天文学概论_1_绪论.

天文学概论第一讲绪论刘雄伟西华师范大学1.1天文发展简史1.2我们已知的宇宙天文学也许是最古老的科学巨石阵约建于公元前4000～2000年玛雅遗址距今约700年•古代天文学：追溯到5000余年前，包括托勒密“地心说”统治的1500年。•近代天文学：以哥白尼的“日心说”的建立为起点（16世纪中），牛顿力学和原子物理等在天文学研究中广泛应用，天文学进入到理性阶段。•现代天文学：19世纪末20世纪初，物理学发展到现代物理学阶段，天体物理学也随之发展到新的阶段。天文学发展三大阶段一，中国古代天文学二，日心说和地心说之争三，日心说的完善：开普勒和牛顿的贡献四，现代天文学和诺贝尔物理学奖1.1天文发展简史春秋战国时期（公元前770～前222年）有了比较系统的天文学观测记录；秦汉时期（公元前221～公元200年），形成了以历法和天象观测为主的体系。值得骄傲的成就：历法、观测和天象记录、天文仪器研制。有专职的天文官吏，有经费、有发展计划，有史书详细记载天文学的大事。一，中国古代天文学•创造了自己的星座（星官）划分体系：共分三垣二十八宿。我国公元705－710年间的星图有1350颗星，欧洲在1609年的星图只有1022颗。1，星座与星图太阳黑子是太阳活动最重要的现象之一。公元前140年，我国就有太阳黑子的观测记录。欧洲关于太阳黑子的记录是在公元807年，比中国晚了近千年。遗憾的是，我们没有发现太阳活动11年周期这一重要的规律。2，太阳黑子古书《书经》详细地记录了一次发生在约4千年前的夏代仲康元年的日食。到元朝末年的1368年已有650次。3，日食长沙马王堆三号墓出土的帛书绘有29幅彗星图像（战国时代记录），我国古代关于彗星的记录有500多次。中国古籍对哈雷彗星的记录多达31次。但没有发现其轨道周期75～76年（1682年发现）4，彗星自商代到17世纪末，记载的“客星”约有90颗，其中12颗是超新星。最著名的是发生在1054年的“客星”，超新星爆发。5，新星和超新星超新星1054，蟹状星云6，古代天文仪器浑仪和简仪最有名，测量天体的赤道坐标。约在公元前四世纪至公元前一世纪之间。它们都是当时世界上最先进的观天仪器，是我们中国的骄傲。最重要的成就是简仪中的赤道经纬仪，现代望远镜中应用的赤道装置的基本结构与之相同。（浑仪）北京古观象台天文仪器----中国天文落后的标志始建于1442年(明），复制了浑仪和简仪。而另外八大仪器的制造时间是从1669年到1745年，由外国传教士监制，都不是望远镜，很落后了。清代皇家的钦天监一直使用这些已经远远落后了的仪器在工作。到了民国初期还在使用，直到1929年才退休。推算太阳、月球和5大行星的视运动，预报日食和月食的发生。从黄帝到太平天国，共有102种历法。祖冲之（462年）交点月为27.21223日，现代的测量27.21222日，相差0.86秒郭守敬的授时历（1282年）：一年为365.2425日，比现行公历差26秒，与1582年颁行的《格里高利历》与《授时历》的测算完全相同，但早了300年。7，历法8,日晷赤道式日晷，晷面平行于天赤道面，这样，晷针的上端正好指向北天极，下端正好指向南天极。晷针的太阳影子有周年的变化，精确测定便可以确定一年是多少天。从春分到秋分，晷影在晷面上方；从秋分到春分，晷影在晷面下方。落下闳（前156年—前87年）改革历法张衡（78－139）漏水转浑天仪，候风地动仪祖冲之（429－500）太明历、圆周率一行（683－727）大衍历、天文大地测量沈括（1031－1095）《梦溪笔谈》，对岁差、月相、陨石的解释，观测太阳视运动郭守敬（1231－1316）简仪、授时历徐光启（1562－1633）介绍西方天文学（衰落的表现）9，著名天文学家10，没有发现重要天象规律我国是欧洲文艺复兴以前天文现象最精确的观测者和天象记录最好的保存者。从公元前28年到明代末年的1600多年当中，我国共有100多次翔实可靠的太阳黑子记录，没有发现太阳黑子活动11年周期；哈雷彗星的31次回归都在我国留下了详细的记录。但是没有发现哈雷彗星76年回归周期。中国的近现代天文为什么会落后于世界?二，日心说和地心说之争波兰天文学家哥白尼(1473－1543)日心说古希腊天文学家托勒密（90－168）地心说公元5－13世纪，基督教主张天圆地方说，禁止托勒梅的地心说。1215年，教会才确认地心说。1543年出版“天体运行论”，日心说正式问世。哥白尼弥留之际才看到自己的书。研究同样一个问题•发现行星，在恒星天中游走，水星，金星，火星，木星和土星；还有月亮和太阳。•行星视运动有顺行、逆行和停留不动的特点。太阳和月亮则始终自西向东穿行，时快时慢。如何解释？如何预报？不会出现行星逆行和留的现象，怎么办？本轮：行星绕小圆轨道运动；均轮：本轮中心围绕地球运转的大圆轨道。托勒密的“地心说”•地球位于中央静止不动，行星、月亮、太阳和恒星绕地球转转动）（直观）。•依次为地球、月球、水星、金星、太阳、火星、木星、土星和恒星天。关于行星顺行、逆行和留的解释行星运动的合成轨迹显示顺行和逆行。调整本轮和均轮的角速度和半径使合成轨迹与观测结果一致。•在当时较低的观测精度的条件下，用这一体系所作的理论推算大体上能与观测结果相吻合。•在伽利略发明望远镜之后（1609），地心说的问题逐渐显露，无法修补模型来解决。理论和观测的比对波兰天文学家哥白尼(1473-1543)提出日心說，认为太阳是宇宙的中心，而地球只不过是围绕太阳运动的一顆行星，成功解釋行星的逆行現象。哥白尼的日心说太阳为中心水星（80天）金星（9个月）地球（1年）月球绕地球（1月）火星（2年）木星（12年）土星（30年）恒星天（不动）•给出太阳系的真实图像。•相当严谨的理论，正确地描述了6个行星绕太阳的轨道运动。可定量计算，解释行星的顺行、逆行及留现象；•可以预报5大行星、太阳、月球在未来某时刻的视位置。哥白尼的日心说日心说对火星视运动的顺行、逆行、停留不动（留）现象的解释•日心说是对传统的错误观念的一场伟大的革命。导致了人类认识宇宙的一次巨大飞跃。•日心说是一声响钟，少数人的谦卑，终于唤醒了全人类的谦卑。人们终于开始认识到，宇宙是何其浩大，人是何其渺小。•奠定了近代天文学的基石，哥白尼堪称近代天文学的奠基人。哥白尼日心说的重大意义•错误之处：1，太阳是宇宙中心；2，太阳静止不动；3，行星轨道是圆形，实际上是椭圆轨道，因此无法准确预测行星视位置。•困难之处：地球绕太阳运动，一定会发生1，周年视差现象2，光行差现象但是当时的观测精度很差，测量不出。日心说遇到的困难三，日心说的完善：开普勒和牛顿的贡献开普勒（1571－1630）开普勒利用第谷的观测资料，总结出行星运动三大定律。对日心说重要支持。被誉为“天空的立法者”开普勒第一定律：所有行星皆以椭圆形轨道环绕太阳运行，而太阳则处在椭圆的一个焦点上。开普勒第二定律：假若在行星和太阳之间画一条直线，无论行星在什么位置，在同等时间之下，这条直线所扫过的面积皆会相等。行星越接近太阳，运行速度越高。开普勒第一和第二定律开普勒第三定律：行星公转周期的平方正比于轨道半长轴的立方。牛顿引力定律：万物皆会互相吸引F=GM1M2/r2G为引力常数，太小！（6.671×10－11米3千克－1秒－2）牛顿从万有引力理论出发推导出开普勒三大定律。由天体运行总结出物理规律，成为天体物理的里程碑。万有引力定律只能在研究天体运动中发现和加以证实。开普勒定律：天空立法牛顿万有引力：宇宙立法•从十九世纪中业以来，以测定天体亮度和光谱为起点的天体物理学开始蓬勃发展，并成为20世纪天文学的主流。•在20世纪初，现代物理学的发展（相对论和量子力学为代表）也使天体物理学展产生了巨大的飞跃，开始了现代天文学的进程。•20世纪开始，诺贝尔物理学奖成为最高学术成果奖，天文学因其重要的物理学内涵，连连获得这一奖项。四，现代天文学和诺贝尔物理学奖天体和宇宙是物理学的巨大实验室天文观测为物理学的基本理论提供了地球上实验室无法得到的物理现象和物理过程。在宇宙中所发生的种种物理过程比地球上所能发生的多得多。•当代科学事业最高荣誉，已有11个项目，17位天文学家荣获诺贝尔物理学奖！•新兴学科占多数：射电天文学方面共5项8人；中微子1项2人；X射线1项1人。诺贝尔物理学奖（天文）阿尔文瑞典天文学家太阳和宇宙磁流体力学获1970年诺贝尔奖赖尔英国天文学家发明综合孔径射电望远镜获1974年诺贝尔奖休伊什英国天文学家发现脉冲星证认为中子星获1974年诺贝尔奖休伊什和贝尔贝尔女士在2012北京IAU大会钱德拉塞卡美籍印度天文学家恒星演化及白矮星质量上限获1983年诺贝尔奖福勒美国天文学家恒星上元素的合成获1983年诺贝尔奖发现宇宙背景微波辐射美国天文学家彭齐亚斯（左）和威尔逊1978年诺贝尔物理学奖泰勒美国天文学家（左）赫尔斯美国天文学家利用脉冲双星间接检验了引力波辐射共获1993年诺贝尔物理学奖美国天文学家戴维斯日本天文学家小柴昌俊2002年诺贝尔物理学奖（中微子天文学）卡尔多·贾科尼美国天文学家荣获2002年诺贝尔物理学奖X射线天文学美国科学家马瑟（左）和斯穆特（右）共同荣获2006年度诺贝尔物理学（发现宇宙微波背景辐射各项异性和黑体谱）2011年诺贝尔物理学奖三位科学家通过对遥远的超新星的观测发现宇宙加速膨胀。瑞典皇家科学院称该发现“震动了宇宙学的基础”S.Perlmutter,B.P.Schmidt,A.G.Riess一，宇宙的时间简史二，宇宙的结构和尺度1.2我们已知的宇宙天文学是研究宇宙的科学。宇宙：四方上下曰宇，往古来今曰宙。——《淮南子》大爆炸、时间的起点(1940,Gamov)第一代恒星2.73K微波背景辐射暴涨Inflation(1980,Guth)past一、宇宙的时间简史宇宙演化的历史始祖鸟恐龙穴居人早期人类“亿万年之后…”—宇宙可能会成为一片虚空……夸克10-18m核子10-15m原子核10-14m原子10-10m介子介子e中微子中微子中微子u,d夸克c,s夸克t,b夸克电子(10-18m)基本粒子（三代）二、宇宙的结构和尺度L~1-2m人类地球107m太阳(Eclipse)corona109mMSun≈2x1030kg≈1057(protons+neutrons)nucleons*太阳系1992年发现离我们最近的恒星L~31016m~4.3lyTL~1108s~2.7105AULCentauriProxima(半人马座)比邻星星团103~106stars银河系我们在此8.6kpc~2.8x104ly1023mThousandsofGalaxies星系团(Hercules)宇宙大尺度结构均匀，有限无边FromWMAPHomepage不同的空间拓扑结构空间尺度最遥远星系银河系邻近恒星太阳地球人类细胞原子质子、中子夸克Plank尺度1026m10-18m10-10m100m1010m1020m10-35m存在结构奇异星中子星思考和复习1，为什么中国没有发现重要的天文规律？2，简述托勒密的地心说，为什么这一错误的学说能统治1500年之久？3，简述哥白尼日心说的要点及伟大意义。4，什么是开普勒三大定律？它们有什么重要性？5，人类有限的文明怎么能探索无限的宇宙？