XXXX1124天體物理學的發(fā)展ppt課件

1、天體物理學的開展饒志明2021.11.24.天文學家確認144.6億歲最長壽恒星一個天文學家研討團隊再次確定宇宙中迄今最古老恒星HD 140283的年齡，或比既定宇宙的年齡還要大，這意味著宇宙比它看起來還要老。宇宙是由一個致密熾熱的奇點于億年前一次爆炸后膨脹構(gòu)成的。1929年，美國天文學家哈勃提出星系的紅移量與星系間的間隔成正比的哈勃定律，并推導出星系都在相互遠離的宇宙膨脹說?；谶@一推論，宇宙中一切天體的年齡都不應超出這個“宇宙齡所界定的上限。恒星的年齡可以從它們的發(fā)射功率和擁有的燃料貯藏來估計。根據(jù)熱核反響提供恒星能源的實際，人們得到的天體年齡竟與“宇宙齡協(xié)調(diào)一致，這對大爆炸宇宙模型當然是

2、非常有力的支持。恒星HD 140283間隔地球190光年，位于天秤座星群里的貧金屬次巨星，其視星等7.223，幾乎由氫和氦組成，鐵含量不到太陽的1%。2021年，天文學家最初確定其年齡時，不由感到困惑了。根據(jù)宇宙微波背景輻射估計，目前宇宙年齡為.17億歲。而它似乎大約有144.6億歲，比宇宙本身還大。這種稀有的恒星似乎相當古老，以致于可以將其稱為長壽之星了。此外，其作為一個高速的恒星為人所知有一個世紀左右，但它在太陽附近存在和其組成卻有悖于實際。當然，最終提示這顆“老壽星的年齡估計誤差實踐上比原來的研討更廣泛，天文學家給這個邊沿添加了8億年。該誤差邊沿能夠會使這個在宇宙中知最早的星體年輕了許多

3、，但仍在自大爆炸以來的時間界限內(nèi)。但是，在這個年齡的上限是什么？目前，土耳其安卡拉大學的比羅爾提出能否有種能夠：這顆恒星與最初丈量的一樣老，但仍處于“大爆炸的邊緣？他采用宇宙輻射模型RUM，計算宇宙年齡為148.850.4億歲，最低限制的比微波背景輻射估計推算宇宙的年齡略微年長一些，隨之也很容易地調(diào)整出HD 140283的原始年齡。比羅爾的RUM實際給哈勃常數(shù)提出了一種新的動態(tài)值，闡明自從大爆炸后44億年宇宙膨脹曾經(jīng)加速，很能夠包容了暗能量。此外，這種加速增長率本身是緩慢的，轉(zhuǎn)而能夠由暗物質(zhì)占據(jù)。暗物質(zhì)和暗能量已被廣泛討論、爭議的物理景象，但有觀測證聽闡明它們是真實的。此外，RUM暗示描畫量子

4、大小的普朗克常數(shù)并非是單純的常數(shù)，而是一個宇宙變量。2021-11-17 .物質(zhì)客體的三個層次微觀客體宏觀客體宇觀客體天體的三個層次太陽與太陽系恒星與銀河系星系與宇宙.天體物理學研討的意義準確的時間和歷法依然是按照太陽和恒星的運動確定。例如測時、守時、授時可用于人造衛(wèi)星運動軌道的控制，以及地面導航、通訊等。軌道計算、太陽黑子可啟發(fā)人們?nèi)ニ妓?、探求與人類的如今和未來息息相關(guān)的各種運用技術(shù)。核聚變、新的更有效能量轉(zhuǎn)換方式可提高學生的科學文化素質(zhì)、樹立正確的宇宙觀，提高區(qū)分是非的才干、反對迷信和邪教的危害。. 一、天體物理學 的興起.公元前129年古希臘天文學家喜帕恰斯目測恒星亮度并根據(jù)亮度把恒星劃

5、分為六個等級這可以說是最早的光度學丈量.1609年伽利略第一次運用光學望遠鏡觀測天體，繪制月面圖記錄大量木星衛(wèi)星的運動資料發(fā)現(xiàn)了土星的“耳朵太陽黑子太陽的自轉(zhuǎn)等1655-1656年惠更斯發(fā)現(xiàn)土星的“耳朵是一些光環(huán)并發(fā)現(xiàn)獵戶座星云哈雷發(fā)現(xiàn)恒星自行和哈雷彗星18世紀末，W.赫謝爾創(chuàng)建了恒星天文學. 天體物理學由孕育走向成熟 十九世紀得益于三種物理學方法.1 光度學1760年，郎伯特發(fā)表2 分光學1666年，牛頓用三棱鏡察看太陽光顏色3 照相術(shù)19世紀40年代誕生.拉塞佛1865年拍攝的月球照片.我國科學家建造世界最大射電望遠鏡 可探測宇宙信號.二、匹克林譜系 之謎.1896年,美國天文學家匹克林在

6、哈佛天文觀測臺的第12號通報中宣布:“弗萊明夫人發(fā)現(xiàn)船尾座星的光譜非常特殊,和別的光譜都不一樣,這6根線很像氫光譜線那樣,構(gòu)成有規(guī)律的譜線,顯然,這是出自其它星體或地球上尚未發(fā)現(xiàn)的某種元素.當時,還在通報上發(fā)表了拍得的照片,從照片上可以明顯地看到,有4根譜線與氫的巴耳末系H,H,H,H,H相互間隔,極有規(guī)律.人們稱以上這個譜系為匹克林譜系.1884年，巴爾末提出了氫光譜的公式1913年玻爾提出氫原子的定態(tài)躍遷原子模型，遇到了匹克林譜系的困擾里德伯一定了他們是氫的光譜1913年9月初發(fā)表的伊萬士氫譜結(jié)果支持波爾實際 匹克林譜系之謎被解開. 圖127 貝特 提出太陽的反響能源主要來自4個氫核聚變變

7、為氫核的過程，稱為p-p反響。提出了碳循環(huán)四 、恒星演化實際的建立星云物質(zhì)原恒星白矮星主序星紅巨星超新星迸發(fā)中子星脈沖星物質(zhì)彌散到星際空間黑洞重恒星輕恒星恒星演化表示圖. 星系中活動最猛烈的要數(shù)類星體。類星體是20世紀60年代天體物理的四大發(fā)現(xiàn)之一.四、類星體三、類星體 類星體的間隔非常遙遠，可以說處于目前可測宇宙的邊緣。它的致密部分大小只需假設干光年甚至更小。如此小的范圍內(nèi)竟然能發(fā)出比整個銀河系還要高上萬倍的輻射能量，堪稱宇宙中的奇觀。這就是所謂的能源問題。.類星體的主要特征1有類似恒星的像，有些有微弱星云狀包層，還有的有噴流2光譜中有很強、很寬的發(fā)射線3光譜線具有非常大的紅移4有很強的紫外

8、輻射5普通有光度變化，光度周期可以是幾小時到幾十年。6不少類星體是強射電源，部分是強X射線源 類星體.類星體研討的最新成果 經(jīng)過幾十年來的不懈努力，科學家們根本上揭開了類星體的： 它們是遙遠的活動星系的亮核，我們所觀測到的類星體并不是這類形體的全貌而僅是其中心特別亮堂的部分，由于過于遙遠，亮核區(qū)以外的暗弱部分難以被觀測到。.五、宇宙背景輻射的發(fā)現(xiàn)1948年美國科學家阿爾弗和赫爾曼預言，宇宙大爆炸產(chǎn)生的殘系輻射，由于宇宙的膨脹和冷卻，如今它所具有的溫度約為絕對零度以上5開，或者說5K(絕對零度等于攝氏零下273.15度，即-273)。但是他們的預言并未引起人們的普遍注重。射，由于宇宙的膨脹和冷卻

9、，如今它所具有的溫度約為絕對零度以上5開，或者說5K(絕對零度等于攝氏零下273.15度，即-273)。但是他們的預言并未引起人們的普遍注重。1965年，美國新澤西州貝爾實驗室的兩位無線電工程師阿爾諾彭齊亞斯和羅伯特威爾遜卻非常不測地發(fā)現(xiàn)了這種宇宙輻射場，當時他們正在為跟蹤一顆衛(wèi)星而校準一具很靈敏的無線電天線圖1211 貝爾實驗室的射電望遠鏡喇叭形天線1964年，美國貝爾實驗室的工程師阿諾彭齊亞斯和羅伯特威爾遜架設了一臺喇叭外形的天線，用以接受“回聲衛(wèi)星信號。為了檢測這臺天線的噪音性能，他們將天線對準天空方向進展丈量。他們發(fā)現(xiàn)，在波長為7.35cm的地方不斷有一個各向同性的訊號存在，這個信號既

10、沒有周日的變化，也沒有季節(jié)的變化，因此可以斷定與地球的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)無關(guān)。圖1212 彭齊亞斯右與威爾遜站在他們的天線旁3K宇宙微波背景輻射1978年諾貝爾物理獎 1965年貝爾實驗室的兩位工程師彭齊亞斯Arno Penzias和威爾遜Robert Wilson，正在校正為測試衛(wèi)星通訊而設計的反射天線。 他們以極大的耐心追蹤和消去干擾源。但是他們發(fā)現(xiàn)，有一種未加解釋的輻射來自天空的各個方向，對應的溫度大約是3K。 他們向迪克咨詢引起這種輻射的能夠緣由，不料得悉他正在積極尋覓他們曾經(jīng)找到的東西。 3K宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)對大爆炸實際一個有力的支持。.圖1214 COBE獲得的數(shù)據(jù)與黑體譜在0.1內(nèi)

11、相符 號為丈量數(shù)據(jù)，曲線為實際估計圖1215 COBE得到的背景輻射圖2021年度諾貝爾物理學獎由索爾佩爾穆特、布賴恩施密特和亞當里斯分享，以表揚他們觀測Ia型超新星并發(fā)現(xiàn)宇宙在加速膨脹。那么，宇宙的膨脹速度終究是多少？參與重子振蕩光譜巡天BOSS的天文學家們經(jīng)過對14萬顆遙遠的類星體的位置和星系間氫氣的分布進展觀測和分析，丈量出了宇宙年齡為30億年的膨脹率。這是迄今為止對宇宙膨脹進展的最準確的丈量，將有助于科學家們進一步厘清暗能量的屬性。佛特-里貝拉說：“最新結(jié)果意味著，在宇宙誕生30億年左右，我們會看到，隨著宇宙的膨脹，一對相距一百萬光年的星系正以68公里/秒的速度背叛對方。 . 圖122

12、9 2003年，從WMAP獲得的宇宙嬰兒時期圖像讀者可以與圖1215 比較六、脈沖星 1967年，英國劍橋大學的休伊什設計了一架射電望遠鏡，用來研討太陽風對來自宇宙其他天體射電信號的影響，從而研討太陽風的運動和構(gòu)造。記錄任務由休伊什的研討生貝爾小姐擔任。她留意到半夜依然有射電信號的閃爍，而且是周期為1.337秒的脈沖。多次反復觀測后，他們確定這是來自某一天體的脈沖信號，將這種新的天體命名為脈沖星。 直到1968年底,休伊什等已發(fā)現(xiàn)23顆脈沖星。休伊什獲得1974年物理學諾貝爾獎. 圖1218 1967年11月28日從射電源CP1919第一次觀測到周期性的脈沖信號根本特點：1、脈沖是射電信號，在

13、無線電波段收到2、脈沖信號的時間間隔即周期很短，且相當穩(wěn)定 知的脈沖星周期在0.03秒到4秒之間，脈沖繼續(xù)時間大部分在0.0010.05秒。. 至今發(fā)現(xiàn)的脈沖星已達500顆左右，脈沖星按其脈沖輻射的外形可分為三類：S型、C型、D型。 S型脈沖星具有簡單的脈沖外形， C型脈沖星具有復雜的脈沖外形， D型脈沖星具有漂移的亞脈沖。 脈沖星一次脈沖發(fā)出的能量比地球上最猛烈的火山迸發(fā)所釋放的能量還要大幾億倍。. 如今公認脈沖是一種“燈塔發(fā)出的，“燈塔是快速旋轉(zhuǎn)的中子星，自轉(zhuǎn)一周僅需求1秒左右。只需中子星才干接受這樣的高速旋轉(zhuǎn)，由于中子星的密度到達1億噸/厘米3。 許多學者以為中子星是超新星迸發(fā)的產(chǎn)物。由

14、于爆炸后中心的急劇收縮，星體內(nèi)部的宏大壓力把電子擠入原子核內(nèi)與質(zhì)子結(jié)合，構(gòu)成高密度的中子物質(zhì)，成為中子星。中子星發(fā)出的射線二、中子星. 很多恒星具有靠得很近的伴星。當這樣一對恒星中的一員變成一顆超新星，迸發(fā)后留下一顆中子星時，其伴星的演化往往會因此而大大加快。由于中子星對伴星的引力作用很強，所以該伴星能夠會從它的大氣傾瀉出可觀的質(zhì)量，而以致密氣體云的方式包圍那顆中子星。致密氣領(lǐng)會撲滅脈沖星發(fā)出的射電發(fā)射。但隨著氣體在中子星周圍的強引力場中被吸積和加熱，又會產(chǎn)生很強的X射線發(fā)射。這也給科學家提供了一種觀測中子星存在的可靠方法。星團. 原子彈之父奧本海默的研討闡明，假設恒星迸發(fā)后剩余的質(zhì)量大于3M

15、，那么中子星簡并壓力無法阻止引力坍縮的進一步進展。為留念奧本海默的這一發(fā)現(xiàn)，后人把M=3M稱為奧本海默極限。 中子星依托中子簡并壓力來阻止強大引力呵斥的進一步坍縮。與白矮星類似，中子星也有一個質(zhì)量范圍。. 1974年美國天文學家泰勒和他的研討生赫爾斯利用射電望遠鏡發(fā)現(xiàn)了脈沖雙星PSR1913+16。他倆而后對PSR1913+16進展了多年的追蹤觀測，出現(xiàn)其軌道周期每年減小76微秒。這一結(jié)果闡明雙星系統(tǒng)的能量在漸漸損失。實際研討闡明，只需引力波輻射才干將系統(tǒng)的能量漸漸帶走，使整個雙星系統(tǒng)的能量繞轉(zhuǎn)周期越來越短，兩子星間隔越來越近。三 脈沖雙星和引力波探測. 到2005年底已發(fā)現(xiàn)脈沖雙星約100個

16、,大多數(shù)是一顆中子星和一顆白矮星的組合,兩顆都是中子星的僅有6對。獨特脈沖雙星.七、星際有機分子的發(fā)現(xiàn)星際分子：1963年，美國科學家發(fā)現(xiàn)星際羥基分子OH，以后，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)大量星際有機分子。到90年代末，已發(fā)現(xiàn)了120多種，而且許多都是很復雜的有機分子， 少數(shù)分子是地球上很難 找到的或者根本找不到的。 星際分子的發(fā)現(xiàn)有助于 人類對星云特性的深化 了解，可以協(xié)助揭開生命 來源的奧妙。星際分子C2S是在金牛座黑暗星云 .新證聽闡明生命或許來源于太空據(jù)9月29日北京時間每日科學報道，來自馬克斯普朗克射電天文學研討所的阿納德貝克徹、卡爾曼頓，與來自康奈爾大學的霍爾格米勒/穆勒加羅德協(xié)作，針對人馬座B2區(qū)

17、域進展全光譜丈量，搜索空間中能夠存在的全新有機分子，終于在臨近銀河系中心的人馬座B2產(chǎn)星區(qū)捕捉到了由異丁腈isopropyl cyanide發(fā)射出的電波。.八、黑洞與白洞.一、引力坍縮與黑洞 逃逸速度：物體要擺脫天體的引力必需具有的速度 令V為光速c，那么可得引力半徑：Rg2GM/c， G為萬有引力常數(shù)M為天體質(zhì)量R為天體的半徑 引力半徑的物理意義是：假設某天體的半徑R小于其對應的Rg，那么此天體發(fā)出的光也逃不出去。該天體籠統(tǒng)稱為黑洞(black holl). 留意： 將R=Rg對應的球面，稱為黑洞的視界。黑洞的視界并不是物質(zhì)面，它的物理意義是指外部觀測RRg 不能夠知道其內(nèi)部R Rg 的任何

18、信息。 計算闡明，當恒星的質(zhì)量超越3倍M，中子兼并壓力不能抵抗本身的宏大引力，星體將會自動繼續(xù)塌縮下去，最后構(gòu)成黑洞。.最大最古老的黑洞.仙女座中心存在著10個新的準黑洞.黑洞撕裂恒星黑洞拉伸、撕裂并吞噬一小部分恒星，最終將恒星大部分質(zhì)量拋向宇宙空間巨型黑洞撕裂恒星奇觀.圍繞著中等黑洞旋轉(zhuǎn)的星群. 黑洞有一個特別的行為，就是當兩個黑洞相撞而合二為一時，還會釋放出宏大的能量。合成后的黑洞還可以再合并，再釋放能量。 但是，著名的黑洞實際家霍金證明，黑洞一分為二是辦不到的。黑洞的 “合二為一與“一分為二. 霍金在研討量子力學對黑洞附近物質(zhì)的行為的影響時，發(fā)現(xiàn)黑洞似乎總以穩(wěn)定的速度發(fā)射粒子，而且發(fā)射的

19、粒子具有熱輻射的性質(zhì)。 黑洞的輻射看起來好象是一個普通的熱物體在輻射，所以黑洞并非絕對的黑，它有一個溫度。 當然，這種量子效應只在微觀領(lǐng)域才干表現(xiàn)出來。對于通常的黑洞，這種熱輻射是可以忽略的。黑洞不“黑.高速運轉(zhuǎn)的黑洞天鵝座X-1的特征 根據(jù)觀測資料，天鵝座X-1成了黑洞最有希望的候選者，它的質(zhì)量約為8個太陽質(zhì)量。 光學望遠鏡在天鵝座X-1方向上觀測到一顆亮度為9等的雙星，. 有人估計，在過去100億年中銀河系中平均每100年有一顆超新星迸發(fā)，而每100顆超新星中一顆會導致黑洞構(gòu)成，假設這個估計是正確的，那么銀河系里應該有數(shù)百萬個由恒星坍縮而成的黑洞，而我們根據(jù)X射線雙星系統(tǒng)來確定的黑洞或黑洞

20、候選者僅僅數(shù)十個，問題出在哪里呢？黑洞研討的最新成果.白洞和蟲眼 按照宇宙通常存在的對稱性，應該有與黑洞相對應的天體存在，也就是恒星坍縮的逆過程，這就是宇宙物質(zhì)的“火山口，大量物質(zhì)和能量從那里涌出來，這樣的天體稱為白洞。 黑洞和白洞的通道為蟲眼。 物質(zhì)一旦在蟲眼的另一端出現(xiàn)，它就再次忽然膨脹成了普通的物質(zhì)。膨脹時，它發(fā)出熾烈的輻射能，而這種能量原先是陷在黑洞里的。也就是說，我們眼前出現(xiàn)了一個白洞。 有些學者以為類星體是蟲眼某一端出現(xiàn)的一種宏大的白洞，其物質(zhì)來自宇宙另一部分的一個宏大的黑洞。.黑洞白洞蟲眼我們的宇宙.九、宇宙中的其他問題 天體物理學如今和未來研討的重點包括以下兩個方面：一方面，研討快速多變的天表達象，如脈沖星、X射線、類星體等；另一方面，研討涉及我們宇宙全局的一些整體問題，