天文学基础知识

天文学基础知识1．什么是宇宙？宇宙是天地万物，是广漠空间和其中存在的各种天体以及弥漫物质的总称。辨证唯物主义哲学认为，世界的本质是物质的，物质可以转换不同的存在形式，但在本质上是永久存在，永久不灭的。宇宙是普遍永恒的物质世界，在空间和时间上都是无限的。从空间看宇宙是无边无际，它没有边界，没有形状，也没有中心，如果承认宇宙以外还有什么东西，就否认了世界的物质本性；从时间看宇宙无始无终，它没有起源，没有年龄，也不会终结，如果承认宇宙有起源，就会导致创世说，实际上也否认了世界的物质本性。但具体事物的有限性也不能否认。宇宙的无限与具体事物的有限并不矛盾，因为只有无数具体的有限才能构成全部的无限。人类观察到的宇宙是动态的，随着科学技术的进步，人类所知的宇宙在不断扩大。18世纪以前人类认识宇宙的范围只限于太阳系，随后认识到太阳系以外还有千亿个恒星，它们组成了银河系。19世纪人类又发现了河外星系，发现银河系在宇宙大家庭中只不过是相当渺小的一员。20世纪50年代的光学望远镜、60年代的射电天文望远镜把人类对宇宙的探测距离猛增，人类可以永远扩大自己对物质世界的观察视野，不会停留于某一固定的边界上，这有力证明宇宙是无限的。天文学上通常将天文观测所及的整个时空范围称为“可观测宇宙”，有时又叫“我们的宇宙”，或简称“宇宙”。现代科学的基本观念之一，就是可观测宇宙也像其他事物一样，有它诞生发展的历史。据现代宇宙学说估算，宇宙年龄是极其漫长的，约为150亿岁；可观测的全部宇宙空间是极为庞大的，已观测到的最远的星系距离我们大约150亿光年。宇宙既有统一性又有多样性。宇宙的统一性在于它的物质性，宇宙的多样性在于物质的表现形式千差万别，组成宇宙的物质在存在状态、质量和性质上有着极大的差异。宇宙是由各类天体和弥漫物质组成的。宇宙中有形形色色的天体，恒星、星云、行星、卫星、彗星、流星等天体都是宇宙物质的存在形式。2．什么是恒星和星云？宇宙中最主要的天体是恒星和星云，因为它们拥有巨大的质量。恒星是由炽热气态物质组成，能自行发热发光的球形或接近球形的天体。恒星是像太阳一样本身能发光的星球，晴夜用肉眼看到的许多闪闪发光的星星中，绝大多数是恒星。星云是由极其稀薄的气体和尘埃组成的，形状很不规则，似云雾状的天体。3．什么是星系？由无数恒星和星际物质构成的巨大集合体称为星系。它们的尺度可以从几千到几十万光年。星系或称恒星系，是宇宙系统中的重要一环。星系数量众多。到目前为止，人们已在宇宙中观测到了约1000亿个星系。地球就处在由1000多亿颗恒星以及银河星云组成银河系中。有的星系离银河系较近，可以清楚地观测到它们的结构。离银河系最近的星系——大麦哲伦星云和小麦哲伦星云，距离为十几万光年。有的非常遥远，目前所知最远的星系离我们有近150亿光年。人们把目前所认识到的宇宙部分，包括已观测到的所有星系，称为总星系。4．人类宇宙观的演变过程。人类早期对宇宙的认识十分幼稚，世界上的各文明古国都有关于天地起源和结构的种种传说，充满着想象。古代关于宇宙的构造和本原也有过许多学说，最主要是亚里士多德——托勒密的地心说，认为地球是宇宙的中心，这一学说占统治地位的时间长达1400年之久。近代人类对宇宙认识的转变始于16世纪，哥白尼倡导了日心说，他在《天体运行论》一书中提出“太阳是宇宙的中心”。发明了天文望远镜，他的观察和发现支持了日心说。到17世纪，牛顿开辟了以力学方法研究宇宙学的途径，建立了经典宇宙学。20世纪爱因斯坦创立了广义相对论，提出了“有限、无边、静态”的相对论宇宙模型。20世纪以来，天文观测的尺度大大扩展，达到上百亿年和上百亿光年的时空区域，宇宙膨胀的动态宇宙演化观念进入了人类的意识。20年代，首先由前苏联物理学家和数学家弗里德曼提出了均匀各向同性膨胀的动态宇宙模型。特别是哈勃，发现了红移定律后，到40年代形成了伽莫夫的宇宙大爆炸理论，促成了现代宇宙学的诞生。20世纪70年代，霍金进一步用广义相对论推演宇宙演变，提出了宇宙起源和终结的论断，已经被科学界广泛接受。5．什么是现代宇宙学？现代宇宙学所研究的就是现今直接或间接观测所及的整个天区的大尺度时空的性质、物质运动的形态和规律。6．关于大爆炸理论“宇宙大爆炸理论”是现代宇宙学中最著名、也是影响最大的一种学说，它是到目前为止关于宇宙起源最科学的一种解释。大爆炸理论的主要观点是认为整个宇宙最初聚集在一个“原始原子”中，然后突然发生大爆炸，使物质密度和整体温度发生极大的变化，宇宙从密到稀、从热到冷、不断膨胀，形成了我们的宇宙。最初那次无与伦比的爆发就被称为大爆炸，这一关于宇宙起源的理论则被称为宇宙大爆炸理论。宇宙大爆炸的设想最早由比利时天文学家勒梅特在1932年提出的。到20世纪40年代，美籍俄国天体物理学家伽莫夫提出了热大爆炸宇宙学模型，并计算出爆炸之初的温度、温度下降的快慢等，论述了演化过程。大爆炸理论在诞生之初由于缺少证据并不使人信服，但到20世纪60年代以后，越来越多的证据表明大爆炸模型在科学上有强大的说服力，特别是英国著名理论物理学家斯蒂芬·霍金对于宇宙起源后最初的宇宙演化图景作了清晰的阐释。7．宇宙的演化过程分为哪几个阶段？根据大爆炸宇宙学模型的观点，宇宙150亿年的演化过程分为三个阶段。大爆炸的整个过程大致是这样的：大约150亿年前，宇宙内的所存物质和能量都聚集到了一起，并浓缩成很小的体积，温度极高，密度极大。突然，这个体积无限小的点在四大皆空的“无”中爆炸了，时空从这一刻开始，物质和能量也由此产生，这就是宇宙创生的大爆炸。人们将大爆炸的瞬间定作宇宙年龄“零”时。第一个阶段是宇宙的极早期。宇宙处在这个阶段的时间特别短，短到以秒来计，称为“太初第一秒”。刚刚诞生的宇宙是极其炽热、致密的，随着宇宙迅速膨胀，温度急速下降。宇宙年龄为百分之一秒时，温度降到1000亿摄氏度；宇宙年龄为1秒时，温度继续下降，但仍高达100亿摄氏度以上，宇宙处于一种极高温、高密的状态，当时除氢核——质子外，没有任何别的化学元素，只有由质子、中子、电子、光子等基本粒子混合而成，成为热平衡状态下的“宇宙汤”。第二个阶段是化学元素形成阶段，大约经历了数千年。在“宇宙汤”中，原先只有中子和质子等基本粒子，在3分钟时中子和质子之比为1：6。随着整个宇宙体系不断膨胀，温度很快下降。当温度降到10亿度左右时，中子开始失去自由存在的条件，化学元素从这一时期开始形成。中子和质子开始核聚变过程，所有的中子迅速合成到由两个质子和两个中子构成的氦核中，余下的质子就成了氢原子核。这一时期还合成了其它轻元素，如氘、氚、锂、铍、硼等，数量较少。各种轻元素的丰度——即与氢的比例在宇宙各处都是一定的。当温度进一步下降到100万摄氏度时，早期形成化学元素的过程就结束了。此时宇宙间的物质主要是这些比较轻的原子核和质子、电子、光子等，光辐射很强，但是没有星体存在。第三个阶段是宇宙形成的主体阶段。这个阶段的时间最长，至今我们仍生活在这一阶段中。这一阶段起始于温度降到几千摄氏度时，此时上述各种原子核开始与电子结合为中性原子，这一过程称为复合。由于温度的降低，辐射也逐步减弱，宇宙间主要是气态物质，这些物质的微粒相互吸引、融合，形成越来越大的团块。又过了几十亿年，中性原子在引力作用下逐渐聚集，先后形成了各级天体。气体逐渐凝聚成星云，并逐渐演化成星系、恒星和行星，再进一步形成各种各样的恒星体系，成为我们今天所看到的五彩缤纷的星空世界。在个别天体上还出现了生命现象，人类也终于在地球上诞生了。8．支持大爆炸理论的依据有哪些？宇宙大爆炸理论之所以能从刚提出的时候不受关注，到后来的异军突起，是因为大爆炸理论有实际依据，在它诞生前后不断得到了大量天文观测事实的支持。观测宇宙学已经发现，在目前观测所及的范围内存在着许多重要的系统性特征，例如：星系红移、微波背景辐射、宇宙元素的丰度、宇宙的年龄等，这些观测事实都可以用大爆炸模型来论证：1〕星系红移天文学家观测到河外天体有系统性的谱线红移，用多普勒效应解释，红移就是宇宙膨胀的反映，这完全符合大爆炸理论。1929年，哈勃发现不同距离的星系发出的光，颜色上稍稍有些差别。远星系的光要比近星系红一些，即波长要长一些，它说明各星系正以很高的速度彼此飞离。这一现象可以用火车远离我们行驶时汽笛的声调（即频率）所发生的变化来比拟：当一列火车快速驶远时，它的汽笛声听来会沉闷很多，因为声波相对于我们的频率变低、波长变长了，这就是多普勒效应。把声波换成光产生的效果就是红移，它被解释为是由星系系统地向远离我们的方向运动时的多普勒效应产主的，可见星系都在做远离我们的运动。哈勃总结出谱线红移的规律是：越远的星系它的光谱线红移量就越大，因而远离我们而去的速度就越大，也就是说，对遥远星系，红移量与星系离我们的距离成正比，这红移叫宇宙学红移，或称为“哈勃红移”，这就是著名的哈勃定律。此后，在红外及整个电磁波波段都观测到了这个规律。哈勃对众多星系的光谱进行研究后确认红移是一种普遍现象，这表明宇宙正在膨胀。这一发现奠定了现代宇宙学的基础。河外星系普遍远离我们而去，是因为宇宙正处在宏伟的整体膨胀之中。把宇宙中的星系想象成面包中的葡萄干，有助于理解它们随宇宙膨胀而彼此远离的图景：当一只嵌有许多葡萄干的巨大的面包膨胀时，其中的葡萄干就会随之彼此远离，其中每一颗葡萄干都会发现其它所有的葡萄干都在离开自己。相距越远的葡萄干彼此分离的相对速度也越大。在任何一个星系上，都会看到同样的情景。此外由于万有引力的作用，宇宙膨胀的速度会随时间发生变化。万有引力作用于宇宙中一切物质与能量之间，起到刹车的作用，阻止星系往外跑，从而使膨胀速度越来越慢。在诞生初期，宇宙从高密度状态迅速膨胀，随着时间的推移，体积越来越大，膨胀速度则越来越小。将这个过程向回追溯到宇宙创生的那一刻，可以发现当时宇宙体积为零，而膨胀速度为无限大。这就是大爆炸。宇宙整体膨胀的发现，乃是20世纪最大的科学成就之一。如今人们不断探测到更多更远的星系，但哈勃定律对它们依然成立。这个模型就叫做宇宙膨胀模型或大爆炸模型。2〕微波背景辐射微波背景辐射是150亿年前发生的大爆炸在今天的宇宙结构上留下的印迹。根据大爆炸理论，通过宇宙膨胀速度等可以具体计算宇宙每一历史时期的温度，伽莫夫等人在1948年就断言，我们的宇宙从最初的高温状态膨胀到现在已经很冷了，目前宇宙中应到处存在着一定温度的背景辐射，相应的温度大约是5K。由于它的辐射峰值在微波波段，故称为宇宙微波背景辐射。1964年，原初宇宙这一最重要的遗迹被发现了。美国贝尔电话公司工程师彭齐亚斯和威尔逊在调试巨大的喇叭形天线时，出乎意料地收到一种无线电干扰噪声，这种噪声在天空中的任何方向上都能接收到，各个方向上信号的强度都一样，而且历时数月而无变化。这种噪声的波长在微波波段，这一发现正是大爆炸宇宙论预言的宇宙微波背景辐射，经过进一步测量和计算，得出辐射温度是2．7K，一般称之为3K宇宙微波背景辐射。1989年，美国航空和航天局专门发射了宇宙背景探测器卫星，对宇宙背景辐射进行更精密的测量。宇宙微波背景辐射的发现，是继1929年哈勃发现星系谱线红移之后的又一重大的天文成就，因此它被列为20世纪60年代天文学四大发现之一。微波背景辐射的发现有力地支持了宇宙大爆炸理论。3〕宇宙元素的丰度大爆炸模型预言宇宙应当由大约25％的氦和75％的氢组成，这与天文测量结果极为符合。在宇宙中，氢和氦是最丰富的元素，二者丰度之和约占99％。而且氢和氦的丰度比在许多不同的天体上均约为三比一左右。按标准宇宙模型，在热平衡的“宇宙汤”阶段，中子与质子的数量相等。随着宇宙的膨胀，宇宙变冷，二者比例降低。中子和质子很容易聚合在一起，开始了形成氦核的核反应，产生由两个质子、两个中子组成的氦核。这个过程用完了所有的中子，形成的氦约占宇宙物质总质量的四分之一，余下的质子就成了氢原子核，即氦同氢的质量分别占25％和75％。这也说明元素形成时其它元素的份量很少，宇宙中几乎全是氢和氦。从太阳系、其它恒星、星际介质、不同星系以及宇宙射线观测和研究中获得的数据表明，宇宙