引言:宇宙是什么?第二十章天體和宇宙

Aristotle:geocentric亞利士多德地心說地球是球形的,其他星體圍繞其作圓周運動Ptolemy(50~170A.D.):geocentric托勒密托勒密提出了運行軌道的概念,發(fā)明了本輪均輪模型,且運用數(shù)學(xué)計算行星的運動。隨著對于行星運動觀測資料的增多，本輪增加到了八十多個。Copernicus(1473-1543):heliocentriccosmology哥白尼日心說太陽是行星系統(tǒng)的中心,一切行星都繞太陽旋轉(zhuǎn)。地球也是一顆行星，有自轉(zhuǎn)也有公轉(zhuǎn)。

歷史上重要的科學(xué)巨人KeplerGalileoNewtonEinstein

我們在宇宙中的位置地球是太陽系九大行星之一太陽是銀河系一顆普通恒星銀河系是本星系團（LocalGroup）重要成員之一本星系團處于室女星系團(VirgoCluster)外圍我們處于宇宙中極其普通的位置!人類的偉大在于她的智慧。迄今為止，人類對于浩大勃深的宇宙具有了極其深入的理解。

宇宙學(xué)原理

宇宙在大尺度上是均勻及各向同性的，沒有任何一個觀測者在宇宙中占有特殊的位置（空間）將宇宙學(xué)原理擴展到時間維，則為靜態(tài)宇宙理論：沒有一個時間是特殊的

CosmologicalPrinciple:Theuniverseasawholeisisotropicandhomogeneous,andnoobserveroccupiesapreferredpositionintheuniverse*perfectcosmologicalprinciple:inspaceand

intime------>SteadyStateTheory膨脹的宇宙宇宙學(xué)原理告訴我們宇宙的幾何可以表示為（四維時空）

R(t):宇宙尺度因子

k:宇宙曲率

k=0k=1k=-1宇宙學(xué)的理論基礎(chǔ)為愛因斯坦的廣義相對論。宇宙中的物質(zhì)組成決定了宇宙的幾何及隨時間的演化。愛因斯坦：靜態(tài)宇宙---宇宙學(xué)常數(shù)宇宙的膨脹Hubble（哈勃）

哈勃發(fā)現(xiàn)星系退行速度與其距離成正比H0:哈勃常數(shù)哈勃的估算為:這里宇宙年齡可以估算為將哈勃得到的數(shù)值帶入這一年齡小于測量的天體的年齡SteadyStateTheory(穩(wěn)態(tài)宇宙）宇宙膨脹，物質(zhì)不斷產(chǎn)生，使得宇宙在任何時間呈現(xiàn)出相同的狀態(tài)*需要一個大能源*很難解釋宇宙微波背景輻射

Gamow熱大爆炸理論（1948）元素合成發(fā)生于大爆炸后幾分鐘之內(nèi)DickeandPeebles:宇宙微波背景輻射的存在重要里程碑：（1）1929哈勃等：發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹（2）1965Penzias&Wilson:發(fā)現(xiàn)微波背景輻射（3）宇宙中氫、氦豐度

宇宙演化熱歷史

宇宙學(xué)現(xiàn)狀

宇宙學(xué)從早期的哲學(xué)、宗教探索已經(jīng)發(fā)展成為一門可以被檢驗的科學(xué)。宇宙學(xué)感興趣的空間尺度從極?。?0-33cm)

到極大（1028cm)，相應(yīng)的能量范圍為

(1019GeV–1meV).隨著觀測技術(shù)的發(fā)展，對宇宙的科學(xué)認(rèn)識程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了一般人的想象。（1）宇宙的整體性質(zhì)物質(zhì)組成暗能量：~70%非重子暗物質(zhì)：~26%重子物質(zhì)：~4%其中可見物質(zhì)~0.5%輻射：~0.005%宇宙在膨脹，且其膨脹速度越來越快，即宇宙今天在加速膨脹！(2)宇宙中的各種結(jié)構(gòu)，如星系、星系團等是從宇宙早期微小不均勻性通過引力不穩(wěn)定性發(fā)展演化而來。

科學(xué)挑戰(zhàn)暗能量的本質(zhì)暗物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)星系形成的物理過程冷暗物質(zhì)的小尺度問題第一代結(jié)構(gòu)形成超大質(zhì)量黑洞與星系形成的物理。。。。。。

2006年諾貝爾物理學(xué)獎微波背景輻射和熱大爆炸宇宙學(xué)MicrowavebackgroundRadiation2006年物理學(xué)諾貝爾獎兩位諾貝爾獎獲得者：1.JohnMather,SeniorastrophysicistatNASA’sGoddardSpaceFlightCenter2.GeorgeSmoot,ProfessorofPhysicsatUniversityofCalifornia,Berkeley2006年物理學(xué)諾貝爾獎是關(guān)于：NobelprizeforBigBangresearchJ.MatehrandG.SmootJ.Matheretal.,1990,Astrophys.J(Letter)354,37;G.Smootetal.,1992,Astrophys.J(Letter)396,1宇宙論：從宏觀到精密——2006年諾貝爾物理學(xué)獎2006年10月3日，瑞典皇家科學(xué)院宣布，將本年度諾貝爾物理學(xué)獎授予美國宇航局哥達(dá)德空間飛行中心的約翰·馬瑟和加州大學(xué)伯克利分校的喬治·斯穆特，以表彰他們發(fā)現(xiàn)了宇宙微波背景輻射的黑體譜形狀及其溫度在不同方向上的微小變化。他們利用COBE（宇宙微波背景探索者）衛(wèi)星進行的非常細(xì)致的觀測，被譽為現(xiàn)代宇宙論發(fā)展成一門精密科學(xué)的起點。

首次發(fā)現(xiàn)宇宙微波背景輻射是在1964年。美國貝爾電話實驗室的兩位科學(xué)家阿羅·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜為此獲得1978年諾貝爾物理學(xué)獎。他們起初曾將這種輻射誤為是自己的接收機上不相關(guān)的噪聲(實際上,宇宙微波背景是每當(dāng)我們的電視機正常傳輸中斷時接受到的那種“雪花”噪聲的一部分)。但是,早在1940年代，伽莫夫、阿爾弗和赫爾曼就做出了微波背景的理論預(yù)言，對后來關(guān)于宇宙起源的持續(xù)討論作出了重要貢獻。當(dāng)時主要有兩種宇宙學(xué)理論在互相競爭:或者宇宙在最初的大爆炸中誕生然后繼續(xù)膨脹,或者它總是處于在一種穩(wěn)恒狀態(tài)。大爆炸圖景實際上預(yù)言了微波背景輻射的存在,因此，彭齊亞斯和威爾遜的發(fā)現(xiàn)自然讓那種理論格外令人可信。宇宙論基本概念

Themaincontents1。大爆炸宇宙學(xué)2。早期宇宙概況3。幾個簡單公式4。光子的退耦5。光子的背景輻射6。多極各向異性和星系形成條件7。宇宙中正反物質(zhì)的不對稱的形成8。暗物質(zhì)與暗能量9。粒子物理，LHC與ILC10。展望熱大爆炸宇宙學(xué)1。熱大爆炸宇宙學(xué)宇宙介質(zhì)可以看成由星系為“分子”所構(gòu)成的“氣體”，宇宙學(xué)原理認(rèn)為宇宙介質(zhì)在大尺度下是均勻的。Hubble膨脹哈伯發(fā)現(xiàn)星系對銀河中心的退行速度與距離成正比Hubble定理1+z是紅移，是光的Doppler效應(yīng)，v是天體相對我們地球觀測者的速度，Hubble觀測到的公式僅是近似。但這個觀測的意義是否定了靜止宇宙的理論，指出宇宙在膨脹，從而導(dǎo)致了熱大爆炸理論。宇宙學(xué)H是hubble常數(shù)牛頓認(rèn)為成團愛因斯坦開始認(rèn)為靜止宇宙宇宙應(yīng)起源于120－150億年前，能量高度密集的小區(qū)域通過熱大爆炸形成今天的觀測宇宙。宇宙形成于熱大爆炸2。早期宇宙概況（1）遠(yuǎn)古的宇宙中不可能有星系（2）星系是均勻宇宙氣體碎裂的產(chǎn)物微小擾動會發(fā)展成局域結(jié)團（3）膨脹的宇宙來自大爆炸（密度，溫度無限？）“BigBang”!（4）強子，質(zhì)子，中子從夸克產(chǎn)生，是宇宙演化的產(chǎn)物，E＝200MeV(T=1012K)t=10-4s（5）化學(xué)元素也是演化的產(chǎn)物,E=1-10MeV(T=1010K)3-30min（6）原子和分子是宇宙演化中產(chǎn)生的,E＝13.6eV(T=104K)幾個簡單公式3。幾個簡單公式愛因斯坦廣義相對論

空間,時間和物質(zhì),真空能的關(guān)系λ為宇宙常數(shù)RW度規(guī)幾個簡單公式起到斥力的作用，和普通物質(zhì)的引力正好相反。在輻射為主的早期宇宙在物質(zhì)為主的今天宇宙Decoupling4。光子的退耦原子的復(fù)合過程氣體中的電子在與質(zhì)子的熱碰撞中會結(jié)合成氫原子，同時放出光子，這過程是可逆的。氫的結(jié)合能是13.6eV,要把氫電離，光子能量要大于它。只要高能光子足夠多，反過程的發(fā)生率大于宇宙膨脹率，電離和復(fù)合達(dá)到統(tǒng)計平衡。Decoupling當(dāng)溫度下降后，(T=1eV),高能光子處于Planck分布的高頻尾巴，能量超過13.6eV的光子只有10－4，但光子數(shù)比質(zhì)子數(shù)多9個量級，因而一個氫核仍被105高能光子包圍，不會出現(xiàn)中性氫。但溫度出現(xiàn)在指數(shù)上，溫度再下降不多，但氫核周圍的高能光子迅速減少，在T＝1eV下復(fù)合過程變得重要。｀Planck分布Planck分布中的高能光子數(shù)Temperature今天的背景光子溫度在復(fù)合時的紅移,那時宇宙年齡大約為2X105年在這段時間內(nèi)變化非?？霥ecouplingofPhoton等離子體氣體中光子的退耦光子主要是和自由電子散射每個光子在單位時間內(nèi)的碰撞次數(shù)是在復(fù)合開始后自由電子密度的驟然下降使光子碰撞頻率下降,光子開始退耦.光子得完全退耦退耦的發(fā)生使碰撞率Γ與宇宙膨脹率H競爭的結(jié)果當(dāng)復(fù)合率Xp=0.1(np/(np+nH))時Γ/H=15,90%原子已復(fù)合,但仍有足夠的自由電子以維持光子的熱平衡,退耦發(fā)生在復(fù)合之后當(dāng)Xp=4X10-3時光子退耦,2.4X105年,從這時起光子成了無碰撞組分,它將在由中性原子組成的氣體中飛行,當(dāng)然它今天應(yīng)當(dāng)存在。黑體輻射黑體輻射光在黑體中多次散射，成熱平衡狀態(tài)。黑體輻射的光源是t=2.4X105年時星系為形成前中性原子氣體由于這個最后散射面是均勻且等溫，觀測到的背景輻射應(yīng)高度各向同性。由于光子從有頻繁碰撞到失去碰撞的轉(zhuǎn)化很快，從最后散射面放出的光子動量分布是Planck分布。我們看到的黑體輻射就是宇宙光子背景輻射。一個故事那么今天的Teff大約為2.3-2.7K發(fā)現(xiàn)和證實：Princeton大學(xué)的Dicke和Peebles認(rèn)識到背景輻射對熱大爆炸宇宙學(xué)的重要，準(zhǔn)備尋找，Penzias和Wilson在調(diào)試頻率為4080MHz的角形天線，在沒有信號時測定了本底，擬合溫度為T(θ)=(4.4+2.3secθ)K發(fā)現(xiàn)它是無法排除的來自遠(yuǎn)處的噪聲。從而得到諾貝爾獎。但它僅是一個頻率上的，由于實驗很困難，大氣影響很難排除，不能在地球上完成新的Nobel獎這是COBE測量的最后結(jié)果。在星系形成后的宇宙中，不同部分有了不同溫度，宇宙介質(zhì)已沒有了統(tǒng)一的熱平衡。例如太陽的熱輻射譜合黑體輻射譜相差很大。只有在早期，宇宙才能是整體達(dá)到高度熱平衡的系統(tǒng)。背景輻射譜與黑體輻射譜的高度一致指出它是來自早期宇宙，支持了熱大爆炸理論。星體起源COBE的另一個結(jié)果多極各向異性（偶極各向異性主要是由于銀河系運動產(chǎn)生的紅移改變）預(yù)示宇宙介質(zhì)不能完全均勻。早期宇宙各處溫度和密度有微小起伏，它是后來結(jié)構(gòu)形成的種子。正是因為這種小起伏，由引力構(gòu)成今天的星體。Nobel獎的工作然而從1977年起的十年中，分析四極各向異性的強度，受到精度限制得到零的結(jié)果。到80年代末，這上限異縮小到如果測量精度再高一個數(shù)量級后仍然得到零結(jié)果，那么這樣過小的密度起伏獎來不及再今天形成星系，也就沒有我們了。COBE使用儀器DMR在1992年測到了微波背景溫度的四極各向異性為完全支持了熱大爆炸宇宙學(xué)理論。宇宙中元素大爆炸核合成BBN這是一個比較復(fù)雜的核反應(yīng)鏈但大爆炸理論預(yù)言中子數(shù)與質(zhì)子數(shù)之比為1：7，這個比例是由于中子與質(zhì)子的質(zhì)量差為1.29MeV，轉(zhuǎn)化停止的凍結(jié)溫度為0.8MeV。這結(jié)果意味今天He豐度為質(zhì)子的1/4。測量之為大約0.23-0.25。正反物質(zhì)不對稱性7。宇宙中正反物質(zhì)的不對稱性觀測宇宙中只有質(zhì)子，中子和帶負(fù)電的電子，而不存在它們的反粒子。從熱大爆炸理論它們應(yīng)該存在。Sakharov提出三個必須的條件1存在破壞重子數(shù)（輕子數(shù))守恒的相互作用2CP破壞3宇宙對熱平衡的偏離（至少在演化某一階段）AMS計劃但也存在其他可能性，反物質(zhì)存在于我們廣闊宇宙的另一部分，它是和我們居住的部分完全分開的。那么就有可能一些暗物質(zhì)顆粒會脫離它們的世界而飛到我們這兒來。我們的任務(wù)是找到它們。AMS計劃AlphaMagneticSpectrometer(AMS)由丁肇中領(lǐng)導(dǎo)的龐大的計劃在太空中尋找反物質(zhì)流。宇宙學(xué)的困難8。暗物質(zhì)與暗能量宇宙中可觀測的發(fā)光物質(zhì)，或重子物質(zhì)只占宇宙總能量的5％以下，暗物質(zhì)（冷暗物質(zhì)）占23％，70％以上是所謂的暗能量。暗物質(zhì)是什么？歷史上開始認(rèn)為是中微子（熱暗物質(zhì)），現(xiàn)在認(rèn)為最可能是超對稱粒子neutralino，或axion,axionino等。如何在地球上的探測器上檢驗暗物質(zhì)流？宇宙學(xué)的困難方法是讓暗物質(zhì)粒子與探測器中質(zhì)子或電子碰撞，我們測量帶電的質(zhì)子或電子的反沖軌道。測量是非常困難的。1972年我國云南高山宇宙線觀測站看到的一個特別事例。宇宙學(xué)的困難暗能量更是一個非常難以理解的問題新的觀測結(jié)果指出宇宙在加速膨脹！那么必須存在相當(dāng)于斥力的作用，從前面公式可以看出，宇宙常數(shù)和真空能都可以起到斥力作用。但這有帶來新的問題，(hierarchyproblem)。是否應(yīng)該有人擇原理？新的探討,quintessense,quintessensino,phantom,varying-massneutrinos等等哲學(xué)，物理學(xué)圖：大蛇圖宇宙涉及是非常大的尺度，非常高的能量，非常長的時間，是超出宏觀的宇觀物理粒子物理研究的是非常小的尺度，非常高的能量（相對而言），非常短的時間，是微觀物理。但它們卻是緊密相關(guān)的。因而我們有可能在地球的探測器上對宇宙學(xué)進行研究。粒子物理宇宙學(xué)LHC，ILC和RHICLHC，14TeV,2007年開始運行，尋找Higgs，超對稱粒子，等新物理的信號ILC，1－2TeV，？，精確研究新物理的性質(zhì)，探索更新的物理世界RHIC，尋找夸克－膠子等離子體，模擬早期宇宙(Littlebang)為進一步檢驗理論，提出新的物理思想奠定實驗基礎(chǔ)粒子物理宇宙學(xué)10。展望熱大爆炸宇宙學(xué)取得了巨大成功，得到了天文學(xué)觀測的支持，今天沒有人懷疑這個理論的正確性還有許多未解決的問題，宇宙早期的Inflation階段，暗物質(zhì)，暗能量，正反物質(zhì)的不對稱等留給21世紀(jì)年輕學(xué)者去探索和解決！§20-1宇宙中的天體天體的距離單位▲

1天文單位(AU)=太陽到地球的平均距離

1.5108公里（1.5億公里）▲

1光年(ly)

0.951013公里

光在1年里走過的路程

▲

1秒差距(pc)

31013公里 1秒差距3.26光年~20萬天文單位 1千秒差距 =103秒差距(星系尺度) 1兆秒差距 =106秒差距(宇宙尺度)天體距離的測定方法1)幾何方法：在地球公轉(zhuǎn)不同位置處觀測同一天體在天球上的坐標(biāo),經(jīng)過計算得出視差π，也就得到距離D。D=206,265a.u./π"（適用于銀河系內(nèi)）2)光度方法：設(shè)天體光度為L，亮度為B，則有B∝L·D－2B是可觀測量，如果能設(shè)法求到光度L，則可由上式求得距離D，稱為光度距離。用造父變星做標(biāo)準(zhǔn)燭光（適合近星系）用Ia型超新星作標(biāo)準(zhǔn)燭光（較遠(yuǎn)的星系）一、恒星由于恒星距離我們十分遙遠(yuǎn)，在地球上看來，恒星間的相對位置似乎是恒定不變的，因此古人把它們叫做恒星．恒星由熾熱氣體組成的,能自己發(fā)光的球狀或類球狀天體.離地球最近的恒星是太陽。其次是處于半人馬座的比鄰星，它發(fā)出的光到達(dá)地球需要4.22年。恒星都是氣體星球。晴朗無月的夜晚，且無光污染的地區(qū)，一般人用肉眼大約可以看到6000多顆恒星。借助于望遠(yuǎn)鏡，則可以看到幾十萬乃至幾百萬顆以上。估計銀河系中的恒星大約有一、二千億顆。恒星并非不動，只是因為離開我們實在太遠(yuǎn)，不借助于特殊工具和方法，很難發(fā)現(xiàn)它們在天上的位置變化。恒星也有自己的生命史，它們從誕生、成長到衰老，最終走向死亡。它們大小不同，色彩各異，演化的歷程也不盡相同。恒星與生命的聯(lián)系不僅表現(xiàn)在它提供了光和熱。實際上構(gòu)成行星和生命物質(zhì)的重原子就是在某些恒星生命結(jié)束時發(fā)生的爆發(fā)過程中創(chuàng)造出來的。

距離

恒星的亮度相差很大，這里面固然有恒星本身發(fā)光強弱的原因，但是離開我們距離的遠(yuǎn)近也起著顯著的作用。測定恒星距離最基本的方法是三角視差法，此法主要用于測量較近的恒星距離，過程如下，先測得地球軌道半長徑在恒星處的張角(叫作周年視差)，再經(jīng)過簡單的運算，即可求出恒星的距離。這是測定距離最直接的方法。在十六世紀(jì)哥白尼公布了他的日心說以后，許多天文學(xué)家試圖測定恒星的距離，但都由于它們的數(shù)值很小以及當(dāng)時的觀測精度不高而沒有成功。直到十九世紀(jì)三十年代后半期，才取得成功。然而對大多數(shù)恒星說來，這個張角太小，無法測準(zhǔn)。所以測定恒星距離常使用一些間接的方法，如分光視差法、星團視差法、統(tǒng)計視差法以及由造父變星的周光關(guān)系確定視差，等等。這些間接的方法都是以三角視差法為基礎(chǔ)的?；瘜W(xué)組成與在地面實驗室進行光譜分析一樣，我們對恒星的光譜也可以進行分析，借以確定恒星大氣中形成各種譜線的元素的含量，當(dāng)然情況要比地面上一般光譜分析復(fù)雜得多。多年來的實測結(jié)果表明，正常恒星大氣的化學(xué)組成與太陽大氣差不多。按質(zhì)量計算，氫最多,氦次之,其余按含量依次大致是氧、碳、氮、氖、硅、鎂、鐵、硫等。但也有一部分恒星大氣的化學(xué)組成與太陽大氣不同，例如沃爾夫－拉葉星，就有含碳豐富和含氮豐富之分（即有碳序和氮序之分）在金屬線星和A型特殊星中，若干金屬元素和超鈾元素的譜線顯得特別強。但是，這能否歸結(jié)為某些元素含量較多，還是一個問題。

理論分析表明，在演化過程中，恒星內(nèi)部的化學(xué)組成會隨著熱核反應(yīng)過程的改變而逐漸改變，重元素的含量會越來越多，然而恒星大氣中的化學(xué)組成一般卻是變化較小的。物理特性的變化觀測發(fā)現(xiàn)，有些恒星的光度、光譜和磁場等物理特性都隨時間的推移發(fā)生周期的、半規(guī)則的或無規(guī)則的變化。這種恒星叫作變星。變星分為兩大類：一類是由于幾個天體間的幾何位置發(fā)生變化或恒星自身的幾何形狀特殊等原因而造成的幾何變星；一類是由于恒星自身內(nèi)部的物理過程而造成的物理變星。

爆發(fā)變星按爆發(fā)規(guī)模可分為超新星、新星、矮新星、類新星和耀星等幾類。超新星的亮度會在很短期間內(nèi)增大數(shù)億倍，然后在數(shù)月到一、二年內(nèi)變得非常暗弱。目前多數(shù)人認(rèn)為這是恒星演化到晚期的現(xiàn)象。超新星的外部殼層以每秒鐘數(shù)千乃至上萬公里的速度向外膨脹，形成一個逐漸擴大而稀薄的星云；內(nèi)部則因極度壓縮而形成密度非常大的中子星之類的天體。最著名的銀河超新星是中國宋代（公元1054年）在金牛座發(fā)現(xiàn)的“天關(guān)客星”?，F(xiàn)在可在該處看到著名的蟹狀星云，其中心有一顆周期約33毫秒的脈沖星。一般認(rèn)為，脈沖星就是快速自轉(zhuǎn)的中子星。

一般認(rèn)為太陽系是由一團星云在距今約四十六億年前由于自身引力的作用逐漸凝聚而成的，它是一個在很大范圍內(nèi)由多個天體按一定規(guī)律排列組成的天體系統(tǒng)。這個太陽王國的成員包括一顆恒星、九大行星、至少六十三顆衛(wèi)星、約一百萬顆小行星和無數(shù)的彗星等。二、太陽系

太陽是距離地球最近的一顆恒星，也是太陽系的中心天體質(zhì)量占整個太陽系的99.86%。太陽的年齡有五十億年，正處在它一生中的中年時期。太陽與地球之間的平均距離約為1.5億千米（天文學(xué)上稱之為一個天文單位）。太陽直接為地表提供光能和熱能，維持地表溫度，為生物繁衍生長、大氣和水體運動等提供能量。太陽結(jié)構(gòu)圖

太陽系

水星距太陽五千八百萬公里，是太陽系中和太陽最近的行星。水星沒有衛(wèi)星，它的體積在太陽系中列倒數(shù)第二位，僅比冥王星大。因為水星與太陽非常接近，所以它的白晝地表溫度可高達(dá)攝氏四百二十七度；而到晚上又驟降至攝氏零下一百七十三度。水星——Mercury金星表面覆蓋著主要由硫酸霧組成的濃密云層，地表溫度達(dá)四百多度，比水星還要熱。在英語中，金星——“維納斯”是古羅馬的女神，像征著愛情與美麗。金星——Venus地球上存在著生命，這使地球得以區(qū)別其他行星而成為太陽系中一個最特殊的天體。地球——Earth火星是地球的近鄰。它與地球有許多相同的特征，它是目前所知地球外最有可能存在生命的地方。它們都有衛(wèi)星，都有移動的沙丘、大風(fēng)揚起的沙塵暴，南北兩極都有白色的冰冠，只不過火星的冰冠是由干冰組成的?；鹦恰狹ars木星是太陽系中最大的行星，它的體積超過地球的一千倍，質(zhì)量超過太陽系中其他八顆行星質(zhì)量的總和。與其他巨行星一樣，木星沒有固態(tài)的表面，而是覆蓋著966公里厚的云層。通過望遠(yuǎn)鏡觀測，這些云層就象是木星上的一條條絢麗的彩帶。木星——Jupiter在許多方面和木星十分相像的土星最突出的特征是環(huán)繞其赤道壯觀的光環(huán)系統(tǒng)土星——Satum很久以前遭受的一次猛烈天體撞擊使天王星這個太陽系中第三大的行星只能躺著旋轉(zhuǎn)。天王星——Uranus海王星的世界是一個驚心動魄的世界，它是太陽系中大氣活動最為劇烈的一個行星。海王星——Neptune冥王星是太陽系中最小、離太陽最遠(yuǎn)的一顆行星。它究竟是否真正的行星目前還有爭議。冥王星——Pluto行星與太陽平均距離（10億m）赤道半徑（一千m）公轉(zhuǎn)周期自轉(zhuǎn)周期質(zhì)量（地球為1）表面平均溫度（°C）衛(wèi)星數(shù)有無光環(huán)水星５７.9244087.9day58.6day0.05白天350夜晚-1700－金星108.26050224.7day243day0.82-33(云)480(固體表面)0－地球149.663781y23h56’1.00221－火星227.933951.9y24h37’0.11-232－木星778.07140011.8y9h50’317.94-150(云)16有土星1427.06000029.5y10h14’95.18-180(云)21-23有天王星2870.02590084.0y16h14.63-210(云)15有海王星4496.024750164.8y18h17.22-220(云)8有冥王星5946.01350247.9y153h0.0024－230(?)1－彗星：俗稱掃把星，是一種質(zhì)量很小，有特殊形狀和軌道的天體。彗星由彗核，彗發(fā)和彗尾組成海爾·波普彗星太陽系圖片

三、星際物質(zhì)

星際物質(zhì)

是指星際空間存在的各種微小的星際塵埃，稀薄的星際氣體，宇宙線，天體發(fā)射的各種電磁波，各種各樣的粒子流等。星際物質(zhì)的總質(zhì)量約可占銀河系總質(zhì)量的10%，平均密度為每立方厘米只有1個氫原子。溫度可從幾K到幾千萬K。星際物質(zhì)在銀河系內(nèi)分布是不均勻的。當(dāng)星際氣體和塵埃的質(zhì)點，在每立方厘米內(nèi)聚集到10--1000個時，就成為星際云?，F(xiàn)在一般認(rèn)為，恒星早期是由星際物質(zhì)聚集而成，而恒星又以爆發(fā)、拋射和流失等方式，把物質(zhì)送回到星際空間。所謂宇宙射線，指的是來自于宇宙中的一種具有相當(dāng)大能量的帶電粒子流。1912年，德國科學(xué)家韋克多·漢斯帶著電離室在乘氣球升空測定空氣電離度的實驗中，發(fā)現(xiàn)電離室內(nèi)的電流隨海拔升高而變大，從而認(rèn)定電流是來自地球以外的一種穿透性極強的射線所產(chǎn)生的，于是有人為之取名為“宇宙射線”。出于對宇宙射線研究的重視，世界各國紛紛投入資金與設(shè)備對其展開研究。前蘇聯(lián)、日本、中國、美國、法國等國家相繼建立了宇宙射線觀測站。雖然宇宙射線的起源尚無定論，但科學(xué)家們?nèi)匀恢鸩搅私饬擞钪嫔渚€的種種特性，以及對地球和人類環(huán)境的影響。

我們知道，宇宙線主要是由質(zhì)子、氦核、鐵核等裸原子核組成的高能粒子流；也含有中性的珈瑪射線和能穿過地球的中微子流。它們在星系際銀河和太陽磁場中得到加速和調(diào)制，其中一些最終穿過大氣層到達(dá)地球。人類對宇宙射線作微觀世界的研究過程中采用的觀測方式主要有三種，即：空間觀測、地面觀測、地下（或水下）觀測。

有科學(xué)家認(rèn)為，長期以來普遍受到國際社會關(guān)注的全球變暖問題很有可能也與宇宙射線有直接關(guān)系。這種觀點認(rèn)為，溫室效應(yīng)可能并非全球變暖的惟一罪魁禍?zhǔn)祝钪嫔渚€有可能通過改變低層大氣中形成云層的方式來促使地球變暖。這些科學(xué)家的研究認(rèn)為，宇宙射線水平的變化可能是解釋這一疑難問題的關(guān)鍵所在。他們指出，由于來自外層空間的高能粒子將原子中的電子轟擊出來，形成的帶電離子可以引起水滴的凝結(jié)，從而可增加云層的生長。也就是說，當(dāng)宇宙射線較少時，意味著產(chǎn)生的云層就少，這樣，太陽就可以直接加熱地球表面。對過去20年太陽活動和它的放射性強度的觀測數(shù)據(jù)支持這種新的觀點，即太陽活動變得更劇烈時，低空云層的覆蓋面就減少。這是因為從太陽射出的低能量帶電粒子(即太陽風(fēng))可使宇宙射線偏轉(zhuǎn)，隨著太陽活動加劇，太陽風(fēng)也增強，從而使到達(dá)地球的宇宙射線較少，因此形成的云層就少。此外，在高層空間，如果宇宙射線產(chǎn)生的帶電粒子濃度很高，這些帶電離子就有可能相互碰撞，從而重新結(jié)合成中性粒子。但在低空的帶電離子，保持的時間相對較長，因此足以引起新的云層形成。

宇宙射線的研究已變成天體物理學(xué)的重要領(lǐng)域。盡管宇宙射線的起源至今未能確定，人們已普遍認(rèn)為對宇宙射線的研究能獲得宇宙絕大部分奇特環(huán)境中有關(guān)過程的大量信息：射電星系、類星體以及圍繞中子星和黑洞由流入物質(zhì)形成的沸騰轉(zhuǎn)動的吸積盤的知識。我們對這些天體物理學(xué)客體的理解還很粗淺，當(dāng)今宇宙射線研究的主要推動力是渴望了解大自然為什么在這些天體上能產(chǎn)生如此超常能量的粒子。

星際塵埃

是分散在星際氣體中，直徑為萬分之一厘米的固態(tài)質(zhì)點。其質(zhì)量約占星際物質(zhì)總量的10%，是一些象石墨粉末一樣的碳粒。還有人認(rèn)為,星際塵埃是由水、氫、甲烷等的冰狀物，二氧化硅、硅酸鎂、三氧化二鐵等礦物,石墨晶粒以及上訴物質(zhì)的混合物組成的。星際塵埃能散射星光，使星光減弱（稱星際消光）.星際消光又隨波長的增長而增長,星光的顏色也隨之變紅（稱星際紅化）.星際塵埃能阻擋星光的紫外輻射，不使星際分子離解。同時，星際塵埃又能起到加速星際分子形成的作用。

星際氣體

是指星際空間中存在的氣態(tài)原子、分子、電子、離子等。其元素豐度以氫最多，氦次之，其它元素含量很少。星際氣體的分布并不是均勻的，而是形成一塊一塊的云團，而在云團之間或許還彌漫著更加稀薄的氣體和塵埃，密度極低，甚至比發(fā)射星云的密度還低。太陽系行星際空間存在的磁場。系太陽風(fēng)中的等離子體凍結(jié)于太陽磁場而形成的,其磁力線的一端在太陽上、另一端在太陽風(fēng)等離子體之中。太陽自轉(zhuǎn)導(dǎo)致磁力線呈螺狀分布,在黃道面上則形成阿基米德螺線；均具扇形構(gòu)造,且每一扇形內(nèi)部磁場方向都一致指向或背離太陽,而兩相鄰扇形內(nèi)磁場之極方向相反；磁場有年度變化及太陽周變化規(guī)律,太陽寧靜時其強度約(5～10)×10-9特,當(dāng)太陽激烈活動時則可達(dá)50×10-9特以上,顯然與太陽活動密切相關(guān)。

四、星系和星系團宇宙中存在明顯的等級式結(jié)構(gòu):恒星>星系>星系團>超星系團銀河系是太陽所屬的一個龐大的恒星集團，約包括1011顆恒星。這種恒星集團叫星系。許多恒星組成的巨大星系就是由大爆炸散發(fā)的物質(zhì)構(gòu)成的。宇宙是由上千萬個星系構(gòu)成的，星系間是無限的太空。有的星系甚至包括了1000億顆恒星，每18天就會有一顆新恒星在銀河中誕生。星系星系的空間分布不是無規(guī)的，它也有成團現(xiàn)象。上千個以上的星系構(gòu)成的大集團叫星系團。大約只有10%星系屬于這種大星系團。大部分星系只結(jié)成十幾、幾十或上百個成員的小團?？梢钥隙ǖ氖牵窍祱F代表了宇宙結(jié)構(gòu)中比星系更大的一個新層次。這層次的尺度大小為百萬秒差距，平均質(zhì)量是星系平均質(zhì)量的100倍。星系團銀河系本星系群（LocalGroup）銀河系所屬的數(shù)十個星系的集合，尺度約數(shù)百萬光年星系團(ClusterofGalaxies)數(shù)十至數(shù)千個星系的集合，星系團的尺度約數(shù)千萬光年：

室女座星系團超星系團:若干星系團的集合體星系分布的大尺度結(jié)構(gòu)觀測宇宙目前發(fā)現(xiàn)的最遠(yuǎn)天體：137億光年

半徑137億光年室女座超星系團宇宙天體的空間尺度

地球107米太陽 109米太陽系（恒星） 1013米星系（銀河系）1021米(十萬光年)星系團 1023米(百萬光年)超星系團 1025米(億光年)大尺度結(jié)構(gòu)大于3億光年觀測宇宙>1026米(百億光年)精確測定宇宙的整體參數(shù)

H0 哈勃常數(shù)50-100km/s/Mpc？0 總密度 0.2-？宇宙學(xué)常數(shù) 0-？m物質(zhì)密度0.2-？b重子密度0.04？到百分之幾的精度理論物理中沒有解決的問題：1）暗能量2）暗物質(zhì)3）物質(zhì)的起源（重子不對稱的起源）4）真空的選擇宇宙中的暗組分最近觀測宇宙學(xué)資料，宇宙中暗能量占總能量的74％，暗物質(zhì)占22％，物質(zhì)僅占4％。

1）暗能量暗能量的發(fā)現(xiàn)：1998年，兩個研究Ia型超新星小組宣布發(fā)現(xiàn)暗能量暗能量被認(rèn)為是宇宙膨脹加速的原因。Ia型超新星就像路燈，它們看起來比過去的“標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)”預(yù)言的要更加遠(yuǎn)離我們：暗能量的存在也得到其他宇宙學(xué)觀測實驗的支持：微波背景輻射的功率譜星系團的功率譜弱引力透鏡效應(yīng)實驗室的直接測量？？暗能量的性質(zhì)？1）宇宙學(xué)常數(shù)（真空能）2）標(biāo)量場的能量（quitessence,phantom,……）3）愛因斯坦廣義相對論在大尺度上的修改4）密度不均勻性的結(jié)果5）……暗能量理論上的兩個基本問題1）暗能量為什么這么小，因為真空零點能的貢獻和場論的截斷有關(guān)，最通常的估計是2）暗能量為什么不為零，而且和暗物質(zhì)密度差不多（宇宙學(xué)巧合問題）。上百個機制被提了出來，但沒有一個得到公認(rèn)。暗能量問題基本上是一個量子引力的問題。目前存在的模型大致可以分為以下五類：（1）超對稱/超引力，超弦理論。（2）人擇原理(anthropicprinciple)。（3）調(diào)節(jié)機制。（4）改變愛因斯坦引力理論。（5）量子宇宙學(xué)。最近出現(xiàn)第六類理論，就是所謂的全息暗能量理論。‘tHooft2004年在北京說的話也許是有先見之明的，就是，我們擁有的是100wrongtheoriesaboutdarkenergy.我們研究暗能量正如盲人摸象

2）暗物質(zhì)1933年，Zwicky就提出了暗物質(zhì)的概念。1968年，Silk（Silkdamping,密度漲落消失）1974年起，更多的觀測證據(jù)證據(jù)之一

證據(jù)之二弱引力透鏡效應(yīng)證據(jù)之三，Silkdamping.證據(jù)之四，宇宙微波背景輻射Boomerang+WMAP25%暗物質(zhì)，5%重子暗物質(zhì)的性質(zhì)1）不發(fā)光2）今天還存在于星系和星系團中3）大爆炸發(fā)生后就存在，大于重子密度4）相互作用非常微弱

5）不破壞核合成暗物質(zhì)到底是什么？1）不可見重子（有很多問題，不大可能）2）中微子，困難：不容易集團，質(zhì)量需要大于20ev，Sterile中微子的可能性存在3）新粒子－處于平衡態(tài)的粒子：neutralinos,Kaluza-Klein,……－處于非平衡態(tài)的粒子：axions,gravitinos,……毫無疑問，要回答暗物質(zhì)到底是什么的問題，我們不能僅僅依靠宇宙學(xué)觀測。歐洲大型強子對撞機（LHC）很有可能發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)粒子。

3）物質(zhì)的起源宇宙中有大約4％的物質(zhì)，但沒有反物質(zhì)。物質(zhì)的起源和正反物質(zhì)不對稱有關(guān)。Sakhanov條件：重子產(chǎn)生的條件:重子數(shù)不對稱CP破壞非平衡過程 G(DB>0)>G(DB<0)可能的物理質(zhì)子衰變CP破壞老的大統(tǒng)一解釋：大統(tǒng)一肯定破壞重子數(shù)守恒。大統(tǒng)一能標(biāo)上的粒子X衰變新觀察到的直接CP破壞過程ε’：大統(tǒng)一的解釋存在磁單極問題。標(biāo)準(zhǔn)模型在標(biāo)準(zhǔn)模型中B不守恒，但B-L守恒。T>174GeV時，B和L被“清洗”。目前兩個方向：1）弱電重子合成。2）“輕子合成”。1）弱電重子合成(Kuzmin,Rubakov,Shaposhnikov)－開始的時候，B=L=0－通過一級相變達(dá)到非平衡狀態(tài)－產(chǎn)生不為零的B和L2）“輕子合成”(Fukugita,Yanagida)－從L不守恒的過程產(chǎn)生不為零的L－場論中的反常將不為零的L部分轉(zhuǎn)換成不為零的B和諧模型（concordancemodel)74%暗能量4％重子物質(zhì)22％暗物質(zhì)

4）真空的選擇真空的選擇可以說是理論物理和宇宙學(xué)的終極問題，內(nèi)涵包括：1）時空為什么是4維的？2）物理學(xué)常數(shù)為什么是這樣的？－相互作用強度－粒子的質(zhì)量3）宇宙學(xué)參數(shù)為什么是這樣的？－為什么能量有三種組分？－為什么密度漲落是這么大?－為什么宇宙有這么大？例如超弦理論解釋說，時空是10維的或者是11維的，之所以有宏觀的4維時空，是因為……Landscape也就是說，基本理論中允許很多不同亞穩(wěn)態(tài)真空存在，我們的宇宙不過是很多可能宇宙中的一種。Multiverse當(dāng)然，大多數(shù)人不能接受landscape和multiverse這樣的理論。一個正確的真空選擇的解答需要更多的理論和實驗方面的工作。前面三個問題可以看成真空選擇問題的三個側(cè)面。不能是弦論也好，還是其他什么基本理論也好，需要面對的是正面回答我們前面討論的三個問題，以及給出一個合理的真空選擇機制。Myreligionconsistsofahumbleadmirationoftheillimitablesuperiorspiritwhorevealshimselfintheslightdetailsweareabletoperceivewithourfrailandfeeblemind.－AlbertEinstein仰慕無邊的造物主用具體細(xì)節(jié)揭示她的存在，而我們卑微的理解力可以理解這些具體而微細(xì)節(jié)，這就是我的宗教。－阿·愛因斯坦§20-2太陽和它的九大行星

太陽基本數(shù)據(jù)日地平均距離149，598，000千米半徑696，000千米質(zhì)量1.989×1033克平均密度1.409克/立方厘米有效溫度5,770K自轉(zhuǎn)會合周期26.9日(赤道);31.1日(極區(qū))光譜型G2V目視星等-26.74等目視絕對星等4.83等表面重力加速度27,400厘米/平方秒表面逃逸速度617.7千米/秒中心溫度約15,000,000K中心密度約160克/立方厘米年齡50億年一、太陽的結(jié)構(gòu)和活動太陽的結(jié)構(gòu)太陽是太陽系的中心天體,是太陽系里唯一的一顆恒星,也是離地球最近的一顆恒星。太陽是一顆中等質(zhì)量的充滿活力的壯年星，它處于銀河系內(nèi)，位于距銀心約10千秒差距的懸臂內(nèi)，銀道面以北約8秒差距處。太陽的直徑為139.2萬千米，是地球的109倍。太陽的體積為141億億立方千米，是地球的130萬倍。太陽的質(zhì)量近2000億億億噸，是地球的33萬倍，它集中了太陽系99.865%的質(zhì)量，是個絕對至高無上的“國王”。太陽是個熾熱的氣體星球，沒有固體的星體或核心。太陽從中心到邊緣可分為核反應(yīng)區(qū)、輻射區(qū)、對流區(qū)和大氣層。太陽能量的99%是由中心的核反應(yīng)區(qū)的熱核反應(yīng)產(chǎn)生的。太陽中心的密度和溫度極高，它發(fā)生著由氫聚變?yōu)楹さ臒岷朔磻?yīng)，而該反應(yīng)足以維持100億年,因此太陽目前正處于中年期。太陽大氣的主要成分是氫（質(zhì)量約占71%）與氦（質(zhì)量約占27%）。太陽內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖太陽能源從很遠(yuǎn)處看,太陽是一個黃色的矮星太陽中心區(qū)域內(nèi)持續(xù)不斷的熱核燃燒。41H

4He由Einstein的質(zhì)量-能量關(guān)系式E=Mc2ΔMc2={4M(1H)–M(4He)}c2

=26.73MeV同時釋放26.73MeV的能量。(續(xù))太陽內(nèi)部每秒鐘都有7,750萬噸的氫在這種熱核爆炸過程中轉(zhuǎn)化為氦,正是由于這種熱核燃燒維持著太陽巨大的光度。太陽內(nèi)部這樣規(guī)模的熱核燃燒已經(jīng)持續(xù)了45億年。估計它還可以這樣穩(wěn)定地再燃燒50億年左右。在恒星世界中太陽是一個普通的恒星。恒星內(nèi)部熱核燃燒與演化一顆恒星的演化史本質(zhì)上就是它內(nèi)部核心區(qū)域的熱核(燃燒)演化史。大質(zhì)量恒星演化進程將先后經(jīng)歷一系列熱核燃燒階段:H燃燒(穩(wěn)定核燃燒,主序星):

核合成主要結(jié)果:41H

4He

1.PP反應(yīng)鏈----Tc<1.6107K小質(zhì)量恒星<1.1M⊙

對太陽(⊙),穩(wěn)定燃燒100億年

太陽內(nèi)部主要熱核反應(yīng)—強大的中微子源pp鏈:氫(質(zhì)子)合成氦(α粒子)—小質(zhì)量(M<1.1M⊙)主序星的氫燃燒(pp-ν)99.75%0.25%14%86%0.15%99.85%太陽——強大的中微子源源反應(yīng)

簡稱

中微子能量E(MeV)性質(zhì)極大能量平均能量

中微子流量(理論預(yù)言)

(在地球處每秒穿過1米2

面積的太陽中微子數(shù)目)

1H+1H2D+e++e低能(pp)中微子

連續(xù)0.4200.2657Be+e-

7Li+e

中能(7Be)中微子

分立0.86(90%)0.38(10%)8B8Be+e++e

高能(8B)中微子

連續(xù)147.2

從太陽發(fā)射出來的中微子主要是低能中微子。中能中微子的流量只占低能中微子流量的1/20。高能中微子流量只有低能中微子流量的三十萬分之一。中微子流量理論預(yù)言取自文獻:J.Bahcall,ApJ,2001,555,990-1012。Davis中微子探測實驗由于中微子能譜差異及某些技術(shù)原因，按照上述方法,Davis于1954年未能探測到太陽中微子流。早在中微子尚未被實驗證實之前的1946年,意大利物理學(xué)家B.Pontecorvo就提出了利用一種“氯探測器”來探測太陽中微子的建議。1958-1968年間，在美國南達(dá)科他州Homestake這個地點的地下廢礦井中,采用455m3的C2Cl4作為探測材料,Davis利用放射性化學(xué)方法建立了一個大型的中微子探測器—氯探測器。1968年公布了第一批探測結(jié)果:探測到的太陽中微子流量只有理論預(yù)言流量的1/3——轟動全世界。

正當(dāng)Davis等人公布首批氯探測器探測結(jié)果的1968年，Pontecorvo也就提出了這３種味的中微子很有可能互相來回地轉(zhuǎn)化，稱為“中微子振蕩”。在太陽內(nèi)部的熱核燃燒過程中產(chǎn)生的中微子都是νe。但在從太陽到地球的漫長行進過程中，νe不斷地轉(zhuǎn)化為νμ(很少一部分可能轉(zhuǎn)化為ντ)，而νμ或者轉(zhuǎn)化為原來的νe，或者轉(zhuǎn)化為ντ，而ντ也不斷轉(zhuǎn)化為νμ(一小部分可能轉(zhuǎn)化為νe)。在飛行過程中明顯數(shù)量的νe轉(zhuǎn)變?yōu)棣挺痰牡湫途嚯x可能只有10m左右。從太陽內(nèi)部熱核反應(yīng)產(chǎn)生的電子中微子在飛行目地空間距離（1.5×108

km）之后，當(dāng)它們到達(dá)地球上的中微子探測器時，平均而言，大約這３味中微子的數(shù)量各占1/3。前面介紹的所有建立在放射性化學(xué)方法基礎(chǔ)上的（氯、鎵）中微子探測器探測的都僅僅只是νe，因而它們的實測流量當(dāng)然只有太陽內(nèi)部發(fā)出時的νe流量的1/3。太陽和地球一樣，也有大氣層。太陽大氣層從內(nèi)到外可分為光球、色球和日冕三層。光球?qū)雍窦s5000千米，我們所見到太陽的可見光，幾乎全是由光球發(fā)出的。光球表面有顆粒狀結(jié)構(gòu)----“米粒組織”。光球上亮的區(qū)域叫光斑，暗的黑斑叫太陽黑子，太陽黑子的活動具有平均11.2年的周期。從光球表面到2000千米高度為色球?qū)?，它得在日全食時或用色球望遠(yuǎn)鏡才能觀測到，在色球?qū)佑凶V斑、暗條和日珥，還時常發(fā)生劇烈的耀斑活動。色球?qū)又鉃槿彰釋?，它溫度極高，延伸到數(shù)倍太陽半徑處，用空間望遠(yuǎn)鏡可觀察到X射線耀斑。日冕上有冕洞，而冕洞是太陽風(fēng)的風(fēng)源。日冕也得在日全食時或用日冕儀才可觀測到。當(dāng)太陽上有強烈爆發(fā)時，太陽風(fēng)攜帶著的強大等離子流可能到達(dá)地球極區(qū)。這時，在地球兩極則可看見瑰麗無比的極光。太陽光球及其活動光球就是我們實際看到的太陽圓面，它有一個比較清楚的圓周界線。光球的表面是氣態(tài)的，其平均密度只有水的幾億分之一。光球厚達(dá)500千米，極不透明。光球上密密麻麻地分布著極不穩(wěn)定的斑斑點點，被稱為“米粒組織”。米粒組織可能是光球下面氣體對流產(chǎn)生的現(xiàn)象。另外，還有超米粒組織，其直徑與壽命要大的多。在光球還分布著太陽黑子和光斑，偶爾還會出現(xiàn)白光耀斑。這些活動現(xiàn)象有著相差懸殊的亮度、物理狀態(tài)和結(jié)構(gòu)。太陽光球上的米粒組織所謂太陽黑子是光球?qū)由系暮诎祬^(qū)域，它的溫度大約為4500K，而光球其余部分的溫度約為6000K。在明亮的光球反襯下，就顯得很黑。89年3月5-18日的太陽表面一群黑子,面積約70個地球.10日黑子群爆發(fā)大耀斑,放出帶電粒子和輻射,使地面多處無線電通訊中斷活動太陽的磁場

發(fā)展完全的黑子是由較暗的核（本影）和圍繞它的較亮部分（半影）構(gòu)成的，形狀像一個淺碟。太陽黑子是太陽活動的最明顯標(biāo)志之一。太陽黑子的突出特點是具有強大的磁場，范圍從小太陽黑子的500高斯到大太陽黑子的4000高斯不等。黑子最多的年份稱太陽活動極大年，最少的年份稱太陽活動極小年。太陽黑子的平均活動周期是11．2年。光球上還有一些比周圍更明亮的區(qū)域，叫光斑。它與黑子常常相伴而生。太陽活動是有周期性變化的。太陽周期是指大約十一年周期性的太陽黑子數(shù)量增加和減少。每一周期是從太陽活動最低潮時算起。太陽周期的排序開始于十八世紀(jì)，而現(xiàn)在我們正處于第二十三周期。黑子生命短暫，只有少于數(shù)天至約三星期的壽命。太陽黑子的多寡變化有一個十一年的周期，在周期之始，黑子基本上出現(xiàn)在緯度較高的地方(即離太陽赤道較遠(yuǎn))，接著太陽黑子數(shù)目會不斷增多，并且會向赤道靠攏。假若我們以圖顯示黑子位置與時間的關(guān)系，便會得出著名的「蝴蝶圖」。

利用光譜分析，科學(xué)家得知太陽黑子的磁場相當(dāng)強，比太陽平均磁場強上千倍。黑子經(jīng)常成雙成對出現(xiàn)，每對皆由極性相反的黑子組成，若一個為磁北，另一個必為磁南，由此我們估計每對黑子皆由磁力線所連系，強大的磁場牽制著光球?qū)由系臍怏w，并阻止了下層較熾熱的氣體上升至黑子范圍，結(jié)果黑子比太陽表面其他地方溫度較低。最后值得一提的是，黑子的數(shù)目和地球的氣候有微妙的關(guān)系，研究顯示在地球上一次冰河期時，太陽黑子的數(shù)目異常地少。

太陽黑子太陽黑子的本影和半影太陽黑子區(qū)域的耀斑太陽色球及其活動光球的上界同色球相接，在日全食時能看到。色球?qū)雍窦s8000千米。太陽具有反常增溫現(xiàn)象，從光球頂部到色球頂部再到日冕區(qū)，溫度不斷陡升。色球?qū)佑谐霈F(xiàn)在日輪邊緣的針狀物，它們不斷產(chǎn)生與消失，壽命一般只有10分鐘。色球上經(jīng)常出現(xiàn)一些暗的“飄帶”，我們稱它為暗條。當(dāng)它轉(zhuǎn)到日面邊緣時，有時象一只耳朵，有時好象騰起的火焰，人們俗稱它為日珥。日珥的形態(tài)千變?nèi)f化，可分為寧靜日珥、活動日珥和爆發(fā)日珥。太陽的巨大噴發(fā)

太陽的物質(zhì)拋射

形成環(huán)形突出

軟X射線波段的太陽

太陽色球?qū)佑行┚植苛羺^(qū)域，我們稱它為譜斑。它處于太陽黑子的正上方。有時譜斑亮度會突然增強，這就是我們通常說的耀斑。耀斑釋放的能量極其巨大。其巨大的能量來自磁場。太陽的耀斑磁回旋(紫外)太陽日珥的爆發(fā)太陽的日珥和日冕。攝于日全食時。日冕與太陽風(fēng)太陽最外層的大氣稱為日冕。日冕延伸的范圍達(dá)到太陽直徑的幾倍到幾十倍。在太陽活動極大年，日冕接近圓形；在太陽寧靜年則呈橢圓形。日冕中有大片不規(guī)則的暗黑區(qū)域，叫冕洞。冕洞是日冕中氣體密度較低的區(qū)域。冕洞分為三種：極區(qū)冕洞，孤立冕洞，延伸冕洞。太陽能以太陽風(fēng)----物質(zhì)粒子流的形式失去物質(zhì)。冕洞是高速太陽風(fēng)的重要源泉。日冕物質(zhì)拋射是發(fā)生在日冕的非常宏觀龐大的物質(zhì)和磁場結(jié)構(gòu)，它是大尺度致密等離子體的突然爆發(fā)現(xiàn)象。對地球影響最大的莫過于它。當(dāng)太陽上有強烈爆發(fā)和日冕物質(zhì)拋射時，太陽風(fēng)攜帶著的強大等離子流可能到達(dá)地球極區(qū)。這時，地球兩極就出現(xiàn)極光。極光的形態(tài)千變?nèi)f化。太陽系內(nèi)某些具有磁場的行星上也有極光。發(fā)生在日冕的耀斑叫X射線耀斑，它的波長只有1～8埃或更短。它直接引起地球電離層騷擾，從而影響地球短波通訊。紫外日冕紫外波段的日冕外層日冕的

偽彩色照片“1970年3月7日日全食日冕”

太陽活動極大年的日冕太陽寧靜年的日冕太陽日冕。SOHO探測器拍攝太陽日冕。攝于1991年7月11日日全食時。太陽釋放巨大能量。其中部份能量以帶電荷粒子形式高速傳送開去，這便是太陽風(fēng)。它的移動速度達(dá)到每秒數(shù)百公里。雖然地球上的磁場能將環(huán)繞地球的帶電荷粒子困于其輻射帶（VanAllenbelts），一般能有效阻擋太陽風(fēng)，但在猛烈太陽風(fēng)情況下它可能受影響而變形，導(dǎo)致地磁暴的出現(xiàn)。太陽。這四幅太陽像是在不同元素譜線及不同波段上拍攝的，其中(a)鐵IX/X,17.1nm(b)鐵XII,19.5nm(c)鐵XV,28.4nm(d)氦II/硅XI,30.4nm。SOHO攝于1998年10月27日。太陽。這是幅波長19.5nm鐵XII的太陽像，圖中幾個明亮的區(qū)域是太陽的活動區(qū)，幾個暗黑的區(qū)域是冕洞，而周圍的一圈是日冕。SOHO拍攝。從"陽光"號發(fā)射不久(1991年11月)到1995年末的太陽X射線圖像。圖中太陽活動由盛至衰十分明顯。"陽光"號探測器拍攝。太陽光譜M17中恒星形成區(qū)的熱氣體輻射譜Example1:TheSun光學(xué)紫外X射線射電Example2:TheSpiralGalaxyM81光學(xué)中紅外遠(yuǎn)紅外X射線紫外射電恒星的光譜

典型的恒星光譜由連續(xù)譜和吸收線構(gòu)成恒星的連續(xù)譜來自相對較熱、致密的恒星內(nèi)部。吸收線來自較冷、稀薄的恒星大氣。

恒星的特征譜線強度提供了恒星的表面溫度的信息。例如，A型星的H線最強，溫度比A型星低或高的恒星，H線都相對較弱。

不同溫度恒星的特征譜線強度譜線與恒星的化學(xué)成分不同,元素的原子具有不同的結(jié)構(gòu)，因而有不同的特征譜線。通過比較太陽光譜和實驗室中各種元素的譜線，可以確定太陽大氣的化學(xué)成分。按質(zhì)量計，約70%H,28%He和2%重元素。按數(shù)目計，90.8%H,9.1%He和0.1%重元素。太陽的化學(xué)組成元素質(zhì)量豐度Hydrogen73.5%Helium24.8%Oxygen0.788%Carbon0.326%Nitrogen0.118%Iron0.162%Silicon0.09%Magnesium0.06%Neon0.16%恒星的溫度和顏色

恒星的顏色反映了恒星的表面溫度的高低溫度越高（低），顏色越藍(lán)（紅）

RigelBetelgeuse

色指數(shù)(colorindex)—在不同波段測量得到的星等之差，如U-B,B-V等。 由于天體的顏色和輻射譜的形狀取決于表面溫度的高低，色指數(shù)的大小反映了天體的溫度。光譜分類

Harvard大學(xué)天文臺的天文學(xué)家在1890-1910年首先提出的恒星光譜分類法。AnnieJumpCannon

Oh,BeA

FineGuy(Girl),KissMe!根據(jù)恒星光譜中Balmer線的強弱，恒星的光譜首先被分成從A到P共16類。后來經(jīng)過調(diào)整和合并，按照溫度由高到低的次序，將恒星光譜分成O,B.A,F,G,K,M七種光譜型(spectraltype)。每一種光譜型可以繼續(xù)分為0-9十個次型。太陽的光譜型為G2.光譜型表面溫度(K)顏色特征譜線O30,000藍(lán)強電離He線，重元素多次電離線B20,000藍(lán)白中性He線，重元素一次電離線，H線A10,000白H線，重元素一次電離線F7,000黃白重元素一次電離線，H線和中性金屬線G6,000黃重元素一次電離線，中性金屬線K4,000紅橙中性金屬線，重元素一次電離線M3,000紅中性金屬線，分子帶太陽活動對地球的影響1、影響無線電短波通訊2、產(chǎn)生“磁暴”現(xiàn)象3、產(chǎn)生極光4、紫外線增強5、對氣候、水文、地質(zhì)等的影響6、危及星際航行水星金星地球太陽火星木星土星天王星海王星冥王星GO二、太陽的九大行星水星（Mercury)水星是離太陽最近的行星。它的體積在太陽系中列倒數(shù)第二。它的直徑比地球小40%，比月球大40%。水星甚至比木星的衛(wèi)星Ganymede（木衛(wèi)三）和土星的衛(wèi)星Titan（土衛(wèi)六）還小。水星繞太陽一周只需87.969個地球日，而它自轉(zhuǎn)一圈為58.6462個地球日。由于它的公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)之間的關(guān)系較為復(fù)雜，如果按從太陽升起到太陽落下為一個單位來計算,水星上的一天將是176個地球日。水星上看來不可能存在水，它的大氣非常少，而且在白天氣溫非常高。但1991年科學(xué)家在水星的北極發(fā)現(xiàn)了一個不同尋常的亮點。造成這個亮點的可能是在地表或地下的冰。水星上是否有可能存在冰？由于水星的軌道比較特殊，在它的北極，太陽始終只在地平線上徘徊。在一些隕石坑內(nèi)部，可能由于永遠(yuǎn)見不到陽光而使溫度降至-161攝氏度以下。這樣低的溫度就有可能凝固從行星內(nèi)部釋放出來的氣體，或積存從太空來的冰。水星的大氣少得可憐，它的主要成份為氦(42%)、汽化鈉(42%)和氧(15%)，它的平均地表溫度為179攝氏度，最高為427攝氏度，最低為-173攝氏度。BACK金星（Venus)由于金星分別在早晨和黃昏出現(xiàn)在天空，古代的占星家們一直認(rèn)為存在著兩顆這樣的行星，于是分別將它們稱為“晨星”和“昏星”。英語中，金星——“維納斯”(Venus)是古羅馬的愛情與美麗之神。它一直被卷曲的云層籠罩在神秘的面紗中。金星是距太陽的第二顆行星。由于金星和地球在大小、質(zhì)量、密度和重量上非常相似，而且金星和地球幾乎都由同一星云同時形成，占星家們將它們當(dāng)作姐妹行星。然而不久前科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，事實上金星與地球非常不同。金星上沒有海洋，它被厚厚的主要成份為二氧化碳的大氣所包圍，一點水也沒有。它的云層是由硫酸微滴組成的。在地表，它的大氣壓相當(dāng)于在地球海平面上的92倍由于金星厚厚的二氧化碳大氣層造成的“溫室效應(yīng)”，金星地表的溫度高達(dá)482攝氏度左右。陽光透過大氣將金星表面烤熱。地表的熱量在向外輻射的過程中受到大氣的阻隔，無法散發(fā)到外層空間。這使得金星比水星還要熱BACK地球?qū)ψ≡诘厍蛏系娜祟惗?，這顆有著廣闊天空和藍(lán)色海洋的行星始終給人以堅實、巨大的感覺。然而在宇宙中，地球給宇航員們的印象卻并非如此：這個在一層薄薄而脆弱的大氣籠罩下的星球并不見得有多大。在太空中，地球的特征是明顯的：漆黑的太空、藍(lán)色海洋、棕綠色的大塊陸地和白色的云層。人們夢想能在太空中旅行，能欣賞宇宙的奇觀。而從某種意義上說，我們都是太空旅行者。我們的宇宙飛船是地球，飛行速度是每小時108000公里。地球是一個活躍的行星。根據(jù)板塊構(gòu)造說，地殼由幾大板塊構(gòu)成，這些板塊漂浮在熾熱的地幔上緩慢移動。它的運動方式基本有兩種：擴張和縮小。擴張運動表現(xiàn)為兩個板塊相互遠(yuǎn)離，地下巖漿涌出形成新的地殼；縮小運動表現(xiàn)為兩個板塊相互碰撞，一個板塊鉆到另一板塊的下面，在地幔的高溫中逐漸消融。在板塊交界處常常存在許多巨大的斷層，地震頻繁，火山眾多。地球的外殼非常年輕，它不斷受到大氣、水和生物的侵蝕，并在地質(zhì)運動中不斷地重建。所以地球表面沒有像月球那樣坑坑洼洼地遍布隕石坑。這樣的地殼構(gòu)造在太陽系中是獨一無二的。地球有一個適合生物生存的大氣層。在這個大氣層中氮氣占78%，氧氣占21%，余下的1%是其他成份。地表年平均氣溫15攝氏度，平均氣壓101.3千帕。地球初步形成時，大氣中存在有大量的二氧化碳，但是到今天，它們幾乎都被結(jié)合成了碳酸鹽巖石，少量溶入了海洋或被植物消耗掉了。地殼板塊構(gòu)造運動與生物活動共同維持著二氧化碳的循環(huán)。大氣中仍然存在的少量二氧化碳帶來了溫室效應(yīng)，這對維持地表氣溫極其重要。溫室效應(yīng)使地球年平均氣溫從早期的-21℃提高到了宜人的14℃，沒有它海洋將會結(jié)冰，生命將不復(fù)存在。而隨著社會的發(fā)展，人類將大量的二氧化碳被排放到了大氣中：過多的二氧化碳會使溫室效應(yīng)變得越來越嚴(yán)重。我們不希望地球變得像金星般炎熱。人類開始太空探索后，我們已對自己的行星有了更多的認(rèn)識。人類的第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)地球周圍有一個強烈的輻射區(qū)，現(xiàn)在我們把它叫作VanAllen輻射帶。這個輻射帶是宇宙中高速運動的帶電粒子在赤道上空被地球的磁場俘獲而形成的一個環(huán)狀區(qū)域。曾經(jīng)被認(rèn)為非常平靜上層大氣，其實是非常活躍的，它在太陽輻射的影響下遵循著熱脹冷縮規(guī)律。上層大氣的這些特性對地球的天氣系統(tǒng)有很重要的影響。BACK火星(Mars)火星是距太陽的第四個行星，它的體積在太陽系中居第七位。由于火星上的巖石、砂土和天空是紅色或粉紅色的，因此這顆行星又常被稱作“紅色的星球”。在漢語中，火星的名字讓人聯(lián)想到“火”和炎熱，但事實上，這顆紅色的星球卻異常寒冷和干燥。盡管如此，火星仍然是太陽系中與地球最相似的一顆行星。它的體積比地球小，大氣也比地球稀薄。火星的大氣非常稀薄，大氣壓只有地球的千分之七?；鹦谴髿獾闹饕煞菔嵌趸?，其他成份還有氮、氬、氧等。水在火星大氣中的比重只有百分之零點零三。因而火星表面異常干燥?；鹦堑钠骄鶜鉁貫榱阆挛迨鍞z氏度，而溫差較大：在夏季的晝間，氣溫最高為二十?dāng)z氏度，而在冬季，氣溫則可低達(dá)零下一百多攝氏度。火星上經(jīng)常有強風(fēng)，因而常導(dǎo)致大范圍的塵暴。BACK木星(Jupiter)木星是距太陽的第五顆行星，并且是太陽系中最大的行星。如果木星的內(nèi)部是空的，它能裝下一千多個地球。木星的成份也比其他行星更為復(fù)雜。它的重量為1.9x1027公斤，赤道直徑為142,800公里。木星擁有16個衛(wèi)星，其中的四個（木衛(wèi)四、木衛(wèi)二、木衛(wèi)三和木衛(wèi)一）早在1610年就被伽利略發(fā)現(xiàn)了。1979年，“旅行者”一號發(fā)現(xiàn)木星也有環(huán)，但它非?；璋?，在地球上幾乎看不到。木星的大氣非常厚，可能它本身就像太陽那樣是個氣體球。木星大氣的主要成份是氫和氦，以及少量的甲烷、氨、水汽和其他化合物。在木星的內(nèi)部，由于巨大的壓力，氫原子中的電子被釋放出來，僅存赤裸的質(zhì)子。使氫呈現(xiàn)金屬特性。在木星的兩極，發(fā)現(xiàn)了與地球上的十分相似的極光。這似乎與沿木衛(wèi)一螺旋形的磁力線進入木星大氣的物質(zhì)有關(guān)。在木星的云層上端，也發(fā)現(xiàn)有與地球上類似的高空閃電。緯線上色彩分明的條紋、翻騰的云層和風(fēng)暴象征著木星多變的天氣系統(tǒng)。云層圖案每小時每天都在變化?！按蠹t斑”是一個復(fù)雜的按順時針方向運動的風(fēng)暴。其外緣每四至六天旋轉(zhuǎn)一圈，而在中心附近，運動很小，且方向不定。在條狀云層上可以發(fā)現(xiàn)一系列小風(fēng)暴和漩渦。木星大氣層的平均溫度為-121攝氏度。BACK土星(saturn)人類在有史以前就已經(jīng)對土星進行了觀測。1610年，伽利略第一次通過望遠(yuǎn)鏡對它進行了觀測，并記錄下了它奇特的運行軌跡。早期觀測土星非常困難，這是因為每過幾年地球就要穿越土星光環(huán)所在的平面。直至1659年惠更斯推斷出光環(huán)的幾何形狀后情況才有所改變。土星一直被認(rèn)為是太陽系中唯一擁有光環(huán)的行星。但1977年人們發(fā)現(xiàn)天王星也有暗淡的光環(huán)，此后不久在木星和海王星周圍也發(fā)現(xiàn)了光環(huán)。土星是距太陽的第6顆行星，赤道直徑119,300千米，在太陽系中位居第二。1980-81年旅行者號飛船的探測給人們帶來了許多有關(guān)這顆行星的知識。土星的飛速自轉(zhuǎn)使它的兩極明顯地扁平。土星自轉(zhuǎn)一周10小時39分，公轉(zhuǎn)一周為29.5個地球年。土星大氣的主要成份是氫，另外還有少量的氫和甲烷。土星是太陽系中唯一密度比水小的行星，要是把它扔進一個足夠大的海洋，它肯定會浮在水面。黃色的土星表面有明顯的寬闊條紋，這和木星非常相似，但不如木星來得鮮明。土星大氣內(nèi)部風(fēng)速極高。在赤道附近風(fēng)速可以達(dá)每秒500米。在土星的南北極也有與地球相似的極光。BACK天王星(Uranus)天王星是距太陽的第七顆行星，在太陽系中，它的體積位居第三。天王星的體積在九大行星中僅次于木星和土星，體積約為地球的65倍，質(zhì)量相當(dāng)于地球的14.63倍。

它是1781年發(fā)現(xiàn)的。天王星赤道直徑51800公里，以6.81千米/秒的平均速度繞太陽公轉(zhuǎn)，公轉(zhuǎn)周期為84.01個地球年。它與太陽的平均距離為2.87億公里。天王星上的一天是17小時14分鐘。它是太陽系中唯一個“躺”著圍繞太陽運轉(zhuǎn)的行星。天王星至少有15個衛(wèi)星。最大的兩個是1787年發(fā)現(xiàn)的。天王星的大氣層中83%是氫，15%為氦，2%為甲烷以及少量的乙炔和碳?xì)浠衔?。上層大氣層的甲烷吸收紅光，使天王星呈現(xiàn)藍(lán)綠色。大氣在固定緯度集結(jié)成云層，類似于木星和土星在緯線上鮮艷的條狀色帶。由于天王星的自轉(zhuǎn)，星體中緯度有風(fēng)。風(fēng)速大約是每秒40-160米。經(jīng)無線電科學(xué)測試，發(fā)現(xiàn)在赤道附近有大約每秒一百米的逆風(fēng)。海王星云層的平均溫度為零下193攝氏度。BACK海王星(Neptune)海王星是太陽系中最外緣的一顆巨行星，赤道直徑49,500公里。如果海王星上有洞，它能容納近60個地球。海王星每165年繞太陽一周。海王星上的一天為16小時6.7分鐘。海王星的內(nèi)部是熔巖、水、液氨和甲烷的混合物組成的。外面的一層是氫、氦、水和甲烷組成的氣體的混合物。甲烷賦予了海王星云層藍(lán)色的外觀。海王星云層的平均溫度為零下193攝氏度至零下153攝氏度，大氣壓約為1-3帕。海王星上有明顯的狹長而明亮的云層，它與地球上的藤蔓狀云十分相似。在北半球的低緯度，“旅行者”號曾拍到過條狀云投在下層云體上的陰影。海王星是個多變的行星，它有幾個巨大的黑斑，讓人想起木星風(fēng)暴“大紅斑”。最大的一個“大黑斑”有地球那么大。海王星上也有像其它行星一樣的強風(fēng)。相對于行星的自轉(zhuǎn)方向，大多數(shù)風(fēng)向都是向西吹的。大黑斑附近風(fēng)速可以達(dá)到每小時2000公里。