳辐射能量的变化。 太阳黑子的变化存在复杂的周期现象，平均活动周期为11.2年。色球层 紧贴光球以上的一层大气称为色球层，平时不易被观测到，过去这一区域只是在日全食时才能被看到。当月亮遮掩了光球明亮光辉的一瞬间，人们能发现日轮边缘上有一层玫瑰红的绚丽光彩，那就是色球。耀斑 太阳能量经过色球层这一区域自中心向外传递。这一层可见太阳耀斑。耀斑是太阳黑子形成前在色球层产生的灼热的氢云层。困惑？ 日常生活中，离热源越远处温度越低，而太阳大气的情况却截然相反，光球顶部接近色球处的温度差不多是4300，到了色球顶部温度竟高达几万度，再往上，到了日冕区温度陡然升至上百万度。人们对这种反常增温现象感到疑惑不解，至今也没有找到确切的原因。“日珥”q 在色球上人们还能够看到许多腾起的火焰，这就是天文上所谓的“日珥”。q 日珥是迅速变化着的活动现象，一次完整的日珥过程一般为几十分钟。q 同时，日珥的形状也可说是千姿百态，有的如浮云烟雾，有的似飞瀑喷泉，有的好似一弯拱桥，也有的酷似团团草丛，真是不胜枚举。 天文学家根据形态变化规模的大小和变化速度的快慢将日珥分成宁静日珥、活动日珥和爆发日珥三大类。最为壮观的要属爆发日珥，本来宁静或活动的日珥，有时会突然怒火冲天，把气体物质拼命往上抛射，然后回转着返回太阳表面，形