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时间:2019-05-11
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1、第九章天体物理学的新发展(简介)德国哲学家康德说过:“世界上有两件东西能够深深地震撼我们的心灵:一件是我们心中崇高的道德准则;另一件是我们头顶上灿烂的星空”。版权所有复制必究高等教育出版社物质结构按其空间尺度和质量大小可分为微观、宏观和宇观三大层次。在宇观层次中,是包括从小行星开始,经过行星,恒星,星系,星系团,超级星系,直到可观察的宇宙。和电磁相互作用不同,万有引力相互作用不能屏蔽和中和,所以随着质量的增加,逐渐成为占支配地位的相互作用。60年代以来宇观领域的结构,性质,规律和演化已逐渐成为近代物理学研究的基本问题和前沿问题。本章将着重介绍当前人们所关心的天体物理学
2、方面的一些新的进展。§9.1夜晚的天空为什么是黑暗的?早在1720年到1823年期间英、法、德三国各有一位天文家(分别是哈雷,切西亚赫,奥尔勃斯)提出了如下命题:如果恒星大体上均匀分布于无限的宇宙空间,我们从任何一个方向上去看,总会看到一颗星,因而总是亮的,而不是黑暗的。换句话说,夜晚的天空到处都应该同太阳表面一样明亮!但事实远非如此。后来这命题被称为“奥尔勃斯佯谬”。1.一种解释1946年,哈里森研究指出,在上述命题中,一个根本的错误是假定了恒星一直在发光。实际上一个恒星从星际弥漫物质中开始形成,到发光,到内部核燃料烧完,最后恒星演化归宿到白矮星、中子星(见§9.3
3、)或星洞。从生到死有一定寿命。一般估计恒星发光寿命约t*≈100亿年(1010年),它远比光离开恒星表面后到波吸收所所经过的平均时间(约1023年)小得多(t*)。哈里森的计算表明:不考虑恒星有寿命时,星光传到我们所在处叠加起来的总的辐射能量密度u等于一颗恒星表面的辐射能量密度u*。考虑到有寿命时,则:可见u很小,观察不到。2.另一种解释1964年也发现宇宙微波背景辐射充满宇宙空间,相当温度T≈3K的黑体辐射。假如我们认为这种背景辐射就是来自宇宙一切黑体贡献的总和,则由黑体辐射能量密度公式,可估计u值:其中σT4为黑体的总辐射本领(见6-1-5式)。也可用求得恒星表面
4、的u*值,取T*≈6000K(太阳表面温度)可得:两种估计大致相符,这恐怕不是偶然的。§9.2宇宙大爆炸理论,哈勃红移,宇宙微波背景辐射及其他1.宇宙大爆炸理论1948年物理学家伽莫夫首先提出:宇宙是从一个高宽度的火球爆炸开始的。但直到20世纪60年代初还很少有人相信。当时的一个主要根据是哈勃红移。孩子到1965年3K微波背景辐射的发现,才使上述假设逐步发展成为被公认的理论。大爆炸理论基本思想大致如下:约在距今137亿年前,爆炸从一个密度无限大的奇点开始→约10-35s后,后一个特别快速的膨胀过程(称暴胀),当膨胀变慢后,宇宙充满了夸克和电子等基本粒子→到10-6s时
5、,夸克结合成中子和质子等强子,他们约在3分钟后形成原子核→约38万年后,宇宙以冷却到温度为4000K左右,质子能俘获电子而形成中性的氢原子,这时原来从大爆炸产生的光子开始自由地运动而充满宇宙空间→50亿年后,星系形成,太阳系形成→100亿年后,宇宙温度冷却到2.7K,出现人类活动。(见下图)2.大爆炸理论的5个依据哈勃红移——1929年起,科学家测得遥远恒星发出的光谱线普遍存在一种“红移”现象,称哈勃红移。这是由于恒星以速度v远离地球所造成的。根据多普勒效应,光源远离地球时,地球上的观察者测得的表现频率将减小,即波长增大,成为红移。红移量定义为:λe为地球上测得的同种
6、物质的谱线波长。利用(8-3-19)式,可得相对论计算结果(读者自证);目前测到最远的Z=10,即v/c=0.9836。哈勃红移给人们描绘了一幅宇宙膨胀的图像,是对宇宙大爆炸假设的第一个支持论据,哈伯发现红移量Z与恒星离地球距离R成比,有哈勃红移公式:Z=HR=(H0/C)R其中H0为哈勃常数。(2)1965年3K微波背景辐射的发现,也是大爆炸理论的有力论据。两位发现者:美国贝尔实验室的工程师彭齐亚斯和威尔逊也因此获得了1978年诺贝尔物理学奖。1989年利用COBE卫星进一步测得了宇宙背景温度为:T=2.725K2001年美国航天中心发射宇宙飞船把“微波各项异性探测
7、器”(MAP)带入太空,进一步测量了宇宙背景辐射的各向异性和偏振性质。认为由测量结果证明了以下几个事实(见页注①):(1)宇宙年龄约13.7×109年(2)宇宙的空间—时间性质是平坦的(3)哈勃常数等于71km·s-1·Mpc-1(4)宇宙成分中,普通物质只占4%,另有23%的“暗物质”,73%的“暗能量”,后二者至今不明(见§9-7)(5)在大爆炸后约2亿年,就出现了最早的恒星。(3)第三个证明是宇宙的可见物质主要是氢和氦,约3/4是氢,1/4是氦,与理论估计相符。(4)第四个论据是关于恒星和星系的演化,1990年升空至今的哈勃空间望远镜已能看到1
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