专题五 天体物理学与宇宙学.ppt.ppt

第二十三章 天体物理与宇宙学
星系团碰撞
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大学物理学（第二版）电子教案 五、整个宇宙
第二十三章 天体物理与宇宙学
宇宙全景图 Page‹#›
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第二十三章 天体物理与宇宙学
23－2 宇宙天体运动规律*
一、万有引力规律
万有引力定律：自然界中任何两个物体都是相互吸引的， 引力的大小与两物体的质量的乘积成正比，与两物体间距 离的平方成反比。
10-44秒 粒子形成
3105年 宇宙透明
4109年 恒星形成
1010年 古生代
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第二十三章 天体物理与宇宙学
二、暴胀(inflaionary universe)时的宇宙
假设：宇宙在10-35 s至10-33 s之间发生暴胀。在此期间，宇 宙的直径大约由10-26 m暴增1050倍，至1024 m (～30 Mpc) 。 在10-33 s时，暴胀终止，膨胀速率变得与标准模型相同。
《黑人谈河流》 这首诗是休斯在乘车去墨西哥的旅途中一气呵成的，他自己说 “用了十分钟至一刻钟时间”。列车缓缓地从密西西比河上的铁桥 上驶过，诗人由这条古老的河想到黑人的命运，想到林肯总统为了 废除奴隶制，亲自乘木筏沿着密西西比河顺流而下到新奥尔良，又 想到黑人过去生活中的其他河流。本诗就这样产生了。
广义相对论解决了上述两问题：狭义相对论指出时空的 内在联系，但未表明时空与物质的联系。将相对性原理推 广到一切参照系，把引力同时空的几何性质联系起来，物 质、引力场和时空三者联结为一整体，建立了新引力理论。
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第二十三章 天体物理与宇宙学

天体物理学家参与设计和实施空间探测任务，探索 太阳系和宇宙深空中的天体。
载人航天
天体物理学家为载人航天任务提供技术支持 和科学指导，确保宇航员的安全和任务成功 。
宇宙探索
暗物质和暗能量的性质，揭示宇宙中
隐藏的物质和能量。
宇宙微波背景辐射
02
天体物理学家研究宇宙微波背景辐射，了解宇宙大爆炸后宇宙
天体物理的研究范围
总结词
天体物理的研究范围包括天体的结构、组成、演化过程、相互作用以及宇宙的 起源和演化等。
详细描述
天体物理的研究范围非常广泛，包括恒星的形成和演化、行星和卫星的物理特 性、星系的结构和演化、宇宙射线、黑洞和暗物质等。这些研究有助于我们深 入了解宇宙的起源和演化，以及天体的形成和演化过程。
值。
04
天体物理现象
黑洞
黑洞是一种极度密集的天体，其引力强大到连光也无法逃逸 。黑洞的形成通常与恒星死亡有关，当一颗质量巨大的恒星 耗尽燃料并发生超新星爆炸后，其核心可能会坍缩形成黑洞 。
黑洞的内部被称为事件视界，任何进入这个区域的物质和光 线都会被无情地吞噬，永远无法返回。尽管我们无法直接看 到黑洞，但可以通过观测黑洞对周围环境的影响来推断其存 在。
宇宙射线研究
天体物理学家研究宇宙射 线，了解其产生机制、传 播途径和与天体的相互作 用。
星系和恒星演化
通过观测星系和恒星的演 化过程，天体物理学家能 够揭示宇宙的起源、演化 和最终命运。
航天技术
卫星导航
天体物理学家利用卫星轨道和时间测量技术 ，为全球卫星导航系统提供精确的定位和时 间服务。
空间探测
行星探索
人类通过探测器对行星进行探索，已 发现多个可能适宜人类居住的行星。
卫星

第19章 天体物理与宇宙学简介
§19.1 广义相对论 §19.2 致密星 §19.3 宇宙学简介
1
天体物理是天文学中最年轻的一门分支学科， 它应用物理学的技术、方法和理论来研究各类天 体的形态、结构、分布、化学组成、物理状态和 性质以及它们的演化规律.
宇宙学是研究宇宙形成和演化的科学，它的任 务是研究大尺度时空的整体结构和演化.
d A g0A0 dt A
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d B g0B0 dt B
B A
d A d B
g0A0 g0B0
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五、引力辐射
1918年，爱因斯坦就根据广义相对论预言了引力 波的存在. (1)寻求场方程的弱场辐射解； (2)寻求严格的场方程的特解.
的，而现在却看到，它之所以优越是因为在这种参 考系中消除了引力的作用.
在牛顿体系中，惯性系是决定于绝对空间的，它 不受物质运动的影响. 现在，一个做自由落体运动的
7
实验室才是一个局部惯性系，显然它是决定于物质 的分布及运动的.
总之，引力的作用使大范围的惯性系不再存在， 只能存在局部惯性系，而这些局部惯性系之间的关 系则由引力确定.
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注意：实际的引力场不可能是均匀的，常常只在局 部范围中才能近似是均匀的.
原则上说，只有在一个点状的自由下落体系中才 能完全消除引力的一切现象.这就是必须强调“局部” 一词的原因.
2.广义相对性原理 爱因斯坦在将狭义相对性原理进一步推广到非
惯性系时，提出了广义相对性原理：
一切参考系都是平权的.或换言之，客观真实的 物理规律应该在任意坐标变换下形式不变——广义 协变性. (1)等效原理与广义相对性原理取消了惯性系的优越 地位，使一切参考系都平权； (2)一个正确的物理规律必须考虑引力场的影响.

未来的天体运动研究将更加注重数值模拟和理论分析，以更好地理解天体的运动规律和演化过程。
随着观测技术的不断进步，对天体的观测数据将更加精确和全面，有助于我们发现更多未知的天体现象。
天体运动研究将更加注重与其他学科的交叉融合，如物理学、化学、生物学等，以更全面地揭示宇宙的奥秘。
感谢观看
THANKS
02
天体运动的物理原理
总结词
描述任意两个质点之间相互吸引的力，与它们的质量成正比，与它们之间距离的平方成反比。
详细描述
万有引力定律是牛顿发现的自然规律，它指出任意两个质点之间都存在相互吸引的力，这个力的大小与它们的质量成正比，与它们之间距离的平方成反比。这个定律是解释天体运动规律的基础。
总结词
宇宙的演化
06
天体运动的未来探索
未来的探测任务将更加注重寻找生命的迹象，如氨基酸、核酸等有机分子，以及可能存在的微生物化石等。
通过对外太空生命的探测和研究，我们可以更深入地了解地球生命的起源和演化，以及宇宙中生命存在的可能性。
随着天体生学的发展，越来越多的天体被认为可能存在生命，如火星、木卫二和土卫六等。
银河系的结构
银河系是一个包含数千亿颗恒星的巨大星系，由恒星、星团、星云、星际物质和黑洞等组成。
银河系的自转
银河系是一个旋转的星系，具有一个中心旋转轴，整个星系围绕这个轴进行旋转。
星系的形成始于宇宙大爆炸后，气体和尘埃在引力的作用下聚集，形成了恒星、星团和星云等天体。
星系的形成
随着时间的推移，星系中的恒星、星团和星云等天体在不断地演化，形成了各种类型的星系，如旋涡星系、椭圆星系和不规则星系等。
描述行星绕太阳运动的规律，包括轨道定律、面积定律和周期定律。
要点一

我国科学家建造世界最大射电望 远镜 可探测宇宙信号
二、匹克林谱系 之谜
1896年,美国天文学家匹克林在哈佛天文观测台的第 12号通报中宣布: “弗莱明夫人发现船尾座ζ 星的光谱非常特殊,和别 的光谱都不一样","这6根线很像氢光谱线那样,形成 有规律的谱线,显然,这是出自其它星体或地球上尚 未发现的某种元素".当时,还在通报上发表了拍得的 照片,从照片上可以明显地看到,有4根谱线与氢的巴 耳末系Hα ,Hβ ,Hγ ,Hδ ,Hε 互相间隔,极有规律.
天体物理学的发展
饶志明 2014.11.24
天文学家确认144.6亿岁最长寿恒星
• • 一个天文学家研究团队再次确定宇宙中迄今最古老恒星HD 140283的年龄，或比既定宇 宙的年龄还要大，这意味着宇宙比它看起来还要老。 宇宙是由一个致密炽热的奇点于137亿年前一次爆炸后膨胀形成的。1929年，美国 天文学家哈勃提出星系的红移量与星系间的距离成正比的哈勃定律，并推导出星系都在 互相远离的宇宙膨胀说。基于这一推论，宇宙中一切天体的年龄都不应超出这个“宇宙 龄”所界定的上限。恒星的年龄可以从它们的发射功率和拥有的燃料储备来估计。根据 热核反应提供恒星能源的理论，人们得到的天体年龄竟与“宇宙龄”协调一致，这对大 爆炸宇宙模型当然是十分有力的支持。 恒星HD 140283距离地球190光年，位于天秤座星群里的贫金属次巨星，其视星等 7.223，几乎由氢和氦组成，铁含量不到太阳的1%。2013年，天文学家最初确定其年龄 时，不禁感到困惑了。根据宇宙微波背景辐射估计，目前宇宙年龄为138.17亿岁。而它 似乎大约有144.6亿岁，比宇宙本身还大。这种罕见的恒星似乎相当古老，以至于可以 将其称为长寿之星了。此外，其作为一个高速的恒星为人所知有一个世纪左右，但它在 太阳附近存在和其组成却有悖于理论。 当然，最终揭示这颗“老寿星”的年龄估计误差实际上比原来的研究更宽泛，天文 学家给这个边际增加了8亿年。该误差边际可能会使这个在宇宙中已知最早的星体年轻 了许多，但仍在自大爆炸以来的时间界限内。但是，在这个年龄的上限是什么？ 目前，土耳其安卡拉大学的比罗尔提出是否有种可能：这颗恒星与最初测量的一样 老，但仍处于“大爆炸的边缘”？他采用宇宙辐射模型（RUM），计算宇宙年龄为 148.85±0.4亿岁，最低限度的比微波背景辐射估计推算宇宙的年龄稍微年长一些，随之 也很容易地调整出HD 140283的原始年龄。 比罗尔的RUM理论给哈勃常数提出了一种新的动态值，表明自从大爆炸后44亿年 宇宙膨胀已经加速，很可能容纳了暗能量。此外，这种加速增长率本身是缓慢的，转而 可能由暗物质占据。暗物质和暗能量已被广泛讨论、争议的物理现象，但有观测证据表 明它们是真实的。此外，RUM暗示描述量子大小的普朗克常数并非是单纯的常数，而 是一个宇宙变量。2014-11-17

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• 天体物理学是应用物理学的技术、方法和 理论，研究天体的形态、结构、化学组成、 物理状态和演化规律的天文学分支学科， 属于边缘学科之一。
天体
宇宙的基本特性 • 物质性：天体——多样性 • 运动性：天体系统——层次性
什么是天体？ • 天体指宇宙中所有的物质。
天体的类型
• 自然天体：恒星、行星、卫星、星云、流 星、彗星、星际物质（气体和尘埃）；
大爆炸说
• 伽莫夫认为，宇宙最初是一 个温度极高、密度极大的由 最基本粒子组成的“原始火 球”。根据现代物理学，这 个火球必定迅速膨胀，它的 演化过程好像一次巨大的爆 发。由于迅速膨胀，宇宙密 度和温度不断降低，在这个 过程中形成了一些化学元素 （原子核），然后形成由原 子、分子构成的气体物质. 气体物质又逐渐凝聚起星云， 最后从星云中逐渐产生各种 天体，成为现在的宇宙。
宇宙到底有多大？
• 天上的星星确实最多，比地球上的人口多得多。但不是 最暗、最小的。
• 数不清的星星，是与太阳一样能发光的恒星，许多比太 阳大得多、亮得多。月亮是地球的一颗卫星，是最小的。
• 地球与水、金、火、木、土、天王、海王、（冥王）等 行星和一些小行星及彗星围绕太阳运行。
• 除水星、金星外，其他行星都有卫星，有的多达几十颗。 • 这些行星、卫星、小行星和彗星与太阳一起构成太阳系。 • 太阳系中的所有天体都跟随太阳围绕银河中心运行。