天体物理新发展.ppt

* 第九章 天体物理学的新发展 §9-1 夜晚的天空为什么是暗的 世界上有两件东西能够深深的震撼我们的心灵，一件是我们心中崇高的道德标准，另一件是我们头顶上的星空。 ——德国哲学家康德 哈雷(E.Halley)、切西雅赫(L.de.Che’seaux)、奥尔勃斯(H.W.M.Olbers)先后提出恒星均匀分布在无边的宇宙空间，因而夜晚的天空应该是明亮的，这称为奥尔勃斯佯谬。 切西雅赫与奥尔勃斯的解释：星际空间存在许多弥漫物质吸收恒星发出的光。 邦迪的解释：宇宙膨胀造成的红移，使得光子的能量降低，星体离我们越远，他所发出的光向低频 ( 长波长 ) 方向偏移，对观察者所在处的辐射能量密度贡献也就越少。 哈里森的解释：经过计算发现上述模型均无法说明为何宇宙空间中任意一点的能量密度远小于发光星体表面的平均能量密度，继而考虑到恒星的演化过程，由于宇宙物质密度太低(?~10-31g/cm3)，两个恒星间距离平均超过1000光年，发光时间又短( 100 亿年)，微弱的星光投射到广袤的星空中，使得远处能量密度远低于发光星体表面的能量密度。 第九章 天体物理学的新发展 §9-2 宇宙大爆炸模型 一、宇宙碰撞-哈勃红移 在二十世纪初的20年间，斯里夫尔在劳威尔天文台仔细研究了星系的光谱，发现大多数元素的光谱都有红移现象。 1929年美国天文年学家爱德温·哈勃用25m反射望远镜观测发现，在本星系以外的所有星系的光谱都有红移现象。 由多普勒效应可以知道，星系光谱谱线的红移表明这些星系都在远离我们，观测结果表明，距离我们越远的星系谱线红移越明显，即离开我们越远的星系，其远离的速度越大，这表明所有星系都在彼此离去。 星系退行速度与远离我们的距离成正比，这称为哈勃定律。 二、宇宙大爆炸 1948年，俄裔美籍物理学家伽莫夫(G.Gamov, 1904-1968)首次提出，宇宙是从一个高密度火球爆炸开始的，大约在150~ 200亿年以前的一次大爆炸后，形成了今天的宇宙。 爆炸后形成的星际物质随着温度的降低，逐渐结合成为电子、质子、中子……，并渐渐复合成轻原子H、He。 正在形成的恒星群 三、宇宙大爆炸理论预言的验证 ①天体的年龄 爆炸碎片在t 时刻飞离速度为 r/t，与哈勃定律比较（v=Hor）得 考虑到误差，推知宇宙的年龄在100~200亿年。 地球、月球上最古老的岩石年龄不超过45亿年 恒星演化理论估计银河系中最古老的恒星年龄为100 ~150亿年 观测结果 观测结果 ②宇宙背景辐射 1964年彭齐亚斯和威尔逊在改善卫星通讯接收天线时，意外的测得天空中存在各向同性的微波背景辐射 依照目前的宇宙膨胀理论，宇宙经过4 ×105a时温度降为3000K，质子、电子能量降低，质子捕获电子成为中性的氢原子，自由电子的密度开始急剧下降，称为退耦期。退耦期后的光子与原子不能发生作用，宇宙变得透明起来。光子退耦后将在宇宙中成为背景光子。 天文学家敏锐地感到这就是宇宙大爆炸初期产生的残留在太空中的光子，进一步的重复测量证实了均匀分布在宇宙空间中的背景辐射为温度等于2.7K的热辐射，而理论得出的微波背景辐射的温度为 Arno Allan Penzias 1933- Robert Woodrow Wilson 1936- www.nobel.se/physics 荣获1978年诺贝尔物理学奖 利用这一张全天微波背景图，科学家告诉我们宇宙的年龄是137亿岁,他们是怎么得出这个结论的呢？乍看之下，图中显示的只是银河系中气体所发出的辉光(红色部分)，和早期宇宙所辐射出的微波(灰色部分)。那些灰色的宇宙微波背景辐射与早期宇宙中原子刚形成的情景有关。仔细研究可以发现这些微波背景成斑点状分布。科学家认为这些微波斑点的图样，是由早期宇宙中密度稍高的区域所产生的声波所造成的。这些声波需要相当的时间才成造成现在这样的图样，因此，宇宙的年龄就可以从这些微波背景的斑点图样来估算。由此得出的宇宙年龄误差范围为2亿年。这一张全天微波背景图是由WMAP卫星所拍摄的。 宇宙的微波背景辐射，中间为银河系气体发出的辉光。 ③宇宙中的氦丰度 当宇宙年龄为三分钟时，质子中子开始相碰形成氘核，随着宇宙温度的逐步降低，后继连锁反应开始…，两个氘核聚合成氦核，宇宙中产生大量的氦。 宇宙诞生一年后，宇宙温度降到108K，核力无法起作用，热核反应停止。原初的核形成过程也相应结束。此时宇宙中3/4为氢，1/4为氦。今天宇宙中的氦主要来自于宇宙早期。 观测结果 宇宙中25%为氦。 第九章 天体物理学的新发展 §9