宇宙的基本结构和天体演化

宇宙的基本结构什么是宇宙？宇宙有多大？如何知道？什么是宇宙？中国战国时期，“四方上下曰宇，古往今来曰宙”现代天文学，宇宙是(时间、)空间、物质的总和。1、天体的距离单位▲1天文单位(a.u.)=太阳到地球的平均距离1.5108公里（1.5亿公里）▲1光年(ly)0.951013公里光在1年里走过的路程▲1秒差距(pc)31013公里1秒差距3.26光年~20万天文单位1千秒差距=103秒差距(星系尺度)1兆秒差距=106秒差距(宇宙尺度)宇宙有多大？2、宇宙的结构•宇宙图景当代天文学的研究成果表明，宇宙是有层次结构的、物质形态多样的、不断运动发展的天体系统。•层次结构人类认识宇宙的历程①行星是最基本的天体系统地—月系•如何知道地球是圆的？•如何说明地球是运动的？•月球对地球的影响？•月球形成的假设大潮小潮②行星小行星彗星和流星体都围绕中心天体太阳运转，构成太阳系•太阳占太阳系总质量的99.86％，其直径约140万千米，最大的行星木星的直径约14万千米。太阳系的大小约120亿千米。•如何知道太阳的组成•大行星分类•大行星和小行星的形状差别1917年，美国天文学家沙普利通过对银河系内天体分布的分析，确认太阳并不位于银河系的中心，而是处于相对说来比较靠近银河系边缘的地方。太阳只是银河系中一颗毫无特殊地位可言的普通恒星，地球更谈不到了。•银河系中大部分恒星和星际物质集中在一个扁球状的空间内，从侧面看很像一个“铁饼”，正面10万光年，太阳位于银河系的一个旋臂中，距银心约3万光年。银河系外还有许多类似的天体系统，称为河外星系，常简称星系。现已观测到大约有10亿个。•如何知道银河系的形状?•不同形状的星系•天体距离的测定方法③2500亿颗类似太阳的恒星和星际物质构成更巨大的天体系统——银河系迄今为止，天文学中精确测定的最远天体距离：银河系英仙臂与太阳的距离为1.95千秒差距，约6360光年视差法：在地球公转不同位置处观测同一天体在天球上的坐标,经过计算得出视差A，也就得到距离D=Des/(A/2)。（适用于银河系内）20世纪初，美国威尔逊山天文台建成了当时世界上最大口径的2.5米天文望远镜。1923年10月6日，美国天文学家哈勃利用这台望远镜拍摄了仙女星云的照片，推算出仙女星云的距离为225万光年，远远超出银河系范围。仙女星云m31半人马座中的一个星系不同形状的星系旋涡星系椭圆星系棒旋星系•平均而言，每个星系团约有百余个星系，直径达上千万光年。现已发现上万个星系团。包括银河系在内约40个星系构成的一个小星系团叫本星系群。④星系也聚集成大大小小的集团，叫星系团。本星系群（LocalGroup）银河系所属的数十个星系的集合，尺度约数百万光年星系团(ClusterofGalaxies)数十至数千个星系的集合，星系团的尺度约数千万光年：室女座星系团•超星系团往往具有扁长的外形，其长径可达数亿光年。通常超星系团内只含有几个星系团，只有少数超星系团拥有几十个星系团。•大的超星系团也称为宇宙的大尺度结构。把10Mpc以上的结构称为宇宙的大尺度结构（目前观测到的宇宙的大小是104Mpc）。至今大尺度上的观测事实远不是十分明确的。有迹象表明，星系在大尺度上的分布呈泡沫状。即有许多看不到星系的空洞区，而星系聚集在空洞的壁上，呈纤维状或片状结构。它的典型尺度为几十兆秒差距。⑤若干星系团集聚在一起构成更大、更高一层次的天体系统叫超星系团。超星系团:若干星系团的集合体星系分布的大尺度结构在宇宙大尺度结构的研究方面，情况就更复杂一些。从遥远的背景星系传播来的光线不只是被单个天体所弯曲，实际上这是一种被连续弯折的效应，这样的情况处理起来更复杂，但为天文学家们研究宇宙的大尺度结构提供了非常宝贵的观测信息⑥目前天文观测范围已经扩展到137亿光年的广阔空间，它称为总星系，即宇宙观测宇宙目前发现的最远天体：137亿光年半径137亿光年室女座超星系团科学家们描绘的宇宙构造示意图•哲学宇宙：宇宙无限；空间无限：无边无际(无边界，形状和中心)时间无尽：无始无终(无起源，年龄和寿命)•科学宇宙：指总星系时间上有起源，空间上有边界；•大爆炸宇宙学。•宇宙的结构层次（从大到小）总星系星系团星系恒星系恒星行星•宇宙天体的空间尺度地球107米太阳109米太阳系（恒星）1013米星系（银河系）1021米(十万光年)星系团1023米(百万光年)超星系团1025米(亿光年)大尺度结构大于3亿光年观测宇宙1026米(百亿光年)人类是如何知道的？人类认识宇宙的历程伴随着科技的进步肉眼观测光学望远镜射电望远镜空间探测古代观象仪光学望远镜射电望远镜太空探测•宇宙从何而来？•宇宙如何变化？•最终会怎样？星云.太阳.50亿年.红巨星.40亿年.白矮星.10亿年暗矮星.漫长.••=6522&serialno=11•••国际天文学联合会大会2006。8。２４日投票决定，不再将传统九大行星之一的冥王星视为行星，而将其列入“矮行星”。大会通过的决议规定，“行星”指的是围绕太阳运转、自身引力足以克服其刚体力而使天体呈圆球状、能够清除其轨道附近其他物体的天体。在太阳系传统的“九大行星”中，只有水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星符合这些要求。冥王星由于其轨道与海王星的轨道相交，不符合新的行星定义，因此被自动降级为“矮行星”。•恒星光谱恒星光谱的形态决定于恒星的物理性质、化学成分和运动状态。光谱中包含着关于恒星各种特性的最丰富的信息。迄今关于恒星本质的知识，几乎都是从光谱研究中得到的。恒星光谱的研究内容异常广泛，但从观测角度来看，主要有三条途径。第一是证认谱线和确定元素的丰度。第二是测量多普勒效应引起的谱线位移和变宽(见谱线的形成和致宽)，由此来研究天体的运动状态和谱线生成区。第三是测量恒星光谱中能量随波长的变化，包括连续谱能量分布、谱线轮廓和等值宽度等。这些特性同恒星大气中的温度、压力、运动、电磁过程以及辐射转移过程有关，是恒星大气理论的主要观测依据。地球半徑r=C/d=(A-B)/d觀察月食時地影的弧度而得知地影的大小,即AE.AE/RE=AM/RM月球的半徑RM=(RE)(AM)/AE月地距離,DEMapproximately=RM/AM日地距離半月的時候,日月地球的相對位置如圖，DES=DEM/cosASM恒星与地球的距离(A/2)(DSS)=DESDSS)=2DES/A天体距离的测定方法1)几何方法：在地球公转不同位置处观测同一天体在天球上的坐标,经过计算得出视差π，也就得到距离D。D=206,265a.u./π（适用于银河系内）2)光度方法：设天体光度为L，亮度为B，则有B∝L·D－2B是可观测量，如果能设法求到光度L，则可由上式求得距离D，称为光度距离。用造父变星做标准烛光（适合近星系）用Ia型超新星作标准烛光（较远的星系）哈勃定律距离阶梯