宇宙演化与微波背景辐射教学教程电子教案.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,九，宇宙演化与微波背景辐射,1，河外星系的发现,2，哈勃定律,3，膨胀的宇宙和大爆炸宇宙学,4，微波背景辐射的发现,5，威尔孙和彭齐亚斯获1978年,诺贝尔物理学奖,1，河外星系的发现,18 世纪中叶，德国哲学家康德曾猜想在整个宇宙中存在着无数个与银河系类似的天体系统，他认为，天空中那些云雾状的“星云”很可能就是这样的天体系统。,人们发现这些云雾状天体中有一类是银河系以内的天体，称为“银河星云”，而另一类则往往具有旋涡状的结构（旋涡星云），它们是什么？令人费解。,仙女座大星云,M31,是什么？,1920年4月26日，美国国家科学院为,这个问题专门举行了一次题为,“,宇宙尺度,”,的辩论会。,A：,仙女座大星云不是银河系以内的天,体，是和银河系那样的宇宙岛。,B：,仙女座大星云根本不是由恒星构,成，而是真正的星云状天体。,没有结论,解开旋涡星云之谜,年青的哈勃对这个令人困惑的难题,很感兴趣。他1910年在芝加哥大学天,文系毕业，1919年到威尔逊山天文台,工作，直至1953年去世。,当时世界最大的望远镜给哈勃帮了,大忙。找到这个星云的恒星，继而从,这些恒星中他找出造父变星。,1922年开始，他利用造父变星测距,法，测定仙女座大星云中造父变星的,距离。,哈勃计算出,M31,和,M33,的距离都约为,90万光年，而当时已知银河系的直径,为10万光年。由此哈勃确认,M31,和,M33,都是远在银河系以外的独立的星系。,这一结果很快得到公认。,16世纪哥白尼提出了日心说后，人,们对太阳系有了一个正确的认识。,400年后，哈勃确认河外星系的存,在，导致了人类认识宇宙的又一次大,飞跃。,从地球到太阳系，从太阳系到银河,系，从银河系再到河外星系，这就是,我们所看到的宇宙。,2,哈勃定律,哈勃发现星系的谱线红移和距离的关系,到1929年为止，哈勃测得18个星系的距离,以及室女座星系团四个成员的距离。,哈勃对这批星系的数据进行了反复的研究，,发现河外星系的距离越远，其谱线红移越大。,红移是由星系视向运动的多普勒效应产生的。,声源的移动导致波长变化 波长变长为红移，变短为兰移,（观测波长真正波长）/真正波长,v/c,可以求出速度,V,多普勒效应原理图,红移（,Z）,和速度的关系,在天体的速度远比光速小时,多普勒效应：恒星远离我们而去,谱线产生,红移,由上式,可以求出视向速度,V,星系红移量,Z,的测量和速度到达估计,观测发现星系的谱线都有红移，也就是谱线的波长都变长了。,例如某星系的某一谱线波長为515納米，但在地球上，同一谱线的波長为500納米，那么波長的变化為15納米，原本波長為500納米，所以紅移量,z,等於0.03。由红移,Z,0.03，求出星系退行速度為每秒九千公里。,如果星系运动的方向是随机的，那,么应该有一半的星系正在远离我們，,另一半則接近我們。但哈勃的观测結,果表明，絕大部分星系的谱线都是红,移，表明都在远离我們。,哈勃发现的“星系速度（红移）和距离的关系”，,距离越远速度越大。,哈勃定律,哈勃于1928年测定40多个星系的红移,和距离，发现：,视向速度（公里/秒）和距离（兆秒,差距）成正比,H,是哈勃常数：50100公里/(秒兆秒差距）,求星系的距离,（天体速度比光速小很多时可用）,红移,Z,为,0.03,哈勃常数取60公里/（秒百萬秒差距）,距离则为150百萬秒差距。,3，膨胀的宇宙和,大爆炸宇宙学,宇宙学,宇宙是什么时候誕生的？,如何誕生？,何時死亡？,如何死亡？,宇宙之外是甚麼？,哈勃定律告诉我们宇宙在膨胀。,那么造成宇宙膨胀的原因是什么？,这种膨胀又是从什么时候开始的,呢？,热大爆炸宇宙模型,伽莫夫在20世纪中期提出：,宇宙曾有一段从密到稀、从热到冷、不断膨胀的过程。约200亿年以前有一个处于极高温度和极大密度下的“原始火球”，发生了一次规模巨大的爆炸，此后，宇宙空间不断膨胀，温度不断下降，逐渐的形成宇宙间的万物。,为什么观测到的河外星系和类星体,都是远离我们而去？,宇宙的演化好比烘葡萄乾面包，随着面包不断脹,大，葡萄干的距离亦不断增加。在任何一个葡萄干,上看，其它葡萄干都是远离而去。,所有星系（后来还有类星体）的谱线都是红移，,正好说明宇宙是在膨胀之中。,宇宙早期的辐射（150亿光年以前）为什么,在射电微波波段？,一個遥远的星系，由於它的光线需要更長的時間,才能到达地球，在光线進行的時間裡，宇宙的膨脹,会把光子的波長拉長。,宇宙早期的辐射（150亿光年以前）到今天我们观,测到的辐射，其波长已变得非常长了。变为射电波段,的微波辐射了。（见图）,大爆炸宇宙论根据目前宇宙膨,胀的速度推算出宇宙大爆炸应该发,生在大约150200亿年以前。宇宙,150200亿年来的演化过程分为三,个阶段。,第一阶段：极早期,1，在大爆炸的极早期，也就是宇宙,诞生最初的10,-36,秒产生了物质世界,各种各样的粒子，光子、电子、中微,子、质子、中子等。,极早期是这么短的时间，似乎很离,奇。其实，那时温度比10,10,K,还高，效,率奇高，足以完成。,关于宇宙早期时标,为什么如此之短，到不可思议的程度。原因,是那时的温度和密度都极端的高，因此效率也,极高。这是符合物理学理论和实验的。,完成一个反应基于碰撞，常温下，一切反应,都慢吞吞的。高温高密时，碰撞极为频繁，效,率极高。,可以说早期的效率是一秒等于一百亿年！,第二阶段：元素合成,在最初的的3分钟，温度和密度特,别高，这时很容易生成氦，成为核合,成时代，足以把宇宙中大约1/3的物,质（氢）变为氦。,第三阶段 复合期,大爆炸后的40万年期间，温度很高，辐射很强，,光子充满了宇宙空间，这时宇宙中也充满了带电,粒子，如质子、电子、氦核等。光子和带电粒子,之间的相互作用非常强，使光子不能传播出来，,因此我们不可能观测到这个时期的辐射。,宇宙继续膨胀，当温度降到几千度时，进入第,三阶段。这个阶段的时间最长，200来亿年的时间,主要属于这个阶段，由于温度的降低，辐射减退。,宇宙间主要是气态物质，气体逐渐凝聚成气云，,再进一步形成各种各样的恒星体系。,复合时代以后的辐射，光子是在中性气体中,传播，光子不再遭受碰撞，可以说宇宙变得透,明了，光子可以自由自在的传播。,那时的光走到我们这里要花一百多亿年，成,为我们可以观测到的宇宙中最远古的辐射。这,就是宇宙背景3,K,的微波辐射。,为什么宇宙复合时代发出的温度为4000,K,的,辐射，到今天已经变为3,K,的微波辐射了呢？,宇宙经过近二百亿年的演化已经大大地膨胀,了，随着膨胀，一切尺度都在增大，光的波长,也在变长，从可见光变到射电的微波波段，相,应的黑体辐射温度也降为大约3,K,了。,一個遥远的星系，它的光线需要更長的時,間才能到達地球，在光线進行的時間裡，,宇宙的膨脹會把光子的波長拉長。,宇宙的质量密度決定了宇宙的命运，假若,质量密度大过某一称為临界密度的数值，引,力便足以使宇宙停止膨脹，並令它重新收縮，,這称为封閉宇宙；,若质量密度比臨界值小，宇宙便會無休止,地膨脹，我們称之为開放宇宙；最后若密度,和臨界值一樣，便会得出一個平坦而開放的宇宙。,4，微波背景辐射的观测,迪克发现20,K,的“天空背景辐射”。,1945年美国麻省理工学院的迪克研制了波长为1.25厘米的射电望远镜，抛物面天线直径仅有45厘米。,他要测量地球大气辐射，意外地发现了温度为20,K,的“天空背景辐射”。认为很可能是广泛地分布在宇宙空间中各种星系的射电辐射所构成的一个背景，他把这种辐射称之为“宇宙物质辐射”。,实际上，这种辐射就是“微波背景辐射”，,只是当时射电望远镜的测量精度不高，人们,对大爆炸宇宙模型也不太熟悉，迪克未能把,他的发现和微波背景辐射联系起来。,这篇论文和伽莫夫关于“核合成”的论文同,时发表在1946年第70卷上，如,果他们彼此拜读，进行讨论。“宇宙微波背景,辐射”的发现就在1946年了。,奥姆发现3.3,K,辐射,奥姆用贝尔实验室的喇叭天线进行测量时曾,发现有3.3,K,的多余噪声温度。,这一测量结果于1961年发表在杂志上。只是这个多余的噪声温度小,于实验误差，而且，这点多余的温度对通讯,没有妨碍，因此没有给予注意。,彭齐亚斯,1962年获哥伦比亚大学博士学位。他的,导师汤斯教授是分子天文学的创始者。,彭齐亚斯的博士论文是研制21厘米波段上,的微波激射放大器，目的观测星系际氢原子,21厘米谱线。,虽然没有成功，但从此爱上了射电天文。,1961年他在获得博士学位之前就到贝尔实验,工作。,威耳逊,1962年在加州理工学院获物理学博,士学位。他的博士论文是对银河系氢,气体云进行射电巡查。和前人的结果,差不多，博士论文并不出色。,1963年进入贝尔实验室工作。贝尔,实验室是射电天文学发展的摇篮，工,作环境很好。,在1960年，贝尔电话公司正在执行通讯卫星,的计划，研制了一台6.1米喇叭型反射天线。灵,敏度和分辨率都高，用来接收通讯用卫星（实,际是大金属球）反射回来的信号。后来有了通,讯卫星，这台射电望远镜就失去了作用。,彭齐亚斯和,威耳逊如获至宝，获准用来进行,射电天文研究。,绝对测量,天体的射电流量密度是天体射电辐,射的最基本特征。然而，要准确地测,量出它们的流量密度却不容易。,1963年，彭齐亚斯和威耳逊开始用,61米喇叭型反射天线接收系统用于,射电天文射电源的绝对测量，也就是,绝对定标。绝对定标就是要测量出射,电源在各个频率上的准确的流量密度。,彭齐亚斯和威尔逊并没有刻意要发,现点什么，只是为了对几个射电源进,行精密的绝对测量而精心地把射电望,远镜装置调整得尽可能的好。这一决,定性的步骤为他们偶然发现宇宙微波,背景辐射准备了条件，这个偶然寓于,必然之中。,天空剩余的噪声的发现,一般认为天空背景的辐射温度为零度（,K）,但,观测得到的是7.5度,K。,扣除大气贡献的,2.3,K,和来自地面及天线四壁贡献的1,K，,还剩,下4.2,K,的温度。,无论天线指向什么方向，也不管是哪一天,的观测，这个剩余的噪声总是存在，既无周日,变化，也无季节性变化。这使他们十分烦恼。,多余噪声是什么？,彭齐亚斯和威尔逊发现了“多余的噪声温度”，但却不知道是什么。,当迪克告诉他们，这就是他一心想找的宇宙背景微波辐射”后，还不相信。,迪克专门研制的射电望远镜刚刚完成，没来得及观测，慢了一步。他虽然感到遗憾，但他对彭齐亚斯和威尔逊的发现赞叹不已。,发现宇宙背景的3.5,k,的辐射。这种,辐射被确认为是宇宙大爆炸时的辐射,的残余。成为天体物理上的又一重大,发现，对宇宙大爆炸理论的重大突破。,被认为是20世纪天文学的一项重大成,就。发现者获得了1978年度的诺贝尔,物理学奖。,1978年彭齐亚斯和威尔逊获诺贝尔,奖。,应该说，提出理论预言的,伽莫夫、,阿,尔佛、赫尔曼，有意寻找“微波背景,辐射”的迪克小组，以及后来进一步,在多波段证认微波背景辐射的天文学,家们都有功劳。,黑体谱,不同频率的光辐射能量密度分布应,服从普朗克定律，也就是,黑体谱,。因,此检验这种辐射在不同波长的能量密,度是否符合普朗克分布定律，是对天,线的多余温度问题用宇宙学起源解释,的一个重要考验。,卫星观测得到的背景辐射谱,本章要求：（没有作业）,1，名词解释：仙女座大星云，哈勃定,律，红移，,2，简述威尔孙和彭齐亚斯发现微波背,景辐射的意义。,5月,22日 最后一次课,5月29日 复习，答疑,6月5日 考试,现代天文学考试方式：,1，闭卷,2，成绩占本课程的50,3，填空题：（10题）最简要,（留学生选作6题）,简答题：（4题）,（留学生选作2题）,议论题：2题任选1（300字以上）,（留学生200字以上）,复习资料,各章要求及作业,第一章 要求,1，对天文学三大学科、观测手段,和研究对象有概要的了解。,2，,诺贝尔奖的由来，为什么天文,学家能获诺贝尔物理学奖？,思考题：,（在本课程各章中均应思考）,1，向获诺贝尔物理学奖天文项目,的学者学习什么？,2，诺贝尔科学奖离我们多远？,3，发展我国天文学的建议。,第二章 要求,1，,星座的由来，记住4个星座的特征。,2，,地球自转和公转的观测证据是什,么？,3，,天球是什么？,4，,天球赤道坐标系。,思考讨论,1，星座能决定人的性格和命运吗？,作业：,1，观看天文知识,VCD（1）,探索太,阳系,（2）神秘火星的过去、现在和,未来。,就某一问题进行归纳总结，或发,表感想或评论。（约200字）,2，在某地观测星空，不同的日期,能否看到相同的星空？4,张,星图上,给的4个月中的8天看到的相同星,空，日期计算有错，错在什么地,方？给出正确值。,3，太阳日和恒星日差多少？,第三章要求,1，地球大气辐射窗口,2，射电望远镜抛物面天线的功能,3，天文望远镜分辨率公式（要记住）,4，定性的了解干涉仪和综合孔径射电望,远镜的原理（记住4条基本原理）,5，赖尔为什么会获得诺贝尔物理学奖？,作业：,1，口径为10米的光学望远镜，观测,波长为5500埃时，分辨角为多少？,一台射电望远镜，在波长为5.5厘米,观测波段上达到这样的分辨角，要求,射电望望镜天线的口径为多少？能否,实现？若用双天线干涉仪，怎样？,第四章要求,1，天体距离的单位：天文单位、,光年和秒差距，三者的换算。,2，测量天体距离的周年视差法和,变星测距法。,3，,恒星的颜色和温度,4，连续谱、发射线和吸收线,5，视星等和绝对星等的定义,6，视星等和绝对星等之间的关系,第五章要求,1，评说托勒玫地球中心说和哥白尼的,日心说。,2，开普勒行星运动三大定律和牛顿万有,引力定律。,3，太阳的结构（层次、温度）。,4，太阳活动现象和黑子的活动规律。,5，对阿尔文的如下贡献有定性的了解,（1）宇宙中普遍存在磁场,（2）宇宙中普遍存在等离子体,（3）磁冻结现象,（4）阿尔文波,第六章 要求（有星号的为习题）,*,1，什么是,赫罗图？为什么说赫罗图非常重要？,2，,原恒星和主序星的差别是什么？,*,3，,为什么说天狼星的伴星是白矮星?,4，,白矮星的主要特点是什么？,5，如何评说钱德拉塞卡和爱丁顿的,争论,*6，向钱德拉塞卡学习什么？,第七章 要求（有星号的为习题）,1，,宇宙中的元素及其丰度。,2，如何探知恒星中或宇宙中的化学成分。,3，用 表示原子核，写出氢、氦、碳、氧核的表达式。,*4，试说明产生氦原子核的质子质子反应5，试说明太阳和恒星的能源，为什么太阳演化的结局是红巨星？,6，福勒的贡献和治学特点,第8,章 要求和作业(带*号）,1，解释下列名词：超新星爆发，超新星,遗迹，类星体，引力辐射，毫秒脉冲星。,*2，简述脉冲星周期的特性。,3，简述脉冲星的辐射特性。,4，为什么说脉冲星就是中子星？,*5，为什么脉冲星和脉冲双星的发现者能,获得诺贝尔物理学奖？,*6，向贝尔和赫尔斯学习什么？,选作题（自愿，考试不要求）：,1，利用角动量守恒原理，解释中子星高,速自转轴的原因。,2,利用磁通量守恒原理，解释中子星具,有特别强的磁场的原因。,第九章 要求,1，名词解释：仙女座大星云，哈勃定律，红移，,2，简述威尔孙和彭齐亚斯发现微波背景辐射的意义。,