基础物理(一)第九章宇宙学概论第九章宇宙学简介9-1星体观测与哈.DOC

第九章 宇宙學簡介 9-1 星體觀測與哈伯定律 (一)星體觀測與哈伯定律 早期的觀測： 最早以科學方法研究天體現象與運動起始於古希臘文明以後。 畢達哥拉斯：以月相圖變化，推測月球為球狀；並進一步地推測地球及其他星球形狀也是圓球狀。 柏拉圖：發現天體運行的規律性，使人類有計時的概念。 亞里斯多德：提出『地心說』的宇宙觀。 托勒米：認為所有星球以完美的圓形軌道繞著地球運行，此理論符合以地球為中心的宗教思維，並可解釋當時觀測到的行星逆行現象。 哥白尼：提出日心說，認為太陽是太陽系的中心，行星繞著太陽運行，月球繞著地球運行，而恆星則是在相當遙遠的地方。結束了科學的黑暗期。 近代天文學的進展： 第谷：畢生致力於天文觀測，其詳細的紀錄，作為克卜勒天文研究的基礎資料。 克卜勒：整理第谷詳細的天文資料，獲得重要的行星運動定律，被尊為『天文的立法者』。 伽利略：最早自製望遠鏡觀測天體運動，觀測木星周圍的衛星運動，並發現太陽黑子、月球上的山脈深谷，以及金星的盈虧現象。 牛頓：發現反射式天文望遠鏡。提出萬有引力定律，說明克卜勒的行星規律，奠定天文學的理論基礎。 愛因斯坦：提出『廣義相對論』，影響天文學理論做了重大的修正。 (二)天文觀測儀器： 折射式天文望遠鏡： 為凸透鏡所構成，由於透鏡容易產生像差變形，因此需以不同透鏡組合。 為避免不同波長的光波在焦點附近產生色差，因此焦距需增長，鏡筒亦較長。 為使光線能清晰透過，需使用質地優良的玻璃磨製透鏡，因此價錢高出甚多。 反射式天文望遠鏡： 以拋物面鏡構成，依反射原理成像，不易產生像差。 任何波長的光皆可聚焦於同一點，不會產生色差。 鏡筒短，操作方便，造價便宜。 國外的天文台觀測多用反射式望遠鏡，由於鏡面大，集光能力強，因此能觀測較遠的距離。 哈伯望遠鏡： 1990年升空的反射式天文望遠鏡，位於地表600公里的軌道上環繞地球運行，進行從紅外線到紫外線波段的觀測，可免除大氣層的視野干擾。 主要進行宇宙大小的遙遠距離觀測，經多次太空梭維修，儀器早已落後地面觀測的科技進展，如今即將除役。 韋伯太空望遠鏡： 為計劃中的紅外線太空天文望遠鏡，預計將於2018年發射，放置於地球與太陽中第二個拉格朗日點，繞太陽運行。 主要任務是調查作為大爆炸理論的殘餘紅外線證據(宇宙微波背景輻射)，即觀測今天可見宇宙的初期狀態。 (三)宇宙星體層次： 宇宙中的各種結構： 宇宙可分成行星層次、恆星層次、星系層次、星系團層次和超星系團層次等結構。 恆星：能自行發光的星球，稱為恆星。 太陽系： 太陽為恆星，藉著內部的核融合反應，產生極高的溫度，太陽表面溫度約6000，太陽內部的溫度超過1000萬度。 太陽周圍的行星，受太陽的引力作用，以橢圓形軌道環繞太陽運行，形成以太陽為中心的太陽系。 距離太陽最近的恆星為半人馬座的比鄰星；夜空中最亮的恆星為天狼星；北極星距離太陽約430光年。 星系： 在宇宙間相鄰的數十億顆恆星與分布於其間的星際氣體及塵埃，佔據了上萬光年的空間距離，統稱為星系；天文學家估計宇宙間的星系可能高達一千億個，因此星系可說是宇宙最基本的巨大結構。 星系的形狀會隨著年齡而改變，年輕的星系變化較大，形狀較不規則，如：大、小麥哲倫星雲；成熟的星系一般成漩渦狀，如：本銀河系；年老的星系則多呈橢球狀。 在無光害的夜空，有時可見一條模糊光帶，俗稱銀河。 太陽所在的星系通稱為銀河系，約有兩千億顆恆星，屬於棒狀星系，由上向下俯視，可見直徑約10萬光年的圓盤面，太陽位於盤面較薄處，距中心約3萬光年。 距離本銀河系最近的星系為仙女座星系，距離約200萬光年，目前能偵測最遠的星系，距離超過100億光年。 通常鄰近的幾十億至幾千億顆恆星與星際氣體及塵埃組成星系，數十個至數千個星系組成星系團，數十個星系團又組成超星系團。 (四)哈伯定律： 紅移現象： 天文學家分析星球的光譜，可以推測恆星表面的組成元素。 天文學家發現遙遠星系的星光，在可見光範圍的吸收光譜，有向波長大或頻率低的紅光偏移的趨勢，將此現象稱為紅移；當星球運動的速率愈快時，偏向的位移愈明顯。 紅移為都卜勒效應的結果，表示星系正在遠離我們。 哈伯定律： 1929年，美國哈伯發現：從各方向觀察到的遙遠星系皆遠離地球，而光譜紅移的現象，隨著星系與地球間距離的增大而變大，因此提出哈伯定律： 星系至太陽的距離(d)與星系遠離的速率(v)成正比，稱為哈伯定律。 關係式： v：星球遠離速率  d：星球與地球距離  H0：哈伯常數＝ 即：每增加100萬光年，星系的遠離速率會增加22 km／s。 每增加326萬光年，星系的遠離速率會增加70 km／s。 每增加100萬秒差距，星系的遠