第二章天文学

第二章宇宙世界——天文学第一节早期天文学第二节太阳系第三节恒星第四节星系和宇宙现代天文学简介天文学是自然科学的重要分支。是研究天体的位置、分布、运动、结构、物理状态、化学组成和演化规律的科学。天体的起源和演化是现代天文学研究的重要内容。现代天文学的三大特点：(1)进入了全电磁波段观测的时代；(2)天文空间探测已有了令人瞩目的进展；（3）已进入天文学与物理学紧密结合、相互促进的时代。目前天文学研究的范围，从距离上已达约150亿光年的空间尺度，从时间上可追溯到约150亿年前发生的事件。天文学史上的三次飞跃第一次、行星层次----连接开普勒定律的飞跃17世纪对行星层次的认识。这个以牛顿力学定律和万能引力的发现为标志的辉煌历史，常常被分为三部曲：（1）丹麦天文学家第谷创造的前所未有的高精确度的天体测量工具。（2）德国著名大天文学家开普勒----行星运行的开普勒三定律。（3）牛顿发现了力学定律和万有引力定律。第谷·布拉赫(1546—1601)是丹麦的宫廷天文学家，在丹麦和瑞典间的一个小岛的观天堡天文台，从公元1576年到1597年观测了21年的天象并记录了大量的数据。德国天文学家开普勒（公元1571～1630年）与第谷相反，善于思索而不善于观测。他作第谷的助手两年，第谷去世后，得到宝贵资料。牛顿的综合牛顿将哥白尼、第谷、开普勒、伽利略、笛卡儿和其他学者在天文学和动力学上的发现汇集起来，加上他自己在数学和力学上的创见，把物体的运动规律归结为牛顿运动三定律和万有引力定律，由此建立起一个完整的力学理论体系。（I.Newton,1642-1727）1672年牛顿创制了反射望远镜；解释了潮汐的现象；从理论上推测出地球不是球体，而是两极稍扁、赤道略鼓，并由此说明了岁差现象等。太阳系家族九大行星类地行星：水星、金星、地球、火星；巨行星：木星、土星；远日行星：天王星、海王星、冥王星。2000多颗小行星、40多颗卫星、流星、彗星等。太阳系类地行星水星、金星、地球、火星特点：它们的许多特性与地球相似，质量小、体积小、密度大，都覆盖着坚硬的岩石外壳，中心有铁镍核，金属元素含量高。水星Mercury水星它是最靠近太阳的行星，也是太阳系中运动最快的行星。水星的地貌酷似月球，密布着环形山，它的表面没有大气，昼夜温差很大，白天高达427℃，夜晚则降低到-173℃。金星它是天空中除太阳和月亮外最明亮的星辰，从外表看，金星与地球有不少相似之处，表面有浓密的大气。然而，观测表明，金星表面温度可达460℃，任何生命都难以生存。金星与地球只是一对“貌合神离”的姐妹。火星ＮＡＳＡ最近的火星照片显示，火星冻土带的地表之下可能储存着相当数量的水。图中黄色斑点地区就是储水地带。水是生命存在的关键要素。它是一颗红色的行星，火星的许多特征与地球相似，因此，曾有“火星生命”“火星人”的猜想，近30多年来，已发射了20多个航天器对其探测，结果表明：火星大气稀薄而干燥，主要成分是二氧化碳。昼夜温差超过100℃，既没有江河湖海，土壤中也没有发现动植物、微生物的痕迹，更没有“火星人”的存在。火星所谓“深空探测”是指脱离地球的主引力场，进入太阳系空间的探测。在深空探测中最“热门”的是火星探测，因为火星是已知的最类似地球的星体，人类现在特别关注的是火星是否曾经存在着生命？火星地貌火星上的日出美景巨行星木星、土星。特点：体积大、密度小，拥有浓密的大气层，主要由氢、氦等组成，无固体表面是流体行星。在火星和木星之间存在一条由大量小行星组成的小行星带。木星亮度仅次于金星，是九大行星中最大的一颗星，其它八颗行星的质量加起来只及它的1/8，在它浓密的大气之下是一片液态氢的海洋，内部由熔融的铁和硅组成，温度高达3000℃。土星它是一颗美丽的行星，质量和大小仅次于木星，与木星有许多相似之处。土星有一层以氢和氦为主、浓密而色彩绚丽的大气层，而格外引人注目的是土星的光环就像一张巨大的唱片，在阳光照耀下色彩斑斓。土星Saturn古时我国又称其为“镇星”。无论东方还是西方，都把土星与农业联系在一起。是唯一一个密度比水还小的行星。有七个主要的环。这些彩色的云带主要由氢、氦以及甲烷等组成。也有一个大红斑。但比木星小。远日行星天王星、海王星、冥王星。特点：体积、密度介于类地行星与巨行星之间，主要由氢、氦、甲烷、氨等组成，表面温度很低，可能大部分处于冰冻状态。天王星是威廉·赫歇尔在1781年发现的，奇异之处它是躺着的。天王星Uranus天王星它的体积很大，是地球的65倍，仅次于木星和土星，大气的主要成份为氢和氦，在厚厚的大气之下是深达8000米的汪洋大海，其温度高得惊人，将近4000℃。海王星Neptune海王星有浓密的大气层，主要含有氢85%，氦13%，还有甲烷和氨等，有许多湍急紊乱的气旋即大小暗斑，大气下面是冰包层。海王星的不规则轨道是个迷，有人认为存在第十颗行星。冥王星Pluto其它的行星的轨道离黄道很近，而冥王星轨道与黄道面夹角17度，并且偏心率最大。由岩石和冰组成，表面温度在-238--228℃接近太阳时，才有一层薄薄的大气。彗星现已发现1600多颗，大多数彗星是朝同一方向绕太阳公转，但也有逆向公转的。公转轨道很扁。由冰冻着的各种杂质、尘埃组成。掠过太阳时有时有两条慧尾，笔直的是气体，弯曲的是尘埃。哈雷慧星是一颗短周期（76年）慧星，是目前资料最多的慧星。1992年舒梅克慧星被木星拉向自身毁灭。流星meteor或shootingstar流星有单个流星、火流星、流星雨几种。单个流星和火流星属偶发流星，火流星出现时非常明亮，像条火龙且可能伴有爆炸声。许多流星从星空中某一点（辐射点）向外辐射散开，这就是流星雨。它们的来源主要有两个，即慧星和小行星。每天凌晨4点是流星出现的高峰，因为这时观察者位于地球迎面进入尘埃中的一侧。每年大约出现20场流星雨，最易辨认的流星雨出现的地点和时间是：恒星的演化恒星的一生分为四个阶段：原始恒星阶段（引力收缩阶段）主序星阶段（壮年期）红巨星阶段（老年期）高密恒星阶段（临终阶段）太阳的主序星阶段约为100亿年，目前，太阳正处于主序星的中期。当太阳演变成红巨星时，体积将扩大250倍，地球早已不适合人类居住。白矮星（质量小）中子星（质量中等）黑洞（质量巨大）黑矮星核能耗尽后热能耗完后爆发哈勃望远镜展示的精美炫丽的星云——恒星的诞生在浩瀚的宇宙中由大量气体和尘埃微粒组成的星云绚丽多彩，很多是孕育新生恒星的“温床”。恒星的一生恒星是由低密度的星云碎片凝聚而成的。星云碎片由于自身的引力而收缩。在收缩过程中内部温度升高，质量小的云团形成单个恒星，质量大的云团形成了恒星集团。而大恒星与小恒星的命运是不同的。恒星晚年的归属小质量的恒星（0.2～8倍太阳质量）：红巨星行星状星云白矮星黑矮星中等质量的恒星（8～50倍太阳质量）：超巨星超新星中子星黑矮星巨大质量的恒星（50～100倍太阳质量）：超巨星超新星黑洞爆发原始恒星阶段快收缩时期：一般几百万年，似星非星、似云非云，辐射红外线。温度2000～3000摄氏度。慢收缩时期：类似于太阳的恒星约7500万年。由于内部压力的产生而导致收缩减缓，当中心温度达到700万度以上时，引发氢聚变为氦的核反应，此时恒星发出耀眼的光，恒星“婴儿”就诞生了。原始恒星阶段，星体始终处于收缩状态。这一过程经历了两个时期：主序星当恒星中心温度达到700万度以上时，开始核聚变反应，恒星停止收缩，形成了正常的恒星，进入了主序星阶段。主序星阶段占恒星一生寿命的90%，是恒星最稳定的阶段，类似于人类的中年时期。红巨星（10M太以下）中小恒星随着核聚变的进行，恒星中心的氦核越来越大，氦核周围的氢越来越少，当氦核质量占到恒星质量的12%时，恒星结构出现重大变化，氦核会坍缩并升温。氦核收缩，而恒星外层膨胀，体积急剧增大，表面温度降低。当中心温度达到摄氏一千万度时，将引发又一轮的核聚变。氦原子核聚变成碳和氧原子核。聚变发生后产生的辐射压将使恒星暂时停止坍缩，处于暂时的平稳状态。这时的恒星叫做“红巨星”。心圆结构。这就是规则变星，这类星常称造父变星。造父星是仙王星座中的一颗变星。激变变星，如新星或超新星，是由于强烈的能量释放，其亮度突然会增加数千倍。脉冲变星大多为红巨星，这种星有规则地膨胀或收缩时，其亮度也会随之改变。变星在红巨星阶段后期，引力与排斥力开始不稳定，恒星便开始一鼓一缩的脉动，红巨星稀薄的包层向外以星风的形式逃逸，形成同超巨星（10M太以上）恒星的质量超过太阳的十倍以上，在经历氦燃烧的阶段后，由于它的星核质量大，所以它的温度和压力也更大，因此将转入又一轮的聚变反应中：由碳聚变成氖和镁。然后又是硅和硫。恒星像一个巨大的洋葱头那样一层层地进行着热核反应，直至核心温度达到约摄氏二十八亿度，硅聚变成最终产物——铁。超新星恒星中心很快发生坍缩，在几秒钟内体积缩小一百倍，密度达到每立方厘米十克。这时电子和中子被压缩得非常紧密，以致相互结合形成中子和中微子。同时，恒星的外层因失去了支撑而快速向内塌落，高速撞击到中央的核上，并转换成巨大的动能以冲击波的形式向外传播，把恒星内的致密物质抛出。中微子也缓慢地向外扩散，逸出恒星的外层。这就是我们称之为“超新星爆发”的极其壮观的天文现象。其能量极其巨大，所发出的光比一个由几十亿颗恒星组成的星座所发出的光还要亮。爆发过程中产生了各种元素。恒星的归宿大于0.2倍、小于8倍太阳质量的中小恒星，相对较平稳地抛出物质，形成行星状星云，中央残核留有一颗致密天体——白矮星。大于8倍太阳质量的恒星。爆发后剩余质量大于1.44倍太阳质量（即钱德拉赛卡极限），演化到后期要发生塌缩或大爆发，成为超新星，抛出大量物质，中心留下一个中子星。大于50倍太阳质量的恒星，爆发后剩余质量将大于2.4倍太阳质量，这样将变成黑洞。（钱德拉赛卡、强德拉赛卡、昌德拉赛卡）多姿多彩的行星状星云是中小质量恒星晚期演化的产物，是太空中最美丽的天体苍蝇座行星状星云。奇特的形状又好像一个沙漏，又称为沙漏星云，在其中心有一颗白矮星。猫眼石星云（NGC6543）,从它的中心星向外，包围着好几层气体壳。白矮星质量小于太阳八倍的恒星，在临终阶段将向外层空间抛射物质，形成一个“行星状星云”，而其星核再次坍缩。等到这个垂死的恒星将它的外壳全部抛出后，它的核就裸露出来了。这个核是炽热的，温度约为摄氏两万五千度，但体积却特别小，我们称之为“白矮星”。当其热能消耗完后，成为不发光的“黑矮星”。哈勃拍摄的行星状星云NGC7027向我们提供了一个类似太阳的恒星崩溃时的详细资料:暗蓝色的外围星云气体,巨大的网络状结构横亘内部的红色尘埃中,显著的中心白点,灼热的中央白矮星.星云的这些显著结构详细表达了恒星临死时的活动。恒星末日哈勃拍摄的行星状星云NGC7027这张照片是哈勃广角行星镜头拍摄的可见光波段和红外波段的合成图像.NGC7027距离我们3000光年,位于天鹅座。超新星大于8倍太阳质量的恒星，演化到后期就会发生剧烈的爆炸，产生超新星。大量物体抛出成为星际物质后，中心致密部分露出，成为中子星，待热能消耗完后，变成黑矮星。1987年2月23日，一位加拿大天文学家在大麦哲伦星云中发现了一颗超新星，这是自1604年以来第一颗用肉眼能看到的超新星，这颗超新星被命名为“1987A”超新星爆发，形成致密的中子星和呈弥散星云状的遗迹欧南台拍摄的金牛座蟹状星云。它是中国宋史中记载的1054年出现的超新星的遗迹，1968年发现其中的一颗脉冲星。蟹状星云和它的脉冲星具有射电、光学、X射线、γ射线全波段辐射，成为天空中重要的物理实验室。超新星哈勃空间望远镜拍摄的超新星1987A的遗迹。其形态特异，3个环一个套着一个，形成一个美妙绝伦的光链，成为又一个宇宙之谜。中子星中子星是由中子组成的超密度恒星。它的直径只有10千米左右，其密度特别大，1亿吨/cm3以上。中子星是1967年在狐狸座内发现的，由于它周期性地发出脉冲，又叫脉冲星.黑洞黑洞是什么？广义相对论作出了正确的解释：黑洞是引力坍缩的结果。黑洞有一个边界，称为“视界”。任何物体包括光一旦落入视界之内，就再也