第1篇第1章宇宙的起源與演化

1、第一章第一章 宇宙的起源和演化宇宙的起源和演化 極目長空，日月經(jīng)天，星回斗轉，河漢縱橫。極目長空，日月經(jīng)天，星回斗轉，河漢縱橫。自古以來人們觀天象，辨星斗成果輝煌。哥自古以來人們觀天象，辨星斗成果輝煌。哥白尼的白尼的“太陽中心說太陽中心說”使自然科學從神學中使自然科學從神學中解放出來，牛頓創(chuàng)立了天體力學，而量子力解放出來，牛頓創(chuàng)立了天體力學，而量子力學、相對論、高能物理學奠定了現(xiàn)代宇宙學學、相對論、高能物理學奠定了現(xiàn)代宇宙學的基礎。大口徑天文望遠鏡的落成，光子計的基礎。大口徑天文望遠鏡的落成，光子計數(shù)照相機和電荷耦合探測器的使用，天文光數(shù)照相機和電荷耦合探測器的使用，天文光譜測量技術的發(fā)展，空

2、間飛行器的天文探測譜測量技術的發(fā)展，空間飛行器的天文探測等等，使人類對宇宙的認識逐漸深化和日臻等等，使人類對宇宙的認識逐漸深化和日臻完善。這一節(jié)我們來介紹一下現(xiàn)代天文學所完善。這一節(jié)我們來介紹一下現(xiàn)代天文學所認識的宇宙概觀。認識的宇宙概觀。引言引言 是先有雞呢，還是先有蛋是先有雞呢，還是先有蛋? 何物創(chuàng)生宇宙，又是何物創(chuàng)生該物呢？何物創(chuàng)生宇宙，又是何物創(chuàng)生該物呢？ 宇宙演化的問題是問宇宙是恒定不變的，還宇宙演化的問題是問宇宙是恒定不變的，還是永恒變化的呢？是永恒變化的呢？ 宇宙宇宙 泛指天地萬物，亦即在浩瀚的空間中運泛指天地萬物，亦即在浩瀚的空間中運動和變化著的全部物質(zhì)世界的總稱。動和變化著的

3、全部物質(zhì)世界的總稱。 迄今人們對宇宙的認識，已經(jīng)從地球到迄今人們對宇宙的認識，已經(jīng)從地球到太陽系，再由太陽系擴展到銀河系、河外星太陽系，再由太陽系擴展到銀河系、河外星系、星系團、乃至觀測所及的宇宙深處。系、星系團、乃至觀測所及的宇宙深處。 齊物論中說：四維上下曰宇，古往今來齊物論中說：四維上下曰宇，古往今來曰宙。然而它們又不絕對，含有包容和流轉曰宙。然而它們又不絕對，含有包容和流轉的意義，故宇宙可指時空中所含變化的萬有。的意義，故宇宙可指時空中所含變化的萬有。又又“宇之表無極，宙之端無窮宇之表無極，宙之端無窮”(張衡靈張衡靈憲憲) 西方的西方的“宇宙宇宙”基本上是個空間概念，有兩個基本上是個空

4、間概念，有兩個重要詞表達，一是重要詞表達，一是Cosmos來自希臘文，本來自希臘文，本意是秩序，意指作為秩序體系的整個宇宙；意是秩序，意指作為秩序體系的整個宇宙；二是二是Universe，來自拉丁文，本意是萬有，來自拉丁文，本意是萬有，意指包羅萬象的宇宙。意指包羅萬象的宇宙?；鸺l(fā)射全過程火箭進入軌道啟動太空艙第一節(jié)第一節(jié) 宇宙概觀宇宙概觀 哥白尼的哥白尼的“太陽中心說太陽中心說”使自然科學從神學使自然科學從神學中解放出來，牛頓創(chuàng)立了天體力學，而量子中解放出來，牛頓創(chuàng)立了天體力學，而量子力學、相對論、高能物理學奠定了現(xiàn)代宇宙力學、相對論、高能物理學奠定了現(xiàn)代宇宙學的基礎。學的基礎。 大口徑天文

5、望遠鏡的落成，光子計數(shù)照相機大口徑天文望遠鏡的落成，光子計數(shù)照相機和電荷耦合探測器的使用，天文光譜測量技和電荷耦合探測器的使用，天文光譜測量技術的發(fā)展，空間飛行器的天文探測等等，使術的發(fā)展，空間飛行器的天文探測等等，使人類對宇宙的認識逐漸深化和日臻完善。人類對宇宙的認識逐漸深化和日臻完善。一、宇宙概觀一、宇宙概觀 我們居住的地球是太陽系家族的一員，距太陽平我們居住的地球是太陽系家族的一員，距太陽平均距離為均距離為1.496108km。 而太陽系又僅僅定居于銀河系巨大旋臂的一側；而太陽系又僅僅定居于銀河系巨大旋臂的一側； 而銀河系，在宇宙所有星系中，也許很不起而銀河系，在宇宙所有星系中，也許很不

6、起眼眼 宇宙是由數(shù)十億個類似銀河系的龐大天體系統(tǒng)所宇宙是由數(shù)十億個類似銀河系的龐大天體系統(tǒng)所組成。組成。 太陽系太陽系 最外面的冥王星距太陽最外面的冥王星距太陽平均平均5.9109km，光，光約走約走5.5 h。在火星和木。在火星和木星之間運行著幾十萬顆星之間運行著幾十萬顆小行星。太陽系中質(zhì)量小行星。太陽系中質(zhì)量較小的天體還有流星和較小的天體還有流星和彗星，哈雷彗星、波彗星，哈雷彗星、波普普海爾彗星、白武海爾彗星、白武彗星就是其中的幾個。彗星就是其中的幾個。太陽只是一顆極普通的太陽只是一顆極普通的恒星，它屬于一個龐大恒星，它屬于一個龐大的恒星系統(tǒng)的恒星系統(tǒng)銀河系銀河系中的一顆恒星。太陽系中的一

7、顆恒星。太陽系是銀河系中的一個星系。是銀河系中的一個星系。 銀河系是由群星和彌漫銀河系是由群星和彌漫物質(zhì)集成的一個龐大天物質(zhì)集成的一個龐大天體系統(tǒng)。體系統(tǒng)。 銀河系中有銀河系中有2 000億顆億顆以上的恒星。以上的恒星。 扁盤的最大厚度約扁盤的最大厚度約1104 l.y. ，銀河系發(fā)，銀河系發(fā)光部分距離約光部分距離約7104l.y.，銀暈，直徑約，銀暈，直徑約1105l.y. 除恒星外銀河系中星云。除恒星外銀河系中星云。二、幾種典型的現(xiàn)代宇宙模型二、幾種典型的現(xiàn)代宇宙模型 在現(xiàn)代，有什么樣的物理理論就產(chǎn)生什么樣的宇宙在現(xiàn)代，有什么樣的物理理論就產(chǎn)生什么樣的宇宙學。學。 以牛頓力學為基礎的宇宙學

8、認為宇宙是一架機器。這是以牛頓力學為基礎的宇宙學認為宇宙是一架機器。這是唯物機械論的宇宙學。唯物機械論的宇宙學。 1916年愛因斯坦提出廣義相對論。年愛因斯坦提出廣義相對論。1917年他把廣義年他把廣義相對論用于宇宙學研究，得到了一個靜態(tài)的有限無界的相對論用于宇宙學研究，得到了一個靜態(tài)的有限無界的宇宙模型。宇宙模型。 1922年蘇聯(lián)數(shù)學家費里德曼得到愛因斯坦場方程一組動年蘇聯(lián)數(shù)學家費里德曼得到愛因斯坦場方程一組動態(tài)解，包括兩類膨脹解和一類振蕩解，從而建立了新的態(tài)解，包括兩類膨脹解和一類振蕩解，從而建立了新的宇宙模型。對于膨脹解，宇宙將一直膨脹下去；對于振宇宙模型。對于膨脹解，宇宙將一直膨脹下去

9、；對于振蕩解，宇宙呈現(xiàn)膨脹蕩解，宇宙呈現(xiàn)膨脹收縮的振蕩。收縮的振蕩。 1927年比利時人梅特勒在費里德曼解的基礎上把已觀測到年比利時人梅特勒在費里德曼解的基礎上把已觀測到的河外星系光譜紅移解釋為宇宙膨脹的結果，提出了膨脹宇的河外星系光譜紅移解釋為宇宙膨脹的結果，提出了膨脹宇宙的模型。宙的模型。 1948年英國劍橋的拜迪、霍伊爾和戈爾德又提出穩(wěn)恒態(tài)宇年英國劍橋的拜迪、霍伊爾和戈爾德又提出穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型。它基于完全宇宙學原理，認為宇宙物質(zhì)密度始終不宙模型。它基于完全宇宙學原理，認為宇宙物質(zhì)密度始終不變。變。 20世紀世紀40年代末年代末50年代初伽莫夫等人對極高溫度極高密年代初伽莫夫等人對極高溫度

10、極高密度的早期宇宙研究提出被普遍看好的主流模型度的早期宇宙研究提出被普遍看好的主流模型熱宇宙模熱宇宙模型，俗稱型，俗稱“大爆炸宇宙大爆炸宇宙”模型，亦稱標準模型。模型，亦稱標準模型。 20世紀世紀80年代，古斯等人將理論物理大統(tǒng)一理論引入宇宙年代，古斯等人將理論物理大統(tǒng)一理論引入宇宙學，解決了學，解決了“大爆炸宇宙大爆炸宇宙”模型不能解釋的模型不能解釋的“視界視界”問題、問題、“平平坦性坦性”等宇宙難題。等宇宙難題。第二節(jié)第二節(jié) 宇宙的起源和演化宇宙的起源和演化 宇宙有沒有起源和終結，它是永恒的還是演宇宙有沒有起源和終結，它是永恒的還是演化的？化的？ 這是宇宙學所要回答的一個根本問題。各種這是

11、宇宙學所要回答的一個根本問題。各種文明都有自己的看法。文明都有自己的看法。一、中國古代的盤古開天地的神話故事一、中國古代的盤古開天地的神話故事 這個神話故事說的是天地這個神話故事說的是天地本來像個雞蛋，盤古生于本來像個雞蛋，盤古生于其中。后來天地開辟了，其中。后來天地開辟了，天每日高一丈，地每日厚天每日高一丈，地每日厚一丈，盤古每日長一丈。一丈，盤古每日長一丈。18000年以后，天變得年以后，天變得極高，地變得極厚，盤古極高，地變得極厚，盤古也變得極長了。盤古怕天也變得極長了。盤古怕天地合攏，就頂天立地拼命地合攏，就頂天立地拼命撐著，最后精疲力竭地死撐著，最后精疲力竭地死了。死后，他的全身化成

12、了。死后，他的全身化成了萬物：氣為風云，聲為了萬物：氣為風云，聲為雷霆，左眼為太陽，右眼雷霆，左眼為太陽，右眼為月亮，血液為江河，肌為月亮，血液為江河，肌肉為田土。肉為田土。 世界上其它文明古國，也各有關于宇宙起源世界上其它文明古國，也各有關于宇宙起源和結構的種種傳說。例如，古印度人認為大和結構的種種傳說。例如，古印度人認為大地由四頭大象馱著，大象站在一只巨龜?shù)谋车赜伤念^大象馱著，大象站在一只巨龜?shù)谋成?，巨龜則浮在水中，等等。上，巨龜則浮在水中，等等。 古代各民族都把自己生活的地方當作天地的古代各民族都把自己生活的地方當作天地的中央，并各自獨立地產(chǎn)生了關于宇宙結構的中央，并各自獨立地產(chǎn)生了關于

13、宇宙結構的地心學說。地心學說。二、宇宙大爆炸起源模型二、宇宙大爆炸起源模型 20世紀世紀70年代以來，粒子物理學家與宇宙年代以來，粒子物理學家與宇宙學學家提出了學學家提出了“宇宙大爆炸起源模型宇宙大爆炸起源模型” ： 宇宙宇宙“始始”于約于約100億年前的大爆炸。億年前的大爆炸。 大爆炸后大爆炸后10-44s，溫度為，溫度為1032K 大爆炸后的一秒種，溫度降至大爆炸后的一秒種，溫度降至1010K，進入，進入輻射為主的階段。輻射為主的階段。 3min，溫度為，溫度為109K，宇宙膨脹為約一光年，宇宙膨脹為約一光年的實體，是原子核合成的時期，有近的實體，是原子核合成的時期，有近13的的物質(zhì)合成物

14、質(zhì)合成He，就是說此時構造各種物質(zhì)元，就是說此時構造各種物質(zhì)元素的材料已制備完畢。素的材料已制備完畢。 經(jīng)過經(jīng)過7105 age,宇宙溫度降為宇宙溫度降為3000K，物質(zhì)復，物質(zhì)復合成原子，物質(zhì)密度大于輻射密度，物質(zhì)變得透明，合成原子，物質(zhì)密度大于輻射密度，物質(zhì)變得透明，物質(zhì)復合的結果使重子數(shù)與光子數(shù)保持恒定。物質(zhì)復合的結果使重子數(shù)與光子數(shù)保持恒定。 108a，輻射溫度為，輻射溫度為100K，星際物質(zhì)溫度，星際物質(zhì)溫度1K，星，星系形成。系形成。109a，輻射溫度，輻射溫度12K，出現(xiàn)類星體，出現(xiàn)類星體 至目前，宇宙年齡為至目前，宇宙年齡為1010a，輻射溫度降為，輻射溫度降為2.7K，星際物

15、質(zhì)溫度為星際物質(zhì)溫度為10-5K。 我們觀測到的宇宙已大到我們觀測到的宇宙已大到100多億光年，現(xiàn)在宇宙多億光年，現(xiàn)在宇宙仍在繼續(xù)膨脹著。仍在繼續(xù)膨脹著。 宇宙大爆炸模型已成為舉世公認的一種宇宙大爆炸模型已成為舉世公認的一種“標準宇宙標準宇宙模型模型”。 三、宇宙是均勻的和各向同性的介質(zhì)三、宇宙是均勻的和各向同性的介質(zhì) 在宇宙學中，星系被看成是宇宙物質(zhì)的基在宇宙學中，星系被看成是宇宙物質(zhì)的基本單元。本單元。 星系是由數(shù)以萬億計的恒星構成。星系是由數(shù)以萬億計的恒星構成。 通常把幾十個星系結成的集團叫星系群，通常把幾十個星系結成的集團叫星系群，把幾百個星系組成的集團叫星系團。星系把幾百個星系組成的

16、集團叫星系團。星系群和星系團又進一步結成超星系團。群和星系團又進一步結成超星系團。 在宇宙學尺度上，可以認為宇宙是由充滿在宇宙學尺度上，可以認為宇宙是由充滿空間的以星系為基元的均勻的和各向同性空間的以星系為基元的均勻的和各向同性的介質(zhì)。的介質(zhì)。四、哈勃定律與宇宙膨脹四、哈勃定律與宇宙膨脹 1929年年,著名美國天文學家哈勃（著名美國天文學家哈勃（E.Hubble）寫成哈勃定律的寫成哈勃定律的 第一種表示形式第一種表示形式:Z(/c)d。 第二種表示式：第二種表示式：vHd。 20世紀世紀50年代以后發(fā)現(xiàn)哈勃在測距方法上有系年代以后發(fā)現(xiàn)哈勃在測距方法上有系統(tǒng)錯誤，改進后是如下范圍：統(tǒng)錯誤，改進后

17、是如下范圍： H=50100 kms-1Mpc-1 1994年年10月，弗利德曼（月，弗利德曼（Freedman，W.L.）、肯尼克特）、肯尼克特(Kennicutt,R.)和茅德（和茅德（Mould,J.）等把哈勃常數(shù)定準了）等把哈勃常數(shù)定準了,為為 H= 801.7 kms-1Mpc-1五、微波背景輻射五、微波背景輻射 20世紀天文學的另一重大發(fā)現(xiàn)是微波背景輻射。世紀天文學的另一重大發(fā)現(xiàn)是微波背景輻射。 1964年美國貝爾電話實驗室的彭齊亞斯年美國貝爾電話實驗室的彭齊亞斯(A.A.Penzias)和威爾遜和威爾遜(R.W.Wilso)用一架精密的用一架精密的射電望遠鏡在射電望遠鏡在7.35

18、 cm波長處探測到一種來自宇波長處探測到一種來自宇宙深處的強度與方向無關的宇宙背景輻射信號。宙深處的強度與方向無關的宇宙背景輻射信號。 1989年美國宇航局專門發(fā)射了宇宙背景輻射探年美國宇航局專門發(fā)射了宇宙背景輻射探測衛(wèi)星，第一批測量數(shù)據(jù)表明，從測衛(wèi)星，第一批測量數(shù)據(jù)表明，從0.5 mm-5 mm波段上該輻射的譜分布與溫度為波段上該輻射的譜分布與溫度為(2.7350.06)K理想黑體的譜分布完全相合，在扣除運理想黑體的譜分布完全相合，在扣除運動效應后天空不同方向的差別小于十萬分之一。動效應后天空不同方向的差別小于十萬分之一。 彭齊亞斯和威爾遜兩人因此獲得彭齊亞斯和威爾遜兩人因此獲得1978年諾

19、貝爾年諾貝爾物理獎。物理獎。六、宇宙是有限的還是無限的六、宇宙是有限的還是無限的 宇宙是有限的還是無限的呢？宇宙是有限的還是無限的呢？ 費里德曼模型認為這取決于宇宙物質(zhì)的平均費里德曼模型認為這取決于宇宙物質(zhì)的平均密度密度0與臨界密度與臨界密度c的比值。的比值。 宇宙物質(zhì)平均密度的測定可以決定宇宙究竟宇宙物質(zhì)平均密度的測定可以決定宇宙究竟是有限的還是無限的！是有限的還是無限的！ 所以宇宙是否無限膨脹下去是當前科學無法所以宇宙是否無限膨脹下去是當前科學無法判斷的一個難題。判斷的一個難題。七、宇宙的年齡七、宇宙的年齡 現(xiàn)在普遍認為，估計宇宙年齡在現(xiàn)在普遍認為，估計宇宙年齡在100-150億年之億年之

20、間。間。 20世紀世紀50年代末前，把推斷宇宙年齡的古老天體年代末前，把推斷宇宙年齡的古老天體作為地球和太陽，這樣造成了距離定標的錯誤，定作為地球和太陽，這樣造成了距離定標的錯誤，定出的出的H 值比現(xiàn)在的值大值比現(xiàn)在的值大5-10倍。倍。 由球狀星團測得的哈勃常數(shù)在由球狀星團測得的哈勃常數(shù)在50-100kms-1Mpc-1。由此算出的球狀星團的年齡在。由此算出的球狀星團的年齡在15030億年億年的范圍內(nèi)。專家認為它不會小于的范圍內(nèi)。專家認為它不會小于120億年。億年。八、宇宙元素的豐度八、宇宙元素的豐度 從太陽系、其它恒星、星際介質(zhì)、不同星系以及宇從太陽系、其它恒星、星際介質(zhì)、不同星系以及宇宙

21、射線觀測和研究中獲得的數(shù)據(jù)表明，宇宙氦的含宙射線觀測和研究中獲得的數(shù)據(jù)表明，宇宙氦的含量在量在22%-25%之間，而氫與氦的質(zhì)量比約為之間，而氫與氦的質(zhì)量比約為3 1，理論值與觀測接近。，理論值與觀測接近。 另外同一時期合成的氘、鋰、鈹、硼等輕元素盡管另外同一時期合成的氘、鋰、鈹、硼等輕元素盡管數(shù)量比氫、氦少得多，但理論給出的豐度值與實際數(shù)量比氫、氦少得多，但理論給出的豐度值與實際觀測也較接近。這種普適性對觀測也較接近。這種普適性對“大爆炸宇宙大爆炸宇宙”模型是模型是有力的支持。另外重子光子數(shù)之比的測量也是對該有力的支持。另外重子光子數(shù)之比的測量也是對該模型肯定的檢驗。模型肯定的檢驗。第三節(jié)第

22、三節(jié) 星系的起源和演化星系的起源和演化 什么是星系什么是星系 星系是由幾十億至幾千億顆恒星以及星際氣體和塵埃等構成，占據(jù)幾千光年星系是由幾十億至幾千億顆恒星以及星際氣體和塵埃等構成，占據(jù)幾千光年至幾十萬光年的空間的天體系統(tǒng)。星系是構成宇宙的基本單元。至幾十萬光年的空間的天體系統(tǒng)。星系是構成宇宙的基本單元。星系的外形和結構是多種多樣的星系的外形和結構是多種多樣的 1926年，哈勃按星系的形態(tài)把星系分為三大類：橢園星系、旋渦星系和不年，哈勃按星系的形態(tài)把星系分為三大類：橢園星系、旋渦星系和不規(guī)則星系。后來又細分為橢園星系、透鏡星系、旋渦星系、棒旋星系和不規(guī)規(guī)則星系。后來又細分為橢園星系、透鏡星系、

23、旋渦星系、棒旋星系和不規(guī)則星系五個類型。則星系五個類型。星系在永恒地運動星系在永恒地運動 它內(nèi)部的恒星在運動，自身也在運動。成對出現(xiàn)的星系彼此圍繞公共質(zhì)心轉它內(nèi)部的恒星在運動，自身也在運動。成對出現(xiàn)的星系彼此圍繞公共質(zhì)心轉動，在星系團中，星系間有隨機的相對運動。河外星系的視向退行速度與距動，在星系團中，星系間有隨機的相對運動。河外星系的視向退行速度與距離成正比。離成正比。星系的質(zhì)量是可測的。星系的質(zhì)量是可測的。 根據(jù)牛頓定律，轉動著的星系內(nèi)任一點的離心力必須同該點軌道以內(nèi)所有物質(zhì)對它的根據(jù)牛頓定律，轉動著的星系內(nèi)任一點的離心力必須同該點軌道以內(nèi)所有物質(zhì)對它的引力相平衡，這就由速度距離的實測曲線

24、得出星系的質(zhì)量分布和總質(zhì)量。引力相平衡，這就由速度距離的實測曲線得出星系的質(zhì)量分布和總質(zhì)量。 天文學家普遍認為，星系是由初始氣云形成的。天文學家普遍認為，星系是由初始氣云形成的。 在標準宇宙模型中，不均勻性的種子來自宇宙極早期的真空相變。像在標準宇宙模型中，不均勻性的種子來自宇宙極早期的真空相變。像許多相變都會留下對稱性的缺陷那樣，真空相變也留下一些不均勻結許多相變都會留下對稱性的缺陷那樣，真空相變也留下一些不均勻結構。這些不均勻結構中的密度較高的地方通過引力相互作用吸引周圍構。這些不均勻結構中的密度較高的地方通過引力相互作用吸引周圍的物質(zhì)，像滾雪球那樣越滾越大，直至形成初始氣云。剛從初始氣云

25、的物質(zhì)，像滾雪球那樣越滾越大，直至形成初始氣云。剛從初始氣云凝聚出來的星系胚胎是什么樣子目前雖不清楚，但可以肯定地說，對凝聚出來的星系胚胎是什么樣子目前雖不清楚，但可以肯定地說，對于足夠大的質(zhì)量集中區(qū)，向內(nèi)的引力會超過向外的壓力而使氣云塌縮于足夠大的質(zhì)量集中區(qū)，向內(nèi)的引力會超過向外的壓力而使氣云塌縮為致密的星系。其過程大致是，隨著時間的推移星系級初始氣云開始為致密的星系。其過程大致是，隨著時間的推移星系級初始氣云開始收縮，例如收縮成類似銀河系的氣云盤，氣云盤一步步分裂成為更小收縮，例如收縮成類似銀河系的氣云盤，氣云盤一步步分裂成為更小更密的碎片，由這些碎片誕生出第一代恒星，第一代恒星質(zhì)量比太陽

26、更密的碎片，由這些碎片誕生出第一代恒星，第一代恒星質(zhì)量比太陽質(zhì)量大得多，也亮得多，壽命也短得多。它們在大約一千萬年內(nèi)耗盡質(zhì)量大得多，也亮得多，壽命也短得多。它們在大約一千萬年內(nèi)耗盡了自己的核燃料，而后通過爆發(fā)形式把自己內(nèi)部合成的重元素拋回星了自己的核燃料，而后通過爆發(fā)形式把自己內(nèi)部合成的重元素拋回星際空間，從而進入第二代、第三代際空間，從而進入第二代、第三代恒星的生成和演化的循環(huán)。恒星的生成和演化的循環(huán)。第四節(jié)第四節(jié) 恒星的起源和演化恒星的起源和演化 恒星是構成星系的基本單元，是將宇宙原始物質(zhì)合恒星是構成星系的基本單元，是將宇宙原始物質(zhì)合成各種重元素的熔爐。研究恒星的形成與演化是研成各種重元素

27、的熔爐。研究恒星的形成與演化是研究銀河系結構和演化的基礎。在星際彌漫物質(zhì)到恒究銀河系結構和演化的基礎。在星際彌漫物質(zhì)到恒星的演化鏈上，恒星的形成是最關鍵的環(huán)節(jié)。星的演化鏈上，恒星的形成是最關鍵的環(huán)節(jié)。 恒星問題是宇宙學中解決得最好的問題之一。恒星恒星問題是宇宙學中解決得最好的問題之一。恒星是從星際分子云中形成的；恒星有形成、發(fā)展和死是從星際分子云中形成的；恒星有形成、發(fā)展和死亡的過程。死亡著的恒星把它合成的原子核注入到亡的過程。死亡著的恒星把它合成的原子核注入到殘余星際氣體中，從這些氣體中又產(chǎn)生出新一代恒殘余星際氣體中，從這些氣體中又產(chǎn)生出新一代恒星，星系中這種恒星的消亡與再生過程，已為大量星

28、，星系中這種恒星的消亡與再生過程，已為大量觀測資料所證實。恒星演化的最后階段比其形成階觀測資料所證實。恒星演化的最后階段比其形成階段了解得要好一些。觀測表明，星系中恒星間的區(qū)段了解得要好一些。觀測表明，星系中恒星間的區(qū)域不是真空而是充有星際物質(zhì)，主要是氣體云、塵域不是真空而是充有星際物質(zhì)，主要是氣體云、塵埃云組成的巨大分子云。埃云組成的巨大分子云。一、恒星的形成一、恒星的形成 17世紀牛頓，世紀牛頓，18世紀初康德等倡言的散布于空間中的彌漫世紀初康德等倡言的散布于空間中的彌漫物質(zhì)物質(zhì)(稱為星云稱為星云)可以在引力作用下凝聚成太陽系和恒星的假可以在引力作用下凝聚成太陽系和恒星的假說，經(jīng)過歷代天文

29、學家的努力已逐漸發(fā)展成為相當成熟的理說，經(jīng)過歷代天文學家的努力已逐漸發(fā)展成為相當成熟的理論。論。 20世紀世紀60年代確立了恒星從星際分子云中形成這一重大的年代確立了恒星從星際分子云中形成這一重大的現(xiàn)代學說，成為恒星形成研究的主要成就。現(xiàn)代學說，成為恒星形成研究的主要成就。 第一代恒星是星系形成時期由初始氣云碎片凝聚而成的，其第一代恒星是星系形成時期由初始氣云碎片凝聚而成的，其它代恒星是由星系中的星際物質(zhì)形成的，而一些突發(fā)事件，它代恒星是由星系中的星際物質(zhì)形成的，而一些突發(fā)事件，如超新星爆發(fā)等，是引起氣體云密度變得大到足以產(chǎn)生新恒如超新星爆發(fā)等，是引起氣體云密度變得大到足以產(chǎn)生新恒星的必要條件

30、。星的必要條件。 目前已經(jīng)從理論上認識到恒星形成的若干過程和階段目前已經(jīng)從理論上認識到恒星形成的若干過程和階段 ，如，如引力不穩(wěn)定導致的分子云的動力學坍縮、原恒星的吸積階段，引力不穩(wěn)定導致的分子云的動力學坍縮、原恒星的吸積階段，以及主序前準靜態(tài)收縮等。以及主序前準靜態(tài)收縮等。 今后，恒星形成研究將朝兩個主要方向發(fā)展：一方面是探索今后，恒星形成研究將朝兩個主要方向發(fā)展：一方面是探索單顆恒星形成的具體過程，另一方面是揭示恒星形成的統(tǒng)計單顆恒星形成的具體過程，另一方面是揭示恒星形成的統(tǒng)計規(guī)律。規(guī)律。二、恒星的演化二、恒星的演化 恒星的演化過程可分為四個階段：恒星的演化過程可分為四個階段：初始階段初始

31、階段亞穩(wěn)階段亞穩(wěn)階段周期性收縮膨脹階段周期性收縮膨脹階段引力坍縮階段引力坍縮階段 恒星主要是依靠內(nèi)部氣體粒子熱運動的壓力恒星主要是依靠內(nèi)部氣體粒子熱運動的壓力與自身物質(zhì)之間的巨大引力相抗衡的。與自身物質(zhì)之間的巨大引力相抗衡的。三、恒星的結局三、恒星的結局 恒星結局？恒星結局？ 恒星內(nèi)部的熱核反應的持續(xù)時間總是有限的，但是恒星恒星內(nèi)部的熱核反應的持續(xù)時間總是有限的，但是恒星自身物質(zhì)之間的巨大引力卻永遠存在，那么恒星結局會自身物質(zhì)之間的巨大引力卻永遠存在，那么恒星結局會怎樣？怎樣？ 坍縮是會被某種新形式的壓力所阻擋，還是無限坍縮是會被某種新形式的壓力所阻擋，還是無限制地進行下去呢？制地進行下去呢？

32、 隨著恒星內(nèi)部熱核反應的停止，盡管恒星外層部分會出隨著恒星內(nèi)部熱核反應的停止，盡管恒星外層部分會出現(xiàn)膨脹、爆發(fā)等復雜的變動，核心部分卻必定在引力作現(xiàn)膨脹、爆發(fā)等復雜的變動，核心部分卻必定在引力作有下發(fā)生急劇的收縮，即所謂引力坍縮。有下發(fā)生急劇的收縮，即所謂引力坍縮。 這個問題，盡管是本世紀的兩大物理理論即量子力學和這個問題，盡管是本世紀的兩大物理理論即量子力學和相對論攜手作答，并且有了不少重要的進展，卻還遠未相對論攜手作答，并且有了不少重要的進展，卻還遠未徹底解決。徹底解決。 恒星演化的第一種結局。恒星演化的第一種結局。 如果恒星的質(zhì)量不超過如果恒星的質(zhì)量不超過1.4倍太陽質(zhì)量倍太陽質(zhì)量,則簡

33、并電子氣的則簡并電子氣的壓力能夠抵抗住引力坍縮壓力能夠抵抗住引力坍縮,使星體穩(wěn)定下來。這就是白矮使星體穩(wěn)定下來。這就是白矮星，其密度約是水的星，其密度約是水的1萬至萬至100萬倍。萬倍。 恒星演化的第二種結局。恒星演化的第二種結局。 初始質(zhì)量更大的恒星，其晚期核心的引力坍縮會更厲害。初始質(zhì)量更大的恒星，其晚期核心的引力坍縮會更厲害。一種可能的結局是，電子被擠進原子核內(nèi)，與質(zhì)子結合一種可能的結局是，電子被擠進原子核內(nèi)，與質(zhì)子結合成中子，并且達到簡并態(tài)。恒星的外層則隨即出現(xiàn)超新成中子，并且達到簡并態(tài)。恒星的外層則隨即出現(xiàn)超新星爆發(fā)而被炸散。剩下的只是一個由簡并中子氣壓力支星爆發(fā)而被炸散。剩下的只是

34、一個由簡并中子氣壓力支撐的核心，這就是中子星。撐的核心，這就是中子星。 我國宋史記載宋仁宗至和元年我國宋史記載宋仁宗至和元年(1054年年)出現(xiàn)的出現(xiàn)的“客星客星”是我國古書記載的是我國古書記載的90個超新個超新星爆發(fā)事例中資料最詳盡的一個。它最亮星爆發(fā)事例中資料最詳盡的一個。它最亮時比金星還要亮。這顆超新星的遺跡就是時比金星還要亮。這顆超新星的遺跡就是著名的蟹狀星云，它以著名的蟹狀星云，它以1100km/s的速的速度向外膨脹著。度向外膨脹著。900年后英國天文學家在年后英國天文學家在那個位置發(fā)現(xiàn)的脈沖星，就是那次爆發(fā)剩那個位置發(fā)現(xiàn)的脈沖星，就是那次爆發(fā)剩余的星核余的星核中子星。脈沖星是高速旋

35、轉中子星。脈沖星是高速旋轉的中子星。的中子星。 恒星演化的第三種結局。恒星演化的第三種結局。如果恒星在經(jīng)過各種形式的質(zhì)量損失特別是超新如果恒星在經(jīng)過各種形式的質(zhì)量損失特別是超新星爆發(fā)之后，其核心剩余的質(zhì)量仍在星爆發(fā)之后，其核心剩余的質(zhì)量仍在3 M 以上，以上，就沒有任何力量能夠阻止引力坍縮。按照廣義相就沒有任何力量能夠阻止引力坍縮。按照廣義相對論，物體一旦收縮到一個被稱為引力半徑的特對論，物體一旦收縮到一個被稱為引力半徑的特征半徑以下，強大的引力就會使得包括光在內(nèi)的征半徑以下，強大的引力就會使得包括光在內(nèi)的任何物質(zhì)都不可能再逃逸出來，物體也就消失在任何物質(zhì)都不可能再逃逸出來，物體也就消失在黑暗

36、之中。這就是黑洞，即恒星演化的第三種結黑暗之中。這就是黑洞，即恒星演化的第三種結局。局。 黑洞的概念可以追溯到二百多年前。黑洞的概念可以追溯到二百多年前。 黑洞這個名詞是黑洞這個名詞是1967年才由美國物理學家約翰年才由美國物理學家約翰惠勒提惠勒提出來的。出來的。 1973年年,英國物理學家史蒂芬英國物理學家史蒂芬霍金研究發(fā)現(xiàn)霍金研究發(fā)現(xiàn),黑洞不是完黑洞不是完全黑的全黑的,它以恒定的速率發(fā)射出輻射和粒子。發(fā)射出的粒它以恒定的速率發(fā)射出輻射和粒子。發(fā)射出的粒子具有準確的熱譜，黑洞正如同通常的熱體那樣產(chǎn)生和子具有準確的熱譜，黑洞正如同通常的熱體那樣產(chǎn)生和發(fā)射粒子，這熱體的溫度和黑洞的表面引力成比例

37、并且發(fā)射粒子，這熱體的溫度和黑洞的表面引力成比例并且和質(zhì)量成反比。對于一顆具有太陽質(zhì)量的黑洞，其溫度和質(zhì)量成反比。對于一顆具有太陽質(zhì)量的黑洞，其溫度大約只有絕對溫度的千萬分之一度。黑洞是時空的一個大約只有絕對溫度的千萬分之一度。黑洞是時空的一個區(qū)域，如果物質(zhì)低于光的速度運動就不可能從這個區(qū)域區(qū)域，如果物質(zhì)低于光的速度運動就不可能從這個區(qū)域逃逸。逃逸。 黑洞輻射的預言是愛因斯坦廣義相對論和量子力學黑洞輻射的預言是愛因斯坦廣義相對論和量子力學相結合的研究結果。黑洞物理也正在成為嶄新的物相結合的研究結果。黑洞物理也正在成為嶄新的物理學分支。然而，黑洞的存在卻還沒有得到完全的理學分支。然而，黑洞的存在

38、卻還沒有得到完全的確認，部分地是在理論上的問題，部分地是在觀測確認，部分地是在理論上的問題，部分地是在觀測問題上。問題上。 理論上的主要問題是奇點問題，如果坍縮無限制地理論上的主要問題是奇點問題，如果坍縮無限制地進行下去，就必然形成一個物質(zhì)密度為無窮大的點，進行下去，就必然形成一個物質(zhì)密度為無窮大的點，而這是不可接受的。避免奇點的希望寄托于廣義相而這是不可接受的。避免奇點的希望寄托于廣義相對論與量子論的真正聯(lián)姻，即引力場亦即時空的量對論與量子論的真正聯(lián)姻，即引力場亦即時空的量子化。這種量子化的典型尺度是子化。這種量子化的典型尺度是10-33cm，稱為，稱為普朗克長度，比基本粒子的尺度還要小普朗

39、克長度，比基本粒子的尺度還要小20個數(shù)量級。個數(shù)量級。 觀測上的主要問題是無法觀測孤獨的黑洞。但若黑觀測上的主要問題是無法觀測孤獨的黑洞。但若黑洞是與另一個普通恒星組成雙星系統(tǒng)，則另一個恒洞是與另一個普通恒星組成雙星系統(tǒng)，則另一個恒星的表層物質(zhì)就可能被黑洞拉去，并且在下落過程星的表層物質(zhì)就可能被黑洞拉去，并且在下落過程中釋放引力能而發(fā)出中釋放引力能而發(fā)出X射線輻射，據(jù)此，從原則上射線輻射，據(jù)此，從原則上講，我們可以探測黑洞。困難在于，雙星中的中子講，我們可以探測黑洞。困難在于，雙星中的中子星也同樣可以成為強星也同樣可以成為強X射線源。現(xiàn)在唯一的辦法是射線源?，F(xiàn)在唯一的辦法是運用開普勒第三定律來

40、推算運用開普勒第三定律來推算X射線源的質(zhì)量，如果射線源的質(zhì)量，如果這個質(zhì)量超過這個質(zhì)量超過3 M ，黑洞就得到了認證。但由于，黑洞就得到了認證。但由于雙星系統(tǒng)的軌道參量和其中普通恒星的質(zhì)量難以精雙星系統(tǒng)的軌道參量和其中普通恒星的質(zhì)量難以精確測定，迄今雖已努力確測定，迄今雖已努力20多年，找到的黑洞只有三多年，找到的黑洞只有三個，并且還沒到確定無疑的程度。黑洞的最后確認，個，并且還沒到確定無疑的程度。黑洞的最后確認，乃至廣義相對論的最后確認，都依賴于引力波的探乃至廣義相對論的最后確認，都依賴于引力波的探測成功。測成功。一、太陽系一、太陽系 太陽在銀道面以北約太陽在銀道面以北約26 l.y.，距銀

41、心約，距銀心約32600 l.y.，以，以250 km/s速速度繞銀心運轉，每度繞銀心運轉，每2.5億年轉億年轉1周。周。 在太陽系中，太陽是中在太陽系中，太陽是中心天體，其它天體都在心天體，其它天體都在太陽的引力作用下，圍太陽的引力作用下，圍繞太陽公轉。太陽是有繞太陽公轉。太陽是有熱核能源輻射的發(fā)光恒熱核能源輻射的發(fā)光恒星，其它天體都沒有核星，其它天體都沒有核能源輻射（木星、土星能源輻射（木星、土星有紅外輻射熱源），主有紅外輻射熱源），主要被太陽光照射而發(fā)光。要被太陽光照射而發(fā)光。第五節(jié)第五節(jié) 太陽系的起源與演化太陽系的起源與演化 太陽系的起源可以用星云說解釋。太陽系的起源可以用星云說解釋。

42、20世紀以來人們提出了十多個星云學說，都認世紀以來人們提出了十多個星云學說，都認為太陽系是由一個旋轉著的同一個星際物質(zhì)云在為太陽系是由一個旋轉著的同一個星際物質(zhì)云在自引力作用下逐漸收縮形成的。自引力作用下逐漸收縮形成的。 太陽是太陽系的中心天體。它是太陽是太陽系的中心天體。它是一顆普通恒星。半徑一顆普通恒星。半徑7105km、表面溫度表面溫度6000K、核心溫度、核心溫度1.510K、質(zhì)量約為、質(zhì)量約為21033g的氣體球。它的平均密度為的氣體球。它的平均密度為1.409 g/cm3，表面加速度為，表面加速度為2.74104cm/s2。在太陽中心區(qū)的。在太陽中心區(qū)的氫核聚變產(chǎn)生的能量，主要以輻

43、氫核聚變產(chǎn)生的能量，主要以輻射形式穩(wěn)定地向空間發(fā)射。射形式穩(wěn)定地向空間發(fā)射。 太陽大氣層分為三層，從內(nèi)向外太陽大氣層分為三層，從內(nèi)向外依次是光球、色球和日冕。依次是光球、色球和日冕。1.光球及黑子光球及黑子 光球光球 是肉眼所見到的太陽是肉眼所見到的太陽表面層，厚約表面層，厚約300-500 km。6000K的太的太陽表面溫度指的就是光陽表面溫度指的就是光球的溫度。我們接收到球的溫度。我們接收到的太陽能量基本是光球的太陽能量基本是光球發(fā)出的，太陽的光譜實發(fā)出的，太陽的光譜實際上就是光球的光譜。際上就是光球的光譜。光球的密度約為光球的密度約為10107 g/cm3。 黑子黑子 在光球內(nèi)部布滿了米

44、粒組織，總數(shù)約在光球內(nèi)部布滿了米粒組織，總數(shù)約400萬萬顆，其中有太陽黑子、光斑、偶爾還有白光燿斑。顆，其中有太陽黑子、光斑、偶爾還有白光燿斑。最引人注目的是黑子。其溫度比光球低最引人注目的是黑子。其溫度比光球低1000- 2000K，故看起來比光球黑。小黑子直徑上千，故看起來比光球黑。小黑子直徑上千公里，而大黑子直徑約公里，而大黑子直徑約10萬公里以上。黑子有強萬公里以上。黑子有強達幾千高斯的磁場和磁極性。黑子常成對出現(xiàn)，達幾千高斯的磁場和磁極性。黑子常成對出現(xiàn)，前導黑子與后隨黑子具有相反的磁極。黑子平均前導黑子與后隨黑子具有相反的磁極。黑子平均生存時間約一天，少數(shù)可存在數(shù)月至一年以上。生存

45、時間約一天，少數(shù)可存在數(shù)月至一年以上。2、色球及耀斑、色球及耀斑 色球色球 是太陽大氣層的中間一層，位是太陽大氣層的中間一層，位于光球和日冕之間。平時，由于光球和日冕之間。平時，由于地球大氣中的分子以及塵埃于地球大氣中的分子以及塵埃粒子散射了強烈的太陽輻射而粒子散射了強烈的太陽輻射而形成了形成了“藍天藍天”，色球和日冕，色球和日冕完全淹沒在藍天之中。只有在完全淹沒在藍天之中。只有在日全食時，才能用肉眼看到太日全食時，才能用肉眼看到太陽陽圓圓面周圍的這一層非常美麗面周圍的這一層非常美麗的玫瑰紅色的輝光。的玫瑰紅色的輝光。 色球是一個充滿磁場的等離子色球是一個充滿磁場的等離子體層。由于磁場的不穩(wěn)定

46、性，體層。由于磁場的不穩(wěn)定性，常常會產(chǎn)生劇烈的常常會產(chǎn)生劇烈的燿燿斑爆發(fā)，斑爆發(fā)，同時還產(chǎn)生日珥、沖浪和噴焰同時還產(chǎn)生日珥、沖浪和噴焰的爆發(fā)。的爆發(fā)。 耀斑耀斑 是最激烈的太陽活動現(xiàn)象。耀斑是最激烈的太陽活動現(xiàn)象。耀斑出現(xiàn)時大量高能電子和質(zhì)子被太出現(xiàn)時大量高能電子和質(zhì)子被太陽拋出，高能離子流傳到地球成陽拋出，高能離子流傳到地球成為著名的為著名的“質(zhì)子事件質(zhì)子事件”；同時，；同時，耀斑爆發(fā)時除了光輻射增強外，耀斑爆發(fā)時除了光輻射增強外，還輻射出很強的紫外、還輻射出很強的紫外、X射線及射線及微波等各波段的電磁輻射。微波等各波段的電磁輻射。 耀斑對地球的影響很大，地球上耀斑對地球的影響很大，地球上空電離層騷擾空電離層騷擾,地磁暴地磁暴,地球極區(qū)地球極區(qū)的極光爆發(fā)等等都與耀斑有關。的極光爆發(fā)等等都與耀斑有關。3、日冕及太陽風、日冕及太陽風 日冕日冕 是太陽大氣的最外層，延伸到幾個太陽半徑甚至更遠。它主要由質(zhì)子、高度電是太陽大氣的最外層，延伸到幾個太陽半徑甚至更遠。它主要由質(zhì)子、高度電離的離子和高速的自由電子組成，密度極稀薄。離的離子和高速的自由電子組成，密度極稀薄。 內(nèi)層內(nèi)層(稱內(nèi)冕稱內(nèi)冕)溫度