宇宙的起源和演化

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1、第二节宇宙的起源和演化困扰人们数百年：宇宙起源和演化的问题？宇宙在空间上究竟是有限还是无限？1一、一些相关知识1.电磁波静电场电荷变化电场电量变化临近区域变化磁场较远区域新的变化电场更远区域新的变化磁场●●……变化的电场和磁场交替产生，由近及远，以有限的速度，在空间的传播过程，称为电磁波。22.电磁波谱波长：λ（m）频率：ν（Hz）λ=电磁波波长分布很广长——几万米（无线电波）——微波——红外线——可见光——紫外线——X射线短——<10-13米（γ射线）传播子光子E=hνν大或λ小，E越大Cν33.辐射任何物体在任何温度下都发射电磁波，发射电磁波的过程称

2、为辐射，辐射出的能量称为辐射能。4.光谱的红移、蓝移物体相对于观测者静止不动，光谱波长是固定的；物体相对于观测者运动，光谱波长有变化：物体远离观测者而去光谱波长向红端移动红移向观测者运动光谱波长向蓝端移动蓝移4二、目前所认识的宇宙1.宇宙星系恒星每个星系几十亿~几千亿颗气体尘埃尺度150亿光年，年龄100~150亿年总星系物质及运动分布，在统计上是均匀的，各向同性的宇宙中物质含量：氢（H2）最多氦（He）其次其它少量目前发现的约10亿个（几百亿个）尺度几千~几十万光年不等（总星系）5星系漩涡星系椭圆星系不规则星系2.银河系尺度组成发光部分直径7万光年最大

3、厚度1万光年恒星2000亿颗气体、尘埃团块63.太阳系尺度—组成直径240亿千米尺度半径70万千米位置银河系轴3/5处运动250千米/秒绕轴运动温度内部15000000K表面6000K行星9个类地行星（Si、Fe）卫星34个无卫星有卫星彗星1600颗流星太阳中心天体水金地火木土天海冥类木行星（H2、N2、NH3、CH4）离太阳120亿千米7三、宇宙的起源和演化宇宙开端——150亿年前大爆炸最重要证据：星系光谱红移星系彼此远离宇宙在膨胀极高密度状态物质密度更高奇点大爆炸81922年弗里德曼和1927年勒梅特，得到了动态宇宙模型。20世纪20年代，发现多数星

4、系发出的光谱发生红移。这意味着多数星系在向我们远离的方向上退行。1948年伽莫夫等人，结合当时核物理的知识，提出了宇宙大爆炸理论。认为今天看到的宇宙膨胀逆着时间追溯回去，则起始于一次猛烈的大爆炸。1929年哈勃总结出经验定律v=H0rV——星系退行的速度H0——哈勃常数，观测值为150千米/秒千万光年r——星体的距离9观测支持和宇宙的热演化大爆炸之后约10-2秒大爆炸之后约1秒大爆炸之后约10秒宇宙温度约1011K，宇宙主要成分是电子、正电子、光子、中微子、反中微子等及少量核子。宇宙温度下降为1010K，宇宙中的中子占24%，质子占76%宇宙温度下降为3

5、x109K，宇宙中的中子、质子可形成4He。而较重的原子核仍没有形成的机会。10到了3分钟，宇宙温度下降为109K。中子衰变为质子，剩下的中子都可直接组合到氦核中，因此造成氦核的丰度为26%，其余的质子则只能成为氢核了。这与是接近的。到了约1012秒宇宙继续冷却和膨胀，温度降为4x103K。原子气体靠引力作用结团形成恒星和星系，而恒星和星系演化，其中的和聚变过程产生更重的原子核；脱离了热偶合的光子气体称为，温度下降到现在的2.7K。1964年彭齐亚斯和威尔逊发现这种背景辐射。宇宙中氦和氢的丰度测量这是宇宙大爆炸理论的一个重要的观测支持。这是宇宙大爆炸理论

6、的又一个重要的观测支持。宇宙背景辐射11大爆炸1秒钟前3分钟3分钟~70万年几十亿年T>100亿K质子、中子、电子、光子……“宇宙汤”T—10亿K质子+中子氘核、氦核T—100万K缓慢膨胀T—3000K原子核+电子原子光子不再被电子散射宇宙开始透明原子—引力凝聚原始星云12星系的形成恒星的一生（1）形成（2）演化13三种质量<太阳白矮星（白色、小）黑矮星质量≈太阳极猛烈爆发，在极短时间内亮度增至千万~上亿倍—“超新星爆发”体积极小、密度极高星核—中子星质量>>太阳超新星爆发黑洞恒星归宿14太阳系形成、演化地球形成、演化15【复习思考题及习题】1.现代宇宙

7、学是如何定义宇宙概念的？2.从整体上看，我们的宇宙存在哪几个结构层次？3.简述宇宙的形成和演化过程。4.简述太阳系的结构、形成和演化。5.地球有那些圈层结构？它们是如何形成的？16