宇宙学概论2-2014打印版.

宇宙学概论朱国怀浙江大学物理系浙江近代物理中心大爆炸理论•宇宙早期的温度极高，在100亿度以上，物质密度也很大。宇宙间只有基本粒子，主要以辐射的形式存在•随着宇宙的膨胀，温度将逐渐降低，现在的宇宙辐射的温度大约为3K。物质密度也逐渐变小，各种物质结构也慢慢地出现：原子核合成，原子合成，元素的生成，恒星的形成，然后是星系的形成及其演化观测宇宙的结构太阳系-银河系-星系团太阳系的结构和组成八大行星的特征彗星流星和流星雨陨星八大行星运动特征：同向性：绕太阳公转方向都是自西向东近圆性：绕太阳公转的轨道是接近于圆的椭圆行星的轨道偏心率都小于0.1（水星和冥王星除外）共面性：公转轨道平面和黄道面非常接近只有水星和冥王星稍有偏角行星的分类类地行星：水星，金星，火星(与地球类似)距太阳近，体积和质量小，平均密度大，表面温度高，中心有铁核，金属含量较高，卫星数小巨行星：木星和土星体积和质量很大，其平均密度小主要由氢，氦，氖等物质构成卫星数目多，木星有16颗，土星有20多颗都有光环远日行星：天王星，海王星，(冥王星)距离太阳最远，表面温度低密度介于类地行星和巨行星之间表层气体以氢和甲烷为主都有卫星，天王星和海王星也有光环2006年8月24日国际天文学联合会大会:冥王星视为行星→矮行星“矮行星”：具有足够质量、呈圆球形，但不能清除其轨道附近其他物体的天体近距离水星图片美国水手10号探测器发回，1974年金星照片美国宇航局水手10号探测器1974年显示金星被浓厚的云层包围地球照片伽利略木星探测器，距地球150万英里，1990年12月11日火星全球照片美国宇航局海盗号环绕器拍摄火星表面探路者号探测器拍摄火星南极的冰盖这些冰盖至少有方圆400公里表面主要由干冰组成火卫一（Phobos），海盗号拍摄表面有一个巨大的陨石撞击坑哈勃太空望远镜拍摄的木星照片哈勃太空望远镜拍摄的土星照片有一个箭头状的风暴，风暴的大小与地球相当天王星和它的环，旅行者2号拍摄海王星(1989年8月20日)旅行者2号(Voyager2)摄肉眼只能够观测金，火，木，土，水星水星因轨道太靠近太阳并不易被观测到天王星，海王星和冥王星距离地球和太阳太远只能用望远镜才能观测到行星没有明显闪烁现象肉眼可见的行星都出现在黄道附近，其亮度一般都比恒星亮金星呈白色，木星呈青白色，火星呈红色，土星近于黄白色（行星表面物质不同）行星在天球上有相对于恒星的移动，其运动比较复杂小行星带：在火星和木星之间几十万颗小行星，质量总和为地球的万分之四小行星保留了太阳系形成初期的原始状况对研究太阳系起源有重大价值有的小行星的轨道非常接近地球图中画出了10颗这样的小行星彗星结构：彗核，彗发，彗尾彗核是含大量尘埃粒子的冰块，其表面呈黑色彗星运行到太阳附近时，彗核表面被汽化，形成彗发在太阳光压和太阳风作用下汽化物被推斥到背向太阳的方向，形成彗尾彗星的尺度：体积非常庞大，在太阳系里没有任何一个天体可以和它相比大的彗星，彗头的直径就有185万公里相当于地球直径的145倍小的彗星，彗头的直径也有13万公里是地球直径的10倍多彗尾，一般都有5000万公里到两亿公里长最长的可达3.5亿公里彗星的密度很小只是亠团极其稀薄的气体把最大的彗星压缩成同地壳密度相同的球体，它的大小只有一座小山丘那么大和地球相撞也不会有什么危险•行星际空间的尘粒和固体小块称为流星体，在掠过地球时受地球吸引进入大气层，与大气摩擦产生高温,出现明亮的闪光划破夜空,形成了流星现象天空某一区域在几小时或更长时间里流星数目显著增加，大大超过通常的偶现流星数，有时甚至象下雨一样，这种现象叫做流星雨流星雨发生时，仿佛所有的流星多是从一个点向外辐射出来的。这个点叫做流星雨的辐射点。这是一种视觉透视现象。事实上，所有的流星多是沿着平行于辐射点与观测者联线的方向下落的。大多数流星雨是以辐射点所在的星座命名，有时也用与之相关的彗星来命名大部分的流星雨都是来自当彗星在通过近日点附近时，沿着其轨道留下许多流星体形成的流星体带当地球通过流星体带附近时，大量流星体受地球引力落入大气层中，在短时间内造成流星数量激增的现象便是流星雨。所以流星雨是和彗星与地球运动和相对位置有关的周期性现象，根据大量的流星雨观测记录显示，每年固定时间从固定辐射点发出的流星雨可重复出现相当多次。•大部分流星雨都有一个「母彗星」，每当母彗星回归过后的几年内，该流星雨的数量就会较平常为多。•著名的英仙座流星群在7月27日~8月16日出现，相关彗星是以130年为周期的斯威夫特-塔特乐彗星；狮子座流星群出现在11月16日至19日，其母彗星是1866年发现的坦普尔-塔特尔彗星1866I,每隔33年会出现一次特别密集的流星雨；由比拉彗星瓦解而成的流星群在11月27日前后出现，周期为6.6年，辐射点在仙女座。•天空中时时刻刻都可能有流星出现。白天因太阳光强烈，无法看见流星，而晚上流星出现的频率，通常又以下半夜为多，其原因是由于在下半夜，地球自转时观测者所在地区运动的方向与其公转的方向相同，因此从前方迎面而来的流星体相对运动增大，单位时间内可见到较多的流星，因此凌晨较容易看见流星。流星现象通常发生于80~120km的高空，少量大而坚实的流星体穿越地球大气时来不及全部汽化，剩余的固体部分落到地面，称为陨星陨星按化学成份和矿物组成可分成3类：1）陨铁：铁占90%左右，镍占7%~9%2）陨石：其中最丰富的矿物是橄榄石3）陨铁石：铁镍和硅酸盐等矿物大致各占一半，还含有氧化镁，钠，钙，铝，锰等统计：陨石(92%)陨铁(6%)陨铁石(2%)陨星携带着大量丰富的太阳系天体形成，演化的信息，是人类最易获得的天体样品著名的美国巴林杰陨石坑，直径1240m,深170m月球上的陨石坑月球正面月球背面银河系是一个由2,000多亿颗恒星、数千个星团和星云组成的盘状恒星系统，它的直径约为100,000多光年，中心的厚度约为6,000多光年伽利略首先用望远镜观测银河1785赫歇耳用不同天区恒星计数(夜空中所有可见的恒星均属银河系)银河系中心可能是大质量黑洞太阳距银心约2.7万光年太阳系-硬币银河系-印度几条旋臂等细节不太确定太阳绕银心220km/s旋转，2.5亿年转一圈放射性元素法或最冷的白矮星温度估计银河系年龄130多亿已发现几十个可能适合生命存在的行星。银河系中估计有5亿颗这样的行星存在(生命的要素？)最常见的元素：H，C，O硅基生命？(Si和C化学性质类似)呼吸过程：SiO2固体-CO2气体酶：Si无左旋右旋化合物天文观测：有氨基酸和甲烷，无硅烷和硅酮2010.11Gamma-raybubbles１．星系的分类２．是否存在比星系尺度还大的结构？星系可分为三类：椭圆星系旋涡星系透镜星系不规则星系椭圆星系：外形呈正圆形或各种扁度的椭圆形，中心亮，边缘渐暗。约占所有星系的60%，宇宙间最大和最小的星系都是椭圆星系旋涡星系：中心有核球，外面是薄薄的圆盘。约占所有星系的20%棒旋星系透镜星系：介于前两种星系之间，没有旋涡结构，但显出一个亮核，四周有暗淡的包层不规则星系：形状不规则，一般含有较多的气体和尘埃，含年轻明亮的恒星最多，年老的恒星最少•星系又构成星系团，而一般把星系数较少，外形不规则的星系集团称为星系群•星系团所含星系的数目一般在几百到几千个，大小为几个到几十个Mpc(1pc=3.3ly)•银河系所在的星系群称为本星系群本星系群包含大约超过40个星系,其重心位于银河系和仙女座星系中的某处覆盖一块直径大约1000万光年(1023m)的区域本星系群中两个质量最大的成员是银河系与仙女座星系（M31）,这两个旋涡星系又都各自拥有一个自己的卫星星系系统由星系群和星系团构成的更高级天体统称为超星系团。一般超星系团包含几个到几十个星系团，大小为几十到几百个Mpc（1pc=3.3光年）超星系团是现在已知的最大星系集团，在尺度超过大约100Mpc时，星系的分布可以近似看成是均匀的数值模拟可见宇宙～5000Mpc•现代观测表明，宇宙在大尺度上是均匀的和各向同性的•宇宙学原理：在宇宙学尺度上，空间任一点和任一点的任一方向，在物理上是不可分辨的。宇宙中各处的观测者，观察到的物理量和物理规律是完全相同的，没有任何一个观测者是特殊的目前宇宙中的物质组份：1.重子物质占大约5%,其中可见的只有0.5%2.辐射为0.005%,主要是光子和中微子(宇宙微波背景辐射)3.暗物质23%,非重子物质,目前仍不知其具体由什么构成4.具有负压强的暗能量占主导地位,导致宇宙正加速膨胀天文学的起源•古代为什么要发展天文学？天文学的起源天文与时间、历法占星术,皇权及宗教天文与定向、航海天文学：中国、巴比伦、埃及、希腊、阿拉伯经典天文学：哥白尼，伽利略与望远镜现代天文学中国古代天文学地域特色古埃及：天狼星携日出预报尼罗河洪水古巴比伦：日月五大行星，黄道十二宫中国：农耕需要，昏旦中星观象授时，历法钦天监：为帝王探知天命天文历法，星占天文观测资料丰富连续：超新星(客星），流星雨….中国古代天文学体系的形成春秋战国雏形，秦汉完善汉武帝颁太初历，推算日月交食《史记.天官书》:统一的星座体系，星占学天文仪器：圭表，浑仪，浑象地轴的进动地球在绕着地轴自转的同时，地轴也在绕着与黄道面垂直的轴旋转，这一运动称为地轴进动。这一进动的周期约为26000年由于地轴的进动，北极星和南极星也会随时间而变化。古书记载，公元前3000年的“北极星”是天龙座a星；现在的北天极在小熊座a星附近；大约到公元14000年，织女星将登上北极星的宝座，而那时的老人星将成为南极星地轴的进动还将引起黄赤交点的移动，即春分点及所有节气点的移动中国天文学的衰落历法精度已满足社会需要天文学仪器精度已基本达到裸眼观测极限明代严禁私习天文私习天文历法者充军边远私自编撰历法者处极刑钦天监人员终身不得改行子孙后代也必须供职钦天监1475年之后改历呼声日高空有改历热情，实无改历实力今天用的农历是什么时候编撰的？谁主持编撰？汤若望清顺治钦天监监正雍正朝封为“光禄大夫”，官至一品制清代《时宪历》，即今天的农历南怀仁清康熙钦天监监副工部侍郎，正二品《康熙永年历法》：未来一两千年的历法《灵台仪象志》汤若望(JohannAdamSchallvonBell)1591－1666出生于科隆贵族家庭，1611年在罗马加入耶稣会1618年前往中国传教，1620年到达澳门学习中文1623年到北京，将伽利略的文章翻译成《远镜说》，也把欧洲开采和冶金技术的巨著《论矿冶》译成中文，取名《坤舆格致》1630年经徐光启推荐，接替刚去世的传教士邓玉函任职历局编修《崇祯历书》.为阻止清军入关,他受命制造火炮。完成测算日月食的《交食说》清军入关后投归清朝，后被封为钦天监监正。“西洋新法历书”获得颁行，为《时宪历》。深得摄政王多尔衮和顺治帝的信任，顺治十二年（1655年）受封为通政使，晋一品，封赠三代。南怀仁(FerdinandVerbiest)1623－1688,比利时人。地心说是亚里士多德首创认为宇宙是一个有限的球体，分为天地两层地球位于宇宙中心日月围绕地球运行物体总是落向地面地球之外有9个等距天层，此外空无一物各个天层自己不会动上帝推动了恒星天层恒星天层带动了所有天层的运动托勒密的地心体系由里到外的排列次序：月球天、水星天、金星天、太阳天、火星天、木星天、土星天、恒星天和原动力天托勒密（公元2世纪）本轮均轮随着对于行星运动观测资料的增多，本轮增加到了八十多个15世纪后:科学技术和航海事业的发展人们发现地心体系与实际观测并不相符哥白尼（16世纪）：30多年观测研究→死前出版《天体运行论》轨道仍是圆形，保留实体天层的概念未观测到恒星视差，实证上不比地心说优越《普鲁士天文表》预报1563年土星木星交会的计算差至一天哥白尼的日心体系隆哥蒙塔奴斯upgrade：引入地球自转第谷的地心体系废除实体天球概念引进运行轨道除恒星