南京大学 地球科学系统概论 02宇宙起源

习题二1.大爆炸理论是根据哪些证据来建立的？2.如何用H-R图来推测太阳的命运?3.如何用大爆炸理论解释宇宙中的元素分布?4.如何用冷凝模型来解释太阳系中行星的分布和结构?参考书1.《从宇宙大爆炸谈起——元素的起源与合成》1998，柴之芳，湖南教育出版社。2.《时间简史》2001，[英]史蒂芬·霍金，湖南科技出版社。3.《陨石、行星、太阳系》1989，[法]C.J.阿莱格尔，地质出版社。1我们的宇宙图象2恒星的形成和演化3太阳系的起源与演化4宇宙化学的演化史我们的宇宙图象宇宙观之发展观测与解释哈勃红移大爆炸理论地球的起源与形成方式，它在宇宙中的位置及其为人类生存提供的条件等，都是整个人类过去和现在经常提出的问题。人类接触这些问题和将之作为学识加以信奉，会因社会的变化不尽相同，但这一切构成了每一段文明时期的文化、哲学和玄学的基础之一。地球的起源、结构、历史和演变当然是一门科学，当它反映的意义及其深度和广度却远远超出其本身。【1.我们的宇宙图象】我们通过对地球上和地球外岩石的原子和原子核的研究，与及先进的观测技术，揭示了地球的年龄、成因、演变和历史：地球的历史是连续的，它从大爆炸开始，一直延续到人类的出现。【1.我们的宇宙图象】宇宙观之发展中文的宇宙战国鲁人尸佼：四方上下为宇，古往今来为宙。伟大的庄子无生有,有生一，一生万，万生一切。用黑格尔抽象法苹果…物质…存在…有和无。从地心说到日心说亚里斯多德–托勒密哥白尼第谷–开普勒牛顿【1.我们的宇宙图象】月食，北极星位置托勒密(Ptolemy，公元90～168)地心说体系哥白尼（Copernicus，1473～1543）和日心说体系观察与解释——从开普勒到牛顿第谷（TychoBrahe，1546～1601)终身进行天文观测，编制了恒星表，发现理论计算和实际观测的偏差。开普勒（JohannsKepler，1571～1630)在第谷的大量实际观测资料基础,得出了行星运动三大定理。“8秒的差异引起天文学的全部革新”。牛顿(IssacNewton，1642～1727)用数学解释哥白尼体系，提出万有引力定律，解释了行星运动的原理和动力来源，但留下“第一推动”的困惑。【1.我们的宇宙图象】大爆炸理论根据大爆炸的观点，现在分布在广袤的宇宙空间里的物质是在大爆炸后最初的几千分之几秒中合成的。在宇宙开始的最早阶段，温度极高，只有过热的等离子体，原子是不存在的，因为热噪声阻止电子与原子核结合。【1.我们的宇宙图象】随后，当等离子体冷却后，电子便开始围绕原子核旋转并出现原子气体。这时，星系在等离子体中凝结起来，星球则在星系中凝结起来。随着进一步的冷却，各种原子形成分子。再进一步的冷却又形成了复杂的分子，使物质从气态转变成液态，然后进一步转变成我们所熟悉的固态结晶体。【1.我们的宇宙图象】根据主流理论，今天的宇宙大约有150亿年历史（尽管也可能只有80亿年到70亿年），它的平均温度小于2.7k，背景密度为10-30g/cm3。我们的太阳是我们银河系中2000多亿个星星中的一个，是这个宇宙中1022个星星中的一个。而我们的银河系又是许多星系中的一个，在银河系之外大约有1000多亿个这样的星系，其中有些大得惊人。【1.我们的宇宙图象】就我们所知，今天的宇宙就是这样的。但是明天它将会怎样……在很远的将来又会怎样呢？对这个问题可以有各种不同的回答。宇宙可能是开放的（宇宙空间在无限地膨胀）；也可能是封闭的（在最后一次大毁灭中收缩）；或者可能处于某种稳定的状态。在膨胀和收缩的边缘上处于平衡。如果它是扁平的，它将达到某种稳定的状态，向外拉的最初爆炸的惯性力正好被向内拉的万有引力所平衡，它将永远停留在这种状态下。【1.我们的宇宙图象】因此，一个扁平的宇宙尽管在空间上是有限的（它有一个空间的边界，越过这个边界就不会膨胀），但是时间上是无限的。不过如果宇宙是开放的，膨胀的力将使星系物质在空间中越来越分散；开放宇宙在空间和时间上都是无限的。但是，如果万有引力超过膨胀力，那么宇宙就是封闭的，因而它将停止膨胀（也许在大爆炸后1万亿年左右），然后以更大的速度开始收缩。它将在大约2万亿年的时间范围内的大毁灭中坍缩到原来的样子。因此，封闭的宇宙在空间和时间上都是有限的。【1.我们的宇宙图象】现在我们还不知道宇宙是开放的、封闭的，还是扁平的，这取决于宇宙空间究竟有多少物质。物质密度＞5×1027kg/cm3封闭的宇宙；物质密度＝5×1027kg/cm3扁平的宇宙；物质密度＜5×1027kg/cm3开放的宇宙。【1.我们的宇宙图象】但是就物质和生命的最终命运而言，这种不同并无重大意义。无论如何，宇宙进化的建构阶段不可能无限地延续下去；宇宙的进化迟早必定会逆转到退化。这种逆转将在不同的地方和不同的时间来到，但一旦开始，它就是不可逆转的，宇宙中的所有物质最终都将退化并消失。【1.我们的宇宙图象】宇宙的宏观结构（恒星，恒星系，银河系和星云）也将同样衰亡。宇宙衰亡的过程从本质上说可以表述如下：从现在开始的大约1万亿年里不再有恒星形成。现存的恒星已经把它们的氢变成氦，它是超密的但仍然发光的白矮星状态的主要燃料。后来氦也耗尽了，星系变成了红色。当它们的恒星进一步冷却，星系就逐渐变得完全看不见了。【1.我们的宇宙图象】当恒星在星系中通过引力辐射失去能量时，它们便相互靠近，它们之间的碰撞机会大大增加，碰撞的发生突然把一些恒星推向星系中心并把其它恒星推向星系外的空间。结果，星系本身的体积缩小了。星云也在缩小。最后星系和星云向内爆炸而成为黑洞。【1.我们的宇宙图象】大爆炸宇宙学不同于大多数历史概念，因为它强调，在大爆炸之前和大毁灭之后（或者说在最后一些星云大小的黑洞蒸发掉之后）是什么是未知，而且在本质上是不可知的。“不要问那个”，宇宙学家说，“这个问题毫无意义”。流行的宇宙学能够回答许多有关自然宇宙的本质和命运的问题，但是不能回答所有的问题。然而，它的限度可能是武断的：大爆炸理论本身并不是最终的答案。这种理论本身不仅不能圆满解答某些重大问题，而且不能圆满解答许多观察上的问题。【1.我们的宇宙图象】恒星的形成和演化恒星主序星红巨星中子星黑洞恒星诞生的过程猎户座鹰状星云在鹰状星云的中心部分新的恒星正在诞生，这些巨大的柱状体高达1光年。银河系从核化学到天文学（H-R图）恒星的演化也遵循能量守恒定律，它们有生有没，其诞生和消亡是很壮观的。太阳系的起源与演化原始星云太阳行星提丢斯–波德法则金凤花理论原始的星云20世纪70年代，人们根据空间探测所获得的有关行星和陨石所有特征，建立“原始太阳星云凝聚论”。原始太阳呈一团中央呈隆起的圆盘状星云，它不停自转。星云团由炽热气体组成，其化学成分大致接近今天的太阳。【3.太阳系的起源与演化】圆盘状星云的中心到边缘有一很大热梯度。星云由于发光而损失能量冷却，达到冷凝程度则形成固体颗粒，进一步聚集形成星子。温度下降，一系列固体顺序相继产生。【3.太阳系的起源与演化】太阳家族主要成员的体积提丢斯–波德法则与行星发现an+1/an=c～1.7相邻行星轨道的半径比是一个常数行星水星金星地球火星小行星木星土星天王星海王星冥王星n12345678910观测值.387.7231,001.522.75.29.5219.230.239.2计算值.4.71.01.62.85.21019.638.877.2【3.太阳系的起源与演化】各个行星的地质历史示意图1.小行星的撞击：金星诞生之后，仍不断地与小行星发生碰撞，由于这种撞击，金星表面变热。其后，水蒸气或一氧化碳蒸发，以气体形式停留在金星的表面。2.原始的大气层：挥发性物质不断蒸发，形成了由水蒸气和一氧化碳组成的大气层。金星表面温度增高，形成了岩浆海。3.海的形成：小行星的碰撞停止，大气层和金星表面都冷却了，在岩浆海上形成了岩石圈（岩石外壳），水蒸气以雨水的形式降落在地表，形成了海洋。金星：它原本可以和地球一样，然而令人难以置信的温室效应把它变成了一颗炽热的星球4.海的消失：太阳的亮度增加，温度又一次升高，海洋蒸发，水蒸气被太阳光中的紫外线分解为氧和氢。氢逃逸到大气层之外。5.沸腾的表面：厚厚的二氧化碳大气层造成了温室效应，使金星表面过热，火山活动增加，形成了密实的硫酸云。6.火山熔岩喷发：猛烈的火山活动地继续，岩浆从外壳中涌出，大量分布在金星表面，喷发的熔岩填平了环形山。7.如今的金星：由岩浆填平的地方冷却凝固，在其上面形成新的环形山，金星就这样变成了如今的模样。【3.太阳系的起源与演化】【3.太阳系的起源与演化】【3.太阳系的起源与演化】【3.太阳系的起源与演化】火星表面的流水地貌【3.太阳系的起源与演化】金凤花理论Goldilockparadox金星太热，火星太冷，地球刚好适合生命。【3.太阳系的起源与演化】太阳结构图太阳的命运这就是弥留之际的太阳，上图是当热核能量不再能平衡引力时，太阳变成了一个巨大的红色火球，吞噬了火星、金星，还有我们的地球。下图为下一个阶段，太阳再一次缺少热核反应的能量，紧缩为一个密度极高的白矮星。这就是我们和太阳光线永别的时刻。宇宙化学的演化史元素的起源和丰度从核化学到天文学宇宙化学演化史宇宙中有近100种化学元素，实际上只有其中的10种（氢，氮，氧，硅，铁，镁，碳，钠，钾，磷）起重要作用；这些元素的各种各样的组合构成了大大小小的分子，晶体……，构成了整个宇宙化学基础的化合物。这些化合物的种类决定了它们的化合方式和结构，而不是组成化合物的化学元素；化学元素天然丰度与根据化学元素原子序数实测丰度的关系曲线是研究自然物质和解释地球起源的出发点。【4.宇宙化学的演化史】元素是大爆炸的产物氢燃烧—星际核合成1000万度氦燃烧—通往重元素的桥梁1亿度恒星离开主序星，移向红巨星区（或白矮星区）4He+4He→12Be4He+4He→12C+γ碳燃烧和氢燃烧—合成从氖到硫的元素8亿度12C+12C→23Na+p12C+12C→24Mg+γ12C+12C→16O+2α硅燃烧—合成从钙到锌的元素30亿度28硅+γ→74He28硅+74He→56Ni+γ硅燃烧发生在大质量恒星演化的晚期，内部结构呈洋葱状。硅燃烧完成后，恒星坍缩，演化为中子星和黑洞。碳燃烧反应只能在大质量行星中发生，对于内核质量小于钱德拉塞卡极限的恒星演化成白矮星。【4.宇宙化学的演化史】普通恒星演化时发生的核反应种类与其质量关系质量发生的核反应0.08个太阳不发生0.3个太阳氢燃烧0.7个太阳氢、氦燃烧5.0个太阳氢、氦、碳燃烧10个太阳发生所有的反应【4.宇宙化学的演化史】一个典型的大质量恒星在硅燃烧完成后的洋葱状结构现代冶金术——元素周期表的扩充门捷列夫周期表和对地球化学元素的分类根据“沉淀”假说的地球及其在吸积后的原始大气的结构物质分异示意图习题二1.大爆炸理论是根据哪些证据来建立的？2.如何用H-R图来推测太阳的命运?3.如何用大爆炸理论解释宇宙中的元素分布?4.如何用冷凝模型来解释太阳系中行星的分布和结构?参考书1.《从宇宙大爆炸谈起——元素的起源与合成》1998，柴之芳，湖南教育出版社。2.《时间简史》2001，[英]史蒂芬·霍金，湖南科技出版社。3.《陨石、行星、太阳系》1989，[法]C.J.阿莱格尔，地质出版社。