《宇宙起源的探索》課件

1、 第二講 宇宙起源的探索1 第二講 宇宙起源的探索1同學(xué)們?cè)趯W(xué)習(xí)科學(xué)之前，是否知道宇宙是怎么來的嗎？有同學(xué)知道關(guān)于宇宙起源的內(nèi)容嗎？2同學(xué)們?cè)趯W(xué)習(xí)科學(xué)之前，是否知道宇宙是怎么來的嗎？2說到“宇宙的起源” 會(huì)有許多人認(rèn)為宇宙應(yīng)該是浩瀚的，是無窮無盡的，怎么可能有一個(gè)開端呢？ 那么,你知道科學(xué)家是怎樣研究宇宙的起源嗎？ 3說到“宇宙的起源” 會(huì)有許多人認(rèn)為宇宙應(yīng)該是浩瀚的，是無窮無人類對(duì)于宇宙的認(rèn)識(shí)是隨著人類文明的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而逐步加深的，并開始科學(xué)地探討宇宙的起源。4人類對(duì)于宇宙的認(rèn)識(shí)是隨著人類文明的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而逐步美國天文學(xué)家愛德溫哈勃(Edwin P. Hubble)（18

2、89-1953）是研究現(xiàn)代宇宙理論最著名的人物之一，是河外天文學(xué)的奠基人。他發(fā)現(xiàn)了銀河系、外星系的存在及宇宙的不斷膨脹，是提供宇宙膨脹實(shí)例證據(jù)的第一人。美國國家航空航天局（NASA）發(fā)射空間望遠(yuǎn)鏡時(shí)，為了紀(jì)念哈勃的豐功偉績，命名為“哈勃空間望遠(yuǎn)鏡”。 5美國天文學(xué)家愛德溫哈勃(Edwin P. Hubble)（ 哈勃空間望遠(yuǎn)鏡以光學(xué)與近紅外觀測(cè)為主，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡長13.3米，直徑4.3米，重11.6噸，造價(jià)近30億美元，于1990年4月25日由美國航天飛機(jī)送上高590千米的太空軌道。哈勃空間望遠(yuǎn)鏡以時(shí)速2.8萬千米沿寂靜的太空軌道運(yùn)行，默默地窺探著太空的秘密。 6 哈勃空間望遠(yuǎn)鏡以光學(xué)與近紅

3、外觀測(cè)為主，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的位置在地球的大氣層之上，因此獲得了地基望遠(yuǎn)鏡所沒有的好處-影像不會(huì)受到大氣湍流的擾動(dòng)，視相度絕佳又沒有大氣散射造成的背景光，還能觀測(cè)會(huì)被臭氧層吸收的紫外線。 哈勃空間望遠(yuǎn)鏡是有史以來最大、最精確的天文望遠(yuǎn)鏡。其清晰度是地面天文望遠(yuǎn)鏡的10倍以上，其觀測(cè)能力能從1.6萬千米外的地方看到一只螢火蟲。 7哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的位置在地球的大氣層之上，因此獲得了地基望遠(yuǎn)鏡康普頓伽瑪射線天文臺(tái)錢德拉X射線天文臺(tái)哈勃空間望遠(yuǎn)鏡斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡8康普頓伽瑪射線天文臺(tái)錢德拉X射線天文臺(tái)哈勃空間望遠(yuǎn)鏡斯皮策空 大家知道，在丈量宇宙星體之間距離的單位是光年 1光年 = 30萬公

4、里/秒3600秒 24小時(shí) 365天 = 94608億公里 10萬億公里 （太陽到地球的距 = 8光分 = ？公里 ）（太陽到地球的距 = 30萬公里/秒8分60秒/分） = 1.44億公里（平均距離）9 大家知道，在丈量宇宙星體之間距離的單位是光年 用太空望遠(yuǎn)鏡觀察，銀河系的直徑約10萬光年，恒星如此遙遠(yuǎn)意味著我們每晚看到的銀河星光都是恒星數(shù)萬年前發(fā)出的光線。10用太空望遠(yuǎn)鏡觀察，銀河系的直徑約10萬光年，恒星如此遙遠(yuǎn)意味 除銀河系外，還有數(shù)不清的河外星系，目前發(fā)現(xiàn)了的約有100億個(gè)河外星系！11 除銀河系外，還有數(shù)不清的河外星系，目前發(fā)現(xiàn)了的約有1在觀察恒星的運(yùn)動(dòng)中，恒星的橫向的運(yùn)動(dòng)比較容

5、易觀察，可是怎么來觀察恒星的徑向運(yùn)動(dòng)呢？ （什么是星體的徑向運(yùn)動(dòng)？）12在觀察恒星的運(yùn)動(dòng)中，恒星的橫向的運(yùn)動(dòng)比較容易觀察，可是怎么來在觀察恒星的運(yùn)動(dòng)中，恒星的橫向的運(yùn)動(dòng)比較容易觀察，可是怎么來觀察恒星的徑向運(yùn)動(dòng)呢？ （什么是星體的徑向運(yùn)動(dòng)？）雖然可以根據(jù)遠(yuǎn)暗近亮的原理來觀察恒星的徑向運(yùn)動(dòng)。但由于河外星系離我們太遙遠(yuǎn)，幾乎觀測(cè)不到亮度的變化。13在觀察恒星的運(yùn)動(dòng)中，恒星的橫向的運(yùn)動(dòng)比較容易觀察，可是怎么來多普勒效應(yīng)可以幫助我們觀察到恒星的徑向運(yùn)動(dòng)情況。 哪位同學(xué)知道什么是：多普勒效應(yīng)？14多普勒效應(yīng)可以幫助我們觀察到恒星的徑向運(yùn)動(dòng)情況。 哪位當(dāng)我們站在鐵路邊，火車鳴笛經(jīng)過時(shí)，我們會(huì)先聽到尖銳的聲

6、音，火車離我們遠(yuǎn)去時(shí)又聽到低沉的聲音。這是聲波的波長在傳播中由于聲源相對(duì)我們的運(yùn)動(dòng)而被壓縮或拉伸的結(jié)果，叫多普勒效應(yīng)。多普勒效應(yīng)15當(dāng)我們站在鐵路邊，火車鳴笛經(jīng)過時(shí)，我們會(huì)先聽到尖銳的聲音，火同樣，光是一種電磁波，當(dāng)恒星相對(duì)地球上的觀察者徑向運(yùn)動(dòng)時(shí)，光的頻率也會(huì)改變。恒星如果向地球而來，則光的頻率增大，波長變短，光的波長向短波移動(dòng)，稱為藍(lán)移。若恒星遠(yuǎn)離地球而去，則光的頻率下降，波長變長，光的波長向長波移動(dòng)，稱為紅移。這樣，利用測(cè)量恒星光譜的藍(lán)移或紅移量，我們就可以知道恒星的運(yùn)動(dòng)方向和速度了。光的多普勒效應(yīng)：16同樣，光是一種電磁波，當(dāng)恒星相對(duì)地球上的觀察者徑向運(yùn)動(dòng)時(shí)，光下圖為遙遠(yuǎn)的星系在可見光

7、波段的光譜離開我們而去的恒星發(fā)出的光線的光譜向紅光光譜方向移動(dòng) 頻率減小，波長增加頻率增大，波長減小17下圖為遙遠(yuǎn)的星系在可見光波段的光譜離開我們而去的恒星發(fā)出的光根據(jù)光的多普勒效應(yīng)推理：如果宇宙是穩(wěn)定的，恒星的運(yùn)動(dòng)應(yīng)該是隨機(jī)的，遠(yuǎn)離我們的恒星數(shù)目和向我們而來的恒星數(shù)目應(yīng)該差不多，也就是說，觀測(cè)到的發(fā)生藍(lán)移和紅移的恒星數(shù)量應(yīng)該差不多。科學(xué)家哈勃的觀測(cè)結(jié)果表明：絕大多數(shù)恒星都發(fā)生紅移，而且距離越遠(yuǎn)的恒星遠(yuǎn)離的速度越快。這個(gè)發(fā)現(xiàn)非同小可，普遍的紅移表明周圍的恒星都在離我們遠(yuǎn)去。 18根據(jù)光的多普勒效應(yīng)推理：科學(xué)家哈勃的觀測(cè)結(jié)果表明： 1所以，哈勃的發(fā)現(xiàn)告訴我們：所有星系都在遠(yuǎn)離的事實(shí)表明，我們的宇

8、宙正在膨脹，而非原先以為宇宙是穩(wěn)恒的。如果宇宙現(xiàn)在正在膨脹，那么沿時(shí)間回溯，以前宇宙肯定比現(xiàn)在小，也肯定有那么一個(gè)時(shí)刻，宇宙中所有東西都聚集在一起，也就是：宇宙必然有個(gè)起點(diǎn)！ 那么，從星系退行的速度和星系間的距離可以反推宇宙的年齡大概為140億年左右。 19所以，哈勃的發(fā)現(xiàn)告訴我們：所有星系都在遠(yuǎn)離的事實(shí)表明，我們的根據(jù)這一理論，宇宙演化過程起始于大約140億年前，宇宙從極端高溫高密內(nèi)的一個(gè)點(diǎn)起源，瞬間爆炸，隨著體積的膨脹和溫度得下降，以質(zhì)子、中子等基本粒子形態(tài)存在的物質(zhì)首先結(jié)合成氘、氚、氦等較輕的元素，隨后進(jìn)一步冷卻，形成恒星。在恒星內(nèi)部合成碳、氧、硅、鐵等更重的元素，再拋射到周圍形成行星，

9、最后在如地球這樣條件適合的行星上演化出生命，成為目前的宇宙。 20根據(jù)這一理論，宇宙演化過程起始于大約140億年前，宇宙從極端 從星系到恒星到地球到人類漫長的140億年，終于成就了今天的人類，人類是只有短短幾百萬年歷史的生物種群。據(jù)最新考古發(fā)現(xiàn)，非洲有可能是最早出現(xiàn)人類痕跡的地方，但即使如此，與宇宙的歷史相比，人類也只不過是滄海一粟。21 從星系到恒星到地球到人類漫長的140億年，終于成對(duì)于宇宙的演化，我們可以注意到，不只是宇宙空間的演化，還應(yīng)包括宇宙所含內(nèi)容的演化。如恒星、行星以及各種天體的運(yùn)動(dòng)，地球上各種生物種群的不斷演化，分子、原子的運(yùn)動(dòng)，各種基本粒子的產(chǎn)生與湮滅，我們?nèi)粘Ｉ钪兴芸吹降母鞣N運(yùn)動(dòng)與變化等等。 22對(duì)于宇宙的演化，我們可以注意到，不只是宇宙空間的演化，還應(yīng)包通過以上內(nèi)容，我們看到了科學(xué)家是如何對(duì)天體進(jìn)行觀察和研究的?？茖W(xué)家利用光的多普勒效