天文学基础与星象观测选修论文.docVIP

浅谈天文学 宇宙中有第二个地球吗？宇宙是如何形成的？为什么地球能产生生命？玛雅人为什么会消失？天文学中的十万个为什么总能勾起人们的求知欲望！ 天文学是自然科学中的一门基础学科，它和人类历史同样悠久。天文学的研究内容和许多概念总是伴随着人类社会的文明和进步而不断发展的。 在望远镜发明以前，天文观测采用的是目视方法，直接观测天体在天空的视位置和视运动，另外也粗略的估计星星的亮度和颜色。17世纪以后相继有了望远镜、分光镜和光度计，不仅提高了天体位置观测的准确度，而且扩大了人们对宇宙的认识。到了20世纪，由于大口径望远镜的问世，使得人类探测宇宙的深度和广度与日俱增，不少模型、学说由观测得到证实，新天体、新发现大量涌现。20世纪30年代以后，人们越来越广泛的使用无线电方法研究天体和宇宙间的辐射，从而诞生了射电天文学。20世纪50年代人造地球卫星发射成功，人类把观测范围由地面扩展到地外空间，天文学家可以自由地探测天体的各种辐射。现代，天文空间探测已经有了长足的发展，人类不仅把望远镜送上天，而且借助太空飞行器踏上月球，或把仪器送到其他行星上进行直接观测或实验。 我一直都觉得天文学是一门很神秘的学科，尤其在观看完第六、第七节课的视频后，真是不得不感叹天文学的魅力，以及现在科学的强大。 对于天文学，我最感兴趣的是以下几个方面： 一、宇宙大爆炸 宇宙大爆炸(Big Bang)是一种学说，是根据天文观测研究后得到的一种设想。 大约在150亿年前，宇宙所有的物质都高度密集在一点，有着极高的温度，因而发生了巨大的爆炸。大爆炸以后，物质开始向外大膨胀，就形成了今天我们看到的宇宙。 比利时牧师、物理学家乔治·勒梅特①首先提出了关于宇宙起源的大爆炸理论，但他本人将其称作“原生原子的假说”。 这一模型的框架基于了爱因斯坦的广义相对论，并在场方程的求解上作出了一定的简化。描述这一模型的场方程由苏联物理学家亚历山大·弗里德曼②于1922年将广义相对论应用在流体上给出。1929年，美国物理学家埃德温·哈勃③通过观测发现从地球到达遥远星系的距离正比于这些星系的红移，这一膨胀宇宙的观点也在1927年被勒梅特在理论上通过求解弗里德曼方程而提出，这个解后来被称作弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克度规。哈勃的观测表明，所有遥远的星系和星团在视线速度上都在远离我们这一观察点，并且距离越远退行视速度越大。如果当前星系和星团间彼此的距离在不断增大，则说明它们在过去的距离曾经很近。从这一观点物理学家进一步推测：在过去宇宙曾经处于一个极高密度且极高温度的状态，在类似条件下大型粒子加速器上所进行的实验结果则有力地支持了这一理论。 2003 年 2 月 12 日，美国宇航局公布了探测器拍到的宇宙“婴儿期照片”，为宇宙大爆炸理 论提供了新的依据。根据这张照片科学家还精确地测量出了宇宙的实际年龄是 137 亿年。图 片中的微波光线来自宇宙大爆炸后的38万年，大约是在130多亿年前。美国宇航局的科学家说， 这张照片中可以观测到的辐射是一种电磁波，它充满了整个宇宙。电磁波里包含的微观模型信息，显示了形成星系以及我们周围一切结构的萌芽的特征。这次公开的宇宙“婴儿期照片”清晰地显示了这个遗迹的存在，有力地支持了宇宙大爆炸理论。另外， 图片还显示宇宙中最早的恒星诞生于宇宙大爆炸发生的2亿年后，比许多科学家认为的要早 得多。宇宙起初是由不断相互影响的粒子和射线所构成的一团炽热且无定形的云状物组成的：大爆炸后又过了40万年，宇宙膨胀和冷却到一定程度时，电子和质子结合成中性原子，它们再 与周围的射线相互影响。 经过科学研究，目前被绝大多数人接受的结论是：宇宙诞生之前，没有时间，没有空间，也没有物质和能量。大约150亿年前，在这片四大皆空的“无”中，一个体积无限小的点爆炸了。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。但，若真是四大皆空的状态，那么宇宙为何会爆炸？爆炸后的物质又是从哪里来的？不是说自然界的一切物质都是守恒的，那么这个宇宙大爆炸是如何无中生有的呢？ 二、黑洞 黑洞（black hole）是由一个只允许外部物质和辐射进入而不允许物质和辐射从中逃离的边界即视界所规定的时空区域。 根据第七节课影片的介绍，黑洞的产生过程类似于中子星的产生过程；恒星的核心在自身重量的作用下迅速地收缩，发生强力爆炸。当一颗恒星衰老时，它的热核反应已经耗尽了中心的燃料（氢），由中心产生的能量已经不多了。这样，它再也没有足够的力量来承担起外壳巨大的重量。所以在外壳的重压之下，核心开始坍缩，直到最后形成体积小、密度大的星体，重新有能力与压力平衡。物质将不可阻挡地向着中心点进军，直至成为一个体积很小、密度趋向很大。而当它的半径一旦收缩到一定程度（一定小于史瓦西半径④），巨大的引力就使得即使光也无法向外射出，从而切断