第三节-现代天文学

第三节大科学时代——现代天文学•现代天文学的发展•天文观测的新发现•宇宙起源与演化学说宇观世界探索宇宙大爆炸学说霍金的量子宇宙论人类宇宙观的历史演变：早期——宇宙图景——地心说哥白尼——日心说康德-拉普拉斯——星云假说牛顿——无限宇宙理论模型爱因斯坦——静态有限无界宇宙模型弗里德曼——膨胀与缩小交替进行哈勃——发现河外星系——星系退行勒梅特——膨胀宇宙模型一、现代天文学发展的基础•一方面是原子物理学、原子核物理学、等离子体物理学、高能物理学、相对论引力物理学的建立和发展，为现代天文学提供了强有力的理论工具；•另一方面是各种新型观测仪器的出现，特别是射电望远镜的诞生和大气外空间探测器的研制，为现代天文学提供了先进的技术手段。新学科的诞生•射电天文学•空间天文学•高能天体物理学•等离子天体物理学•相对论天体物理学人类认识宇宙的三大观测手段目前，天文学的观测手段可以归纳为三种：光学望远镜、射电望远镜和空间望远镜。•光学望远镜所采集的资料主要是恒星发出的光，宇宙中发光的主要是恒星。目前，地面最先进的光学望远镜其观测能力在许多方面超过了哈勃空间望远镜。•射电望远镜所采集的资料是来自宇宙的无线电波——射电，它向人类展示了不是用光所显现的宇宙的另一面。四大发现：类星体、脉冲星、微波背景辐射、星际分子。射电望远镜的观测能力在许多方面远远超过光学望远镜。•空间望远镜是通过将探测设备送入太空，从对红外线、紫外线、X射线和r射线的探测中，获取宇宙天体的信息。二、天文观测的新发现上世纪60年代的四大发现：•类星体•脉冲星•星际分子•微波背景辐射类星体•类星体是类似恒星天体的简称，又称为似星体、魁霎（Sha）或类星射电源。类星体是迄今为止人类所观测到的最遥远的天体，距离地球至少100亿光年。类星体是一种在极其遥远距离外观测到的高光度和强射电的天体。类星体比星系小很多，但是释放的能量却是星系的千倍以上，类星体的超常亮度使其光能在100亿光年以外的距离处被观测到。据推测，在100亿年前，类星体比现在数量更多，光度更大。类星体的显著特点是具有很大的红移，表示它正以飞快的速度在向我们远离。类星体离我们很远，天文学家能看到类星体，是因为它们以光、无线电波或x射线的形式发射出巨大的能量。脉冲星•脉冲星，又称波霎，是中子星的一种，为会周期性发射脉冲信号的星体。1967年10月，剑桥大学卡文迪许实验室的安东尼·休伊什教授的研究生——24岁的乔丝琳·贝尔检测射电望远镜收到的信号时无意中发现了一些有规律的脉冲信号，它们的周期十分稳定，为1.337秒。起初她一颗年轻脉冲星以为这是外星人“小绿人（LGM）”发来的信号，但在接下来不到半年的时间里，又陆陆续续发现了数个这样的脉冲信号。后来人们确认这是一类新的天体，并把它命名为脉冲星。脉冲星有个奇异的特性——短而稳的脉冲周期。所谓脉冲就是像人的脉搏一样，一下一下出现短促的无线电讯号.星际分子•存在于星际空间的有机分子和无机分子。•星际物质中90%以上是气体，其余是尘埃微粒，温度通常在零下200摄氏度以下，用光学望远镜根本观测不到。1944年，荷兰天文学家范德胡斯特根据相关理论推断星际氢原子会发射波长21厘米的电磁波。1951年，用射电望远镜果然探测到了这种辐射。•1957年，美国物理学家汤斯指出了宇宙空间可能存在的17种星际分子，并提出探测到它们的方法。随后，科学家们1963年在仙后座探测到了羟基（OH），1968年在银河系中心区探测到了氨（NH3）和水，1969年发现了甲醛（HCHO）。到1991年，科学家已经陆续发现了超过100种星际分子。微波背景辐射•宇宙背景辐射是来自宇宙空间背景上的各向同性的微波辐射，也称为微波背景辐射。二十世纪六十年代初，美国科学家彭齐亚斯和R.W.威尔逊为了改进卫星通讯，建立了高灵敏度的号角式接收天线系统。1964年，他们用它测量银晕气体射电强度。为了降低噪音，他们甚至清除了天线上的鸟粪，但依然有消除不掉的背景噪声。他们认为，这些来自宇宙的波长为7.35厘米的微波噪声相当于3.5K。1965年，他们又订正为3K(特征和绝对温标2.725K的黑体辐射相同)，并将这一发现公诸于世，为此获1978年诺贝尔物理学奖金。三、宇宙起源与演化学说•17世纪牛顿开创用力学方法研究宇宙学的途径，建立经典宇宙学。•1917年爱因斯坦根据广义相对论建立了一个“静止、有限、无界”的宇宙模型，引进宇宙学原理、弯曲时空等概念，从而开创了现代宇宙学研究的时代•1922年苏联数学家弗里德曼探讨非静态宇宙及宇宙膨胀的可能性。•1927年比利时主教、天文学家勒梅特提出均匀各向同性膨胀宇宙学模型。•1932年勒梅特提出“原始原子”爆炸形成宇宙的概念。•1948年美国天文学家伽莫夫发展勒梅特思想，奠定大爆炸宇宙论的基础。牛顿的无限宇宙模型•这个模型里，时间是均匀流淌且无始无终，空间是平直且无边无际，物质在空间中大致均匀分布且作永不停息的运动，而整个宇宙则处于相对稳定的状态——宇宙的体积是无限的，也没有空间边界，宇宙空间是三维欧几里得几何学空间，在牛顿的这样一个绝对“空”而无限“大”的宇宙空间中，均匀地分布着无限多的天体，相互以万有引力联系。光度佯谬（夜黑佯谬或奥伯斯佯谬）引力佯谬热死佯谬爱因斯坦的有限无边宇宙模型•1917年根据狭义相对论提出的宇宙模型：主张宇宙是一体积有限没有边界的静态弯曲封闭体。认为宇宙中物质是均匀分布的，宇宙不随时间变化，三维空间是有限无边的。•克服了牛顿理论和无限宇宙的矛盾，是第一个自洽统一的动力学宇宙模型，是现代宇宙学的开端。大爆炸宇宙论和暴胀宇宙论•弗利德曼和勒梅特等人则从广义相对论得到膨胀宇宙模型，伽莫夫等人又把它发展为大爆炸模型。爱因斯坦最初拒绝膨胀模型，然而天文观测发现遥远的星系普遍存在红移，离我们越远的星系红移越大(哈勃定律)。人们很快认识到这是一种多普勒效应，表明宇宙中的星系都在相互远离。这一观测事实有力地支持了膨胀宇宙模型，爱因斯坦不得不放弃了静态宇宙模型。提出大爆炸宇宙学模型的背景•1922年，前苏联数学家弗里德曼（1888-1925）在宇宙学原理的基础上，根据爱因斯坦的场方程得到了一个关于宇宙的不稳定方程解。于是他提出了一个动态的宇宙模型，并指出爱因斯坦的宇宙模型不应该是静态的。•1929年，美国天文学家哈勃（1889-1953）用2.5米口径的天文望远镜对遥远天体进行观测。他把遥远恒星的光谱线与地球上同种物质的谱线进行比较，发现存在较明显的红移现象。总结出了著名的哈勃定律：星系的退行速度v与它的距离r成正比，即v＝H0r。•观测证明了宇宙正在膨胀，从一个膨胀着的宇宙可以推断出宇宙是有限的。至少在从它开始膨胀到目前为止这段时间内它是有限的。1948年伽莫夫等人首先提出了大爆炸宇宙学模型.•基于“宇宙是膨胀的”这个由观测事实得到的论点,人们建立了宇宙的三种不同模型。第一种是稳定态模型,认为宇宙一直在以不变的速率膨胀,新的物质不断产生,某一空间总是有同量的物质。第二种是大爆炸模型,认为宇宙起源于一次大爆炸,以后各星系会无限膨胀,宇宙的全部元素供应都在爆炸的头半个小时内产生齐备,再不会有新的物质产生。第三种是脉动模型,认为宇宙的所有物质都从一团原先压紧的物质飞离,速度逐渐缓慢下来,最终停止不动,而后开始在各部的引力互拉影响下发生收缩,物质凝聚到最后再度发生爆炸。在这些过程中,物质既没有产生,也没有毁灭,只是重新编排、互换位置。◆三种宇宙模型共存,人们为此激辩了许多年,到了50年代后期,大爆炸模型渐趋上风,到1965年,更有观测证据有力地支持大爆炸模型,从此,大爆炸模型被广泛地接受了。大爆炸宇宙学模型•1948年，伽莫夫等在美国《物理评论》杂志上发表了关于大爆炸宇宙学模型的文章：提出宇宙是由甚早期温度极高且密度极大，体积极小的物质迅速膨胀形成的，这是一个由热到冷、由密到稀，不断膨胀的过程，尤如一次规模极其巨大的超级大爆炸。从10-35秒到10-33秒宇宙经历了一次暴胀过程。随后宇宙继续膨胀，温度下降，不同的温度下会发生不同的粒子反应过程。宇宙时间时代事件温度(K)距今时间奇点大爆炸∞150亿年10～43s量子时代时间、空间、真空场103210-35s大统一时代暴涨、粒子产生、统一力、强力102810～6s强子时代质子——质子湮灭、弱力、电磁力10131s轻子时代电子——正电子湮灭10101min辐射代中子和质子聚变成氦核10930min粒子间停止激烈相互作用40万年退耦代光子和粒子相互分离宇宙变成透明、原子生成4×103150亿年10亿年星系、恒星开始形成140亿年100亿年我们的银河系、太阳、行星40亿年101亿年始生代最古老的地球岩石39亿年120亿年原生代生命产生20亿年138亿年中生代哺乳类2亿年140亿年智人10万年宇宙的演化•大爆炸后，宇宙的演化过程经历了：1、基本粒子的形成阶段（1s内）2、元素的起源阶段（1秒到3分钟）3、天体的演化阶段1、基本粒子的形成阶段（1s内）宇宙暴胀，宇宙温度降低，物质密度减小。（1）量子时代爆炸瞬时到10-44秒这段极短的时间内的宇宙状态至今还不清楚。估计温度为5×1032K，物质密度为1094ｇ/cm3。这时四种力（强、弱、电磁、引力）还没有区分。10-44秒时发生超统一相变，引力首先分化出来。这一时代又称普朗克时代。（2）大统一时代10-44-10-36秒期间，温度降为1028K，物质密度为1079ｇ/cm3。这时强、弱、电磁三种力还没有分开，质子和反质子产生，但质子数稍多于反粒子数。后来正反质子成对湮灭，余下几乎全部是质子。（3）强子时代10-36-10-4秒期间，温度降为1012K，这时大量强子产生，最活跃的是质子、中子和π粒子等。在温度为1015K时，电磁与弱作用分离。在此期间经历了一段暴胀过程（10-35-10-33）。（4）轻子时代10-4-1秒期间，温度降为1010K，这时大量轻子产生，正负电子湮灭为光子，由于光子和轻子的出现，宇宙中充满了光子和中微子。光辐射逐渐占优势。2、元素的起源阶段（1秒到3分钟）1S–3分钟期间，宇宙中充满光子和中微子质子和中子结合，形成氦和氢等化学元素，其中氦约为23.25%,氘占1%，其余为氢。在这期间光辐射占优势。3、天体的演化阶段约一万年后，温度几万度氢、氦等气状物体约30—40万年后温度几千度气状物质聚集并缓慢转动约70万年后温度3000K原子，原始星云宇宙逐渐透明。几十亿年后原星系星系集团恒星小行星、大行星宇宙继续膨胀，温度、密度继续下降，光辐射逐渐减弱。聚集碎裂周围的气尘星云碎片星系之间的相互吸引、碰撞，是宇宙中最壮观、最美丽的天象这是2006年由“哈勃”宇宙望远镜拍摄到的“触角星系”照片。图中两个螺旋形星系正在合并，可见伸出的部分如同虫子的触角一般。星系内部不断有很多新的星团诞生。“触角星系”距离地球约6200万光年，2－3亿年前这个合体过程就开始了。我们太阳系所在的银河星系，数十亿年后也有同临近的仙女星系相冲撞进而合体的可能性。星系之间的相互吸引、碰撞，是宇宙中最壮观、最美丽的天象哈勃空间望远镜拍摄的玉夫座车轮星系。一个较大的旋涡星系被一个较小的星系从正面碰撞并穿过，形成巨大的车轮状结构。左边是地面望远镜拍摄的乌鸦座天线星系NGC4038和4039。这两个星系相互碰撞发生变形，形成天线似的结构。右边是哈勃空间望远镜拍摄的天线星系的中心区域。哈勃空间望远镜拍摄的一对紧密相邻的旋涡星系NGC2207（左）和IC2163。在大星系的拖拉作用下，小星系已经产生变形。巨蛇座鹰状星云照片由地面大型望远镜拍摄，由于它的形状酷似翱翔的雄鹰而得名。由英澳天文台摄。对宇宙未来的预测•开模型：宇宙将一直膨胀下去，并随着星系和恒星内部核燃料的耗尽而走向衰亡，宇宙变成一个黑暗世界。•闭模型：宇宙膨胀到一定体积后，又开始转化为收缩，在收缩的过程中，温度不断升高，最后又恢复到原来的原始火球状态。在一定条件下，宇宙又一次爆炸，又一次膨胀。如此反复下去，宇宙不断有生有灭、再生再灭。即一个振荡