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60年代四大发明


第三讲 60 年代四大发现和宇宙的起源与归宿
1. 类星体(Quasars) 在 20 世纪 60 年代发现的射电源中,有些光学视形态类似于恒星, 无法分解,因而被称为类星射电源,简称类星体。 1963 年 Maarten Schmidt 证认出它们实际上是红移了的 H 和其他元 素的发射线。 光谱中有强而宽的未知发射线。 通常认为这种红移是由宇宙膨胀的多普勒效应引起。 类星体 3C 273 的红移表明它的退行速度达到 4.4× 104 kms-1 →距 离~660 Mpc。 目前观测到的类星体最大红移达到 6。 因此类星体是人们观测到的最遥远、最年老、也是辐射功率最大 的河外天体。 大部分连续辐射位于红外波段。 光变时标为几天-几周,最短至几小时。 有些类星体有喷流,射电源通常有双瓣结构。 类星体实际上是活动星系核。与类星体相比,它们的宿主星系十分黯 淡。 Hubble 空间望远镜发现类星体位于星系团中,并观测到了类星体 周围的雾状结构,它们来自宿主星系中的恒星辐射。 2、星际分子 20 世纪 30 年代,首先发现了第一种星际分子,接着又 发现了两种。1963 年,美国科学家发现星际羟基分子(OH) ,此后,

陆续发现大量星际有机分子。到 80 年代末,已发现了 80 多种,而且 许多都是很复杂的有机分子, 少数分子是地球上很难找到的或者根本 找不到的。星际分子的发现有助于人类对星云特性的深入了解,可以 帮助揭开生命起源的奥秘。 星际分子 C2S 是在金牛座黑暗星云发现强烈的不明电波后,天文学 家们查明的该电波分子。 3、3k 宇宙微波背景辐射 (1)发现过程: 1964 年,美国贝尔电话实验室的彭齐亚斯和威

尔逊为了检验一台巨型天线的低澡声性能, 而把天线对准了没有明显 天体的天区进行测量。他们发现,无论把天线指向何方,总能收到一 定的噪声。后来发现噪声信号来自外部空间。科学家对这种微波辐射 进行了比较分析。所谓辐射,就是电磁波,也就是光子气体。进一步 的精确测量显示,这种辐射的温度相当于绝对温度 3K 的黑体辐射。 由于这种辐射充满整个天球,形成了整个宇宙背景的辐射,所以称为 3K 宇宙微波背景辐射。它说明宇宙在 200 亿年前的大爆炸中,从高 温致密态下脱胎出来。大爆炸的效应使得宇宙在不断膨胀,其密度不 断变小,温度也逐渐下降。2、观测 1989 年发射的宇宙背景探测仪 (COBE)对 0.5 毫米-10 厘米波段的宇宙背景辐射进行观测 高度各 向同性 2.73 K 黑体辐射 3. 微波背景辐射的各向异性宇宙微波背景辐射温度变化 (蓝色: 2.724 K ,红色: 2.732 K.) 太阳运动的朝向与被向方向的温度分别变化 10-3

扣除微波背景辐射的偶极不对称和银河系尘埃辐射的影响后, 微波背 景辐射表现出大小为十万分之几的温度变化。 这种细微的温度变化表明宇宙演化早期存在微小的不均匀性, 正是这 种不均匀性导致了星系的形成。 在复合时如果宇宙物质存在微弱的扰动, 宇宙中的等离子体将在扰动 的引力势中振荡。 这种振荡是一种声频振荡。 振荡所产生的密度和温度的起伏表现为微 波背景辐射的各向异性。 观测尺度更小、 或与今天我们看到的结构直接有关的起伏需要更高的 分辨率。 4、脉冲星(1) ―定义‖ ―经典‖: (主要)由中子组成的致密星体 ―现代‖: (主要)由高密度强子物质组成的致密星体 (2) 研究历史和观测 1932 年中子发现,landu 预言中子星的存在。 1934 年,Baade and Zwicky 指出可能在超新星遗迹中寻找到中子星。 1939 年, Oppenheimer and Volkoff 第一次对中子星的性质进行了理论 计算。中子星的理论提出后,经典天文方法的搜寻都未成功。主要是 其平均光度极低。 1967 年, Bell and Hewish 发现了脉冲星, 很快 Gold 证认为旋转中子星:接下来的 Crab 脉冲星的观测,证明了中子星 与超新星的联系。现在已观测到超过 1000 颗脉冲星。第一个脉冲双 星 PSR1913+16 由 Holse andTaylor 在 1973 年发现。在已发现的脉冲 星中,约有 20 个脉冲双星,伴星是白矮星或中子星,已知的双中子

星 6 个。利用伴星质量,可测得中子星质量。 (3)诞生: 大质量星演化的终态。恒星内部氢核聚变阶段是主序

星阶段,演化过程中,当核心处的氢耗尽时,又开始收缩,随着温度 的增加,中心出现新的热核反应,三个氦聚合形成碳,而其它氦形成 氧。热核反应释放的能量使外层大大膨胀成一个红巨星。 如果质量比 6 太阳质量小, 进入红巨星阶段后, 剩下的核心主要由氦、 碳和氧组成,在自身引力作用下收缩形成一个白矮星。质量为 6-8 太 阳质量,如何变化?目前不大清楚! 质量 8-20 太阳质量的星发生超 新星爆发,核心形成中子星。质量大于 20 太阳质量时,核心继续塌 缩而形成黑洞。

?

结构

(4)中子星的结构 外壳:原子核和电子内壳:丰中子核、中子和电子核物质:核物质、 U 子和电子奇异核心:超子、夸克物质?

(5)中子星(脉冲星)性质概要质量 ~ (0.2-2.5)Msun 半径 ~ (10-20) km 自转周期 P ~ 1.5 m –8s (己发现的范围)表面磁场: 大多数脉冲星: 1010-1013 高斯磁星 :1014-1015 高斯表面温度:105-106K— 非脉冲 (软)x 射线热辐射 脉冲星同超新星遗迹成对: 发现 10 个 脉冲星的空 间运动速度: 高速运动。 大多数: V ~ (200 –500)km/s ; 5 个: V >1000km/s (6)脉冲星研究中的重大疑难问题 自转减慢(Spin down)机制? 脉冲星射电 (X-ray, ?-ray)辐射机制? 辐射产生区域? 年轻脉冲星 Glitch 现象产生机制? 制动指数 n<3 (同磁偶极辐射(标准)模型不符)? 磁星? 脉冲星非常高(空间)运动速度产生机制? 是否存在奇异(夸克)星? 宇宙的起源与归宿 宇宙中有上千亿的星系, 平均每一星系又约有上千亿的恒星及各 类天体。相对的,天文学家也有较多的"样品" ,可以拼凑出有关恒 星与星系的完整理论。但是我们只有一个宇宙,建构一个合理的宇宙 论并不容易,所以宇宙论标准模型─大爆炸学说,仍然有许多尚未解 决的难题。天文学家提出暴胀理论(inflationary theory) ,解释/ 解决部份宇宙论标准模型的困难,但终极的宇宙论仍在建构之中。

一、宇宙的现况 1.宇宙的结构 (1).最远的似星体~4000 Mpc 。 (2)区域结构 地 球-> 太阳系-> 太阳的邻居-> 本银河系-> 本星系群-> 宇宙的海棉 结构。最大结构体–长城 ~200 Mpc ,远小于己知宇宙的大小,所以 只是区域结构。1 现有的观测显示,没有比长城更大的结构。 宇宙 红位移 哈伯定律 星系相互远离,相距愈远的星系,相互远离的速度 愈大。 Vr = H * d H = 75 km/s/Mpc 宇宙的起点 很自然的推测:

如时间倒转,多久之前,所有的星系会聚集在一起? 假设膨胀的速 度一直不变, 聚集发生的时间为多久以前?(如果 H = 75 km/s/Mpc) : t = d / Vr = d / H * d = 1 / H = 130 亿年。 宇宙论的基本假设 宇宙论 原则(cosmological principle) 观测显示,大尺度(约 200 Mpc 以上)

的宇宙具有: 1 均匀性 :物质在太空里是均匀分布的。 2 等向性 : 整个宇宙从每一个方向看出去都差不多。3 共同性: 宇宙起始 10-43 秒 后,所有的物理定律,在宇宙中的每一个地方都适用。 例如:爱因 斯坦的广义相对论。 宇宙论标准模型─大爆炸说(The Big Bang) 大爆炸学说(The Big Bang) 假设宇宙是在约 150-200 亿年前,从一个高温高密度的状态,开始爆 炸,膨胀之后渐渐冷却,形成星系。 膨胀是发生在每一处。 宇宙论 标准模型所描绘出的宇宙的历史如下: 当时间为 0 时开始产生大爆 炸, 当时间为 4 秒时,开始产生质子、中子、电子。 当时间为 3 分 时,开始形成原子核,其中氢(H) 约占 75%,氦(He) 约占 25%。 此 时气体是游离的,自由电子与光散射,光无法跑远就被散射掉,宇宙

到处充满辐射。大爆炸至此时期之前,合称为辐射主控时代(radiation dominate era)。 当时间为 106 年时,温度约为 3000 K ,自由电子与 氢、氦原核结合成为氢原子与氦原子。此时气体是中性的,使得光子 可以在宇宙中自由行走,亦即宇宙变透明了, 从此进入物质主控时 代(matter dominate era)。 当时间为 109 年时,星系的形成。 奥伯诡论(Olber's paradox ) 为何夜空是黑暗的? 若是宇宙是无限而 且永恒的,星与星系均匀的分布在整个宇宙中。则每个方向的星光都 将到达地球,使地球的天空看起来与恒星的表面一样亮。 近代的解 释: 宇宙不是无限老的,远处的星光,在有限的的时间内,尚未传 到地球。 宇宙是膨胀的,恒星的光会因膨胀而产生红位移,亦即能 量变小,使我们无法侦测到这些光。(这部份的贡献过小,应不是黑 暗夜空的合理解释) 支持大爆炸说的观测证据 1 宇宙红位移 由地球任何方向看出去,遥 远的星系都是离我们远去, 宇宙膨胀 。 哈柏定律: Vr = H * d H = 75

km/s/Mpc 2 氦与氦的丰存度 宇宙标准模型预测,H (氢) 占约 75%, He(氦)占约 25 ,己经实测证实。恒星所消耗的氢与所产生的氦,还 不足以改变这个比例。 微量元素的丰存度 微量元素:重氢

(deuterium)、氦-3 (helium-3)、锂-7 (lithium-3)。 对这些恒星无法合的 微量元素, 宇宙标准模型预测的丰存度, 与实测的丰存度一致。 3

K 微波背景辐射 大爆炸后, 宇宙膨胀、 冷却。Penzian & Wilson (1978 诺贝尔奖得主) 用号角形天线发现,天空具有均匀等向的无线电波噪 声─宇宙背景辐射,相对应于 3K 黑体所发出的辐射。COBE 卫星精

确测量,宇宙微波背景辐射的温度为 2.726 ± 0.005 K。

微波背景辐

射不均匀量 微波背景的微量不均匀 ,是宇宙区域结构的种子。宇宙 论标准模型的难题与宇宙暴胀理论 宇宙论标准模型的难题 1 宇宙的 年龄问题 注: 此为观测问题, 并非宇宙论的基本难题。 星系红位移(哈 伯定律) t (宇宙年龄)= d/Vr * 1012 年= 1/H * 1012 年 Sandage :150 至 200 亿年 Freedman (HST) :80 至 120 亿年。 球状星团观测、 元素丰存度分析 球状星团观测:150 至 200 亿年 长半衰期同位 球状星团观测 、元素丰存度分

素分析:140 至 180 亿年 症结

析 观测与原子核理论的计算吻合,如这部份证实有误,原子核基本 理论的根本,将完全动摇。 星系红位移(HST/Freeman) HST 的观测 与数据分析,(目前) 找不出错误。 2 宇宙的组成问题 星系的旋转速 率曲线 显示,暗物质 占 90% 以上,但暗物质的本质仍然未定。 宇 宙论标准模型,对暗物质的存在与本质皆未做预测。 3 视界问题 (horizon problem) 视界:光在指定的时间,所能传播的距离。 问题: 宇宙背景辐射为何各向同性?为何如此均匀? 宇宙背景辐射为宇宙 变透明时, 宇宙中辐射的遗迹。 宇宙变透明时, 宇宙边缘各点的距离, 有些己超过视界,如未经沟通,宇宙如何保持热平衡? 宇宙论标准 模型的假设:大爆炸至宇宙变透明时,宇宙一直处于热平衡状态。 4 曲度问题(flatness problem) 理论预测,保持开平坦宇宙所需的物

质密度~10-29 克/公分 3。Ωo = (实际物质密度)/(临界物质密度) 开放 宇宙,Ωo < 1 ;平坦宇宙,Ωo = 1 ;封闭宇宙,Ωo > 1 。 实测结果: 0.1 < Ωo < 2。 现在所量得的质量密度非常接近临界值,宇宙未来的

命运仍未卜。 曲度问题 宇宙为何如此平坦? 暴胀宇宙模型 (inflaionary universe) 假设 : 宇宙在 10-35 秒至 10-33 秒之间发生暴胀。 在此期间, 宇宙的直径大约由 10-26 公尺暴增 1050 倍, 1024 公尺(~ 至 30 Mpc) 。 10-33 秒时, 在 暴胀终止, 膨胀速率变得与标准模型相同(参 见示意图)。 暴胀机制:宇宙在 10-35 秒时发生相变,放出巨量的"潜 热",造成宇宙暴胀。视界问题的解答 暴胀之前,宇宙直径小于视界,宇宙处于热平衡。 曲度问题的解答 暴胀后,我们可见的宇宙,只是宇宙真实大小的极小部份。物质所产 生的空间曲度几乎和平面相同 ,亦即 Ωo ~1。 宇宙的可能归宿 宇宙的归宿 ,全看宇宙的 Ωo 值而定: 1. 开放的宇宙(open universe) Ωo < 1 2. 平坦的宇宙(flat universe) Ωo = 1 3. 封闭的宇宙(closed universe) Ωo > 1 自然科学基础地理第一节
恒星:由炽热的气体组成的,能够自身 1、恒星及其自行 (1)恒星的特点 有炽热的气体组成。恒星是气体球,没有固态的表面,气体依靠自身的引力, 发光的,球形或类似球形的天体。

聚集成球体或类似球形 。氢约占 70%,氦约占 28%,其余为碳、氮、氧、铁 等元素。 具有巨大的质量。恒星的质量范围在 0.1-100个太阳质量之间。更小的质 量不足以触发核反应,更大的质量则会由于产生的辐射压力太大而瓦解。 能够自身发光。 距离遥远。 离开我们最近的恒星是半人马星座α星 (中名南门二)距离为 4.22 , 光年。 相对位置基本“恒定”不变。如:天琴座、天鹰座、大熊座等。 具有不同的光度和亮度 (2)恒星的自行: 恒星的空间速度可以分成两个分量, 即视向速度和切向速度, 前者是沿观测者视线的分量, 后者是与视向速度向垂直的分量,它表现为恒星在 天球上的位移,就叫恒星的自行。 恒星的自行速度一般都小于每年 0.1 角秒, 自行最快的恒星是蛇夫座的巴纳 德星,每年自行 0.31 角秒。由此可见恒星不“恒” ,如:大熊座的变化 (3)恒星的距离 通常用来测量天体距离的单位有: 光年——光在真空中一年时间所走过的距离 称为 1 光年。 太阳光到达地球是 8 分 18 秒。离太阳最近的恒星是半人马座的比邻星,距离 是 4.22 光年,牛郎星约 16 光年,织女星约 26 光年,北极星约 400 光年。 秒差距——恒星周年视差为 l"时的恒星距离叫做 1 秒差距。 当星日连线和星地 连线的最大张角为 1"时,该星日距离长度定义为 1 秒差距。 恒星周年视差的测定十分困难,离地球最近的比邻星的周年视差仅 0".767,

其他遥远恒星的周年视差就更小,通常采用照相方法测定。周年视差与秒差距互 为倒数关系,当周年视差愈大(小)时,恒星距离就愈小(大)。 天文单位、光年和秒差距之关系 1 天文单位即日地平均距离,约 14960×104(万)km,用于测定太阳系天体 的距离。 1 光年=9.4605×1012km=63240 天文单位 1 秒差距=3.26 光年=206265 天文单位 2、恒星的发光和光谱 恒星发光的条件:高温、高压 恒星的光谱:恒星星光通过分光镜一类的光学仪器,使不同波长或者说不同颜 色的光,按其波长顺序排列成一条光带,就叫恒星的光谱。恒星的物理、化学性 质不同,光谱类型也不同 星座的由来: 古代为了要方便在航海时辨别方位与观测天象, 于是将散布在天上的星星运用想 像力把它们连结起来,并命名为某某星座。其中有一半是在古时候就已命名了, 其命名的方式有依照古文明的神话与形状的附会 (包含了美索不达米亚、 巴比伦、 埃及、希腊的神话与史诗) 。另一半(大部是在南半球的夜空中)是近代才命名, 经常用航海的仪器来命名。 在古代因地域的不同,所以看星空的方式也就不一样!现在,天空中的星座共 划分为 88 个,其中 29 个在地球赤道以北,46 个在地球赤道以南,跨在地球赤 道南北的有 13 个。 这 88 个星座中,有 15 个在南天极附近,住北京的居民永远也看不见它

们。上海比北京的纬度低 9 度,所以在上海可以多看到南天极附近的 6 个星座。 海南岛南端榆林港的地理纬度便低,那里的居民能看到 84 个星座。 天空 88 个星座的名字,大约一半是以动物为名的,如大熊座、狮子座、 天蝎座、天鹅座等。四分之一是以希腊神话中的人物名字命名的,如仙后座、仙 女座、英仙座等。其余四分之一是以用具命名的,如显微镜座、望远镜座、时钟 座、绘架座等。虽然古人划分星座的办法不科学,但很多星座的名称仍沿用到今 天。我国古代划分的星座系统虽已不再使用,但一些古老的恒星名称,仍然保留 着。 二千多年前希腊的天文学家希巴克斯 (Hipparchus, 西元前 190~120 年) 为标示太阳在黄道上运行的位置, 就将黄道带分成十二个区段, 以春分点为 0°, 自春分点(即黄道零度)算起,每隔 30°为一宫,并以当时各宫内所包含的主 要星座来命名,依次为白羊、金牛、双子、巨蟹、狮子、处女、天秤、天蝎、射 手、摩羯、水瓶、双鱼等宫,称之为黄道十二宫,总计为十二个星群。为了确定 位置的方便,人们把黄道划分了十二等份(每份相当于 30°) ,每份用邻近的一 个星座命名, 这些星座就称为黄道星座或黄道十二宫。这样相当于把一年划分成 了十二段,在每段时间里太阳进入一个星座。在西方,一个人出生时太阳正走到 哪个星座,就说此人是这个星座的。 古希腊神谱 卡俄斯是原始的神,他通过单性繁殖生有:该亚——大地女神(第一代神后)乌 拉诺斯——天神(第一代主神)彭透斯——最早的海神 俄瑞波斯——黑暗女神 尼克斯——夜神 厄洛斯——最早的爱神 天神乌拉诺斯和地神该亚成为第一代众神之王和众神之后,他们生下十二提坦

神, 六男六女。 六个男提坦神是: 俄克阿诺斯——河流之神 佩里翁——最早的太阳神 伊阿佩托斯——普罗米修斯的父亲

科俄斯——暗神



克罗诺斯——天神(第二代主神) 瑞亚——时光女神(第二代神后) 福伯——最早的月亮女神 特

六个提坦女神是:提亚——最早的光明女神 特弥斯——水女神 摩涅莫绪涅——记忆女神

体斯——最早的海洋女神 第二代神: 克罗诺斯和瑞亚结婚成为第二代众神之王和众神之后,他们生下三女三男。 三个女神是: 赫斯提亚——家灶女神 (又称火女神) 迪墨尔——农林女神 拉——嫉妒及家庭女神(第三代神后) 三个男神是: 哈迪斯——冥界之王(冥王) 波塞东——海洋之王(海王)宙斯—天神(第三 代众神之王) 第三代神: 宙斯和赫拉结婚成为第三代众神之王和众神之后,但宙斯又是很好色,他的孩子 并不全是赫拉所生。 宙斯很快就组成由十二奥林匹斯大神统治天地的政局,这十 二大神是 [十二主神] 赫

宙斯——众神之王 赫拉——众神之后(宙斯的姐姐也是他的正妻) 波塞东——海洋之王(海神 宙斯的哥哥)

迪墨尔——农林女神 (宙斯的姐姐也是宙斯喜欢的女神之一,和 下了冥后泊萨福尼) 阿波罗——太阳神(宙斯和黑夜女神勒托所生) 阿尔逖弥斯——月亮女神(宙斯和黑夜女神勒托所生) 雅典娜——战争及智慧女神(宙斯和智慧女神明纳尔瓦所生) 阿弗洛狄德——爱情女神 阿瑞斯——战神及军神(宙斯和赫拉所生) 赫准斯托斯——火神及锻铸之神(宙斯和赫拉所生) 狄俄尼索斯——酒神祭狂欢之神(宙斯和塞莫勒公主所生)

宙斯生

赫耳墨斯——众神的使者, 也是商业、 旅游和贸易之神 (宙斯和风雨女神迈亚生) 三垣四象二十八宿 我国星象最常用三垣二十八宿,偶而也提到四象 三垣:中国古代为了方便观测与记录日、月、五星的运动及其它特殊天象,将北 天极和近头顶天空分为三个区域称为「三垣」 ,他们分别是「紫微垣」「太微垣」 、 和「天市垣 四象和二十八宿: 东方苍龙(包括角、亢、氐、房、心、尾、箕七宿) ; 北方玄武(包括斗、牛、女、虚、危、室、壁七宿) ; 西方白虎(包括奎、娄、胃、昴、毕、觜、参七宿) ; 南方朱雀(包括井、鬼、柳、星、张、翼、轸七宿) 。


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