宇宙的起源與演化

宇宙的起源與演化第一頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日第一章宇宙的起源和演化作者王世軍第二頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日極目長(zhǎng)空，日月經(jīng)天，星回斗轉(zhuǎn)，河漢縱橫。自古以來(lái)人們觀天象，辨星斗成果輝煌。哥白尼的“太陽(yáng)中心說(shuō)”使自然科學(xué)從神學(xué)中解放出來(lái)，牛頓創(chuàng)立了天體力學(xué)，而量子力學(xué)、相對(duì)論、高能物理學(xué)奠定了現(xiàn)代宇宙學(xué)的基礎(chǔ)。大口徑天文望遠(yuǎn)鏡的落成，光子計(jì)數(shù)照相機(jī)和電荷耦合探測(cè)器的使用，天文光譜測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，空間飛行器的天文探測(cè)等等，使人類(lèi)對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)逐漸深化和日臻完善。這一節(jié)我們來(lái)介紹一下現(xiàn)代天文學(xué)所認(rèn)識(shí)的宇宙概觀。引言第三頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日是先有雞呢，還是先有蛋?何物創(chuàng)生宇宙，又是何物創(chuàng)生該物呢？宇宙演化的問(wèn)題是問(wèn)宇宙是恒定不變的，還是永恒變化的呢？第四頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日

宇宙泛指天地萬(wàn)物，亦即在浩瀚的空間中運(yùn)動(dòng)和變化著的全部物質(zhì)世界的總稱(chēng)。迄今人們對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)，已經(jīng)從地球到太陽(yáng)系，再由太陽(yáng)系擴(kuò)展到銀河系、河外星系、星系團(tuán)、乃至觀測(cè)所及的宇宙深處。第五頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日《齊物論》中說(shuō)：四維上下曰宇，古往今來(lái)曰宙。然而它們又不絕對(duì)，含有包容和流轉(zhuǎn)的意義，故宇宙可指時(shí)空中所含變化的萬(wàn)有。又“宇之表無(wú)極，宙之端無(wú)窮”(張衡《靈憲》)西方的“宇宙”基本上是個(gè)空間概念，有兩個(gè)重要詞表達(dá)，一是Cosmos來(lái)自希臘文，本意是秩序，意指作為秩序體系的整個(gè)宇宙；二是Universe，來(lái)自拉丁文，本意是萬(wàn)有，意指包羅萬(wàn)象的宇宙。第六頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日火箭發(fā)射全過(guò)程火箭進(jìn)入軌道啟動(dòng)太空艙第七頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日航天員的太空活動(dòng)第八頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日第一節(jié)宇宙概觀哥白尼的“太陽(yáng)中心說(shuō)”使自然科學(xué)從神學(xué)中解放出來(lái)，牛頓創(chuàng)立了天體力學(xué)，而量子力學(xué)、相對(duì)論、高能物理學(xué)奠定了現(xiàn)代宇宙學(xué)的基礎(chǔ)。大口徑天文望遠(yuǎn)鏡的落成，光子計(jì)數(shù)照相機(jī)和電荷耦合探測(cè)器的使用，天文光譜測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，空間飛行器的天文探測(cè)等等，使人類(lèi)對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)逐漸深化和日臻完善。第九頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日一、宇宙概觀我們居住的地球是太陽(yáng)系家族的一員，距太陽(yáng)平均距離為1.496×108km。而太陽(yáng)系又僅僅定居于銀河系巨大旋臂的一側(cè)；而銀河系，在宇宙所有星系中，也許很不起眼……

宇宙是由數(shù)十億個(gè)類(lèi)似銀河系的龐大天體系統(tǒng)所組成。

第十頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日太陽(yáng)系最外面的冥王星距太陽(yáng)平均5.9×109km，光約走5.5h。在火星和木星之間運(yùn)行著幾十萬(wàn)顆小行星。太陽(yáng)系中質(zhì)量較小的天體還有流星和彗星，哈雷彗星、波普——海爾彗星、白武彗星就是其中的幾個(gè)。太陽(yáng)只是一顆極普通的恒星，它屬于一個(gè)龐大的恒星系統(tǒng)——銀河系中的一顆恒星。太陽(yáng)系是銀河系中的一個(gè)星系。第十一頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日銀河系是由群星和彌漫物質(zhì)集成的一個(gè)龐大天體系統(tǒng)。銀河系中有2000億顆以上的恒星。扁盤(pán)的最大厚度約1×104l.y.，銀河系發(fā)光部分距離約7×104l.y.，銀暈，直徑約1×105l.y.

除恒星外銀河系中星云。第十二頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日二、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)生什么樣的宇宙學(xué)。以牛頓力學(xué)為基礎(chǔ)的宇宙學(xué)認(rèn)為宇宙是一架機(jī)器。這是唯物機(jī)械論的宇宙學(xué)。

1916年愛(ài)因斯坦提出廣義相對(duì)論。1917年他把廣義相對(duì)論用于宇宙學(xué)研究，得到了一個(gè)靜態(tài)的有限無(wú)界的宇宙模型。1922年蘇聯(lián)數(shù)學(xué)家費(fèi)里德曼得到愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程一組動(dòng)態(tài)解，包括兩類(lèi)膨脹解和一類(lèi)振蕩解，從而建立了新的宇宙模型。對(duì)于膨脹解，宇宙將一直膨脹下去；對(duì)于振蕩解，宇宙呈現(xiàn)膨脹——收縮的振蕩。第十三頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日1927年比利時(shí)人梅特勒在費(fèi)里德曼解的基礎(chǔ)上把已觀測(cè)到的河外星系光譜紅移解釋為宇宙膨脹的結(jié)果，提出了膨脹宇宙的模型。1948年英國(guó)劍橋的拜迪、霍伊爾和戈?duì)柕掠痔岢龇€(wěn)恒態(tài)宇宙模型。它基于完全宇宙學(xué)原理，認(rèn)為宇宙物質(zhì)密度始終不變。20世紀(jì)40年代末50年代初伽莫夫等人對(duì)極高溫度極高密度的早期宇宙研究提出被普遍看好的主流模型——熱宇宙模型，俗稱(chēng)“大爆炸宇宙”模型，亦稱(chēng)標(biāo)準(zhǔn)模型。20世紀(jì)80年代，古斯等人將理論物理大統(tǒng)一理論引入宇宙學(xué)，解決了“大爆炸宇宙”模型不能解釋的“視界”問(wèn)題、“平坦性”等宇宙難題。第十四頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日第二節(jié)宇宙的起源和演化宇宙有沒(méi)有起源和終結(jié)，它是永恒的還是演化的？這是宇宙學(xué)所要回答的一個(gè)根本問(wèn)題。各種文明都有自己的看法。第十五頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日一、中國(guó)古代的盤(pán)古開(kāi)天地的神話(huà)故事這個(gè)神話(huà)故事說(shuō)的是天地本來(lái)像個(gè)雞蛋，盤(pán)古生于其中。后來(lái)天地開(kāi)辟了，天每日高一丈，地每日厚一丈，盤(pán)古每日長(zhǎng)一丈。18000年以后，天變得極高，地變得極厚，盤(pán)古也變得極長(zhǎng)了。盤(pán)古怕天地合攏，就頂天立地拼命撐著，最后精疲力竭地死了。死后，他的全身化成了萬(wàn)物：氣為風(fēng)云，聲為雷霆，左眼為太陽(yáng)，右眼為月亮，血液為江河，肌肉為田土。第十六頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日世界上其它文明古國(guó)，也各有關(guān)于宇宙起源和結(jié)構(gòu)的種種傳說(shuō)。例如，古印度人認(rèn)為大地由四頭大象馱著，大象站在一只巨龜?shù)谋成?，巨龜則浮在水中，等等。古代各民族都把自己生活的地方當(dāng)作天地的中央，并各自獨(dú)立地產(chǎn)生了關(guān)于宇宙結(jié)構(gòu)的地心學(xué)說(shuō)。第十七頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日二、宇宙大爆炸起源模型20世紀(jì)70年代以來(lái)，粒子物理學(xué)家與宇宙學(xué)學(xué)家提出了“宇宙大爆炸起源模型”：宇宙“始”于約100億年前的大爆炸。大爆炸后10-44s，溫度為1032K大爆炸后的一秒種，溫度降至1010K，進(jìn)入輻射為主的階段。3min，溫度為109K，宇宙膨脹為約一光年的實(shí)體，是原子核合成的時(shí)期，有近1／3的物質(zhì)合成４He，就是說(shuō)此時(shí)構(gòu)造各種物質(zhì)元素的材料已制備完畢。第十八頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日經(jīng)過(guò)7×105age,宇宙溫度降為3000K，物質(zhì)復(fù)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(fù)合的結(jié)果使重子數(shù)與光子數(shù)保持恒定。108a，輻射溫度為100K，星際物質(zhì)溫度1K，星系形成。109a，輻射溫度12K，出現(xiàn)類(lèi)星體……至目前，宇宙年齡為1010a，輻射溫度降為2.7K，星際物質(zhì)溫度為10-5K。我們觀測(cè)到的宇宙已大到100多億光年，現(xiàn)在宇宙仍在繼續(xù)膨脹著。宇宙大爆炸模型已成為舉世公認(rèn)的一種“標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型”。第十九頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日三、宇宙是均勻的和各向同性的介質(zhì)在宇宙學(xué)中，星系被看成是宇宙物質(zhì)的基本單元。星系是由數(shù)以萬(wàn)億計(jì)的恒星構(gòu)成。通常把幾十個(gè)星系結(jié)成的集團(tuán)叫星系群，把幾百個(gè)星系組成的集團(tuán)叫星系團(tuán)。星系群和星系團(tuán)又進(jìn)一步結(jié)成超星系團(tuán)。在宇宙學(xué)尺度上，可以認(rèn)為宇宙是由充滿(mǎn)空間的以星系為基元的均勻的和各向同性的介質(zhì)。第二十頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日四、哈勃定律與宇宙膨脹1929年,著名美國(guó)天文學(xué)家哈勃（E.Hubble）寫(xiě)成哈勃定律的第一種表示形式:Z＝(Ｈ/c)d。第二種表示式：v＝Hd。20世紀(jì)50年代以后發(fā)現(xiàn)哈勃在測(cè)距方法上有系統(tǒng)錯(cuò)誤，改進(jìn)后是如下范圍：

H=50~100km·s-1·Mpc-11994年10月，弗利德曼（Freedman，W.L.）、肯尼克特(Kennicutt,R.)和茅德（Mould,J.）等把哈勃常數(shù)定準(zhǔn)了,為

H=80±1.7km·s-1·Mpc-1第二十一頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日五、微波背景輻射20世紀(jì)天文學(xué)的另一重大發(fā)現(xiàn)是微波背景輻射。1964年美國(guó)貝爾電話(huà)實(shí)驗(yàn)室的彭齊亞斯(A.A.Penzias)和威爾遜(R.W.Wilso)用一架精密的射電望遠(yuǎn)鏡在7.35cm波長(zhǎng)處探測(cè)到一種來(lái)自宇宙深處的強(qiáng)度與方向無(wú)關(guān)的宇宙背景輻射信號(hào)。1989年美國(guó)宇航局專(zhuān)門(mén)發(fā)射了宇宙背景輻射探測(cè)衛(wèi)星，第一批測(cè)量數(shù)據(jù)表明，從0.5mm-5mm波段上該輻射的譜分布與溫度為(2.735±0.06)K理想黑體的譜分布完全相合，在扣除運(yùn)動(dòng)效應(yīng)后天空不同方向的差別小于十萬(wàn)分之一。彭齊亞斯和威爾遜兩人因此獲得1978年諾貝爾物理獎(jiǎng)。第二十二頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日六、宇宙是有限的還是無(wú)限的宇宙是有限的還是無(wú)限的呢？費(fèi)里德曼模型認(rèn)為這取決于宇宙物質(zhì)的平均密度ρ0與臨界密度ρc的比值。宇宙物質(zhì)平均密度的測(cè)定可以決定宇宙究竟是有限的還是無(wú)限的！所以宇宙是否無(wú)限膨脹下去是當(dāng)前科學(xué)無(wú)法判斷的一個(gè)難題。第二十三頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日七、宇宙的年齡現(xiàn)在普遍認(rèn)為，估計(jì)宇宙年齡在100-150億年之間。20世紀(jì)50年代末前，把推斷宇宙年齡的古老天體作為地球和太陽(yáng)，這樣造成了距離定標(biāo)的錯(cuò)誤，定出的H值比現(xiàn)在的值大5-10倍。由球狀星團(tuán)測(cè)得的哈勃常數(shù)在50-100km·s-1·Mpc-1。由此算出的球狀星團(tuán)的年齡在150±30億年的范圍內(nèi)。專(zhuān)家認(rèn)為它不會(huì)小于120億年。第二十四頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日八、宇宙元素的豐度從太陽(yáng)系、其它恒星、星際介質(zhì)、不同星系以及宇宙射線(xiàn)觀測(cè)和研究中獲得的數(shù)據(jù)表明，宇宙氦的含量在22%-25%之間，而氫與氦的質(zhì)量比約為3∶1，理論值與觀測(cè)接近。另外同一時(shí)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(shí)際觀測(cè)也較接近。這種普適性對(duì)“大爆炸宇宙”模型是有力的支持。另外重子光子數(shù)之比的測(cè)量也是對(duì)該模型肯定的檢驗(yàn)。第二十五頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日第三節(jié)星系的起源和演化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(gòu)成，占據(jù)幾千光年至幾十萬(wàn)光年的空間的天體系統(tǒng)。星系是構(gòu)成宇宙的基本單元。星系的外形和結(jié)構(gòu)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(lèi)：橢園星系、旋渦星系和不規(guī)則星系。后來(lái)又細(xì)分為橢園星系、透鏡星系、旋渦星系、棒旋星系和不規(guī)則星系五個(gè)類(lèi)型。星系在永恒地運(yùn)動(dòng)它內(nèi)部的恒星在運(yùn)動(dòng)，自身也在運(yùn)動(dòng)。成對(duì)出現(xiàn)的星系彼此圍繞公共質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)，在星系團(tuán)中，星系間有隨機(jī)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。河外星系的視向退行速度與距離成正比。星系的質(zhì)量是可測(cè)的。根據(jù)牛頓定律，轉(zhuǎn)動(dòng)著的星系內(nèi)任一點(diǎn)的離心力必須同該點(diǎn)軌道以?xún)?nèi)所有物質(zhì)對(duì)它的引力相平衡，這就由速度－距離的實(shí)測(cè)曲線(xiàn)得出星系的質(zhì)量分布和總質(zhì)量。第二十六頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日天文學(xué)家普遍認(rèn)為，星系是由初始?xì)庠菩纬傻?。在?biāo)準(zhǔn)宇宙模型中，不均勻性的種子來(lái)自宇宙極早期的真空相變。像許多相變都會(huì)留下對(duì)稱(chēng)性的缺陷那樣，真空相變也留下一些不均勻結(jié)構(gòu)。這些不均勻結(jié)構(gòu)中的密度較高的地方通過(guò)引力相互作用吸引周?chē)奈镔|(zhì)，像滾雪球那樣越滾越大，直至形成初始?xì)庠?。剛從初始?xì)庠颇鄢鰜?lái)的星系胚胎是什么樣子目前雖不清楚，但可以肯定地說(shuō)，對(duì)于足夠大的質(zhì)量集中區(qū)，向內(nèi)的引力會(huì)超過(guò)向外的壓力而使氣云塌縮為致密的星系。其過(guò)程大致是，隨著時(shí)間的推移星系級(jí)初始?xì)庠崎_(kāi)始收縮，例如收縮成類(lèi)似銀河系的氣云盤(pán)，氣云盤(pán)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(yáng)質(zhì)量大得多，也亮得多，壽命也短得多。它們?cè)诖蠹s一千萬(wàn)年內(nèi)耗盡了自己的核燃料，而后通過(guò)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(jìn)入第二代、第三代……恒星的生成和演化的循環(huán)。第二十七頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日第四節(jié)恒星的起源和演化恒星是構(gòu)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究銀河系結(jié)構(gòu)和演化的基礎(chǔ)。在星際彌漫物質(zhì)到恒星的演化鏈上，恒星的形成是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。恒星問(wèn)題是宇宙學(xué)中解決得最好的問(wèn)題之一。恒星是從星際分子云中形成的；恒星有形成、發(fā)展和死亡的過(guò)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)生出新一代恒星，星系中這種恒星的消亡與再生過(guò)程，已為大量觀測(cè)資料所證實(shí)。恒星演化的最后階段比其形成階段了解得要好一些。觀測(cè)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、塵埃云組成的巨大分子云。第二十八頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日一、恒星的形成

17世紀(jì)牛頓，18世紀(jì)初康德等倡言的散布于空間中的彌漫物質(zhì)(稱(chēng)為星云)可以在引力作用下凝聚成太陽(yáng)系和恒星的假說(shuō)，經(jīng)過(guò)歷代天文學(xué)家的努力已逐漸發(fā)展成為相當(dāng)成熟的理論。20世紀(jì)60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(xué)說(shuō)，成為恒星形成研究的主要成就。第一代恒星是星系形成時(shí)期由初始?xì)庠扑槠鄱傻模渌阈鞘怯尚窍抵械男请H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)生新恒星的必要條件。目前已經(jīng)從理論上認(rèn)識(shí)到恒星形成的若干過(guò)程和階段，如引力不穩(wěn)定導(dǎo)致的分子云的動(dòng)力學(xué)坍縮、原恒星的吸積階段，以及主序前準(zhǔn)靜態(tài)收縮等。今后，恒星形成研究將朝兩個(gè)主要方向發(fā)展：一方面是探索單顆恒星形成的具體過(guò)程，另一方面是揭示恒星形成的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。第二十九頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日二、恒星的演化恒星的演化過(guò)程可分為四個(gè)階段：初始階段亞穩(wěn)階段周期性收縮膨脹階段引力坍縮階段恒星主要是依靠?jī)?nèi)部氣體粒子熱運(yùn)動(dòng)的壓力與自身物質(zhì)之間的巨大引力相抗衡的。第三十頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日三、恒星的結(jié)局恒星結(jié)局？恒星內(nèi)部的熱核反應(yīng)的持續(xù)時(shí)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(yuǎn)存在，那么恒星結(jié)局會(huì)怎樣？坍縮是會(huì)被某種新形式的壓力所阻擋，還是無(wú)限制地進(jìn)行下去呢？隨著恒星內(nèi)部熱核反應(yīng)的停止，盡管恒星外層部分會(huì)出現(xiàn)膨脹、爆發(fā)等復(fù)雜的變動(dòng)，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。這個(gè)問(wèn)題，盡管是本世紀(jì)的兩大物理理論即量子力學(xué)和相對(duì)論攜手作答，并且有了不少重要的進(jìn)展，卻還遠(yuǎn)未徹底解決。第三十一頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日恒星演化的第一種結(jié)局。如果恒星的質(zhì)量不超過(guò)1.4倍太陽(yáng)質(zhì)量,則簡(jiǎn)并電子氣的壓力能夠抵抗住引力坍縮,使星體穩(wěn)定下來(lái)。這就是白矮星，其密度約是水的1萬(wàn)至100萬(wàn)倍。恒星演化的第二種結(jié)局。初始質(zhì)量更大的恒星，其晚期核心的引力坍縮會(huì)更厲害。一種可能的結(jié)局是，電子被擠進(jìn)原子核內(nèi)，與質(zhì)子結(jié)合成中子，并且達(dá)到簡(jiǎn)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(gè)由簡(jiǎn)并中子氣壓力支撐的核心，這就是中子星。第三十二頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日我國(guó)宋史記載宋仁宗至和元年(1054年)出現(xiàn)的“客星”是我國(guó)古書(shū)記載的90個(gè)超新星爆發(fā)事例中資料最詳盡的一個(gè)。它最亮?xí)r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1100km/s的速度向外膨脹著。900年后英國(guó)天文學(xué)家在那個(gè)位置發(fā)現(xiàn)的脈沖星，就是那次爆發(fā)剩余的星核——中子星。脈沖星是高速旋轉(zhuǎn)的中子星。第三十三頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日恒星演化的第三種結(jié)局。如果恒星在經(jīng)過(guò)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3M⊙

以上，就沒(méi)有任何力量能夠阻止引力坍縮。按照廣義相對(duì)論，物體一旦收縮到一個(gè)被稱(chēng)為引力半徑的特征半徑以下，強(qiáng)大的引力就會(huì)使得包括光在內(nèi)的任何物質(zhì)都不可能再逃逸出來(lái)，物體也就消失在黑暗之中。這就是黑洞，即恒星演化的第三種結(jié)局。第三十四頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日黑洞的概念可以追溯到二百多年前。黑洞這個(gè)名詞是1967年才由美國(guó)物理學(xué)家約翰·惠勒提出來(lái)的。1973年,英國(guó)物理學(xué)家史蒂芬·霍金研究發(fā)現(xiàn),黑洞不是完全黑的,它以恒定的速率發(fā)射出輻射和粒子。發(fā)射出的粒子具有準(zhǔn)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并且和質(zhì)量成反比。對(duì)于一顆具有太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，其溫度大約只有絕對(duì)溫度的千萬(wàn)分之一度。黑洞是時(shí)空的一個(gè)區(qū)域，如果物質(zhì)低于光的速度運(yùn)動(dòng)就不可能從這個(gè)區(qū)域逃逸。第三十五頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日黑洞輻射的預(yù)言是愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論和量子力學(xué)相結(jié)合的研究結(jié)果。黑洞物理也正在成為嶄新的物理學(xué)分支。然而，黑洞的存在卻還沒(méi)有得到完全的確認(rèn)，部分地是在理論上的問(wèn)題，部分地是在觀測(cè)問(wèn)題上。理論上的主要問(wèn)題是奇點(diǎn)問(wèn)題，如果坍縮無(wú)限制地進(jìn)行下去，就必然形成一個(gè)物質(zhì)密度為無(wú)窮大的點(diǎn)，而這是不可接受的。避免奇點(diǎn)的希望寄托于廣義相對(duì)論與量子論的真正聯(lián)姻，即引力場(chǎng)亦即時(shí)空的量子化。這種量子化的典型尺度是10-33cm，稱(chēng)為普朗克長(zhǎng)度，比基本粒子的尺度還要小20個(gè)數(shù)量級(jí)。第三十六頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日觀測(cè)上的主要問(wèn)題是無(wú)法觀測(cè)孤獨(dú)的黑洞。但若黑洞是與另一個(gè)普通恒星組成雙星系統(tǒng)，則另一個(gè)恒星的表層物質(zhì)就可能被黑洞拉去，并且在下落過(guò)程中釋放引力能而發(fā)出X射線(xiàn)輻射，據(jù)此，從原則上講，我們可以探測(cè)黑洞。困難在于，雙星中的中子星也同樣可以成為強(qiáng)X射線(xiàn)源?，F(xiàn)在唯一的辦法是運(yùn)用開(kāi)普勒第三定律來(lái)推算X射線(xiàn)源的質(zhì)量，如果這個(gè)質(zhì)量超過(guò)3M⊙，黑洞就得到了認(rèn)證。但由于雙星系統(tǒng)的軌道參量和其中普通恒星的質(zhì)量難以精確測(cè)定，迄今雖已努力20多年，找到的黑洞只有三個(gè)，并且還沒(méi)到確定無(wú)疑的程度。黑洞的最后確認(rèn)，乃至廣義相對(duì)論的最后確認(rèn)，都依賴(lài)于引力波的探測(cè)成功。第三十七頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日一、太陽(yáng)系太陽(yáng)在銀道面以北約26l.y.，距銀心約32600l.y.，以250km/s速度繞銀心運(yùn)轉(zhuǎn)，每2.5億年轉(zhuǎn)1周。在太陽(yáng)系中，太陽(yáng)是中心天體，其它天體都在太陽(yáng)的引力作用下，圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)。太陽(yáng)是有熱核能源輻射的發(fā)光恒星，其它天體都沒(méi)有核能源輻射（木星、土星有紅外輻射熱源），主要被太陽(yáng)光照射而發(fā)光。第五節(jié)太陽(yáng)系的起源與演化第三十八頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日太陽(yáng)系的起源可以用星云說(shuō)解釋。20世紀(jì)以來(lái)人們提出了十多個(gè)星云學(xué)說(shuō)，都認(rèn)為太陽(yáng)系是由一個(gè)旋轉(zhuǎn)著的同一個(gè)星際物質(zhì)云在自引力作用下逐漸收縮形成的。第三十九頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日太陽(yáng)是太陽(yáng)系的中心天體。它是一顆普通恒星。半徑7×105km、表面溫度6000K、核心溫度1.5×10７K、質(zhì)量約為2×1033g的氣體球。它的平均密度為1.409g/cm3，表面加速度為2.74×104cm/s2。在太陽(yáng)中心區(qū)的氫核聚變產(chǎn)生的能量，主要以輻射形式穩(wěn)定地向空間發(fā)射。太陽(yáng)大氣層分為三層，從內(nèi)向外依次是光球、色球和日冕。太陽(yáng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖第四十頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日1.光球及黑子光球是肉眼所見(jiàn)到的太陽(yáng)表面層，厚約300-500km。6000K的太陽(yáng)表面溫度指的就是光球的溫度。我們接收到的太